CN109055694A - 一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺及应用，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和回火处理，所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢。上述的热处理工艺在泵类产品的铸造马氏体不锈钢叶轮上的应用。本发明的核主泵铸造叶轮热处理工艺，提高了铸件的强度、韧性和疲劳性能，减少了核主泵叶轮铸件在射线探伤检查的缺陷率和报废率，提高了铸造的核主泵叶轮在高温高压辐照环境中应用的可靠性。

Description

一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺及应用
技术领域
本发明属于热处理工艺技术领域，具体涉及一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺及应用。
背景技术
伴随着中国政府为调整能源结构、保障能源安全，保护环境并控制温室气体排放，提出可持续发展政策方针以及大力倡导使用清洁能源的基本国策，核电站的建设已经成为国家实力的综合体现。拥有具有自主知识产权的大型先进核电技术，是我国步入世界核电大国行列，并向核电强国迈进的基础。
主泵犹如核电站的心脏，是动力装置，推动反应堆冷却剂在一回路循环，用循环高压水冷却和提取压水堆芯部热量，输送到蒸汽发生器。核主泵的叶轮是实现泵性能的重要功能部件，叶轮内部流道复杂，叶片薄扭曲量大。采用砂型或熔模铸造的叶轮，其内部组织存在不同程度的缩孔、疏松、气孔等组织缺陷。存在于叶片部分的铸造缺陷难以通过射线探伤的方法检测，在产品的使用过程中这些缺陷的扩展会造成质量隐患，降低叶轮的疲劳强度，增加叶片断裂的危害性。
热等静压技术是材料加工领域的现代重要技术，热等静压技术在核电领域中的应用，主要以粉末冶金产品为主，对于应用在核主泵叶轮铸件中没有先例。
发明内容
本发明所要解决的问题是核主泵铸造叶轮存在于叶片部分的铸造缺陷难以检测，在使用过程中会造成安全隐患，提供一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺及应用。
为解决以上问题，本发明采用的技术方案是：
一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行后续热处理，所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢。
进一步地，所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢ASTMA-743MCA6NM，热等静压处理后进行淬火和回火处理。
进一步地，所述的热等静压处理工艺为：在1110～1170℃保温3～5小时，介质为氩气，等静压压力为120～170MPa。
进一步地，所述淬火工艺为：在1050±10℃下保温3～5小时，出炉空冷至室温。
进一步地，所述回火工艺为：一次回火处理：在680±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在610±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温。
上述的热处理工艺在泵类产品的铸造马氏体不锈钢叶轮上的应用。
本发明的核主泵铸造叶轮的热处理工艺，核主泵铸造叶轮经热等静压处理后，闭合铸件内部的缩孔、气孔等孔洞类缺陷，压实铸件内部的疏松、缩松等缺陷，使铸件具有完整、组织均匀、充分致密化的结构，提高了铸件的强度、韧性和疲劳性能，减少了核主泵叶轮铸件在射线探伤检查的缺陷率和报废率，提高了铸造的核主泵叶轮在高温高压辐照环境中应用的可靠性。
具体实施方式
本发明要解决现有砂型或熔模铸造方法获得的核主泵叶轮，由于内部铸造缺陷导致叶轮产生缺陷清除补焊等加工周期变长，成本增高，在产品使用过程中易造成质量隐患的问题。本发明提供一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行后续热处理，所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢。
核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢ASTM A-743M CA6NM时具体工艺如下：叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行后续的淬火+二次回火热处理，热等静压处理工艺为：在1110～1170℃保温3～5小时，介质为氩气，等静压压力为120～170MPa。淬火工艺为：在1050±10℃下保温3～5小时，出炉空冷至室温。回火工艺为：一次回火处理：在680±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在610±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温。
ASTM A-743M CA6NM，是美标ASTM中的低碳马氏体不锈钢材料，相当于GB/T6967-2009《工程结构用中、高强度不锈钢铸件》中的ZG06Cr13Ni4Mo。该材料通过淬火+双回火的热处理，具有低碳半条状马氏体与逆转变奥氏体的复相组织，保留其高的强度水平并提高钢的韧性和可焊性。由于这种钢有良好的综合性能，因此具有优良的锻、铸、焊和冷热加工性能，以及服役性能，如抗腐蚀性能，耐气蚀性能等，因而在水电、火电、核电、泵、阀、化工、高压容器和军事航天等方面获得应用。
热等静压是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1000～2000℃，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达200MPa。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压，可最大限度减少不均匀变形。在一定时间内，金属发生蠕变，内部气孔、缩孔、疏松等缺陷开始受到破坏，一旦缺陷内表面互相接触，金属就由于沉积作用粘连在一起，或接触表面通过高温扩散呈一体。因而，缺陷被愈合，其显微组织致密，机械性能大幅度提高。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。由于其在生产加工难度较大且质量要求较高的材料及构件中展现出独特优势，受到了人们的广泛关注。
本发明采用的热等静压温度和压力，从产品质量、生产可控制性和成本等方面进行了综合考虑，提高了叶轮铸件的组织致密度，疏松、气孔、缩孔等缺陷降至处理前的5％～10％甚至更低，综合性能及使用寿命均显著改善。氩气为惰性气体，是加压介质，同时可以防止叶轮和炉子氧化。
采用ASTMA-743M CA6NM材料铸造的叶轮经过本发明工艺的实施，核主泵叶轮铸件力学性能达到如下标准：Rm：≥755MPa，Rp0.2：≥550MPa，A：≥15％，Z：≥35％，Akv(-12.2℃)：≥67.8J(平均)、61J(单个)，HBW：≤285。
上述的热等静压工艺可以广泛的应用在其他泵类产品的铸造马氏体不锈钢叶轮上，解决铸造叶轮内部缺陷导致的加工周期长、强度低，在产品使用过程中易造成质量隐患等问题。因马氏体不锈钢材料牌号的不同，在热等静压处理后，后续的淬火和二次回火热处理工艺需相应调整。
实施例1 一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺
一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和二次回火处理。所述核主泵叶轮材料为马氏体不锈钢ASTMA-743MCA6NM。
铸件的热等静压处理工艺为：在1170℃保温3小时，介质为氩气，等静压压力170MPa。
铸件热等静压后进行淬火处理，淬火工艺为：在1040℃保温5小时，出炉空冷至室温。
一次回火处理：在670℃保温5小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在600℃保温5小时，出炉空冷至室温。
热处理后，对轮毂、叶片部位进行射线探伤检验，无缺陷。经热处理后，检验力学性能见表1所示，满足要求。
实施例2 一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺
一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和二次回火处理。所述核主泵叶轮材料为马氏体不锈钢ASTMA-743MCA6NM。
铸件的热等静压处理工艺为：在1140℃保温4小时，介质为氩气，等静压压力为140MPa。
铸件热等静压后进行淬火处理，淬火工艺为：在1050℃保温4小时，出炉空冷至室温。
一次回火处理：在680℃保温4小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在610℃保温4小时，出炉空冷至室温。
热处理后，对轮毂、叶片部位进行射线探伤检验，无缺陷。经热处理后，检验力学性能见表1所示，满足要求。
实施例3 一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺
一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和二次回火处理。所述核主泵叶轮材料为马氏体不锈钢ASTM A-743MCA6NM。
铸件的热等静压处理工艺为：在1110℃保温5小时，介质为氩气，等静压压力为120MPa。
铸件热等静压后进行淬火处理，淬火工艺为：在1060℃保温3小时，出炉空冷至室温。
一次回火处理：在690℃保温3小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在620℃保温3小时，出炉空冷至室温。
热处理后，对轮毂、叶片部位进行射线探伤检验，无缺陷。经热处理后，检验力学性能见表1所示，满足要求。
表1实施例1-3的核主泵铸造叶轮热处理工艺与力学性能情况
实施例4 一种水泵叶轮的热处理工艺
采用ZG1Cr13NiMo材料铸造的水泵叶轮，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和回火处理。铸件的热等静压处理工艺为：在1170℃保温3小时，介质为氩气，等静压压力170MPa；淬火工艺为：1000-1050℃，保温2-4小时；回火工艺为：620±10℃，保温2-4小时。获得的力学性能：Rm：740-950MPa，Rp0.2：≥590MPa，A：≥12％，HBW：180-240。
采用ZG1Cr13Ni材料铸造的水泵叶轮，叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行淬火和回火处理。铸件的热等静压处理工艺为：在1140℃保温4小时，介质为氩气，等静压压力为140MPa；淬火工艺为：1000-1050℃，保温2-4小时；回火工艺为：760±10℃，保温2-4小时。获得的力学性能：Rm：590-785MPa，Rp0.2：≥440MPa，A：≥15％，Ak(DVM):≥28J，HBW：180-250。

Claims (6)

1.一种核主泵铸造叶轮的热处理工艺，其特征在于：叶轮浇注完成后，在铸态条件下首先进行热等静压处理，然后进行后续热处理，所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢。
2.如权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于：所述核主泵铸造叶轮材料为马氏体不锈钢ASTMA-743M CA6NM，热等静压处理后进行淬火和回火处理。
3.如权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于：所述的热等静压处理工艺为：在1110～1170℃保温3～5小时，介质为氩气，等静压压力为120～170MPa。
4.如权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于：所述淬火工艺为：在1050±10℃下保温3～5小时，出炉空冷至室温。
5.如权利要求2所述的热处理工艺，其特征在于：所述回火工艺为：一次回火处理：在680±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温；二次回火处理：在610±10℃保温3～5小时，出炉空冷至室温。
6.权利要求1所述的热处理工艺在泵类产品的铸造马氏体不锈钢叶轮上的应用。
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