1、收稿日期:2008209207;修訂日期:2008212208基金項目:國家自然科學基金(50572087,中國博士后科學基金項目(200303資助作者簡介:鮑崇高(19662,江蘇泰州人,副教授.研究方向:耐磨復合材料制備與性能研究.FOUNDR Y TECHNOLO GY試驗研究Research 碳鋼不銹鋼材料抗沖蝕磨損性能研究鮑崇高1,付平安2(1.西安交通大學材料科學與工程學院,陜西西安710049;2.中國礦業大學機電學院,江蘇徐州221008摘要:通過對泵用過流部件材料55#碳鋼和1Cr18Ni9Ti 不銹鋼在不同沖蝕速度、不同漿料含砂量及不同沖蝕角度條件下的沖蝕磨損腐蝕試驗,探索

2、了材料的沖蝕失效規律及微觀破壞機制。結果表明,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1Cr18Ni9Ti 的抗沖蝕性能優于55#鋼;沖蝕角度對材料的沖蝕性能影響最為顯著,在0°45°時沖蝕失重率隨著沖蝕角度的增大而增大,45°時出現極大值,450600時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。關鍵詞:水輪機;碳鋼;不銹鋼;沖蝕磨損中圖分類號:T G142;T G113.23文獻標識碼:A 文章編號:100028365(20090120023203S t u d y o n Er os i o n 2We a r

3、 Re s is t a nc e of Ca r b o n S t e el a n d S t ai nl e s s S t e elBAO Chong 2gao 1,FU Ping 2an 2(1.School of Materials Science and E ngineering ,Xi an Jiaotong U niversity ,Xi an 710049,China ;2.School of Mechanical and Electrical E ngineering ,China U niversity of Mining and T echnology ,Xuzho

4、u 221008,ChinaAbs t rac t :The propertie s of ero sion 2wear re sistance of 55#steel and 1Cr18Ni9Ti stainle ss steel used in pump were te sted at different ero sion velocitie s ,impact angle s and sediment slurry ,and the ero sion 2wear failure and micro 2damage mechanism of materials were discussed

5、.The re sults show that the weight lo ss of ero sion 2wear of both materials increase s with increasing the ero sion velocity and slurry consistence ,and the ero sion 2wear re sistance of 1Cr18Ni9Ti steel stainle ss is better than that of the 55#carbon steel.The impact angle has the mo st significan

6、t effect on the ero sion 2wear re sistance.The weight lo ss of ero sion 2wear of materials increase s with the ero sive angle in the range of 0°45°,and the weight lo ss decrease s with the ero sive angle in the range of 45°60°,the in fluence of materials corro sion on ero sion 2w

7、ear re sistance should not ignored.Ke y w ords :Turbine ;Carbon steel ;Stainle ss steel ;Ero sion 2Wear我國礦山、電力、化工等工業工程中普遍存在多相流失效工況,多相流環境包括含砂量大,且多為硬質顆粒組成,其流體特性包括液相、固相、氣相等多相流體。在該工況下服役的水輪機過流部件受到液態、固態和氣態因素的影響,在沖蝕、氣蝕、腐蝕及他們的交互作用下產生過早的失效,縮短了材料的使用壽命,設備的檢修時間間隔變短,造成巨大的經濟損失1,2。據資料統計3,由于泥沙的磨損全國大型水電站出現中等以上損害程度損害

8、的容量達549.1萬kW ,占大型水電站總容量的29.7%,黃河干流大中型水電站水輪機磨損容量占總容量的63.8%,宜昌以上長江中上游干支流大型水電站水輪機磨損容量占總容量的74.2%。由此可見,我國水電站水輪機的泥沙磨損危害在長江中上游干支流和黃河干流水電站尤為突出47。國內外學者對沖蝕磨損失效和機理研究也作了較多的工作48。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55碳鋼和1Cr18Ni9Ti 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,探索材料表面沖蝕磨損失效機理,為今后多相流介質中材料腐蝕疲勞、沖蝕、氣蝕等綜合性能的研究打下基礎,進

9、而為耐多相流腐蝕磨損工況下高性能材料的設計提供理論依據。1實驗材料及實驗方法1.1實驗材料碳鋼材料由于其經濟性仍在中小型水電站中廣泛應用,因此本文以55鋼作為碳鋼材料的代表,以水輪機中常用的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼作為對比材料進行試驗,兩種材料的化學成分如表1,部分力學性能如表2所示。32 FOUNDR Y TECHNOLO GYJ an.2009表155鋼、1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料化學成分w(%Tab.1Chemical compositions of55#steel and1Cr18Ni9Ti stainless steel w(%實驗材料C Si Mn S P Cr Ni Ti

10、Tab.2Mechanical properties and microstructure of55#steeland1Cr18Ni9Ti stainless steel實驗材料b/(N/mm2s/(N/mm2HB組織55鋼645380210F+P1Cr18Ni9Ti530210163A1.2實驗設備儀器與實驗方法本文中沖蝕磨損實驗采用儀器為漿罐式沖刷腐蝕實驗機9,試樣裝夾在旋轉圓盤上。試樣稱重用感量精度為0.1的電光天平。動態腐蝕試驗用動態電化學測試系統。用失重法測量試樣失重,單位時間、單位面積的材料失重表示材料的沖蝕磨損失重率。沖蝕磨損實驗漿料為自來水與原黃河砂(三門峽黃河段配制,實驗溫度

11、為20,實驗時間180min。2實驗結果及分析2.1沖蝕速度對材料沖蝕磨損性能的影響圖1是材料在漿料含砂量為60kg/m3(自來水+黃河砂,沖蝕角度為0°時不同沖蝕速度(試樣在漿料中的線速度下的沖蝕磨損實驗結果。可以看出,55#鋼,1Cr18Ni9Ti鋼的沖蝕失重率均隨沖蝕速度的增加而增加,在相同的沖蝕速度和含砂量下1Cr18Ni9Ti不銹鋼的沖蝕失重率均小于55#鋼,反映為其抗沖蝕性能優于55#鋼。圖1沖蝕速度對材料沖蝕磨損率的影響Fig.1Effect of erosion velocity on the erosion2wear of thematerials2.2漿料含砂量對

12、材料沖蝕磨損性能的影響圖2是沖蝕速度為10m/s,沖蝕角度為0°時不同漿料含砂量下材料的沖蝕磨損失重率比較。從圖中可以看出,兩種材料沖蝕磨損失重率隨含砂量的增加而增加,主要是由于隨含砂量的增加在某一瞬沖擊材料表面的顆粒數增加,材料表面被反復沖刷和切削的次數增多,因而材料失去增多。圖2漿料含砂量對材料沖蝕磨損性能的影響Fig.2Effect of different sediment slurry on the erosion2wear of the materials2.3沖蝕角度對材料沖蝕磨損性能的影響圖3是材料在漿料含砂量為60kg/m3,沖蝕速度為10m/s時不同沖蝕角度下的沖

13、蝕磨損實驗結果。從圖中可以看出,55鋼、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的沖蝕磨損失重率在0°45°內隨角度的增加而增大,45°處取得極大值,45°60°內隨角度的增加兩種材料的沖蝕磨損失重率減小。在相同的角度下55鋼的沖蝕磨損失重率大于1Cr18Ni9Ti不銹鋼。圖3沖蝕角度對材料沖蝕磨損性能的影響Fig.3Effect of impact angle on the erosion2wear of thematerials2.4材料的腐蝕性能圖4是材料在漿料含砂量為60kg/m3,沖蝕角度為0°時不同沖蝕速度下的腐蝕失重率實驗結果。從圖中

14、可以看出,55鋼和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的腐蝕失重率隨沖蝕速度的增加而增大,且55鋼的腐蝕失重率比1Cr18Ni9Ti不銹鋼的腐蝕失重率高的多,55鋼的顯微組織為珠光體+鐵素體,在介質中易形成腐蝕原電池,因而腐蝕嚴重,1Cr18Ni9Ti不銹鋼的顯微組織為單一的奧氏體,較難形成腐蝕原電池,因而耐腐蝕性42鑄造技術01/2009鮑崇高等:碳鋼不銹鋼材料抗沖蝕磨損性能研究較55鋼強。 圖4不同沖蝕速度下材料的腐蝕性能Fig.4Corrosion resistance at different erosion velocities圖5是55鋼和1Cr18Ni9Ti 不銹鋼在低、高沖蝕角度下沖刷腐

15、蝕、磨損SEM 形貌。可以看出低角度沖蝕時,沖蝕表面失效形式主要以切削、犁削為主,滑痕細長,方向性明顯;高角度沖蝕時材料的去除方式以壓坑2形唇為主,滑痕短而深,有明顯的沖擊坑,且55#鋼沖蝕磨損表面有明顯的腐蝕坑,而1Cr18Ni9Ti 不銹鋼沖蝕磨損表面幾乎沒有。3結論(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、1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的沖蝕磨損失重率都增加,且55鋼的沖蝕磨損失重率大于1Cr18Ni9Ti 圖5不同沖蝕角度下55鋼和1Cr18Ni9Ti 不銹鋼沖刷腐蝕磨損SEM 形貌Fig.5SEM images of 55#steel and 1Cr18Ni9Ti

16、stainless steel impacted at different erosion angles鋼,沖蝕磨損中腐蝕對材料沖蝕性能的影響不容忽視。(2在含砂量、沖蝕速度不變的情況下,55鋼、1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的沖蝕磨損失重率在0°45°隨沖蝕角度的增加而增加,在45°處出現極大值,在45°60°隨沖蝕角度的增加沖蝕磨損失重率減小,55鋼的沖蝕磨損失重率大于1Cr18Ni9Ti 鋼。(3在試驗條件下,55鋼的腐蝕痕跡比1Cr18Ni9Ti 不銹鋼明顯,其抗腐蝕性能比1Cr18Ni9Ti 鋼差。參考文獻1李國梁.水輪機泥沙磨損防護的

17、技術進展A .水機磨蝕論文集C.天津:水利部電力工業部,2000.8210.2王志高,顧四行.中國多泥沙河流水利機械的磨蝕與防治A .水機磨蝕論文集C .天津:水利部電力工業部,1998.5211.3嚴秉丁.三種材料的抗磨蝕特性對比試驗及試驗結果討論A .水機磨蝕論文集C .天津:水利部電力工業部.1998.80285.4P Anderws ,T F Illson.Erosion 2Corrosion studies on 13Crsteel in gas well environments by liquid jet impingement J .Wear ,1999,2332235:5682574.5G L Sheldon ,I Finnie.On the ductile behavior of nominallybrittle materials during erosive cutting J .Tans.ASM E ,1996,88B :3872392.6中國機械工程學會.耐磨材料及磨損失效分析M .北京:機械工業出版社,1993.7Okada