[发明专利]一种蒙乃尔合金棒材在真空状态下的成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及蒙乃尔合金的成型方法，具体涉及一种蒙乃尔合金棒材在真空状态下的成型方法，属于金属真空冶炼及真空铸造成型的技术领域。

背景技术

潜油电泵作为重要的机械采油设备在油田得到了广泛应用，随着井深度的增加，电泵的级数越来越多，最多者已达二百多级，这意味着泵轴的长度还在加长，而轴的直径受叶轮及导轮结构的影响没有增大，这就对泵轴的强度提出了更严格的要求，按照传统工艺制造的泵轴难以满足新型潜油电泵的性能要求。

泵轴加工工艺主要包括铸造成型形成蒙乃尔合金钢锭以及后期的拉伸成型，其中铸造成型制作出的蒙乃尔合金钢锭质量的优劣是决定泵轴综合性能的关键。

泵轴用的蒙乃尔合金钢锭的铸造成型工艺，传统工艺是真空冶炼，当合金液达到浇注温度时，在真空状态下浇入普通钢锭模。

由于蒙乃尔合金的凝固及散热特征与碳钢及不锈钢成型完全不同，蒙乃尔合金钢液具有凝固时间长、散热慢的特点，因此蒙乃尔合金的浇注速度成为浇注成型成败的关键，当该浇注速度正好控制在蒙乃尔合金自然凝固的范围时，浇注出的铸锭性能优良质量稳定，如果浇注速度过快或过慢都会对合金锭产生微观缺陷，这就造成了浇注成材率下降，同时这种带有微观缺陷的合金锭经过后期拉伸加工后，部分微观缺陷会进一步扩大，变成危害更大的缺陷，拉伸成品率只能达到30%左右，剩余部分只能部分裁短降级使用或报废，生产成本高，材料利用率低下，制约了产品的规模化推广和应用，不能很好满足高性能、高要求的潜油电泵对高性能细长轴的需要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种蒙乃尔合金棒材在真空状态下的成型方法，可以显著改善铸造成型的蒙乃尔合金锭的综合性能，铸锭成材率提高，这种铸锭应用到潜油电泵细长轴拉伸成型加工中，成品率达到99%以上。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：所述的一种蒙乃尔合金棒材在真空状态下的成型方法，就是在真空条件下进行蒙乃尔合金的熔炼和浇注成型，当蒙乃尔合金在真空炉中熔炼为钢液后，通过一个特制的钢锭模在真空条件下凝固，再经过破真空、入水冷却后，制作出性能稳定的蒙乃尔合金钢锭，这种钢锭应用于潜油电泵细长轴的拉伸成型加工，最终制作出高强度性能稳定的蒙乃尔合金棒材。

本发明中所述钢锭模由钢锭模本体构成，包括浇冒口和钢锭模内腔，浇冒口为一个圆柱型沉台，用于浇口杯的平稳放置；浇冒口和钢锭模内腔相连，钢锭模内腔采用上大下小的圆锥形结构，其中钢锭模内腔壁与垂线间的夹角设为2°至5°。

由于浇注成型是在真空条件下进行，而蒙乃尔合金的浇注温度在1500℃以上，这就要求用于真空浇注的钢锭模，除了结构的特殊设计，更重要的是材料上的变化，普通钢锭模一般采用普通球墨铸铁材料制作，其室温的抗拉强度约为400至500MPa，但在700℃时抗拉强度几乎为零。

为了适应蒙乃尔合金浇注的温度条件，本发明中所述的钢锭模采用一种特殊的耐高温的高铬镍合金球铁材料（Cr：30%；Ni：12%），其室温抗拉强度300至400MPa，较普通球墨铸铁制作的钢锭模低，但是在900℃的高温条件下仍能保持抗拉强度不小于250MPa。

采用本技术方案后产生以下有益的效果：所述钢锭模设置圆柱型沉台的浇冒口，可方便平稳的放置浇口杯；钢锭模内腔采用上大下小，具有特定斜度的圆锥形结构，可以有效避免钢水凝固时产生的内力对模壁位置的迁移，尽可能使金属液体在自由状态下凝固。

所述钢锭模除了在结构上进行特殊设置，而且采用一种特殊的耐高温的高铬镍合金球铁材料（Cr：30%；Ni：12%），是为了适应破真空后铸锭模承受的压力变化。

当铸锭浇注完成，钢锭模从真空炉中取出，处于破真空状态，其中钢锭模表面温度约800-900℃，铸锭平均温度不低于1200℃，众所周知，任何物体在真空状态下是失重的，对金属液体而言仍然遵守这一定律，就是说铸锭在浇注的过程并不产生压力，但是当破真空的瞬间，钢锭模内壁需要承受铸锭向外的扩张力，这种突然增加的扩张力，虽不至于使高温状态下的普通球墨铸铁制作的钢锭模破裂，但使内壁向外迁移一定距离是完全可能的，这个迁移的结果就使得已浸浇满且浇足的尚未完全凝固的合金锭，其中心还没有凝固的地方合金液不够或不足，等到整个合金锭完全凝固冷却后，合金锭中心会出现微观缺陷，这种缺陷目视是检查不出来的，需要通过着色探伤才能发现，由于这种缺陷和通常意义上的缩松缺陷有区别，被称为微观缺陷。