由于我国的河流多为含泥沙水，并且其沙砾又多以石英沙和长石为主体，其硬度高出普通钢铁材料数 百维氏硬度单位，因此我国水轮机过流部件的磨蚀破坏速度普遍高于国外同类产品的几倍乃至几十 倍，已成为国内外所瞩目的问题。研制适合我国水资源情况的高抗磨蚀新材料，以提高水轮机过流 部件的寿命，具有重要的国民经济价值。为此，本文结合水轮机转轮用抗磨蚀钢的热处理工艺优化 ，进而探索钢材料磨蚀抗力与力学性能的相关性，以期为高抗磨蚀新材料的开发提供参考依据。１ 试验方法试验采用ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ、Ｍ５０ＮｉＬ、１６ＣｒＮｉ４Ｍｏ、Ｑ２３５四种钢 材，其化学成分列于表１。其中，ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ钢是目前大、中型水轮机的转轮用钢；Ｑ ２３５钢是小型水轮机的转轮用钢；Ｍ５０ＮｉＬ和１６ＣｒＮｉ４Ｍｏ钢是笔者结合云南省某些 高泥沙含量河流的水电站水轮机过流部件的磨蚀状况开发的两种耐磨蚀替代钢种［１，２］。表１ 四种钢的化学成分（ｗｔ％）钢号元素ＣＣｒＮｉＭｏＶＳｉＭｎＰＳＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ０． ０７７１３．３１４．１７０．５６－０．３０．５８０．０３１０．０２２Ｍ５０ＮｉＬ０．１ ３４．２４．２４．５１．１０．３１０．２２０．０５０．００３１６ＣｒＮｉ４Ｍｏ０．１８ １．２５３．６０．３－０．２９０．６９０．０３７０．０１２Ｑ２３５０．２２－－－－０． １８０．５４０．０３２０．０４６四种钢的热处理工艺见表２，其中Ｃ－３工艺为文献［３］推 荐的ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ钢的优化工艺。磨蚀试验设备选用旋转圆盘仪试验机［３］，其模拟试 验条件为：水的过机流速（指磨蚀试样处水的相对流速）为４３ｍ／ｓ和３３ｍ／ｓ两个等级，含 沙量为６～８ｋｇ／ｍ３（用的是风陵度黄河沙），水温为２０℃，气蚀源为１０ｍｍ×５ｍｍ 凸台，运行总时间为１６ｈ。试验过程中每隔２ｈ停机检测试样的磨蚀失重量一次［１，５］，并 对试样表面进行宏观观察。统计累积失重量并求其平均失重率（各次所测累积失重量除以累积时间 的算术平均值）。采用夏比Ｖ型缺口试样、ＯＬＳＥＮ示波冲击试验机测试钢的冲击韧性并同时检 测试样断裂过程各阶段吸收的冲击功及相应的挠度（试样弯曲偏移量）。采用ＧＮＥＭ－１５０型 万能洛氏硬度计检测各试样的硬度。表２钢的热处理工艺钢号试样号热处理工艺ＯＣｒ１３Ｎｉ４ ＭｏＣ－１Ｃ－２Ｃ－３Ｃ－４１０００℃
淬火＋５００℃回火（三次）１１００℃淬火＋５００ ℃回火（三次）９００℃淬火＋６３０℃回火＋５９０℃回火９００℃淬火＋２００℃回火Ｍ５０ ＮｉＬＭ－１Ｍ－２Ｍ－３Ｍ－４Ｍ－５Ｍ－６９００℃淬火＋２００℃回火１１００℃淬火＋４ ００℃回火（三次）１０００℃淬火＋５００℃回火（三次）１１００℃淬火＋５００℃回火（三 次）１０００℃淬火＋２００℃回火１０００℃淬火＋８００℃淬火＋２００℃回火１６ＣｒＮｉ ４ＭｏＮ－１Ｎ－２Ｎ－３Ｎ－４Ｎ－５Ｎ－６８４０℃淬火＋２００℃回火１０００℃淬火＋２ ００℃回火９００℃淬火＋２００℃回火１２００℃淬火＋２００℃回火１１００℃淬火＋２００ ℃回火１０００℃淬火＋８００℃淬火＋２００℃回火Ｑ２３５Ａ－１Ａ－２９００℃油淬＋２０ ０℃回火９００℃盐水溶液淬火３试验结果磨蚀试验测得钢的累积失重量及平均失重率列于表３。 由表３可知，Ｍ５０ＮｉＬ和１６ＣｒＮｉ４Ｍｏ两种钢的累积失重量和平均失重率，在大多数工 艺条件下均低于ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ钢和Ｑ２３５钢。按最低累积失重量统计，Ｍ５０ＮｉＬ和 １６ＣｒＮｉ４Ｍｏ较ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ及Ｑ２３５约下降２０％，显示出具备有较高的耐磨 蚀性能。这与我们在真机上的对比试验结果是一致的［４］。从抗磨蚀性能考虑，两种钢的热处理 分别选择Ｍ－３和Ｎ－３工艺为宜。表３所反映的累积失重量与平均失重率的关系基本上呈正比关 系。因此，亦可采用平均失重率作为衡量材料磨蚀抗力的参量，即平均失重率越小，表征材料的磨 蚀抗力越高。表３磨蚀试验测试结果试样编号累积失重量／ｍｇ平均失重率／ｍｇ／ｈ４３ｍ／ｓ ３３ｍ／ｓ４３ｍ／ｓ３３ｍ／ｓ试验过程宏观变化Ｍ－３Ｍ－４Ｍ－５Ｍ－１Ｍ－２Ｍ－６３４ ９．６３６９．６４０４．３４３９．４４４１．６４８７．５２１０．８２２３．０２３４．２ ２５９．１２６８．４３００．０２４．３５７２４．９９０２９．１７３３１．０８６３２．６ ０６３３．２５６１４．５４９１５．６０２１５．９８９１５．９１４１８．９１２２１．２５ ４２ｈ后开始出现明显的磨蚀坑。随时间的推移，磨蚀坑逐渐加大加深Ｎ－３Ｎ－２Ｎ－６Ｎ－４ Ｎ－５Ｎ－１３６２．２３７０．６３７２．８３８８．６４２８．５４３０．２２２０．０２２ ３．５２２９．９２３６．６２４３．２２４４．０２１．９１６２２．１２４２３．７１６２５ ．１８７２７．６３６２８．２４５１３．８０１４．２６１４．６９２１４．７８８１５．６２ ４１６．０４４２ｈ后有较明显的磨蚀坑，较高流速试片较低速试片的磨蚀坑较大Ｃ－３Ｃ－４Ｃ －２Ｃ－１４３０．３３４５５．９５５０９．６４７８．１－－－－２７．５７６３０．５５１ ３２．５０９２９．１９９－－－－２ｈ后磨蚀坑不明显，但失重较大Ａ－２Ａ－１４５７．８４ ７８．７３２３．７０３５１．１０２７．３３８３０．６１３２２．１５４２３．１４３２ｈ后 即出现大的磨蚀坑表４列出四种钢不同热处理工艺状态下的示波冲击及硬度的试验结果，其中Ｅｉ 和Ｅｐ分别为试样断裂过程的裂纹形成功（包括弹性及塑性应变功）和裂纹扩展功；Ｓｉ和Ｓｐ则 分别为对应Ｅｉ和Ｅｐ的试样偏移量（挠度）；Ｅ＝Ｅｉ＋Ｅｐ为试样冲击断裂时所需的全部能量 （总功）；Ｓ＝Ｓｉ＋Ｓｐ为试样冲击断裂时的最大偏移量（挠度）。４磨蚀抗力与力学性能的相 关性分析由文献［４］［５］可知，材料的抗磨蚀性能在很大程度上取决于该材料的硬度。这一点 由本文的试验数据也得到证实。即钢的硬度越高，其磨蚀平均失重率越小，但两者之间并没有绝对 的关系。另外，由于磨蚀是气蚀和磨损的复合作用［５，６］，而气蚀被认为是溃灭气泡所放出的 总能量的一部分被材料吸收而使其破坏［７］，并有如下关系式：Ｅ＝ΔＶＳｅ（１）式中，Ｅ为 材料完全破坏时所吸收的能量；ΔＶ为材料的体积损失；Ｓｅ为材料完全破坏时单位体积内所吸收 的能量。参考此思路，在分析材料磨蚀抗力与力学性能的相关性时，提出一个类似的力学参量，即 材料完全破坏单位应变下所吸收的最大能量（冲击功），以Ｎ表示。并且考虑到材料从裂纹形成到 最终断裂各阶段对于不同材料反映出不同的能量吸收特性，特别是上述四种钢在磨蚀过程中试样表 面状态也反映出有差异（见表３），在分析钢的磨蚀抗力与单位应变下钢吸收冲击功的能力的相关 性时，对裂纹形成阶段与扩展断裂阶段进行了分解处理，即令Ｎ＝ＥｉＳｉ＋ＥｐＳｐ（２）式中 ，Ｎ为材料冲击断裂时单位应变所能吸收的最大冲击功；Ｅｉ、Ｅｐ分别为材料冲击断裂过程中裂 纹形成与扩展断裂阶段所吸收的冲击功；Ｓｉ、Ｓｐ分别为与Ｅｉ、Ｅｐ所对应的试样弯曲挠度（ 偏移量）。表４钢的力学性能测试结果试样编号硬度（ＨＲＣ）Ｅｉ／ＪＳｉ／ｍｍＥｐ／ＪＳｐ ／ｍｍＭ－１４０．０１８．２０１．３６１１．６９５１．３５Ｍ－２４１．０１２．４５１． ０４６．１３９０．７５Ｍ－３４３．０１１．４０１．００６．１５８０．５５Ｍ－４４５．０ ２．５９０．５８６．５６４０．４４Ｍ－５３９．０１４．８０１．１２８．８１８１．８４Ｍ －６４２．０１７．７０１．３７１５．３９１２．３０５Ｎ－１３８．５４９．０２．５３５９ ．７５４９．００Ｎ－２４０．３４２．８２．２８５０．３９１８．０９Ｎ－３４０．０４８． ０２．５１７１．６４０１０．８２Ｎ－４３９．５４７．７２．５０６８．６１４１０．７４Ｎ －５３９．０５０．３２．８４７１．０３７８．７８Ｎ－６４１．０４２．４２．３５４４．１ １２７．３０Ｃ－１３８．０２９．６１．７０６４．８１８７．９０Ｃ－２３８．０２０．０１ ．３１６４．７５０９．６９Ｃ－３４１．０２８．８１．９０８１．６８４１１．４０Ｃ－４４ ２．０２０．６１．８３７３．９６９１２．２０Ａ－１３８．０４．５６０．７２５３．５０９ ０．７６５Ａ－２４１．０４．０８０．６７６３．４９８０．８７０分析发现，四种钢的磨蚀平 均失重率（Ｗ）和材料的洛氏硬度值（Ｈ）与Ｎ的乘积呈反比，即Ｗ∝１ＨＮ（３）在式（３）基 础上引入过机流速Ｖ的影响。曾有文献报道，材料的磨蚀失重率正比于Ｖｍ（ｍ通常取２～３．５ ）［１］。分析发现试验数据（见表３、４）按下式处理吻合性较好，即Ｗ＝βＶ３ＨＮ（４）式 中，Ｗ为材料磨蚀失重率（ｍｇ／ｈ）；Ｖ为水的过机流速（ｍ／ｓ）；Ｈ为材料洛氏硬度值（无 量纲）；Ｎ为材料冲击断裂时，单位应变吸收的最大冲击功（Ｊ／ｍｍ）；β为量纲常数２。表５ 列出了试验数据的处理结果，Ｍ５０ＮｉＬ、１６ＣｒＮｉ４Ｍｏ及ＯＣｒ１３Ｎｉ４Ｍｏ三种钢 的量纲常数β值非常接近，只是Ｑ２３５钢的β值偏离较大些。因此材料的磨蚀抗力可参照式（４ ）或式（３）用材料的硬度和韧性参量值Ｎ进行评判。表５磨蚀数据试样代号ＨＮＷ（４３ｍ／ｓ ）４３３ＨＮＷ（３３ｍ／ｓ）３３３ＨＮβ（参考值）Ｍ－３４３．０２１５９６２４．３５７ １２．５８２１４．５４９５．６９Ｍ－４４５．０１９３８６２４．９９０１２．６９０１５． ６０２５．７４Ｍ－５４２．０２０１８８２９．１７３１３．３２３１５．９８９６．０２Ｍ－ １４０．０２２０６３３１．０８６１３．３８２１５．９１４６．０５Ｍ－２４１．０２０１５６３２．６０６１３．６５９１８．９１２６．１７Ｍ－６３８．０１９２４１３３．２５６１５．０８４２１．２５４６．８２２．４８Ｎ－３４８．０２５７４５２１．９１６１２．３８８１３．８０５．６０Ｎ－２４０．３２５０００２２．２１４１２．４７７１４．２６５．６４Ｎ－
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