火力發(fā)電廠撈渣機的主要作用是及時排出鍋爐燃燒產(chǎn)生的爐渣[1]。鏈條是撈渣機的重要部件之一,在服役過程中,鏈條長期處于高載荷運行狀態(tài),且鏈環(huán)之間會發(fā)生碰撞、摩擦,因此要求其具有較高的抗拉強度,較好的韌性及耐磨性能[2-3],撈渣機鏈條斷裂會造成鍋爐非計劃停運,影響鍋爐的安全運行[4]。

某超超臨界鍋爐撈渣機鏈條多次出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。鏈條材料為14CrNiMo5鋼,規(guī)格為30 mm×108 mm(直徑×長度),表面經(jīng)滲碳處理,鏈條剛投入運行14個月。筆者對斷裂的鏈條(編號為1號)和同廠家生產(chǎn)的相同材料、不同批次的3號機組未斷裂鏈條(編號為2號)進行了一系列理化檢驗分析,查明了鏈條斷裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

1號和2號鏈條的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂鏈條斷口位于一側(cè)直邊中間部位,斷面基本與鏈條軸向垂直,未見明顯塑性變形,呈脆性斷裂特征,內(nèi)弧側(cè)局部存在磕碰破損；未斷裂鏈條表面存在明顯氧化腐蝕產(chǎn)物,未見明顯異常。

圖 11號和2號鏈條的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

利用直讀光譜儀對1號和2號鏈條進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：1號和2號鏈條的C元素含量超出EN 10084：2008 《表面硬化鋼(滲碳鋼)交貨技術條件》對14CrNiMo5鋼的要求,Cr、Mo元素含量低于EN 10084：2008對14CrNiMo5鋼的要求。

1.3 力學性能測試

分別利用萬能試驗機、布氏硬度計、維氏硬度計、擺錘式?jīng)_擊試驗機對1號和2號鏈條的室溫拉伸性能、硬度、沖擊性能及淬硬層(滲碳淬火硬化層)深度進行測試。1號和2號鏈條的力學性能測試結(jié)果如表2所示,受鏈條尺寸限制,板狀拉伸試樣平行長度不足以夾持引伸計,因此不對試樣的屈服強度、斷后伸長率進行評定。由表2可知：1號和2號鏈條室溫沖擊吸收能量分別為35.5 J和38.5 J,具有一定的韌性儲備；1號和2號鏈條的抗拉強度相近；1號鏈條基體硬度為393～425 HBW,2號鏈條基體硬度為410～423 HBW,兩根鏈條表面硬度分別為63.5 HRC和64.9 HRC,均符合DL/T 2359—2021 《刮板撈渣機 技術規(guī)范》的要求(58～65 HRC)。

1號和2號鏈條縱截面硬度分布如圖2,3所示。由圖2,3可知：1號鏈條滲碳層深度約為1.37 mm,2號鏈條滲碳層深度約為1.49 mm,均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm),其原因為鏈條中Cr、Mo元素含量偏低,導致鏈條的淬透性較差。

圖 21號鏈條縱截面硬度分布

圖 32號鏈條縱截面硬度分布

1.4 金相檢驗

采用光學顯微鏡對1號鏈條的裂紋處進行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：1號鏈條外弧側(cè)外壁存在向內(nèi)沿晶擴展裂紋,裂紋源側(cè)存在向內(nèi)擴展的穿晶裂紋,裂紋源對側(cè)存在向內(nèi)擴展的穿晶裂紋及沿晶裂紋,斷面存在向內(nèi)擴展穿晶微裂紋。

圖 41號鏈條裂紋處的微觀形貌

采用光學顯微鏡對1號和2號鏈條的淬硬層進行微觀觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：1號和2號鏈條的淬硬層均未見明顯異常。

圖 51號和2號鏈條淬硬層微觀形貌

1號和2號鏈條中夾雜物的微觀形貌如圖6所示。由圖6可知：1號鏈條邊部夾雜物為D類粗系2級、細系1級,中部夾雜物為D類粗系2.5級、細系1級,心部夾雜物為D類粗系2級、細系1級；2號鏈條邊部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級,中部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級,心部夾雜物為D類粗系1.5級、細系1級。

圖 61號和2號鏈條中夾雜物的微觀形貌

1號和2號鏈條的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：1號鏈條邊部、中部、心部組織均為淬火馬氏體；2號鏈條邊部、中部、心部組織均為淬火馬氏體,1號和2號鏈條的組織應為回火馬氏體,均存在異常,表明未對1號和2號鏈條進行有效回火處理。

圖 71號和2號鏈條的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

在1號鏈條的斷面上取樣,將試樣置于SEM下觀察,分析位置如圖8所示,分析結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：1號鏈條邊緣可見約1.5 mm環(huán)形帶,為細瓷狀斷口,呈沿晶斷裂特征形貌；心部裂紋呈放射狀花樣,由裂紋源向?qū)?cè)近似平行擴展,基體呈準解理特征形貌。

圖 81號鏈條斷面試樣SEM分析位置示意

圖 91號鏈條斷口SEM形貌

2. 綜合分析

1號鏈條一側(cè)直邊中部發(fā)生斷裂現(xiàn)象,斷面平齊,呈脆性斷裂特征形貌。鏈條斷面裂紋由裂紋源側(cè)淬硬層向?qū)?cè)近似平行擴展,基體呈準解理特征形貌,淬硬層呈明顯沿晶開裂形貌。1號和2號鏈條的顯微組織均為淬火馬氏體,且基體硬度偏高,表明未對鏈條進行有效回火,導致鏈條脆性過大,受外力沖擊時,鏈條易發(fā)生脆性斷裂。

化學成分分析結(jié)果表明,鏈條的C元素含量偏高,Cr、Mo元素含量偏低。力學性能測試結(jié)果顯示,1號和2號鏈條的抗拉強度、基體硬度及沖擊性能相差不大,且其表面硬度均符合標準要求,但是兩鏈條的淬硬層深度均低于DL/T 2359—2021的要求(≥1.9 mm)。金相檢驗結(jié)果顯示,1號鏈條外壁存在向內(nèi)沿晶擴展的裂紋,其夾雜物含量高于2號鏈條。

1號鏈條斷口滲碳過渡層位置存在環(huán)向裂紋,在距離斷口約5 mm處的縱截面上未發(fā)現(xiàn)過多向內(nèi)擴展裂紋,可見該環(huán)向裂紋并未貫穿整個鏈條環(huán)的滲碳過渡層。由此推斷,該鏈條局部的滲碳過渡層處存在環(huán)向裂紋。這種環(huán)向裂紋產(chǎn)生的原因可能為在制造生產(chǎn)過程中鏈條滲碳及熱處理等工藝不當。淬硬層存在明顯沿晶開裂情況,說明受異常沖擊載荷后,鏈條局部發(fā)生脆性開裂。鏈條內(nèi)的夾雜物會破壞基體連續(xù)性,導致局部應力集中,從而加速裂紋萌生及擴展,降低鏈條的承載能力。

綜上所述,1號鏈條斷裂的主要原因是鏈條材料不符合標準要求,且未對鏈條進行有效回火,導致材料脆性較大,服役過程中,鏈條局部易萌生微裂紋,受外力沖擊時鏈條易發(fā)生脆性斷裂。同時,鏈條長期服役后表面淬硬層存在明顯沿晶開裂情況,且鏈條內(nèi)部夾雜物過多,加速了裂紋的向內(nèi)擴展進程,最終導致鏈條斷裂。

3. 結(jié)論與建議

1號鏈條曾受外力撞擊,斷口為脆性斷裂,淬硬層存在明顯沿晶開裂情況。鏈條Cr、Mo元素含量偏低,導致淬透性差,基體硬度較高；鏈條顯微組織為淬火馬氏體,表明未對鏈條進行有效回火處理,材料脆性過高,受外力沖擊時,材料發(fā)生脆性開裂。同時,外壁淬硬層存在明顯沿晶開裂情況以及鏈條內(nèi)部夾雜物過多會加速裂紋向內(nèi)擴展進程,最終導致鏈條斷裂。

建議在鏈條安裝前進行材料校核檢驗工作,避免使用材料化學成分、組織或性能不合格的部件；排查其他鏈條是否存在鏈條間活動卡澀或表面磨損嚴重的情況,對存在嚴重磨損的鏈條進行更換。

文章來源——材料與測試網(wǎng)