CN103352111A - 三牙轮钻头牙爪的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三牙轮钻头牙爪的热处理方法，包括渗碳、第一次淬火、第二次淬火和回火处理。本发明的热处理方法与现有技术相比采用了两次淬火工艺，第一次淬火提高了牙爪心部韧性，第二次淬火改善牙爪表层的金相组织结构和机械性能；本发明的热处理方法与现有技术中碳势为0.95-1.05%的低浓度渗碳相比，提高了渗碳浓度至1.15-1.4%，增加了牙爪的渗碳深度。

Description

三牙轮钻头牙爪的热处理方法

【技术领域】

本发明涉及一种热处理方法，具体涉及一种矿用三牙轮钻头的牙爪的热处理方法。

【背景技术】

三牙轮钻头是矿石开采中用于钻孔的关键工具，广泛应用于石油、天然气的勘探、开采。目前，三牙轮钻头在装配过程中牙轮内腔、牙爪轴颈和滚动体组成类似轴承结构，牙爪用来支撑牙轮。由于矿用三牙轮钻头工作环境比较恶劣，因此使用寿命普遍较短，影响三牙轮钻头的使用寿命的关键因素为上述类似轴承结构的耐磨性，而上述类似轴承结构的耐磨性能主要取决于牙爪的机械性能。也就是说，牙爪的机械性能决定了牙轮钻头的使用寿命。在制备牙爪的过程中，需要对其进行热处理以提高其机械性能。

目前，典型的用于制备三牙轮钻头牙爪的材料是美国牌号为E30的材料，相当于国内的15CrNiMo，其主要成分以重量百分比计包括：0.12-0.17%的C、0.70-0.90%的Mn、0.15-0.35%的Si、0.70-1.00%的Ni、0.45-0.65%的Cr、0.45-0.60%Mo、≤0.20%的Cu、≤0.035%的P、≤0.020%的的S，余量Fe。该材料经过热处理后，表面具有很高的硬度、耐磨性和抗疲劳强度，机械性能提高。现有技术中，对牙爪进行热处理时，通常采用一次淬火工艺，无法完全消除牙爪中存在的金相组织缺陷，具有残余奥氏体较多、碳化物较多并呈网状、晶粒粗大等缺陷，严重影响了牙爪的机械强度，进而降低了三牙轮钻头的使用寿命。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种矿用三牙轮钻头的热处理方法，改善了牙爪表面金相组织结构，增加了牙爪的硬度。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种三牙轮钻头牙爪的热处理方法，包括如下步骤：

渗碳处理：将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.15-1.4%的渗碳气氛下进行渗碳处理；

第一次淬火：将所述高浓度渗碳处理后的牙爪置于淬火炉，升温至900-920℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第二次淬火：将所述第一次淬火处理后的牙爪置于淬火炉，升温至810-830℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

回火：将所述第二次淬火处理后的牙爪置于回火炉里，升温至160-180℃，保温，出炉空冷至室温。

优选地，所述第一次淬火处理的温度为910℃。

优选地，所述第二次淬火处理的温度为820℃。

优选地，所述回火处理的温度为170℃。

优选地，所述渗碳处理包括：

a、将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.3-1.4%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行渗碳处理；

b、将步骤a处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行扩散处理；

c、将步骤b处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下降温至840-860℃，出炉空冷至室温。

本发明的热处理方法与现有技术相比采用了两次淬火工艺，第一次淬火提高了牙爪心部韧性，第二次淬火改善牙爪表层的金相组织结构和机械性能；本发明的热处理方法与现有技术中碳势为0.95-1.05%的低浓度渗碳相比，提高了渗碳浓度至1.15-1.4%，增加了牙爪的渗碳深度。

【附图说明】

图1是本发明实施例2的牙爪的表面金相组织图；

图2是本发明实施例3的牙爪的表面金相组织图；

图3是对比例2的牙爪的表面金相组织图；

图4是对比例3的牙爪的表面金相组织图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种三牙轮钻头牙爪的热处理方法的实施方式，包括如下步骤：

渗碳处理：将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.15-1.4%的渗碳气氛下进行渗碳处理；

第一次淬火：将所述高浓度渗碳处理后的牙爪置于淬火炉，升温至900-920℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第二次淬火：将所述第一次淬火处理后的牙爪置于淬火炉，升温至810-830℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

回火：将所述第二次淬火处理后的牙爪置于回火炉里，升温至160-180℃，保温，出炉空冷至室温。

本发明所述的牙爪是指本领域技术人员熟知的用于矿用三牙轮钻头中的牙爪，牙爪材质优选为美国牌号为E30型钢或国内的15CrNiMo，典型成分以重量百分比计包括：0.12-0.17%的C、0.70-0.90%的Mn、0.15-0.35%的Si、0.70-1.00%的Ni、0.45-0.65%的Cr、0.45-0.60%Mo、≤0.20%的Cu、≤0.035%的P、≤0.020%的的S，余量Fe。本发明中的牙爪的材质并不限于此，也可以为其它材质的牙爪。所述牙爪是经机加工处理后的牙爪。

按照本发明，首选对牙爪进行渗碳处理，渗碳处理优选采用如下工序：

a、将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.3-1.4%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行渗碳处理；

b、将步骤a处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行扩散处理；

c、将步骤b处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下降温至840-860℃，出炉空冷至室温。

渗碳处理时的步骤a中的碳势优选为1.4%，步骤b中的碳势最优选为1.2%，步骤c中的碳势最优选为1.15%。在渗碳处理工序中，步骤a为强渗工序，该步骤中的碳势最高，此时可以使碳原子充分的扩散至工件表面，增加渗碳层的深度；步骤b和步骤c的碳势逐渐降低，这样可以增加最表面的碳化物的浓度，从而提高表面硬度，进一步提高耐磨性。

按照本发明，渗碳处理后，将牙爪进行第一次淬火处理，将所述高浓度渗碳处理后的牙爪置于淬火炉，升温至900-920℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温，优选地，淬火处理的温度为910℃，第一次淬火提高了牙爪心部韧性。

第一次淬火后，牙爪表面的金相组织还具有残余奥氏体较多、碳化物较多并呈网状、晶粒粗大等缺陷，机械强度不够。

在第一次淬火处理之后，进行第二次淬火处理，将所述第一次淬火处理后的牙爪置于淬火炉，升温至810-830℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温，优选地，淬火处理的温度为820℃，第二次淬火改善了牙爪表层的金相组织结构和机械性能。

第二次淬火处理后，对牙爪进行低温回火处理，将所述第二次淬火处理后的牙爪置于回火炉里，升温至160-180℃，保温，出炉空冷至室温，优选地，回火处理的温度为170℃。

在上述渗碳处理工艺中，所述渗碳处理工序在渗碳炉中进行，可根据需要调整渗碳炉气氛。对于碳源气氛，本发明并无特别限制，可以使用本领域技术人员熟知的丙烷、甲醇、丙酮等，只要能够满足本发明中的碳势要求即可，碳源气氛的使用也属于本领域技术人员公知的常识。

在上述渗碳、第一次淬火、第二次淬火和回火处理中，本领域的技术人员可根据工件大小、装炉量进行选择确定保温时间，属于本领域技术人员的常规技术手段。

以下用具体实施例说明本发明的效果，但是本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例和比较例中的牙爪材质为15CrNiMo，典型成分以重量百分比计包括：0.12-0.17%的C、0.70-0.90%的Mn、0.15-0.35%的Si、0.70-1.00%的Ni、0.45-0.65%的Cr、0.45-0.60%Mo、≤0.20%的Cu、≤0.035%的P、≤0.020%的的S，余量Fe。

实施例1：

本发明实施例1提供了一种牙爪的热处理方法，步骤如下：

渗碳处理，包括：

a、在碳势为1.3%的气氛下、温度为930℃下渗碳18小时；

b、保持温度不变，碳势降为1.15%，扩散12小时；

c、在碳势为1.15%的气氛下降温至860℃，出炉空冷；

渗碳处理后，进行第一次淬火处理，升温至900℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第一次淬火处理后，进行第二次淬火处理，升温至810℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第二次淬火处理后，进行回火处理，升温至160℃，保温6小时，出炉空冷至室温。

实施例2-实施例5：

实施例2-实施例5分别提供了牙爪的热处理方法，与实施例1相比主要改变了渗碳处理条件、第一次和第二次淬火温度、回火温度，其它条件不变，具体改变参数如表1所示：

表1实施例2-实施例5的工艺参数

	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
					步骤a碳势%	1.4	1.4	1.35	1.25
步骤a温度℃	930	920	930	930

步骤b碳势%	1.3	1.2	1.15	1.15
					步骤b温度℃	930	920	930	930
步骤c碳势%	1.3	1.2	1.15	1.15
					步骤c降至温度℃	840	850	840	860
第一次淬火温度℃	910	920	900	910
					第二次淬火温度℃	820	830	820	820
回火温度℃	170	180	170	160

对比例1：

对比例1提供了一种牙爪的热处理方法，步骤如下：

渗碳处理，包括：

a、在碳势为1.25%的气氛下、温度为930℃下渗碳18小时；

b、保持温度不变，碳势降为0.95%，扩散12小时；

c、在碳势为0.95%的气氛下降温至840℃，出炉空冷；

渗碳处理后，进行第一次淬火处理，升温至920℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第一次淬火处理后，进行第二次淬火处理，升温至820℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第二次淬火处理后，进行回火处理，升温至160℃，保温6小时，出炉空冷至室温。

对比例2：

对比例2提供了一种牙爪的热处理方法，步骤如下：

渗碳处理，包括：

a、在碳势为1.4%的气氛下、温度为910℃下渗碳18小时；

b、保持温度不变，碳势降为1.05%，扩散12小时；

c、在碳势为1.05%的气氛下降温至840℃，出炉空冷；

渗碳处理后，进行淬火处理，升温至850℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

淬火处理后，进行回火处理，升温至170℃，保温6小时，出炉空冷至室温。

对比例3：

对比例3提供了一种牙爪的热处理方法，步骤如下：

渗碳处理，包括：

a、在碳势为1.3%的气氛下、温度为910℃下渗碳18小时；

b、保持温度不变，碳势降为1.05%，扩散12小时；

c、在碳势为0.95%的气氛下降温至840℃，出炉空冷；

渗碳处理后，进行淬火处理，升温至850℃，保温2小时，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

淬火处理后，进行回火处理，升温至170℃，保温2小时，出炉空冷至室温。

对实施例1-5、对比例1-3进行取样测试，具体测试结果请参阅表2所示。

表2本发明的实施例和对比例牙爪性能测试结果

表2的结果表明，经过两次淬火处理（实施例1-5、对比例1）的牙爪表面硬度高于经过一次淬火处理（对比例2-3）的牙爪表面硬度，经过两次淬火处理的牙爪在表面碳化物级别、表面马氏体及残余奥氏体级别上也优于经过一次淬火处理的牙爪，请参阅图1-图4所示，其中，图1、图2所示分别为实施例2、实施例3的牙爪表面在放大500倍下的金相组织图，图3、图4分别为对比例2、对比例3的牙爪表面在放大500倍下的金相组织图。图1、图2所示金相组织图组织均匀、晶粒微小、结合致密，少量细小且分布均匀的碳化物颗粒；图3、图4所示金相组织图碳化物较多呈块状，分布较密，残余奥氏体多，晶粒粗大。也就是说经过两次淬火处理的牙爪的机械性能比经过一次淬火处理的牙爪的机械性能好。采用高浓度渗碳处理（实施例1-5）的牙爪与采用低浓度渗碳处理（对比例1）的牙爪相比，有效硬化层深更大、表面含碳量更高，也就是说采用高浓度渗碳处理的牙爪具有更好的渗碳效果，进一步提高牙爪的硬度和耐磨性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三牙轮钻头牙爪的热处理方法，包括如下步骤：

渗碳处理：将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.15-1.4%的渗碳气氛下进行渗碳处理；

第一次淬火：将所述高浓度渗碳处理后的牙爪置于淬火炉，升温至900-920℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

第二次淬火：将所述第一次淬火处理后的牙爪置于淬火炉，升温至810-830℃，保温，出炉浸入淬火油中冷却至室温；

回火：将所述第二次淬火处理后的牙爪置于回火炉里，升温至160-180℃，保温，出炉空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第一次淬火处理的温度为910℃。

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第二次淬火处理的温度为820℃。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述回火处理的温度为170℃。

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述渗碳处理包括：

a、将牙爪置于渗碳炉，在碳势为1.3-1.4%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行渗碳处理；

b、将步骤a处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下、温度为900-930℃的条件下进行扩散处理；

c、将步骤b处理后的牙爪在碳势为1.15-1.2%的渗碳气氛下降温至840-860℃，出炉空冷至室温。

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