CN107828945A - 用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料及其表面强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料及其表面强化方法，属于装备制造业中超低温运动零部件的材料和表面强化技术领域。活塞杆材料是以1Ni9钢锻件为原材料，依次经性能热处理、精加工和稳定处理后获得；性能热处理过程：正火处理(890‑910℃)，一次淬火(810‑830℃)，二次淬火(660‑680℃)，回火处理(570‑590℃)。采用超音速火焰喷涂技术在活塞杆材料表面喷涂WC‑Co涂层。本发明活塞杆材料和涂层质量满足超低温下零件的性能要求，解决了超低温往复压缩机设备活塞杆等主要零件材料及表面强化方法选用难题，为今后我国天然气及烃类液化、储存、输送装置设备更好更快的发展奠定了基础。

Description

用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料及其表面强化方法
技术领域
本发明涉及装备制造业中超低温运动零部件的材料和表面强化技术领域，具体涉及一种用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料及其表面强化方法，该活塞杆作为超低温往复式压缩机中的关键零件使用，所述超低温往复式压缩机的使用温度为-160～-180℃。
背景技术
在LNG(liquefied natural gas液化天然气)接收站中，低温压缩机用于抽取LNG储罐中的蒸发气(简称BOG)并输送到其它处理设备，从而避免储罐内压力过高。超低温往复式的压缩机可以直接从LNG储罐中吸入BOG，吸入温度通常是-160～-180℃。所以，超低温压缩机的设计需要考虑的因素很多，其中重要零件活塞杆的材料选择是重要环节之一。
室温与超低温下活塞杆材料的强度要求与20Cr13材料相当，这对材料的选择有了一定的限制。一般情况下，金属材料在低温下的机械强度比常温下高。在4K时，金属的强度是室温下的2-5倍。在20K时，面心立方和密排六方金属的屈服强度是室温下的1-3倍，体心立方金属在低温下的屈服强度增加得更多，一般超过其断裂强度，所以这些材料在低温下达到其屈服点之前就可能断裂了。这是因为：金属材料中合金元素的原子小于基体材料的原子，则较小的原子会移到接近位错的区域，结果，位错周围存在的较小原子取向将位错“锁住”或“钉扎”在一个位置或使位错的运动十分困难。当外加应力大到足以使合金中许多位错离开它们原来的位置时，该合金产生了屈服过程，材料中由于通过位错的总移动，而产生了变形或屈服。当温度降低时，材料中原子的振动大为减小，由于原子热运动的减低，将位错从其原始位置推移需要更大的应力。由此推理，合金的屈服强度将随着温度的下降而增大，这对大多数工程材料是正确的。
因此，作为低温条件下应用的活塞杆其材料选择，要保证使用温度范围内的强度与韧性同时满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料及其表面强化方法，本发明活塞杆材料和涂层质量满足超低温下零件的性能要求，解决了超低温往复压缩机设备活塞杆等主要零件材料及表面强化方法选用难题。
本发明的技术解决方案是：
一种用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料，该材料是以1Ni9钢锻件为原材料，依次经性能热处理、精加工和稳定处理后获得；其中：所述性能热处理工艺过程如下：
(1)正火处理：处理温度890-910℃，处理时间3-4小时，空冷；
(2)一次淬火：温度810-830℃，时间2-3小时，油淬；
(3)二次淬火：温度660-680℃，时间2-3小时，水淬；
(4)回火处理：处理温度570-590℃，处理时间3-4小时，空冷。
所述稳定处理的温度为540-560℃，处理时间为3-4小时，稳定处理后空冷。
该材料在-160～-180℃温度范围内使用时，屈服强度大于740MPa，抗拉强度大于820MPa，断后伸长率大于24％，断面收缩率大于75％。
本发明用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料的表面强化方法，该方法是采用超音速火焰喷涂技术在活塞杆材料表面喷涂WC-Co涂层，从而满足活塞杜在低温条件下使用要求。所述WC-Co涂层厚度为0.25-0.35mm。
带有WC-Co涂层的活塞杜材料在-160～-180℃温度范围内使用时，涂层摩擦系数为0.08-0.15，涂层硬度HV0.3为900-965。
本发明设计原理如下：
在面心立方结构的金属中，只发生塑性断裂而没有脆性断裂，其韧性很高，因此面心立方金属适用于低温，但它们的主要缺点是大多屈服强度不够高。体心立方晶格结构的合金性能则显著不同，随温度降低，其屈服强度和抗拉强度均快速升高，屈服强度上升的更快，说明材料加工硬化能力降低。其延伸率随温度降低缓慢下降，但当温度超过某一低温时便突然下降。在此温度下，对应的屈服强度几乎等于抗拉强度，材料发生了韧性-脆性转变。由于冷脆温度往往高于低温工作温度，因而体心立方金属和合金不能用于低温。
基于上述原理，本发明选择9％镍钢(1Ni9)做为活塞杆的低温材料。此钢在温度下降到100K的工业装置中广泛地被应用，但是应用到超低温环境下往复运动的活塞杆零件上使用，同时通过采用超音速火焰喷涂技术在零件摩擦面喷涂WC-Co涂层来提高低温耐磨性并没有先例。
本发明的有益效果为：
1、按上述热处理工艺要求进行热处理，保证活塞杆基体的室温和低温性能，在温度变化过程中零件低温和室温的尺寸稳定。
2、本发明的超低温下的表面强化方法，是采用超音速火焰喷涂方法，在活塞杆的摩擦表面喷涂WC-Co。其涂层的结合力很好，在与低温4F材料对磨件摩擦过程中所测得的摩擦系数微小，低温下涂层的硬度高、无脆性。
3、本发明开发了超低温下运动零部件可以适用的新材料和表面强化手段，满足用户要求和市场的需求，拓宽往复机市场，同时给社会带了巨大的效益。
附图说明
图1为划线法测结合力图。
图2为实施例1第一组试验涂层摩擦系数-时间曲线。
图3为实施例1第二组试验涂层摩擦系数-时间曲线。
图4为实施例1第三组试验涂层摩擦系数-时间曲线。
图5为实施例1第四组试验涂层摩擦系数-时间曲线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明活塞杆材料选择1Ni9钢锻件为原材料，并采用正火+两次淬火+回火的热处理工艺来保证基体性能，精加工后经稳定处理进行应力消除保证尺寸稳定；同时采用超音速火焰喷涂技术，在零件摩擦面喷涂WC-Co涂层，实现活塞杆的表面强化处理。活塞杆材料在超低温下具有较高的冲击韧性，在室温到低温的温度变化过程中，其强度和塑性指标均可满足零件的服役要求。
在零件摩擦面采用超音速火焰喷涂技术，喷涂WC-Co涂层满足零件超低温下耐磨性要求。
实施例1
一、热处理工艺及基体性能：
1、热处理工艺：
1Ni9钢锻造后经正火(900±10℃，3小时，空冷)——粗加工——一次淬火(820±10℃，2小时，油淬)+二次淬火(670±10℃，2小时，水淬)+回火(580±10℃，3小时，空冷)——半精加工——稳定处理(550±10℃，3.5小时，空冷)，获得活塞杆用材料。
2、基体性能
活塞杆零件室温及超低温性能试验结果见表1、表2。
表1室温性能试验数据(冲击功在-193℃测得)
表2低温拉伸试验结果
由表1、表2可见，杆的室温及超低温综合机械性能良好。
二、采用超音速火焰喷涂在活塞杆材料表面喷涂WC涂层，并进行低温下的系列试验。
首先制作试验要求的各种规格的试验样品(活塞杆材料样品)，然后，将样品表面进行喷涂WC处理，涂层厚度：0.25mm。随后进行-180℃下的性能试验，
结果如下：
1、结合力测试：
根据AMS 2460和ASTM B571、ASTM D 1654及ASTM D7087等标准设计了两种结合力试验。
1)膨胀法：将试棒浸入-180℃低温溶液中，保温10分钟，稳定后，取出投入到室温水中，10分钟后取出，检查表面，确认无异常后再投入到-180℃低温溶液中，反复五次。结果：试样表面未现裂纹。
2)划线法：按照ASTM标准在试件表面划线(如照片中圆圈)，确认无脱落后，再进行方案一中的冷热冲击试验，经检查，划线部位未出现裂纹，如图1所示。
2、耐磨性测试：
在-180℃进行了耐磨性试验，由于涂层硬度很高，难以测其磨损量，故本试验选用真实条件下的对磨材料：低温专用4F(PCTFE)来进行试验，测其摩擦系数来检测耐磨性能。由于在低温下不能采用油来润滑，所以为干摩擦条件下进行对磨，测试结果如表3所示，共进行四组实验，四组实施的摩擦系数-时间曲线如图1-5所示。
表3 4F(PCTFE)材料性能
四组实验的测试数据如下：
第一组实验：载荷：100N；转速：90r/min；时间：60min，摩擦系数稳定于0.13。
第二组实验：载荷：150N；转速：90r/min；时间：60min，摩擦系数稳定于0.1。
第三组实验：载荷：100N；转速：135r/min；时间：60min，摩擦系数稳定于0.11。
第四组实验：载荷：150N；转速：135r/min；时间：60min，摩擦系数稳定于0.09。
试验结果表明：-180℃下两种对磨材料摩擦时，测得的摩擦系数较小，说明材料耐磨性能较好。
3、硬度测试
在-180℃和室温下分别进行了涂层硬度试验，见表4：
表4涂层表面硬度测试结果
编号 1 2 3 4 5 6 7 平均值
-180℃硬度(HV0.3) 941.7 963.3 931.2 900.6 952.4 936.4 931.2 936.7
室温硬度(HV0.3) 950.4 962.2 923.5 919.8 940.2 945.6 920.3 937.4
试验结果表明：在低温下与室温条件下涂层硬度均很高，硬度值变化不大，满足耐磨性要求。
4、脆性测试
测试-180℃下的脆性，如划线法测试结果，涂层没有脱落，说明低温下脆性合格。
5、深冷前后零件尺寸变化测试
本试验在Φ60×350试棒上检测，经过从常温到低温(-180℃)，再从低温(-180℃)到常温反复测量尺寸变化结果如表5所示。
表5 1Ni9表面喷涂WC后低温线膨胀测量
由数据表可见，低温下杆的长度和直径均比室温下有所减小，直径相对变化稍大些。室温下和低温下的直径与长度尺寸经过低温到室温多次重复的温度变化，其尺寸的改变是微小的，说明经上述工艺处理后的零件组织是稳定的。

Claims (6)

1.一种用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料，其特征在于：该材料是以1Ni9钢锻件为原材料，依次经性能热处理、精加工和稳定处理后获得；其中：所述性能热处理工艺过程如下：
(1)锻造后正火处理：处理温度890-910℃，处理时间3-4小时，空冷；
(2)一次淬火：温度810-830℃，时间2-3小时，油淬；
(3)二次淬火：温度660-680℃，时间2-3小时，水淬；
(4)回火处理：处理温度570-590℃，处理时间3-4小时，空冷。
2.根据权利要求1所述的用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料，其特征在于：所述稳定处理的温度为540-560℃，处理时间为3-4小时，稳定处理后空冷。
3.根据权利要求1所述的用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料，其特征在于：该材料在-160～-180℃温度范围内使用时，屈服强度大于740MPa，抗拉强度大于820MPa，断后伸长率大于24％，断面收缩率大于75％。
4.根据权利要求1所述的用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料的表面强化方法，其特征在于：该方法是采用超音速火焰喷涂技术在活塞杆材料表面喷涂WC-Co涂层，从而满足活塞杜在低温条件下使用要求。
5.根据权利要求4所述的用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料的表面强化方法，其特征在于：所述WC-Co涂层厚度为0.25-0.35mm。
6.根据权利要求4所述的用于超低温往复式压缩机中活塞杆的材料的表面强化方法，其特征在于：带有涂层的活塞杜材料在-160～-180℃温度范围内使用时，涂层摩擦系数为0.08-0.15，涂层硬度HV0.3为900-965。
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