耐气蚀的流体转子及其制造方法

本发明一般是涉及流体转子，尤其是涉及用可铸造的，耐气蚀 (cavitation resistant)的奥氏体铬-锰合金钢制成的耐气蚀的流体转子。

泵的转子常受到某些原因的气蚀损伤，这些原因中包括在确立的水 力学参数之外进行运行。这种损伤常常对设备的寿命构成一种限制性因 素。由于难以接近，所以不可能通过焊接而修复这种损伤。由于对增强 可靠性和更长的寿命方面不断强调，所以在制泵行业中出现对于比制造 转子的标准材料具有好得多的耐气蚀的铸造合金的需求。对这类有商业 生命力的材料的其它特征的要求还包括机加工性能和焊接性能。

对于高速的应用而言，则还需要相当高的抗拉和屈服强度及延伸 率。通常采用的奥氏体不锈钢，如CF8M的机械性能为：抗拉强度 482N/cm2及屈服强度最小为208N/cm2。这些低的机械性能使得这类材 料不适用于高速转子。

现有技术中已用于泵中的耐气蚀的材料是以Hydroloy(注册的商标) 为人所知的用钴改进的奥氏体不锈钢。在U.S.4,588,440中描述过 Hydroloy，该专利的发明名称是“高抗气蚀的含钴奥氏体不锈钢(Co Containing Austenitic Stainless Steel With High Cavitation Erosion Resistance)”。Hydroloy的缺点之一是对热冲击的敏感性。对某些应用 领域，特别是核工业，钴的存在也是不适宜的。

以上说明了已知的，存在于现有技术的耐气蚀合金钢中的局限性。 因此，很明显，提供一种旨在克服上述的一个或多个局限性的替代方案 则是有益的。因而，提供了一种适宜的替代方案，这包括下文中将更充 分公开的特性。

发明简述

本发明的一个方面是通过提供一种可用于要求高度耐气蚀能力的 应用中的流体转子来完成的，该转子具有用含下列范围的化学成份的可 铸造的亚稳定奥氏体钢合金制成的转子体：

           C   Mn    N    Si  Ni  Cr

％最小    0.08  14.0            0.3         17.0

％最大    0.12  16.0    0.45    1.0    1.0  18.5 余量包括铁和杂质。

本发明还提供一种制造具有高度耐气蚀的流体转子的方法，它包括 以下步骤：

从具有以下化学成份的合金中选择可铸造的亚稳定奥氏体钢合 金：

           C  Mn  N  Si    Ni  Cr

％最小    0.08  14.0        0.3          17.0

％最多    0.12  16.0  0.45  1.0    1.0   18.5 余量包含铁和杂质；

用所述的可铸造的亚稳定奥氏体钢合金制造，最好是铸造所述的流 体转子；及

通过1050-1100℃的，每英寸(25.4mm)厚度1小时的固溶处理， 接着进行淬火，最好是水淬，将所述流体转子进行热处理。

当结合附图考察时，从本发明的下述详述中将会更加明了本发明的 上述和其它的方面。

附图简要说明

图1是展示用于本发明的该合金(称之为XM31)以及另两种常规的 不锈钢铸造合金的实施方案的气蚀损伤和时间的关系的曲线图；

图2是展示气蚀损伤和锰含量间关系的曲线图。

发明详述

用于本发明的和下文将描述的该合金的实施方案已证明其耐气蚀 能力比现有的标准的转子材料好数倍。这种新的合金还满足大部分的所 期望的要求，这包括可铸性、焊接性、机加工性和低的成本。

这种钢属于一类所谓亚稳定奥氏体钢。亚稳定奥氏体钢的不锈 钢品级和非不锈钢品级均已生产出来了。亚稳定合金中的奥氏体或通过 冷却，或作为变型的结果自发地转变成马氏体。这种合金按照从该固溶 退火温度开始的水淬则具有奥氏体组织，但受到冲击负荷时将转变为马 氏体。在这类材料中发生的此转变伴随着硬度的提高，并一直在用于耐 磨和耐腐蚀钢的应用领域进行商业开发。Hadfield锰钢(一种非不锈钢 型的高锰钢)是这类钢中的最好的代表。

亚稳定合金可易于被诱发转变成马氏体是与所谓堆垛层错能 (stacking fault energy)的特性相关的。可将化学成份调整到产生有低的 堆垛层错能的合金，这种低的堆垛层错能将是易于形成与马氏体相形成 相关的，细的，气蚀诱发的孪晶的。这种挛晶是吸收该相关的气穴冲击 能的有效手段。低堆垛层错能和高的抗气蚀的能力的相关关系首先是由 D.A.Woodward在其题为“合金中气蚀诱导相转变(Cavitation-Erosion- Induced Phase Transformation in Alloys)”的著作(in Metallurgical Trans- actions，Volume，3，May 1972)中指明的。

在这类材料中，已知元素镍是促进稳定的奥氏体组织的，而锰和氮 则趋于促进奥氏体向马氏体的转变。但，氮在凝固过程中有引起气泡的 倾向。

一种由United States Steel生产的，称为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  16.0        1.0    0.75  18.5

Tenelon钢是一种锻钢，而不是先前以铸态生产的钢。开发铸态的 Tenelon的实验性成果由于过高的气孔率而尚未被接受。

大多数用于本发明的耐气蚀的合金(通常标为“XM-31”)含有17.5 -18.5％的铬、0.5-0.75％的镍、0.45-0.55％的硅、0.2-0.25 ％的氮、15.5-16.0％的锰及0.1-0.12％的碳，余量为铁和杂质。 可取的是，磷和硫小于0.02％。该合金铸造后，一般对该制品作1050 -1100℃、每英寸(25.4mm)厚度1小时的热处理，然后作水淬。

这种新型合金的化学成份通常的优选范围是：

           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，该合金具有如下的关键元素的规定成份：

            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 我们确定：锰含量对耐气蚀是至关重要的。图2展示了锰含量与耐气蚀 性之间的关系。较好地是，该锰含量为16％。

任何常规的制造方法都可采用，但当用这种新的合金铸造制品时， 我们已确定：应将橄榄石砂[(MgFe)2SiO4]优先用于该铸模中。最好将该 金属液保持于1500℃，以限制氧化。钢中的锰降低氮的溶解度。超过 该溶解度极限的，在该高锰钢中过量的氮在该铸件凝固时会促进气泡和 气体缺陷的产生。因此，应当就在铸造之前向熔体中加氮。    

按ASTM G32-92对若干炉次(即试样)的该新合金取得了定量的实验 室耐气蚀的测试数据。与气蚀始终是个难题的，锅炉输送泵和其它用途 的转子应用领域中所用的工业标准的马氏体不锈钢CA6NM相比，其耐 气蚀性能始终是优越的，约高6倍。该新材料的耐气蚀性能还比17-4PH 和CA15Cu的该性能约高4倍，上述二材料是作为CA6NM的高级材 料而用于制泵行业中的。这种新的合金将各种适用于高能泵的机械性能 和远超过常规材料的抗气蚀能力综合在一起。

下面的表1和图1概括了本发明人选行的气蚀试验的结果。该表列 出了在气蚀试验中某些合金的布氏硬度值(BHN)和穿透程度的平均深 度(MDPR)的对比。试样XM31-2的成分为： 碳0.11％、锰15.3％、硅0.49％、铬18.39％，而试样XM31-3的成份 为：碳0.11％、锰15.7％、硅0.51％、铬17.17％。

                        表1

                  气蚀试样结果汇总

  材料                  BHN        MDPR

XM31-3                  260       0.00089

CA15Cu铸件              388       0.00400

17-4PH(条件，H1150)     255       0.00469

CA6NM铸件(选矿机)       262       0.00651

CA6NM铸件               262       0.00740

CA15铸件                217       0.01110

该新合金的机械性能为：抗拉强度676-745N/mm2，屈服强度410 -480N/mm2，延伸率43.2-53.7％。这些性能是在对5个不同的XM31 试样的测试的基础上取得的。还已确定的是，此新的合金可用市售的填 料金属焊接及采用用于制造泵的转子的标准技术机加工。

上述的所得到的合金提供了远优于常规不锈钢铸造合金的耐气蚀 性能。它通过与气穴诱发的双孪晶的形成相关的变形硬化机理产生了这 种高的耐气蚀性。这大大地延迟了疲劳裂纹的产生。

在上文中及所附的权利要求书中，在列成表格的数据中的空白表示 未规定该合金元素的最小值，而且该元素可以缺少。所有的百分比均为 重量％。

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