核電用蒸汽發(fā)生器減摩板的開發(fā)與性能

張全成

(上海材料研究所，上海 200437)

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核電用蒸汽發(fā)生器減摩板的開發(fā)與性能

張全成

(上海材料研究所，上海 200437)

摘要：根據(jù)某核電廠蒸汽發(fā)生器技術(shù)要求，以合金化改性灰鑄鐵為基體，裝配石墨作潤(rùn)滑材料制備了鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板；并對(duì)復(fù)合減摩板進(jìn)行了顯微組織分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明：基體鑄鐵的壓縮屈服強(qiáng)度為790 MPa，單片減摩板的極限承載能力為49 770 kN，可以對(duì)核電蒸汽發(fā)生器起到足夠的支撐作用；復(fù)合減摩板在低于6 500 kN載荷下運(yùn)動(dòng)1 000次以內(nèi)時(shí)摩擦因數(shù)穩(wěn)定，均低于0.15，磨損量不足0.13 mm，具有良好的承載和減摩性能，滿足核電蒸汽發(fā)生器減摩板技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：減摩板；石墨；蒸汽發(fā)生器

0引言

某核電蒸汽發(fā)生器在啟動(dòng)與停止過程中會(huì)發(fā)生一定的位移，需要在底部位置使用減摩板提供支撐，減少摩擦磨損。在實(shí)際使用中，單塊減摩板要求能承受3 500 kN以上的垂直載荷，全壽命服役過程中運(yùn)動(dòng)800次后不出現(xiàn)摩擦因數(shù)異常變化(小于0.15)，磨損量要求低于0.15 mm。目前核電系統(tǒng)使用的減摩板均從國(guó)外進(jìn)口，主要結(jié)構(gòu)形式是以鑄鋼為基材保證承載能力，內(nèi)部鑲嵌石墨進(jìn)行增強(qiáng)潤(rùn)滑[1-5]。由于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，且供貨不及時(shí)，經(jīng)常影響正常工作。相關(guān)文獻(xiàn)表明，鑄鋼本身不具備減摩性能，而灰鑄鐵在具有良好承載性能的同時(shí)具有良好的減摩性[6]。為了進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究，作者根據(jù)核電蒸汽發(fā)生器技術(shù)要求，以合金化改性的灰鑄鐵作為基材，以石墨作為潤(rùn)滑材料，開發(fā)了核電蒸汽發(fā)生器用鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板，研究了基材、潤(rùn)滑材料的組織與性能，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了其承載與減摩作用。

圖1　減摩板表面結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Schematic map of antifriction plate surface

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

復(fù)合減摩板的表面結(jié)構(gòu)見圖1。減摩板平面尺寸為300 mm×300 mm，圓形區(qū)域?yàn)槭?，直徑? mm，石墨面積分?jǐn)?shù)為30%。

復(fù)合減摩板基體材料采用合金化改性的HT350灰鑄鐵，化學(xué)成分見表1。為了提高HT350灰鑄鐵的強(qiáng)度，增強(qiáng)減摩板承壓能力，在灰鑄鐵中添加了鉬、銅、鉻合金元素以細(xì)化珠光體片層組織，提高力學(xué)性能[7]。

表1 合金灰鑄鐵的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Tab.1Chemical composition of alloying

grey iron(mass)

%

潤(rùn)滑材料為成都碳素有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度不同的石墨CS101系列產(chǎn)品。為了保證石墨的潤(rùn)滑性能，控制玻璃態(tài)物質(zhì)的形成，需要嚴(yán)格限制其殘余元素含量，汞、砷、鉛、硫、鋅的總含量不得超過800 mg·kg-1。石墨中殘余元素含量見表2。

表2　石墨中殘余元素組成

圖2　鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板實(shí)物外形Fig.2　Shape of alloying grey iron/graphite compositeantifriction plate

鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板的實(shí)物見圖2。鑄鐵基體厚100 mm，在其上加工出φ8 mm×7 mm的盲孔。石墨柱采用熱裝的方式進(jìn)行鑲嵌，熱裝時(shí)石墨柱預(yù)裝過盈尺寸為0.05 mm，將基體加熱到400～600 ℃，將石墨柱嵌入基體的盲孔內(nèi)。

1.2　試驗(yàn)方法

在灰鑄鐵上截取金相試樣，打磨拋光后使用4%硝酸酒精(體積分?jǐn)?shù))腐蝕，在LEICA DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，按GB/T 7216-2009進(jìn)行鑄鐵中石墨形態(tài)評(píng)定。在鑄鐵中心位置截取尺寸為φ10 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010，以3 mm·min-1的恒定速度在Zwick Z400E型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)；按照GB/T 7314-2005，以5 MPa·s-1的應(yīng)力速率在Zwick Z250電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)；按照GB/T 229-2007,在Tinius Olsen型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。

在MPX-200型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)抗拉強(qiáng)度分別為70，120 MPa的石墨進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試樣為環(huán)狀，轉(zhuǎn)速50 r·min-1，試驗(yàn)時(shí)間2 h，載荷980 N。對(duì)磨材料為核電蒸汽發(fā)生器用SA508M Gr.3鋼(簡(jiǎn)稱SA508鋼)，其屈服強(qiáng)度470 MPa，抗拉強(qiáng)度600 MPa，表面粗糙度Ra為0.8 μm。采用FEI QUANTA 400F型掃描電子顯微鏡觀察摩擦磨損試驗(yàn)后SA508鋼的表面形貌，使用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行化學(xué)成分分析。

圖3　減摩板摩擦磨損性能測(cè)試示意Fig.3　Schematic map for friction testing process of antifriction plate

將鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板固定安裝在自制的10 000 kN液壓伺服模擬試驗(yàn)機(jī)上(見圖3)，將對(duì)磨件(SA508鋼板)置于兩塊減摩板之間，進(jìn)行不同垂直載荷(550～9 500 kN)下的摩擦磨損性能測(cè)試，每種載荷下運(yùn)動(dòng)1 000次(往返500次)，每次位移25 mm(往返50 mm)。計(jì)算減摩板與SA508鋼板之間的摩擦因數(shù)，采用千分尺測(cè)量并計(jì)算減摩板的磨損量。采用FEI QUANTA 400F型掃描電子顯微鏡觀察SA508鋼板的摩擦表面形貌。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　鑄鐵的顯微組織和力學(xué)性能

由圖4可以看出，鑄鐵的顯微組織主要由珠光體和石墨組成，其中石墨呈片層狀，分布形狀為A型，長(zhǎng)度為4級(jí)(120～250 μm)。片層石墨組織的存在，可以有效提高鑄鐵的減摩性能[6-8]。

由表3可知，合金化后鑄鐵的抗拉強(qiáng)度為375 MPa，壓縮屈服強(qiáng)度σd0.1為790 MPa，沖擊功為3.8 J。單考慮鑄鐵基體對(duì)減摩板承載能力的貢獻(xiàn)，單片減摩板的承載能力計(jì)算如下：

(1)

式中：P為承載能力；σd0.1為壓縮屈服強(qiáng)度，為790 MPa；A為減摩板面積，為0.09 m2；B為石墨柱界面占比，為30%。

由此可以得到鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板的承載能力為49 770 kN，遠(yuǎn)高于核電蒸汽發(fā)生器對(duì)單片減摩板最大承載3 500 kN的要求，保證了減摩板的承載能力。

圖4　灰鑄鐵的顯微組織Fig.4　Microstructure of grey iron：(a) dark field and (b) bright field

然而合金化后鑄鐵由于受片層石墨組織影響，其沖擊性能比較差，因此在使用過程中需要避免大載荷沖擊[3]。

圖5　不同抗壓強(qiáng)度石墨與SA508鋼摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)曲線Fig.5　Friction coefficient between SA508 steel and graphite with compressive strength of 120 MPa (a) and 70MPa (b)

條件抗拉強(qiáng)度/MPa壓縮屈服強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa沖擊功/J合金化后鑄鐵37579012803.8GB/T9439-20102254551080無要求

2.2　石墨的摩擦磨損性能

由圖5可知，抗壓強(qiáng)度為120 MPa的石墨與SA508鋼摩擦過程中，不到40 min就發(fā)生摩擦因數(shù)異常增大現(xiàn)象，達(dá)到0.3；抗壓強(qiáng)度為70 MPa的石墨在試驗(yàn)中摩擦因數(shù)一直保持穩(wěn)定，在0.15以下。

由圖6可知，抗壓強(qiáng)度為120 MPa的石墨與SA508鋼摩擦后磨損嚴(yán)重，部分區(qū)域出現(xiàn)了裂紋；而抗壓強(qiáng)度70 MPa的石墨在摩擦磨損試驗(yàn)后表面平整，在SA508鋼表面形成了目視可見的黑色覆蓋層。

由圖7可知，SA508鋼表面形成了一層黑色薄膜，摩擦痕跡明顯，且表面薄膜為石墨，說明在與石墨摩擦過程中，SA508鋼表面形成了石墨轉(zhuǎn)移膜。

高強(qiáng)度石墨的減摩性能差，在摩擦試驗(yàn)中材料很快失效，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度石墨中SP2鍵比例過高,增

圖6　不同抗壓強(qiáng)度石墨與SA508鋼摩擦后的表面形貌Fig.6　Surface appearance of SA508 steel and graphite with compressive strength of 120 MPa (a) and 70 MPa (b) after friction test

圖7　與抗壓強(qiáng)度70 MPa石墨對(duì)磨后SA508鋼表面薄膜的SEM形貌與EDS譜Fig.7　SEM morphology (a-b) and EDS spectra (c) of the film on the surface of SA508 steel after rubbing with graphite of 70 MPa

圖8　不同載荷條件下復(fù)合減摩板的摩擦因數(shù)和磨損量Fig.8　Friction coefficient (a) and wear value (b) of composite antifriction plate under different loading conditions

加了類金剛石結(jié)晶組織，失去了片層石墨的減摩效果；低強(qiáng)度石墨中類金剛石結(jié)晶組織含量低，石墨片層容易轉(zhuǎn)移到SA508鋼表面，形成完整的轉(zhuǎn)移膜，可強(qiáng)化減摩效果[9]。綜上所述，作者選擇了抗壓強(qiáng)度為70 MPa的石墨作為潤(rùn)滑材料。

2.3　復(fù)合減摩板的摩擦磨損性能

該核電系統(tǒng)在服役期間，蒸汽發(fā)生器需要進(jìn)行800次姿態(tài)調(diào)整，與復(fù)合減摩板之間產(chǎn)生800次的相對(duì)位移。臺(tái)架模擬測(cè)試中，復(fù)合減摩板在每個(gè)載荷下進(jìn)行1 000次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬其在核電蒸汽發(fā)生器全壽命周期內(nèi)的服役情況。

由圖8(a)可知，復(fù)合減摩板在不同載荷下往復(fù)1 000次后，其摩擦因數(shù)開始時(shí)隨著垂直載荷的增加略有降低，隨后保持穩(wěn)定，當(dāng)載荷超過7 500 kN后，摩擦因數(shù)又顯著增加；在6 500 kN下往復(fù)1 000次后，復(fù)合減摩板的摩擦因數(shù)小于0.15。由圖8(b)可以看出，載荷在6 500 kN以下時(shí)，復(fù)合減摩板的磨損量基本保持穩(wěn)定，均小于0.13 mm；當(dāng)載荷超過7 500 kN后，磨損量開始急劇增加。由此可見，在6 500 kN以下的垂直載荷下工作時(shí)，鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板具有良好的減摩性能，其摩擦因數(shù)小于0.15，磨損量低于0.13 mm，均滿足核電蒸汽發(fā)生器用單片減摩板的性能指標(biāo)要求。

圖9　3 500 kN載荷下摩擦1 000次后SA508鋼表面轉(zhuǎn)移膜的形貌Fig.9　Morphology of transferring film formed on the surfaceof SA508 steel rubbing under 3 500 kN for 1 000 times

由圖9可知，在3 500 kN下對(duì)磨1 000次后，在SA508鋼表面發(fā)現(xiàn)均勻分布的片層石墨組織，說明摩擦副之間成功形成了石墨轉(zhuǎn)移膜。

由圖10可知，在9 500 kN載荷下對(duì)磨1 000次后，復(fù)合減摩板表面發(fā)現(xiàn)了明顯的組織剝落和擦劃傷。雖然9 500 kN的載荷遠(yuǎn)低于復(fù)合減摩板的承載能力，但在摩擦磨損過程中，由于赫茲應(yīng)力的作用，鑄鐵表面會(huì)形成細(xì)微金屬顆粒剝落，出現(xiàn)磨粒磨損，破壞石墨轉(zhuǎn)移膜的形成，導(dǎo)致摩擦因數(shù)和磨損量異常增加[9]。

3結(jié)論

(1) 結(jié)合核電蒸汽發(fā)生器支撐和減摩要求，以合金化改性灰鑄鐵為基體，裝配石墨作潤(rùn)滑材料開發(fā)了鑄鐵/石墨復(fù)合減摩板，石墨采用熱裝的方式進(jìn)行鑲嵌，面積分?jǐn)?shù)為30%；基體鑄鐵的壓縮屈服強(qiáng)度為790 MPa，滿足材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，單片減摩板的極限承載能力為49 770 kN，遠(yuǎn)高于核電蒸汽發(fā)生器減摩板所要求的3 500 kN，可以起到足夠的支撐作用。

(2) 復(fù)合減摩板在低于6 500 kN載荷下運(yùn)動(dòng)1 000次時(shí)，其摩擦因數(shù)穩(wěn)定，低于0.15，磨損量小于0.13 mm，均滿足核電蒸汽發(fā)生器用單片減摩板的指標(biāo)要求，具有良好的減摩性能。

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Development and Property of Antifriction Plate for Steam Generator

of Nuclear Power System

ZHANG Quan-cheng

(Shanghai Research Institute of Material， Shanghai 200437， China)

Abstract:With modified grey iron as substrate, assembled with graphite as lubrication material, the grey iron/graphite composite antifriction plate was designed and developed according to the requirement of steam generator in a nuclear power plant, and the microstructure analyzation, mechanical test and friction test were carried out. The results show that the compressive yield strength of the modified grey iron was 790 MPa; the ultimate bearing capacity of the antifriction plate was 49 770 kN, providing the efficient support for the steam generator of nuclear power. When rubbing under the load less than 6 500 kN for 1 000 times, the friction coefficient of the antifriction plate was stable and below 0.15; the wear value was also less than 0.13 mm, indicating excellent bearing capability and antifriction performance. The values of friction coefficient and wear loss both reached the technical requirement.

Key words:antifriction plate; graphite; steam generator

中圖分類號(hào)：TG74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0056-05

作者簡(jiǎn)介：張全成(1973-)，男，安徽蕭縣人，高級(jí)工程師，博士。

基金項(xiàng)目：上海市經(jīng)信委2014年第二批軍民融合項(xiàng)目(JM20146201202)

收稿日期:2014-10-29；

修訂日期:2015-09-07

DOI:10.11973/jxgccl201510013