CN111394563B - 直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺，包含如下步骤：（1）将钎杆加热进行奥氏体化；（2）将经过步骤（1）处理的钎杆浸入温度为75～100℃的热水中进行淬火，待钎杆整体直接被淬火成淬火索氏体组织后将其取出；（3）将步骤（2）所得的钎杆进行冷却，得到最终成品。本发明的热处理工艺巧妙，一次性地将重型钎杆以热水淬火的方式淬火成成品所需的淬火索氏体组织，生产效率很高，成本只是普通调质热处理的50%，整体工艺更环保；所得的重型钎杆服役期比现有的通过调质热处理的重型钎杆能提高75%以上，不但节约了钎杆使用成本，还节省了钢材资源，尤其在目前重型钎杆每年几乎以指数型增长的情况下，经济效益和环境效益巨大。

Description

直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺

技术领域

本发明属于热处理领域，尤其涉及一种用75～100℃的热水把重型钎杆淬火成为淬火索氏体组织的直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺。

背景技术

随着采矿业、隧道开凿、水利工程和城市基建等凿岩工程量的加大，重型钎杆需求量呈指数式增长(2017年至2019年增长了十倍以上)。重型钎杆是主要指直径≥φ195mm的钎杆，钢种42CrMo，生产工艺为先锻打车削成型，然后调质热处理而成。

调整热处理的目的是，根据重型钎杆的环境工况，要求钎杆：1).整体吸收冲击功的能力较强，要求钎杆心部不易疲劳剥落型磨损；2).尾部因为被破碎锤撞击，要求不易掉块式剥落磨损。综上所述，要求钎杆整体追求稍硬，要求钎杆心部和尾部(尾部凸出部分也是心部)相比整体而言偏软。

索氏体组织中回火索氏体较好，能满足耐磨损耐冲击性等综合指标，故一直以来的钎杆生产工艺中，都是使用回火索氏体，行业内也一直在对工件的生产过程进行最优的改进控制，追求工件获得性能最好、质量最稳定的回火索氏体组织。大致生产工艺为，钎杆先盐水淬火成马氏体，再回火成为回火索氏体，尾部再经硝盐第二次回火，变成稍软的索氏体组织，以满足钎杆的整体需求。

之所以使用盐水淬火，是因为一般工件在水中淬火立即被蒸汽膜包围，该现象又称为“稳定膜沸腾”，蒸汽膜的导热性极差，导致淬火工件形不成马氏体。而人们发现盐水中的食盐受热易在钎杆表面结晶，又容易立即爆裂引起破碎蒸汽膜，让淬火顺利进行，故盐水淬火得到了行业的广泛认可和推广。

但是，即便如此，钢材的淬透性仍是有限制的，即使用盐水淬火的淬透半径≤55mm，淬透小型钎杆没有问题。但是，淬透重型钎杆时存在困难，对于这个问题，目前的各大厂家的做法是，要么使用购买的昂贵的淬火液(但也只能改善，淬透半径依然≤75mm，仍然淬不透直径≥φ195mm的重型钎杆)，工艺成本很高，导致生产商难以承受；要么依然使用传统的生产小型钎杆时使用的工艺，虽然钎杆淬不透，但是也能使用，由于钎杆心部的组织的耐磨性很差，其实还是热轧时形成的原始珠光体组织，故使用这种钎杆时，钎杆损耗较高，其比全部淬透钎杆的磨损速度快5～6倍，长期使用成本也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生产工艺简洁、生产成本低、生产周期短、生产过程及其环保且成品适应性能好、使用寿命长的重型钎杆热处理工艺。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺，包含如下步骤：

(1)将钎杆加热进行奥氏体化；

(2)将经过步骤(1)处理的钎杆浸入温度为75～100℃的热水中进行淬火，待钎杆整体直接被淬火成淬火索氏体组织后将其取出；

(3)将步骤(2)所得的钎杆进行冷却，得到最终成品。

本发明人是在本领域具有几十年工作研究经验的高级技术人员，之所以得到这个热处理工艺，是发明人基于对大直径钢件淬透性的长期研究，再加上对蒸汽膜导热性长期研究之后的反其道而行之的结果。

钎杆热处理要成功有两大关键要求：

一是允许工件冷却时间的范围越宽越容易成功。

钎杆生产过程中，马氏体淬火必须控制在几秒钟内，即在几秒的时间内让钎杆的整体(尤其是心部)温度降到300℃以下，这样才能成功获得淬火马氏体组织，所以人们一直致力于研究出淬透性特别高的钢材，或者是能够使工件导热速度特别快的淬火液。但是，对于大直径的重型钎杆，炽热钎杆心部的温度在几秒钟内怎么也降不到Ms点(即马氏体临界点300℃以下)，这就是重型钎杆心部淬不透的原因。

二是临界温度范围越高且越宽最容易成功。

马氏体淬火的温度是低于300℃，温度较低。

从教科书的C曲线图可知，索氏体淬火可以将淬火温度宽松到600～500℃，时间可以在几百秒范围，显然淬火索氏体容易成功。

本发明的重型钎杆的生产工艺相较于传统工艺反其道而行，一是工件表面冷却要慢，利用“稳定膜沸腾”阶段的导热性极差，阻碍了工件马氏体相变的最低冷却速度要求，使之只能形成淬火索氏体；二是给予工件心部冷却的足够时间，“稳定膜沸腾”阶段保证了心部淬火索氏体形成的时间(由于炽热的高温钎杆进入水中，钎杆四周发生蒸汽膜包围，称“稳定膜沸腾”现象，只要表面温度在300℃以上时，工件即为“稳定膜沸腾”阶段)。由此，工件的表面和心部看似不可思议的一对矛盾，“稳定膜沸腾”竟能同时一并解决，更神奇的是由于没有涉及马氏体相变的体积膨胀，因此不需要去应力回火；由于尾部的冲击韧性足够，所以也不需要很不环保的亚硝酸盐处理(淬火索氏体因具有较好的抗冲击韧性，金属制品领域钢丝拉拔就几乎全部用淬火索氏体，目的就是为了获得淬火索氏体的抗冲击韧性不易拉断，因为若是用了一般的退火工艺，就会钢丝强度太低容易拉断，钢丝淬火成淬火索氏体工艺已经用了160多年)。

虽然淬火索氏体与回火索氏体的耐磨性比，约为1∶(1.1～1.5)，但是比起调质失败的钎杆心部只能是热轧的原始珠光体组织，淬火索氏体的耐磨性要高出近一倍，故发明人通过该对钎杆整体性能作退而求其次的让步，对心部性能提升的这一个做法，巧妙地做出了该发明的技术方案！

水温对淬火有很大影响。通常马氏体淬火水温40℃以下最适宜，这是因为水温达到60～70℃后，淬火容易失败。若水温升高到100℃就产生蒸汽膜，淬火完全失败。而本发明人基于上述的反其道而行之的发现之后，之所以选择热水温度为75～100℃，是因为：要是水温太低，工件进入水中的一瞬间，可能无法保证工件表面百分百形成蒸汽膜包围，即产生稳定膜沸腾现象。若是没有形成稳定膜沸腾，那这一瞬间的水的导热性就很好，在工件表面就会形成少量的马氏体，导致淬火索氏体组织的失败。故发明人一直在追求水温的底线，既要满足瞬间避免形成马氏体组织，又要追求硬度较高的索氏体组织，最后得到了85～75℃这个水温区间。

同时，发明人经过研究发现，在可以瞬间形成稳定膜沸腾的前提下，初始水温在75～100℃范围内越低，最后工件形成的淬火索氏体组织的硬度越高。发明人经过试验发现，将淬火的热水温从100℃降低到85～75℃时，经过索氏体淬火的钎杆心部硬度经过试验能够达到HV498以上，这时重型钎杆的服役期能比现有的提高3～5倍，接近于小钎杆的服役期是重型钎杆服役期的5-6倍的效果，故作为优选，所述步骤(2)中，选择热水温度为85～75℃。

作为优选，所述步骤(2)中，所述热水为清水或自来水，其中没有添加其他添加剂。这里尤其要避免使用盐水，因为盐水会破坏稳定膜沸腾，而本发明正是需要稳定膜沸腾效应进行平衡。

作为优选，所述步骤(2)中，钎杆完成淬火后，取出的方式为将其吊出。

作为优选，所述步骤(1)中，所述钎杆的钢种为42CrMo，所述奥氏体化处理为将钎杆进行845℃×4h的加热。钎杆直径与奥氏体化时间的关系，这个属于热处理基本常识，教科书或工艺手册都有。

作为优选，所述步骤(1)中，所述钎杆的直径≥φ195mm。在重型钎杆中，直径≥φ195mm的钎杆是用量最多的一种。

作为优选，所述步骤(2)中，控制钎杆淬火的时间为从将钎杆浸入热水至让钎杆心部热量大部分释放到热水中，直至心部温度降至600～500℃的范围内，更优地，控制淬火时间为2min～6min。进一步地，控制淬火的时间为4min。

作为优选，所述步骤(3)中，钎杆的冷却方式为将钎杆吊起进行空冷至室温。

本发明还公开了一种直径≥φ175mm重型钎杆，其组织为根据上述的热处理工艺所得的淬火索氏体组织。作为优选，所述钎杆的直径≥φ195mm。

本发明的有益效果是：

本发明的热处理工艺巧妙，一次性地将重型钎杆以热水淬火的方式淬火成成品所需的淬火索氏体组织，生产效率很高，而且因为只经过一次淬火即可，不需要后续的硝盐等回火，故成本只是普通调质热处理的50％，而且正因为没有很不环保的硝盐回火，故整体工艺更环保；由于心部才是重型钎杆的前端尖头部分，故重型钎杆硬度只需对比心部，而沸水淬火索氏体组织的硬度HV440比热轧珠光体的硬度HV298要高得多，同时耐磨性几乎正比于硬度，使得本发明沸水淬火索氏体工艺下所得的重型钎杆服役期比现有的通过调质热处理的重型钎杆能提高75％以上，尤其是将淬火的热水温从100℃降低到85～75℃时，经过索氏体淬火的钎杆心部硬度经过试验能够达到HV498以上，这时重型钎杆的服役期能比现有的提高3～5倍，接近于小钎杆的服役期是重型钎杆服役期的5-6倍的效果，不但节约了钎杆使用成本，还节省了钢材资源，减少了钎杆更换的次数，尤其在目前重型钎杆每年几乎以指数型增长的情况下，社会效益、经济效益和环境效益巨大。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明实施例1的100℃沸水淬火工艺下的试样HQ-20-15用φ195×300mm圆钢模拟φ195mm钎杆后圆钢心部的500倍显微镜下组织照片；

图2为本发明实施例2的85-75℃热水淬火工艺下的试样HQ-20-16用φ195×300mm圆钢模拟φ195mm钎杆后圆钢心部的500倍显微镜下组织照片；

图3为现有的调质热处理方法下没有淬透的情况下试样HQ-19-16φ195mm钎杆的500倍显微镜下心部组织照片。

具体实施方式

直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺，包含如下步骤：

(1)将钎杆加热进行奥氏体化；

(2)将经过步骤(1)处理的钎杆浸入温度为75～100℃的热水中进行淬火，待钎杆整体直接被淬火成淬火索氏体组织后将其吊出；

(3)将步骤(2)所得的钎杆进行冷却，得到最终成品。

所述热水为清水，其中没有添加其他添加剂。

所述步骤(1)中，所述钎杆的钢种为42CrMo，所述奥氏体化处理为将钎杆进行845℃×4h的加热。

所述步骤(1)中，所述钎杆的直径≥φ195mm。

所述步骤(2)中，控制钎杆淬火的时间为从将钎杆浸入热水至让钎杆心部热量大部分释放到热水中，直至心部温度降至600～500℃的范围内，时间为4分钟。

所述步骤(3)中，钎杆的冷却方式为将钎杆吊起进行空冷至室温。

实施例1

如图1所示为本发明的100℃沸水淬火工艺下的试样HQ-20-15用φ195×300mm圆钢模拟φ195mm钎杆后圆钢心部的500倍显微镜下组织照片，镜头中的黑斑是显微镜污染请忽略，试样HQ-20-15显示是不太完美的淬火索氏体，经测试，其硬度为HV440；

实施例2

如图2所示为本发明的85-75℃热水淬火工艺下的试样HQ-20-16用φ195×300mm圆钢模拟φ195mm钎杆后圆钢心部的500倍显微镜下组织照片，镜头中的黑斑是显微镜污染请忽略，试样HQ-20-16显示是更完美的淬火索氏体，经测试，其硬度为HV498。

对比例

如图3所示为现有的调质热处理方法下没有淬透的情况下试样HQ-19-16φ195mm钎杆的500倍显微镜下心部组织照片，可见其几乎是原始的热轧珠光体，热轧珠光体的硬度为HV298。

对比实施例1、2和对比例可见，本发明的75～100℃的热水淬火工艺下的直径≥φ195的试样心部组织形成了淬火索氏体，其相比对比例现有的调质热处理方法下心部淬不透时的组织好，硬度更好，故使用寿命更长。并且，组织85-75℃热水淬火工艺下所得的试样淬火索氏体组织比100℃沸水淬火工艺下所得的试样淬火索氏体组织更好，使用寿命进一步增长。

浙江湖州某钎杆厂每年生产大于φ195mm的重型钎杆1.2万吨，每年提升的经济价值约为1.2×10⁴×￥2500元＝￥3000万元。全国年产约18万吨，一年可增产节约￥4.5亿元，还不包括改进后的效益，更为重要的是节省了钢材资源，再说重型钎杆每年几乎是指数型增长，另外还不包括能够推广到其他行业，因此经济效益还是可观的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.直径≥φ175mm的重型钎杆热处理工艺，其特征在于，包含如下步骤：

(1)将钎杆加热进行奥氏体化；

(2)将经过步骤(1)处理的钎杆浸入温度为75～100℃的热水中进行淬火，待钎杆整体直接被淬火成淬火索氏体组织后将其取出；

(3)将步骤(2)所得的钎杆进行冷却，得到最终成品；

所述步骤(1)中，所述钎杆的钢种为42CrMo。

2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，所述钎杆的直径≥φ195mm。

3.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，选择热水温度为85～75℃。

4.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，所述热水为清水。

5.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，控制钎杆淬火的时间为2-6分钟。

6.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，钎杆的冷却方式为将钎杆吊起进行空冷至室温。

7.一种直径≥φ175mm重型钎杆，其特征在于，其组织为根据权利要求1-6任一项所述的热处理工艺所得的淬火索氏体组织。

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