鉑銠10-鉑熱電偶是最常用的、精度很高的熱電偶，它除用作標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)插件外，也用作—溫度標(biāo)準(zhǔn)和二等標(biāo)準(zhǔn)溫度傳遞，還常用于航空、航天中的一般溫度測(cè)量。其長(zhǎng)期使用溫度為1000-1300℃，短期可在1600℃下用。使用環(huán)境為氧化或中性氣氛，也可在真空下使用。某鋼廠熱風(fēng)爐熱電偶為鉑銠10-鉑（PtRh10-Pt）貴金屬熱電偶，絲徑為Φ0.5mm，保護(hù)陶瓷為氧化鋁，保護(hù)管為3YC52高溫合金管（采用可耐1300℃的新合金制造）。熱風(fēng)爐熱電偶用于煉鋼用熱風(fēng)爐中，使用溫度約1200℃，在使用僅約40小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)其顯示溫度異常，于是卸下熱電偶，拆開(kāi)后發(fā)現(xiàn)其已斷成數(shù)節(jié)，呈脆化狀態(tài)。為避免類(lèi)似事故的發(fā)生，對(duì)該熱風(fēng)爐熱電偶偶絲進(jìn)行了失效分析。
1、試驗(yàn)方法
將斷裂的鉑銠10-鉑偶絲用酒精并經(jīng)超聲波清洗后，用JCXA-733型電子探針顯微分析儀對(duì)偶絲斷口及外表面進(jìn)行二次電子形貌觀察、微區(qū)定性定量分析及面、線掃描分析，EPMA使用條件為加速電壓29kV，電流2.0×10-8A。
2、鋼廠熱風(fēng)爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷原因分析試驗(yàn)結(jié)果
2.1 宏觀分析
該熱電偶由鉑銠10和純鉑絲所組成，其中純鉑偶絲比鉑銠10受損嚴(yán)重，已斷成7段，鉑銠10只斷成3段，靠近熱端的偶絲破壞更為嚴(yán)重，這與熱端使用溫度高有關(guān)系。用肉眼觀察，純鉑偶絲斷口反光性較強(qiáng)，在強(qiáng)光下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可見(jiàn)到閃閃發(fā)光的特征。由于偶絲直徑只有Φ0.5mm，因此將受損嚴(yán)重的靠近熱端使用的純鉑絲進(jìn)行清洗后，置入JCXA-733型電子探針顯微分析儀中進(jìn)行表面形貌和斷口分析。
2.2 熱電偶絲表面分析
純鉑偶絲外表面的典型二次電子形貌像（Second-ary Electron Image,SEI）見(jiàn)圖1a和圖1b。由圖1a和圖1b可見(jiàn)，雖然鉑銠10-鉑偶絲沒(méi)有采用晶界腐蝕技術(shù)顯示其晶粒，但其晶界卻清晰可見(jiàn)，而且晶界比基體低，凹陷下去，此種現(xiàn)象表明偶絲在使用過(guò)程中其晶界已經(jīng)受損。
對(duì)圖1b中的基體和晶界物相進(jìn)行定性和定量分析，其結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，晶界物相的P含量已高達(dá)3.51%-5.14%。根據(jù)Pt-P相圖可知，P與Pt形成Pt20P7相中的P含量為5.26%，因此晶界物相可能是Pt20P7相。
圖1c為放大的三角晶界形貌，可以觀察到，其晶界可能已形成新的物相，并且有裂紋存在，表現(xiàn)出脆性特征。對(duì)其進(jìn)行面掃描分析，發(fā)現(xiàn)P元素在晶界處發(fā)生偏聚，圖1d即為P元素在其上的分布圖，可以看出P元素有明顯的偏聚。
2.3 熱電偶純鉑絲斷口分析
偶絲斷口典型的二次電子形貌見(jiàn)圖2，斷口呈冰糖狀，斷口上基本沒(méi)有塑性變形痕跡，為典型的沿晶斷口形貌。將圖2中上方的斷口進(jìn)行更高放大倍數(shù)的二次電子形貌觀察，可以清楚觀察到在三角晶界處有襯度明顯黑于周?chē)Я５钠渌锵啻嬖冢螤畛仕屏鲃?dòng)狀，富集在晶界，見(jiàn)圖3。經(jīng)EPMA7定性分析，斷口晶界處有較多的P元素偏聚。
對(duì)圖4所示的晶界進(jìn)行了EPMA線分析。圖4中晶界也存在細(xì)小顆粒狀物質(zhì)富集，由于斷口形狀的影響，左下角晶粒表面呈白色，右小角晶粒呈深黑色，而上面晶粒則呈灰色。雖然此三角晶界處比周?chē)ЯＮ恢玫?，但?jīng)線掃描分析，也可以看出，P元素在晶界有明顯的峰值，表明P元素在晶界確有偏析，這與偶絲表面分析結(jié)果一致。
3、鋼廠熱風(fēng)爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷分析與討論
鋼廠熱風(fēng)爐是冶金企業(yè)應(yīng)用很普遍的設(shè)備，以煤炭、煤氣或天燃?xì)鉃槿剂?，通常使用溫度?200℃左右，采用鉑銠10-鉑熱電偶測(cè)溫，爐內(nèi)是較典型的還原氣氛，主要有CO2、CO、O2及N2等。
鉑銠10-鉑熱電偶在還原性氣氛中發(fā)生脆斷失效，通常主要有以下幾種原因:①高溫下氫原子能滲透到鉑金屬內(nèi)部，因氫脆而引起斷裂；②高溫下碳能溶解在鉑中，冷卻后呈石墨狀從鉑中析出，使鉑變得易脆斷；③高溫下鉑和鉑銠合金在還原性氣氛中和含有SiO2耐火材料接觸，產(chǎn)生硅化鉑，引起脆斷。
由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，偶絲并不是以上幾種原因所造成，而是受到P元素的侵害，并且在偶絲晶界上發(fā)生偏聚，其晶界物相的P含量已高達(dá)3.51%-5.14%。根據(jù)Pt-P相圖可知，P與Pt可形成Pt20P7相，其P含量為5.26%，因此該偶絲晶界處的P含量足以形成Pt20P7相，該相與Pt易形成共晶，其共晶溫度僅為588℃。而在使用溫度的1200℃時(shí)，從圖5的相圖可知，金屬Pt-與含有P的熔液Pt%共存，當(dāng)溫度降下來(lái)后，就保留了熔液流動(dòng)的痕跡，這點(diǎn)可以從圖3的晶界看出，并形Pt20P7相，同時(shí)該相還較脆，易形成裂紋，見(jiàn)圖1c所示，最終造成偶絲沿晶斷裂。因此可以認(rèn)為P元素是造成偶絲斷裂的主要原因。
雖然在偶絲表面及內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有較多的P元素存在，但不可能是偶絲制造過(guò)程中形成的。因?yàn)榕冀z作為熱電偶使用，已進(jìn)行過(guò)多次熱電勢(shì)的測(cè)試檢驗(yàn)，符合要求，并且在使用初期，測(cè)試的溫度顯示也正常。因此可以認(rèn)為P元素是外來(lái)的，這在偶絲表面發(fā)現(xiàn)有較多的P元素得到證實(shí)。而在煉鋼過(guò)程中，通常采用P元素作為脫氧劑，因此P元素很可能是煉鋼過(guò)程中的氣氛中含有的，并與偶絲發(fā)生了接觸，這說(shuō)明熱電偶高溫密封存在問(wèn)題，才造成爐氣與偶絲發(fā)生了直接接觸，最終造成偶絲斷裂失效。
5、鋼廠熱風(fēng)爐熱電偶鉑銠10-鉑偶絲脆斷結(jié)論及建議
熱風(fēng)爐熱電偶用鉑銠10-鉑偶絲脆斷是由于P元素在偶絲晶界偏聚形成Pt-P脆性相所造成的沿晶斷裂。建議熱風(fēng)爐熱電偶生產(chǎn)廠加強(qiáng)密封措施，以防熱風(fēng)爐熱電偶偶絲裸露使用。
昌暉儀表制造有限公司生產(chǎn)的熱風(fēng)爐熱電偶
