抗磨板用耐磨复合钢板的耐泥沙磨蚀性能研究

2014-01-22程广福文道维刘玉鑫

大电机技术 2014年6期

程广福，魏松，文道维，刘玉鑫

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所, 哈尔滨 150040）

0 前言

水轮机的泥沙磨损是我国水电站建设中的一个突出问题。水轮机运行过程中，导水机构过流表面受到高速水流的冲刷作用，特别是当水中含沙量大时，磨蚀破坏十分严重[1]。因此，在水轮机结构设计中，导水机构底环和顶盖的过流表面需要采用抗磨板进行保护。抗磨板的寿命往往控制机组的大修期。抗磨板的更换需要长时间停机，耗费大量材料和劳动工时，造成巨大经济损失[2,3,7]。目前使用较为广泛的0Cr13Ni5Mo抗磨板，在应用于多泥沙河流电站时，其抗磨损性能仍不理想；MC尼龙抗磨板的吸水率大，尺寸稳定性差，连接也存在问题，在运行中出现局部鼓包变形；国内外采用的喷涂耐磨层的方法，涂层结合强度较低，容易脱落，保护效果较差[4]。

耐磨复合钢板采用堆焊或电渣熔铸工艺在普通钢板或不锈钢板上熔敷一层耐磨层，抗磨层与基体完全是冶金结合，不存在脱落问题。这种耐磨板兼具基体的强韧性及熔敷层的耐磨性能，其耐磨性比低碳钢高20倍以上，比不锈钢、高锰钢高5倍以上，同时，具有抗冲击性能高、加工性能好及性价格比高的特点，是理想的抗磨板材料[5,6]。其推广应用对提高水轮机抗磨板的使用寿命，减少机组停机及维修费用的投入，提高机组运行效率有重要意义，将创造良好的经济和社会效益。因此，有必要对耐磨复合钢板的组织和性能，尤其是耐泥沙磨蚀性能进行分析和研究，为其在水轮机抗磨板领域的应用奠定基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

研究过程中所使用的耐磨复合钢板是采用堆焊工艺制造，其基板材料为Q235钢板，磨蚀性能对比用材料为抗磨板用0Cr13Ni5Mo钢板材料。

1.2 组织观察与分析

材料的微观组织决定了材料的性能。因此，分别采用OLYMPUS-PMG3光学显微镜和日立S3700N扫描电子显微镜对耐磨复合钢板的微观组织进行了观察和分析。

1.3 硬度测试与分析

金属材料的硬度对其耐磨蚀性能有着非常重要的影响，一般情况下，金属材料的硬度越高，其耐磨蚀性能越好。因此，采用HVS-5D1维氏硬度计对0Cr13Ni5Mo钢板和耐磨复合钢板的硬度进行了测试与分析。

1.4 磨蚀试验

耐磨蚀性能是耐磨板最重要的应用性能。因此，采用泥沙射流磨蚀试验机分别对 0Cr13Ni5Mo钢板和耐磨复合钢板的耐磨蚀性能进行了对比试验，其中，射流流速为10m/s；沙质为石英沙，粒度为40-50目；磨蚀时间为 2min、5min、8min、12min、16min 和 20min。在试验前对试样进行抛光和金相腐蚀，试验后，采用蔡司 stemi2000-C体式放大镜对试样磨蚀破坏后的形貌进行了观察和分析，在实验前后，分别对烘干状态下的试样进行了称重，以对其磨蚀质量损失和磨蚀破坏程度进行评估。

2 试验结果与讨论

2.1 微观组织分析

耐磨复合钢板的微观组织如图1所示，可以看到，堆焊层是以下部基板（Q235钢板）为基体，沿垂直于熔合界面方向，由熔合线向堆焊层表面生长，堆焊层下部为柱状晶，到中部由柱状枝晶过渡到树枝状晶，在表面形成细密的树枝晶组织。

图1 耐磨复合钢板微观组织形貌

耐磨复合钢板的微观组织及成分如图2所示。可以看到，堆焊层组织以共晶方式结晶，在大量初生固溶体枝晶γ相及存在与枝晶间网状和片层状的γ相与金属间化合物（WC、CrmCn）共晶组织。形成了类似于混凝土结构的组织，这种组织具有较高的强度和硬度，具有优良的耐磨蚀性能。

图2 不同相组成的成分分析

2.2 硬度分析

0Cr13Ni5Mo钢板表面硬度为 282HV，耐磨复合钢板为678HV，是0Cr13Ni5Mo钢板的2.4倍。堆焊层截面的硬度分布如图3所示。可以看到，堆焊层硬度显著高于其基板Q235的硬度，而且，基板至堆焊层硬度值发生了跃升，由130HV升至530HV左右，而且，越靠近表面，组织越细密，硬度值越高。但截面硬度低于表面硬度，这说明该堆焊层性能具有方向性，在垂直于表面的方向具有更高的硬度，这对其耐泥沙磨蚀具有重要的作用。

图3 耐磨复合钢板堆焊层截面硬度分布

2.3 磨蚀性能与形貌分析

0Cr13Ni5Mo钢板试样磨蚀后的表面磨蚀形貌如图4所示。可以看到，随着磨蚀时间的延长，试样表面的磨蚀破坏越来越严重，磨蚀破坏面积逐渐增大，而且逐渐形成磨蚀坑，而且磨蚀坑的深度逐渐增大。

图4 0Cr13Ni5Mo钢板表面宏观磨蚀形貌

耐磨复合钢板试样磨蚀后的表面磨蚀形貌如图 5所示。可以看到，随着磨蚀时间的延长，试样表面的磨蚀破坏变化不明显，抗磨蚀能力较为稳定，磨蚀破坏面积基本不发生变化，没有产生明显的磨蚀坑。

图5 耐磨复合钢板表面磨蚀形貌

两种钢板在不同磨蚀时间作用下的质量损失如图6所示。可以看到，在石英沙磨蚀作用下，在相同的磨蚀时间内，0Cr13Ni5Mo钢板的质量损失大于耐磨复合钢板，而且，随着磨蚀时间的延长，0Cr13Ni5Mo钢板质量损失速率随着时间变化快速增大，而耐磨复合钢板质量损失速率较为稳定，在当前的磨蚀时间内基本不发生变化。以上结果表明，与 0Cr13Ni5Mo钢板相比，耐磨复合钢板具有优良而稳定的耐磨蚀性能，在目前的试验时间内，其耐磨蚀性能是 0Cr13Ni5Mo钢板的5倍以上，而随着磨蚀时间的延长，其耐磨蚀性能与0Cr13Ni5Mo钢板相比将更为优良。