CN111500927A - 一种钎头壳体的钢材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钎头壳体的钢材及其制备方法，涉及凿岩钻具的技术领域，其钢材的化学成分包括，0.22‑0.34%C；0.10‑0.35% Si；0.40‑0.60% Mn；P≤0.030%；S≤0.030%；1.10‑1.40% Cr；0.20‑0.45% Mo；3.90‑4.30% Ni。铬在钢材中能起到增强钢的淬透性并有二次硬化作用并使钎头壳体具有良好的抗腐蚀性和抗氧性，提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，同时铬还能够提高钢的高温机械性能，降低了钻岩过程产生的高温对钎头壳体的性能影响。在化学成分上将钒替换为铬，使得钎头壳体获得更为均匀的强度、韧性以及疲惫强度，赋予钎头壳体更加良好的强度和耐磨性能。同时通过其余金属元素的配比调整，使得钎头壳体更适用于石灰岩地域的岩石钻凿。
Description
技术领域
本发明涉及凿岩钻具的技术领域，更具体地说，它涉及钎头壳体的钢材及其制备方法。
背景技术
钎头是用于凿岩施工的一种钻具，广泛应用于各种采掘工程和石方工程。
公告号为CN205618084U的中国专利公开了一种螺纹钎头，包括呈圆柱状设置的钎头壳体，在钎头壳体顶部设有若干球齿，钎头壳体的外圆周面上位于钎头壳体直径的两端分别设有定位孔以及与定位孔配合的定位柱，定位柱内设有固定定位柱的固定部件。
公开号为CN1034396A的中国专利公开了一种钎头壳体钢25SiMnCrNiMoV，其包括0.23-0.28％C、1.55-1.75％Si、1.35-1.55％Mn、1.30-1.70％Ni、0.60-0.70％Mo、0.07-0.15％V。
上述技术方案实际应用过程中，具有较为良好的性能，但是在耐磨性能上依旧存在缺陷，导致钎头壳体的使用寿命较短，有待改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钎头壳体的钢材，具有耐磨性能良好且不易崩坏的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种钎头壳体的钢材，其化学成分包括，
通过采用上述技术方案，钒在钢中的作用是增强淬透性和碳化物，并且能耐高温，提高钢材的硬度，且能够细化晶粒，稳定结构。而铬在钢材中同样能起到增强钢的淬透性并有二次硬化作用并使钎头壳体具有良好的抗腐蚀性和抗氧性，提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，同时铬还能够提高钢的高温机械性能，降低了钻岩过程产生的高温对钎头壳体的性能影响。
此外，在化学成分上将钒替换为铬，使得钎头壳体获得更为均匀的强度、韧性以及疲惫强度，赋予钎头壳体更加良好的强度和耐磨性能。同时通过其余金属元素的配比调整，使得钎头壳体更适用于石灰岩地域的岩石钻凿。
硫和磷是由生铁带入钢材中的有害杂质，通过除磷和除硫能够提高钎头壳体的韧性和耐磨性并降低钢材的脆性。而锰则能够与残留大部分硫优先形成高熔点的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定的塑造性，从而避免了钢材的热脆性，使得钎头壳体具备优良的热稳定性，能够抵抗钻凿过程中持续的高温，从而提高了钎头壳体的使用寿命。
进一步地，钢材的化学成分包括，
通过采用上述技术方案，在化学成分比例上，适当降低了C的含量，使得钎头壳体的钢材转化为渗碳钢，在耐磨性、承受高接触应力上获得显著提升。同时，镍和碳不形成碳化物，含镍钢的碳含量可适当降低，因而可使韧性和塑性有所改善，镍能够提高钢的疲劳抗力，减小钢对缺口的敏感性，降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性，从多个层面上使得钎头壳体具备优良的耐磨性能和使用寿命，且不易崩裂。
进一步地，钢材的化学成分包括，
通过采用上述技术方案，钼在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，它是缩小奥氏体相区的元素，当钼含量较低时，与铁、碳形成符合的渗碳体，含量较高时可形成钼的特殊碳化物。钼能够提高钢的淬透性，其作用比铬强，而稍逊于锰。钼可以提高钢的回火稳定性，与铬、锰等金属元素并存时，钼能够降低或抑制其他元素所导致的回火脆性。
钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，对改善钢的延展性、韧性以及耐磨性起到有利作用。由于钼使形变强化后的软化温度以及再结晶温度提高，并极大提高铁素体的蠕变抗力。可以有效抑制渗碳体在450-600℃下聚集，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢热强性的最有效的合金元素。
进一步地，所述钢材氧含量不大于15ppm，氢含量不大于2ppm。
通过采用上述技术方案，保证了钢结构的稳定性，提高了钎头壳体的强度、耐磨性以及使用寿命等性能。
本发明的另一目的在于提供一种钎头壳体的钢材的制备方法，包括以下步骤：
S1，炼铁，将烧结矿在高炉中还原成铁水；
S2，炼钢，按照各元素的重量配比称取合金原料，在转炉或电炉中将合金原料投入铁水中炼制成钢，冶炼后的钢水在LF精炼炉或VD炉进行精炼处理，精炼后的钢水在连铸机浇注成连铸坯；
S3，轧钢，连铸坯经加热炉加热后轧制成规定规格的钢材；
S4，后处理，钢材经退火炉进行软化退火处理，随后进行修磨、探伤及检验；
S5，回火，对钢材进行锻打，再放入真空炉中回火；
S6，渗碳；
S7，淬火。
进一步地，包括以下步骤：
S1，炼铁，将烧结矿在高炉中还原成铁水，高炉的温度为1500-1700℃；
S2，炼钢，按照各元素的重量配比称取合金原料，在转炉或电炉中将合金原料投入铁水中炼制成钢，钢包的温度为1550-1650℃，冶炼后的钢水在LF精炼炉及VD炉进行精炼处理，精炼后的钢水在连铸机浇注成连铸坯，炼钢-连铸周期为4-7h；
S3，轧钢，加热炉温度900-1100℃，连铸坯经加热炉加热后轧制成规定规格的钢材，轧制周期在5-7h；
S4，后处理，钢材经退火炉进行软化退火处理，在900-1100℃退火处理20-30h，随后进行修磨、探伤及检验；
S5，回火，对钢材在800-1000℃条件下进行锻打，再放入700-900℃真空炉中回火10-12h；
S6，渗碳，在800-1060℃多气氛炉渗碳18-20h；
S7，淬火，在800-900℃多气氛炉淬火加热1-3h。
通过采用上述技术方案，采用特定的原料配比配合相应的工艺条件与步骤，使得体系形成介于23CrNi3Mo和30CrNi4Mo结构之间的奥氏体金相结构，使得钎头具备良好的强度和耐磨性平衡，适用于石灰岩地域的钻岩凿孔工作。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.铬在钢材中能起到增强钢的淬透性并有二次硬化作用并使钎头壳体具有良好的抗腐蚀性和抗氧性，提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，同时铬还能够提高钢的高温机械性能，降低了钻岩过程产生的高温对钎头壳体的性能影响。在化学成分上将钒替换为铬，使得体系形成30CrNi4Mo的金相结构，进而使得钎头壳体获得更为均匀的强度、韧性以及疲惫强度，赋予钎头壳体更加良好的强度和耐磨性能。同时通过其余金属元素的配比调整，使得钎头壳体更适用于石灰岩地域的岩石钻凿。
2.硫和磷是由生铁带入钢材中的有害杂质，通过除磷和除硫能够提高钎头壳体的韧性和耐磨性并降低钢材的脆性。而锰则能够与残留大部分硫优先形成高熔点的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定的塑造性，从而避免了钢材的热脆性，使得钎头壳体具备优良的热稳定性，能够抵抗钻凿过程中持续的高温，从而提高了钎头壳体的使用寿命。
3.在化学成分比例上，适当降低了C的含量，使得钎头壳体的钢材转化为渗碳钢，在耐磨性、承受高接触应力上获得显著提升。同时，镍和碳不形成碳化物，含镍钢的碳含量可适当降低，因而可使韧性和塑性有所改善，镍能够提高钢的疲劳抗力，减小钢对缺口的敏感性，降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性，从多个层面上使得钎头壳体具备更加优良的耐磨性能和使用寿命。
4.钼在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，它是缩小奥氏体相区的元素，当钼含量较低时，与铁、碳形成符合的渗碳体，含量较高时可形成钼的特殊碳化物。钼能够提高钢的淬透性，其作用比铬强，而稍逊于锰。钼可以提高钢的回火稳定性，与铬、锰等金属元素并存时，钼能够降低或抑制其他元素所导致的回火脆性。
5.钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，对改善钢的延展性、韧性以及耐磨性起到有利作用。由于钼使形变强化后的软化温度以及再结晶温度提高，并极大提高铁素体的蠕变抗力。可以有效抑制渗碳体在450-600℃下聚集，促进特殊碳化物的析出，因而成为提高钢热强性的最有效的合金元素。
6.采用特定的原料配比配合相应的工艺条件与步骤，使得体系形成介于23CrNi3Mo和30CrNi4Mo结构之间的奥氏体金相结构，使得钎头具备良好的强度和耐磨性平衡，适用于石灰岩地域的钻岩凿孔工作。
附图说明
图1是本发明提供的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
实施例1
一种钎头壳体的钢材，其化学成分如表3所示。
如图1所示，该钎头壳体的制备方法包括以下步骤：
S1，炼铁，将烧结矿在高炉中还原成铁水，高炉的温度为1500-1700℃；
S2，炼钢，按照各元素的重量配比称取合金原料，在转炉或电炉中将合金原料投入铁水中炼制成钢，钢包的温度为1550-1650℃，冶炼后的钢水在LF精炼炉及VD炉进行精炼处理，精炼后的钢水在连铸机浇注成连铸坯，炼钢-连铸周期为6h；
S3，轧钢，加热炉温度900-1100℃，连铸坯经加热炉加热后轧制成规定规格的钢材，轧制周期在6h；
S4，后处理，钢材经退火炉进行软化退火处理，在900-1100℃退火处理25h，随后进行修磨、探伤及检验；
S5，回火，对钢材在800-1000℃条件下进行锻打，再放入700-900℃真空炉中回火12h；
S6，杆部成型，通过加工中心进行杆部成型，车削外圆，留3mm余量，成型钻头后端的水孔和花键槽；
S7，渗碳，在800-1060℃多气氛炉渗碳20h；
S8，头部成型，通过加工中心进行头部成型，铣排粉槽，钻头布水孔，去除S6预留长度；
S9，淬火，在800-900℃多气氛炉淬火加热2h；
S10，钻角成型，通过加工中心对头部进行钻头成型。
在步骤S4的探伤中，钢材修磨后应逐支进行表面探伤，保证表面质量合格。钢材表面应无裂纹、毛刺、折叠、轧制结疤和夹渣。钢材的局部表面缺陷可去除，清除深度应保证钢材清除缺陷后不超出公称最小尺寸，修磨宽度至少应为深度的5倍。允许有从实际尺寸算起不超过尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕、麻点及深度不超过0.2mm的小裂纹存在。钢材应100％进行超声探伤，探伤精度按GB/T 4162中的A级执行。
在步骤S4中的检验中，钢材横截面酸浸低倍组织试片上不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、翻皮、白点等缺陷，酸浸低倍组织合格级别按ASTM E381进行评级，结果符合表1规定。
表1、低倍组织合格级别
| 规格(mm) | S | R | C |
| ≤100 | 2 | 2 | 2 |
| ＞100 | 3 | 3 | 3 |
钢材按ASTM E45中A法进行非金属夹杂物检验，所有样品均符合表2要求。
表2、非金属夹杂物合格级别
| 夹杂物类型 | A | B | C | D |
| 细系 | ≤3.0 | ≤2.0 | ≤1.0 | ≤2.0 |
| 粗系 | ≤2.5 | ≤2.0 | ≤1.0 | ≤20. |
钢材按ASTM E112规定检验奥氏体晶粒度，奥氏体晶粒度≥6.0级。
实施例2
与实施例1的区别在于，钎头壳体钢材的化学成分如表3所示。
对比例1
与实施例1的区别在于，钎头壳体钢材的化学成分如表3所示。
性能检测试验
耐磨性能、崩口情况测试：取三组样品在同一地区进行钻岩测试，试验地点为湖北麻城，岩层为花岗岩，配套设备为开山940钻机、开山580空压机，凿击频率控制为30Hz，转速为30r/min，工作风压为1.2-2.0MPa，测试结果如表4所示。
硬度测试：参照GB/T 230-91《金属洛氏硬度试验方法》对各组样品进行硬度检测，检测结果如表4所示。
表3、化学成分(％)
| 实施例1 | 实施例2 | 对比例1 | |
| C | 0.31 | 0.23 | 0.21 |
| Si | 0.28 | 0.25 | 0.23 |
| Mn | 0.51 | 0.50 | 0.71 |
| P | 0.012 | 0.019 | 0.016 |
| S | 0.005 | 0.007 | 0.009 |
| Cr | 1.26 | 1.28 | 1.30 |
| Mo | 0.24 | 0.30 | 0.26 |
| Ni | 4.13 | 4.10 | 3.03 |
表4、性能检验测试
由表3和表4可知，实施例2的化学成分配比，能够使得钎头壳体具备最良好的耐磨以及崩坏的平衡，钎头壳体在直径磨损量大于7mm的情况下将会报废，而实施例2的配比能够在石灰岩层的钻凿工作上达到最佳效益。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种钎头壳体的钢材，其特征在于：其化学成分包括，
C 0.22-0.34%；
Si 0.10-0.35%；
Mn 0.40-0.60%；
P ≤0.030%；
S ≤0.030%；
Cr 1.10-1.40%；
Mo 0.20-0.45%；
Ni 3.90-4.30%。
2.根据权利要求1所述的一种钎头壳体的钢材，其特征在于：其化学成分包括，
C 0.22-0.26%；
Si 0.10-0.35%；
Mn 0.40-0.60%；
P ≤0.030%；
S ≤0.030%；
Cr 1.10-1.40%；
Mo 0.20-0.45%；
Ni 3.90-4.30%。
3.根据权利要求2所述的一种钎头壳体的钢材，其特征在于：其钢材的化学成分包括，
C 0.22-0.26%；
Si 0.10-0.35%；
Mn 0.40-0.60%；
P ≤0.030%；
S ≤0.030%；
Cr 1.10-1.40%；
Mo 0.25-0.45%；
Ni 3.90-4.30%。
4.根据权利要求1所述的一种钎头壳体的钢材，其特征在于：所述钢材氧含量不大于15ppm，氢含量不大于2ppm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的钎头壳体的钢材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，炼铁，将烧结矿在高炉中还原成铁水；
S2，炼钢，按照各元素的重量配比称取合金原料，在转炉或电炉中将合金原料投入铁水中炼制成钢，冶炼后的钢水在LF精炼炉或VD炉进行精炼处理，精炼后的钢水在连铸机浇注成连铸坯；
S3，轧钢，连铸坯经加热炉加热后轧制成规定规格的钢材；
S4，后处理，钢材经退火炉进行软化退火处理，随后进行修磨、探伤及检验；
S5，回火，对钢材进行锻打，再放入真空炉中回火；
S6，渗碳；
S7，淬火。
6.根据权利要求5所述的钎头壳体的钢材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，炼铁，将烧结矿在高炉中还原成铁水，高炉的温度为1500-1700℃；
S2，炼钢，按照各元素的重量配比称取合金原料，在转炉或电炉中将合金原料投入铁水中炼制成钢，钢包的温度为1550-1650℃，冶炼后的钢水在LF精炼炉及VD炉进行精炼处理，精炼后的钢水在连铸机浇注成连铸坯，炼钢-连铸周期为4-7h；
S3，轧钢，加热炉温度900-1100℃，连铸坯经加热炉加热后轧制成规定规格的钢材，轧制周期在5-7h；
S4，后处理，钢材经退火炉进行软化退火处理，在900-1100℃退火处理20-30h，随后进行修磨、探伤及检验；
S5，回火，对钢材在800-1000℃条件下进行锻打，再放入700-900℃真空炉中回火10-12h；
S6，渗碳，在800-1060℃多气氛炉渗碳18-20h；
S7，淬火，在800-900℃多气氛炉淬火加热1-3h。
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