CN103305668B - 23CrNi3Mo的热处理方法及其在钻具中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了23CrNi3Mo的热处理方法及其在钻具中的应用，通过对23CrNi3Mo进行渗碳处理、淬火加热、介质冷却及低温回火，完成热处理，对得到的热处理后的23CrNi3Mo其进行显微组织分析，由外层到心部组织依次是：外表面为贝氏体+马氏体的混合组织；渗碳层为高碳马氏体组织；过渡区为马氏体与下贝氏体的混合组织；基体为下贝氏体组织及少量马氏体。将该材料应用于钻具零件的加工中，由于热处理后的23CrNi3Mo表面有足够的强度、心部应有合适的韧性，有利于钻头后续机械加工，增强了零件的稳定性，降低了用户的施工成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，主要是涉及23CrNi3Mo的一种热处理方法及处理后的23CrNi3Mo在钻具中的应用。
背景技术
随着近年我国在水利水电、军事工程、核电、矿山开采等方面的发展，使高风压潜孔凿岩设备在这些工程领域得到了广泛的应用。以往多是引用国外的凿岩钻具，但是价格昂贵。国内许多企业也在不断的研发创新，使高风压潜孔钻具制造业有了大的发展，实现了大范围的钻具本土化，但是国内生产的钻具的钻孔效率相对较低、工作寿命相对的偏短。其中冲击器中部件——活塞以及与冲击器配套使用的潜孔钻头质量好坏为决定性因素。
在工作过程中冲击器中的活塞在高速的往复运动，不断的将高压气体的内能转换冲击活塞的动能，最后通过活塞断面对钻头的冲击转化为机械能。活塞是以应力波的形式将自身储存的冲击能量传递给钻头，活塞与钻头在工作中均受交变应力的作用，通过对破损件研究证明疲劳损伤为活塞与钻头的主要损坏形式。
从而，活塞或钻头的表面应有足够的强度、心部应有合适的韧性，为此活塞或钻头的选材及材质应用至关重要。
市面上使用冲击器活塞及钻头多为27SiMnNi2CrMoA，采用渗碳+马氏体分级淬火工艺进行加工处理，其淬火工艺为盐浴炉加热浴、硝盐浴（180~240）°C淬火冷却，硝盐炉（180~240）°C回火，最后得到的表层、心部组织均为马氏体。热处理后表层硬度范围为：HRC58~62；心部硬度为HRC48~50。在该硬度区域内进行钻、铰孔等机械加工比较困难，需采用硬质合金材质刀具才能进行。但是刀具成本过高且损耗过大、过于频繁的更换刀具降低生产效率。经制样、试用、分析总结：由于心部、表层均为马氏体且两者硬度没有合理的匹配容易导致脆性断裂。达不到钎具的使用性能要求。
发明内容
本发明的目的是提供23CrNi3Mo的一种热处理方法，得到处理后的23CrNi3Mo可作为活塞或钻头的选材。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种经热处理后的23CrNi3Mo，对热处理后的23CrNi3Mo进行显微组织分析，由外层到心部组织依次为：
a、渗碳层 高碳马氏体组织，渗碳层的显微硬度为HV700以上；
b、过渡区 马氏体+下贝氏体的混合组织；
c、基体 下贝氏体组织及马氏体，基体的显微硬度为HV360-480。
所述热处理方法的具体步骤为：
1）将未处理的23CrNi3Mo置入渗碳炉中加热，在温度为890°C~960°C的条件下进行渗碳处理10h，渗碳层深度为1.2~1.5mm，碳浓度为0.8~1.0%；
2） 将渗碳后得到的材料在580°C~720°C恒温3-5h进行高温回火，然后随炉冷却至150°C，出炉空冷至常温，再置于850°C ~900°C的淬火溶液中进行加热，淬火加热时间为30min ~60min；
3）将淬火加热后所得的材料在240°C ~285°C的冷却介质中冷却，至淬火后的材料与冷却介质的温度相同，且均温30 min ~100min；
4）将步骤3）所得材料在150°C~200°C低温回火4小时后取出空冷；
通过上述步骤完成对23CrNi3Mo的热处理加工。
所述的经热处理后得到的23CrNi3Mo在制备钻具零件中的应用。
所述的经热处理后得到的23CrNi3Mo在制备钻具冲击器中的活塞的应用。
所述的经热处理后得到的23CrNi3Mo在制备钻具上的潜孔钻头的应用。
所述的23CrNi3Mo材料采用23CrNi3MoA（即优等23CrNi3Mo）时，效果更好。
综上所述，本发明提供的23CrNi3Mo的一种热处理方法，相对现有技术：该方法通过相对高淬火温度及冷却介质温度，使得材料的表层获得了高碳马氏体，具备较高的强度和耐磨性；过渡区为马氏体+下贝氏体的混合组织，使其与表层硬度及韧性有着合理的过渡；基体为下贝氏体组织及少量的马氏体，显微硬度为HV410左右，从而更有利于钻头后续机械加工，降低了加工成本。
采用该材质制作的钻具零件相比于27SiMnNi2CrMoA制作的零件使用寿命提高了30%，零件稳定性提高，大大减少了用户的施工成本。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明做进一步解释说明。
图1为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的低倍显微组织；
图2中a-f为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的高倍显微组织；
图3为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的SEM照片；
图4为热处理后的23CrNi3Mo材料显微硬度梯度；
图5为热处理后的23CrNi3Mo材料渗碳层原奥氏体晶粒度；
图6为热处理后的23CrNi3Mo材料渗碳层原奥氏体晶粒尺寸分布。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明，但实施例仅在于说明本发明，而不是对其进行限制。
实施例中所涉及的23CrNi3Mo材质化学成分为见表1：
表1
实施例1：
23CrNi3Mo的一种热处理工艺，具体步骤为：
1）将未处理的23CrNi3Mo置入渗碳炉中加热，在温度为890°C~960°C的条件下进行渗碳处理10h，渗碳层深度为1.2~1.5mm，碳浓度为0.8~1.0%；
2） 将渗碳后得到的材料在580°C~720°C恒温3-5h进行高温回火，然后随炉冷却至150°C，出炉空冷至常温，再置于850°C ~900°C的淬火溶液中进行加热，淬火加热时间为30min ~60min，待其完全奥氏体化；
3）将淬火加热后所得的材料在240°C ~285°C的冷却介质中冷却，至淬火后的材料与冷却介质的温度相同，且均温30 min ~100min；
4）将步骤3）所得材料在150°C~200°C低温回火4小时后取出空冷；
通过上述步骤完成对23CrNi3Mo的热处理加工。
对经热处理后所得的23CrNi3Mo材料在实验室进行了显微组织、显微硬度及晶粒度的分析，如图1-6所示：
图1为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的低倍显微组织，从整体进行观察，宏观上看该材料外表面到基体的显微组织过渡，可看出从外到里组织变化，证明其从里到外不是单一组织。
图2中a-f为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的高倍显微组织；其中a、b、c、d是表层至过渡区组织放大图，可见片状高碳马氏体；f是基体组织高倍放大图，可见竹叶状下贝氏体；e可见片状高碳马氏体与竹叶状下贝氏体。
图3为热处理后的23CrNi3Mo材料由外表面到基体的SEM照片；如图3中的c所示，在试样渗碳层的高碳马氏体组织上可观察到少量球状的碳化物颗粒。
综合图2及图3，可以看出热处理后的23CrNi3Mo材料的组织过渡。
图4为热处理后的23CrNi3Mo材料显微硬度梯度；综合考虑显微硬度梯度和显微组织，以HV550为渗碳层深度的判定依据。实施例1所得的经热处理后的23CrNi3Mo的渗碳层深度为1.4mm左右。另外，图4中的曲线为为两组热处理后的23CrNi3Mo从外表面往里硬度梯度，可以看出硬度有着平滑的过渡，此状态趋近理想状态，组织有着明显的过渡。
图5为热处理后的23CrNi3Mo材料渗碳层原奥氏体晶粒度；采用Imagetool软件进行统计分析，图6为热处理后的23CrNi3Mo材料渗碳层原奥氏体晶粒尺寸分布。
综合金相照片、SEM照片和显微硬度梯度，在材料的最外组织为贝氏体+马氏体的混合组织，显微硬度为HV500；渗碳层为高碳马氏体组织，显微硬度可达到HV700以上；过渡区为马氏体+下贝氏体的混合组织；基体为下贝氏体组织，显微硬度为HV360-480，还有极少马氏体，见图3中e所示。
本发明提供的经过热处理的23CrNi3Mo，相对现有技术有如下优点：
应用于钻具零件的制备时，由于通过相对较高的淬火温度及冷却介质温度，使得工件表层获得了高碳马氏体，具备较高的强度和耐磨性；过渡区为马氏体+下贝氏体的混合组织，使其与表层硬度及韧性有着合理的过渡；基体为下贝氏体组织，还有极少马氏体，显微硬度为HV360-480，从而更有利于钻头后续机械加工，降低了加工成本。
Claims (1)
1.一种23CrNi3Mo的热处理方法，其特征在于，具体步骤为：
1）将未处理的23CrNi3Mo置入渗碳炉中加热，在温度为890℃~960℃的条件下进行渗碳处理10h，渗碳层深度为1.2~1.5mm，碳浓度为0.8~1.0%；
2）将渗碳后得到的材料在580℃~720℃恒温3-5h进行高温回火，然后随炉冷却至150℃，出炉空冷至常温，再置于850℃ ~900℃的淬火溶液中进行加热，淬火加热时间为30min ~60min；
3）将淬火加热后所得的材料在240℃~285℃的冷却介质中冷却，至淬火后的材料与冷却介质的温度相同，且均温30min~100min；
4）将步骤3）所得材料在150℃~200℃低温回火4小时后取出空冷；
通过上述步骤完成对23CrNi3Mo的热处理加工；对热处理后的23CrNi3Mo进行显微组织分析，由外层到心部组织依次为：
a、渗碳层 高碳马氏体组织，渗碳层的显微硬度为HV700以上；
b、过渡区 马氏体+下贝氏体的混合组织；
c、基体 下贝氏体组织及马氏体，基体的显微硬度为HV360-480。
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