CN108504954A - 一种矿山钻机用高速钢钻头及其热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿山钻机用高速钢钻头及其热处理方法，涉及高速钢钻头技术领域，该种高速钢钻头包括以下元素成份：Zn、Ca、Ge、Co、Tm、Nd、V、N。其热处理方法包括退火、正火、碳氮共渗、低温回火。本发明的高速钢钻头综合性能优良，热处理方法简单易行，改善了高速钢钻头的金相结构和铸态组织。

Description

一种矿山钻机用高速钢钻头及其热处理方法
技术领域
本发明涉及高速钢钻头技术领域，具体涉及一种矿山钻机用高速钢钻头及其热处理方法。
背景技术
矿山钻机用高速钢钻头是用来执行钻孔开凿的，需要具有耐高温、高压、高强度等特性。而高速钢钻头铸造成型后，其性能的好坏不仅与钻头合金成分有关，其后的热处理工艺也极为关键。其中，热处理是将合金工件加热到一定的温度，并在该温度下保温一定时间后，在合适的场合下以不同速度冷却，因此，其是通过改变金属材料表观或内部组织来控制其性能的一种工艺。目前，矿山钻机用高速钢钻头传统热处理工艺存在对基体组织细化晶粒及冷却不够合理充分的问题，出现成品钻头硬度低且不均匀，脆性高，强度冲击值低，韧性差。难以获得良好的综合性能指标。尤其，是对于尺寸厚度较大的钻头，由于冶炼条件、偏析严重，内部晶粒相对粗大，则需控制好热处理工序，使基体组织更加细化和均匀，为后续热处理及机械加工做好组织准备。
公开号为CN103114194A的专利申请，公开了一种高速钢钻头热处理工艺方法，包括以下具体步骤：(1)第一次预热；(2)第二次预热；(3)加热；(4)冷却、校直；(5)回火；(6)冷却至室温；(7)检验、校正。该种高速钢钻头能防止出现弯曲、变形的问题，合格率较好。
公开号为CN104561500A的专利申请，公开了一种矿山钻头热处理方法，公开了一种矿山钻头热处理方法，其通过使用石英砂浴进行多段保温，淬火后进行多次带碳回火，提高了矿山钻头的硬度、耐磨性和使用寿命。但其未有结合数据说明，也未阐明该合金钢材料其它性能指标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿山钻机用高速钢钻头及其热处理方法，该种高速钢钻头综合性能优良，热处理方法简单易行，改善了高速钢钻头的金相结构和铸态组织。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种矿山钻机用高速钢钻头，包括以下化学组分及其重量百分比含量：
Zn：0.06-0.08％；
Ca：0.05-0.07％；
Ge：0.01-0.05％；
Co：0.12-0.16％；
Tm：0.01-0.02％；
Nd：0.14-0.16％；
V：0.07-0.09％；
N：0.001-0.003％,余量为Fe。
进一步地，上述高速钢钻头包括以下化学组分及其重量百分比含量：
Zn：0.07％；
Ca：0.06％；
Ge：0.03％；
Co：0.14％；
Tm：0.015％；
Nd：0.15％；
V：0.08％；
N：0.002％,余量为Fe。
进一步地，上述高速钢钻头中不可避免的杂质含量≤0.01％。
上述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，按照以下步骤进行：
Ⅰ退火：将高速钢钻头工件在温度为575-815℃条件下保温至少3.5h，真空速冷；
Ⅱ正火：将高速钢钻头工件在温度为865℃条件下保温3h，以30℃/h降温至605℃，出炉空冷；
Ⅲ碳氮共渗：将高速钢钻头工件预热后，在温度为885℃条件下共渗2.7h，浸入淬火介质15s后深冷处理；
Ⅳ低温回火：将高速钢钻头在温度为温度为172℃条件下真空回火3.6h，空冷。
进一步地，在上述步骤Ⅰ中，退火是将高速钢钻头工件在温度为815℃条件下保温65min，再以25℃/h降温至705℃保温80min，之后以35℃/h降温至575℃保温1.5h。
进一步地，在上述步骤Ⅰ中，真空速冷的降温速率为200℃/h。
进一步地，在上述步骤Ⅲ中，高速钢钻头工件的预热温度为715℃，预热时间为25min。
优选地，在上述步骤Ⅲ中，淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚6-8份、豆蔻酸酯0.8-1.2份、硝酸钾0.3-0.5份、聚乙二醇硬脂酸酯1-1.5份、多孔玄武岩粉末4-6份、还原铁粉2-3份、凹土粉3-5份、茅膏菜浆汁1.5-2.5份、木质素0.3-0.5份、苦参总碱0.2-0.3份、叔丁基化芳基磷酸酯0.4-0.6份、甘油酸酯0.3-0.5份、丙二醇2-3份、消泡剂0.3-0.5份、保水剂1-1.5份、防腐剂0.5-0.7份、RO水100-120份。
进一步地，上述淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚7份、豆蔻酸酯1份、硝酸钾0.4份、聚乙二醇硬脂酸酯1.25份、多孔玄武岩粉末5份、还原铁粉2.5份、凹土粉4份、茅膏菜浆汁2份、木质素0.4份、苦参总碱0.25份、叔丁基化芳基磷酸酯0.5份、甘油酸酯0.4份、丙二醇2.5份、消泡剂0.4份、保水剂1.25份、防腐剂0.6份、RO水110份。
进一步地，在上述步骤Ⅲ中，深冷处理温度为-75℃，时间为22min。
本发明具有如下的有益效果：本发明的矿山钻机用高速钢钻头热处理方法简单易行，通过对钻头合金元素及热处理工艺参数的优化配比，经C、Si、Zn、Mn、Ge、Co、Tm、Nd等元素成份协同配合及热处理后的钻头，具有致密稳定的合金相，改善了高速钢钻头的金相结构和铸态组织，达到了以下效果：
(1)提高理化性能：具有高力学强度、良好的抗热裂性、抗冲击韧性以及耐化学腐蚀性能，显著提高了热处理前钻头基体合金固溶度和组织稳定性，消除了钻头内部的组织应力及热应力，表面硬度高且均匀，脆性小，综合性能优良，具备优良的抗事故性、抗疲劳性和耐磨性，可大大满足市场、实际生产及应用的使用需求，有效地延长了高速钢钻头的使用寿命，提高其应用性能、生产效率及经济效益；
(2)优化基体晶粒：细化、均匀化钻头基体晶粒，进一步提高了其晶粒度和密实度,并为后序的加工处理工序准备良好的组织条件，进而获得性能更加优良的高速钢钻头；
(3)淬火介质的影响：本发明采用的淬火介质淬透性能优良，能够细化改善钻头的金相组织，提高其表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀等表面性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种矿山钻机用高速钢钻头，由以下重量百分比含量的元素成份组成：
C：0.11％；
Si：0.22％；
Zn：0.06％；
Mn：0.52％；
Cr：0.19％；
Ca：0.05％；
Ge：0.01％；
Co：0.12％；
Tm：0.01％；
Nd：0.14％；
V：0.07％；
N：0.001％,余量为Fe，其中，不可避免的杂质含量为0.01％。
上述矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，按照以下步骤进行：
Ⅰ退火：先将高速钢钻头工件在温度为815℃条件下保温65min，再以25℃/h降温至705℃保温80min，之后以35℃/h降温至575℃保温1.5h，以降温速率为200℃/h真空速冷；
Ⅱ正火：将高速钢钻头工件在温度为865℃条件下保温3h，以30℃/h降温至605℃，出炉空冷；
Ⅲ碳氮共渗：将高速钢钻头工件在温度为715℃条件下预热25min，在温度为885℃条件下共渗2.7h，浸入淬火介质15s后深冷处理，深冷温度为-75℃，时间为22min；
淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚6份、豆蔻酸酯0.8份、硝酸钾0.3份、聚乙二醇硬脂酸酯1份、多孔玄武岩粉末4份、还原铁粉2份、凹土粉3份、茅膏菜浆汁1.5份、木质素0.3份、苦参总碱0.2份、叔丁基化芳基磷酸酯0.4份、甘油酸酯0.3份、丙二醇2份、消泡剂0.3份、保水剂1份、防腐剂0.5份、RO水100份；
Ⅳ低温回火：将高速钢钻头在温度为温度为172℃条件下真空回火3.6h，空冷。
上述热处理后的高速钢钻头性能参数如下：
①σb：1920±10MPa；
②Ak：124±3J；
③HRC：63±1。
对比例组A
相对于实施例1设置单因素变量对比例组A，并检测其对性能参数的影响，具体结果如下表1所示：
表1
实施例2
一种矿山钻机用高速钢钻头，由以下重量百分比含量的元素成份组成：
C：0.13％；
Si：0.23％；
Zn：0.07％；
Mn：0.54％；
Cr：0.20％；
Ca：0.06％；
Ge：0.03％；
Co：0.14％；
Tm：0.015％；
Nd：0.15％；
V：0.08％；
N：0.002％,余量为Fe，其中，不可避免的杂质含量为0.01％。
上述矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，按照以下步骤进行：
Ⅰ退火：先将高速钢钻头工件在温度为815℃条件下保温65min，再以25℃/h降温至705℃保温80min，之后以35℃/h降温至575℃保温1.5h，以降温速率为200℃/h真空速冷；
Ⅱ正火：将高速钢钻头工件在温度为865℃条件下保温3h，以30℃/h降温至605℃，出炉空冷；
Ⅲ碳氮共渗：将高速钢钻头工件在温度为715℃条件下预热25min，在温度为885℃条件下共渗2.7h，浸入淬火介质15s后深冷处理，深冷温度为-75℃，时间为22min；
淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚7份、豆蔻酸酯1份、硝酸钾0.4份、聚乙二醇硬脂酸酯1.25份、多孔玄武岩粉末5份、还原铁粉2.5份、凹土粉4份、茅膏菜浆汁2份、木质素0.4份、苦参总碱0.25份、叔丁基化芳基磷酸酯0.5份、甘油酸酯0.4份、丙二醇2.5份、消泡剂0.4份、保水剂1.25份、防腐剂0.6份、RO水110份；
Ⅳ低温回火：将高速钢钻头在温度为温度为172℃条件下真空回火3.6h，空冷。
上述热处理后的高速钢钻头性能参数如下：
①σb：1920±10MPa；
②Ak：124±3J；
③HRC：64±1。
对比例组B
相对于实施例2设置单因素变量对比例组B，并检测其对性能参数的影响，具体结果如下表2所示：
表2
实施例3
一种矿山钻机用高速钢钻头，由以下重量百分比含量的元素成份组成：
C：0.15％；
Si：0.24％；
Zn：0.08％；
Mn：0.56％；
Cr：0.21％；
Ca：0.07％；
Ge：0.05％；
Co：0.16％；
Tm：0.02％；
Nd：0.16％；
V：0.09％；
N：0.003％,余量为Fe，其中，不可避免的杂质含量为0.01％。
上述矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，按照以下步骤进行：
Ⅰ退火：先将高速钢钻头工件在温度为815℃条件下保温65min，再以25℃/h降温至705℃保温80min，之后以35℃/h降温至575℃保温1.5h，以降温速率为200℃/h真空速冷；
Ⅱ正火：将高速钢钻头工件在温度为865℃条件下保温3h，以30℃/h降温至605℃，出炉空冷；
Ⅲ碳氮共渗：将高速钢钻头工件在温度为715℃条件下预热25min，在温度为885℃条件下共渗2.7h，浸入淬火介质15s后深冷处理，深冷温度为-75℃，时间为22min；
淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚8份、豆蔻酸酯1.2份、硝酸钾0.5份、聚乙二醇硬脂酸酯1.5份、多孔玄武岩粉末6份、还原铁粉3份、凹土粉5份、茅膏菜浆汁2.5份、木质素0.5份、苦参总碱0.3份、叔丁基化芳基磷酸酯0.6份、甘油酸酯0.5份、丙二醇3份、消泡剂0.5份、保水剂1.5份、防腐剂0.7份、RO水120份；
Ⅳ低温回火：将高速钢钻头在温度为温度为172℃条件下真空回火3.6h，空冷。
上述热处理后的高速钢钻头性能参数如下：
①σb：1910±10MPa；
②Ak：124±3J；
③HRC：63±1。
对比例组C
相对于实施例3设置单因素变量对比例组C，并检测其对性能参数的影响，具体结果如下表3所示：
表3
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿山钻机用高速钢钻头，其特征在于，包括以下化学组分及其重量百分比含量：
Zn：0.06-0.08％；
Ca：0.05-0.07％；
Ge：0.01-0.05％；
Co：0.12-0.16％；
Tm：0.01-0.02％；
Nd：0.14-0.16％；
V：0.07-0.09％；
N：0.001-0.003％,余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种矿山钻机用高速钢钻头，其特征在于，包括以下化学组分及其重量百分比含量：
Zn：0.07％；
Ca：0.06％；
Ge：0.03％；
Co：0.14％；
Tm：0.015％；
Nd：0.15％；
V：0.08％；
N：0.002％,余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种矿山钻机用高速钢钻头，其特征在于，所述高速钢钻头中不可避免的杂质含量≤0.01％。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，包括退火、正火、碳氮共渗、低温回火，其特征在于，
Ⅰ退火：在温度为575-815℃条件下保温至少3.5h，真空速冷；
Ⅱ正火：在温度为865℃条件下保温3h，以30℃/h降温至605℃，出炉空冷；
Ⅲ碳氮共渗：将高速钢钻头工件预热后，在温度为885℃条件下共渗2.7h，浸入淬火介质15s后深冷处理；
Ⅳ低温回火：在温度为温度为172℃条件下真空回火3.6h，空冷。
5.根据权利要求4所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，步骤Ⅰ中，所述退火是将高速钢钻头工件在温度为815℃条件下保温65min，再以25℃/h降温至705℃保温80min，之后以35℃/h降温至575℃保温1.5h。
6.根据权利要求4所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，步骤Ⅰ中，所述真空速冷的降温速率为200℃/h。
7.根据权利要求4所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，步骤Ⅲ中，所述高速钢钻头工件的预热温度为715℃，预热时间为25min。
8.根据权利要求4所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，步骤Ⅲ中，所述淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚6-8份、豆蔻酸酯0.8-1.2份、硝酸钾0.3-0.5份、聚乙二醇硬脂酸酯1-1.5份、多孔玄武岩粉末4-6份、还原铁粉2-3份、凹土粉3-5份、茅膏菜浆汁1.5-2.5份、木质素0.3-0.5份、苦参总碱0.2-0.3份、叔丁基化芳基磷酸酯0.4-0.6份、甘油酸酯0.3-0.5份、丙二醇2-3份、消泡剂0.3-0.5份、保水剂1-1.5份、防腐剂0.5-0.7份、RO水100-120份。
9.根据权利要求8所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，所述淬火介质包括以下按重量份计的原料：聚醚7份、豆蔻酸酯1份、硝酸钾0.4份、聚乙二醇硬脂酸酯1.25份、多孔玄武岩粉末5份、还原铁粉2.5份、凹土粉4份、茅膏菜浆汁2份、木质素0.4份、苦参总碱0.25份、叔丁基化芳基磷酸酯0.5份、甘油酸酯0.4份、丙二醇2.5份、消泡剂0.4份、保水剂1.25份、防腐剂0.6份、RO水110份。
10.根据权利要求4所述的一种矿山钻机用高速钢钻头的热处理方法，其特征在于，步骤Ⅲ中，所述深冷处理温度为-75℃，时间为22min。
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