一种低碳低合金钢牙掌轴承铸件的热处理方法及牙掌轴承

摘要

本发明公开了一种低碳低合金钢牙掌轴承铸件的热处理方法及牙掌轴承，其热处理方法包括以下步骤：将铸态牙掌轴承渗碳处理后进行整体淬火，再于570‑590℃进行高温回火，然后将完成高温回火的牙掌轴承置于高频感应淬火设备上，在5‑7KHz的功率下，使牙掌轴承与感应线圈以2‑4mm/s的相对速度移动，以保证感应淬火硬化层深度高于渗碳层深度；最后在180‑200℃进行低温回火，该方法解决了低碳低合金牙掌轴承铸件无法兼顾基体塑韧性和表面耐磨性的难题，保障了铸造低碳低合金牙掌轴承基体的塑性及韧性，使得其在受复杂冲击载荷作用时，具有更好的使用性能，也显著提高了牙掌轴承表面硬化层硬度及深度，大大提高了牙掌轴承耐磨性。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井工具领域，涉及一种低碳低合金钢牙掌轴承铸件的热处理方法及牙掌轴承。

背景技术

三牙轮钻头是石油钻井使用非常广泛的钻进工具，其牙掌轴承常规采用低碳合金锻件材料，并使用渗碳后淬火低温回火热处理工艺制造，保证牙掌轴承表面的高硬度高耐磨性及基体强韧性。针对某些特殊结构牙掌轴承，在采用锻造无法实现设计结构或者成本过高时，可采用铸造成型工艺。但是铸件材料与锻件材料相比，无轧制和锻造压缩过程，过于粗大的晶粒及组织导致材料脆性较大。

目前牙掌轴承用材料主要为低碳低合金钢，代表性牌号为ZG20CrNiMo，其主要成分为C：0.17-0.21％；Cr：0.9-1.1％；Ni：0.6-0.9％；Mo：0.25-0.35％；Mn：0.60-0.90％；Si：0.17-0.37％。≤0.025％的S；≤0.025％的P；≤0.20％的Cu，余量Fe。该材料用于牙掌轴承时，采用常规锻件材料用渗碳后淬火低温回火热处理工艺，牙掌轴承基体的塑韧性过低，无法满足SY/T 5164《三牙轮钻头》对铸造牙掌的性能要求。现有技术一般采用调质热处理工艺提高铸件材料基体的塑性及韧性，但采用调质工艺时牙掌轴承表面硬化层深度及硬度都无法满足产品性能需求，即按常规的热处理工艺，无法同时满足铸造牙掌产品对牙掌轴承心部塑韧性与表面硬化层性能的要求。

发明内容

为了解决现有低碳低合金钢牙掌轴承铸件表面性能与心部性能无法兼顾的问题，本发明提供一种可有效提高低碳低合金钢牙掌轴承铸件表面硬化层硬度、硬化层深度与基体的塑性、韧性的复合热处理工艺。

本发明提供的技术方案具体如下：

第一方面，本发明提供一种低碳低合金钢牙掌轴承铸件的热处理方法，包括以下步骤：

整体淬火：将铸态牙掌轴承渗碳处理后置于淬火炉中，在碳浓度为0.4％-0.6％的渗碳气氛下升温至870-890℃并保温，出炉后浸入淬火油中冷却20-30分钟；

高温回火：将完成整体淬火的牙掌轴承置于回火炉中，在保护气氛下，升温至570-590℃并保温，出炉后空冷至室温；

表面感应淬火：将完成高温回火的牙掌轴承置于高频感应淬火设备上，在5-7KHz的功率下，使牙掌轴承与感应线圈以2-4mm/s的相对速度移动，以保证感应淬火硬化层深度高于渗碳层深度；

低温回火：将完成表面感应淬火的牙掌轴承置于回火炉中，升温至180-200℃并保温，出炉后空冷至室温。

作为上述技术方案的优选，整体淬火的温度为880℃。

作为上述技术方案的优选，第一回火的温度为580℃。

作为上述技术方案的优选，低温回火的温度为190℃。

作为上述技术方案的优选，渗碳处理包括：

a、将牙掌轴承在碳浓度为1.20％-1.30％的渗碳气氛下、温度为920-940℃的条件下进行强渗处理；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度0.90％-1.10％的渗碳气氛下、温度为890-910℃的条件下进行扩散处理；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在保护气氛下，降温至300℃以下，出炉后空冷至室温。

作为上述技术方案的优选，渗碳气氛采用的渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯中的任意一种或多种。

作为上述技术方案的优选，整体淬火步骤和高温回火步骤之间还设有清洗步骤，清洗步骤采用的清洗液为100±10℃，清洗时间为0.5～1.5小时。

作为上述技术方案的优选，低碳低合金钢牙掌轴承的材质为ZG20CrNiMo合金，其成分以重量百分比计包括：0.17％-0.21％的C；0.9％-1.1％的Cr；0.6％-0.9％的Ni；0.25％-0.35％的Mo；0.60％-0.90％的Mn；0.17％-0.37％的Si；≤0.025％的S；≤0.025％的P；≤0.20％的Cu，余量为Fe。

作为上述技术方案的优选，在感应线圈后侧，线圈喷出20-50℃的水，同步对已加热部位进行不间断喷淋淬火，直至表面感应淬火完成。

作为上述技术方案的优选，保护气氛为氮气。

第二方面，本发明提供一种由上述热处理方法制备得到的低碳低合金钢牙掌轴承。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明解决了低碳低合金钢牙掌轴承铸件无法兼顾基体塑韧性和表面耐磨性的难题，保障了低碳低合金牙掌轴承铸件基体的塑性及韧性，使得其在受复杂冲击载荷作用时，具有更好的使用性能。另外，本发明显著提高牙掌轴承表面硬化层硬度及深度，大大提高了牙掌轴承的耐磨性。并且，牙掌轴承表面高频感应淬火，会使得其表面形成较大的残余压应力，提高了牙掌轴承的抗疲劳性能。一方面，对于滚动牙掌轴承来说，表面残余压应力可提升滚动牙掌轴承表面接触疲劳强度。另一方面，对于滑动牙掌轴承来说，表面残余压应力可减少滑动粘着缺口对疲劳性能的有害作用。大大提升了牙掌轴承的使用性能。

附图说明

图1为本发明实施例与对比例1-3制备的牙掌轴承的硬化层显微硬度梯度对比图。

图2为本发明实施例的表面感应淬火时牙掌轴承的布置示意图。

图3为本发明实施例制备的牙掌轴承的表面硬化层金相图。

图4为本发明实施例制备的牙掌轴承的心部金相图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如无其他说明，本发明实施例和对比例进行渗碳处理的铸态牙掌轴承由普通铸造工艺铸造成型，且经过机加工处理，材料牌号为ZG20CrNiMo，典型成分以重量百分比计包括：0.17-0.21％的C；0.9-1.1％的Cr；0.6-0.9％的Ni；0.25-0.35％的Mo；0.60-0.90％的Mn；0.17-0.37％的Si；≤0.025％的S；≤0.025％的P；≤0.20％的Cu，余量Fe。但本发明中的牙掌轴承材质并不限于此，也可以为其他低碳低合金材质。

本发明实施例对材料牌号为ZG20CrNiMo的牙掌轴承铸件进行热处理的方法包括以下步骤：

渗碳处理：将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为0.90-1.30％的渗碳气氛下进行渗碳处理；

整体淬火：将渗碳处理后的牙掌轴承置于可控气氛淬火炉中，在碳浓度为0.4-0.6％的气氛中升温至870-890℃，保温，出炉后立即浸入淬火油中冷却20-30分钟；

高温回火：将整体淬火后的牙掌轴承置于回火炉中，在氮气保护下，升温至570-590℃，保温，出炉后空冷至室温；

表面感应淬火：将完成高温回火的牙掌轴承置于感应淬火设备上，在5-7KHz的功率下，使牙掌轴承与感应线圈以2-4mm/s的相对速度移动，线圈同步喷水冷却直至表面淬火完成。采用以上功率和移动速度可保证感应淬火硬化层深度高于渗碳层深度。

低温回火；将完成表面感应淬火的牙掌轴承置于回火炉中，升温至180-200℃，保温，出炉后空冷至室温。

按照本发明实施例中的技术方案，对材料牌号为ZG20CrNiMo的铸态牙掌轴承进行渗碳处理的工序如下：

a、将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为1.20-1.30％的渗碳气氛下、温度为920-940℃的条件下进行强渗处理；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度0.90-1.10％的渗碳气氛下、温度为890-910℃的条件下进行扩散处理；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在氮气保护气氛下，降温至300℃以下出炉空冷至室温；

以上渗碳处理中，步骤a中的碳浓度优选为1.25％，步骤b中的碳浓度优选为1.0％。步骤c中采用纯度为99.8％的氮气充满冷却设备对牙掌轴承进行冷却。渗碳气氛采用的渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯中的任意一种或多种。

步骤a为强渗工序，该步骤可以使碳原子充分扩散至牙掌轴承表面，使表面形成一定深度的渗碳层；步骤b降低渗碳气氛中的碳浓度，可以使牙掌轴承渗碳层碳梯度更加平缓，从而改善最终渗碳层硬度梯度，减少淬火后渗碳层残余奥氏体含量，同时降低高碳高硬度下牙掌轴承近表面形成微裂纹的风险；步骤c采用氮气保护下冷却，可以减少渗碳层表面脱碳。

按照本发明，渗碳处理后，将牙掌轴承进行整体淬火处理：将渗碳后的牙掌轴承置于淬火炉中，升温至870-890℃，炉内碳浓度为0.4-0.6％，保温，出炉浸入淬火油中冷却20-30分钟，淬火油搅拌速度800-900转/min。保证淬火保温时维持一定的碳浓度，可以降低渗碳表面淬火保温过程中的脱碳。

整体淬火后，牙掌轴承进行高温回火处理，入箱式回火炉，在氮气保护下高温回火。高温回火保温温度570-590℃，高温回火保温结束出炉空冷。整体淬火及高温回火处理提高了牙掌心部塑性及韧性。此时牙掌轴承心部金相以回火索氏体和铁素体组织为主，渗碳层金相以回火索氏体为主，存在一定量残余奥氏体。

高温回火后，牙掌轴承进行渗碳层表层高频感应淬火。感应线圈距牙掌轴承外圆表面3-5mm，加热频率5-7KHz，线圈与牙掌轴承以2-4mm/s的速度相对移动。同时，在感应线圈后侧，线圈喷出20-50℃自来水，同步对牙掌轴承上的已加热部位进行不间断喷淋淬火，直至表面感应淬火加热完成。通过功率和移动速度的控制，保证表面感应淬火硬化层深度高于渗碳层深度，使硬化层硬度随碳梯度变化呈梯度变化。

表面感应淬火完成后，牙掌轴承进行低温回火。低温回火保温温度为180-190℃，保温结束出炉空冷。

在上述渗碳处理工艺中，可根据需要调整渗碳保温时间和碳浓度。整体淬火、高温回火、低温回火保温时间可根据牙掌轴承尺寸及装炉量确定，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。

实施例：

本实施例提供了一种三牙轮钻头牙掌轴承铸件的热处理方法，步骤如下：

(1)渗碳处理：

a、将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为1.25％的气氛下、温度为930℃下强渗14.5小时；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度为0.94％的气氛下、温度为900℃下扩散3小时；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在氮气保护下冷却至300℃以下出炉空冷；

(2)整体淬火处理

将渗碳处理后的牙掌轴承置于可控气氛淬火炉中，在碳浓度为0.5％的气氛中、升温至880℃，保温3小时，出炉浸入淬火油中冷却30分钟；

(3)高温回火

将整体淬火后的牙掌轴承置于回火炉中，在氮气保护下升温至580℃，保温4小时，出炉空冷；

(4)表面感应淬火

如图2所示，将完成高温回火的牙掌轴承置于感应淬火设备旋转轴上，感应线圈沿牙掌轴承外形面设置，且固定不动。设置感应线圈加热频率为6KHz，并设置旋转轴转动速度，使牙掌轴承表面以3mm/s的速度相对感应线圈转动。加热过程中，在感应线圈后侧喷淋20-30℃自来水对牙掌轴承表面刚加热过的部位进行同步淬火；

(5)低温回火

将完成表面感应淬火的牙掌轴承置于回火炉中，升温至190℃，保温4小时，出炉空冷。

对比例1

与实施例不同的是，本对比例在渗碳处理后仅进行了整体淬火处理和低温回火处理。

本对比例提供的牙掌轴承铸件的热处理方法，步骤如下：

(1)渗碳处理：

a、将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为1.25％的气氛下、温度为930℃下强渗14.5小时；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度为0.94％的气氛下、温度为900℃下扩散3小时；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在氮气保护下冷却至300℃以下出炉空冷；

(2)整体淬火处理

将渗碳处理后的牙掌轴承置于可控气氛淬火炉中，在碳浓度为0.5％的气氛中、升温至880℃，保温3小时，出炉浸入淬火油中冷却30分钟；

(3)低温回火

将完成整体淬火处理的牙掌轴承置于回火炉中，升温至190℃，保温4小时，出炉空冷。

对比例2

与实施例不同的是，本对比例在渗碳处理后仅进行了整体淬火处理和高温回火处理。

本对比例提供的牙掌轴承铸件的热处理方法，步骤如下：

(1)渗碳处理：

a、将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为1.25％的气氛下、温度为930℃下强渗14.5小时；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度为0.94％的气氛下、温度为900℃下扩散3小时；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在氮气保护下冷却至300℃以下出炉空冷；

(2)整体淬火处理

将渗碳处理后的牙掌轴承置于可控气氛淬火炉中，在碳浓度为0.5％的气氛中、升温至880℃，保温3小时，出炉浸入淬火油中冷却30分钟；

(3)高温回火

将整体淬火后的牙掌轴承置于回火炉中，在氮气保护下升温至580℃，保温4小时，出炉空冷。

对比例3

与实施例不同的是，本对比例感应加热频率为15KHz。

本对比例提供的牙掌轴承铸件的热处理方法，步骤如下：

(1)渗碳处理：

a、将铸态牙掌轴承置于渗碳炉中，在碳浓度为1.25％的气氛下、温度为930℃下强渗14.5小时；

b、将步骤a处理后的牙掌轴承在碳浓度为0.94％的气氛下、温度为900℃下扩散3小时；

c、将步骤b处理后的牙掌轴承在氮气保护下冷却至300℃以下出炉空冷；

(2)整体淬火处理

将渗碳处理后的牙掌轴承置于可控气氛淬火炉中，在碳浓度为0.5％的气氛中、升温至880℃，保温3小时，出炉浸入淬火油中冷却30分钟；

(3)高温回火

将整体淬火后的牙掌轴承置于回火炉中，在氮气保护下升温至580℃，保温4小时，出炉空冷；

(4)表面感应淬火

如图2所示，将完成高温回火的牙掌轴承置于感应淬火设备旋转轴上，感应线圈沿牙掌轴承外形面设置，且固定不动。设置感应线圈加热频率为15KHz，并设置旋转轴转动速度，使牙掌轴承表面以3mm/s的速度相对感应线圈转动。加热过程中，在感应线圈后侧喷淋20-30℃自来水对牙掌轴承表面刚加热过的部位进行同步淬火；

(5)低温回火

将完成表面感应淬火的牙掌轴承置于回火炉中，升温至190℃，保温4小时，出炉空冷。

对实施例和对比例1-3热处理后的牙掌轴承进行取样测试，具体取样结果请参阅表1所示。

表1本发明实施例和对比例热处理后的牙掌轴承基体塑性及韧性

图1结果表明，铸态牙掌轴承经过实施例处理后，硬化层硬度及深度高于常规牙掌轴承渗碳+整体淬火+低温回火工艺的牙掌轴承表面(对比例1)。图1结合表1来看，对比例2在渗碳+整体淬火+高温回火工艺热处理后，牙掌轴承基体塑性及韧性与实施例相当，但牙掌轴承表面硬化层硬度过低，大大降低了牙掌轴承耐磨性。另外，图1也同时表明，在渗碳+整体淬火+高温回火后，在实施表面感应淬火工艺时，若感应淬火硬化层无法完全覆盖渗碳层时(对比例3)，在感应淬火硬化层与非感应淬火交界面处会出现硬度的陡降，该硬度分布在牙掌轴承表面时，使用过程中极易导致牙掌轴承表面出现早期开裂剥落。特别是应用于滚动牙掌轴承时，若该交界面出现在滚动轴承使用的最大动态切应力处，则很容易引起牙掌轴承的滚动疲劳失效。也就是说，采用本发明的热处理工艺，在解决了牙掌轴承铸件基体塑韧性不足问题的同时，可以显著提高牙掌轴承铸件表面的硬化层深度及硬度，进一步提高牙掌轴承的耐磨性及抗疲劳性。

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。