CN104831034A - 一种闭式叶轮的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶轮的制造加工技术领域，公开了一种制造材料为FV520B的闭式叶轮之热处理方法。为了解决热处理后叶轮表面氧化，韧性和强度不理想的问题，本发明提出解决的技术方案是：热处理分三个阶段进行，并且每一阶段的降温工序均在氩气的保护下进行。有益效果是：叶轮表面不氧化，并且韧性和强度均达到理想的指标。

Description

一种闭式叶轮的热处理方法

技术领域

本发明涉及叶轮的制造加工技术领域，特别是涉及制造材料为FV520B的闭式叶轮之热处理方法。

背景技术

FV520B是一种低碳沉淀硬化马氏体不锈钢，它具有易加工、强度高、以及韧性好的优点，同时在耐腐蚀性能、焊接性能、冲击韧度和横向性能方面都表现突出。因此FV520B不锈钢被广泛应用于各种机械部件中，其中也包括叶轮。

叶轮作为透平机、压缩机和泵等机械的核心部件，被广泛应用于航天航空、石油化工、电力、船舶、以及尖端科技等领域；近年来，叶轮的应用领域有越来越广泛的趋势；闭式叶轮是叶轮的一个重要分支。

闭式叶轮在切屑加工后需要进行热处理；热处理工艺的优与劣，将对闭式叶轮的力学指标和性能参数产生重大影响。

热处理工艺对FV520B不锈钢的组织和性能起着决定性的作用；目前由该材料制造的叶轮，它所采用的热处理制度一般为淬火+时效的工艺方法。时效制度主要有两种，一种是在400-470℃进行低温时效，得到马氏体+弥散细小的强化相组织，获得较高强度。另一种为在580-650℃进行高温时效，室温下组织可以得到少数逆转变奥氏体，提高韧性和低温塑性。无论哪种方案，在淬火加热、保温以及后续的热处理过程中，都很容易使叶轮表面发生氧化，产生氧化皮而使零件表面变得粗糙，因此热处理后还需进行喷砂处理，这样就会影响叶轮表面和流道的质量以及尺寸。

对于采用FV520B不锈钢制造的闭式叶轮，人们希望有一种热处理工艺方法，既可以使闭式叶轮的表面避免发生氧化，又具有良好的韧性和强度。

发明内容

采用FV520B不锈钢制造的闭式叶轮，用现有技术进行热处理时存在的问题有：闭式叶轮的表面发生氧化，同时韧性和强度也不理想。为了解决前述热处理后表面氧化，韧性和强度不理想的问题，本发明提出了以下技术方案。

1.一种闭式叶轮的热处理方法，所述的叶轮采用FV520B不锈钢材料制造，包括以下步骤：

第一步骤，将闭式叶轮放入真空热处理炉内，闭合炉门；

第二步骤，对炉内抽真空；

第三步骤，将炉内温度加热升高至第一目标温度；所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第四步骤，温度到达第一目标温度后，进行保温，保温时长60m±15m；

第五步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第六步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第七步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第八步骤，闭合炉门；

第九步骤，对炉内抽真空；

第十步骤，将炉内温度加热升高至第二目标温度；所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十一步骤，温度到达第二目标温度后，保温120m±15m；

第十二步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第十三步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第十四步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第十五步骤，闭合炉门；

第十六步骤，对炉内抽真空；

第十七步骤，将炉内温度加热升高至第三目标温度；所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十八步骤，温度到达第三目标温度后，保温180m±15m；

第十九步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第二十步骤，使炉内的温度逐渐下降到特定常温；

第二十一步骤，打开炉门，将闭式叶轮从真空热处理炉中取出。

2.所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±20℃；

所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±20℃；

所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±20℃。

3.所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±10℃；

所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±10℃；

所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±10℃。

4.所述的第四步骤，其保温时长60m±10m；

所述的第十一步骤，其保温时长120m±10m；

所述的第十八步骤，其保温时长180m±10m。

5.所述的第四步骤，其保温时长60m±5m；

所述的第十一步骤，其保温时长120m±5m；

所述的第十八步骤，其保温时长180m±5m。

6.在所述的第六步骤、第十三步骤、以及第二十步骤中，所述的特定常温，其温度值范围为以下三者中的任意一者：

a.100℃±10℃；

b.90℃±10℃；

c.80℃±10℃。

7.在所述的第七步骤、以及第十四步骤中，所述的特定室温，其温度为以下三者中的任意一者：

a.≤60℃；

b.≤55℃；

c.≤50℃。

8.在所述的第六步骤、第十三步骤、以及第二十步骤中，所述的温度逐渐下降，其降温率为以下四者中的任意一者：

a.降温率≤100℃/H；

b.降温率≤90℃/H；

c.降温率≤80℃/H；

d.降温率≤70℃/H。

本发明的有益效果是：

FV520B不锈钢制造的闭式叶轮，采用本发明热处理方法后叶轮表面不氧化，并且韧性和强度均达到理想的指标。

附图说明

图1是本发明方法中的热处理温度曲线示意图。

图中标号说明：T是时间；temp是温度；I是固溶处理的保温时段；II是调整处理的保温时段；III是时效处理的保温时段。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

采用FV520B不锈钢制造的闭式叶轮，用现有技术进行热处理时存在的问题有：闭式叶轮的表面发生氧化，同时韧性和强度也不理想。使用本发明热处理方法，叶轮表面不氧化，并且韧性和强度均达到理想的指标。详细说明和解释如下。

一、一般金属材料在空气炉中加热，由于空气中存在氧气，水蒸气，二氧化碳等氧化性气体，这些气体与金属发生氧化作用、易使被加热的金属表面产生氧化膜或氧化皮，完全失去原有的金属光泽。为避免出现上述问题，特选择真空热处理炉作为热处理设备。真空热处理炉热效率高，可实现快速升温和降温，可实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂除气等作用，达到表面光亮净化的效果，提高了产品合格率和延长使用寿命，并降低成本；同时真空热处理工艺的稳定性和重复性好。

二、本发明的要点如下，主要有三个工作阶段。

第一阶段，对叶轮进行固溶处理。

将材料为FV520B的闭式叶轮放入真空热处理炉中，以≤100℃/H的速度加热至1050℃，该温度高于Ac3的温度，高出200度的高温，保温一小时，使之全部或部分奥氏体化，以达到提高材料的塑性和韧性。然后通入氩气，使叶轮在氩气的保护下向室温方向、降低温度。前述的Ac3，是热处理领域的常用技术术语，其意思是：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。

第二阶段，对叶轮进行调整处理。

以≤100℃/H的速度加热至850℃的高温，保温两小时，形成马氏体加逆变奥氏体的混合组织，降低叶轮中的碳含量，改善叶轮的塑性和韧性。然后通入氩气，使叶轮在氩气的保护下向室温方向、降低温度。

第三阶段，进行时效处理。

仍以≤100℃/H的速度加热至560℃的温度，保温三小时进行时效处理，消除或减小固溶处理后工件内的微观应力、机械加工残余应力；经过时效处理，可以防止变形及开裂，稳定组织、以及稳定零件形状及尺寸。然后通入氩气，使叶轮在氩气的保护下向室温方向、降低温度。

需要特别指出的是：在上述三个阶段中，叶轮在氩气的保护下向室温方向、降低温度，其降温速率有要求的，即速度不可太快，不能是淬火。

以上的情况，可以结合图1进行理解。图1是本发明方法中的热处理温度曲线示意图。图中标号说明：T是时间；temp是温度；I是固溶处理的保温时段；II是调整处理的保温时段；III是时效处理的保温时段。

三、本发明的总体技术方案描述如下。

本发明一种闭式叶轮的热处理方法，所述的叶轮采用FV520B不锈钢材料制造，其特别之处是：包括以下步骤：

第一步骤，将闭式叶轮放入真空热处理炉内，闭合炉门；

第二步骤，对炉内抽真空；

第三步骤，将炉内温度加热升高至第一目标温度；所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第四步骤，温度到达第一目标温度后，进行保温，保温时长60m±15m；

第五步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第六步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第七步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第八步骤，闭合炉门；

第九步骤，对炉内抽真空；

第十步骤，将炉内温度加热升高至第二目标温度；所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十一步骤，温度到达第二目标温度后，保温120m±15m；

第十二步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第十三步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第十四步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第十五步骤，闭合炉门；

第十六步骤，对炉内抽真空；

第十七步骤，将炉内温度加热升高至第三目标温度；所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十八步骤，温度到达第三目标温度后，保温180m±15m；

第十九步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第二十步骤，使炉内的温度逐渐下降到特定常温；

第二十一步骤，打开炉门，将闭式叶轮从真空热处理炉中取出。

四、对于上述的总体技术方案，现作相关的说明解释如下。

1.本发明文件中所述的温度，全部为摄氏温度值。

2.关于对炉内抽真空的问题。单纯从技术角度来讲，真空度当然越高、技术效果越好，但是从经济技术的综合效果考虑，真空度应该取合适的指标为好，比如，真空度可以定为一个合适的指标值，通常可以在1-100Pa之间取值，例如，取值10Pa，或者15Pa，等等。

3.在真空炉中进行热处理可避免工件表面被氧化，同时热应力小，变形小，还没有氢脆的危险。降温时，通过氩气保护，使热处理后的叶轮不需进行喷砂处理，减少工序，缩短生产周期。

4.第四步骤中的保温，保温时长60m±15m，即60分钟正负15分钟。

5.关于向炉内通入氩气的问题。施行本发明方法时，使用有氩气输出装置的真空热处理炉。比如：使用一根管道，其一头与真空热处理炉内部相通，其另一头与真空热处理炉外面的氩气输出装置连通。具体的氩气输出装置，例如：氩气瓶，氩气瓶内压缩存储了氩气，氩气瓶纯度≥99.99％。

在管道上、或在氩气输出装置上、或在其它地方，设有一个阀门。在真空热处理炉加热升温时，该阀门关闭。待加热完毕，并且在叶轮保温时间届满之际，打开阀门，将氩气通过管道送入真空炉内，使得叶轮周围被氩气所包围、所保护，然后开始降温。

6.关于“使炉内的温度逐渐下降至特定常温”的解释、说明。

炉内温度逐渐下降，到什么温度可以打开炉门了呢？其具体的温度，需要从时间效率、经济效率、作业环境、安全要求、以及各个工厂单位既有的工艺规范，综合加以考虑。

常温，也叫一般温度或者室温，通常定义为25℃。

虽然可以在炉内温度下降至25℃时打开，但从时间效率、经济效率、作业环境、安全要求等等综合考虑后，合理的技术安排应该是：在炉内温度下降至某一合适温度时打开，该合适温度是可以高于25℃的。比如炉内温度，降温至≤130℃、或降温至≤110℃、或降温至≤90℃、或降温至≤70℃时，打开炉门。另外，如果炉内的温度太高时就打开，也是不妥的，将对作业环境、工作安全带来问题。另外，25℃时打开炉门的技术效果，其他温度打开炉门的技术效果，两者要一致；如果其他温度打开炉门的技术效果变差了，则此温度不在合适温度范围内。

归纳以上的情况，我们将打开炉门的炉内合适温度命名为特定常温。

7.关于“打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温”的解释、说明。

上面我们讲到：常温，也叫一般温度或者室温，通常定义为25℃。

粗略地讲：打开炉门后，炉子停止全部的工作，炉内温度将与室温是逐步靠拢的。但是，仔细研究后会有以下两点情况。

第一点，如果炉外的温度是35℃，那么炉内温度将与35℃是逐步靠拢的；到了35℃后，不会进一步地向25℃靠拢。

第二点，即便炉外的温度是25℃，从时间效率、经济效率、作业环境、安全要求、以及各个工厂单位既有的工艺规范等等综合考虑，也不需要等到炉内温度为25℃后，才进行后续作业。

以炉外的温度是25℃为例进行说明。打开炉门之际，炉内温度为90℃；以后，炉内温度下降至：等于或低于60℃时就可以进行后续工作，不需要等到炉内温度为25℃后、才进行后续作业。

同样道理，选择炉内温度下降至：等于或低于55℃、或55℃时就可以进行后续工作，也是可以的。

上述60℃、55℃、50℃，均高于室温但离室温又不远，最主要的是，炉内温度处于这些温度值时，如果进行后续作业，已经对作业环境、安全保障均无妨碍，并且也不影响热处理的技术效果。所以我们将符合前述条件的这些温度值，命名为特定室温。

实施例一

使用真空热处理炉，该炉除了具有升温、降温、以及抽真空的功能外，还附有氩气输出装置。氩气输出装置具有输出管道和阀门。打开阀门，氩气输出装置通过输出管道向真空热处理炉内输送氩气；关闭阀门，停止输送氩气。

热处理对象为叶轮，它采用FV520B不锈钢材料制造。

开始以下的热处理工作：

第一步骤，将闭式叶轮放入真空热处理炉内，闭合炉门。

第二步骤，对炉内抽真空。

第三步骤，将炉内温度加热升高至1050℃，升温率≤100℃/H。

第四步骤，温度到达1050℃后，进行保温，保温时长60分钟。

第五步骤，保温60分钟时间届满之际，向炉内通入氩气。

第六步骤，使炉内的温度逐渐下降，当炉内温度等于或低于特定常温时，本步骤结束，进行以下的第七步骤。特定常温定为80℃。

第七步骤，打开炉门，炉内温度下降；当炉内温度等于或低于特定室温时，本步骤结束，进行以下的第八步骤。特定室温定为60℃。

第八步骤，闭合炉门。

第九步骤，对炉内抽真空，

第十步骤，将炉内温度加热升高至850℃，升温率≤100℃/H。

第十一步骤，温度到达850℃后，进行保温，保温时长120分钟。

第十二步骤，保温120分钟时间届满之际，向炉内通入氩气。

第十三步骤，使炉内的温度逐渐下降，当炉内温度等于或低于特定常温时，本步骤结束，进行以下的第十四步骤。特定常温定为80℃。

第十四步骤，打开炉门，炉内温度下降；当炉内温度等于或低于特定室温时，本步骤结束，进行以下的第十五步骤。特定室温定为60℃。

第十五步骤，闭合炉门。

第十六步骤，对炉内抽真空。

第十七步骤，将炉内温度加热升高至560℃，升温率≤100℃/H。

第十八步骤，温度到达560℃后，保温180分钟。

第十九步骤，保温时间180分钟届满之际，向炉内通入氩气。

第二十步骤，使炉内的温度逐渐下降到特定常温；特定常温定为80℃。

第二十一步骤，打开炉门，将闭式叶轮从真空热处理炉中取出。

Claims (8)

1.一种闭式叶轮的热处理方法，所述的叶轮采用FV520B不锈钢材料制造，其特征是：包括以下步骤：

第一步骤，将闭式叶轮放入真空热处理炉内，闭合炉门；

第二步骤，对炉内抽真空；

第三步骤，将炉内温度加热升高至第一目标温度；所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第四步骤，温度到达第一目标温度后，进行保温，保温时长60m±15m；

第五步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第六步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第七步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第八步骤，闭合炉门；

第九步骤，对炉内抽真空；

第十步骤，将炉内温度加热升高至第二目标温度；所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十一步骤，温度到达第二目标温度后，保温120m±15m；

第十二步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第十三步骤，使炉内的温度逐渐下降至特定常温；

第十四步骤，打开炉门，使炉内温度等于或低于特定室温；

第十五步骤，闭合炉门；

第十六步骤，对炉内抽真空；

第十七步骤，将炉内温度加热升高至第三目标温度；所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±30℃；所述的加热升高，其升温率≤100℃/H；

第十八步骤，温度到达第三目标温度后，保温180m±15m；

第十九步骤，保温时间届满后，向炉内通入氩气；

第二十步骤，使炉内的温度逐渐下降到特定常温；

第二十一步骤，打开炉门，将闭式叶轮从真空热处理炉中取出。

2.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±20℃；

所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±20℃；

所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±20℃。

3.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

所述的第一目标温度，其温度值范围为：1050℃±10℃；

所述的第二目标温度，其温度值范围为：850℃±10℃；

所述的第三目标温度，其温度值范围为：560℃±10℃。

4.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

所述的第四步骤，其保温时长60m±10m；

所述的第十一步骤，其保温时长120m±10m；

所述的第十八步骤，其保温时长180m±10m。

5.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

所述的第四步骤，其保温时长60m±5m；

所述的第十一步骤，其保温时长120m±5m；

所述的第十八步骤，其保温时长180m±5m。

6.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

在所述的第六步骤、第十三步骤、以及第二十步骤中，所述的特定常温，其温度值范围为以下三者中的任意一者：

a.100℃±10℃；

b.90℃±10℃；

c.80℃±10℃。

7.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

在所述的第七步骤、以及第十四步骤中，所述的特定室温，其温度为以下三者中的任意一者：

a.≤60℃；

b.≤55℃；

c.≤50℃。

8.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的热处理方法，其特征是：

在所述的第六步骤、第十三步骤、以及第二十步骤中，所述的温度逐渐下降，其降温率为以下四者中的任意一者：

a.降温率≤100℃/H；

b.降温率≤90℃/H；

c.降温率≤80℃/H；

d.降温率≤70℃/H。