專(zhuān)利名稱(chēng)：水輪機(jī)與水輪機(jī)的動(dòng)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水力發(fā)電用的水輪機(jī)，特別涉及在含有泥砂的地方使用的旋轉(zhuǎn)輪機(jī)中與水流接觸部件上的有優(yōu)異的耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能的水輪機(jī)動(dòng)葉片。
水力發(fā)電用的水輪機(jī)的葉片和導(dǎo)流葉片等的與水流接觸部件，由于構(gòu)成這些部件的材料在與水流接觸的表面上，受氣蝕作用而受到損傷，而且，當(dāng)水流中含有泥砂(Al2O3、SiO2、Fe2O、MgO、CaO)，粘土等固體物質(zhì)時(shí)，還會(huì)因這些泥砂等固體物質(zhì)造成磨損而受侵蝕。不過(guò)，發(fā)電用的水輪機(jī)較少在含泥砂多的地方使用，所以，以往對(duì)于與水流接觸部件的材料研究開(kāi)發(fā)很少是針對(duì)流水中泥砂造成磨損的，一直選用并開(kāi)發(fā)研究在不含泥砂的水流中耐氣蝕性能優(yōu)良的材料。如果與水流接觸的部件因氣蝕而受到損傷，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，使水輪機(jī)的效率降低。因此，對(duì)于水輪機(jī)的葉輪，特別使用了強(qiáng)度能滿(mǎn)足對(duì)葉輪材料所要求的、經(jīng)過(guò)淬火和回火處理的含Ni-13Cr鑄鋼。這種含Ni-13Cr鑄鋼，其耐氣蝕的性能雖比普通的13Cr鋼優(yōu)越些，但還很不夠。因此在水輪機(jī)上會(huì)發(fā)生氣蝕的地方，常使用耐氣蝕性能更優(yōu)越的JIS D308材料或JIS D309Mo的奧氏體基體上，用析出鐵素體的焊接金屬加以堆焊。JIS D308的成份是C0.08%以下;Si0.9%以下;Mn2.5%以下;Ni9～11%;Cr18～21%;JIS D309Mo的成份是C0.12%以下;Si0.9%以下;Mn2.5%以下;Ni12～14%;Cr22～25%;Mo2～3%。
但是，在水流中含有大量泥砂的情況下，JISD308和JISD309Mo的耐泥砂磨損的性能就很不夠(參閱日本專(zhuān)利特公昭61-11312、特公昭61-11311、特公昭62-56947)。
JISD308和JISD309Mo等的堆焊，主要目的是為了防止水輪機(jī)葉輪的氣蝕，這些材料不但耐腐蝕性能差，而且耐泥砂磨損的性能也不高。這是因?yàn)闅馕g的機(jī)制和泥砂磨損的機(jī)制是不相同的，即氣蝕是在高速流動(dòng)的水中產(chǎn)生了空穴，當(dāng)空穴爆裂時(shí)產(chǎn)生很高的沖擊壓力，使材料受到侵蝕的現(xiàn)象。而磨損則是主要因泥砂的切削作用而使與水接觸的部件被侵蝕的現(xiàn)象。這種由泥砂造成的磨損也是由于水流的快速流動(dòng)，泥砂撞擊時(shí)的沖擊力越大，侵蝕便越嚴(yán)害。在只有因氣蝕造成侵蝕的情況下，以往所使用的D308和D309Mo等材料，雖然可以利用在空穴爆裂時(shí)的很大沖擊力，使與水流接觸的部件的材料表面發(fā)生加工硬化，但是，當(dāng)水輪機(jī)用在含有大量泥砂的地方時(shí)，卻不一定具有優(yōu)良的耐泥砂磨損的性能。這是因?yàn)樾枰獜臍馕g和泥砂磨損兩種復(fù)合起來(lái)的損傷來(lái)考慮材料的侵蝕，只單獨(dú)考慮一種現(xiàn)象，不能獲得具有耐氣蝕和耐泥砂磨損這兩種復(fù)合侵蝕性能的材料。
本發(fā)明的目的是提供一種水輪機(jī)和水輪機(jī)的動(dòng)葉片，這種水輪機(jī)及其動(dòng)葉片的與水接觸部分兼有對(duì)在含泥砂地點(diǎn)使用的水輪機(jī)所要求的耐氣蝕和耐泥砂磨損的性能。
上述的目的是通過(guò)使用一些有更好的加工硬化性能的不銹鋼構(gòu)成水輪機(jī)中與水流接觸的部件，并預(yù)先對(duì)這不銹鋼進(jìn)行表面加工硬化，使其具有殘余壓縮應(yīng)力而達(dá)到的。上述這種不銹鋼比以往為獲得耐氣蝕性能而使用的具有較高的加工硬化性能的JISD308或JISD309Mo有更高的加工硬化性能。
就是說(shuō)，在含泥砂的江河水域中使用的、受到氣蝕作用和泥砂磨損，并受到這兩種作用的復(fù)合損傷的水輪機(jī)中與水流接觸的部件，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片是用耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能都很好的不銹鋼構(gòu)成的，其中主要是奧氏體組織，原材料的維氏硬度在230以上，而且加工硬化性能很好，由于水流和泥砂的沖擊，維氏硬度可達(dá)到400以上，其化學(xué)成份按重量比為C0.07～0.2%，Si2%以下;Mn7～15%;Ni1～7%，Cr10～25%，W0.1～3%，特別是含Mo0.2～3%，N0.05～0.2%以下，其余是Fe和不可避免的伴生雜質(zhì)。這種不銹鋼的Cr當(dāng)量含量可在14～24的范圍內(nèi)調(diào)整，Ni當(dāng)量含量可在13～23的范圍內(nèi)調(diào)整。最好把

圖1所示的陰影線(xiàn)區(qū)域的奧氏體組織的鋼板用銀焊或熔焊焊在水輪機(jī)中與水流接觸的部件上，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片上。如圖1所示，這些材料的Ni當(dāng)量比表示奧氏體組織的直線(xiàn)上的當(dāng)量高出1～10，因?yàn)檫@樣可以利用水流中泥砂對(duì)表面的沖擊力使表面均勻地硬化。在奧氏體相內(nèi)折出鐵素體的話(huà)，由于鐵素體相的加工硬化的功能比奧氏體相小，這一部分就容易被侵蝕掉，所以最好是加工硬化效果好的單一的奧氏體相。受到氣蝕和泥砂磨損，以及受到這兩種作用復(fù)合損傷的部件，特別是水輪機(jī)動(dòng)葉片表面最好由圖1的陰影線(xiàn)區(qū)域所表示的全部是奧氏體組織的材料構(gòu)成。可以用銀焊或用角焊等方法把本發(fā)明的鋼板焊在用碳鋼或馬氏體鋼作為母材而構(gòu)成的水輪機(jī)中與水流接觸部件的表面上，特別是動(dòng)葉片的表面上，也可以用焊條或者粉末狀的焊接材料，用堆焊的方法焊在水輪機(jī)的母材上。
如果對(duì)這些材料的表面進(jìn)行噴丸硬化等處理，使表面上留有殘余壓縮應(yīng)力，并且使其表面硬化，就能更有效地發(fā)揮它的耐損傷性能。還有，經(jīng)過(guò)噴丸硬化等表面處理后，由處理所產(chǎn)生的金屬碎末等會(huì)嵌入鋼板的表面里而留在鋼板上，所以如把表面層切削掉厚度小于5微米的一層，就能更進(jìn)一步有效地發(fā)揮材料的耐損傷性能。這時(shí)，當(dāng)用砂紙等除去表面層時(shí)，就在砂紙研磨面上留下了殘余壓縮應(yīng)力，進(jìn)一步有效地提高了材料耐損傷性能。通常，在含泥砂量大的水流中，泥砂含量在0.5%以下，而本發(fā)明的水輪機(jī)，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，可完全適用于泥砂含量在5重量%以下的水流。
裝有水輪機(jī)動(dòng)葉片的葉輪本體在上冠和下環(huán)之間裝有許多葉片、并且有將水流引導(dǎo)到上冠中心去的葉輪錐。在葉片的外側(cè)設(shè)有導(dǎo)流葉片，而在導(dǎo)流葉片的外側(cè)裝有固定葉片。
本發(fā)明的鋼不但可應(yīng)用于水輪機(jī)中與水流接觸的部件，尤其適用于水輪機(jī)葉片3，也可適用于葉片以外的其它旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，還可適用于泵、螺旋漿等水力機(jī)械。
如圖3中所例示，水輪機(jī)動(dòng)葉片3的母材一般是用經(jīng)過(guò)常規(guī)的熔化、鑄造等工序得到的含Ni13Cr鑄鋼9制成的。這葉片表面上與水流接觸面受到損傷的部分上，用銀焊11焊上不銹鋼板10，鋼板10具有奧氏體組織，其成份按重量百分比為C0.07～0.2%，Si2%以下，Mn7～15%，Ni1～7%;Cr10～25%，W0.1～3%以下，特別是含Mo0.2～3%和N0.05～0.2%，其余為Fe。為了進(jìn)一步提高這部分表面的耐損傷性能，使該表面上留有有效的殘余壓縮應(yīng)力，又進(jìn)行了噴丸表面處理，形成了經(jīng)過(guò)處理的表面層12。此外，為了控制作為動(dòng)葉片母材的含Cr13的鑄鋼與本發(fā)明的具有高加工硬化性能的不銹鋼之間因擴(kuò)散而造成的成分變化，焊接部分用銀焊比用熔焊好。另外，當(dāng)然也可以用堆焊將本發(fā)明的鋼板焊在母材上。還有，因焊接后要符合葉片3的基本形狀，所以焊上鋼板要比用鑄鋼件加工好。
下面，介紹本發(fā)明的不銹鋼中限定各種元素成分含量范圍的理由。
C是一種強(qiáng)化奧氏體形成的元素，還有強(qiáng)化基體金屬的作用。如C的含量少，鋼板中的奧氏體相中會(huì)析出鐵素體，使延展性和韌性降低，相反，如C的含量太高，就會(huì)在晶粒邊界上析出碳化物，使材料的韌性下降，并且成為對(duì)鑄造和焊接裂紋敏感的原因。因此，含C量的范圍定為0.07～0.2重量%，最好為0.08～0.18重量%。
Si有很好的脫氧效果，如添加過(guò)多，合金要變脆，而且易于使鐵素體析出，所以限定其含量在2%以下。當(dāng)既要考慮到脫氧效果，又要考慮在作為堆焊材料使用時(shí)，會(huì)在凝固的晶粒邊界上生成低熔點(diǎn)化合物，從而引起高溫裂紋情況下，其含量宜定為0.2～1.5重量%，最好是0.4～1.0重量%。
硫和氧對(duì)鋼材的韌性不利，Mn是為脫硫和脫氧加入的，它能在增大N的固溶程度的同時(shí)促進(jìn)組織的奧氏體化，在與Ni和C共同存在時(shí)，是提高加工硬化性能的重要元素。若Mn含量太少，馬氏體的量就增加，會(huì)使加工性能變差，不能獲得所期望的耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能的改善。如含Mn量過(guò)多，則奧氏體組織趨于穩(wěn)定，不但加工硬化性能降低，而且鑄造時(shí)鋼水的流動(dòng)性差，焊接的工藝性能降低。在本發(fā)明的成分中，Mn的含量與Ni和C的含量有關(guān)，其含量應(yīng)在7～15重量%之間，當(dāng)同時(shí)考慮其鑄造性能、焊接性能和加工性能時(shí)，能發(fā)揮最佳加工硬化性能的是8～12重量%。
Cr在本發(fā)明鋼材中基本與JISSUS304合金中的含量相同，取成18～20重量%，Cr的含量與其它生成鐵素體的元素Si、Mo、W的含量有關(guān)，Cr的含量上限為25重量%，下限為10重量%。由于Cr是本發(fā)明合金達(dá)到生成奧氏體相，同時(shí)又具有良好加工硬化性能以及提高耐氣蝕與泥砂磨損性能的目的的重要元素，含量稍低些好，以10～20重量%為好。
另一方面，如果考慮到在河水和海水中的耐腐蝕性能，那末Cr的含量就必需盡可能高一些，但是，還必須兼顧其它生成鐵素體和奧氏體的元素，所以對(duì)于生成奧氏體和提高加工硬化性能而言，最合適的含量是12～15重量%。
Ni是生成奧氏體的元素，它與Mn和C相結(jié)合能使奧氏體組織穩(wěn)定化，對(duì)于提高鋼材的韌性和延展性很有效。
考慮到Mn和C的含量，Ni的含量以1～7重量%為好。
如果Ni量超過(guò)7重量%，奧氏體組織趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致加工硬化性能降低，使耐氣蝕的性能和耐泥砂磨損的性能都降低，因此，本發(fā)明的不銹鋼板減少了JISSUS304不銹鋼(18Cr-8Ni)中含Ni量而添加了Mn元素，以生成奧氏體組織并提高其加工硬化性能，這是本發(fā)明的一個(gè)主要發(fā)明點(diǎn)。如果不銹鋼中含Ni量太低，會(huì)生成鐵素體和馬氏體相，從而降低加工硬化性能和工藝性能，而如果含Ni量太多，就會(huì)使奧氏體趨于穩(wěn)定，也使加工硬化性能降低。所以，為了使材料的含Ni量處在圖1的陰影線(xiàn)部分所示的奧氏體相區(qū)域中比表示下限的直線(xiàn)高出1～10，并考慮到與鋼中所含的Mn、N和C互相重疊的效果，Ni的含量最好是1～5重量%。
Mo對(duì)于提高母材強(qiáng)度和提高其耐腐蝕性能，特別是對(duì)于提高耐點(diǎn)腐蝕性能非常有效，但該元素是促進(jìn)鐵素體生成的元素，所以含量增多會(huì)增加鐵素體的生成，并使加工性能變壞。本發(fā)明的不銹鋼，如考慮耐腐蝕性能，可以加入0.2重量%的Mo，對(duì)于在河流等水流中工作的水輪機(jī)的動(dòng)葉片，即使含Mo量增加到1%，也能充分發(fā)揮耐腐蝕性能。不過(guò)，對(duì)于用提升海水來(lái)發(fā)電的水輪機(jī)的動(dòng)葉片，還有耐海水的點(diǎn)蝕問(wèn)題。為了使具有足夠的耐點(diǎn)蝕性能，必須增加含Mo量，但如超過(guò)2～3重量%，其耐點(diǎn)蝕的性能就顯不出再有什么差別了。因此，在考慮到耐點(diǎn)蝕的情況下，含Mo量也以0.2～3重量%為好。
W在本發(fā)明的合金中是通過(guò)提高基體金屬硬度來(lái)提高合金的耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能的一種重要元素。W的加入量應(yīng)在0.19重量%以上，如加入太多，就會(huì)影響合金的鑄造性能、加工性能和焊接性能等，而且其硬度不再繼續(xù)升高，還會(huì)造成偏析，所以最高含量是3重量%。而Mo的最佳含量應(yīng)在0.3～1.5重量%之間。
N與C、Ni、Mn相結(jié)合，能提高不銹鋼的奧氏體組織的穩(wěn)定性。但是，如含N量太多，會(huì)形成氮化物，從而降低鋼的韌性和延展性，并易使焊接物件產(chǎn)生氣孔等缺陷，所以其含量應(yīng)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和伴生的雜質(zhì)，如P、S以及As、Sb等。這些元素都對(duì)鋼的韌性和延展性有害，并使焊接性能和鑄造性能下降，所以希望盡可能的少。
尤其因?yàn)楸景l(fā)明的不銹鋼含Mn量多，而Mn能與S結(jié)合形成MnS這種夾雜物，所以最好盡量減少含S量。
此外，本發(fā)明的不銹鋼中還會(huì)有一種或幾種總含量在1重量%以下的會(huì)形成MC類(lèi)型碳化物的元素Ti、Nb、Er、Hf、Ta、V等，這些元素也能提高鋼的強(qiáng)度。最好，這些元素的總含量為0.5重量%。此外，為了提高鋼的延展性，還可以加入Ca、Mg和稀土類(lèi)元素，Y等氧化劑。最好這些元素的含量在0.5重量%以下。
圖1是適用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的不銹鋼組成分范圍的曲線(xiàn)圖圖2和圖3是使用本發(fā)明的鋼制造的水輪機(jī)的剖面示圖，圖4中表示了用作比較的材料和本發(fā)明的材料因氣蝕損耗的量，圖5是表示因氣蝕損耗的量與含Mn量的關(guān)系曲線(xiàn)圖，圖6是表示經(jīng)過(guò)氣蝕試驗(yàn)后，侵蝕面上侵蝕深度與硬度關(guān)系的曲線(xiàn)圖，圖7中表示了噴丸硬化處理層的氣蝕損耗量，圖8表示用作比較的材料和本發(fā)明材料因泥砂磨損的磨損量。
圖2和圖3是使用本發(fā)明鋼材的、典型的水輪機(jī)及水輪機(jī)中與水流接觸部件的斷面圖。
水輪機(jī)的主要部件是由有動(dòng)葉片的葉輪構(gòu)成的。葉輪本體在上冠1和下環(huán)2之間形成許多葉片3，在葉片3上有引導(dǎo)水流的葉輪錐4。在葉片3的外側(cè)設(shè)有導(dǎo)向葉片5和固定葉片6，在葉輪上有葉輪襯墊7，而在導(dǎo)向葉片5上附有板狀襯墊8。本發(fā)明的鋼材很適用于水輪機(jī)中與水流接觸的部件，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片3，也適用于除葉片以外的其他旋轉(zhuǎn)部件。
如圖3中所示，水輪機(jī)的動(dòng)葉片3的母材一般采用碳素鋼或者馬氏體系列的鋼材，或者用普通的熔化-鑄造方法制得的Ni13Cr鑄鋼9做成。在葉片表面與水流接觸處的承受損傷的部分，用銀焊11焊接上厚度為2毫米以下的不銹鋼板10，此鋼板10具有奧氏體組織，它的成分按重量百分比為C0.07～0.2%，Si2%以下，Mn8～12%，Ni1～5%，Cr10～20%，Mo1～3%，W3%以下，N0.15%以下，其余為Fe。為了進(jìn)一步提高這部分表面的耐損傷性能，還在它上面形成了一層具有很有用的壓縮應(yīng)力的噴丸處理表面層12。此表面層12的表面用砂紙打磨過(guò)。另外，為了控制動(dòng)葉片的母材Cr13鑄鋼與本發(fā)明的具有很高加工硬化性能的不銹鋼由于焊接時(shí)的擴(kuò)散使其組成分發(fā)生變化，所用的焊接方法以銀焊為好。不言而喻，也可以用堆焊方法把本發(fā)明的鋼板焊在母材上。由于要求與葉片3本體的形狀吻合地焊接，所以將鋼板焊接比加工鑄鋼件更好。
下面列出本發(fā)明的適用于水輪機(jī)，特別適用于水輪機(jī)的動(dòng)葉片的不銹鋼和以往所使用的鋼在耐氣蝕和耐泥砂磨損方面的試驗(yàn)例。
表1中所示的是本發(fā)明的8～19號(hào)鋼材和作為比較用的鋼材1～7號(hào)鋼材的化學(xué)成分(按重量百分比)。其余部分基本上都是Fe。
1號(hào)材料主要是用于制造水輪機(jī)葉輪和導(dǎo)向葉片的馬氏體類(lèi)型的5Ni-13Cr鑄鋼。2號(hào)材料是典型的奧氏體類(lèi)型的不銹鋼SUS304。3號(hào)材料是用JIS標(biāo)準(zhǔn)的D309Mo堆焊材料堆焊的金屬。4～7號(hào)材料是一系列為試驗(yàn)用的不銹鋼的鑄鋼材料，而8～19號(hào)材料是本發(fā)明的不銹鋼。
用作比較的2號(hào)材料是市售的鋼板，它是在1050℃下經(jīng)過(guò)2小時(shí)固溶化處理后經(jīng)空氣冷卻的。除2號(hào)和3號(hào)材料之外，都是用高頻熔化爐熔煉的，熔煉后的1號(hào)材料在1000℃下保溫2小時(shí)后經(jīng)空氣冷卻，再在600℃下回火處理5小時(shí)。其他的4號(hào)～19號(hào)材料都是在1050℃下經(jīng)過(guò)2小時(shí)的固溶化處理后經(jīng)空氣冷卻的。
本發(fā)明的16號(hào)～19號(hào)材料還把部分原材料用拉拔方法加工成直徑為2毫米的線(xiàn)材，然后不經(jīng)預(yù)熱，在常溫下用鎢極惰性氣體保護(hù)焊的方法，把線(xiàn)材焊接在SUS304鋼板上，形成一層堆焊層。而且使堆焊層有好幾層，以便不受母材成分影響。
比較耐氣蝕性能的試驗(yàn)中使用了磁應(yīng)力振動(dòng)式氣蝕試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)條件為頻率6.5千赫、輸出功率0.7千瓦、振幅120微米、試驗(yàn)溫度250℃下，經(jīng)過(guò)120分鐘的試驗(yàn)后。用試件重量的減輕來(lái)評(píng)價(jià)其耐氣蝕性能。
另一方面，耐泥砂磨損性能則用噴射式試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)。這種試驗(yàn)是在1立升的自來(lái)水中混入平均粒徑為8微米的30克Al2O3作為泥砂，把含這種泥砂的水從1毫米噴嘴以20米/秒的流速，相對(duì)于試片成45度的噴射角，向試片噴射4小時(shí)。測(cè)定試驗(yàn)前后的重量，以試驗(yàn)前后的重量之差作為磨損量。
圖4中表示了各種試驗(yàn)材料因氣蝕而減少的重量。從圖中可清楚地看出，本發(fā)明的用于制造水輪機(jī)動(dòng)葉片的不銹鋼，即8～19號(hào)材料的耐氣蝕性能(包括堆焊的材料)，比1～7號(hào)的比較材料優(yōu)越。
圖5是在固定成分16Cr、4.5Ni、0.5Mo、0.3W、0.15N的基礎(chǔ)上，改變含Mn量所測(cè)定的結(jié)果。當(dāng)含Mn量在8%以下時(shí)，因氣蝕而減少的重量就急驟增加;而當(dāng)含Mn量增加到12%以上時(shí)，耐氣蝕性能也降低。由此可知，為了獲得良好的耐氣蝕性能，含Mn量必需在8～12%的范圍內(nèi)，尤其以11%為好。
下面，探討本發(fā)明的不銹鋼能提高耐氣蝕性能的原因。
圖6表示了經(jīng)氣蝕試驗(yàn)后，從侵蝕面開(kāi)始的侵蝕深度與材料硬度的關(guān)系。
用作比較的1號(hào)材料在氣蝕后，在侵蝕部分附近未發(fā)現(xiàn)因加工硬化而使硬度提高。在本發(fā)明的11號(hào)和19號(hào)鋼材中，由于加入了W，母材的硬度和侵蝕部分表面上的硬度都有提高，而它的侵蝕部分表面層的硬度比用作比較的2號(hào)和4號(hào)材料的更高。從以上事實(shí)可知，母材的硬度可提高耐氣蝕性能;而由于水流的沖擊力使材料受到加工硬化，從而使奧氏相轉(zhuǎn)變成馬氏相;而通過(guò)加入W并形成Wc，使母材中含C量減少，促使奧氏體變得不穩(wěn)定，因而增加了加工硬化。
圖7是本發(fā)明的12號(hào)和13號(hào)鋼材經(jīng)過(guò)噴丸硬化處理后的和未經(jīng)噴丸硬化處理的耐氣蝕性能試驗(yàn)結(jié)果比較。經(jīng)過(guò)噴丸硬化的不銹鋼表面用1200＃金剛石砂紙打磨，磨去厚度0.05毫米，使得因噴丸硬化而產(chǎn)生凹凸不平的表面變得和未經(jīng)噴丸硬化的表面一樣地具有光潔的表面，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，噴丸硬化處理的加工條件是φ2毫米的細(xì)材，壓縮空氣壓力5～6千克/厘米3，噴丸時(shí)間為1分鐘/厘米2。由圖7可知，經(jīng)過(guò)噴丸硬化處理的材料的耐氣蝕性能比未經(jīng)噴丸硬化處理的更高。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)噴丸硬化處理的材料表面產(chǎn)生了加工硬化，在材料較深的內(nèi)部形成了殘余壓縮應(yīng)力的緣故。噴丸硬化處理可使表面硬度提高到550～650的范圍，而使表面上具有殘余壓縮應(yīng)力，也能有效地提高耐氣蝕性能。
圖8表示用作比較的1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)材料和本發(fā)明的8號(hào)～11號(hào)和19號(hào)材料的泥砂磨損試驗(yàn)的結(jié)果。和圖4的氣蝕試驗(yàn)結(jié)果一樣，本發(fā)明的鋼材的耐泥砂磨損性能比用作比較的材料優(yōu)越。
綜上所述，本發(fā)明的制造水輪機(jī)和水輪機(jī)動(dòng)葉片的材料，之所以顯示出優(yōu)良的耐氣蝕性能和耐泥砂磨損性能，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，強(qiáng)化了母材的奧氏體組織。
由于本發(fā)明的材料能減輕氣蝕和泥砂的磨損，以及這兩種作用的復(fù)合損傷，從而使機(jī)器效率的降低得到減輕，并具有延長(zhǎng)機(jī)器壽命的效果。
權(quán)利要求
1.一種水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是在含有泥砂的河流水流中使用的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片中，受到氣蝕和泥砂磨損以及這兩種作用的復(fù)合損傷的水流接觸的部件是用加工硬化性能高的不銹鋼制造的，這種不銹鋼主要是奧氏體組織，其原材料的維氏硬度在230以上，而由于水流和泥砂的沖擊，其可達(dá)維氏硬度400以上。
2.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是不銹鋼的組成分按重量百分比為C0.07～0.2%，Si2%以下，Mn7～15%，Ni1～7%，Cr10～25%，W0.1～3%，其余為Fe和伴生的不可避免的雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求2所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是不銹鋼的組成分中按重量百分比還含有Mo0.2～3%，N0.05～0.2%，其余為Fe和伴生的不可避免的雜質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是不銹鋼的組成分中，Cr的當(dāng)量含量為14～24(Cr當(dāng)量的計(jì)算式Cr%+Mo%+1.5×Si%)，Ni的當(dāng)量含量為13～23(Ni當(dāng)量的計(jì)算式Ni%+30%C+30%N+0.5×Mn%)。
5.如權(quán)利要求4所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是上述不銹鋼中的Ni當(dāng)量含量比表示奧氏體區(qū)域下限的直線(xiàn)至少高出1～10。
6.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是不銹鋼是厚度為2毫米以下的軋制鋼板。
7.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是上述的不銹鋼表面至少用噴丸硬化處理，使其產(chǎn)生加工硬化，并在表面上形成殘余壓縮應(yīng)力。
8.如權(quán)利要求7所述的水輪機(jī)、特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是為了把經(jīng)過(guò)噴丸硬化處理后的表面磨平，用壓緊力較大的砂紙把表面至少整修成光潔度在5微米以下。
9.如權(quán)利要求8所述的水輪機(jī)，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是經(jīng)過(guò)噴丸硬化處理后的表面層的維氏硬度，在表面層的0.05毫米以下處，至少是400以上。
10.如權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)，特別是水輪機(jī)的動(dòng)葉片，其特征是它是用銀焊或熔焊把上述的不銹鋼焊在至少與水流或含泥砂的水流沖擊的區(qū)域上構(gòu)成的。
11.一種水力機(jī)械，其特征是在含有泥砂的河流水域里使用的水力機(jī)械中，受氣蝕和泥砂磨損以及受到這兩種作用復(fù)合損傷的與水流接觸部分是由上述的任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的不銹鋼制造的，這種不銹鋼具有奧氏體組織，其母材的維氏硬度在230以上，并且通過(guò)水流和泥砂的沖擊，能使維氏硬度達(dá)到400以上。
全文摘要
一種在含泥沙較多的河流水域中使用的水輪機(jī)為改善其耐氣蝕以及耐由泥沙的機(jī)械作用所產(chǎn)生磨損的性能，用不銹鋼制造水輪機(jī)中與水流接觸的部件，特別是動(dòng)葉片的受到侵蝕的部分，這種不銹鋼的組成分按重量百分比為C0.07％至2％ S2％以下Mn7％至15％ N1％至7％Cr10％至25％ W0.1％至3％其余為Fe和不可避免的伴生雜質(zhì)。
文檔編號(hào)F03B3/12GK1042589SQ8910719
公開(kāi)日1990年5月30日 申請(qǐng)日期1989年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月20日
發(fā)明者宇佐美賢一, 佐藤晃二, 高安博, 高田道廣 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所