CN114150233B

CN114150233B - 一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法

Info

Publication number: CN114150233B
Application number: CN202111412871.0A
Authority: CN
Inventors: 包翠敏; 董闯; 王清; 高惠菊; 陈蕊; 杨智鹏; 陈炜
Original assignee: Dalian Touping Machinery Technology Development Co ltd
Current assignee: Dalian Touping Machinery Technology Development Co ltd
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2041-11-25
Also published as: CN114150233A

Abstract

本发明提供了一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法，步骤包括：将所需化学成分的原料熔炼、浇注，然后得到的铸坯在850℃‑1200℃锻造得到锻件；再将锻件在≤500℃的入炉温度下，以≤100℃/h的速度升温至950～1050℃，保温后油冷至≤500℃；最后将锻件在≤200℃的入炉温度下，以≤70℃/h的速度升温至520～600℃,保温后空冷至室温。本发明提供的一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法，钢的强度高、耐腐蚀性强、抗冲击性高、可焊接且易于机械加工，在韧塑性能够满足工程应用要求的前提下，钢的屈服强度能够满足当前各种大型压缩机在叶轮超高速转动时对叶轮屈服强度的要求。

Description

一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法

技术领域

本发明涉及高强度马氏体不锈钢技术领域，特别涉及一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法。

背景技术

叶轮是透平压缩机的关键部件，为了提升工作效率，需要提高其转速。目前国内透平压缩机叶轮使用的高强度马氏体不锈钢为FV520B，是二十世纪八十年代从意大利新比隆引进的材质，其工程可用最高屈服强度为1029MPa，采用该材质的透平压缩机叶轮转速最高可达340-360m/s。由于市场不断发展，各种大型压缩机的需求不断增强，对叶轮的转速要求越来越高，而现有的FV520B马氏体不锈钢的性能已不能满足叶轮高速旋转的强度需求，无法适应大型压缩机不断增强的民用工程需求。

因此，当前亟需开发一种强度高、耐腐蚀性强、抗冲击性高、可焊接且易于机械加工的压缩机叶轮用超高强度马氏体时效不锈钢，以满足各种大型压缩机对叶轮高转速要求的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高、耐腐蚀性强、抗冲击性高、可焊接且易于机械加工的压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法。

本发明还提供了一种压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，包括如下步骤：

锻造：以重量百分比计，将化学成分为C≤0.03％,Cr:11.0-12.0％,Ni:10.5-11.0％,Mo:1.0-1.25％,Ti:0.9-1.5％,Nb:0.1-0.3％,V:0.2-0.4％,Al:0.1-0.3％,Cu≤0.5％,Mn≤0.5％,Si≤0.3％,S≤0.01％,P≤0.02％,余量为Fe和不可避免杂质的原料熔炼、浇注，再将得到的铸坯在850℃-1200℃锻造得到锻件；

固溶处理：将锻件在≤500℃的入炉温度下，以≤100℃/h的速度升温至950～1050℃，保温后油冷至≤500℃；

时效处理：将锻件在≤200℃的入炉温度下，以≤70℃/h的速度升温至520～600℃,保温后空冷至室温。

进一步地，所述锻件的尺寸可达250×130×60mm。

进一步地，所述固溶处理保温的时间按照每33-40mm有效厚度保温1h。

进一步地，所述时效处理保温的时间按照每33-40mm有效厚度保温1h。

进一步地，所述压缩机叶轮用超高强度钢的屈服强度可达1300Mpa。

本发明提供的一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法，根据价电子浓度理论，利用价电子浓度线获得优化的钢种化学成分区间，在钢中添加重量百分比为1.0-1.25％的Mo元素，Mo元素能够有效固溶强化铁素体，提升碳化物的稳定性，提升合金的强度和热强性；并且，Mo元素可使过冷奥氏体曲线右移，能有效提升合金的淬透性，可使钢材加工大型化。同时，本发明在钢中添加的0.9-1.5％的Ti、0.2-0.4％的V、0.1-0.3％的Nb和0.1-0.3％的Al等元素，这些元素不仅都是典型的细化晶粒元素，而且又是强碳化物形成元素，可以保证合金同时具有较高的强度、良好的塑性和韧性。

而且，本发明提供的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，在较大的温度区间内进行锻造，可适用于较大尺寸锻件的锻造，所锻造的锻件的尺寸可达250×130×60mm。并且，本发明提供的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，采用固溶处理+时效处理的热处理工艺，通过优化控制固溶和时效处理的入炉温度、升温速度及保温温度，在能保证钢种纯度要求的同时还能满足大吨位工程化的热处理要求，并且，热处理后的钢在能满足工程应用的韧塑性要求的前提下，屈服强度也可达1300MPa，完全能够满足当前各种大型压缩机对叶轮高转速要求的需求。同时，由于本发明提供的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，热处理过程简单，对温度等条件的要求也相对较低，因此，该钢的工程化热处理方法具有很高的性价比，适于民用类工程推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法中固溶处理的温度变化曲线；

图2为本发明实施例提供的压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法中时效处理的温度变化曲线。

具体实施方式

本发明提供的一种压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，包括如下步骤：

步骤1)锻造：以重量百分比计，将化学成分为C≤0.03％,Cr:11.0-12.0％,Ni:10.5-11.0％,Mo:1.0-1.25％,Ti:0.9-1.5％,Nb:0.1-0.3％,V:0.2-0.4％,Al:0.1-0.3％,Cu≤0.5％,Mn≤0.5％,Si≤0.3％,S≤0.01％,P≤0.02％,余量为Fe和不可避免杂质的原料进行熔炼与浇注，然后将得到的铸坯在850℃-1200℃锻造得到锻件。铸坯在850℃-1200℃这个较大的温度区间内进行锻造，可适用于较大尺寸锻件的锻造，能够满足工程化大锻件的锻造，其锻造的锻件的尺寸可达250×130×60mm。其中，1.0-1.25％的Mo元素能够有效固溶强化铁素体，提升碳化物的稳定性，提升合金的强度和热强性；并且，Mo元素可使过冷奥氏体曲线右移，能有效提升合金的淬透性，使材质加工大型化。0.9-1.5％的Ti、0.2-0.4％的V、0.1-0.3％的Nb和0.1-0.3％的Al等元素不仅都是典型的细化晶粒元素，而且又是强碳化物形成元素，可以保证合金同时具有较高的强度、良好的塑性和韧性。

步骤2)固溶处理：参见图1，将锻件在300℃-500℃的入炉温度下，以≤100℃/h的速度升温至950～1050℃，然后按照每33-40mm有效厚度保温1h的时间进行保温，达到需要保温的时间后，对锻件进行油冷，为了防止锻件离开油浴发生较严重表层氧化，将锻件的温度油冷至300℃-500℃后移出油浴。由于本发明提供的压缩机叶轮用超高强度钢的淬透性和韧性较好，因此将锻件固溶处理时的入炉温度设定为300℃-500℃即可，这样不需要等前一工序的炉温降低到室温就可以开始下一工序的热处理，有利于钢的工程化排产，提高生产效率，节约成本。同时，由于本发明提供的压缩机叶轮用超高强度钢的抗高温氧化性能也比较好，因此将淬火出油的温度也设定为300℃-500℃，这样在工件的工程应用中可以提前从淬火油槽中取出，有利于迅速进行后续的热处理，有利于工程中大尺寸锻件的热处理，并能提高处理效率，节能减排。

步骤3)时效处理：参见图2，将锻件在≤200℃的条件下，以≤70℃/h的速度升温至520～600℃,保温后空冷至室温。作为本发明的一种具体实施方式，时效处理的保温时间按照每33-40mm有效厚度保温1h进行确定。

固溶处理和时效处理时，分别以上述入炉温度、升温速度及保温温度进行热处理，能够在保证钢种纯度要求的同时满足大吨位工程化的热处理要求，并且，热处理后的钢能在满足工程应用的韧塑性要求的前提下，屈服强度可以达1300MPa。

下面通过实施例对本发明提供的一种压缩机叶轮用超高强度钢工程化热处理方法做具体说明。

实施例1

以重量百分比计，将化学成分为C：0.025％,Cr:12.0％,Ni:11.0％,Mo:1.25％,Ti:1.5％,Nb:0.3％,V:0.4％,Al:0.3％,Cu：0.4％,Mn：0.4％,Si：0.2％,S：0.01％,P：0.02％,余量为Fe和不可避免杂质的原料进行熔炼与浇注，然后将得到的铸坯在1200℃锻造得到尺寸为250×130×60mm的板材。

将板材在300-400℃的入炉温度下，以70-80℃/h的速度升温至980～1030℃，保温2h后进行油冷至300-400℃。然后在150-200℃入炉温度下，以50-60℃/h的速度升温至550～580℃，保温2h后进行空冷至室温。此时板材的力学性能如表1所示。

表1

从表1可以看出，板材经热处理后抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功等韧塑性能在能够满足工程应用要求的前提下，其屈服强度达到了1370MPa，完全能够满足当前各种大型压缩机在叶轮超高速转动时对叶轮材质屈服强度的要求。

实施例2

以重量百分比计，将化学成分为C：0.03％,Cr:11.0％,Ni:10.5％,Mo:1.0％,Ti:0.9％,Nb:0.1％,V:0.2％,Al:0.1％,Cu：0.5％,Mn：0.5％,Si：0.3％,S：0.01％,P：0.02％,余量为Fe和不可避免杂质的原料进行熔炼与浇注，然后将得到的铸坯在850℃℃锻造得到尺寸为250×130×60mm的板材。

将板材在400-500℃的入炉温度下，以90-100℃/h的速度升温至950-1000℃，保温1.5h后进行油冷至400-500℃。然后在100-200℃入炉温度下，以60-70℃/h的速度升温至580～600℃，保温2h后进行空冷至室温。此时板材的力学性能如表2所示。

表2

从表2可以看出，板材经热处理后抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功等韧塑性能在能够满足工程应用要求的前提下，其屈服强度达到了1300MPa，完全能够满足当前各种大型压缩机在叶轮超高速转动时对叶轮材质屈服强度的要求。

实施例3

以重量百分比计，将化学成分为C：0.03％,Cr:11.5％,Ni:10.8％,Mo:1.2％,Ti:1.0％,Nb:0.2％,V:0.3％,Al:0.2％,Cu：0.45％,Mn：0.45％,Si：0.2％,S：0.01％,P：0.01％,余量为Fe和不可避免杂质的原料进行熔炼与浇注，然后将得到的铸坯在1100℃锻造得到尺寸为250×130×60mm的板材。

将板材在450-500℃的入炉温度下，以70-80℃/h的速度升温至1000-1050℃，保温2h后进行油冷至400-450℃。然后在100-200℃入炉温度下，以50-60℃/h的速度升温至560～590℃，保温2h后进行空冷至室温。此时板材的力学性能如表3所示。

表3

从表3可以看出，板材经热处理后抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功等韧塑性能在能够满足工程应用要求的前提下，其屈服强度达到了1295MPa，完全能够满足当前各种大型压缩机在叶轮超高速转动时对叶轮材质屈服强度的要求。

实施例4

以重量百分比计，将化学成分为C：0.03％,Cr:11.5％,Ni:10.8％,Mo:1.2％,Ti:1.0％,Nb:0.2％,V:0.3％,Al:0.2％,Cu：0.45％,Mn：0.45％,Si：0.2％,S：0.01％,P：0.01％,余量为Fe和不可避免杂质的原料进行熔炼与浇注，然后将得到的铸坯在1000℃锻造得到尺寸为250×130×60mm的板材。

将板材在300-400℃条件下，以70-80℃/h的速度升温至1000～1050℃保温2h后进行油冷至300-400℃；然后在150-200℃条件下，以60-70℃/h的速度升温至520～550℃保温1.5h后进行空冷至室温。此时板材的力学性能如表4所示。

表4

从表4可以看出，板材经热处理后抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冲击功等韧塑性能在能够满足工程应用要求的前提下，其屈服强度达到了1320MPa，完全能够满足当前各种大型压缩机在叶轮超高速转动时对叶轮材质屈服强度的要求。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

锻造：以重量百分比计，将化学成分为C≤0.03%，Cr: 11.0-12.0%，Ni: 10.5-11.0%，Mo: 1.0-1.25%，Ti: 0.9-1.5%，Nb: 0.1-0.3%，V: 0.2-0.4%， Al: 0.1-0.3%，Cu≤0.5%，Mn≤0.5%，Si≤0.3%，S≤0.01%，P≤0.02%，余量为Fe和不可避免杂质的原料熔炼、浇注，得到的铸坯在850℃-1200℃锻造得到锻件；

固溶处理：将锻件在≤500℃的入炉温度下，以≤100℃/h的速度升温至950~1050 ℃，保温后油冷至≤500℃；

时效处理：将锻件在≤200℃的入炉温度下，以≤70℃/h的速度升温至520~600℃，保温后空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，其特征在于：所述锻件的尺寸为250×130×60mm。

3.根据权利要求1所述的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，其特征在于：所述固溶处理保温的时间按照每33-40mm有效厚度保温1h。

4.根据权利要求1所述的压缩机叶轮用超高强度钢的工程化热处理方法，其特征在于：所述时效处理保温的时间按照每33-40mm有效厚度保温1h。