Деталь ступени центробежного насоса и способ ее изготовления

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при создании центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти и других жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц. Деталь ступени центробежного насоса выполнена путем ее отливки в предварительно изготовленную форму. Деталь изготавливают из лигированной хромистой стали, причем в расплав стали перед разливкой расплава в формы для заднего диска и лопаток рабочих колес центробежного насоса, а также направляющего аппарата добавлена в качестве модифицирующих элементов бескремнистая комплексная лигатура на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава. В результате достигается повышение износостойкости и твердости отлитых из легированной стали деталей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области насосостроения и может быть использовано при создании центробежных насосов, предназначенных для добычи нефти и других жидкостей с высоким содержанием абразивных частиц..

Известны деталь ступени погружного центробежного насоса и способ ее изготовления, причем деталь выполняют из литой чугунной заготовки и подвергают упрочняющей обработке (см. патент RU №2116515, кл. F04D 1/06, 27.07.1998).

У данной детали с использованием описанного способа ее изготовления достигается повышение ее износостойкости. Однако упрочняющая обработка, заключающаяся в закалке заготовки из перлитного или перлитно-ферритного чугуна, модифицированного редкоземельными металлами, на мартенситную структуру с последующим низким отпуском, не обеспечивает комплексного повышения надежности и долговечности ступени насоса.

Наиболее близкими к изобретению являются деталь ступени центробежного насоса и способ ее изготовления, при этом деталь ступени погружного центробежного насоса выполнена из литой чугунной заготовки, материал заготовки содержит от 1,1 до 3,0% углерода и не менее 70% аустенита, а способ изготовления детали ступени погружного центробежного насоса заключается в том, что из чугуна, содержащего от 1,1 до 3% углерода, отливают заготовку детали с обеспечением содержания аустенита в охлажденной заготовке не менее 70%, по крайней мере, одну поверхность заготовки подвергают последовательно механической обработке и пластической деформации, причем пластическую деформацию осуществляют путем однократного перемещения по указанной поверхности инструмента, воздействующего на участки поверхности с ультразвуковой частотой, в направлении, приближенно, нормальном к соответствующему участку поверхности (см. патент RU №2213886, кл. F04D 7/04, 10.10.2003).

Однако изготовление детали центробежного насоса путем отливки из чугуна в ряде случаев не позволяет использовать эти детали в насосах, испытывающих знакопеременные и ударные нагрузки, что сужает область использования данных деталей.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании деталей ступени центробежного насоса, в частности рабочего колеса и направляющего аппарата, предназначенной для использования в агрессивной среде и в условиях как высокого абразивного износа, так и при значительных знакопеременных нагрузках.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение износостойкости и твердости отлитых из легированной стали деталей центробежного насоса.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части устройства как объекта изобретения за счет того, что деталь ступени центробежного насоса выполнена путем ее отливки в предварительно изготовленную форму, при этом деталь изготавливают из лигированной хромистой стали, причем в расплав стали перед разливкой расплава в формы для заднего диска и лопаток рабочих колес центробежного насоса, а также направляющего аппарата добавлена в качестве модифицирующих элементов бескремнистая комплексная лигатура на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава.

Указанная задача решается, а технический результат достигается в части способа как объекта изобретения за счет того, что способ изготовления детали ступени центробежного насоса заключается в том, что расплав металла заливают в предварительно изготовленную форму, при этом в форму заливают расплав легированной хромистой стали, причем перед разливкой расплава в формы в него добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава, а после заливки расплава в формы производят охлаждение отливок, а затем для выравнивания дендритной структуры полученные отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагревают отливки до температуры 950°С, выдерживают при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 часов и охлаждают вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки в печь при температуре 800°С, нагреве отливки до температуры 1050°С±10°С, выдержке в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 часов, охлаждении на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 часов и отпуске при температуре 580°С±10°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением отливки на воздухе до температуры окружающей среды.

На чертеже в качестве примера детали центробежного насоса изображено рабочее колесо ступени центробежного насоса закрытого типа.

Деталь ступени центробежного насоса, в данном случае рабочее колесо центробежного насоса, состоит из лопаток 1, покрывного диска 2, заднего диска 3 и ступицы 4.

Деталь изготавливают следующим образом

Осуществляют плавку, например в плавильных электродуговых или индукционных электропечах, легированной хромистой стали. Отливку деталей получают путем заливки жидкой стали в литейные формы. После извлечения из форм отливки детали ее подвергают очистке и обрубке обычно применяемыми для этого способами, при этом расплавляют легированную хромистую сталь, например сталь 20X13Л, причем в расплав стали перед разливкой расплава в форму, например в форму рабочих колес центробежных насосов, добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля (редкоземельные элементы ≥20%; Al≥20%; Ti≥5%; Са≥1%; Ni - остальное) в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава. После этого заливают расплав в формы и производят охлаждение отливок деталей. Затем полученные отливки для выравнивания дендритной структуры подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагревают отливки до температуры 950°С, выдерживают при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 часов и охлаждают вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки в печь при температуре 800°С, нагреве отливки до температуры 1050°С±10°С, выдержке в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 часов, охлаждении на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 часов и отпуске при температуре 580°С±10°С в течение 3-х часов с последующим охлаждением отливки на воздухе до температуры окружающей среды.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок деталей с заявленными свойствами.

Для определения влияния модифицирования на свойства легированной хромистой стали, в данном случае стали 20X13Л, были залиты два блока образцов (блок образцов для проведения испытания механических свойств в соответствии ГОСТ 377-88) с одной плавки №1469, химический состав представлен в таблице 1.

Таблица 1
Химический состав	C	Cr	Fe	Mn	Si	S	P
Плавка №1469	0,18	13,1	Госн.	0,57	0,31	0,013	0,025
Химический состав стали 20X13Л по ГОСТ 977-88	0,16…0,25	12…14,0	Госн.	0,3…0,8	0,2…0,8	0,025	0,03

первый блок образцов заливался расплавом стали, подвергнутым модифицированию бескремнистой комплексной лигатурой. Лигатура вводилась в ковш перед разливкой в количестве 0,03-0,05% (приблизительно 120 грамм) от массы расплава в ковше;

второй блок образцов заливался расплавом стали той же плавки без введения модификатора.

При сравнении микроструктуры на образце без модифицирования (микролегирования) выявляется более крупнозернистая структура с карбидами по границам зерна.

Твердость в литом состоянии составляет:

образец модифицированный d_отп 2,75 (НВ 495), образец немодифицированный d_отп 2,9 (НВ 444) повышение износостойкости и твердости отлитых из легированной стали деталей.

Для выравнивания дендритной структуры, получаемой отливками при первичной кристаллизации, и улучшения обрабатываемости при механической обработке отливки рабочих колес и исследуемые образцы подвергаются отжигу по режиму: загрузка в печь при температуре 750°С, нагрев до 950°С и выдержка при 950°С±10° в течение 2+0,5 часа, охлаждение вместе с печью до 550°С, дальнейшее охлаждение на воздухе. Для предотвращения образования холодных трещин, к которым склонна сталь 20X13Л, охлаждение отливок и образцов производится с температуры 950 до 550°С вместе с печью.

Механические свойства, полученные на образцах, прошедших отжиг, представлены в таблице 2.

Таблица 2
Механические свойства стали 20X13Л после отжига	Показатели механических свойств
	σв (кг/мм2)	σ02 (кг/мм)	δ(%)	ψ(%)	ак (кгс-м/см2)	dопт (мм) НВ
63,9	56,7	13,4	25,2	5,0	34,3 (НВ 197)

При замедленном охлаждении при отжиге происходит выделение карбидов по границам зерен, которое приводит к снижению коррозионной стойкости отливок.

Для обеспечения требований по износостойкости и коррозионностойкости отливки рабочих колес подвергаются термической обработке по следующему режиму: загрузка в печь на закалку при температуре 800°С, нагрев до 1050°С±10° и выдержка при 1050°С±10° в течение 2 час 15 мин. Охлаждение на воздухе до температуры 100°С (2,5-3 часа), отпуск при температуре 580°С±10° в течение 3-х часов с охлаждением на воздухе.

Из сравнения образцов видно, что микроструктура модифицированного (микролегированного) образца более мелкозернистая с менее выраженным остаточным аустенитом и значительно меньшим выделением карбидов по границам зерен.

Механические свойства, полученные на образцах, прошедших модифицирование в процессе плавки стали и полный цикл вышеуказанной термообработки, представлены в таблице 3, в которой также представлены механические свойства стали 20X1ЗЛ после термообработки по ГОСТ 977-88.

Таблица 3
Механические свойства	Показатели механических свойств
Сталь 20X1ЗЛ после упрочняющей термической обработки (подвергнутой модифицированию)	σв (кгc/мм2)	σ02 (кгc/мм2)	δ(%)	ψ(%)	ак (кгс-м/см2)	dопт (мм) НВ
106,2	92,4	9,0	18,3	3,0	3,6 (НВ 285)
Сталь 20X1ЗЛ после закалки с охлаждением в масле или на воздухе и отпуска в соответствии с ГОСТ 977-88	589 мПа (60 кгс/мм2)	441 мПа (45 кгс/мм2)	16	40	392 кДж/м2 (3,9 кгс/см2)

Анализ полученных результатов показывает следующее:

1) получены более высокие прочностные характеристик стали 20X13Л (по сравнению с ГОСТ 977-88) в результате проведения операции модифицирования расплава и упрочняющей термической обработки;

2) получена благоприятная мелкозернистая микроструктура с меньшим выделением карбидов по границам зерен.

Настоящее изобретение может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей центробежных насосов методом отливки из легированной хромистой стали, в частности деталей центробежных насосов, работающих при повышенных нагрузках и подвергающихся абразивному износу и знакопеременным нагрузкам, например рабочих колес центробежных насосов.

1. Деталь ступени центробежного насоса, выполненная путем ее отливки в предварительно изготовленную форму, отличающаяся тем, что деталь изготавливают из легированной хромистой стали, причем в расплав стали перед разливкой расплава в формы для заднего диска и лопаток рабочих колес центробежного насоса, а также направляющего аппарата добавлена в качестве модифицирующих элементов бескремнистая комплексная лигатура на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава.

2. Способ изготовления детали ступени центробежного насоса, заключающийся в том, что расплав металла заливают в предварительно изготовленную форму, отличающийся тем, что в форму заливают расплав легированной хромистой стали, причем перед разливкой расплава в формы в него добавляют в качестве модифицирующих элементов бескремнистую комплексную лигатуру на основе редкоземельных элементов и никеля в количестве от 0,03 до 0,05% от массы расплава, а после заливки расплава в формы производят охлаждение отливок, а затем для выравнивания дендритной структуры полученные отливки подвергают отжигу путем загрузки в печь при температуре 750°С, нагревают отливки до температуры 950°С, выдерживают при температуре 950°С±10°С в течение от 2 до 2,5 ч и охлаждают вместе с печью до температуры 550°С, после чего охлаждают отливки на воздухе до температуры окружающей среды, а затем проводят закалку полученных отливок путем загрузки в печь при температуре 800°С, нагреве отливки до температуры 1050°С±10°С, выдержке в печи при указанной температуре в течение от 2,2 до 2,3 ч, охлаждении на воздухе до температуры 100°С в течение от 2,5 до 3,0 ч и отпуске при температуре 580°С±10°С в течение 3 ч с последующим охлаждением отливки на воздухе до температуры окружающей среды.