鎧裝熱電偶電纜在彎曲加工中斷裂原因

摘要:對一支保護管為GH3128高溫合金的鎧裝熱電偶電纜的斷裂原因進行分析,并提出工藝改進措施。結果表明:保護管內壁存在凹坑,并有氧化鎂嵌入,使內壁在拉拔過程中受到較大應力,增加了裂紋源萌生的概率;鎧裝電纜保護管內、外壁受到較大應力,使其材料發(fā)生成分偏析,材料顯微組織極不均勻,最終導致鎧裝電纜在彎曲加工過程中斷裂。
　　鎧裝熱電偶是一種常用的溫度測量傳感器，可用來直接測量或控制各種生產過程中流體、氣體以及固體介質的表面溫度,應用十分廣泛。鎧裝熱電偶電纜由金屬保護管、氧化物絕緣材料和熱電偶絲組合鎧裝而成。
　　304不銹鋼、316不銹鋼，以及一些高溫合金通常作為熱電偶鎧裝電纜保護管的材料。在某些領域,也采用GH3128合金作為其保護管的材料。GH3128合金是以鎢元素、鉬元素為強化元素的固溶強化高溫合金,其硬度高,強度大,但該電纜的加工難度大。
　　對一支在彎曲加工過程中發(fā)生斷裂的φ45mm鎧裝熱電偶電纜斷裂原因進行分析,并提出工藝改進措施。該鎧裝熱電偶電纜由φ175mm的NiCr-NiSi熱電偶絲(K型)及對應的氧化鎂瓷柱.組裝進尺寸為φ12mmX1.4mm的GH3128合金管內,再整體經(jīng)過多道次拉拔至φ4.5mm。鎧裝熱電偶電纜經(jīng)過每道次拉拔后需進行1070°C的熱處理,保護管的最終壁厚約為0.7mm。
1理化檢驗
1.1宏觀觀察
　　斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶電纜的宏觀形貌如圖1所示,兩根熱電偶電纜的外徑均為4.5mm。由圖1可知:斷裂的鎧裝熱電偶電纜已經(jīng)過拋光處理，其在φ30mm.的棒材.上進行彎曲試驗時發(fā)生斷裂,整個斷口較為平整;未斷裂的鎧裝熱電偶電纜未進行拋光處理，在φ30mm和φ12mm的棒材上進行彎曲試驗后,其表面未發(fā)現(xiàn)裂紋和皺褶。
 
1.2金相檢驗
　　斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶保護管的顯微組織如圖2所示,可見斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶的顯微組織均為奧氏體十碳氮化物,晶粒和晶界內都有大量析出物,且晶界清晰。依據(jù)標準晶粒度評級圖,斷裂鎧裝熱電偶的晶粒度為7級,未斷裂鎧裝熱電偶的晶粒度為8級。
 
　　由圖2c)可知，斷裂鎧裝熱電偶保護管的顯微組織極其不均勻,靠近內壁的組織與心部組織差別很大,不均勻部分超過壁厚的1/3,靠近內壁材料的硬度明顯高于心部。保護管內、外壁均不平整,存在較多缺陷,外壁缺陷較淺,內壁缺陷較深。未斷裂鎧裝熱電偶保護管的顯微組織相對均勻，內壁均勻平滑[見圖2d)],這可能是由于斷裂鎧裝熱電偶保護管內壁存在本征裂紋,在管材拉拔過程中,氧化鎂瓷柱的不均勻破碎使得內壁受力不均勻,局部內壁受到較大應力,誘發(fā)內部裂紋的萌生,同時使晶粒破碎.重組更為充分,因此保護管內壁的晶粒度普遍低于外壁,且難以辨清晶界。
13掃描電鏡及能譜分析
　　采用掃描電子顯微鏡對斷裂鎧裝熱電偶保護管進行斷口掃描分析(見圖3)。由圖3可知:整體看斷口較平整,未發(fā)現(xiàn)明顯的剪切區(qū),高倍下觀察可知其主要以韌窩狀為主,內壁剪切區(qū)主要以脆性開裂為主，但斷面上仍能觀察到未聚集長大的淺小韌窩;斷口心部微觀形貌呈現(xiàn)大量韌窩,無滑移帶和剪切面的出現(xiàn),可見該斷裂為韌性斷裂。由圖3b)可知，在斷裂鎧裝熱電偶保護管的內壁發(fā)現(xiàn)V型缺口,這是由于內壁發(fā)生脆化，保護管在彎曲過程中開裂。
 
　　對斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶保護管進行能譜分析(見圖4),發(fā)現(xiàn)斷裂保護管的晶界和晶粒間都有大量的析出物,晶粒間主要為顆粒狀析出物,晶界上除了有顆粒狀析出物,還有棒狀和鏈狀析出物,說明組織內有多種析出物同時析出。經(jīng)過能譜分析可知,析出物主要為富含鉬元素和鎢元素的析出物,其中,圖4c)為靠近保護管內壁位置的微觀形貌,有大量的白色顆粒物，鉬元素和鎢元素的含量偏高,鉻元素含量略有增加,而鎳元素含量與基體相比少很多，可見材料已經(jīng)發(fā)生成分偏析。
 
2綜合分析
　　該合金在固溶狀態(tài)下應出單相奧氏體基體以及少量的析出相組成。由于該合金的碳含量很低,形成的碳化物很穩(wěn)定,在固溶時不能完全溶解,因此在不同溫度時,晶粒內部仍然存在彌散分布的碳化物間]。
　　鎧裝熱電偶電纜在加工過程中,要經(jīng)過多道次拉拔，每經(jīng)過幾個道次,需進行熱處理才能確保鎧裝電纜具有較好的拉拔加工性能。由圖3可知，鎧裝電纜在拉拔過程中,外壁受到拉絲模的擠壓與摩擦，而內壁受到氧化鎂的擠壓與摩擦。保護管內壁在拉拔過程中受到較大的應力,該應力明顯高于保護管外壁受到的應力。保護管內部缺陷中填滿了氧化鎂粉，說明鎧裝熱電偶電纜保護管在拉拔過程中已經(jīng)產生了裂紋,這應該是保護管內壁本身缺陷導致的。
　　保護管壁厚較薄，外壁由于受到拉絲模的擠壓與摩擦形成脆化層,原材料保護管內存在凹坑，使保護管組織不均勻,從而在鎧裝電纜的彎曲加工過程中,保護管外壁產生缺陷后,鎧裝電纜很快斷裂。
3結論
(1)原材料管材內壁存在凹坑,并有氧化鎂嵌入，使內壁在拉拔過程中受到較大應力,增加了裂紋源萌生的概率。
(2)由于受到拉絲模的擠壓與摩擦,保護管外壁形成脆化層,由于原材料管材內存在凹坑,因此保護管內壁脆化并產生缺陷，塑性較好的區(qū)域變薄,從而在鎧裝電纜彎曲加工過程中,保護管外壁產生缺陷后,鎧裝電纜很快就發(fā)生斷裂。
(3)通過增加原材料管材內壁的檢測工序,可剔除存在凹坑的管材,避免鎧裝電纜失效。