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[鎧裝熱電偶生產(chǎn)工藝]鎧裝熱電偶電纜彎曲斷裂原因分析

2023年02月04日 13:38:28      來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量：31

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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(chǎn)過程中流體、氣體以及固體介質(zhì)的表面溫度，應(yīng)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(lǐng)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。

筆者對一支在彎曲加工過程中發(fā)生斷裂的?4.5mm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?1.75mm的NiCr-NiSi熱電偶絲(K型)及對應(yīng)的氧化鎂瓷柱組裝進尺寸為?12mm×1.4mm的GH3128合金管內(nèi)，再整體經(jīng)過多道次拉拔至?4.5mm。鎧裝熱電偶電纜經(jīng)過每道次拉拔后需進行1070℃的熱處理，保護管的最終壁厚約為0.7mm。

斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶的宏觀形貌
圖1 斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶的宏觀形貌

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?30mm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?30mm和?12mm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+碳氮化物，晶粒和晶界內(nèi)都有大量析出物，且晶界清晰。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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。


圖2 斷裂和未斷裂鎧裝熱電偶保護管的顯微組織

斷裂鎧裝熱電偶保護管的微觀形貌
圖3 斷裂鎧裝熱電偶保護管的微觀形貌

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(nèi)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(nèi)壁材料的硬度明顯高于心部。保護管內(nèi)、外壁均不平整，存在較多缺陷，外壁缺陷較淺，內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)壁受力不均勻，局部內(nèi)壁受到較大應(yīng)力，誘發(fā)內(nèi)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(nèi)壁的晶粒度普遍低于外壁，且難以辨清晶界。

1.3 掃描電鏡及能譜分析
采用TESCAN VEGA3型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(nèi)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(nèi)壁發(fā)現(xiàn)V型缺口，這是由于內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。


圖4 斷裂鎧裝熱電偶保護管的能譜分析位置及譜圖

2、綜合分析
文獻《固溶處理對GH3128合金奧氏體晶粒長大的影響》的研究表明，該合金在固溶狀態(tài)下應(yīng)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，在固溶時不能溶解，因此在不同溫度時，晶粒內(nèi)部仍然存在彌散分布的碳化物。

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(nèi)壁受到氧化鎂的擠壓與摩擦。保護管內(nèi)壁在拉拔過程中受到較大的應(yīng)力，該應(yīng)力明顯高于保護管外壁受到的應(yīng)力。保護管內(nèi)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(chǎn)生了裂紋，這應(yīng)該是保護管內(nèi)壁本身缺陷導(dǎo)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(nèi)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(chǎn)生缺陷后，鎧裝電纜很快斷裂。

3、結(jié)論
①原材料管材內(nèi)壁存在凹坑，并有氧化鎂嵌入，使內(nèi)壁在拉拔過程中受到較大應(yīng)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(nèi)存在凹坑，因此保護管內(nèi)壁脆化并產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)壁的檢測工序，可剔除存在凹坑的管材，避免鎧裝電纜失效。

作者：王劍星、張立新、肖翔、蔡欣男、梁磊、魏小明、張忠模、趙彥
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