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深孔大口徑潛孔鉆頭的選材與熱處理

作者:師明輝,張果來源:長沙天和鉆具機械有限公司 日期:2017年8月28日 13:49

dnf吧吧 www.bexzg.icu     隨著社會主義現代化建設事業的高速發展,大口徑鉆探用途日趨廣泛,諸如用團談施工特種水利水電工程、建筑樁基、機井工程、國防建設、礦山以及石油采掘等。鑲齒鉆頭通過氣動或液動沖擊器實現孔低破碎巖層,采用正循環或反循環排渣的方式,以其高效率低成本的特點受到市場的廣泛認可。
  大口徑鉆頭直徑一般大于300mm,更多的為500、800、1000mm,有的甚至達到1500~3000不等。大口徑鉆孔深度視用途的不同而異,所遇巖層也有很大差異,大部分情況下要求甚為嚴苛。大口徑深孔潛孔鉆頭本身造價十分昂貴,所以,防止早期失效、保證鉆頭的使用壽命是該類鉆頭生產的首要質量控制目標,而其選材與熱處理工藝尤為關鍵重要。本文對比研究了不同釬具用鋼的性能特點,以及采用不同熱處理后的組織差異,最終確定了最優的選材與熱處理工藝過程。


1、深孔大口徑潛孔鉆頭的材料性能要求
  惡劣的工作環境對鉆頭體的硬度、強度、韌性、抗沖擊性、耐磨性、抗疲勞性等都提出了極高的要求,綜合考慮各部分性能要求,可認為鉆頭體材料選擇應滿足以下幾個方面要求:
 ?、儔礱嬗捕紉蠼細咭栽鑾磕湍バ?,心部韌性較好以增強抗沖擊能力,為避免出現脆性斷裂和疲勞斷裂,材料需有良好的斷裂韌性、疲勞強度和斷裂強度。
 ?、誥哂懈嘰閫感?。以滿足鉆頭體各部分對性能的不同要求,有利于提高表明屈服強度,改善齒孔對合金齒的固緊力,而且還可提高心部的屈服強度和韌性。
 ?、墼謨齙驕卵嗖咂菏蹦芫弒敢歡ǖ目垢茨芰?。
 ?、芤歡ǜ呶孿?,材料的組織和硬度高的穩定性、不易軟化變形等。
 ?、莨ひ招閱芎?,如具備良好的鍛造性能、熱處理性能等。
 ?、摶苯鷸柿扛?,組織均勻性好、純凈度高等。


2、常用釬具用鋼的成分及性能對比
  目前國內常用的鉆頭體用鋼主要有:42CrMo、23CrNi3Mo、FF710、XGQ25等

表1、常用釬具用鋼主成分對比

 

牌 號

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

V

42CrMo

0.38~0.45

0.17~0.37

0.50~0.80

0.90~1.20

\

0.15~0.25

\

23CrNi3Mo

0.20~0.26

0.17~0.37

0.50~0.80

1.15~1.45

2.45~3.05

0.20~0.40

\

FF710

0.19~0.25

1.3~1.7

1.2~1.5

0.2~0.4

1.6~2.0

0.35~0.45

\

XGQ25

0.22~0.27

1.15~1.35

1.15~1.5

0.35~0.45

1.75~2.15

0.45~0.55

0.15~0.25

表2、常用釬具用鋼熱處理后的力學性能對比

 

牌 號

屈服點N/mm²

抗拉強度N/mm²

伸長率%

面縮率%

沖擊功J

42CrMo

1092

1230

14

56

93

23CrNi3Mo

1163

1545

15

54

104

FF710

1205

1595

12

43

82

XGQ25

1261

1605

10

42

69

  從上表1中可以看出,釬具用鋼最主要合金元素包括Cr、Ni、Mo,其中鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆,鉻能提高碳素鋼軋制狀態的強度和硬度,降低伸長率和斷面收縮率;鎳在提高鋼強度的同時,對鋼的韌性、塑性以及其他工藝的性能的損害較其他合金元素的影響??;鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性,防止回火脆性、增加質中的抗蝕性;
  而硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比,以及疲勞強度和疲勞比,提高鋼在高溫時的抗氧化性,且極大的提高了鋼的回火穩定性;錳可以提高鋼的耐磨性與淬透性,其與硅結合可以增強鋼的彈性極限。
  從表2中可以看出由以Si、Mn、Cr、Ni、Mo為主要合金元素的XGQ25,具備更高的屈服與抗拉強度,且有高的淬透性、高的耐高溫性能與穩定性,而其韌塑性相對而言稍差。所以,兼備有高強度、高彈性與高穩定性的XGQ25鋼材,是滿足大口徑深孔鉆頭鉆體使用需求的鋼種,具備達到高強度、高耐磨、高穩定性與耐高溫性的加工潛力。我公司在大口徑深孔潛孔鉆頭上大量使用該種鋼材,得到了客戶和市場的高度認可。


圖1、我公司生產的大口徑深孔潛孔鉆頭

 

3、XGQ25大口徑深孔潛孔鉆頭的熱處理
  一種大口徑深孔潛孔鉆頭的熱處理工藝路線:在900℃保溫足夠時間后出爐空冷正火,待冷卻后再進行在680℃高溫回火后進行機械加工。然后再在920℃下在1.2C%的滲碳氣氛中進行強滲,然后在0.8C%的碳勢氣氛下進行擴散,再降溫至840℃下保溫一段時間后下油淬火。再進行高溫回火后,在820℃下進行二次淬火。下圖為熱處理工藝路線圖:

  經過該熱處理工藝后,使用線切割技術取樣,白用自動式砂輪機對式樣進行粗磨,再用8號金相砂紙進行精磨,置于絨布上進行拋光。采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕,并置于100X與400X電子光學顯微鏡下進行觀察。
  其表層組織為隱針馬氏體+極少量殘余奧氏體,過渡層為馬氏體與貝氏體混合組織,基體為貝氏體組織,滲碳層深度約為1.5mm。該組織結構具備表明高硬度耐磨,心部具有高強度與高韌性,且由于經過二次淬火,組織結構細密均勻,可使得鉆頭體獲得高強度、高疲勞與高耐磨的使用性能。
  產品經熱處理后的硬度檢測結果:
  表面硬度達到59~60HRC,心部硬度42~43HRC,有效硬化層深度達到1.5mm


圖1經熱處理后的金相顯微組織

 

4、結論
  深孔大口徑潛孔鉆頭選用XGQ25此種材料最為適合,且經過滲碳及二次淬火后,可獲得細密均勻的貝氏體與馬氏體的混合組織,使該材料的性能潛力能得到充分發揮,能夠很好的滿足該類鉆頭的使用要求,得到高強度、高耐磨、高疲勞及高穩定性。

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