專利名稱：：水力機械用通水零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及水力機械用通水零件，具體來說，涉及水力機械，如水電站用水輪機，水泵等使用的通水零件，本發(fā)明的通水零件改善了耐泥沙磨損和耐氣蝕能力。在水力機械中使用的通水零件會到氣蝕而損壞，氣蝕是由于水流中的氣穴崩潰產(chǎn)生的沖擊壓力造成的，這取決于零件的幾何形狀和水流速度。因此，已研究出具有良好耐氣蝕性能的不銹鋼基焊接合金做為水力機械通水零件的適用材料。日本專利申請57-152447和57-15689號(已公開)中公開了這種合金的成分。這些合金用于所述零件的襯墊和堆焊。也曾有人試圖使用橡膠類材料，如尼龍，氯丁橡膠，聚氨酯或者天然橡膠涂覆通水零件以防止氣蝕(R.S.SandersonIn.Tech.，30，55(1983))。氣蝕是與液流中由于局部流速升高因而液流靜壓下降而形成氣穴有關(guān)的現(xiàn)象。這樣形成的氣穴隨液流在很短的時間內(nèi)輸送到高壓區(qū)并在瞬間崩潰，產(chǎn)生很大的沖擊壓力，造成對材料的損傷。這種氣穴的損害作用就叫做氣蝕。當(dāng)流速為35-120米/秒時，氣穴崩潰產(chǎn)生的沖擊壓力高達(dá)514-1，745大氣壓。為了防止這種氣蝕，建議采用強度足以耐受這種沖擊壓力的材料，或者能夠吸收這種沖擊壓力的材料。不銹鋼基焊接合金是上述高強度類材料，而橡膠類涂覆材料是上述能吸收沖擊壓力類材料。而且，所述堆焊材料在成分上有所調(diào)整以便利用沖擊壓力使通水零件的表面可被冷作硬化。另一方面，當(dāng)水流中泥沙含量高時，所述零件要承受泥沙磨損。也就是說，所述零件要受到堅硬泥沙成分，如Al2O3和SiO2的磨損。這種現(xiàn)象叫做因液體中固體顆粒的磨損作用而造成的泥砂磨損。一般來說，只要制造所述零件的材料的硬度高于液體中所含的泥沙成分，就可以防止這種泥砂磨損。如果液流中泥砂含量高又發(fā)生氣蝕，那么上述泥砂磨損就會加劇。在大型水力機械，如水輪機中，傳統(tǒng)的覆蓋材料雖有良好的耐氣蝕能力，卻不能提供令人滿意的耐泥砂磨損的能力。而且，對于長期使用來說，這些大型水力機械需要做定期的高溫修理焊接，并且產(chǎn)生在現(xiàn)場工作中需要長時停機維修的問題。本發(fā)明的目的是排除上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，為水力機械提供通水零件，這種通水零件在耐泥砂磨損和耐氣蝕方面都有改善，能夠有利于現(xiàn)場工作，減少維護(hù)保養(yǎng)工作。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明人首先研究了覆蓋用的高硬度焊接金屬材料以便改善耐泥砂磨損的能力，但是沒有獲得滿意的結(jié)果。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)過度地增加硬度會使材料脆化，甚至產(chǎn)生破裂，因此這種方法存在局限。然后，本發(fā)明人把研究工作轉(zhuǎn)向以硬度高于金屬而聞名的陶瓷材料，對硅和鋁基陶瓷模制件的耐泥砂磨損試驗的結(jié)果表明，它們幾乎不會受到損害，其原因被認(rèn)為是水中攜帶的沖擊陶瓷模制件的泥砂的硬度等于或小于陶瓷，因而不會受到泥砂的磨損作用。但是，都難于把這種陶瓷應(yīng)用于具有曲率的通水零件并進(jìn)行長期使用，所以陶瓷材料在本申請的通水零件方面也存在局限。在對其它有效方法的大量研究工作中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，用一種涂料覆蓋通水零件是實現(xiàn)本發(fā)明目的的有效方法，這種涂料是以高濃度摻入如二氧化硅或氧化鋁粉末等無機粉末的環(huán)氧樹脂混合物。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在通水零件上涂以上述環(huán)氧樹脂混合物并在特殊條件下進(jìn)行固化，所得到的涂層的硬度接近于陶瓷，可免受泥砂的磨損作用，這或許是由于無機粉末在其表面上的連續(xù)分布所致，因此，這種涂層的耐泥砂磨損的能力超過了金屬。但是，對上述涂層耐氣蝕能力的調(diào)查表明，與期望相反，上述涂層耐氣蝕能力大大地低于金屬。這是由于無機粉末與環(huán)氧樹脂間粘結(jié)力弱，氣穴崩潰產(chǎn)生的沖擊壓力使無機粉末剝落而造成的結(jié)果。上述研究結(jié)果啟示，必須增加無機粉末和環(huán)氧樹脂之間的粘結(jié)強度，使上述混合物具有粘彈性，因此，本發(fā)明人曾嘗試在上述混合物中摻入在分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠，做為混合物的第三種成分。摻入這種液態(tài)橡膠有助于減少氣蝕。以這種新發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的進(jìn)一步研究即做出了本發(fā)明。按照本發(fā)明的水力機械用的通水零件的特征在于這種零件的表面涂有摻入無機粉末和分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠的環(huán)氧樹脂。上述水力機械用的通水零件包括水電站水輪機中的導(dǎo)向葉片和固定導(dǎo)葉，水泵用的葉輪等。人們認(rèn)為上述環(huán)氧樹脂與在分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠(這里使用具有羰基的液態(tài)橡膠做說明)的反應(yīng)機理可用下式說明在固化劑(這里使用吡啶)的作用下，環(huán)氧樹脂分子之間引起反應(yīng)時，CTBN的羰基進(jìn)行酯化反應(yīng)，產(chǎn)生具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠凝狀的產(chǎn)物。在上述反應(yīng)過程中，在含有CTBN的物系中的環(huán)境溶度降低，并以顆粒狀物質(zhì)沉淀出來。對該反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行顯微觀察可以看到所謂海島結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，橡膠顆粒在環(huán)氧樹脂的海水中象海島一樣地存在。因此，不象在混合物中那樣，固體橡膠只是被機械地結(jié)合，這里環(huán)氧樹脂與橡膠顆粒之間的連接具有化學(xué)牢固性。當(dāng)只由環(huán)氧樹脂組成的顆粒承受拉力試驗時，在顆粒中會發(fā)生剪切變形引起破碎，但是在環(huán)氧樹脂中以海島的形式存在橡膠顆粒時，在橡膠顆粒的周圍形成空隙以及許多三維小裂隙，這種空隙和裂隙可以吸收能量以形成極大的破壞能量(L。T.ManzioneJ.Appl。Polym.Sci.，26，907(1981))。表1中顯示分子鏈具有羰基的液態(tài)橡膠的加入量和抗拉強度，拉斷能量及熱變形溫度之間的關(guān)系。表1混合及固化環(huán)氧樹脂EPON828(100份)和啶(5份)與液態(tài)橡膠混合，把混合物在120℃的溫度下固化16小時。＊表中值根據(jù)中央開槽的試件垂直撕裂時的強度和裂縫寬度計算。從表1可見，液態(tài)橡膠摻入量的增加相應(yīng)地使抗拉強度減小，使伸長率增加，但是最明顯的還是使破壞能量過度增加。從表1中還可注意到，當(dāng)液態(tài)橡膠摻入量為15份(重量比)時，提供了最大的破壞能量。事實上，在一般情況下，液態(tài)橡膠摻入量為大約15份，但是據(jù)說如果忽略硬度和熱變形溫度，液態(tài)橡膠摻入量可達(dá)200份。在本發(fā)明中，在混合物中進(jìn)一步混入無機粉末，如二氧化硅或氧化鋁粉末，這樣液態(tài)橡膠所起的作用就更加復(fù)雜了。雖然只是一種推斷，人們認(rèn)為，液態(tài)橡膠被吸收在環(huán)氧樹脂和無機粉末之間的界面上，液態(tài)橡膠在界面上的這種吸收使環(huán)氧樹脂和無機粉末之間的粘結(jié)力增強。在日本專利申請公開號62-72922和62-72923中公開了橡膠或聚氨基甲酸乙酯(polyurethane)和陶瓷的復(fù)合材料，這種防磨材料可以代替泥泵中使用的高鉻鑄鐵或鎳-鉻鑄鐵，這種泥泵用于抽取海水或淡水中的硬質(zhì)砂或砂礫等。這兩項專利中的公開內(nèi)容與本發(fā)明屬于相似的構(gòu)思，但是其中公開的復(fù)合材料只是固態(tài)橡膠和陶瓷粉末的混合物，其特征是其中存在高比重的金屬碳化物，如W，C和NbC，或者使用了低密度的多孔陶瓷，因此，這些公開內(nèi)容與本發(fā)明有著基本上的不同。日本專利申請公開號62-37293中公開了旋槳泵用鋁合金旋槳表面的涂層，用聚酰胺樹脂增強抗氣蝕能力，但是，這種涂層既不含無機粉末，也不含液態(tài)橡膠。表2所示為市售的防止泥砂磨損和氣蝕的涂料。這些涂料的性能下面將作介紹，這些涂料在成分上與本發(fā)明涂料不同，在抗泥砂磨損和抗氣蝕方面效果均不能令人滿意。表2</tables>本發(fā)明中使用的環(huán)氧樹脂最好選用雙酚類或酚醛清漆類環(huán)氧樹脂，它們都可在市場上買到，例如Shell化學(xué)公司生產(chǎn)的Epicoat828和Dow化學(xué)公司生產(chǎn)的DEN483。本發(fā)明中使用的無機粉末最好是顆粒形狀為結(jié)晶狀的或球形的二氧化硅或氧化鋁粉末。例如可以使用MC-Y40(Tatsumori&Co有限公司生產(chǎn)的平均粒度為8μm的熔融二氧化硅)和T-61(Alcoa公司生產(chǎn)的平均粒度為10μm的氧化鋁粉末)。本發(fā)明中使用的液態(tài)橡膠是分子鏈具有羧基或氨基的改性聚丁二烯橡膠或者帶有環(huán)氧基的改性硅橡膠，這些液態(tài)橡膠的商品有UbeK.K公司生產(chǎn)的HycarCTBN1300X13和ATBN1300X16以及Shin-etsuKagaku公司的X-22-166C。CTBN是分子鏈端具有羧基的聚丁二烯-丙烯腈液態(tài)橡膠的縮寫，ATBN是分子鏈端具有氨基的聚丁二烯-丙烯腈液態(tài)橡膠的縮寫。在本發(fā)明中，摻入液態(tài)橡膠時的比例最好是液態(tài)橡膠重量占200至400份，環(huán)氧樹脂重量占100份。當(dāng)液態(tài)橡膠摻入量低于20份重量時，就不會取得滿意的耐氣蝕的能力，而當(dāng)超過400份重量時，涂層就會過軟，如圖1所示，當(dāng)基材承受剪切時就會降低抗拉附著強度。無機粉末的混合比，以環(huán)氧樹脂和液態(tài)橡膠的混合物為基礎(chǔ)計算，最好不要多于60%(重量比)。當(dāng)無機粉末的摻入量超過60%(重量比)時，混合物就變粘，難于涂覆在通水零件上。在本發(fā)明中，關(guān)鍵在于摻入使混合物固化的固化劑和固化加速劑。而且，為了防止涂覆時混合物的流滴以提供觸變性質(zhì)，進(jìn)一步改善涂料的實用性，可以摻入一種偶合劑和/或細(xì)二氧化硅顆粒。通水零件賢坎愕暮穸茸詈貌懷mm。為了獲得對通水零件良好的附著性，作為一種預(yù)處理，零件表面可進(jìn)行噴砂處理，以取得固著涂層的效果。本發(fā)明的水力機械通水零件表面涂有摻入分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠以及混入無機粉末的環(huán)氧樹脂，因此這種通水零件具有很高的抗泥砂磨損能力，這是由于混合物中混入上述無機粉末的原因，同時也改善了抗氣蝕能力，這是因為摻入了上述液態(tài)橡膠的原因，因此，可以很好地實現(xiàn)本發(fā)明的目的。下面結(jié)合實例描述本發(fā)明。表3是實例1至16以及對照例1至4的混合配方。環(huán)氧樹脂(Epicoat828和EDN438)用做基劑，每種基劑中摻入預(yù)定量的液態(tài)橡膠(CTBN1300X13，ATBN1300X16或者X22-166C)，無機粉末(EMC-Y46或T-61)，固化劑雙氰胺dicyandiamide(WakoJunyakuK.K.公司生產(chǎn)的試劑)，固化加速劑咪唑的一種衍生物(Shikoku化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn)的2P4MHZ)以及一種偶合劑(NipponUnico有限公司生產(chǎn)的A-187)。每種摻和物都用真空混合器混合2小時以制備涂料。每種這樣制備的涂料涂在20×30×3mmSUS304試件的表面，或者涂在直徑30mm，厚6mm的圓形SUS304試件的表面，涂層厚度約2mm，然后在120℃溫度下固化2小時。在測定固化了的涂層的硬度之后，再進(jìn)行泥砂磨損試驗和氣蝕試驗。使用的試件表面事先都經(jīng)過噴砂處理，使表面的糙度為大約10μm。彈性系數(shù)根據(jù)20×20×20mm的模制件壓縮時得到的負(fù)荷-撓度曲線測定。泥砂磨損試驗是應(yīng)用一種含水泥砂噴嘴系統(tǒng)進(jìn)行的。使用平均粒度為8μm的Al2O3粉末做為模擬泥砂。把上述Al2O3粉末按每升水30克的比率與水混合，從1mm直徑的噴咀，在20m/s的流速下，以45°傾角噴向試件，然后測定一小時后的磨損量。氣蝕試驗是應(yīng)用一種磁致伸縮振蕩式試驗機進(jìn)行的。把一圓形試件固定在振蕩臂的端部，在共振頻率為6.5KHz，試件端部最大振幅為50μm的條件下進(jìn)行試驗。侵蝕量是在試驗一小時后測定的。表3中也顯示了以上述方法測定的每個涂層的硬度，泥砂磨損量和氣蝕量。對照例的配方中包括環(huán)氧樹脂，或者是環(huán)氧樹脂與無機粉末的混合物?？梢钥闯觯捕群湍湍嗌澳p能力隨著無機粉末摻入量的增加而增加。對照例4的涂層表現(xiàn)了比通水零件常用的SUS304更好的耐磨損能力，在這個對照例中，在相同條件下測出的泥砂磨損量大約為4×10-3cm3，但是，在環(huán)氧樹脂中摻入無機粉末，在抗氣蝕方面卻收效甚微。另一方面，使用本發(fā)明的含有在分子鏈端具有可與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠的混合物而形成的涂層，由于粘彈性而緩沖了含泥砂水流的沖擊壓力以及水流中氣穴產(chǎn)生的沖擊壓力，因此有效地減少了泥砂磨損和氣蝕。表4顯示出對市售耐磨損涂料(本說明書用作對照例)所進(jìn)行的試驗中測出的泥砂磨損量和氣蝕量。其中某些市售的涂料，特別是大量摻入氧化鋁粉末的涂料，表現(xiàn)出相當(dāng)好的耐泥砂磨損的能力，但是這些涂料的氣蝕量無一例外地高于本發(fā)明的涂料。圖1的曲線圖表明使用含100份環(huán)氧樹脂和60份無機粉末的涂料時，在承受剪切條件下，液態(tài)橡膠摻入量和抗拉附著強度之間的關(guān)系。圖2的曲線圖表明使用含有液態(tài)橡膠作為除環(huán)氧樹脂和無機粉末外的第三種成分的涂料時，液態(tài)橡膠摻入量和泥砂磨損量之間的關(guān)系。圖3表明當(dāng)使用上述含液態(tài)橡膠涂料時，液態(tài)橡膠摻入量和氣蝕量之間的關(guān)系。圖4表明硬度/彈性模量和氣蝕量之間的關(guān)系。圖5是應(yīng)用了本發(fā)明的水電站用水輪機的截面圖。以實例1-5和7-11的結(jié)果為基礎(chǔ)測定，液態(tài)橡膠摻入量和泥砂磨損量之間的關(guān)系以及液態(tài)橡膠摻入量和氣蝕量之間的關(guān)系分別表示于圖2和圖3。在曲線圖中，1代表無機粉末含量為零時測定的結(jié)果;2代表無機粉末含量為20%(重量比)時測定的結(jié)果;3代表無機粉末含量為40%(重量比)時測定的結(jié)果;4代表無機粉末含量為60%(重量比)時測定的結(jié)果。這些結(jié)果證實摻入液態(tài)橡膠對減輕泥砂磨損和氣蝕，尤其對減輕氣蝕有很高的有效性。雖然這些具有良好耐氣蝕能力的涂料的物理性質(zhì)難于明確表示，但是當(dāng)參照實例1-11和對照例1-4考察硬度/彈性模量和氣蝕量之間的關(guān)系時可以注意到，其間存在如圖4所示的關(guān)系。在圖4的曲線圖中，圓圈(○)代表實例，三角(△)代表對照例，其中的數(shù)字代表實例號或?qū)φ绽?。?說明，對于硬度和彈性模量來說，為了防止氣蝕最好使用硬的和有彈性的涂層;表4說明，硬度/彈性模量的比值越高就越有利于防止氣蝕。圖5是應(yīng)用本發(fā)明的水電站用水輪機的截面圖，組成水輪機的通水零件有輪周5，輪蓋6，轉(zhuǎn)動葉片7，轉(zhuǎn)動錐8，導(dǎo)向葉片9，靜止葉片10，轉(zhuǎn)動襯11和襯片12。流過靜止葉片10的水流沿著導(dǎo)向葉片9流向轉(zhuǎn)動葉片7，使其轉(zhuǎn)動，然后再向下游流動。這些通水零件由普通金屬鑄件制成，在這些通水零件要求耐氣蝕能力的表面上進(jìn)行堆焊。在圖5所示的每個通水零件在其表面上都可用本發(fā)明的涂料涂覆并使其固化，以獲得優(yōu)良的耐泥砂磨損和耐氣蝕的能力。在實驗中，應(yīng)用實例8涂料的零件磨損極小，實例1涂層只受輕微磨損，而不用本發(fā)明環(huán)氧樹脂配方的涂料涂覆的葉片表面則受到過度磨損。在水力機械的通水零件的表面涂以摻有在分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的環(huán)氧樹脂混合物并將涂層硬化可以使通水零件具有優(yōu)良的耐泥砂磨損和耐氣蝕的能力并改善其現(xiàn)場工作性能。由于這種保護(hù)涂層，可以使水力機械的通水零件工作效率的下降減至最小并提高其使用壽命。權(quán)利要求1.一種水力機械用通水零件，其特征在于該零件的表面涂以摻有在分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠和一種無機粉末的環(huán)氧樹脂。2.按照權(quán)利要求1所述的水力機械用通水零件，其特征在于所述液態(tài)橡膠是分子鏈端具有羧基或氨基的聚丁二烯橡膠或者是分子鏈端具有環(huán)氧基的硅橡膠，并且按重量計算，上述液態(tài)橡膠占20至400份，環(huán)氧樹脂占100份。3.按照權(quán)利要求1所述的水力機械用通水零件，其特征在于所述無機粉末是結(jié)晶態(tài)或球形二氧化硅或氧化鋁，并且按重量計算，上述無機粉末占環(huán)氧樹脂和分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠的混合物的60%或60%以下。4.按照權(quán)利要求1所述的水力機械用通水零件，其特征在于該零件是水電站用水輪機的通水零件。全文摘要本發(fā)明提供了水力機械，如水電站用水輪機，水泵等中使用的通水零件，這些零件表面涂以摻有在分子鏈端具有能與環(huán)氧樹脂反應(yīng)的基的液態(tài)橡膠和無機粉末的環(huán)氧樹脂。本發(fā)明零件表現(xiàn)了優(yōu)良的耐泥砂磨損和耐氣蝕能力。文檔編號H01L21/3205GK1032220SQ88106740公開日1989年4月5日申請日期1988年9月17日優(yōu)先權(quán)日1987年9月18日發(fā)明者本間吉治,小松崎茂樹,小山徹,佐藤晃二,菊地啟造申請人:株式會社日立制作所