專利名稱：耐氣蝕的流體轉(zhuǎn)子及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般是涉及流體轉(zhuǎn)子，尤其是涉及用可鑄造的，耐氣蝕(cavitation resistant)的奧氏體鉻-錳合金鋼制成的耐氣蝕的流體轉(zhuǎn)子。
泵的轉(zhuǎn)子常受到某些原因的氣蝕損傷，這些原因中包括在確立的水力學(xué)參數(shù)之外進(jìn)行運(yùn)行。這種損傷常常對(duì)設(shè)備的壽命構(gòu)成一種限制性因素。由于難以接近，所以不可能通過焊接而修復(fù)這種損傷。由于對(duì)增強(qiáng)可靠性和更長(zhǎng)的壽命方面不斷強(qiáng)調(diào)，所以在制泵行業(yè)中出現(xiàn)對(duì)于比制造轉(zhuǎn)子的標(biāo)準(zhǔn)材料具有好得多的耐氣蝕的鑄造合金的需求。對(duì)這類有商業(yè)生命力的材料的其它特征的要求還包括機(jī)加工性能和焊接性能。
對(duì)于高速的應(yīng)用而言，則還需要相當(dāng)高的抗拉和屈服強(qiáng)度及延伸率。通常采用的奧氏體不銹鋼，如CF8M的機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度482N/cm2及屈服強(qiáng)度最小為208N/cm2。這些低的機(jī)械性能使得這類材料不適用于高速轉(zhuǎn)子。
現(xiàn)有技術(shù)中已用于泵中的耐氣蝕的材料是以Hydroloy(注冊(cè)的商標(biāo))為人所知的用鈷改進(jìn)的奧氏體不銹鋼。在U.S.4,588,440中描述過Hydroloy，該專利的發(fā)明名稱是“高抗氣蝕的含鈷奧氏體不銹鋼(CoContaining Austenitic Stainless Steel With High Cavitation ErosionResistance)”。Hydroloy的缺點(diǎn)之一是對(duì)熱沖擊的敏感性。對(duì)某些應(yīng)用領(lǐng)域，特別是核工業(yè)，鈷的存在也是不適宜的。
以上說明了已知的，存在于現(xiàn)有技術(shù)的耐氣蝕合金鋼中的局限性。因此，很明顯，提供一種旨在克服上述的一個(gè)或多個(gè)局限性的替代方案則是有益的。因而，提供了一種適宜的替代方案，這包括下文中將更充分公開的特性。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明的一個(gè)方面是通過提供一種可用于要求高度耐氣蝕能力的應(yīng)用中的流體轉(zhuǎn)子來完成的，該轉(zhuǎn)子具有用含下列范圍的化學(xué)成份的可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制成的轉(zhuǎn)子體
C MnNSi Ni Cr％最小0.08 14.00.3 17.0％最大0.12 16.00.451.01.0 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
本發(fā)明還提供一種制造具有高度耐氣蝕的流體轉(zhuǎn)子的方法，它包括以下步驟從具有以下化學(xué)成份的合金中選擇可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金C Mn N SiNi Cr％最小0.08 14.00.3 17.0％最多0.12 16.0 0.45 1.01.0 18.5余量包含鐵和雜質(zhì)；用所述的可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制造，最好是鑄造所述的流體轉(zhuǎn)子；及通過1050-1100℃的，每英寸(25.4mm)厚度1小時(shí)的固溶處理，接著進(jìn)行淬火，最好是水淬，將所述流體轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱處理。
當(dāng)結(jié)合附圖考察時(shí)，從本發(fā)明的下述詳述中將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述和其它的方面。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1是展示用于本發(fā)明的該合金(稱之為XM31)以及另兩種常規(guī)的不銹鋼鑄造合金的實(shí)施方案的氣蝕損傷和時(shí)間的關(guān)系的曲線圖；圖2是展示氣蝕損傷和錳含量間關(guān)系的曲線圖。
發(fā)明詳述用于本發(fā)明的和下文將描述的該合金的實(shí)施方案已證明其耐氣蝕能力比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子材料好數(shù)倍。這種新的合金還滿足大部分的所期望的要求，這包括可鑄性、焊接性、機(jī)加工性和低的成本。
這種鋼屬于一類所謂亞穩(wěn)定奧氏體鋼。亞穩(wěn)定奧氏體鋼的不銹鋼品級(jí)和非不銹鋼品級(jí)均已生產(chǎn)出來了。亞穩(wěn)定合金中的奧氏體或通過冷卻，或作為變型的結(jié)果自發(fā)地轉(zhuǎn)變成馬氏體。這種合金按照從該固溶退火溫度開始的水淬則具有奧氏體組織，但受到?jīng)_擊負(fù)荷時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在這類材料中發(fā)生的此轉(zhuǎn)變伴隨著硬度的提高，并一直在用于耐磨和耐腐蝕鋼的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。Hadfield錳鋼(一種非不銹鋼型的高錳鋼)是這類鋼中的最好的代表。
亞穩(wěn)定合金可易于被誘發(fā)轉(zhuǎn)變成馬氏體是與所謂堆垛層錯(cuò)能(stacking fault energy)的特性相關(guān)的?？蓪⒒瘜W(xué)成份調(diào)整到產(chǎn)生有低的堆垛層錯(cuò)能的合金，這種低的堆垛層錯(cuò)能將是易于形成與馬氏體相形成相關(guān)的，細(xì)的，氣蝕誘發(fā)的孿晶的。這種攣晶是吸收該相關(guān)的氣穴沖擊能的有效手段。低堆垛層錯(cuò)能和高的抗氣蝕的能力的相關(guān)關(guān)系首先是由D.A.Woodward在其題為“合金中氣蝕誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變(Cavitation-Erosion-Induced Phase Transformation in Alloys)”的著作(in Metallurgical Trans-actions，Volume，3，May 1972)中指明的。
在這類材料中，已知元素鎳是促進(jìn)穩(wěn)定的奧氏體組織的，而錳和氮?jiǎng)t趨于促進(jìn)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。但，氮在凝固過程中有引起氣泡的傾向。
一種由United States Steel生產(chǎn)的，稱為Tenelon的合金具有以下的成份C Mn N Si Ni Cr％最小0.08 14.5 0.35 0.30 17.0％最大0.12 16.01.00.75 18.5Tenelon鋼是一種鍛鋼，而不是先前以鑄態(tài)生產(chǎn)的鋼。開發(fā)鑄態(tài)的Tenelon的實(shí)驗(yàn)性成果由于過高的氣孔率而尚未被接受。
大多數(shù)用于本發(fā)明的耐氣蝕的合金(通常標(biāo)為“XM-31”)含有17.5-18.5％的鉻、0.5-0.75％的鎳、0.45-0.55％的硅、0.2-0.25％的氮、15.5-16.0％的錳及0.1-0.12％的碳，余量為鐵和雜質(zhì)?？扇〉氖?，磷和硫小于0.02％。該合金鑄造后，一般對(duì)該制品作1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時(shí)的熱處理，然后作水淬。
這種新型合金的化學(xué)成份通常的優(yōu)選范圍是C Mn N Si Ni Cr％最小0.08 15.0 0.10 0.4 17.0％最大0.12 16.0 0.30 0.8 1.0 18.5更好是，該合金具有如下的關(guān)鍵元素的規(guī)定成份
C Mn N Si Ni Cr％最小0.10 15.5 0.20 0.45 0.5 17.5％最大0.12 16.0 0.25 0.55 0.75 18.5我們確定錳含量對(duì)耐氣蝕是至關(guān)重要的。圖2展示了錳含量與耐氣蝕性之間的關(guān)系。較好地是，該錳含量為16％。
任何常規(guī)的制造方法都可采用，但當(dāng)用這種新的合金鑄造制品時(shí)，我們已確定應(yīng)將橄欖石砂[(MgFe)2SiO4]優(yōu)先用于該鑄模中。最好將該金屬液保持于1500℃，以限制氧化。鋼中的錳降低氮的溶解度。超過該溶解度極限的，在該高錳鋼中過量的氮在該鑄件凝固時(shí)會(huì)促進(jìn)氣泡和氣體缺陷的產(chǎn)生。因此，應(yīng)當(dāng)就在鑄造之前向熔體中加氮。
按ASTM G32-92對(duì)若干爐次(即試樣)的該新合金取得了定量的實(shí)驗(yàn)室耐氣蝕的測(cè)試數(shù)據(jù)。與氣蝕始終是個(gè)難題的，鍋爐輸送泵和其它用途的轉(zhuǎn)子應(yīng)用領(lǐng)域中所用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的馬氏體不銹鋼CA6NM相比，其耐氣蝕性能始終是優(yōu)越的，約高6倍。該新材料的耐氣蝕性能還比17-4PH和CA15Cu的該性能約高4倍，上述二材料是作為CA6NM的高級(jí)材料而用于制泵行業(yè)中的。這種新的合金將各種適用于高能泵的機(jī)械性能和遠(yuǎn)超過常規(guī)材料的抗氣蝕能力綜合在一起。
下面的表1和圖1概括了本發(fā)明人選行的氣蝕試驗(yàn)的結(jié)果。該表列出了在氣蝕試驗(yàn)中某些合金的布氏硬度值(BHN)和穿透程度的平均深度(MDPR)的對(duì)比。試樣XM31-2的成分為碳0.11％、錳15.3％、硅0.49％、鉻18.39％，而試樣XM31-3的成份為碳0.11％、錳15.7％、硅0.51％、鉻17.17％。
表1氣蝕試樣結(jié)果匯總材料 BHNMDPRXM31-3 260 0.00089CA15Cu鑄件 388 0.0040017-4PH(條件，H1150) 255 0.00469CA6NM鑄件(選礦機(jī)) 262 0.00651CA6NM鑄件 262 0.00740CA15鑄件217 0.01110
該新合金的機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度676-745N/mm2，屈服強(qiáng)度410-480N/mm2，延伸率43.2-53.7％。這些性能是在對(duì)5個(gè)不同的XM31試樣的測(cè)試的基礎(chǔ)上取得的。還已確定的是，此新的合金可用市售的填料金屬焊接及采用用于制造泵的轉(zhuǎn)子的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)機(jī)加工。
上述的所得到的合金提供了遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)不銹鋼鑄造合金的耐氣蝕性能。它通過與氣穴誘發(fā)的雙孿晶的形成相關(guān)的變形硬化機(jī)理產(chǎn)生了這種高的耐氣蝕性。這大大地延遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生。
在上文中及所附的權(quán)利要求書中，在列成表格的數(shù)據(jù)中的空白表示未規(guī)定該合金元素的最小值，而且該元素可以缺少。所有的百分比均為重量％。
權(quán)利要求
1.一種適用于要求高度耐氣蝕用途的流體轉(zhuǎn)子，所述的轉(zhuǎn)子包括用可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制成的轉(zhuǎn)子主體，該合金有如下范圍的化學(xué)成分C Mn N Si Ni Cr％最小0.08 14.00.317.0％最大0.12 16.0 0.45 1.0 1.0 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中該主體經(jīng)受過包括1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時(shí)的固溶退火和接著是水淬的熱處理。
3.權(quán)利要求1或2的轉(zhuǎn)子，其中該合金有如下范圍的化學(xué)成份CMn NSi Ni Cr％最小0.08 15.0 0.10 0.4 17.0％最大0.12 16.0 0.30 0.81.018.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
4.權(quán)利要求3的轉(zhuǎn)子，其中該合金有如下范圍的化學(xué)成份C MnN Si Ni Cr％最小0.10 15.5 0.20 0.45 0.5 17.5％最大0.12 16.0 0.25 0.55 0.75 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
5.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的轉(zhuǎn)子，其中該合金的錳含量為16％。
6.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的轉(zhuǎn)子，其中該主體通過鑄造用該合金制成。
7.制造有高度耐氣蝕的流體轉(zhuǎn)子的方法，它包括以下步驟從具有如下化學(xué)成份的合金中選擇可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金C Mn N Si Ni Cr％最小0.08 14.0 0.317.0％最大0.12 16.0 0.45 1.0 1.0 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)；用所述的可鑄造亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制造所述的流體轉(zhuǎn)子；1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時(shí)的固溶處理及隨后的淬火對(duì)所述流體轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱處理。
8.權(quán)利要求7的方法，其中該可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金有如下范圍的化學(xué)成份C MnNSi Ni Cr％最小0.08 15.00.10 0.4 17.0％最大0.12 16.00.30 0.81.0 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
9.權(quán)利要求8的方法，其中該可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金有如下范圍的化學(xué)成份C Mn N Si Ni Cr％最小0.10 15.5 0.20 0.45 0.5 17.5％最大0.12 16.0 0.25 0.55 0.75 18.5余量包括鐵和雜質(zhì)。
10.權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)的方法，其中該可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金的錳含量為16％。
11.權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)的方法，其中該流體轉(zhuǎn)子在用橄欖石砂[(MgFe)2SiO4]制成的模中鑄造。
12.權(quán)利要求7-11中任一項(xiàng)的方法，其中該流體轉(zhuǎn)子用所述的可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金鑄成；所述的合金在不大于1500℃的溫度下熔煉。
全文摘要
用于要求優(yōu)越的耐氣蝕的應(yīng)用場(chǎng)合中的流體轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子具有用化學(xué)成分范圍如下的可鑄的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制成的本體C Mn N Si Ni Cr％最小0.0814.00.3 17.0％最大0.1216.00.451.01.018.5余量包括鐵和雜質(zhì)。該優(yōu)選范圍為17.5-18.5％鉻、0.5-0.75％鎳、0.45-0.55％硅、0.2-0.25％氮、15.5-16.0％錳及0.1-0.12％碳。定量試驗(yàn)顯示出優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鍋爐輸送泵材料4-6倍的耐氣蝕性能。還公開了制造耐氣蝕的流體轉(zhuǎn)子的方法。
文檔編號(hào)F04D29/22GK1151767SQ95193829
公開日1997年6月11日 申請(qǐng)日期1995年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月27日
發(fā)明者C·麥克考爾, V·富馬加利 申請(qǐng)人:英格索爾-德雷澤泵公司