碳钢不锈钢材料抗冲蚀磨损性能研究

1、收稿日期:2008209207;修订日期:2008212208基金项目:国家自然科学基金(50572087,中国博士后科学基金项目(200303资助作者简介:鲍崇高(19662,江苏泰州人,副教授.研究方向:耐磨复合材料制备与性能研究.Em ail :cgbao Vol.30No.1Jan.2009铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GY试验研究Research 碳钢不锈钢材料抗冲蚀磨损性能研究鲍崇高1,付平安2(1.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049;2.中国矿业大学机电学院,江苏徐州221008摘要:通过对泵用过流部件材料55#碳钢和1Cr18Ni9Ti 不锈钢在

2、不同冲蚀速度、不同浆料含砂量及不同冲蚀角度条件下的冲蚀磨损腐蚀试验,探索了材料的冲蚀失效规律及微观破坏机制。结果表明,材料的冲蚀磨损失重率随冲蚀速度、浆料含砂量的增加而增加,且1Cr18Ni9Ti 的抗冲蚀性能优于55#钢;冲蚀角度对材料的冲蚀性能影响最为显著,在0°45°时冲蚀失重率随着冲蚀角度的增大而增大,45°时出现极大值,450600时材料冲蚀失重率随着冲蚀角度的增加而减小;腐蚀对材料冲蚀性能的影响不容忽视。关键词:水轮机;碳钢;不锈钢;冲蚀磨损中图分类号:T G142;T G113.23文献标识码:A 文章编号:100028365(20090120023

3、203S t u d y o n Er os i o n 2We a r 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 nivers

4、ity of Mining and T echnology ,Xuzhou 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 m

5、echanism of materials were discussed.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 i

6、mpact angle has the mo st significant 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

7、 materials corro sion on ero sion 2wear re sistance should not ignored.Ke y w ords :Turbine ;Carbon steel ;Stainle ss steel ;Ero sion 2Wear我国矿山、电力、化工等工业工程中普遍存在多相流失效工况,多相流环境包括含砂量大,且多为硬质颗粒组成,其流体特性包括液相、固相、气相等多相流体。在该工况下服役的水轮机过流部件受到液态、固态和气态因素的影响,在冲蚀、气蚀、腐蚀及他们的交互作用下产生过早的失效,缩短了材料的使用寿命,设备的检修时间间隔变短,造成巨大的经济损失1

8、,2。据资料统计3,由于泥沙的磨损全国大型水电站出现中等以上损害程度损害的容量达549.1万kW ,占大型水电站总容量的29.7%,黄河干流大中型水电站水轮机磨损容量占总容量的63.8%,宜昌以上长江中上游干支流大型水电站水轮机磨损容量占总容量的74.2%。由此可见,我国水电站水轮机的泥沙磨损危害在长江中上游干支流和黄河干流水电站尤为突出47。国内外学者对冲蚀磨损失效和机理研究也作了较多的工作48。本文以过流部件材料失效问题为研究背景,通过对过流部件用55碳钢和1Cr18Ni9Ti 不锈钢在液固两相流中不同冲蚀速度、不同浆料含砂量及不同冲蚀角度条件下的冲蚀磨损试验,探索材料表面冲蚀磨损失效机理

9、,为今后多相流介质中材料腐蚀疲劳、冲蚀、气蚀等综合性能的研究打下基础,进而为耐多相流腐蚀磨损工况下高性能材料的设计提供理论依据。1实验材料及实验方法1.1实验材料碳钢材料由于其经济性仍在中小型水电站中广泛应用,因此本文以55钢作为碳钢材料的代表,以水轮机中常用的1Cr18Ni9Ti 不锈钢作为对比材料进行试验,两种材料的化学成分如表1,部分力学性能如表2所示。32 FOUNDR Y TECHNOLO GYVol.30No.1J an.2009表155钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢材料化学成分w(%Tab.1Chemical compositions of55#steel and1Cr18Ni9

10、Ti stainless steel w(%实验材料C Si Mn S P Cr Ni Ti55钢0.550.320.650.0240.027-1Cr18Ni9Ti0.070.54 1.360.010.02617.509.840.74表255钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢的力学性能和显微组织Tab.2Mechanical properties and microstructure of55#steeland1Cr18Ni9Ti stainless steel实验材料b/(N/mm2s/(N/mm2HB组织55钢645380210F+P1Cr18Ni9Ti530210163A1.2实验设备仪器与

11、实验方法本文中冲蚀磨损实验采用仪器为浆罐式冲刷腐蚀实验机9,试样装夹在旋转圆盘上。试样称重用感量精度为0.1的电光天平。动态腐蚀试验用动态电化学测试系统。用失重法测量试样失重,单位时间、单位面积的材料失重表示材料的冲蚀磨损失重率。冲蚀磨损实验浆料为自来水与原黄河砂(三门峡黄河段配制,实验温度为20,实验时间180min。2实验结果及分析2.1冲蚀速度对材料冲蚀磨损性能的影响图1是材料在浆料含砂量为60kg/m3(自来水+黄河砂,冲蚀角度为0°时不同冲蚀速度(试样在浆料中的线速度下的冲蚀磨损实验结果。可以看出,55#钢,1Cr18Ni9Ti钢的冲蚀失重率均随冲蚀速度的增加而增加,在相同

12、的冲蚀速度和含砂量下1Cr18Ni9Ti不锈钢的冲蚀失重率均小于55#钢,反映为其抗冲蚀性能优于55#钢。图1冲蚀速度对材料冲蚀磨损率的影响Fig.1Effect of erosion velocity on the erosion2wear of thematerials2.2浆料含砂量对材料冲蚀磨损性能的影响图2是冲蚀速度为10m/s,冲蚀角度为0°时不同浆料含砂量下材料的冲蚀磨损失重率比较。从图中可以看出,两种材料冲蚀磨损失重率随含砂量的增加而增加,主要是由于随含砂量的增加在某一瞬冲击材料表面的颗粒数增加,材料表面被反复冲刷和切削的次数增多,因而材料失去增多。图2浆料含砂量对材

13、料冲蚀磨损性能的影响Fig.2Effect of different sediment slurry on the erosion2wear of the materials2.3冲蚀角度对材料冲蚀磨损性能的影响图3是材料在浆料含砂量为60kg/m3,冲蚀速度为10m/s时不同冲蚀角度下的冲蚀磨损实验结果。从图中可以看出,55钢、1Cr18Ni9Ti不锈钢的冲蚀磨损失重率在0°45°内随角度的增加而增大,45°处取得极大值,45°60°内随角度的增加两种材料的冲蚀磨损失重率减小。在相同的角度下55钢的冲蚀磨损失重率大于1Cr18Ni9Ti不锈钢

14、。图3冲蚀角度对材料冲蚀磨损性能的影响Fig.3Effect of impact angle on the erosion2wear of thematerials2.4材料的腐蚀性能图4是材料在浆料含砂量为60kg/m3,冲蚀角度为0°时不同冲蚀速度下的腐蚀失重率实验结果。从图中可以看出,55钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢的腐蚀失重率随冲蚀速度的增加而增大,且55钢的腐蚀失重率比1Cr18Ni9Ti不锈钢的腐蚀失重率高的多,55钢的显微组织为珠光体+铁素体,在介质中易形成腐蚀原电池,因而腐蚀严重,1Cr18Ni9Ti不锈钢的显微组织为单一的奥氏体,较难形成腐蚀原电池,因而耐腐蚀性4

15、2铸造技术01/2009鲍崇高等:碳钢不锈钢材料抗冲蚀磨损性能研究较55钢强。 图4不同冲蚀速度下材料的腐蚀性能Fig.4Corrosion resistance at different erosion velocities图5是55钢和1Cr18Ni9Ti 不锈钢在低、高冲蚀角度下冲刷腐蚀、磨损SEM 形貌。可以看出低角度冲蚀时,冲蚀表面失效形式主要以切削、犁削为主,滑痕细长,方向性明显;高角度冲蚀时材料的去除方式以压坑2形唇为主,滑痕短而深,有明显的冲击坑,且55#钢冲蚀磨损表面有明显的腐蚀坑,而1Cr18Ni9Ti 不锈钢冲蚀磨损表面几乎没有。3结论(1冲蚀角度不变的情况下,随着冲蚀速

16、度、含砂量的增加,55钢、1Cr18Ni9Ti 不锈钢的冲蚀磨损失重率都增加,且55钢的冲蚀磨损失重率大于1Cr18Ni9Ti 图5不同冲蚀角度下55钢和1Cr18Ni9Ti 不锈钢冲刷腐蚀磨损SEM 形貌Fig.5SEM images of 55#steel and 1Cr18Ni9Ti stainless steel impacted at different erosion angles钢,冲蚀磨损中腐蚀对材料冲蚀性能的影响不容忽视。(2在含砂量、冲蚀速度不变的情况下,55钢、1Cr18Ni9Ti 不锈钢的冲蚀磨损失重率在0°45°随冲蚀角度的增加而增加,在45

17、76;处出现极大值,在45°60°随冲蚀角度的增加冲蚀磨损失重率减小,55钢的冲蚀磨损失重率大于1Cr18Ni9Ti 钢。(3在试验条件下,55钢的腐蚀痕迹比1Cr18Ni9Ti 不锈钢明显,其抗腐蚀性能比1Cr18Ni9Ti 钢差。参考文献1李国梁.水轮机泥沙磨损防护的技术进展A .水机磨蚀论文集C.天津:水利部电力工业部,2000.8210.2王志高,顾四行.中国多泥沙河流水利机械的磨蚀与防治A .水机磨蚀论文集C .天津:水利部电力工业部,1998.5211.3严秉丁.三种材料的抗磨蚀特性对比试验及试验结果讨论A .水机磨蚀论文集C .天津:水利部电力工业部.1998

18、.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中国机械工程学会.耐磨材料及磨损失效分析M .北京:机械工业出版社,1993