CN1042589A

CN1042589A - 水轮机与水轮机的动叶片

Info

Publication number: CN1042589A
Application number: CN89107191A
Authority: CN
Inventors: 宇佐美贤一; 佐藤晃二; 高安博; 高田道广
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-06-20
Publication date: 1990-05-30
Also published as: JPH01318763A; JPH0772529B2; CN1018276B; US5030064A

Abstract

一种在含泥沙较多的河流水域中使用的水轮机为改善其耐气蚀以及耐由泥沙的机械作用所产生磨损的性能，用不锈钢制造水轮机中与水流接触的部件，特别是动叶片的受到侵蚀的部分，这种不锈钢的组成分按重量百分比为：

C：0.07％至2％ S：2％以下

Mn：7％至15％ N：1％至7％

Cr：10％至25％ W：0.1％至3％

其余为Fe和不可避免的伴生杂质。

Description

本发明涉及水力发电用的水轮机，特别涉及在含有泥砂的地方使用的旋转轮机中与水流接触部件上的有优异的耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能的水轮机动叶片。

水力发电用的水轮机的叶片和导流叶片等的与水流接触部件，由于构成这些部件的材料在与水流接触的表面上，受气蚀作用而受到损伤，而且，当水流中含有泥砂（Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O、MgO、CaO），粘土等固体物质时，还会因这些泥砂等固体物质造成磨损而受侵蚀。不过，发电用的水轮机较少在含泥砂多的地方使用，所以，以往对于与水流接触部件的材料研究开发很少是针对流水中泥砂造成磨损的，一直选用并开发研究在不含泥砂的水流中耐气蚀性能优良的材料。如果与水流接触的部件因气蚀而受到损伤，就会产生振动和噪音，使水轮机的效率降低。因此，对于水轮机的叶轮，特别使用了强度能满足对叶轮材料所要求的、经过淬火和回火处理的含Ni-13Cr铸钢。这种含Ni-13Cr铸钢，其耐气蚀的性能虽比普通的13Cr钢优越些，但还很不够。因此在水轮机上会发生气蚀的地方，常使用耐气蚀性能更优越的JIS D308材料或JIS D309Mo的奥氏体基体上，用析出铁素体的焊接金属加以堆焊。JIS D308的成份是：C：0.08%以下;Si：0.9%以下;Mn：2.5%以下;Ni：9～11%;Cr：18～21%;JIS D309Mo的成份是：C：0.12%以下;Si：0.9%以下;Mn：2.5%以下;Ni：12～14%;Cr：22～25%;Mo：2～3%。

但是，在水流中含有大量泥砂的情况下，JIS D308和JIS D309Mo的耐泥砂磨损的性能就很不够（参阅日本专利特公昭61-11312、特公昭61-11311、特公昭62-56947）。

JIS D308和JIS D 309Mo等的堆焊，主要目的是为了防止水轮机叶轮的气蚀，这些材料不但耐腐蚀性能差，而且耐泥砂磨损的性能也不高。这是因为气蚀的机制和泥砂磨损的机制是不相同的，即气蚀是在高速流动的水中产生了空穴，当空穴爆裂时产生很高的冲击压力，使材料受到侵蚀的现象。而磨损则是主要因泥砂的切削作用而使与水接触的部件被侵蚀的现象。这种由泥砂造成的磨损也是由于水流的快速流动，泥砂撞击时的冲击力越大，侵蚀便越严害。在只有因气蚀造成侵蚀的情况下，以往所使用的D308和D309Mo等材料，虽然可以利用在空穴爆裂时的很大冲击力，使与水流接触的部件的材料表面发生加工硬化，但是，当水轮机用在含有大量泥砂的地方时，却不一定具有优良的耐泥砂磨损的性能。这是因为需要从气蚀和泥砂磨损两种复合起来的损伤来考虑材料的侵蚀，只单独考虑一种现象，不能获得具有耐气蚀和耐泥砂磨损这两种复合侵蚀性能的材料。

本发明的目的是提供一种水轮机和水轮机的动叶片，这种水轮机及其动叶片的与水接触部分兼有对在含泥砂地点使用的水轮机所要求的耐气蚀和耐泥砂磨损的性能。

上述的目的是通过使用一些有更好的加工硬化性能的不锈钢构成水轮机中与水流接触的部件，并预先对这不锈钢进行表面加工硬化，使其具有残余压缩应力而达到的。上述这种不锈钢比以往为获得耐气蚀性能而使用的具有较高的加工硬化性能的JIS D 308或JIS D309Mo有更高的加工硬化性能。

就是说，在含泥砂的江河水域中使用的、受到气蚀作用和泥砂磨损，并受到这两种作用的复合损伤的水轮机中与水流接触的部件，特别是水轮机的动叶片是用耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能都很好的不锈钢构成的，其中主要是奥氏体组织，原材料的维氏硬度在230以上，而且加工硬化性能很好，由于水流和泥砂的冲击，维氏硬度可达到400以上，其化学成份按重量比为：C：0.07～0.2%，Si：2%以下;Mn：7～15%;Ni：1～7%，Cr：10～25%，W：0.1～3%，特别是含Mo：0.2～3%，N：0.05～0.2%以下，其余是Fe和不可避免的伴生杂质。这种不锈钢的Cr当量含量可在14～24的范围内调整，Ni当量含量可在13～23的范围内调整。最好把图1所示的阴影线区域的奥氏体组织的钢板用银焊或熔焊焊在水轮机中与水流接触的部件上，特别是水轮机的动叶片上。如图1所示，这些材料的Ni当量比表示奥氏体组织的直线上的当量高出1～10，因为这样可以利用水流中泥砂对表面的冲击力使表面均匀地硬化。在奥氏体相内折出铁素体的话，由于铁素体相的加工硬化的功能比奥氏体相小，这一部分就容易被侵蚀掉，所以最好是加工硬化效果好的单一的奥氏体相。受到气蚀和泥砂磨损，以及受到这两种作用复合损伤的部件，特别是水轮机动叶片表面最好由图1的阴影线区域所表示的全部是奥氏体组织的材料构成。可以用银焊或用角焊等方法把本发明的钢板焊在用碳钢或马氏体钢作为母材而构成的水轮机中与水流接触部件的表面上，特别是动叶片的表面上，也可以用焊条或者粉末状的焊接材料，用堆焊的方法焊在水轮机的母材上。

如果对这些材料的表面进行喷丸硬化等处理，使表面上留有残余压缩应力，并且使其表面硬化，就能更有效地发挥它的耐损伤性能。还有，经过喷丸硬化等表面处理后，由处理所产生的金属碎末等会嵌入钢板的表面里而留在钢板上，所以如把表面层切削掉厚度小于5微米的一层，就能更进一步有效地发挥材料的耐损伤性能。这时，当用砂纸等除去表面层时，就在砂纸研磨面上留下了残余压缩应力，进一步有效地提高了材料耐损伤性能。通常，在含泥砂量大的水流中，泥砂含量在0.5%以下，而本发明的水轮机，特别是水轮机的动叶片，可完全适用于泥砂含量在5重量%以下的水流。

装有水轮机动叶片的叶轮本体在上冠和下环之间装有许多叶片、并且有将水流引导到上冠中心去的叶轮锥。在叶片的外侧设有导流叶片，而在导流叶片的外侧装有固定叶片。

本发明的钢不但可应用于水轮机中与水流接触的部件，尤其适用于水轮机叶片3，也可适用于叶片以外的其它旋转构件，还可适用于泵、螺旋浆等水力机械。

如图3中所例示，水轮机动叶片3的母材一般是用经过常规的熔化、铸造等工序得到的含Ni13Cr铸钢9制成的。这叶片表面上与水流接触面受到损伤的部分上，用银焊11焊上不锈钢板10，钢板10具有奥氏体组织，其成份按重量百分比为：C：0.07～0.2%，Si：2%以下，Mn：7～15%，Ni：1～7%;Cr：10～25%，W：0.1～3%以下，特别是含Mo：0.2～3%和N：0.05～0.2%，其余为Fe。为了进一步提高这部分表面的耐损伤性能，使该表面上留有有效的残余压缩应力，又进行了喷丸表面处理，形成了经过处理的表面层12。此外，为了控制作为动叶片母材的含Cr13的铸钢与本发明的具有高加工硬化性能的不锈钢之间因扩散而造成的成分变化，焊接部分用银焊比用熔焊好。另外，当然也可以用堆焊将本发明的钢板焊在母材上。还有，因焊接后要符合叶片3的基本形状，所以焊上钢板要比用铸钢件加工好。

下面，介绍本发明的不锈钢中限定各种元素成分含量范围的理由。

C是一种强化奥氏体形成的元素，还有强化基体金属的作用。如C的含量少，钢板中的奥氏体相中会析出铁素体，使延展性和韧性降低，相反，如C的含量太高，就会在晶粒边界上析出碳化物，使材料的韧性下降，并且成为对铸造和焊接裂纹敏感的原因。因此，含C量的范围定为0.07～0.2重量%，最好为0.08～0.18重量%。

Si有很好的脱氧效果，如添加过多，合金要变脆，而且易于使铁素体析出，所以限定其含量在2%以下。当既要考虑到脱氧效果，又要考虑在作为堆焊材料使用时，会在凝固的晶粒边界上生成低熔点化合物，从而引起高温裂纹情况下，其含量宜定为0.2～1.5重量%，最好是0.4～1.0重量%。

硫和氧对钢材的韧性不利，Mn是为脱硫和脱氧加入的，它能在增大N的固溶程度的同时促进组织的奥氏体化，在与Ni和C共同存在时，是提高加工硬化性能的重要元素。若Mn含量太少，马氏体的量就增加，会使加工性能变差，不能获得所期望的耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能的改善。如含Mn量过多，则奥氏体组织趋于稳定，不但加工硬化性能降低，而且铸造时钢水的流动性差，焊接的工艺性能降低。在本发明的成分中，Mn的含量与Ni和C的含量有关，其含量应在7～15重量%之间，当同时考虑其铸造性能、焊接性能和加工性能时，能发挥最佳加工硬化性能的是8～12重量%。

Cr在本发明钢材中基本与JIS SUS304合金中的含量相同，取成18～20重量%，Cr的含量与其它生成铁素体的元素Si、Mo、W的含量有关，Cr的含量上限为25重量%，下限为10重量%。由于Cr是本发明合金达到生成奥氏体相，同时又具有良好加工硬化性能以及提高耐气蚀与泥砂磨损性能的目的的重要元素，含量稍低些好，以10～20重量%为好。

另一方面，如果考虑到在河水和海水中的耐腐蚀性能，那末Cr的含量就必需尽可能高一些，但是，还必须兼顾其它生成铁素体和奥氏体的元素，所以对于生成奥氏体和提高加工硬化性能而言，最合适的含量是12～15重量%。

Ni是生成奥氏体的元素，它与Mn和C相结合能使奥氏体组织稳定化，对于提高钢材的韧性和延展性很有效。

考虑到Mn和C的含量，Ni的含量以1～7重量%为好。

如果Ni量超过7重量%，奥氏体组织趋于稳定，导致加工硬化性能降低，使耐气蚀的性能和耐泥砂磨损的性能都降低，因此，本发明的不锈钢板减少了JIS SUS 304不锈钢（18Cr-8Ni）中含Ni量而添加了Mn元素，以生成奥氏体组织并提高其加工硬化性能，这是本发明的一个主要发明点。如果不锈钢中含Ni量太低，会生成铁素体和马氏体相，从而降低加工硬化性能和工艺性能，而如果含Ni量太多，就会使奥氏体趋于稳定，也使加工硬化性能降低。所以，为了使材料的含Ni量处在图1的阴影线部分所示的奥氏体相区域中比表示下限的直线高出1～10，并考虑到与钢中所含的Mn、N和C互相重叠的效果，Ni的含量最好是1～5重量%。

Mo对于提高母材强度和提高其耐腐蚀性能，特别是对于提高耐点腐蚀性能非常有效，但该元素是促进铁素体生成的元素，所以含量增多会增加铁素体的生成，并使加工性能变坏。本发明的不锈钢，如考虑耐腐蚀性能，可以加入0.2重量%的Mo，对于在河流等水流中工作的水轮机的动叶片，即使含Mo量增加到1%，也能充分发挥耐腐蚀性能。不过，对于用提升海水来发电的水轮机的动叶片，还有耐海水的点蚀问题。为了使具有足够的耐点蚀性能，必须增加含Mo量，但如超过2～3重量%，其耐点蚀的性能就显不出再有什么差别了。因此，在考虑到耐点蚀的情况下，含Mo量也以0.2～3重量%为好。

W在本发明的合金中是通过提高基体金属硬度来提高合金的耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能的一种重要元素。W的加入量应在0.19重量%以上，如加入太多，就会影响合金的铸造性能、加工性能和焊接性能等，而且其硬度不再继续升高，还会造成偏析，所以最高含量是3重量%。而Mo的最佳含量应在0.3～1.5重量%之间。

N与C、Ni、Mn相结合，能提高不锈钢的奥氏体组织的稳定性。但是，如含N量太多，会形成氮化物，从而降低钢的韧性和延展性，并易使焊接物件产生气孔等缺陷，所以其含量应限定在0.05～0.2重量%，最好是0.05～0.15重量%。

其余的成分是Fe和伴生的杂质，如P、S以及As、Sb等。这些元素都对钢的韧性和延展性有害，并使焊接性能和铸造性能下降，所以希望尽可能的少。

尤其因为本发明的不锈钢含Mn量多，而Mn能与S结合形成MnS这种夹杂物，所以最好尽量减少含S量。

此外，本发明的不锈钢中还会有一种或几种总含量在1重量%以下的会形成MC类型碳化物的元素：Ti、Nb、Er、Hf、Ta、V等，这些元素也能提高钢的强度。最好，这些元素的总含量为0.5重量%。此外，为了提高钢的延展性，还可以加入Ca、Mg和稀土类元素，Y等氧化剂。最好这些元素的含量在0.5重量%以下。

图1是适用于本发明的一个实施例的不锈钢组成分范围的曲线图：图2和图3是使用本发明的钢制造的水轮机的剖面示图，图4中表示了用作比较的材料和本发明的材料因气蚀损耗的量，图5是表示因气蚀损耗的量与含Mn量的关系曲线图，图6是表示经过气蚀试验后，侵蚀面上侵蚀深度与硬度关系的曲线图，图7中表示了喷丸硬化处理层的气蚀损耗量，图8表示用作比较的材料和本发明材料因泥砂磨损的磨损量。

图2和图3是使用本发明钢材的、典型的水轮机及水轮机中与水流接触部件的断面图。

水轮机的主要部件是由有动叶片的叶轮构成的。叶轮本体在上冠1和下环2之间形成许多叶片3，在叶片3上有引导水流的叶轮锥4。在叶片3的外侧设有导向叶片5和固定叶片6，在叶轮上有叶轮衬垫7，而在导向叶片5上附有板状衬垫8。本发明的钢材很适用于水轮机中与水流接触的部件，特别是水轮机的动叶片3，也适用于除叶片以外的其他旋转部件。

如图3中所示，水轮机的动叶片3的母材一般采用碳素钢或者马氏体系列的钢材，或者用普通的熔化-铸造方法制得的Ni13Cr铸钢9做成。在叶片表面与水流接触处的承受损伤的部分，用银焊11焊接上厚度为2毫米以下的不锈钢板10，此钢板10具有奥氏体组织，它的成分按重量百分比为C：0.07～0.2%，Si：2%以下，Mn：8～12%，Ni：1～5%，Cr：10～20%，Mo：1～3%，W：3%以下，N：0.15%以下，其余为Fe。为了进一步提高这部分表面的耐损伤性能，还在它上面形成了一层具有很有用的压缩应力的喷丸处理表面层12。此表面层12的表面用砂纸打磨过。另外，为了控制动叶片的母材Cr 13铸钢与本发明的具有很高加工硬化性能的不锈钢由于焊接时的扩散使其组成分发生变化，所用的焊接方法以银焊为好。不言而喻，也可以用堆焊方法把本发明的钢板焊在母材上。由于要求与叶片3本体的形状吻合地焊接，所以将钢板焊接比加工铸钢件更好。

下面列出本发明的适用于水轮机，特别适用于水轮机的动叶片的不锈钢和以往所使用的钢在耐气蚀和耐泥砂磨损方面的试验例。

表1中所示的是本发明的8～19号钢材和作为比较用的钢材1～7号钢材的化学成分（按重量百分比）。其余部分基本上都是Fe。

1号材料主要是用于制造水轮机叶轮和导向叶片的马氏体类型的5Ni-13Cr铸钢。2号材料是典型的奥氏体类型的不锈钢SUS304。3号材料是用JIS标准的D309Mo堆焊材料堆焊的金属。4～7号材料是一系列为试验用的不锈钢的铸钢材料，而8～19号材料是本发明的不锈钢。

用作比较的2号材料是市售的钢板，它是在1050℃下经过2小时固溶化处理后经空气冷却的。除2号和3号材料之外，都是用高频熔化炉熔炼的，熔炼后的1号材料在1000℃下保温2小时后经空气冷却，再在600℃下回火处理5小时。其他的4号～19号材料都是在1050℃下经过2小时的固溶化处理后经空气冷却的。

本发明的16号～19号材料还把部分原材料用拉拔方法加工成直径为2毫米的线材，然后不经预热，在常温下用钨极惰性气体保护焊的方法，把线材焊接在SUS304钢板上，形成一层堆焊层。而且使堆焊层有好几层，以便不受母材成分影响。

比较耐气蚀性能的试验中使用了磁应力振动式气蚀试验机，在试验条件为频率6.5千赫、输出功率0.7千瓦、振幅120微米、试验温度250℃下，经过120分钟的试验后。用试件重量的减轻来评价其耐气蚀性能。

另一方面，耐泥砂磨损性能则用喷射式试验方法来评价。这种试验是在1立升的自来水中混入平均粒径为8微米的30克Al₂O₃作为泥砂，把含这种泥砂的水从1毫米喷嘴以20米/秒的流速，相对于试片成45度的喷射角，向试片喷射4小时。测定试验前后的重量，以试验前后的重量之差作为磨损量。

图4中表示了各种试验材料因气蚀而减少的重量。从图中可清楚地看出，本发明的用于制造水轮机动叶片的不锈钢，即8～19号材料的耐气蚀性能（包括堆焊的材料），比1～7号的比较材料优越。

图5是在固定成分16Cr、4.5Ni、0.5Mo、0.3W、0.15N的基础上，改变含Mn量所测定的结果。当含Mn量在8%以下时，因气蚀而减少的重量就急骤增加;而当含Mn量增加到12%以上时，耐气蚀性能也降低。由此可知，为了获得良好的耐气蚀性能，含Mn量必需在8～12%的范围内，尤其以11%为好。

下面，探讨本发明的不锈钢能提高耐气蚀性能的原因。

图6表示了经气蚀试验后，从侵蚀面开始的侵蚀深度与材料硬度的关系。

用作比较的1号材料在气蚀后，在侵蚀部分附近未发现因加工硬化而使硬度提高。在本发明的11号和19号钢材中，由于加入了W，母材的硬度和侵蚀部分表面上的硬度都有提高，而它的侵蚀部分表面层的硬度比用作比较的2号和4号材料的更高。从以上事实可知，母材的硬度可提高耐气蚀性能;而由于水流的冲击力使材料受到加工硬化，从而使奥氏相转变成马氏相;而通过加入W并形成Wc，使母材中含C量减少，促使奥氏体变得不稳定，因而增加了加工硬化。

图7是本发明的12号和13号钢材经过喷丸硬化处理后的和未经喷丸硬化处理的耐气蚀性能试验结果比较。经过喷丸硬化的不锈钢表面用1200^＃金刚石砂纸打磨，磨去厚度0.05毫米，使得因喷丸硬化而产生凹凸不平的表面变得和未经喷丸硬化的表面一样地具有光洁的表面，然后再进行试验，喷丸硬化处理的加工条件是：φ2毫米的细材，压缩空气压力5～6千克/厘米³，喷丸时间为1分钟/厘米²。由图7可知，经过喷丸硬化处理的材料的耐气蚀性能比未经喷丸硬化处理的更高。这是因为经过喷丸硬化处理的材料表面产生了加工硬化，在材料较深的内部形成了残余压缩应力的缘故。喷丸硬化处理可使表面硬度提高到550～650的范围，而使表面上具有残余压缩应力，也能有效地提高耐气蚀性能。

图8表示用作比较的1号、2号和4号材料和本发明的8号～11号和19号材料的泥砂磨损试验的结果。和图4的气蚀试验结果一样，本发明的钢材的耐泥砂磨损性能比用作比较的材料优越。

综上所述，本发明的制造水轮机和水轮机动叶片的材料，之所以显示出优良的耐气蚀性能和耐泥砂磨损性能，是由于添加了Mn元素，提高了耐泥砂磨削的性能，而且，也由于添加了Mo、N和W元素，强化了母材的奥氏体组织。

由于本发明的材料能减轻气蚀和泥砂的磨损，以及这两种作用的复合损伤，从而使机器效率的降低得到减轻，并具有延长机器寿命的效果。

Claims

1、一种水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：在含有泥砂的河流水流中使用的水轮机、特别是水轮机的动叶片中，受到气蚀和泥砂磨损以及这两种作用的复合损伤的水流接触的部件是用加工硬化性能高的不锈钢制造的，这种不锈钢主要是奥氏体组织，其原材料的维氏硬度在230以上，而由于水流和泥砂的冲击，其可达维氏硬度400以上。

2、如权利要求1所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：不锈钢的组成分按重量百分比为：C：0.07～0.2%，Si：2%以下，Mn：7～15%，Ni：1～7%，Cr：10～25%，W：0.1～3%，其余为Fe和伴生的不可避免的杂质。

3、如权利要求2所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：不锈钢的组成分中按重量百分比还含有Mo：0.2～3%，N：0.05～0.2%，其余为Fe和伴生的不可避免的杂质。

4、如权利要求1所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：不锈钢的组成分中，Cr的当量含量为14～24（Cr当量的计算式：Cr%+Mo%+1.5×Si%），Ni的当量含量为13～23（Ni当量的计算式：Ni%+30%C+30%N+0.5×Mn%）。

5、如权利要求4所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：上述不锈钢中的Ni当量含量比表示奥氏体区域下限的直线至少高出1～10。

6、如权利要求1所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：不锈钢是厚度为2毫米以下的轧制钢板。

7、如权利要求1所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：上述的不锈钢表面至少用喷丸硬化处理，使其产生加工硬化，并在表面上形成残余压缩应力。

8、如权利要求7所述的水轮机、特别是水轮机的动叶片，其特征是：为了把经过喷丸硬化处理后的表面磨平，用压紧力较大的砂纸把表面至少整修成光洁度在5微米以下。

9、如权利要求8所述的水轮机，特别是水轮机的动叶片，其特征是：经过喷丸硬化处理后的表面层的维氏硬度，在表面层的0.05毫米以下处，至少是400以上。

10、如权利要求1所述的水轮机，特别是水轮机的动叶片，其特征是：它是用银焊或熔焊把上述的不锈钢焊在至少与水流或含泥砂的水流冲击的区域上构成的。

11、一种水力机械，其特征是在含有泥砂的河流水域里使用的水力机械中，受气蚀和泥砂磨损以及受到这两种作用复合损伤的与水流接触部分是由上述的任一项权利要求中所述的不锈钢制造的，这种不锈钢具有奥氏体组织，其母材的维氏硬度在230以上，并且通过水流和泥砂的冲击，能使维氏硬度达到400以上。