碳鋼不銹鋼材料抗沖蝕磨損性能研究

1、Vo 1 ． 3 ONO ． 1J a n ． 2 0 0 9鑄 造 技 術(shù) F 0UNDRY TECH NOL0GY ·2 3·試驗(yàn)研究 R e s e a r c h·碳鋼不銹鋼材料抗沖蝕磨損性能研究 鮑 崇 高， 付 平安 ( 1 ． 西 安交 通大 學(xué)材 料科 學(xué)與 工程 學(xué) 院 ， 陜 西 西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ． 中國礦業(yè) 大 學(xué)機(jī) 電學(xué) 院 ， 江蘇 徐州 2 2 1 0

2、0 8 )摘要 ： 通過對泵 用過 流部件材料 5 5碳鋼和 1 C r 1 8 Ni 9 T i 不銹鋼在 不同沖蝕速 度、 不同漿料舍砂 量及 不同沖蝕角度條件下的沖 蝕磨損腐蝕試驗(yàn) ， 探 索了材料 的沖蝕 失效規(guī)律 及微觀破 壞機(jī) 制。結(jié) 果表 明， 材料 的沖蝕 磨損 失重率 隨沖蝕速 度、 漿料含砂 量 的增加 而增加 ， 且 l C r 1 8 N i 9 Ti 的抗 沖蝕性能優(yōu) 于 5 5鋼 ； 沖蝕 角度 對材料的沖蝕

3、性能影響最為顯著 ， 在 O 。 ～4 5 。 時(shí)沖蝕 失重率 隨著沖蝕 角度 的增 大而增大， 4 5 。 時(shí)出現(xiàn)極 大值 ， 4 5 O ～6 0 0時(shí)材料 沖蝕失重率隨著 沖蝕角度 的增加 而減 小 ； 腐蝕 對材料 沖蝕 性 能的 影 響 不 容 忽視 。關(guān) 鍵 詞 ： 水輪 機(jī) ； 碳 鋼 ； 不銹 鋼 ； 沖蝕 磨 損 中圖分類號(hào) ： TG1 4 2 ： T G1 1 3 ． 2 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ： A文章編號(hào) ： 1 0 0

4、 0 — 8 3 6 5 ( 2 0 0 9 ) 0 1 — 0 0 2 3 — 0 3St u d yO nEr o s i o n ． W e arRe s i s t a n c eo fCar b o nSt e e Ia n dSt a i n l e s sSt e e IBAO Cho n g - g a o，F(xiàn)U Pi n g - a n( 1 ． S c h o o lo fM a t e r i a l sS c

5、 i e n c ea n dEn g i n e e r i n g ， Xi ’ a nJ i a o t o n gUn i v e r s i t y ， Xi ’ a n7 1 0 0 4 9， Ch i n a ；2 ． S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lEn g i n e e r i n g ，C h i n aUn i v e r s i

6、t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，Xu z h o u2 2 1 0 0 8，Ch i n a )Ab s t r a c t ： T h ep r o p e r t i e so fe r o s i o n — we a rr e s i s t a n c eo f5 5 # s t e e Ia n d1Cr18 Ni 9 T is t a i n l e s ss t e

7、e Iu s e di np u mpwer et e s t e da td i f f e r en ter o s i o nv e l o ci t i es， j mp a c tan gl e sa n ds e di men ts l u r r y， a n dt h ee r o s i o n — wea rf a i l u r ea n dmi c r o ． d a ma g eme c h a ni s m

8、 o fma t e r i a l swe r edi s c u s s e d．Th er e s u l t ss h o w t h a tt h ewei gh tl os so fer o s i o n - we aro fb o t hma t e r i al si n c r e a s eswi t hi n c r ea s i n gt h ee r o s i o nv e l o c i t ya n d

9、s l u r r yc o n s i s t e n c e． a n dt h ee r o s i o n ． we a rr e s i s t a n c eo f1Cr 18 Ni 9 Tis t e e Is t a i n l e s si Sb e t t e rt h a nt h a to ft h e5 5 # c a r b o ns t e e 1 ．T h ei mp a c ta n g l eh a

10、st h emo s ts i g n i f i c a n te f f e c to nt h ee r o s i o n — we a rr e s i s t a n c e．Th ewei gh tI O S So fer o s i o n ． we a ro fma t e r i al si n c r e a s e swi t ht h ee r o s i v ea n gl ei nt h er a n g

11、eo f0 。 - - - 4 5 。 ，a n dt h ewe i g h tl o s sd e c r e a s e sw i t ht h ee r o s i v ea n g l ei nt h er a n g eo f4 5 。 - - , 6 0 。 ，t h ei n f l u en c eo fma t er i a l s ’c or r o s i o noner o s i o n ． we arr e

12、 s i s t a n c es h o u l dn o ti g n o r ed．K e yw o r d s ： T u r b i n e；Ca r b o ns t e e I ；St a i n l e s ss t e e I ；E r o s i o n — W e a r我國礦山、 電力 、 化工等工業(yè)工程中普遍存在多相流 失效工 況 ， 多相 流環(huán) 境包 括含 砂量 大 ， 且多 為硬 質(zhì)顆 粒 組成 ， 其 流

13、 體 特 性 包 括 液 相 、 固相 、 氣 相 等 多 相 流 體 。在該 工 況下服 役 的水 輪 機(jī) 過 流部 件 受 到 液 態(tài) 、 固 態(tài)和氣 態(tài) 因素 的影 響 ， 在 沖蝕 、 氣蝕 、 腐蝕 及 他們 的交 互 作用下 產(chǎn)生 過早 的失 效 ， 縮短 了材 料 的使用 壽命 ， 設(shè) 備 的檢 修 時(shí) 間 問 隔 變 短 ， 造 成 巨 大 的 經(jīng) 濟(jì) 損 失u] 。據(jù) 資料統(tǒng) 計(jì)_ 3 ] ， 由于泥 沙 的磨 損 全

14、 國 大 型水 電站 出現(xiàn) 中等 以上 損害程度 損 害 的容量 達(dá) 5 4 9 ． 1萬 k W ， 占大 型 水 電站 總?cè)萘康?2 9 ． 7， 黃河干流 大 中型水 電站水輪 機(jī) 磨損容量 占總?cè)萘?的 6 3 ． 8， 宜 昌以上長 江中上游 干支 收稿 日期： 2 0 0 8 — 0 90 7 ；修 訂日期 ： 2 0 0 8 — 1 2 - 0 8基金項(xiàng) 目： 國家 自然科學(xué) 基金 ( 5 0 5 7 2 0 8 7 )

15、， 中國博 士后科 學(xué) 基金 項(xiàng) 目( 2 0 0 3 0 3 ) 資助 作者簡 介： 鮑崇高 ( 1 9 6 6 一 ) ， 江蘇泰州人 ， 副教授． 研究 方 向： 耐磨復(fù)合 材料制備與性能研究．E ma i l ： c g b a o @ma i l ． X j t u ． e d u ． c n流 大型水 電站 水輪機(jī) 磨損 容量 占總?cè)?量 的 7 4 ． 2。由此 可見 ， 我 國水 電站水輪機(jī) 的泥沙磨 損危 害在長 江

16、中上 游 干支 流 和黃 河 干流 水 電站 尤 為 突 出[] 。 國內(nèi)外 學(xué) 者對 沖蝕磨損失 效和機(jī)理研究 也作 了較多的工作[。本 文 以過流 部件 材 料 失 效 問題 為研 究 背 景 ， 通 過 對過 流部 件 用 5 5碳 鋼 和 1 C r l 8 Ni 9 Ti 不銹 鋼在 液 固兩 相 流 中不 同沖蝕速 度 、 不 同漿 料 含 砂量 及 不 同沖蝕 角 度條 件下 的 沖蝕磨 損 試 驗(yàn) ， 探 索 材 料表

17、面 沖蝕 磨損 失 效機(jī) 理 ， 為今后 多 相 流介 質(zhì) 中材 料 腐蝕 疲 勞 、 沖蝕 、 氣 蝕等綜 合 性能 的研 究 打下 基 礎(chǔ) ， 進(jìn) 而 為耐 多 相 流腐 蝕 磨損工況下高性能材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù) 。1實(shí)驗(yàn)材 料及 實(shí) 驗(yàn)方 法 1 ． 1實(shí)驗(yàn) 材料 碳 鋼材料 由于其 經(jīng) 濟(jì)性 仍在 中小型水 電站 中廣泛 應(yīng) 用 ， 因此本文 以 5 5 鋼作 為碳鋼 材料 的代 表 ， 以水輪 機(jī) 中常用 的 1 C r l

18、 8 Ni 9 T i 不銹 鋼 作 為 對 比材 料 進(jìn)行 試 驗(yàn) ，兩種材料 的化學(xué)成分 如表 1 ， 部分 力學(xué)性能如表 2 所 示 ?！?鑄 造 技 術(shù) ~ 01／ 2009 鮑 崇 高 等 ：碳 鋼 不 銹 鋼 材 料 抗 沖 蝕 磨 損 性 能 研 究 25較 55 鋼 強(qiáng) 。2 ． 5互 2 ． 0望 1 ． 5 瓣 纂 1 ． 0g 犍 0． 5O┏ ━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━ ┓┃+ 5 5鋼┃ ┣ ━━ ━━━

19、━ ━ ━━ ┫ ┃～ 0 墻 Ⅲ 。： 少— 一 ┃┣ ━ ━ ━━ ━ ━ ━━ ━ ┫┃／┃ ┣━ ━ ━━ ━ ━ ━━ ━ ┫┃／ ／j一┃ ┣ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━ ━┫ ┃‘．／ j j ┃┗ ━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━ ┛O 5 10 1 5 20沖蝕 速 度／ ( m ／ s )圖 4 不 同沖蝕 速 度下 材 料 的 腐蝕 性 能F i g ． 4 C orrosi on r esi st an ce at

20、 d i f f eren t erosi o n v el oci t i es( a)5 5。鋼／ O 。( c)l 8- 8 ／ 0 。圖 5 是 5 5 鋼 和 1 C rl 8 N i 9T i不 銹 鋼 在 低 、 高 沖蝕角度 下 沖刷 腐 蝕 、 磨 損 S E M 形 貌 。 可 以 看 出 低 角 度沖蝕 時(shí) ， 沖蝕 表 面 失 效 形 式 主 要 以 切 削 、 犁 削 為 主 ， 滑痕 細(xì) 長 ，方 向性 明顯

21、 ；高角度 沖蝕 時(shí) 材料 的去 除方 式 以壓 坑一 形 唇 為 主 ， 滑 痕短 而 深 ，有 明顯 的 沖擊 坑 ，且 5 5 #鋼 沖蝕 磨 損 表 面 有 明 顯 的 腐 蝕 坑 ， 而 1 C rl 8 N i 9T i不銹 鋼 沖蝕 磨損 表 面 幾 乎 沒 有 。3 結(jié) 論(1 ) 沖蝕 角度 不 變 的情 況 下 ， 隨 著 沖蝕 速 度 、 含 砂量 的增加 ，55 鋼 、 1C rl 8 N i 9T i 不 銹鋼

22、 的沖蝕 磨損失重 率都增 加 ， 且 5 5 鋼 的 沖 蝕 磨 損 失 重 率 大 于 1 C rl 8N i 9 T i( b ) 5 5“鋼／ 60。( d )18- 8 ／ 60 ~圖 5 不 I 司沖蝕 角 度 F 5 5 鋼 和 1 C rl 8 N i 9T i 不 銹 鋼 沖刷 腐 蝕 磨 損 S E M 形 貌F i g ． 5 S E M i m ages of5 5 。 st eel an d 1 C rl 8

23、N i 9T ist ai nl ess st eel i m p act ed at d i f f eren t ero si o n angl es鋼 ， 沖蝕 磨損 中腐蝕 對 材 料 沖蝕 性 能 的影 響 不 容 忽 視 。 論 EA ] ． 水 機(jī) 磨 蝕 論 文 集 [ c] ． 天 津 ：水 利 部 電 力 工 業(yè) 部 ．( 2) 在 含 砂 量 、 沖 蝕 速 度 不 變 的 情 況 下 ， 5 5 鋼 、 1 99

24、8 ． 8 0— 8 51C rl 8 N i 9T i 不 銹鋼 的 沖蝕 磨 損 失 重 率 在 0?！?4 5。 隨 沖 [ 4 ] P A nd erw s , T F Il l so n E ro si on- C o rr o si on st ud i es on 1 3 C r蝕 角度 的增 加 而 增 加 ， 在 4 5。 處 出 現(xiàn) 極 大 值 ， 在 4 5?！?。t ee¨ “ g as w el l

25、enⅥ r O “ m m 。 。 y nqⅢ d j 酏 ¨ n p’ “ g ? en ‘67。隨? 蝕 角度 的 增 加 沖蝕 磨 損 失 重 率 減 小 ， 5 5 鋼 的 [ 5] G[J ]L．sWh e ledar。。, 1，。? ； ： 釜。O n3 5 ：。5h6。8d- 5吣74i．1 。 b 。h a 。i 。 ， 0f 。 。m i 。。l l ， 沖蝕 磨損失重 率 大 于 1 C rl 8 N i

26、9T i 鋼 。。 。b r i t tl e m at er i a l 。 d u r i 。 g er ( 】 si 、 ， e cu t t i ng [ J ] ． T 。。 s： (3 ) 在試 驗(yàn)條件下 ，55 鋼 的腐蝕 痕跡 比 1C rl 8 N i 9T i A S M E ， 1 996 ， 8 8 B ：38 7— 3 92．不 銹鋼 明顯 ，其抗腐蝕性能 比 1C rl 8 N i 9T i 鋼差 。 E6]

27、 中國 機(jī) 械 工 程 學(xué) 會(huì) ． 耐 磨 材 料 及 磨 損 失 效 分 析 [ M ] ． 北京 ：機(jī) 械 工 業(yè) 出版 社 ， 1 993 ．參 考 文 獻(xiàn) [ 7] O k ad a T ， 1w aiY ， T an i m u ra N ． R el at i o n b et w een i m p actE1] 李 國梁 ． 水 輪 機(jī) 泥 沙磨 損 防護(hù) 的 技 術(shù) 進(jìn) 展 [ A ] ． 水 機(jī) 磨 蝕 l oad

28、and t h e d am ag e p rod u ced b y cavi t at i on b ub b l e論 文 集[C ] ． 天 津 ：水利 部 電力 工 業(yè) 部 ， 2000 ． 8- 1 0 ． col l ap se[J- ] ． W ea r ， 1 995 ， 1 8 4 (2)：23 1— 23 9 ．[ 2] 王 志 高 ，顧 四 行 ． 中國多 泥 沙河 流 水 利 機(jī) 械 的磨 蝕 與 防 治 [

29、8 ] A l an V L evy， B u Q i anW ang ． E rosi on ofH ard M at eri al[ A ] ． 水 機(jī) 磨 蝕 論 文 集 [ C ] ． 天 津 ： 水 利 部 電 力 工 業(yè) 部 ， C oat i n g S y st em s[J ] ． W ear ，1 98 8， 1 21 ：325— 34 6．1 998 ． 5- 1 1 ． [ 9] 張安峰 ． 新 型 試 驗(yàn) 機(jī)