分享：铠装热电偶电缆在弯曲加工过程中的断裂原因
王剑星1,2,张立新1,2,肖 翔1,2,蔡欣男1,2,梁 磊1,2,魏小明1,2,张忠模1,2,赵 彦1,2
(1.重庆材料研究院有限公司,重庆 400707; 2.国家仪表功能材料工程技术研究中心,重庆 400707)
摘 要:对一支保护管为 GH3128高温合金的铠装热电偶电缆的断裂原因进行分析,并提出工 艺改进措施。结果表明:保护管内壁存在凹坑,并有氧化镁嵌入,使内壁在拉拔过程中受到较大应 力,增加了裂纹源萌生的概率;铠装电缆保护管内、外壁受到较大应力,使其材料发生成分偏析,材 料显微组织极不均匀,最终导致铠装电缆在弯曲加工过程中断裂。
关键词:铠装热电偶电缆;GH3128高温合金;应力;断裂
中图分类号:TG356.52;TG156.23 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)04-0049-03
铠装热电偶是一种常用的温度测量传感器,可 用来直接测量或控制各种生产过程中流体、气体以 及固体介质的表面温度,应用十分广泛[1-2]。铠装热 电偶电缆由金属保护管、氧化物绝缘材料和热电偶 丝组合铠装而成[3-5]。
304不锈 钢、316 不 锈 钢,以 及 一 些 高 温 合 金 通常作为热电偶铠装电缆保护管的材料。在某些 领域,也采用 GH3128合金作为其保护管的材料。 GH3128合金是以钨元素、钼元素为强化元素的固 溶强化高 温 合 金,其 硬 度 高,强 度 大,但 该 电 缆 的 加工难度大。
笔者 对 一 支 在 弯 曲 加 工 过 程 中 发 生 断 裂 的 ?4.5mm 铠装热电偶电缆断裂原因进行分析,并提 出工艺改进措施。该铠装热电偶电缆由?1.75mm 的 NiCr-NiSi热电偶丝(K 型)及对应的氧化镁瓷柱 组装进尺寸为?12mm×1.4mm 的 GH3128合金 管内,再整体经过多道次拉拔至?4.5mm。铠装热 电偶电缆经过每道次拉拔后需进行1070 ℃的热处 理,保护管的最终壁厚约为0.7mm。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂和未断裂铠装热电偶电缆的宏观形貌如 图1所示,两根热电偶电缆的外径均为4.5mm。由 图1可知:断裂的铠装热电偶电缆已经过抛光处理, 其在?30mm 的棒材上进行弯曲试验时发生断裂, 整个断口较为平整;未断裂的铠装热电偶电缆未进 行抛光处理,在?30mm 和?12 mm 的棒材上进行 弯曲试验后,其表面未发现裂纹和皱褶。
1.2 金相检验
断裂和未断裂铠装热电偶保护管的显微组织如 图2所示,可见断裂和未断裂铠装热电偶的显微组 织均为奥氏体+碳氮化物,晶粒和晶界内都有大量 析出物,且晶界清晰。依据标准晶粒度评级图,断裂 铠装热电偶的晶粒度为7级,未断裂铠装热电偶的 晶粒度为8级。
由图2c)可知,断裂铠装热电偶保护管的显微 组织极其不均匀,靠近内壁的组织与心部组织差别 很大,不均匀部分超过壁厚的1/3,靠近内壁材料的 硬度明显高于心部。保护管内、外壁均不平整,存在 较多缺陷,外壁缺陷较浅,内壁缺陷较深。未断裂铠 装热电偶保护管的显微组织相对均匀,内壁均匀平 滑[见图2d)],这可能是由于断裂铠装热电偶保护 管内壁存在本征裂纹,在管材拉拔过程中,氧化镁瓷 柱的不均匀破碎使得内壁受力不均匀,局部内壁受 到较大应力,诱发内部裂纹的萌生,同时使晶粒破碎 重组更为充分,因此保护管内壁的晶粒度普遍低于 外壁,且难以辨清晶界。
1.3 扫描电镜及能谱分析
采用 TESCAN VEGA3型扫描电子显微镜对 断裂铠 装 热 电 偶 保 护 管 进 行 断 口 扫 描 分 析 (见 图 3)。由图3可知:整体看断口较平整,未发现明显的 剪切区,高倍下观察可知其主要以韧窝状为主,内壁 剪切区主要以脆性开裂为主,但断面上仍能观察到 未聚集长大的浅小韧窝;断口心部微观形貌呈现大 量韧窝,无滑移带和剪切面的出现,可见该断裂为韧 性断裂。由图3b)可知,在断裂铠装热电偶保护管 的内壁发现 V 型缺口,这是由于内壁发生脆化,保 护管在弯曲过程中开裂。
对断裂和未断裂铠装热电偶保护管进行能谱分 析(见图4),发现断裂保护管的晶界和晶粒间都有 大量的析出物,晶粒间主要为颗粒状析出物,晶界上 除了有颗粒状析出物,还有棒状和链状析出物,说明 组织内有多种析出物同时析出。经过能谱分析可 知,析出物主要为富含钼元素和钨元素的析出物,其 中,图4c)为靠近保护管内壁位置的微观形貌,有大 量的白色颗粒物,钼元素和钨元素的含量偏高,铬元 素含量略有增加,而镍元素含量与基体相比少很多, 可见材料已经发生成分偏析。
2 综合分析
文献[6]的研究表明,该合金在固溶状态下应出 单相奥氏体基体以及少量的析出相组成。由于该合 金的碳含量很低,形成的碳化物很稳定,在固溶时不 能完全溶解,因此在不同温度时,晶粒内部仍然存在 弥散分布的碳化物[6]。 铠装热电偶电缆在加工过程中,要经过多道次 拉拔,每经过几个道次,需进行热处理才能确保铠装 电缆具有较好的拉拔加工性能。由图3可知,铠装 电缆在拉拔过程中,外壁受到拉丝模的挤压与摩擦, 而内壁受到氧化镁的挤压与摩擦。保护管内壁在拉 拔过程中受到较大的应力,该应力明显高于保护管 外壁受到的应力。保护管内部缺陷中填满了氧化镁 粉,说明铠装热电偶电缆保护管在拉拔过程中已经 产生了裂纹,这应该是保护管内壁本身缺陷导致的。 保护管壁厚较薄,外壁由于受到拉丝模的挤压 与摩擦形成脆化层,原材料保护管内存在凹坑,使保 护管组织不均匀,从而在铠装电缆的弯曲加工过程 中,保护管外壁产生缺陷后,铠装电缆很快断裂。
3 结论
(1)原材料管材内壁存在凹坑,并有氧化镁嵌 入,使内壁在拉拔过程中受到较大应力,增加了裂纹 源萌生的概率。
(2)由于受到拉丝模的挤压与摩擦,保护管外 壁形成脆化层,由于原材料管材内存在凹坑,因此保 护管内壁脆化并产生缺陷,塑性较好的区域变薄,从 而在铠装电缆弯曲加工过程中,保护管外壁产生缺 陷后,铠装电缆很快就发生断裂。
(3)通过增加原材料管材内壁的检测工序,可 剔除存在凹坑的管材,避免铠装电缆失效。
参考文献: [1] 王天资,任侃,张磊,等.镍铬-镍硅铠装热电偶测温精 度影响分析[J].测控技术,2018(11):308-311. [2] 张健康,刘毅,李伟,等.贵金属铠装热电偶的发展及 应用[J].贵金属,2016,37(增刊1):23-27. [3] 秦彩霞,翟小英,牛晓利.铠装热电偶绝缘电阻的分析 与改进[J].仪器仪表用户,2014,21(1):22-23. [4] 张立新,肖翔,陈洁,等.航空用贵金属套管铠装热电 偶研究[J].传感器世界,2020,26(8):27-30. [5] 王宏,李方,张十庆,等.核场测温用热电偶合金材料 的研究[J].材料导报,2019,33(增刊1):398-402. [6] 蒋世川,张健,刘庭耀,等.固溶处理对 GH3128合金 奥氏体晶粒长大的影响[J].钢铁钒钛,2019,40(5): 150-156.
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