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离心压缩机铸造沉淀硬化不锈钢叶轮

发表时间:2020-08-08 14:26:09

离心压缩机铸造沉淀硬化不锈钢叶轮


     文中介绍了采用铸造工艺制造沉淀硬化不锈钢叶轮的试验和生产情况。对化学成分的选择、熔炼及浇注, 热处理等做了较详尽的阐述, 简介了铸件的检查和破坏试验, 最后得出了所采用的新型低碳马氏体不锈钢, 具有良好的焊补性和可加工性, 所铸造的叶轮达到了技术要求的结论。


     沉淀硬化不锈钢, 既具有马氏体不锈钢的高强度, 又保持有奥氏体不锈钢的耐腐蚀性,还有良好的焊接性能等特点。我厂在制造年产三十万吨合成氨离心式空气压缩机的叶轮就选用了ZGOCr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢,它相似予17-4PHC ,下面通称17-4PH 。但是此钢在我国铸造上还是一个年轻的钢种, 还尚未得到广泛使用. 主要是该钢存在着塑性及韧性较差的缺点


二、对获得综合机械性能的探讨

       要获得理想的综合机械性能, 尤其要提高础值, 首先要有合理的化学成分, 及钢的熔炼工艺, 极力降低有害杂质, 提高钢水的纯洁度,’ 避免和消除铸件不均匀性。同时还要严格控制热处理工艺, 从而才能获取较好的金相组织;。


     1. 化学成分的选择-

           碳是沉淀硬化不锈钢中的重要元素, 为了提高韧性和切削加工及焊补性能, 采用低碳是必要的。含碳偏高, 马氏体将粗化, 冲击韧性要降儡0 放碳含量一般控制在中限, 有资料推荐0.04% , 我们实际控制在小于0.065% 内。在沉淀硬化不锈钢中, 铬、镍、铜和铌等元素联合使用。铬是形成17-4PH 基体组织的重要元素, 使周溶处理后形成合金马氏体组织, 使钢具有抗腐蚀性和抗氧化性。铬是铁索体形成元素,含量偏上限, 有较多的6 铁素体。为控制铬镍比, 铬量应在中下限。铜使钢在马氏体基体中分散析出富铜的微细相而使钢得到强化。因此, 铜也是沉淀硬化锕申的重要元素。铜对降低M 。点有一定的作用。含铜约4% 时对硬度影响最大, 铜能提高钢的抗拉强度, 亦能显著地改善钢抗硫酸和硝酸腐蚀性能。铌加入不锈钢中可以防止晶间腐蚀, 提高抗蚀性、焊接性、延伸率和韧性等。同时铌是碳化物形成元素, 加入铌是为了稳定碳、提高抗晶间腐蚀能力。铌能细化晶粒, 提高晶粒粗化温度。随着铌的加入, 会促进钢中6 铗, 素体1的形成。另外, 为了得到较好的综合机械性能, 我们在501 化学成分(表1) 的基础上曾作了加,氮的试验。我们试验中部分化学成分及机械性。


2. 热处理工艺

      17-4PH 铸件热处理包括均匀化、圃溶化。和沉淀硬化处理。

     

     (1) 均匀化处理

           就是将铸件加热到1150 ℃左右, 并进行充分保温, 然后缓慢冷却下来的一个工艺过程。其目的是改善铸件性能, 降低合金元素的偏析程度, 使显微组织均匀, 并降低铸件硬度, 改善切削加工性能。

     (2) 固溶化处理

          马氏体型沉淀硬化不锈钢的固溶化处理和奥氏体不锈钢的固溶处理不同, 后者加热到高温区(大致在iooo ~iiso ℃) , 形成单一的奥氏体组织, 在随后快速冷却对把高温下的单相奥氏体组织保留到室温以提高抗腐蚀性能。丽前者, 嗣溶化处理是指在高温下形成均一的奥氏体组织, 而在随后快速冷却时形成马氏体组织。

一般规定固溶化温度为1020 ~1060 ℃, 保温时间为l 小时/时(厚度或直径) 。

     (3) 沉淀硬化处理

           固溶化处理状态的零件经过机械加工, 为了获得所要求的机械性能, 必须进行沉淀硬化处理。沉淀硬化处理是从固溶化处理时得到的过饱和的马氏体基体中析出富铜的微细相丽使钢获得强化。沉淀硬化处理的温度一般在480 ~620℃之间。随着处理温度上升, 强度下降,延伸率上升, 接着出现过时效软化现象。铸造17-4PH 叶轮铸件的热处理工艺过程。


3. 试验结果

      (1) 化学成分及机械性能根据上述成分及热处理, 作了一系列试验, 试验部分结果。

据我们所观察的金相组织来看, 铸态, 固溶处理及沉淀硬化处理后, 其金相基本类似


三、生产试验

       1. 生产及工艺简况

             根据上述分析, 只要控制好成分, 合理的热处理及铸造工艺, 我们认为铸造17-4PH 钢可用于圆周速良小于300 米/秒的高强度耐腐蚀的叶轮铸件。经试验总结后, 采用砂铸和熔模精密铸造生产了一批低压缸1 ~ 2 级半开式叶轮( 咖847.7 毫米) 及高压缸1 — 7 级闭式叶轮(4457.2毫米、4406.4 毫米) 。为了获得组织致密的铸件, 采用了干模砂铸的半开式叶轮和精铸的闭式叶轮, 均在叶轮中心的上方用较大的冒口(也是浇口) 强化其补缩作用, 达到“序凝固” 的原则, 从而铸出组织紧密的叶轮,Z. 熔炼及浇注铸造17-4PH 钢我们采用100KW 及250KW中频感应电炉进行熔化, 炉衬均为碱性。

       1) 主要原材料:低碳铁(含C<0.0S% ),金属铬, 冶金镍, 电解锰,紫铜板及铌铁等。回炉料不超过50% 。所有材料都要经预热烘烤。

       2) 严格控制化学成分。按照表1 (序号

       3) 熔炼: 造渣及脱氧精炼是冶炼过程重要的一环。用经过破碎烘烤过的颗粒状石灰和萤石作造渣材料, 用硅钙粉及铝粉作脱氧剂。熔渣应保持一定浓度, 以免使钢液暴露予空气中而吸气。化清后及时取样化验, 迅速调整化学成分, 当化学成分合格, 收缩良好, 温度在1650℃左右方可扒渣出钢。

      4) 浇注, 采用底注包进行浇注。出钢后镇静2 ~ 3 分钟, 随后浇入600 ℃左右的型壳里或有一定温度的砂型里。同时浇注一组梅花试样。


3. 焊补试验

      将该材质铸造成楔形试样,进行了拉力、冲击及冷弯试验。试验的方法是将均匀化处理后的楔形试样加工两块, 然后用3 × 3 × 200(mm)的焊丝(用该材质加工而成)采用手工氩弧焊进行对焊而成。自底层到面层共焊14层, 每层长190mm 。试样焊完后进行固溶及沉淀硬化处理, 随后加工成坯样, 再进行磁粉探伤, 最后加工成标准试样。其试验情况如下。冷弯试验。

      ① 弯曲角口=1000 时热影响区断裂。

      ② 弯曲角口= 930时有裂纹,长2.46mm , 宽0.44mm 。由上述试验证明, 铸造17-4PH 材质的焊接性能良好, 与有关资料介绍相符。因此其铸件某些缺陷可以进行焊补。补焊后进行磁粉探伤合格即可。


4. 对铸件的检查及破坏试验

       铸造叶轮除严格的检查几何尺寸及理化性能外, 其强度特请西安交通大学等单位进行了验算。叶轮精加工后要作磁粉探伤, 且不得有磁粉集聚现象; 再进行动平衡试验, 其精度≤0.4p , 然后再作为设计转速的115% 的超速运转试验。试验合格后组装为转子进行高速动平衡试验。为了证实铸造叶轮的强度, 特在初试阶段选用了一个塑性和韧性较差的闭式叶轮在浙江大学傲了破坏试验, 其有关叶轮参数及破坏数S. 金相组织板条状马氏体加析出的细小强化相加6 铁索体。由上述破坏试验可知, 从强度观点来看该叶轮是较理想的, 为了增长使用寿命, 需要进一步提高塑性和韧性.


四、结论

        铸造l7-4PH4 是目前铸造不锈钢材料中强度甚高, 综合机械性能较好的一种耐腐蚀铸钢, 可用于高强度又耐腐蚀的铸件。实践证明, 要得到较理想的综合机械性能的铸件, 除了有合理的铸造工艺保证获得致密的组织外, 严格控制化学成分及热处理规范乃是关键。化学成分控制范围; C ≤0.065 , Si ≤i.oO,Mn ≤0.80,Cr= iS.00~16.SO, Ni' 3.00~5.00,Cu= 3.00~4.50, Nb= 0.2~0.45,S≤0.03,P ≤0.035 。热处理温度控制范围l均化匀处理温度1150 ℃左右, 固溶化处理1040。C 左右' 沉淀硬化温度为540 ~6000 ℃。经热处理后铸件的机械性能普遍为。Ub ≥105 ,Us ≥85,66 ≥12, 妒≥30, 口k ≥3 。铸造17-4PH 钢是一种新型的低碳马氏体不锈钢。所铸出的空压机高压缸和低压缸叶轮, 经受了全面的外观质量、理化检验、动平衡试验, 磁粉探伤、X 光透视、超速运转及破坏试验等考验, 均达到“离心式压缩机沉淀硬化不锈钢叶轮铸件技术条件静要求。


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