CN108118259A

CN108118259A - 一种耐磨柱塞及其制备方法

Info

Publication number: CN108118259A
Application number: CN201711044233.1A
Authority: CN
Inventors: 鲍忠雄; 鲍建光; 李国年
Original assignee: Ningbo Bry Natural Gas High Pressure Compressor Co Ltd
Current assignee: Ningbo Bry Natural Gas High Pressure Compressor Co Ltd
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-06-05

Abstract

本发明属于高压压缩机零部件技术领域，具体涉及耐磨柱塞及其制备方法。该柱塞包括以下重量百分比组分：Cu：1‑5％，Cr：0.5‑1％，Mo：0.2‑0.5％，P：1.2‑3.5％，Si：0.8‑2％，B：0.5‑1.2％，Mn：10‑15％，Fe：76‑90％。所述柱塞的制备方法包括以下步骤：将称量好的组分加热融化，浇铸得铸坯，然后进行热处理，得到柱塞。本发明的柱塞具有优异的硬度和韧性以及耐磨和耐热性质等，综合性能优异。

Description

一种耐磨柱塞及其制备方法

技术领域

本发明属于高压压缩机零部件技术领域，具体涉及耐磨柱塞及其制备方法。

背景技术

高压压缩机是机械工业的基础产品，其广泛应用于各行业。空气压缩机是将驱动机(电动机或柴油机)输出的旋转机械能转换为气体的压力能，为气动系统(或气力吹扫点)提供动力的核心设备。

柱塞是高压压缩机核心部件之一，它是利用其耐磨耐腐蚀的特点，配合高压密封圈，在往复运动中，使水或液相工作介质形成高压流体。柱塞一般形状是由长径比10～20的实芯或空芯杆状结构组成，由于工作压力高，长期在高压下与密封材料往复磨擦和冲击推拉，所以不但要求构成柱塞的材料硬度高，韧性好，而且要求高的外形尺寸和表面光洁度。柱塞材料通常由耐磨金属组成，但在石油、化工、制药、食品以及高压水射流切割、清洗行业中，液相工作介质常由纯水或海水组成，不但工作介质压力高，润滑性差，并含硬质固相粒子，容易在应用中引起金属柱塞的锈蚀和磨损，造成高压压缩机连续工作寿命短，或运行失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐磨柱塞及其制备方法，通过调整柱塞的化学成分使得柱塞具有良好的硬度和韧性，提高柱塞的耐磨和耐热性质，延长柱塞使用寿命。

为了达到本发明的一个目的，本发明采用以下技术方案：一种耐磨柱塞，其特征在于，所述柱塞包括以下重量百分比组分：

Cu：1-5％，Cr：0.5-1％，Mo：0.2-0.5％，P：1.2-3.5％，Si：0.8-2％，B：0.5-1.2％，Mn：10-15％，Fe：76-90％。

P一般被视为有害非金属杂质，其在合金凝固过程中的偏析倾向很大，并促进其它元素的偏析和有害相析出，降低合金的凝固速度和终凝温度，从而最终影响合金的综合性能，因此在现有技术中将P在合金中的含量控制为≤0.02％。但是在本发明中，通过提高Mn元素含量，同时将P含量提高到1.2-3.5％(远高于现有技术需要控制的含量≤0.02％)，通过各元素之间的相互作用，竟然获得了意想不到的技术效果：因高含量的Mn以及组分之间其它元素的合理搭配，P在合金凝固中的易偏析现象消失，反而促进合金晶粒细化度和硬质相的产生。

作为优选，柱塞组分还包括Ti、V和Nb等微合金化元素，可以细化晶粒、沉淀强化来提高钢的强度，添加量＜5.0％。

作为优选，所述柱塞包括以下重量百分比组分：

Cu：2-4％，Cr：0.8-1％，Mo：0.3-0.5％，P：2.0-3.0％，Si：1.0-1.8％，B：0.6-1.0％，Mn：12-14％，Fe：78-86％。

作为优选，所述柱塞组分重量百分比满足4.5≤Mn/P≤6。

为了达到本发明的另一个目的，本发明采用以下技术方案：一种耐磨柱塞的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：按柱塞组分配方称取原料，将称量好原料加热融化，浇铸得铸坯，然后进行热处理，得柱塞。

作为优选，加热融化处理中加入占熔化液总量0.5-1.5％的精炼剂。

作为优选，所述精炼剂为25-45wt％碳酸钠、20-30wt％硼砂、20-40wt％冰晶石以及5-15％云母。碳酸钠和冰晶石是合金精炼净化常用的精炼剂，但是二者的混合物作为精炼剂还是有很多不足，如对杂质吸附溶解能力有限，不能有效地与金属熔体发生化学作用等。硼砂为蓬松多孔的结构，其在碳酸钠的高温发泡下得到更多、更细的孔洞结构，在片层状云母的协助下，有效吸附和溶解合金中的氧化渣，达到精炼净化作用。

作为优选，所述热处理为将铸坯加热至800-900℃，处理10-15h，快速冷却后，再加热至200-300℃回火2-6h。固溶处理快速冷却后后，再经过回火处理，合金组织转变为奥氏体，在这一过程中析出的颗粒状硼化物逐渐扩散、溶解进入奥氏体并消失，由此获得十分细小的晶粒，极大地提高材料的抗拉强度和冲击韧性。但是本发明采用的固溶处理温度和回火温度都要低于现有技术的，因为本发明柱塞组分中存在高含量的P以及高含量的Mn，如果温度过高，高含量的P会影响其它元素的扩散，会促进合金偏析，从而影响柱塞质量，通过延长固溶处理时间，使得固溶体得到充分溶解。在随后的低温回火中，P和Mn相互作用，有效提高材料的强度和韧性。

作为优选，加热处理后的铸坯经过粗车、半精车、粗磨、精磨、研磨后得到柱塞。

本发明耐磨柱塞的化学成分，尤其是高含量的P和Mn，使得柱塞具有优异的硬度和韧性，有效改善柱塞的耐磨和耐热性质等，综合性能优异。

本发明的制备方法与本发明的化学成分配合使用，可以发挥化学成分的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，可大规模工业化生产。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

实施例1

本实施例的柱塞组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：1.8％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：11％，Fe：83.8％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至720℃进行熔化，然后降至600℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至850℃，处理10h，快速冷却后，再加热至220℃回火5h，得到柱塞。

实施例2

本实施例的柱塞组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：2％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：10.8％，Fe：83.8％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至720℃进行熔化，然后降至600℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至850℃，处理10h，快速冷却后，再加热至220℃回火5h，得到柱塞。

实施例3

本实施例的柱塞组分为：Cu：2％，Cr：1％，Mo：0.4％，P：2.8％，Si：1.1％，B：0.7％，Mn：13％，Fe：79％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至750℃进行熔化，然后降至620℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至800℃，处理12h，快速冷却后，再加热至280℃回火4.5h，得到柱塞。

实施例4

本实施例的柱塞组分为：Cu：2％，Cr：1％，Mo：0.4％，P：2.8％，Si：1.1％，B：0.7％，Mn：13％，Fe：79％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至750℃进行熔化，加入熔化液总量0.6％精炼剂进行精炼处理5min，所述精炼剂为50wt％碳酸钠和50wt％冰晶石，然后降至620℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至800℃，处理12h，快速冷却后，再加热至280℃回火4.5h，经过粗车、半精车、粗磨、精磨、研磨后得到柱塞。

实施例5

本实施例的柱塞组分为：Cu：2％，Cr：1％，Mo：0.4％，P：2.8％，Si：1.1％，B：0.7％，Mn：13％，Fe：79％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至750℃进行熔化，加入熔化液总量0.6％精炼剂进行精炼处理5min，其中精炼剂为5wt％碳酸钠、25wt％硼砂以及30wt％冰晶石，然后降至620℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至800℃，处理12h，快速冷却后，再加热至280℃回火4.5h，经过粗车、半精车、粗磨、精磨、研磨后得到柱塞。

实施例6

本实施例的柱塞组分为：Cu：2％，Cr：1％，Mo：0.4％，P：2.8％，Si：1.1％，B：0.7％，Mn：13％，Fe：79％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至750℃进行熔化，加入熔化液总量0.6％精炼剂进行精炼处理5min，其中精炼剂为38wt％碳酸钠、25wt％硼砂、以及30wt％冰晶石以及7％云母，然后降至620℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至800℃，处理12h，快速冷却后，再加热至280℃回火4.5h，经过粗车、半精车、粗磨、精磨、研磨后得到柱塞。

实施例7

本实施例的柱塞组分为：Cu：2％，Cr：1％，Mo：0.4％，P：2.8％，Si：1.1％，B：0.7％，Mn：13％，Ni:0.8％，Nb：1.0％，Fe：77.2％。按照上述百分比将称量好的组分以其中间合金的形式加入熔化炉中，在惰性气体下加热至750℃进行熔化，加入熔化液总量0.6％精炼剂进行精炼处理5min，其中精炼剂为30wt％碳酸钠、22wt％硼砂、以及33wt％冰晶石以及15％黑云母，然后降至620℃后进行浇铸，获得铸坯，随后进行热处理，将铸坯加热至880℃，处理14h，快速冷却后，再加热至300℃回火3h，经过粗车、半精车、粗磨、精磨、研磨后得到柱塞。

对比例1

对比例1与实施例6的区别在于，对比例1柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：0.02％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：10.8％，Fe：85.78％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例2

对比例2与实施例6的区别在于，对比例2柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：0.4％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：10.8％，Fe：85.4％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例3

对比例3与实施例6的区别在于，对比例3柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：4％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：10.8％，Fe：81.8％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例4

对比例4与实施例6的区别在于，对比例4柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：2％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：9％，Fe：85.6％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例5

对比例5与实施例6的区别在于，对比例5柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：2％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：16％，Fe：78.6％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例6

对比例6与实施例6的区别在于，对比例6柱塞的组分为：Cu：1.3％，Cr：0.6％，Mo：0.2％，P：0.02％，Si：0.8％，B：0.5％，Mn：9％，Fe：87.58％。其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例7

对比例7与实施例6的区别在于，对比例7柱塞制备方法中没有经过热处理，其余与实施例6相似，不在此赘述。

对比例8

对比例8与实施例6的区别在于，对比例8柱塞制备方法中的热处理为现有技术中的高温固溶和高温回火：将铸坯加热至1000℃，处理4h，快速冷却后，再加热至500℃回火5h，其余与实施例6相似，不在此赘述。

对实施例1-7和对比例1-8获得的柱塞进行性能测定，其性能参数如表1所示。

表1 实施例1-7和对比例1-8柱塞的性能参数

由表1可知，实施例1-7的柱塞所呈现的性能：硬度、耐磨、韧性等都要优于对比例。对比例1-3柱塞组分中磷含量不在权利要求保护范围内，对比例4-5柱塞组分中锰含量不在权利要求保护范围内，对比例7-8柱塞的制备方法使用的热处理手段不属于本权利要求要求保护的范围内，因而它们所表现出的性能显著低于实施例6，说明使用本发明的技术方案可以使得柱塞具有良好的综合性能。

另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种耐磨柱塞，其特征在于，所述柱塞包括以下重量百分比组分：

2.根据权利要求1所述的一种耐磨柱塞，其特征在于，所述柱塞包括以下重量百分比组分：

3.根据权利要求1或2所述的一种耐磨柱塞，其特征在于，所述柱塞组分重量百分比满足4.5≤Mn/P≤6。

4.一种如权利要求1所述耐磨柱塞的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：按柱塞组分配方称取原料，将称量好的原料加热融化，浇铸得铸坯，然后进行热处理，得柱塞。

5.根据权利要求4所述的一种耐磨柱塞的制备方法，其特征在于，加热融化处理中加入占熔化液总量0.5-1.5％的精炼剂。

6.根据权利要求5所述的一种耐磨柱塞的制备方法，其特征在于，所述精炼剂为25-45wt％碳酸钠、20-30wt％硼砂、20-40wt％冰晶石以及5-15％云母。

7.根据权利要求4所述的一种耐磨柱塞的制备方法，其特征在于，所述热处理为将铸坯加热至800-900℃，处理10-15h，快速冷却后，再加热至200-300℃回火2-6h。