CN102424976A

CN102424976A - 一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺

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Publication number: CN102424976A
Application number: CN2011103835625A
Authority: CN
Inventors: 周建湘
Original assignee: HUNAN ZHIHUI MINIE MACHINERY CO Ltd
Current assignee: HUNAN ZHIHUI MINIE MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明公开了一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺，依序包括渗碳、淬火、冰冻、固溶处理、时效处理各步骤，采用上述技术方案，能够使活塞获得所谓“薄壳结构”，即表面有一层硬度很高的薄壳，以提高耐磨性，而芯部也有适当的硬度以保证足够的强度和韧性，淬火后表面硬化层有400-700MPa的压应力，这样可以提高抗张应力为主的疲劳强度。从而提高了活塞的寿命。经过时效处理和固溶处理后，20Cr₂Ni₄镍基单晶高温合金的强度性能会大大提高，活塞材料的性能得到改善，将拥有更长的寿命。

Description

一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺，特别是材质为20Cr₂Ni₄的活塞热处理工艺。

背景技术

潜孔冲击器的活塞长期处于较大冲击力的反复作用和接触疲劳状态下工作，因而活塞表面应有较高的硬度和耐磨性，芯部应有足够的强度和韧性，为此活塞的热处理工艺有严格的要求。

热处理技术是生产冲击器过程中最为关键的技术，现在市场上使用较广泛的一些冲击器寿命之所以不长，其根源就在于热处理技术不能过关。有的淬硬层太深，心部硬度过高，活塞不堪一击，有的淬硬层太薄，抗疲劳能力不够。因而寿命不稳定，平均使用寿命低。

对于冲击器而言，活塞的选材至关重要，活塞材料的优劣直接影响冲击器的寿命。本发明快速潜孔冲击器的活塞采用的材料是20Cr₂Ni_4.20Cr₂Ni₄镍基单晶高温合金是在高温及一定应力作用下，可长期工作的一类金属材料，由于具有良好的高温性能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，成为目前制造先进航空发动机活塞和燃气轮机叶片的首选材料之一。

由于单晶高温合金中没有晶界存在，其强化主要是靠γ基体的固溶强化和γ′相第二相强化来实现。γ′作为强化相，它的形状、尺寸、体积分数及分布等对单晶高温合金力学性能都有重要影响。而改变热处理工艺能不同程度地调整合金中γ′相的形态和分布，进而影响合金的力学性能。研究表明，20Cr₂Ni₄单晶高温合金的高温持久寿命随初始γ′沉淀尺寸的变化是先增后减，存在一个峰值。需要通过热处理工艺使20Cr₂Ni₄单晶高温合金的γ′沉淀尺寸达到最大，从而使20Cr₂Ni₄镍基单晶高温合金高温性能得到提高。

发明内容

为了解决上述弊端，本发明所要解决的技术问题是，提供一种对材质为20Cr₂Ni₄的活塞进行热处理的工艺。使活塞寿命延长，与国内其他同行产品相比钻孔深度能增加500-1000m。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺，依序包括如下步骤，

一、渗碳：将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900℃的单相奥氏体区，保温10小时后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，芯部仍保持原有成分。使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。优选采用真空渗碳设备，对活塞进行渗碳强化处理，采用红外仪表测控碳势，以控制渗碳层的深度。

二、淬火：将工件加热到800℃，保温3小时后，放入油中急速冷却，以得到马氏体组织。

三、回火：将淬火后的工件在200℃的条件下回火2小时，得到回火马氏体，这样可以使钢件淬火残余内应力得到部分消除，韧度提高一些，并保持58-62HRC的硬度。

四、冰冻：将回火后冷却至室温的工件继续冷却到零下80℃。使相当一部分残余奥氏体转变为马氏体，剩下的未转变的少量残余奥氏体变得更加稳定。从而增加了工件的硬度和尺寸稳定性。

五、固溶处理：固溶温度1300℃，固溶时间4小时。

当固溶温度低于1295℃时，合金中可观察到残余共晶组织，1300℃时共晶组织基本溶净，1305℃时共晶完全溶净；固溶温度低于1290℃时严重偏析，枝晶花样仍比较清晰。经1295，1300℃和1305℃固溶后，合金组织偏析较轻。经1300℃/4小时处理的试样持久性能最好。

1295℃固溶处理后，合金还存在一定的枝晶偏析，而偏析的存在使合金不能充分发挥其潜力，因此固溶处理温度越高，合金元素分布越均匀，对合金的性能越有利。同时，在单晶高温合金中，除了偏析外，微观孔洞对合金的性能也有很大影响，因为微孔不仅能够减少试样的有效截面积，同时也会成为应力集中的位置，可能引起最终断裂。孔洞的形成有两种途径：第一种是凝固过程中补缩不充分而形成的；第二种是在固溶处理过程中，空位聚合形成。由于固溶温度不同，空位扩散的速率不同，导致由空位聚合形成的孔洞的数量也不同。因此在1305℃固溶后尽管偏析程度略有降低，但合金的持久性能并没有提高反而略有下降，其主要原因可能为在较高温度下，空位扩散聚合引起空洞较多的缘故。综上所述，合金经1300℃/4小时处理具有良好的综合性能，选1300℃/4小时为最佳固溶处理制度。

六、时效处理：一次时效温度为1100℃。

考虑到铸态下的γ′是在凝固的单相γ固溶体冷却过程中析出的，称其为一次γ′相。由于合金元素的偏析，铸态下枝晶间和枝晶干的一次γ′相尺寸差异较大，且形状不规则。而高的弥散程度、形状规则、尺寸适当且分布均匀的γ′对提高合金性能起着很大的作用。因此，为了提高强化相的强化效果，要通过固溶处理消除枝晶偏析，并对合金进行时效处理，以调整γ′相的尺寸和分布。对应于铸态下析出的一次γ′相，将经过固溶和时效处理后析出长大的γ′相称之为二次γ′相。已有的研究表明，时效处理温度对二次γ′相析出长大起着至关重要的作用。时效温度太低，γ′析出长大到一定程度后，即使延长保温时间γ′也不会再长大，第二相强化的潜力得不到充分发挥。而时效温度太高，γ′会迅速析出长大，并且形状变得不规则，恶化合金性能。

研究表明：随着时效温度的升高，γ′相尺寸逐渐增大，形状由不规则向规则再向不规则转化。在900℃下，γ′形貌与固溶处理后差别不大，γ′相尺寸较小，略带尖角，排列不规则；而后，随着时效温度的提高，γ′相尺寸逐渐增大，排列逐渐规则；当温度高于1150℃后，二次γ′相尺寸虽然继续增大，但形状又逐渐变得不规则。

可见在900-1150℃之间，随着时效温度的升高，γ′相的体积分数呈增加趋势。合金经900℃/1小时和1000℃/1小时时效处理后γ′相尺寸与未时效处理相差不大，呈欠时效状态。经1150℃/1小时和1200℃/1小时时效处理后γ′相尺寸较大且形状不规则，呈过时效状态。经1080℃/1小时和1100℃/1小时时效处理后γ′相尺寸适中，为合适的时效温度，相比之下1100℃/1小时时效处理后γ′形状比较规则，选定1100℃为一次时效温度。

本发明有益效果在于，采用上述技术方案，能够使活塞获得所谓“薄壳结构”，即表面有一层硬度很高的薄壳，以提高耐磨性，而芯部也有适当的硬度以保证足够的强度和韧性，淬火后表面硬化层有400-700MPa的压应力，这样可以提高抗张应力为主的疲劳强度。从而提高了活塞的寿命。经过时效处理和固溶处理后，20Cr₂Ni₄镍基单晶高温合金的强度性能会大大提高，活塞材料的性能得到改善，将拥有更长的寿命。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

附图为活塞产品生产工艺流程图。

具体实施方式

活塞是潜孔冲击器的心脏，在工作中承受着复杂的交变应力。随着潜孔冲击器在工程中的广泛应用，提高活塞使用寿命和工作效率是一个值得探讨的问题。我们开发的BD79型快速潜孔冲击器采用了改善活塞热处理方法、增大活塞行程和活塞重量、采用棒锤形细长活塞的原理，实现了使用寿命长、冲击功率大、钻孔速度高的效果。

一、整体技术概述：

为了使BD系列冲击器具有大冲击功、低频率的特点，以达到较高的穿孔效率和较长的寿命，我们在设计中采取以下措施：

1)、改善活塞热处理工艺：已在发明内容部分作了详细说明，不再赘述。

2)增大活塞行程和活塞重量：对于潜孔冲击器，活塞直径受炮孔直径限制，所以要加大冲击功，必然增加活塞行程。结构行程加大后，就会提高活塞冲击速度，从而加大冲击器的单次冲击功。但是，活塞冲击速度也有一个最优范围，过低或过高的冲击速度都会显著地增加单位功耗，室内试验资料表明，对于坚硬岩石，最优冲击速度在5-7.5m/s之间。此外在冲击功一定的情况下，加大活塞重量有利于提高冲击能量的传递效率，因为活塞的冲击功转变为钎尾应变能，起主导作用的是冲击瞬间的接触时间，而接触时间与活塞的质量成正比。但是活塞重量增加，冲击速度又相应降低。所以综合考虑活塞的行程与质量问题，才能使冲击器在消耗一定风量的情况下获得尽可能大的冲击功率，达到节能的效果。本项目吸取了国内外在凿岩理论方面的研究成果，经过不断试验，最终将BD系列潜孔冲击器活塞冲击速度确定在6.5-7m/s之间，并得到了预期效果。BD79快速潜孔冲击器的结构行程增加到100mm。同时BD79快速潜孔冲击器的活塞增加到10.2Kg。而现有冲击器，比如Y-200型冲击器的结构行程只有88mm。CKY-200型活塞重8.4Kg。

3)采用棒锤形细长活塞：为了降低穿孔时的单位功耗和提高钻具寿命，本冲击器采用棒锤形细长活塞。许多实验室试验资料表明：在冲击功、冲击速度和活塞重量完全相同的情况下，细长活塞破碎岩石的单位功耗要比短粗活塞低。例如我公司破碎机理组模拟BD79快速潜孔冲击器的棒锤形活塞和仿苏型短粗活塞，在铁磁矿中进行凿孔对比试验，活塞重量完全一样，只是形状不同，冲击速度分别为2、4、6、8米/秒，在所有四种冲击功情况下，棒锤形活塞的单位功耗都要比短粗形活塞低，分别降低12-40％。同时，用试波照相机拍摄冲击应力波形表明，棒锤形活塞的应力波最大振幅要较粗短形活塞低20-30％，而波的持续时间长三分之一左右。棒锤形活塞还可以提高内缸的使用寿命，因为活塞冲击钎尾时，除了产生纵向应力波外，还存在横向应力波，横向应力波同活塞和钎尾碰撞接触状态有关，一些资料指出，最大横向应力波振幅约为纵向应力波振幅的70％，横向应力波是内缸损坏的主要原因。棒锤形活塞前段有较长而厚的导向衬套，保护了内缸，从而提高了内缸寿命。

二、活塞产品具体生产工艺流程：

参见附图，下料后，在900℃的温度下进行锻造以节约材料。为了提高钢的韧性，减小刚的残余内应力，锻造之后必须进行回火，以稳定组织，进而稳定零件尺寸。然后进行切削加工和热处理。热处理工艺在发明内容部分已详细说明，不再赘述。经过热处理后的工件已经调整了内部组织及使用性能。只需对工件表面进行打磨至表面粗糙度为0.8后再将各零件装配即可。此外，为了保证每一件产都能正常工作，在包装出厂之前会对每一件产品进行质量检验。

三、主要技术与性能指标

冲击器性能参数主要指单次冲击能、冲击频率和耗气量。其大小取决于结构尺寸和冲击器前、后气室的进排气时间。根据BD系列冲击器的结构特点，以BD79快速潜孔冲击器为例，建立点算模型，按有限差分原理编制冲击器工作状态的电算程序，用正交发计算出不同进、排气口位置条件的性能参数，研究分析冲击器的动力过程、压力和活塞位移变化曲线及其工作性能指标，择优作为设计依据。

根据正交设计原理，列出了16个方案进行计算，并对最佳方案作出进一步计算。不同气压条件下的工作性能指标列于表1。

表1 BD79冲击器工作性能指标点算结果

同类产品DHD-360型冲击器提供的参数：工作压力1.76MPa，冲击能690J，冲击频率24.9Hz，功率17.2kW，耗气量16.5m³/min。将两种冲击器的参数进行比较可以看出，在同样工作气压条件下，BD79型冲击器的功率要高出20％-21％，同时耗气量要增加6.3％-8.2％，但单位耗气量的输出功率仍高于DHD-360型。这说明BD79型冲击器不仅穿孔速度快，而且节约燃料，更为经济。

本项目产品的技术已经达到国内先进水平，经实验测量，五台BD79快速潜孔冲击器在铅锌矿井下共穿孔20452.3m，平均使用寿命达到4090.4m，较国内同类产品的寿命提高36.3％。在钻孔速度方面BD系列同样比国内同行产品有明显的优势。实验表明：在矿岩硬度f约为11的岩石上钻孔，现在国内使用较广泛的一些冲击器需要6-7分钟的时间才能钻出深3m的孔，而本公司生产的BD系列快速潜孔冲击器仅需要4-5分钟的时间就能钻出深3m的孔。同样条件下，本公司生产的快速潜孔冲击器钻孔速度比国内同行产品快30％。而且BD系列冲击器适用范围广，可用于多种岩石层作业，针对不同岩石的钻探只需要更换合适的钻头即可。

以先进的热处理工艺为基础，采用增大活塞行程、增加活塞质量和改变活塞形状的方法使活塞具有更快的运动速度，更高的冲技能传递效率，同时也降低了设备的功耗，延长了使用寿命。相同气压下具体指标在表2中列出。

表2

将两种冲击器的参数进行比较可以看出，在同样工作气压条件下，BD79型冲击器的功率要高出20％-21％，同时耗气量要增加6.3％-8.2％，但单位耗气量的输出功率仍高于DHD-360型。这说明BD79型冲击器不仅穿孔速度快，而且更为经济，寿命更长。

Claims

1.一种潜孔冲击器活塞的热处理工艺，依序包括如下步骤，

一、渗碳：将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900℃的单相奥氏体区，保温10小时后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，芯部仍保持原有成分；

二、淬火：将工件加热到800℃，保温3小时后，放入油中急速冷却，以得到马氏体组织；

三、回火：将淬火后的工件在200℃的条件下回火2小时，得到回火马氏体；

四、冰冻：将回火后冷却至室温的工件继续冷却到零下80℃；

五、固溶处理：固溶温度1300℃，固溶时间4小时；

六、时效处理：一次时效温度为1100℃。