CN105697413B

CN105697413B - 一种叶轮泵的叶轮

Info

Publication number: CN105697413B
Application number: CN201610221336.XA
Authority: CN
Inventors: 张莉; 孙宇
Original assignee: Dongying Zhongwang Petroleum Machinery Co Ltd
Current assignee: Zhongwang petroleum equipment (Dongying) Co.,Ltd.
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2036-04-11
Also published as: CN105697413A

Abstract

本发明提供了一种叶轮泵的叶轮，所述叶轮包括叶片、轴和缸套，所述轴配合安装于所述缸套内，且所述轴与所述缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，所述叶片采用特定材料制造而成，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口。通过使用本发明的特定的组分选择和制备方法，可以得到具有优异耐磨性的叶轮泵叶片，解决了叶片容易磨损的问题，在工业上具有良好的应用前景和工业化生产潜力。

Description

一种叶轮泵的叶轮

技术领域

本发明涉及一种叶轮泵的零部件，尤其涉及一种叶轮泵的叶轮，属于轮泵技术领域。

背景技术

叶轮泵广泛应用于建筑供水、化工等领域的介质输送泵，其结构由泵体、叶轮、泵轴、泵盖、电机组成，泵体内制有容纳叶轮的泵腔，泵腔与泵体进出口连通，泵轴的一端与叶轮中心固定连接，另一端与电机固定连接，由电机带动叶轮旋转将介质从泵体进口抽送到出口，实现介质增压输送。

但是，由于叶轮泵的叶轮在工作中会与粒子进行碰撞，不可避免的产生磨损。而现有的叶轮在长期的磨损中，会出现以下情况：

1、旋转的稳定性较差，即摩擦副容易在流体的摩擦力下受损，摩擦面出现非常严重的磨损；

2、叶轮泵的叶轮工作面摩擦严重，尤其是前缘刃口部分磨损最为严重。

同时，这两个因素也是相互影响的。例如，摩擦副的磨损导致叶轮旋转稳定性变差，会使得叶轮工作面不够平稳，最容易导致局部的磨损。而叶轮工作面的磨损，则会使得叶轮受力不均匀，对摩擦副造成损伤。

正因为如此，从摩擦副和叶轮工作面两个方向同时入手，开发一种新型的叶轮，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础所倚。

发明内容

为了克服上述所指出的现有叶轮泵的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种叶轮泵的叶轮，以解决目前叶轮泵的叶轮容易磨损的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

第一个方面，提供一种叶轮泵的叶轮，所述叶轮包括叶片、轴和缸套，所述轴配合安装于所述缸套内，且所述轴与所述缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，所述润滑组分以重量百分比计，含有羟基硅酸镁5-10％，余量为润滑油基础油；

所述叶片采用如下的特定材料制造而成，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.3-3.5、Si 2.1-2.3、Mn 1.1-1.3、P 0.15-0.17、S 0.1-0.2、Cr 0.41-0.45、Mo 0.61-0.71、Cu 0.51-0.56、B 0.062-0.072、Ni 0.9-1.1，余量为Fe以及不可避免的杂质；

作为一种优化的技术方案，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.4、Si2.2、Mn 1.2、P 0.16、S 0.15、Cr 0.42、Mo 0.65、Cu 0.53、B 0.065、Ni 1.0，余量为Fe以及不可避免的杂质。

另外，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 2.8-3.2、Si 1.6-2.0、Mn 0.8-1.0、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.41-0.45、Mo0.61-0.71、Cu 0.51-0.56、B 0.08-0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质。

作为一种优化的技术方案，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 3.0、Si1.7、Mn 0.9、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.43、Mo 0.66、Cu 0.54、B 0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质。

作为一种优化的技术方案，所述润滑组分以重量百分比计，含有羟基硅酸镁8％，余量为润滑油基础油；

作为一种优化的技术方案，所述润滑油基础油为生物基础油，所述生物基础油可从现有市场购买，这是本领域中的常规物质，在此不再进行详细描述。

第二个方面，本发明还提供了所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤(也即所述叶轮的叶片是按照包括如下步骤的方法制备的)：

S1：叶片基片制造

S1-1：通电熔化炉料，所述炉料包括含有Fe、C、P、S的初料，当钢液熔池形成后，推料助熔，并加入渣料造渣；当炉料过半时，吹氧助熔，再加入含Mo初料，炉料熔清后，充分搅拌钢液，保持渣量为3-5wt％；

S1-2：当钢液温度达到1565-1570℃时，加入含Si初料，吹氧脱碳，吹氧压力为0.6-0.7Mpa，耗氧量为6.5-7.5m³/吨钢液，充分搅拌5-6小时；

S1-3：停止吹氧，加入预脱氧剂，随后加入含Cr初料，再加入混合还原剂还原，待物料熔清，充分搅拌钢液1-3小时，依序加入含Mn、Cu、Ni的初料，并在搅拌的情况下最后加入纳米粉末级别的含B元素材料，继续搅拌2-5小时，并浇铸成叶片初件；

S1-4：将叶片初件表面进行渗氮处理，得到叶片基片；

S2：耐磨刃口制造

按照铸钢正常的熔炼工艺，按照配方比例将含C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Cu、B的初料熔化，出炉后，依序利用LF精炼炉、RH炉精炼，浇铸成刃口基件，再经磨削得到所述耐磨刃口；

S3：通过电子束焊接，将所述耐磨刃口焊接在所述叶片基片的边缘，从而得到所述叶片。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，所述步骤S1-S2中使用的各种初料都是本炼钢领域中的常规物料，只要各自的使用量使得所得叶片基片和刃口中的各个元素的含量在上述限定的范围内即可，本领域技术人员可选择合适的各个初料用量以满足该要求，在此不再进行详细描述。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，所述步骤S1-3中的所述含B元素材料为纳米级别的含B元素粉末，例如可为100-200纳米之间的含B元素材料，可选择炼钢领域中的常用含B元素材料，并将其粉碎研磨至100-200纳米即可。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，所述步骤S1-3中的所述预脱氧剂为铝块和硅钙石的混合物，其中，铝块用量为0.5kg/吨钢液、硅钙石用量为2kg/吨钢液。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，所述步骤S1-3中的所述混合还原剂用量为3-5kg/吨钢液，其为质量比1:2的硅铁粉和硅钙粉的混合物。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，作为一种优化的技术方案，步骤S1(具体为步骤S1-4)的渗氮处理具体如下：

A1：将叶片初件在500-520℃下保温15小时，采用15-18％的氨分解率，从而完成第一阶段；

A2：将氨分解率提高到30％，并在500-520℃下保温时间30-40小时，完成第二阶段；

A3：扩散阶段完成后，升高温度至580-600℃，并在该温度下进行第三阶段8-10小时，并将氨分解率提高到75-85％，最优选为80％，从而完成渗氮处理。

在本发明的所述叶轮泵的叶轮的叶片的制备方法中，步骤S2和/S3中的LF精炼、RH精炼工序、电子束焊接等都是本领域中的常规技术知识，本领域技术人员均可以根据实际需要具体的操作，在此不做赘述。

如上所述，本发明提供了一种叶轮泵的叶轮及其中叶片的制造方法，所述叶轮通过特定的材料组合选择以及独特的制造方法，取得了诸多优异的技术效果，例如：

1、发明人在长期的实践中发现，当叶轮泵的轴和缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，润滑组分中含有羟基硅酸镁5-10wt％，余量为生物基础油时，在叶轮泵高速运转时，羟基硅酸镁和生物基础油发生催化分解反应，产生大量的活性碳原子和氧原子，由于直径较小，两种元素的原子沿摩擦表面发生深层扩散，并与金属原子发生化学作用。羟基硅酸镁由于具有释放活性氧原子的能力，从而对金属表面具有抛光作用，从而改善金属表面的摩擦学性能，而其中含有的镁元素可以促进氧化，硅元素则可以促进氧化层的破裂，此两过程的交互作用促使氧原子向金属表面层较深处扩散，形成厚度达10μm的高硬度致密氧化层，从而可以保证轴与缸套磨损自修复，保证了叶轮转动的平稳性，保证了叶片受力的均匀，避免造成局部磨损严重。

2、本发明中，叶片和耐磨刃口的成分经过大量反复的实验得出，其中的组分相互协同，能够起到提高叶片耐磨性、疲劳强度的作用。例如，其中的Mn元素能够大大提高疲劳性能，材料中含有Mn可以使得叶片均匀变形，同时可以使得裂纹在整个晶粒内部形成，而非集中于境界处，另一方面，含有Mn也是裂纹扩展的阻力，当裂纹尖端扩展至含Mn相时，裂纹会发生偏转，增大裂纹扩张途径，从而提高材料的断裂韧性和疲劳抗力。其中的Mo元素能提高淬透性、细化组织、改善韧性。B元素能置换碳化物中的C，形成硬质硼化物，也能使共晶点左移，形成共晶的碳化物；并且还有细化硬质相、提高堆焊层硬度等作用。通过以上协同，大大提高了叶轮面的耐磨性和抗疲劳性。

3、本发明中，在叶片的制造方法中，采用独特的渗氮处理方法，使得最终的叶轮具有非常优异的耐磨性，具有更长的使用寿命。

综上所述，本发明的特定组分选择和制备方法，可以在整体上提高叶片的耐磨性，解决了叶片容易磨损的问题，在工业上具有良好的应用前景和工业化生产潜力。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

其中，除非另有规定，否则在下面的所有实施例中，步骤S1-4中的所述渗氮处理均具体如下：

A1：将叶片初件在510℃下保温15小时，采用16％的氨分解率，从而完成第一阶段；

A2：将氨分解率提高到30％，并在510℃下保温时间35小时，完成第二阶段；

A3：扩散阶段完成后，升高温度至590℃，并在该温度下进行第三阶段处理9小时，并将氨分解率提高到80％，从而完成渗氮处理。

实施例1

一种叶轮泵的叶轮，所述叶轮包括叶片、轴和缸套，所述轴配合安装于所述缸套内，且所述轴与所述缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，所述润滑组分以重量百分比计，含有羟基硅酸镁5％，余量为生物基础油；

所述叶片采用如下的特定材料制造而成，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.3、Si 2.3、Mn 1.1、P 0.17、S 0.1、Cr 0.45、Mo 0.61、Cu 0.56、B 0.062、Ni 1.1，余量为Fe以及不可避免的杂质；

另外，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 2.8、Si 2.0、Mn 0.8、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.45、Mo 0.61、Cu 0.56、B0.08，余量为Fe以及不可避免的杂质。

所述叶片采用包括如下步骤的制造方法得到：

S1：叶片基片制造

S1-2：当钢液温度达到1565-1570℃时，加入含Si初料，吹氧脱碳，吹氧压力为0.6Mpa，耗氧量为6.5m³/吨钢液，充分搅拌6小时；

S1-3：停止吹氧，加入预脱氧剂(为铝块和硅钙石的混合物，其中，铝块用量为0.5kg/吨钢液、硅钙石用量为2kg/吨钢液)，随后加入含Cr初料，再加入混合还原剂还原(所述混合还原剂用量为3kg/吨钢液，其为质量比1:2的硅铁粉和硅钙粉的混合物)，待物料熔清，充分搅拌钢液1小时，依序加入含Mn、Cu、Ni的初料，并在搅拌的情况下最后加入纳米粉末级别的含B元素材料，继续搅拌2小时，并浇铸成叶片初件；

S1-4：将叶片初件表面进行渗氮处理，得到叶片基片；

S2：耐磨刃口制造

S3：通过电子束焊接，将所述耐磨刃口焊接在所述叶片基片的边缘，从而得到所述叶片，将装配了该叶片的叶轮命名为Y1。

实施例2

一种叶轮泵的叶轮，所述叶轮包括叶片、轴和缸套，所述轴配合安装于所述缸套内，且所述轴与所述缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，所述润滑组分以重量百分比计，含有羟基硅酸镁8％，余量为生物基础油；

所述叶片采用如下的特定材料制造而成，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.5、Si 2.1、Mn 1.3、P 0.15、S 0.2、Cr 0.41、Mo 0.71、Cu 0.51、B 0.072、Ni 0.9，余量为Fe以及不可避免的杂质；

另外，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 3.2、Si 1.6、Mn 1.0、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.41、Mo 0.71、Cu 0.51、B0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质；

所述叶片采用包括如下步骤的制造方法得到：

S1：叶片基片制造

S1-2：当钢液温度达到1565-1570℃时，加入含Si初料，吹氧脱碳，吹氧压力为0.7Mpa，耗氧量为7.5m³/吨钢液，充分搅拌5小时；

S1-3：停止吹氧，加入预脱氧剂(为铝块和硅钙石的混合物，其中，铝块用量为0.5kg/吨钢液、硅钙石用量为2kg/吨钢液)，随后加入含Cr初料，再加入混合还原剂还原(所述混合还原剂用量为5kg/吨钢液，其为质量比1:2的硅铁粉和硅钙粉的混合物)，待物料熔清，充分搅拌钢液3小时，依序加入含Mn、Cu、Ni的初料，并在搅拌的情况下最后加入纳米粉末级别的含B元素材料，继续搅拌5小时，并浇铸成叶片初件；

S1-4：将叶片初件表面进行渗氮处理，得到叶片基片；

S2：耐磨刃口制造

S3：通过电子束焊接，将所述耐磨刃口焊接在所述叶片基片的边缘，从而得到所述叶片，将装配了该叶片的叶轮命名为Y2。

实施例3

所述叶片采用如下的特定材料制造而成，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.4、Si 2.2、Mn 1.2、P 0.16、S 0.15、Cr 0.42、Mo 0.65、Cu 0.53、B 0.065、Ni 1.0，余量为Fe以及不可避免的杂质；

另外，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 3.0、Si 1.7、Mn 0.9、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.43、Mo 0.66、Cu 0.54、B0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质；

所述叶片采用包括如下步骤的制造方法得到：

S1：叶片基片制造

S1-2：当钢液温度达到1565-1570℃时，加入含Si初料，吹氧脱碳，吹氧压力为0.65Mpa，耗氧量为7m³/吨钢液，充分搅拌5.5小时；

S1-3：停止吹氧，加入预脱氧剂(为铝块和硅钙石的混合物，其中，铝块用量为0.5kg/吨钢液、硅钙石用量为2kg/吨钢液)，随后加入含Cr初料，再加入混合还原剂还原(所述混合还原剂用量为4kg/吨钢液，其为质量比1:2的硅铁粉和硅钙粉的混合物)，待物料熔清，充分搅拌钢液2小时，依序加入含Mn、Cu、Ni的初料，并在搅拌的情况下最后加入纳米粉末级别的含B元素材料，继续搅拌3.5小时，并浇铸成叶片初件；

S1-4：将叶片初件表面进行渗氮处理，得到叶片基片；

S2：耐磨刃口制造

S3：通过电子束焊接，将所述耐磨刃口焊接在所述叶片基片的边缘，从而得到所述叶片，将装配了该叶片的叶轮命名为Y3。

对比例1-6

对比例1-3：除将B元素在步骤S1-1中加入外，其它操作均不变，从而分别重复实施实施例1-3，顺次得到对比例1-3，将得到的叶轮顺次命名为D1、D2和D3。

对比例4-6：除将B元素在步骤S1-2中加入外，其它操作均不变，从而分别重复实施实施例1-3，顺次得到对比例4-6，将得到的叶轮顺次命名为D4、D5和D6。

对比例7-9

除将步骤S1-3中的Mn元素予以省略外，其它操作均不变(即最终叶片中不含有Mn元素)，从而分别重复实施实施例1-3，顺次得到对比例7-9，将得到的叶轮顺次命名为D7、D8和D9。

对比例10-12

除将步骤S2中的含Cu初料予以省略外，其它操作均不变(即最终耐磨刃口中不含有Cu元素)，从而分别重复实施实施例1-3，顺次得到对比例10-12，将得到的叶轮顺次命名为D10、D11和D12。

对比例13-15

除步骤S1-4的步骤A3中的温度未升温至590℃外(即一直保持为510℃)，其它操作均不变，从而重复实施实施例1-3，顺次得到对比例13-15，将得到的柱塞副顺次命名为D13、D14和D15。

性能测试

将上述实施例1-3和对比例7-15得到的叶轮装配到叶轮泵中，正常运作1000小时后，考察叶轮中的叶片表面和刃口表面的磨损情况，具体结果见下表1。

表1

其中，在目视条件下：“√√√”表示表面未观察到磨损，“√√”表示有轻微磨损，“√”表示有明显磨损，“×”表示有严重磨损。

由此可见：1、当采用本发明的制备方法时，可以得到具有良好耐磨性的叶片(见Y1-Y3)；2、当渗碳处理步骤A3中的温度未升高至590℃时，发现叶片的耐磨性有所降低(见D13-D15)，这证明该步骤的处理温度至关重要；3、而当在步骤S1-1或S1-2中加入B元素时，均导致叶片的耐磨性有显著降低(见D1-D6)，尤其当在步骤S1-2中加入时，磨损最为严重；4、当叶片中含有Mn元素，以及刃口中含有Cu时，都可以得到最为优异的效果，缺少时则均导致耐磨性有显著降低(见D7-D12)。

对比例16-21

除改变步骤S1-4中的步骤A3中的氨分解率外，其它操作均不变，从而重复实施实施例1-3，得到对比例16-21。氨分解率、实施例对应关系和所得柱塞副命名如下表2所示。

表2

将上述对比例16-21得到的叶轮装配到叶轮中，正常运作1000小时后，考察考察叶轮中的叶片表面的磨损情况，具体结果见下表3。为了方便比较起见，将Y1-Y3的结果一并列出。

表3

其中，“√√√”和“√√”的含义同上。

由此可见，渗氮处理的步骤A3中的氨分解率非常重要，当为79-81％时能够取得最好的耐磨性能，而当为75-78％或者82-85％时，都将导致耐磨性有了明显的降低。

综上所述，本发明通过特定的组分选择和制备方法，可以得到具有优异耐磨性的叶轮泵叶片，解决了叶片容易磨损的问题，在工业上具有良好的应用前景和工业化生产潜力。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims

1.一种叶轮泵的叶轮，所述叶轮包括叶片、轴和缸套，所述轴配合安装于所述缸套内，且所述轴与所述缸套之间的摩擦副内设置有特定的润滑组分，所述润滑组分以重量百分比计，含有羟基硅酸镁5-10％，余量为润滑油基础油

所述叶片采用如下的特定材料制造而成，所述特定材料以重量百分比为单位，含有C3.3-3.5、Si 2.1-2.3、Mn 1.1-1.3、P 0.15-0.17、S 0.1-0.2、Cr 0.41-0.45、Mo 0.61-0.71、Cu 0.51-0.56、B 0.062-0.072、Ni 0.9-1.1，余量为Fe以及不可避免的杂质；

另外，所述叶片的边缘利用电子束焊接有耐磨刃口，所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 2.8-3.2、Si 1.6-2.0、Mn 0.8-1.0、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.41-0.45、Mo 0.61-0.71、Cu 0.51-0.56、B 0.08-0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质；

所述叶轮的叶片是按照包括如下步骤的方法制备的：

S1：叶片基片制造

S1-4：将叶片初件表面进行渗氮处理，得到叶片基片；

S2：耐磨刃口制造

S3：通过电子束焊接，将所述耐磨刃口焊接在所述叶片基片的边缘，从而得到所述叶片；

所述步骤S1-4的渗氮处理具体如下：

A3：扩散阶段完成后，升高温度至580-600℃，并在该温度下进行第三阶段8-10小时，并将氨分解率提高到80％，从而完成渗氮处理。

2.如权利要求1所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述特定材料以重量百分比为单位，含有C 3.4、Si 2.2、Mn 1.2、P 0.16、S 0.15、Cr 0.42、Mo 0.65、Cu 0.53、B 0.065、Ni1.0，余量为Fe以及不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述耐磨刃口以重量百分比为单位，含有C 3.0、Si 1.7、Mn 0.9、P＜0.13、S＜0.09、Cr 0.43、Mo 0.66、Cu 0.54、B 0.09，余量为Fe以及不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述润滑油基础油为生物基础油。

5.如权利要求1所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述步骤S1-3中的所述含B元素材料为100-200纳米之间的含B元素材料。

6.如权利要求1所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述步骤S1-3中的所述预脱氧剂为铝块和硅钙石的混合物，其中，铝块用量为0.5kg/吨钢液、硅钙石用量为2kg/吨钢液。

7.如权利要求1-6任一项所述的叶轮泵的叶轮，其特征在于：所述步骤S1-3中的所述混合还原剂用量为3-5kg/吨钢液，其为质量比1:2的硅铁粉和硅钙粉的混合物。