CN1044262C - 耐气蚀的流体转子及其制造方法 - Google Patents

耐气蚀的流体转子及其制造方法 Download PDF

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Abstract

用于要求优越的耐气蚀的应用场合中的流体转子。该转子具有用化学成份范围如下的可铸的亚稳定奥氏体钢合金制成的本体：
　　　　　C　　　Mn　 N　　 Si　　 Ni　　Cr
%最小　　0.08　　14.0　　　　 0.3　　　　　17.0
%最大　　0.12　　16.0　 0.45　 1.0 1.0 18.5
余量包括铁和杂质。该优选范围为17.5-18.5%铬、0.5-0.75%镍、0.45-0.55%硅、0.2-0.25%氮、15.5-16.0%锰及0.1-0.12%碳。定量试验显示出优于标准锅炉输送泵材料4-6倍的耐气蚀性能。还公开了制造耐气蚀的流体转子的方法。

Description

耐气蚀的流体转子及其制造方法
背景技术
本发明一般是涉及流体转子，尤其是涉及用可铸造的，耐气蚀(cavitation resistant)的奥氏体铬-锰合金钢制成的耐气蚀的流体转子。
泵的转子常受到某些原因的气蚀损伤，这些原因中包括在确立的水力学参数之外进行运行。这种损伤常常对设备的寿命构成一种限制性因素。由于难以接近，所以不可能通过焊接而修复这种损伤。由于对增强可靠性和更长的寿命方面不断强调，所以在制泵行业中出现对于比制造转子的标准材料具有好得多的耐气蚀的铸造合金的需求。对这类有商业生命力的材料的其它特征的要求还包括机加工性能和焊接性能。
对于高速的应用而言，则还需要相当高的抗拉和屈服强度及延伸率。通常采用的奥氏体不锈钢，如CF8M的机械性能为：抗拉强度482N/cm2及屈服强度最小为208N/cm2。这些低的机械性能使得这类材料不适用于高速转子。
现有技术中已用于泵中的耐气蚀的材料是以Hydroloy(注册的商标)为人所知的用钴改进的奥氏体不锈钢。在U.S.4,588,440中描述过Hydroloy，该专利的发明名称是“高抗气蚀的含钴奥氏体不锈钢(CoContaining Austenitic Stainless Steel With High Cavitation ErosionResistance)”。Hydroloy的缺点之一是对热冲击的敏感性。对某些应用领域，特别是核工业，钴的存在也是不适宜的。
以上说明了已知的，存在于现有技术的耐气蚀合金钢中的局限性。因此，很明显，提供一种旨在克服上述的一个或多个局限性的替代方案则是有益的。因而，提供了一种适宜的替代方案，这包括下文中将更充分公开的特性。
发明简述
本发明的一个方面是通过提供一种可用于要求高度耐气蚀能力的应用中的流体转子来完成的，该转子具有用含下列范围的化学成份的可铸造的亚稳定奥氏体钢合金制成的转子体：
           C     Mn    N    Si    Ni     Cr
％最小    0.08  14.0        0.3         17.0
％最大    0.12  16.0  0.45  1.0   1.0   18.5余量包括铁和杂质。
本发明还提供一种制造具有高度耐气蚀的流体转子的方法，它包括以下步骤：
从具有以下化学成份的合金中选择可铸造的亚稳定奥氏体钢合金：
            C    Mn    N     Si     Ni     Cr
％最小    0.08  14.0         0.3          17.0
％最多    0.12  16.0  0.45   1.0   1.0    18.5余量包含铁和杂质；
用所述的可铸造的亚稳定奥氏体钢合金制造，最好是铸造所述的流体转子；及
通过1050-1100℃的，每英寸(25.4mm)厚度1小时的固溶处理，接着进行淬火，最好是水淬，将所述流体转子进行热处理。
当结合附图考察时，从本发明的下述详述中将会更加明了本发明的上述和其它的方面。
附图简要说明
图1是展示用于本发明的该合金(称之为XM31)以及另两种常规的不锈钢铸造合金的实施方案的气蚀损伤和时间的关系的曲线图；
图2是展示气蚀损伤和锰含量间关系的曲线图。
发明详述
用于本发明的和下文将描述的该合金的实施方案已证明其耐气蚀能力比现有的标准的转子材料好数倍。这种新的合金还满足大部分的所期望的要求，这包括可铸性、焊接性、机加工性和低的成本。
这种钢属于一类所谓亚稳定奥氏体钢。亚稳定奥氏体钢的不锈钢品级和非不锈钢品级均已生产出来了。亚稳定合金中的奥氏体或通过冷却，或作为变型的结果自发地转变成马氏体。这种合金按照从该固溶退火温度开始的水淬则具有奥氏体组织，但受到冲击负荷时将转变为马氏体。在这类材料中发生的此转变伴随着硬度的提高，并一直在用于耐磨和耐腐蚀钢的应用领域进行商业开发。Hadfield锰钢(一种非不锈钢型的高锰钢)是这类钢中的最好的代表。
亚稳定合金可易于被诱发转变成马氏体是与所谓堆垛层错能(stacking fault energy)的特性相关的。可将化学成份调整到产生有低的堆垛层错能的合金，这种低的堆垛层错能将是易于形成与马氏体相形成相关的，细的，气蚀诱发的孪晶的。这种挛晶是吸收该相关的气穴冲击能的有效手段。低堆垛层错能和高的抗气蚀的能力的相关关系首先是由D.A.Woodward在其题为“合金中气蚀诱导相转变(Cavitation-Erosion-Induced Phase Transformation in Alloys)”的著作(in Metallurgical Trans-actions,Volume,3,May 1972)中指明的。
在这类材料中，已知元素镍是促进稳定的奥氏体组织的，而锰和氮则趋于促进奥氏体向马氏体的转变。但，氮在凝固过程中有引起气泡的倾向。
一种由United States Steel生产的，称为Tenelon的合金具有以下的成份：
           C     Mn    N     Si    Ni    Cr
％最小    0.08  14.5  0.35  0.30        17.0
％最大    0.12  16.0        1.0   0.75  18.5
Tenelon钢是一种锻钢，而不是先前以铸态生产的钢。开发铸态的Tenelon的实验性成果由于过高的气孔率而尚未被接受。
大多数用于本发明的耐气蚀的合金(通常标为“XM-31”)含有17.5-18.5％的铬、0.5-0.75％的镍、0.45-0.55％的硅、0.2-0.25％的氮、15.5-16.0％的锰及0.1-0.12％的碳，余量为铁和杂质。可取的是，磷和硫小于0.02％。该合金铸造后，一般对该制品作1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小时的热处理，然后作水淬。
这种新型合金的化学成份通常的优选范围是：
          C     Mn    N    Si   Ni    Cr
％最小   0.08  15.0  0.10  0.4       17.0
％最大   0.12  16.0  0.30  0.8  1.0  18.5更好是，该合金具有如下的关键元素的规定成份：
           C     Mn    N     Si   Ni     Cr
％最小    0.10  15.5  0.20  0.45  0.5   17.5
％最大    0.12  16.0  0.25  0.55  0.75  18.5我们确定：锰含量对耐气蚀是至关重要的。图2展示了锰含量与耐气蚀性之间的关系。较好地是，该锰含量为16％。
任何常规的制造方法都可采用，但当用这种新的合金铸造制品时，我们已确定：应将橄榄石砂[(MgFe)2SiO4]优先用于该铸模中。最好将该金属液保持于1500℃，以限制氧化。钢中的锰降低氮的溶解度。超过该溶解度极限的，在该高锰钢中过量的氮在该铸件凝固时会促进气泡和气体缺陷的产生。因此，应当就在铸造之前向熔体中加氮。
按ASTM G32-92对若干炉次(即试样)的该新合金取得了定量的实验室耐气蚀的测试数据。与气蚀始终是个难题的，锅炉输送泵和其它用途的转子应用领域中所用的工业标准的马氏体不锈钢CA6NM相比，其耐气蚀性能始终是优越的，约高6倍。该新材料的耐气蚀性能还比17-4PH和CA15Cu的该性能约高4倍，上述二材料是作为CA6NM的高级材料而用于制泵行业中的。这种新的合金将各种适用于高能泵的机械性能和远超过常规材料的抗气蚀能力综合在一起。
下面的表1和图1概括了本发明人进行的气蚀试验的结果。该表列出了在气蚀试验中某些合金的布氏硬度值(BHN)和穿透程度的平均深度(MDPR)的对比。试样XM31-2的成分为：碳0.11％、锰15.3％、硅0.49％、铬18.39％，而试样XM31-3的成份为：碳0.11％、锰15.7％、硅0.51％、铬17.17％。
                   表1
            气蚀试样结果汇总
材料                 BHN           MDPR
XM31-3               260          0.00089
CA15Cu铸件           388          0.00400
17-4PH(条件，H1150)  255          0.00469
CA6NM铸件(选矿机)    262          0.00651
CA6NM铸件            262          0.00740
CA15铸件             217          0.01110
该新合金的机械性能为：抗拉强度676-745N/mm2，屈服强度410-480N/mm2，延伸率43.2-53.7％。这些性能是在对5个不同的XM31试样的测试的基础上取得的。还已确定的是，此新的合金可用市售的填料金属焊接及采用用于制造泵的转子的标准技术机加工。
上述的所得到的合金提供了远优于常规不锈钢铸造合金的耐气蚀性能。它通过与气穴诱发的双挛晶的形成相关的变形硬化机理产生了这种高的耐气蚀性。这大大地延迟了疲劳裂纹的产生。
在上文中及所附的权利要求书中，在列成表格的数据中的空白表示未规定该合金元素的最小值，而且该元素可以缺少。所有的百分比均为重量％。

Claims (12)

1、一种适用于要求高度耐气蚀用途的流体转子，所述的转子包括：
用可铸造的亚稳定奥氏体钢合金制成的转子主体，该合金有如下范围的化学成分：
           C     Mn    N     Si    Ni      Cr
％最小    0.08  14.0        0.3           17.0
％最大    0.12  16.0  0.45  1.0    1.0    18.5余量包括铁和杂质。
2、权利要求1的转子，其中该主体是经受过热处理的主体，所述热处理包括1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小时的固溶退火和接着是水淬的热处理。
3、权利要求1或2的转子，其中该合金有如下范围的化学成份：
            C     Mn    N    Si     Ni    Cr
％最小     0.08  15.0  0.10  0.4          17.0
％最大     0.12  16.0  0.30  0.8   1.0    18.5余量包括铁和杂质。
4、权利要求3的转子，其中该合金有如下范围的化学成份：
           C     Mn    N     Si    Ni     Cr
％最小    0.10  15.5  0.20  0.45  0.5    17.5
％最大    0.12  16.0  0.25  0.55  0.75   18.5余量包括铁和杂质。
5、权利要求1或2的转子，其中该合金的锰含量为16％。
6、权利要求1或2的转子，其中该主体是通过用该合金铸造制成的主体。
7、制造有高度耐气蚀的流体转子的方法，它包括以下步骤：
从具有如下化学成份的合金中选择可铸造的亚稳定奥氏体钢合金：
           C    Mn    N      Si     Ni    Cr
％最小   0.08  14.0          0.3         17.0
％最大   0.12  16.0  0.45    1.0    1.0  18.5余量包括铁和杂质；
用所述的可铸造亚稳定奥氏体钢合金制造所述的流体转子；
1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小时的固溶处理及随后的淬火对所述流体转子进行热处理。
8、权利要求7的方法，其中该可铸造的亚稳定奥氏体钢合金有如下范围的化学成份：
          C       Mn     N     Si     Ni     Cr
％最小    0.08   15.0   0.10   0.4          17.0
％最大    0.12   16.0   0.30   0.8    1.0   18.5余量包括铁和杂质。
9、权利要求8的方法，其中该可铸造的亚稳定奥氏体钢合金有如下范围的化学成份：
           C     Mn    N     Si    Ni     Cr
％最小    0.10  15.5  0.20  0.45  0.5    17.5
％最大    0.12  16.0  0.25  0.55  0.75   18.5余量包括铁和杂质。
10、权利要求7-9中任一项的方法，其中该可铸造的亚稳定奥氏体钢合金的锰含量为16％。
11、权利要求7-9中任一项的方法，其中该流体转子在用橄榄石砂[(MgFe)2SiO4]制成的模中铸造。
12、权利要求7-9中任一项的方法，其中该流体转子用所述的可铸造的亚稳定奥氏体钢合金铸成；所述的合金在不大于1500℃的温度下熔炼。
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