不锈钢链板开裂原因分析

yuyinsh

　　某清洗设备传送带用302不锈钢链板在使用中发生开裂。据使用方介绍，该清洗设备主要采用工业自来水清洗各种车辆，制作链板的不锈钢板供货状态为固溶处理，冲制成链板后再未做任何热处理。链板使用1年后发生开裂。为了弄清不锈钢链板的开裂原因，我们对其进行了失效分析。
　　1、理化检验
　　(1)宏观检查
　　采用超声波对开裂链板进行清洗后，目视检查, 可以看到裂纹有的起源于链板外侧，有的起源于孔的内侧，同时可以看到裂纹源处大多存在黄色腐蚀产物。对开裂链板进行测量,两头内孔直径为<4.4mm，两头外圆直径为<10.9mm，中间最小宽度为7.7mm，总长度为23.6mm，厚度为1.5mm，已经贯通的裂纹宽度最大为0.2～0.3mm。
　　(2)化学成分分析
　　对开裂链板取样做化学成分分析，由表1可见,材料成分符合标准要求。
　　表1 链板材料化学成分（质量分数/%）

项目	C	S	P	Si	Mn	Cr	Ni
实测值	0.14	0.013	0.033	0.76	1.68	17.61	8.02
标准值	≤0.15	≤0.030	≤0.045	≤1.00	≤2.00	17.0~19.0	8.0~10.0

　　(3)金相分析
　　对失效链板进行切割、镶嵌、磨抛后，置于光学显微镜下观察，可以看到裂纹整体上曲曲折折，宽度为0.04～0.09mm，有断续现象。一条裂纹起源于链板外侧，另一条较短的裂纹起源于链板内侧。裂纹有明显的沿晶开裂特征。
　　对链板取样作夹杂物检查,根据GB/T 10561-2005/ISO4967：1998(E)，实际检验A法，用ISO评级图得夹杂物级别为：A0.5，B0，C0，D0.5, 结果表明失效链板非金属夹杂物级别并不高。
     采用王水浸蚀后观察，裂纹处的显微组织为等轴状奥氏体+少量铁素体，可以看到裂纹具有明显的沿晶开裂特征，还可以看到链板孔内侧存在较明显的晶粒变形痕迹。
　　根据GB/T6394-2002，用ASTME112-1992评级图评定，裂纹处晶粒度为7级。
　　用电解法进行轻腐蚀，可见有大量未溶碳化物存在，并有沿晶界呈网状分布的特征。
　　(4)显微硬度测定
　　采用4.9N(0.5kg)载荷对失效链板做显微硬度测定，结果为：269，256，258，262，254，262HV。
　　(5)腐蚀产物能谱分析
　　对链板表面残留的黄色腐蚀产物进行能谱分析，其主要成分有氧、钠、铝、硫、氯、钾、钙、铬、铁和镍等，半定量分析结果表明，腐蚀性介质氧、硫和氯含量均较高，其质量分数分别为10.9%，4.4%和7.2%。
　　2、结果分析
　　由理化检验结果可以得出：失效链板材料化学成分符合302不锈钢的要求；显微组织正常，晶粒细小，夹杂物级别不高，但奥氏体晶界有未溶网状碳化物存在，链板两头内孔壁有冷加工变形痕迹；显微硬度值略高于相关标准；失效链板为沿晶开裂；失效链板表面和开裂面的腐蚀产物中均含有较高含量的氧、氯和硫等强腐蚀性物质。
　　综合以上分析结果可以判断：该不锈钢链板开裂性质为晶间腐蚀开裂,在冷加工残余应力和使用过程中拉应力的作用下产生了开裂。
　　晶间腐蚀是腐蚀局限在晶界附近而晶粒本身腐蚀比较小的一种腐蚀形态，其结果将造成晶粒脱落或使材料的强度降低。晶间腐蚀的机理是贫铬理论。不锈钢因含铬而有很高的耐蚀性，其铬含量必须超过12%，否则其耐蚀性和普通碳钢差不多。显微硬度检验结果偏高说明制作链板的不锈钢板固溶效果不够理想。金相检验发现大量未溶碳化物，并沿晶间呈网状分布，说明该材料未经固溶处理，或固溶处理温度不高，时间较短，碳化物未经充分溶解，合金化程度较差。而且，热处理温度低，铬扩散速度减慢，碳化铬沉淀加快，更加速了贫铬区的形成；同时，沿晶界分布的碳化铬会加剧晶界贫铬，如果铬含量降到12%(钝化所需极限铬含量)以下，则贫铬区处于活化状态，作为阳极，它和晶粒之间构成腐蚀原电池。贫铬区是阳极，面积小，晶粒是阴极，面积大，从而造成晶界附近贫铬区的严重腐蚀。
　　对于不锈钢材料，晶间腐蚀通常产生于高温有机酸介质中。而该失效不锈钢链板的工作环境与各种车辆的污染程度以及污染物种类密切相连，清洗时用的最多的就是水，所以链板必然接触有机酸介质。
　　另外，该链板硬度偏高和302不锈钢本身较高的碳含量都会使该链板的耐蚀性有所降低，而链板在工作中因和链轮之间摩擦以及传输中受到拉伸，都会使链板的温度有所升高，这也会加快链板的腐蚀速率。一旦链板产生了晶间腐蚀，其强度将明显降低，于是在承受拉应力和其本身存在冷加工残余应力的情况下便发生了开裂。
　　根据以上分析结论，建议生产方将不锈钢链板材料改为含碳量较低的304不锈钢，并确保原材料固溶处理质量。采取该措施后，生产出的不锈钢链板在使用中再未发生过开裂现象。