面向水輪機(jī)軸瓦的鋅鋁合金組織與性能的研究

曹袁明

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面向水輪機(jī)軸瓦的鋅鋁合金組織與性能的研究

曹袁明

（東北輕合金有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060）

軸流式轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片樞軸通過軸瓦與轉(zhuǎn)輪體連接，軸瓦的性能，尤其是耐磨損性能以及使用壽命，對電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要的影響。鋅鋁合金易加工、成本低、強(qiáng)度高、耐磨性好，是軸流式水輪機(jī)軸瓦的理想代用材料，對鋅鋁合金材料組織及性能進(jìn)行研究，特別針對其摩擦磨損性能進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，鋅鋁合金具有良好的耐磨損性能，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，鋅鋁合金摩擦系數(shù)均明顯小于CuAl10Fe3，而且保持了持續(xù)的穩(wěn)定性，幾乎不受摩擦?xí)r間的影響，表現(xiàn)出了良好的摩擦穩(wěn)定性和延續(xù)性。鋅鋁合金可以在小型軸流式轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。

鋅鋁合金；軸瓦；組織與性能；磨損

0 前言

軸流式轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)主要用于低水頭、大流量的大型水電站，其轉(zhuǎn)輪葉片樞軸通過軸瓦與轉(zhuǎn)輪體連接。在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，軸瓦首先要承受葉片傳遞至樞軸的水壓造成的脈動(dòng)載荷，同時(shí)要承受懸臂結(jié)構(gòu)的葉片重力的作用，而且在葉片變化角度時(shí)還要受到摩擦力的作用，受力狀況十分復(fù)雜。因此，在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸瓦和樞軸之間無法避免產(chǎn)生摩擦從而形成對軸瓦表面的磨損，如果材料性能較差，在壓力的作用下還會產(chǎn)生基體破碎的狀況，不但影響機(jī)組的正常運(yùn)行，而且，有時(shí)軸瓦的使用壽命甚至決定了機(jī)組的大修期，嚴(yán)重影響了電廠的經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益[1-4]。目前，常用的軸瓦材料為以CuAl10Fe3為代表的青銅或高強(qiáng)度黃銅材料[5, 6]。

鋅鋁合金具有易加工、成本低、強(qiáng)度高和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，而且，摩擦系數(shù)小，對油親合好，機(jī)械性能優(yōu)異，是黃銅青銅的理想代用材料，如ZA27合金可取代青銅制作低速重載滑動(dòng)軸承等耐磨件[7-11]。如果可以在電站得到推廣應(yīng)用，可大幅提高電廠的運(yùn)行效益和效率，并有效提高機(jī)組的安全性。

因此，對CuAl10Fe3和鋅鋁合金兩種軸瓦材料組織及性能進(jìn)行研究，特別是對CuAl10Fe3和鋅鋁合金軸瓦材料的摩擦磨損性能進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，以對鋅鋁合金在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)軸瓦領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性進(jìn)行探索。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

為真實(shí)反應(yīng)兩種材料在軸瓦應(yīng)用方面的特性，選擇了CuAl10Fe3和鋅鋁合金材料加工的實(shí)際軸瓦進(jìn)行研究。

摩擦磨損試驗(yàn)的對偶摩擦副選擇0Cr13Ni5Mo不銹鋼，為模擬軸及軸瓦的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過程中采用的潤滑油為46號透平油。

1.2 試驗(yàn)方法

軸瓦材料的微觀組織觀察采用OLYMPUS-PMG3型光學(xué)顯微鏡，磨損形貌觀察采用日立S-3700N掃描電子顯微鏡。

力學(xué)性能試驗(yàn)采用島津AG-I 250kN精密萬能試驗(yàn)機(jī)、HB-3000B型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)，以及CBD-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣為中心直徑為46mm，環(huán)寬度為8mm，厚度為10mm的圓環(huán)試樣。摩擦對偶件為端面直徑為4mm的0Cr13Ni5Mo臺階圓柱。試樣試驗(yàn)前用砂紙打磨，并用酒精超聲清洗30min。試驗(yàn)過程中，摩擦部分始終浸沒在油盒之中。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀組織觀察與分析

CuAl10Fe3微觀組織形貌如圖1所示，其組織為相、+2共析體及彌散分布鐵相顆粒組成的混合組織，在金屬結(jié)晶過程中，Al元素主要富集于相的晶界處，在結(jié)晶過程中形成+2共析體，呈現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)分布在相晶界處；而鐵相顆粒均勻彌散的分布于相晶粒內(nèi)部。這種組織保證了軸瓦的耐沖擊和耐磨損的性能，其中為強(qiáng)化相，耐沖擊，提供了軸瓦在重載運(yùn)行中的耐沖擊性能；2及鐵相顆粒為硬脆相，耐磨損，提供了軸瓦在運(yùn)行中的抗磨損性能。

（a）100×

（b）500×

圖1 CuAl10Fe3軸瓦微觀組織形貌

鋁鋅合金軸瓦微觀組織形貌如圖2所示，其組織為+層片組織與相鋅固溶體混合組織，在金屬結(jié)晶過程中，Zn與Al結(jié)晶形成+層片組織晶粒，而富集于晶界處的Zn形成相固溶體，呈現(xiàn)粒狀分布在相晶界處；其中相為強(qiáng)化相，耐沖擊；相為硬脆相，耐磨損。

（a）100×

（b）500×

圖2 鋁鋅合金軸瓦微觀組織形貌

2.2 力學(xué)性能測試與分析

對兩種材料的軸瓦的基本力學(xué)性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表1。測試結(jié)果表明，與CuAl10Fe3相比，鋅鋁合金具有較高的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度較低，規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度較高，硬度與CuAl10Fe3相當(dāng)，而其塑性和韌性較低。

表1 不同軸瓦材料力學(xué)性能

2.3 摩擦磨損性能測試與分析

圖3為軸瓦材料的磨損表面形貌。其中加載力為100N，摩擦速度約為0.3m/s，試驗(yàn)時(shí)間為20min。

（a） CuAl10Fe3

（b） 鋅鋁合金

圖3 軸瓦材料磨損表面形貌

可以看到，軸瓦試樣在與0Cr13Ni5Mo摩擦?xí)r，0Cr13Ni5Mo的微突體在法向載荷的作用下嵌入到試樣的表面中，并在摩擦力的作用下沿著摩擦方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，對基體產(chǎn)生犁溝或微切削作用，切削將產(chǎn)生大量的顆粒而形成磨粒，磨粒在往前運(yùn)動(dòng)的過程中把材料推向兩邊或前緣，這樣會在犁溝兩側(cè)或前沿產(chǎn)生隆起的犁皺。犁皺在繼續(xù)的摩擦中也可能產(chǎn)生再次的變形，形成了塑性變形區(qū)[12-15]。CuAl10Fe3表面形成的犁溝與鋅鋁合金相比，更加深、寬，這說明鋅鋁合金具有更好的耐磨損性能。這是因?yàn)樵谀p過程中伴隨著材料的切削和塑性變形，除受到硬度的影響外，拉伸與壓縮的屈服強(qiáng)度也將有重要影響，而鋅鋁合金的拉伸與壓縮的屈服強(qiáng)度較高，其吸油功能起到了自潤滑作用，由此產(chǎn)生了這樣的磨損結(jié)果。

試驗(yàn)中對不同加載力對軸瓦材料的磨損的影響進(jìn)行了分析，圖4和圖5分別為100N、150N和200N加載力作用下，兩種軸瓦材料的磨損形貌。其中摩擦對偶件為0Cr13Ni5Mo，摩擦速度約為0.3m/s，試驗(yàn)時(shí)間為20min。

通過對比可以看出，隨著加載力的增大兩種軸瓦材料表面形成的犁溝逐漸變深、變寬，而且形成的犁皺也逐漸變大。而且，在三種載荷下，鋅鋁合金表現(xiàn)出的耐磨性均優(yōu)于CuAl10Fe3。

（a） 100N

（b） 150N

（c） 200N

（a） 100N

（b） 150N

（c） 200N

此外，對兩種軸瓦材料在0Cr13Ni5Mo對偶件下及不同加載力條件下的摩擦系數(shù)進(jìn)行了分析。圖6為加載力為100N條件下，兩種軸瓦材料的摩擦系數(shù)對比。可以看出，鋅鋁合金的摩擦系數(shù)較小，且波動(dòng)較小，較為穩(wěn)定，而CuAl10Fe3的摩擦系數(shù)大于鋅鋁合金，而且，摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。

圖6 軸瓦材料的摩擦系數(shù)變化

圖7為兩種軸瓦材料在不同載荷條件下的摩擦系數(shù)。可以看到，對于CuAl10Fe3當(dāng)載荷較小時(shí)（100N），隨著時(shí)間的延長，對偶件的犁削作用形成的犁溝逐漸增多加深，為潤滑油的存儲創(chuàng)造了有利條件，而材料表面潤滑油的充足給油膜的形成創(chuàng)造了有利的條件，因此摩擦系數(shù)不斷減小。當(dāng)載荷增大到150N時(shí)，摩擦系數(shù)增大，但趨于穩(wěn)定，這是由于CuAl10Fe3具有較好的韌塑性，在犁削過程中受到的阻力與粘滯力較大，同時(shí)與犁溝的潤滑作用相結(jié)合形成了這種狀態(tài)。而當(dāng)載荷增大到200N時(shí)，載荷的繼續(xù)增大會造成對材料表面的犁削加重，造成犁溝寬化，同時(shí)摩擦副接觸面積進(jìn)一步的加大，高的壓力對潤滑油產(chǎn)生擠壓作用，加速潤滑油的流失使油膜更不易形成，所以摩擦系數(shù)具有隨著時(shí)間的延長而呈現(xiàn)增加的趨勢。

而鋅鋁合金在100N時(shí)形成的犁溝很少，摩擦過程中主要依靠自潤滑起作用，因此摩擦系數(shù)高，而加載力為150N時(shí)，形成了有利于潤滑油進(jìn)入的犁溝，在兩種潤滑機(jī)制的聯(lián)合作用下，摩擦系數(shù)很小，而在200N的加載力下，高的壓力對潤滑油的擠壓作用降低了潤滑效果，使其摩擦系數(shù)介于100N與150N之間。在低載荷條件下或是高載荷條件下，鋅鋁合金摩擦系數(shù)均保持了持續(xù)的穩(wěn)定性，幾乎不受摩擦?xí)r間的影響，表現(xiàn)出了良好的摩擦穩(wěn)定性和延續(xù)性。

圖7 不同加載力下軸瓦材料的摩擦系數(shù)

3 結(jié)論

（1）鋁鋅合金的組織為+層片組織與相鋅固溶體混合組織，其中相為強(qiáng)化相，相為硬脆相。鋅鋁合金具有較高的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度較低，規(guī)定非比例壓縮強(qiáng)度較高，硬度與CuAl10Fe3相當(dāng)，其塑性和韌性較低，鋅鋁合金具有自吸油功能。

（2）相同試驗(yàn)條件下，鋅鋁合金具有良好的耐磨損性能，在不同的加載力下，鋅鋁合金摩擦系數(shù)均明顯小于CuAl10Fe3，而且保持了持續(xù)的穩(wěn)定性，幾乎不受摩擦?xí)r間的影響，表現(xiàn)出了良好的摩擦穩(wěn)定性和延續(xù)性，因此可以在小型軸流式轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)性應(yīng)用。

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For Turbine Bearing Zinc Aluminum Alloy Microstructure and Properties Research

CAO Yuanming

(Northeast Light Alloy CompanyLimited, Harbin 150060, China)

Axial-flow Kaplan turbine runner blade pivot through bearing and the wheel body connection, bearing performance, especially the wear resistance and service life, has important influence on the safe and economic operation of power plant. Zn-Al alloy easy process, low cost, high strength, good abrasion resistance, is an ideal substitute material, axial flow turbine bearing shell organization and performance of Zn-Al alloy material research, especially for the contrast experimental study on the friction and wear performance, Zn-Al alloy has good wear resistance, in different experimental conditions, Zn-Al alloy were significantly less than CuAl10Fe3 friction coefficient, and maintain the sustained stability, almost not affected by the influence of friction time, showed good friction stability and continuity. Zn-Al alloy can be conducted in small axial-flow Kaplan turbine trial applications.

Zn-Al alloy; bearing shell; microstructure and properties; wear

TK730.5

A

1000-3983(2017)05-0067-05

2017-01-11

曹袁明（1982-），2007年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理及采購相關(guān)方面的研究，工程師。