新型CrMnNiN奥氏体不锈钢的抗空穴腐蚀及磨损性能
水轮机转轮和叶片的主要破坏形式是空穴腐蚀和泥沙磨损，它严重影响水电厂水轮机的使用寿命和运行可靠性。为了尽量减轻它的危害，研究人员一直致力于开发更高性能的材料。高锰钢因具有较高的加工硬化率和高韧性，在变形过程中能吸收较高的能量而利用变形较多地吸收空穴腐蚀和泥沙磨损过程中引起破坏的能量，正是减轻破坏的重要途径。
1 实验材料和方法
实验所用的新型CrMnNiN奥氏体高锰不锈钢（JA2）化学成分见表1。由常压感应炉冶炼，空气锤锻造，经1050℃固溶处理。其对比材料为0Cr13Ni5Mo。空穴腐蚀试验在转盘式空穴腐蚀试验机上进行，试验条件如表2所示。抗泥沙磨损试验分别在回转式泥沙磨损试验机和喷射式磨损试验机上进行，试验用水为含砂10%的自来水。
2 实验结果
表1 CrMnNiN奥氏体不锈钢（JA2）化学成分/%
| C | Mn | Cr | Ni | Mo | Si | N |
| 0.23 | 13 | 17 | 1.9 | 1.5 | 1.0 | 0.33 |
表2 转盘空穴腐蚀试验条件
| 转速/r?min-1 | 线速度/m?s-1 | 水压/MPa | 温度/℃ | 时间/h |
| 3000 | 47.1 | 0.1 | 11-18 | 40 |
力学性能试验结果见表3。尽管JA2屈服强度较低，但加工硬化率高，故断裂强度并不低。
空穴腐蚀试验可得，0Cr13Ni5Mo试样表面有一定深度的大面积空蚀坑，而JA2试样只出现白亮的区域，有轻微的空穴腐蚀。失重法测得的两试样的失重比为7：1。
回转式含沙水磨损试验，JA2和0Cr13Ni5Mo失重分别为22.44mg和26.81mg，其失重比为1：1：19。在喷射式磨损实验中，随着水流速度的增加，JA2相对耐磨性增加（表4）。
表3 JA2和0Cr13Ni5Mo钢的力学性能
| 材料 | σb/MPa | σs/MPa | δ5/% | ak/J?cm-2 | 硬度（HB） |
| JA2 | 990 | 550 | 60 | 336 | 240 |
| 0Cr13Ni5Mo | 840 | 810 | 19 | >27 | 309 |
表4 喷射式磨损试验结果
| 组次 | 试验参数 | 0Cr13Ni5Mo | JA2 | |||
| V/m?s-1 | S/kg?m-3 | T/h | 失重/mg | 失重/mg | 失重比 | |
| 1 | 90.4 | 8.45 | 6 | 0.552 | 0.372 | 1.48 |
| 2 | 77.8 | 8.7 | 12 | 0.614 | 0.513 | 1.20 |
| 3 | 67.2 | 8.1 | 18 | 0.661 | 0.557 | 1.19 |
| 4 | 56.0 | 7.3 | 24 | 0.380 | 0.340 | 1.12 |
3 分析和讨论
JA2钢具有优良的抗空穴腐蚀和耐泥沙磨损性能。该钢的加工硬化率较高，同时具有较高塑韧性，变形时能消耗较多外部破坏能量，表面局部塑性变形区又不容易从基体脱落。将空蚀试样沿垂直于磨损面方向切开，切面抛光后用显微硬度仪测量离空穴腐蚀面不同距离处的显微硬度变化。
高锰钢奥氏体中C-Mn和C-Fe原子间键力远大于C-C、Fe-Fe和Fe-Mn原子间键力。固溶入奥氏体晶胞的碳原子与晶胞面上的6个铁原子牢固地连在一起，形成了坚硬的八面体，而置换了铁原子的锰原子与碳以更强的键力形成了-C-Mn-C-Mn-强键络，将这些坚硬的八面体进一步牢固地联系在一起，有效的阻滞滑移系启动和阻碍位错运动，从而导致高锰钢的高加工硬化率。高锰钢变形时需拆散若干强C-Mn键，并降低Fe-Mn-C原子团偏聚区的有序度，断裂时要破坏大量强C-Mn键，这需要吸收很多能量，宏观上表观为高韧度。为保证高锰钢JA2具有良好的抗空穴腐蚀和耐泥沙磨损性能，应严格控制该钢组织中非奥氏体相的含量。傅万堂等在研究新型CrMnN不锈钢的抗气蚀性能时发现，当奥氏体相比例较高时抗气蚀性能也较高。Yamamoto等研制的抗气蚀不锈钢（锰含量2%-20%）组织为奥氏体相或ε相,如果混有铁素体相,则抗空穴腐蚀能力会大大降低。
4 结论
（1）奥氏体高锰不锈钢JA2可获得比水轮机常用钢0Cr13Ni5Mo更高的抗空穴腐蚀和泥沙磨损性能。锰是JA2钢获得高性能的重要元素。
（2）为保证钢的抗磨蚀性能，该钢应为奥氏体组织并严格控制非奥氏体相含量。
