高壓截止閥閥頭的失效分析

某客戶委托我公司維修一臺高壓截止閥。據(jù)介紹，閥頭基體材料

為20CrMnTi,基體熱處理狀態(tài)為淬火+回火，其密封面通過滲WC

工藝提高抗擦傷性能。閥門在使用過程中，閥頭密封面受到?jīng)_刷腐蝕

(見圖1)。為了我到閥頭密封面失效的原因，進(jìn)行了以下分析。

1.試樣制備和試驗方法

從失效閥頭基材車削屑樣，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。從閥頭基材割取3個拉

伸試樣和3個沖擊試樣，進(jìn)行拉伸性能試驗和沖擊性能試驗。

采用化學(xué)分析方法對閥頭基體材料進(jìn)行成分分析,XJZ-1A型金

相顯微鏡對微觀組織進(jìn)行分析，NITONXLY898型直讀光譜儀對滲

層成分進(jìn)行分析，HB-3000型布氏硬度計和HR-150型洛氏硬度計

對閥頭基材和滲層的硬度進(jìn)行檢測,WE-60型萬能試驗機進(jìn)行拉伸

性能測試，JB-30B型沖擊試驗機進(jìn)行沖擊性能測試。

2.試驗結(jié)果與分析

(1)宏觀觀察

從圖1可見，在閥頭密封面，橫向和縱向都有較深的溝槽，延伸

到基體。說明在閥門開啟狀態(tài)下，閥頭密封面受到介質(zhì)中硬顆粒的混

力沖刷。

圖1失效的閥頭形貌二總處叁,

（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)果見表1。從分

析結(jié)果來看，各個元素含量均在標(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20CrMnTi鋼的成分要求。

表1閥頭基材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（％）

CSiMnPSCrNiCuTi

實測0.200.220.970.0200.0151.120.0050.0040.09

值

標(biāo)準(zhǔn)0.17-0.17-0.8~<0.035<0.0351.00-<0.30<0.300.04

值

0.230.371.101.300.10

（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數(shù)據(jù)見表2?？梢钥闯觯y頭基材的

抗拉強度和塑性指標(biāo)皆符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20CrMnTi鋼淬火+回

火后的性能指標(biāo)。

表2閥頭基材的力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)

抗拉強度/MPa屈服強度/MPa伸長率（％）斷面收縮率（％）沖擊功/J

實測值1120880145791

GB3077-19991080850104555

(4)閥頭基材的硬度檢測

對閥頭基材進(jìn)行硬度檢測，硬度值為197HBW、193HBW.

204HBW、213HBW、200HBW、193HBW,說明基材屬于韌，性材

料。

(5)閥頭密封面滲層的硬度檢測

對閥頭密封面滲層進(jìn)行硬度檢測，硬度值為43.8HRC.

44.1HRC、37HRC、39.5HRC、41.5HRC.39HRC、37HRC,平

均硬度為40.3HRC?？梢娮鳛橐资軟_刷的部位，密封面滲層的硬度

不局)。

(6)閥頭基材及滲層的金相分析

使用4%的硝酸酒精溶液對金相拋光態(tài)試樣進(jìn)行化學(xué)侵蝕，并對

滲層及基材部位進(jìn)行觀察。由金相組織可見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WC金相組織。亦未

有明顯的滲層組織及深度(見圖2、圖3)。

圖3閥頭滲層高倍組級《裙嚏產(chǎn)起

圖2閥頭滲層低倍組織(100X)

(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

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。可見密封面滲層不耐沖刷與滲層組織和硬度

有關(guān)。

由金相檢測結(jié)果可見，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。滲層組織檢測中

未發(fā)現(xiàn)金屬元素W,說明滲WC工藝不成功。

滲WC工藝屬于高溫?zé)釘U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散系數(shù)和擴散

速度。如果降低滲WC工藝的加熱溫度，或縮短保溫時間，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

4.結(jié)語

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間，保證要求的WC含量

和滲層深度。通過"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、強度和韌性"的合理結(jié)構(gòu),來保證

閥頭密封面的耐磨性能。

文/李斌、楊永良、劉智民、王田勇、王