專利名稱：耐氣蝕的流體轉子及其制造方法
背景技術：
本發(fā)明一般是涉及流體轉子，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子。
泵的轉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參數(shù)之外進行運行。這種損傷常常對設備的壽命構成一種限制性因素。由于難以接近，所以不可能通過焊接而修復這種損傷。由于對增強可靠性和更長的壽命方面不斷強調，所以在制泵行業(yè)中出現(xiàn)對于比制造轉子的標準材料具有好得多的耐氣蝕的鑄造合金的需求。對這類有商業(yè)生命力的材料的其它特征的要求還包括機加工性能和焊接性能。
對于高速的應用而言，則還需要相當高的抗拉和屈服強度及延伸率。通常采用的奧氏體不銹鋼，如CF8M的機械性能為抗拉強度482N/cm2及屈服強度最小為208N/cm2。這些低的機械性能使得這類材料不適用于高速轉子。
現(xiàn)有技術中已用于泵中的耐氣蝕的材料是以Hydroloy(注冊的商標)為人所知的用鈷改進的奧氏體不銹鋼。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的缺點之一是對熱沖擊的敏感性。對某些應用領域，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或多個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)明簡述本發(fā)明的一個方面是通過提供一種可用于要求高度耐氣蝕能力的應用中的流體轉子來完成的，該轉子具有用含下列范圍的化學成份的可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制成的轉子體
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。
本發(fā)明還提供一種制造具有高度耐氣蝕的流體轉子的方法，它包括以下步驟從具有以下化學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；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子；及通過1050-1100℃的，每英寸(25.4mm)厚度1小時的固溶處理，接著進行淬火，最好是水淬，將所述流體轉子進行熱處理。
當結合附圖考察時，從本發(fā)明的下述詳述中將會更加明了本發(fā)明的上述和其它的方面。
附圖簡要說明

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施方案的氣蝕損傷和時間的關系的曲線圖；圖2是展示氣蝕損傷和錳含量間關系的曲線圖。
發(fā)明詳述用于本發(fā)明的和下文將描述的該合金的實施方案已證明其耐氣蝕能力比現(xiàn)有的標準的轉子材料好數(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和非不銹鋼品級均已生產(chǎn)出來了。亞穩(wěn)定合金中的奧氏體或通過冷卻，或作為變型的結果自發(fā)地轉變成馬氏體。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)_擊負荷時將轉變?yōu)轳R氏體。在這類材料中發(fā)生的此轉變伴隨著硬度的提高，并一直在用于耐磨和耐腐蝕鋼的應用領域進行商業(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)轉變成馬氏體是與所謂堆垛層錯能(stacking fault energy)的特性相關的?？蓪⒒瘜W成份調整到產(chǎn)生有低的堆垛層錯能的合金，這種低的堆垛層錯能將是易于形成與馬氏體相形成相關的，細的，氣蝕誘發(fā)的孿晶的。這種攣晶是吸收該相關的氣穴沖擊能的有效手段。低堆垛層錯能和高的抗氣蝕的能力的相關關系首先是由D.A.Woodward在其題為“合金中氣蝕誘導相轉變(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，已知元素鎳是促進穩(wěn)定的奧氏體組織的，而錳和氮則趨于促進奧氏體向馬氏體的轉變。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的實驗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?？扇〉氖?，磷和硫小于0.02％。該合金鑄造后，一般對該制品作1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時的熱處理，然后作水淬。
這種新型合金的化學成份通常的優(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我們確定錳含量對耐氣蝕是至關重要的。圖2展示了錳含量與耐氣蝕性之間的關系。較好地是，該錳含量為16％。
任何常規(guī)的制造方法都可采用，但當用這種新的合金鑄造制品時，我們已確定應將橄欖石砂[(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會促進氣泡和氣體缺陷的產(chǎn)生。因此，應當就在鑄造之前向熔體中加氮。
按ASTM G32-92對若干爐次(即試樣)的該新合金取得了定量的實驗室耐氣蝕的測試數(shù)據(jù)。與氣蝕始終是個難題的，鍋爐輸送泵和其它用途的轉子應用領域中所用的工業(yè)標準的馬氏體不銹鋼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械性能和遠超過常規(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的結果。該表列出了在氣蝕試驗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) 262 0.00651CA6NM鑄件 262 0.00740CA15鑄件217 0.01110
該新合金的機械性能為抗拉強度676-745N/mm2，屈服強度410-480N/mm2，延伸率43.2-53.7％。這些性能是在對5個不同的XM31試樣的測試的基礎上取得的。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子的標準技術機加工。
上述的所得到的合金提供了遠優(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的變形硬化機理產(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％。
權利要求
1.一種適用于要求高度耐氣蝕用途的流體轉子，所述的轉子包括用可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金制成的轉子主體，該合金有如下范圍的化學成分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。
2.權利要求1的轉子，其中該主體經(jīng)受過包括1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時的固溶退火和接著是水淬的熱處理。
3.權利要求1或2的轉子，其中該合金有如下范圍的化學成份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。
4.權利要求3的轉子，其中該合金有如下范圍的化學成份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。
5.上述任一項權利要求的轉子，其中該合金的錳含量為16％。
6.上述任一項權利要求的轉子，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子的方法，它包括以下步驟從具有如下化學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；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子；1050-1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小時的固溶處理及隨后的淬火對所述流體轉子進行熱處理。
8.權利要求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。
9.權利要求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。
10.權利要求7-9中任一項的方法，其中該可鑄造的亞穩(wěn)定奧氏體鋼合金的錳含量為16％。
11.權利要求7-10中任一項的方法，其中該流體轉子在用橄欖石砂[(MgFe)2SiO4]制成的模中鑄造。
12.權利要求7-11中任一項的方法，其中該流體轉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)越的耐氣蝕的應用場合中的流體轉子。該轉子具有用化學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。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。定量試驗顯示出優(yōu)于標準鍋爐輸送泵材料4-6倍的耐氣蝕性能。還公開了制造耐氣蝕的流體轉子的方法。
文檔編號F04D29/22GK1151767SQ95193829
公開日1997年6月11日 申請日期1995年6月23日 優(yōu)先權日1994年6月27日
發(fā)明者C·麥克考爾, V·富馬加利 申請人:英格索爾-德雷澤泵公司