抗磨板用耐磨復合鋼板的耐泥沙磨蝕性能研究

程廣福，魏 松，文道維，劉玉鑫

（1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所, 哈爾濱 150040）

0 前言

水輪機的泥沙磨損是我國水電站建設中的一個突出問題。水輪機運行過程中，導水機構過流表面受到高速水流的沖刷作用，特別是當水中含沙量大時，磨蝕破壞十分嚴重[1]。因此，在水輪機結構設計中，導水機構底環和頂蓋的過流表面需要采用抗磨板進行保護。抗磨板的壽命往往控制機組的大修期。抗磨板的更換需要長時間停機，耗費大量材料和勞動工時，造成巨大經濟損失[2,3,7]。目前使用較為廣泛的0Cr13Ni5Mo抗磨板，在應用于多泥沙河流電站時，其抗磨損性能仍不理想；MC尼龍抗磨板的吸水率大，尺寸穩定性差，連接也存在問題，在運行中出現局部鼓包變形；國內外采用的噴涂耐磨層的方法，涂層結合強度較低，容易脫落，保護效果較差[4]。

耐磨復合鋼板采用堆焊或電渣熔鑄工藝在普通鋼板或不銹鋼板上熔敷一層耐磨層，抗磨層與基體完全是冶金結合，不存在脫落問題。這種耐磨板兼具基體的強韌性及熔敷層的耐磨性能，其耐磨性比低碳鋼高20倍以上，比不銹鋼、高錳鋼高5倍以上，同時，具有抗沖擊性能高、加工性能好及性價格比高的特點，是理想的抗磨板材料[5,6]。其推廣應用對提高水輪機抗磨板的使用壽命，減少機組停機及維修費用的投入，提高機組運行效率有重要意義，將創造良好的經濟和社會效益。因此，有必要對耐磨復合鋼板的組織和性能，尤其是耐泥沙磨蝕性能進行分析和研究，為其在水輪機抗磨板領域的應用奠定基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

研究過程中所使用的耐磨復合鋼板是采用堆焊工藝制造，其基板材料為Q235鋼板，磨蝕性能對比用材料為抗磨板用0Cr13Ni5Mo鋼板材料。

1.2 組織觀察與分析

材料的微觀組織決定了材料的性能。因此，分別采用OLYMPUS-PMG3光學顯微鏡和日立S3700N掃描電子顯微鏡對耐磨復合鋼板的微觀組織進行了觀察和分析。

1.3 硬度測試與分析

金屬材料的硬度對其耐磨蝕性能有著非常重要的影響，一般情況下，金屬材料的硬度越高，其耐磨蝕性能越好。因此，采用HVS-5D1維氏硬度計對0Cr13Ni5Mo鋼板和耐磨復合鋼板的硬度進行了測試與分析。

1.4 磨蝕試驗

耐磨蝕性能是耐磨板最重要的應用性能。因此，采用泥沙射流磨蝕試驗機分別對 0Cr13Ni5Mo鋼板和耐磨復合鋼板的耐磨蝕性能進行了對比試驗，其中，射流流速為10m/s；沙質為石英沙，粒度為40-50目；磨蝕時間為 2min、5min、8min、12min、16min 和 20min。在試驗前對試樣進行拋光和金相腐蝕，試驗后，采用蔡司 stemi2000-C體式放大鏡對試樣磨蝕破壞后的形貌進行了觀察和分析，在實驗前后，分別對烘干狀態下的試樣進行了稱重，以對其磨蝕質量損失和磨蝕破壞程度進行評估。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀組織分析

耐磨復合鋼板的微觀組織如圖1所示，可以看到，堆焊層是以下部基板（Q235鋼板）為基體，沿垂直于熔合界面方向，由熔合線向堆焊層表面生長，堆焊層下部為柱狀晶，到中部由柱狀枝晶過渡到樹枝狀晶，在表面形成細密的樹枝晶組織。

圖1 耐磨復合鋼板微觀組織形貌

耐磨復合鋼板的微觀組織及成分如圖2所示。可以看到，堆焊層組織以共晶方式結晶，在大量初生固溶體枝晶γ相及存在與枝晶間網狀和片層狀的γ相與金屬間化合物（WC、CrmCn）共晶組織。形成了類似于混凝土結構的組織，這種組織具有較高的強度和硬度，具有優良的耐磨蝕性能。

圖2 不同相組成的成分分析

2.2 硬度分析

0Cr13Ni5Mo鋼板表面硬度為 282HV，耐磨復合鋼板為678HV，是0Cr13Ni5Mo鋼板的2.4倍。堆焊層截面的硬度分布如圖3所示。可以看到，堆焊層硬度顯著高于其基板Q235的硬度，而且，基板至堆焊層硬度值發生了躍升，由130HV升至530HV左右，而且，越靠近表面，組織越細密，硬度值越高。但截面硬度低于表面硬度，這說明該堆焊層性能具有方向性，在垂直于表面的方向具有更高的硬度，這對其耐泥沙磨蝕具有重要的作用。

圖3 耐磨復合鋼板堆焊層截面硬度分布

2.3 磨蝕性能與形貌分析

0Cr13Ni5Mo鋼板試樣磨蝕后的表面磨蝕形貌如圖4所示。可以看到，隨著磨蝕時間的延長，試樣表面的磨蝕破壞越來越嚴重，磨蝕破壞面積逐漸增大，而且逐漸形成磨蝕坑，而且磨蝕坑的深度逐漸增大。

圖4 0Cr13Ni5Mo鋼板表面宏觀磨蝕形貌

耐磨復合鋼板試樣磨蝕后的表面磨蝕形貌如圖 5所示。可以看到，隨著磨蝕時間的延長，試樣表面的磨蝕破壞變化不明顯，抗磨蝕能力較為穩定，磨蝕破壞面積基本不發生變化，沒有產生明顯的磨蝕坑。

圖5 耐磨復合鋼板表面磨蝕形貌

兩種鋼板在不同磨蝕時間作用下的質量損失如圖6所示。可以看到，在石英沙磨蝕作用下，在相同的磨蝕時間內，0Cr13Ni5Mo鋼板的質量損失大于耐磨復合鋼板，而且，隨著磨蝕時間的延長，0Cr13Ni5Mo鋼板質量損失速率隨著時間變化快速增大，而耐磨復合鋼板質量損失速率較為穩定，在當前的磨蝕時間內基本不發生變化。以上結果表明，與 0Cr13Ni5Mo鋼板相比，耐磨復合鋼板具有優良而穩定的耐磨蝕性能，在目前的試驗時間內，其耐磨蝕性能是 0Cr13Ni5Mo鋼板的5倍以上，而隨著磨蝕時間的延長，其耐磨蝕性能與0Cr13Ni5Mo鋼板相比將更為優良。

圖6 兩種材料磨蝕質量損失與磨蝕時間關系

3 結論

（1）耐磨復合鋼板的微觀組織為以細密的樹枝晶為硬質相，并以樹枝晶之間分布的細密的板條馬氏體組織為聯接和填充相的“類混凝土”混合組織，枝晶內分布著碳化鎢和碳化鉻等硬質化合物，枝晶以基板為形核基體，向著表面方向生長，越靠近表面，枝晶越細密及其間的馬氏體組織越細密；

（2）0Cr13Ni5Mo鋼板表面硬度為282HV；耐磨復合鋼板表面硬度為678HV，為0Cr13Ni5Mo鋼板的2.4倍，基板至堆焊層硬度值發生躍升，由130HV升至530HV左右，但低于表面硬度，堆焊層性能具有方向性；

（3）與0Cr13Ni5Mo鋼板相比，耐磨復合鋼板質量損失速率較為穩定，具有優良而穩定的耐磨蝕性能，在目前的試驗時間內，其耐磨蝕性能是 0Cr13Ni5Mo鋼板的 5倍以上，而隨著磨蝕時間的延長，其耐磨蝕性能與0Cr13Ni5Mo鋼板相比將更為優良。

[1]黃源芳. 中國河流沙粒對水輪機磨損影響的研究與實踐[J]. 水力發電. 2005, 31(12): 56.

[2]李健. 水輪機過流部件的磨損問題[J].材料保護.2004, 37(21): 36- 39.

[3]顧四行. 我國水輪機泥沙磨損問題回顧[M]. 水機磨蝕. 2001, 20-30.

[4]R. Zhou, D.H. Lu, Y.H. Jiang. Mechanical Properties and Erosion Wear Resistance of Polyurethane Matrix Composites. Wear. 2005, (259):678.

[5]周志宏. 高鉻鑄鐵堆焊復合耐磨板工藝研究[J].化學工程與裝備. 2010, (7): 100-102.

[6]顧玉林. 水輪機抗磨板材料的摩擦學性能研究[D]. 哈爾濱工業大學. 2007.

[7]趙希堯, 王民富. 水輪機導水機構抗磨板的新結構[J]. 大電機技術, 2006(1).