力學(xué)性能對(duì)低碳馬氏體不銹鋼00Cr13Ni5Mo抗空蝕性能的影響

秦 斌，秦承鵬，鄭玉貴

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 200431；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016）

前言

我國(guó)水力資源豐富，發(fā)展水電事業(yè)潛力巨大。水輪機(jī)是水電工程的關(guān)鍵設(shè)備，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免地遭受空蝕、沖蝕[1]，致使水輪機(jī)的過(guò)流部件損傷嚴(yán)重，不得不定期大修。因此，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的水輪機(jī)用材、優(yōu)化相關(guān)制造工藝參數(shù)對(duì)于延長(zhǎng)水電站大修周期，提高水能資源利用率顯得極為重要。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大中型水輪機(jī)用材主要是低碳馬氏體不銹鋼，是在Cr13馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上大幅度降低碳含量，控制鎳的含量在4%-6%范圍內(nèi)，并加入少量的合金元素鉬形成的，其力學(xué)性能可以通過(guò)熱處理進(jìn)行調(diào)整，具有良好的強(qiáng)度、韌性和可焊性[2]。0Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼是水輪機(jī)葉片的常規(guī)用材，人們對(duì)其熱處理工藝、力學(xué)性能及過(guò)流部件關(guān)心的抗空蝕、沖蝕性能都有一定的研究[3,4]。本文主要側(cè)重于研究00Cr13Ni5Mo在不同熱處理之后的抗空蝕性能，試圖確定力學(xué)性能對(duì)抗空蝕性能的影響規(guī)律，為工業(yè)生產(chǎn)中選擇最佳熱處理工藝提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料是厚度為 50mm的常規(guī)的00Cr13Ni5Mo，其化學(xué)成分及熱處理工藝分別見(jiàn)表1、表2。熱處理后按GB/T 228-2002在100kN精密拉伸機(jī)(SCL103)上進(jìn)行螺紋頭圓棒拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸為M16 mm×120mm；按照GB/T 229-1994進(jìn)行了夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；在KB3000 BVRZ上測(cè)定了布氏硬度，硬度的測(cè)試方向?yàn)榇怪庇诎迕妫ú捎?0mm的WC合金球壓頭）；依照GB/T 17897-1999在Princeton VMP3多通道恒電位儀上測(cè)試了材料的點(diǎn)蝕電位；利用XRD分析相比例。

空蝕試驗(yàn)采用超聲振動(dòng)空蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)，參照ASTM G32-92振動(dòng)空蝕實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)介質(zhì)為蒸餾水，水溫25±1℃，峰峰振幅60μm，振動(dòng)頻率20kHz，功率500W。試樣工作面面積為1.82mm2，表面依次經(jīng)過(guò)150～800#水磨砂紙打磨，然后用無(wú)水乙醇超聲清洗并吹干，空蝕實(shí)驗(yàn)周期為12h，每隔一定時(shí)間將試樣拆下稱(chēng)重，稱(chēng)重前先用無(wú)水乙醇超聲清洗并吹干，然后用感量為0.1mg的電子天平稱(chēng)重，通過(guò)比較不同間隔時(shí)間的失重量來(lái)衡量材料的空蝕破壞程度。

表1 化學(xué)成分wt.%

表2 熱處理工藝及編號(hào)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 在蒸餾水中的空蝕

圖1是空蝕12h后，00Cr13Ni5Mo不銹鋼經(jīng)過(guò)正火后不回火、正火+500℃～700℃回火的各試樣的累積失重量及累計(jì)失重率曲線。每條曲線主要表現(xiàn)為三個(gè)階段，空蝕孕育期大約為半小時(shí)左右，隨著空蝕時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸進(jìn)入失重上升期，大約在4h后進(jìn)入穩(wěn)定期?？瘴g12h后，00Cr13Ni5Mo不銹鋼各試樣的累積失重量大小順序?yàn)椋?50℃回火、600℃回火）＞650℃回火＞500℃回火＞700℃回火＞正火后不回火。經(jīng)過(guò)700℃回火和正火后不回火的試樣抗空蝕性能較好，空蝕12h后的累積失重量分別為125.6mg和117.2mg，經(jīng)過(guò)500℃回火和經(jīng)過(guò)650℃回火的試樣居中，其累積失重量分別為130.6mg和141.1mg；經(jīng)過(guò)550℃回火和600℃回火的試樣抗空蝕性能相對(duì)較差，空蝕12h后的累積失重量分別為147.3mg和147.1mg。

2.2 強(qiáng)度和硬度的影響

圖2中是00Cr13Ni5Mo經(jīng)過(guò)正火后不回火及不同回火條件時(shí)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、布氏硬度和空蝕12h后的累積失重?？估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度隨著回火溫度變化的規(guī)律基本相同，即在正火不回時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度值較高，當(dāng)回火溫度從500℃升高至650℃時(shí)，數(shù)值逐漸降低，并在650℃時(shí)達(dá)到最小值，隨后隨著溫度的增加開(kāi)始上升。12h累積失重量在不回火時(shí)最低，隨回火溫度的升高先上升后下降，在550℃～600℃處最大，這與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度隨回火溫度的變化有著明顯的相關(guān)性，即抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度數(shù)值較低時(shí)，累積失重較大，反之亦然。但是它們之間并非完全對(duì)應(yīng)，比如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度的最低值出現(xiàn)在650℃，而累積失重的最大值出現(xiàn)在550℃～600℃。

圖1 蒸餾水空蝕試樣的累積失重量(a)及累積失重率(b)曲線

圖2 強(qiáng)度和硬度對(duì)12h累積失重的影響

2.3 沖擊功與延伸率的影響

圖3中是00Cr13Ni5Mo經(jīng)過(guò)正火后不回火及不同回火條件時(shí)的沖擊功、延伸率和空蝕12h后的累積失重。沖擊功與延伸率隨回火溫度變化的規(guī)律基本一致，即在正火不回火時(shí)沖擊功與延伸率值較低，隨著回火溫度從550℃升高至650℃，沖擊功與延伸率值逐漸增加至最大值，而后隨著回火溫度的上升而下降。累積失重隨回火溫度在數(shù)值上的變化規(guī)律與沖擊功和延伸率的數(shù)值變化相近，只是沖擊功、延伸率的最大值出現(xiàn)在650℃，而累積失重的最大值出現(xiàn)在550℃～600℃。

圖3 沖擊功和延伸率對(duì)12h累積失重的影響

3 分析討論

通常情況下，材料的空蝕過(guò)程分為四個(gè)階段，即孕育期、上升期、穩(wěn)定期和衰減期[5]。在孕育期內(nèi)，材料失重不明顯，這是因?yàn)榭瘴g強(qiáng)度的積累還沒(méi)有達(dá)到使表面材料大量脫落的程度，這時(shí)材料表面層產(chǎn)生塑性變形，但并沒(méi)有體積和質(zhì)量的損耗，甚至沒(méi)有明顯的破壞痕跡，在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也觀察到了這一階段。在上升期，由于材料表面的加工硬化和裂紋擴(kuò)展，失重率逐漸增大。與此同時(shí)，空蝕裂紋不斷增多，并逐漸擴(kuò)展，最終使材料由表面開(kāi)始剝落，故材料失重量開(kāi)始逐漸上升，在累積失重量曲線上表現(xiàn)為曲線斜率逐漸增大。而在穩(wěn)定期與材料表面的同步加工硬化有關(guān)。表面材料均勻剝落，累積失重量曲線的斜率為一常數(shù)，失重率達(dá)到峰值。在衰減期階段，材料的失重率平滑地降低或微小波動(dòng)地降低。這種降低與粗糙表面附近空泡潰滅壓力降低有關(guān)，也與陷于損傷材料表面的孔洞中液體的緩沖作用或與空蝕區(qū)內(nèi)氣體的氣墊作用有關(guān)。這里由于試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，前三階段比較明顯，而第四個(gè)階段不明顯。

由圖2知道空蝕破壞中的累積失重和材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、布氏硬度有關(guān)，總體情況下材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、布氏硬度值愈高，其累積失重就愈小，但是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、布氏硬度值的最低值出現(xiàn)在650℃，而累積失重的最高值出現(xiàn)在550℃～600℃。00Cr13Ni5Mo是一類(lèi)在回火過(guò)程中發(fā)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴有馬氏體分解和碳化物析出的鋼，如圖4所示。當(dāng)回火溫度在500℃～650℃內(nèi)升高時(shí)，殘余奧氏體的量增加，這使得材料的強(qiáng)度下降，延伸率、沖擊功增加；當(dāng)回火溫度繼續(xù)升高至700℃時(shí)，高溫時(shí)逆變的奧氏體量增加，但是穩(wěn)定性變差，這使得部分逆變奧氏體在回火后的冷卻過(guò)程中再次轉(zhuǎn)變成馬氏體，這使得材料的拉伸強(qiáng)度和硬度升高，但是延伸率和沖擊功下降，如圖3所示。650℃回火后盡管00Cr13Ni5Mo的硬度有所下降，但仍表現(xiàn)出比550℃～600℃回火更優(yōu)異的抗空蝕性能，可能與試樣中存在較多的逆變奧氏體量有關(guān)，逆變奧氏體分布于回火馬氏體板條間，具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，對(duì)空蝕過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波或微射流在材料內(nèi)部傳播過(guò)程中起到良好的阻礙作用，從而表現(xiàn)出較優(yōu)異的抗空蝕性能。

圖4 回火試樣的XRD圖譜

4 結(jié)論

（1）空蝕12h后，00Cr13Ni5Mo不銹鋼各試樣的累積失重量大小順序?yàn)椋?50℃回火、600℃回火）＞650℃回火＞500℃回火＞700℃回火＞正火后不回火。

（2）抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度對(duì)00Cr13Ni5Mo抗空蝕性能有直接的影響，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和布氏硬度數(shù)值較低時(shí)，累積失重較大，反之亦然。但是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與布氏硬度的最低值出現(xiàn)在650℃，而累積失重的最大值出現(xiàn)在550℃～600℃。

（3）00Cr13Ni5Mo在回火過(guò)程中發(fā)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變，較多的逆變奧氏體量使材料在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)還具有良好的韌性，這使00Cr13Ni5Mo經(jīng)650℃回火后在硬度有所下降的條件下表現(xiàn)出比550℃～600℃回火時(shí)更優(yōu)的抗空蝕性能。

[1] 高家誠(chéng),孫玉林.水輪機(jī)過(guò)流部件用材料的抗磨蝕技術(shù)措施[J].磨蝕與防護(hù),2004,25(8):355-385.

[2] 孫霞,劉春明.鑄造低碳馬氏體不銹鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造,2007,26(1):1-5.

[3] 柳偉,鄭玉貴,劉常升,姚治銘,柯偉.20SiMn低合金鋼和0Cr13Ni5Mo不銹鋼多相流損傷行為研究[J].材料研究學(xué)報(bào),2002,16(6):585-589.

[4] 柳偉,鄭玉貴,姚治銘,吳欣強(qiáng),柯偉.清水和含沙水中20SiMn和0Cr13Ni5Mo鋼的空蝕行為[J].金屬學(xué)報(bào),2001,37(2):197-201.

[5] A.Karimi and J.L.Martin.Cavitation erosion of materials.International Metals Reviews[J].1986,31(1):1-6.