高壓截止閥閥頭的失效原因分析

1.試樣制備和試驗(yàn)方法

從失效閥頭基材車(chē)削屑樣，制備化學(xué)分析試樣，分析基材的成分是否合格。采用線切割從失效閥頭基材和密封面部位截取金相試樣，進(jìn)行微觀組織分析、光譜分析和硬度檢測(cè)。從閥頭基材割取3個(gè)拉伸試樣和3個(gè)沖擊試樣，進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)和沖擊性能試驗(yàn)。

采用化學(xué)分析方法對(duì)閥頭基體材料進(jìn)行成分分析，XJZ-1A型金相顯微鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行分析，NITON XLY898型直讀光譜儀對(duì)滲層成分進(jìn)行分析，HB-3000型布氏硬度計(jì)和HR-150型洛氏硬度計(jì)對(duì)閥頭基材和滲層的硬度進(jìn)行檢測(cè)，WE-60型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）宏觀觀察

從圖1可見(jiàn)，在閥頭密封面，橫向和縱向都有較深的溝槽，延伸到基體。說(shuō)明在閥門(mén)開(kāi)啟狀態(tài)下，閥頭密封面受到介質(zhì)中硬顆粒的強(qiáng)力沖刷。

（2）閥頭基材的化學(xué)成分分析

從失效閥頭基材位置取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從分析結(jié)果來(lái)看，各個(gè)元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，閥頭基材的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077—1999對(duì)20CrMnTi鋼的成分要求。

（3）閥頭基材的力學(xué)性能分析

閥頭基材的拉伸和沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。可以看出，閥頭基材的抗拉強(qiáng)度和塑性指標(biāo)皆符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20CrMnTi鋼淬火+回火后的性能指標(biāo)。

（4）閥頭基材的硬度檢測(cè)

對(duì)閥頭基材進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值為197HBW、193HBW、204HBW、213HBW、200HBW、193HBW，說(shuō)明基材屬于韌性材料。

（5）閥頭密封面滲層的硬度檢測(cè) 

對(duì)閥頭密封面滲層進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值為43.8HRC、44.1HRC、37HRC、39.5HRC、41.5HRC、39HRC、37HRC，平均硬度為40.3HRC?？梢?jiàn)作為易受沖刷的部位，密封面滲層的硬度不高。

（6）閥頭基材及滲層的金相分析

使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)金相拋光態(tài)試樣進(jìn)行化學(xué)侵蝕，并對(duì)滲層及基材部位進(jìn)行觀察。由金相組織可見(jiàn)由表及里的組織分布形貌，近表層組織為針狀馬氏體、殘留奧氏體及WC，心部主要為低碳馬氏體、貝氏體及少量鐵素體，滲碳表層未見(jiàn)WC金相組織。亦未有明顯的滲層組織及深度（見(jiàn)圖2、圖3）。

（7）閥頭密封面滲層的光譜分析

為了進(jìn)一步確定材料是否進(jìn)行了滲WC處理，采用直讀光譜儀對(duì)滲層進(jìn)行金屬元素分析，發(fā)現(xiàn)材料中含W量極低，檢測(cè)值為0.05%。

3.分析與討論

閥頭密封面存在多處較深的溝槽。閥頭基體的化學(xué)成分、力學(xué)性能和硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢?jiàn)密封面滲層不耐沖刷與滲層組織和硬度有關(guān)。

由金相檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，基體心部組織主要為低碳馬氏體、貝氏體及少量鐵素體等韌性組織，心部組織正常，滲層組織未見(jiàn)WC組織。WC組織含量太少，必然降低滲層的耐磨性能。滲層組織檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)金屬元素W，說(shuō)明滲WC工藝不成功。

滲WC工藝屬于高溫?zé)釘U(kuò)滲工藝。被滲元素（C、W）在基體金屬中要有一定的滲入速度。提高滲入速度的最重要手段之一就是將工件加熱到足夠高的溫度，使溶質(zhì)元素能夠有足夠大的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散速度。如果降低滲WC工藝的加熱溫度，或縮短保溫時(shí)間，必然造成滲層中的WC含量不足或滲層太淺，降低密封面滲層的耐磨性能。

4.結(jié)語(yǔ)

該閥頭密封面的損壞屬于滲層硬度不足造成的沖刷腐蝕。滲層中WC含量太低，降低了密封面的耐磨性能。建議嚴(yán)格執(zhí)行確定的滲WC工藝，保證充分的加熱溫度和保溫時(shí)間，保證要求的WC含量和滲層深度。通過(guò)“表面具有WC的高硬度，高耐磨，心部保留20CrMnTi基體調(diào)質(zhì)狀態(tài)的硬度、強(qiáng)度和韌性”的合理結(jié)構(gòu)，來(lái)保證閥頭密封面的耐磨性能。