【钻头热处理工艺设计研究5700字（论文）】

热处理的目的是为了改变金属材料的显微组织，从而提高钢的性能。采用适当的热处理工艺，可明显改善钢材的机械性能，延长其使用寿命。该工艺既能强化钢材，充分挖掘材料性能的潜力，降低结构重量，节约原材料和能源，又能显著延长零部件的使用寿命。所以，通过相关工艺试验来确定钢的最佳热处理工艺具有重要意义。为此，本文对T10A钢钻头热处理工艺设计进行研究，旨在为T10A钢钻头热处理工艺提供依据。1.前言由于T10A钢具有良好的耐磨、抗热裂、抗氧化等性能，已被广泛应用，但在铸件的凝固过程中，易出现粗大网状碳化物，导致材料韧性下降。当前，主要是通过合金化、变质处理、热处理等措施来改善基体形态和碳化物，从而提高合金钢的性能[1]。常用的耐热耐磨钢主要是中碳高铬高镍铸钢，在冶金、矿山、电力等行业中得到了广泛的应用，如热矿筛、热轧机导板和火力发电机喷管等。尽管这种钢有很好的耐热性，但是它的硬度低，耐磨性差，使用寿命短，成本高。这类高铬型钢的铸态组织较粗，硬度较低，为提高材料的耐磨性，需进行适当的热处理，以改善组织，提高性能[2]。所以对T10A钢的材料性能和常用热处理工艺进行研究是非常重要的，本文结合材料的组织性能等，分析热处理工艺的合理性，为以后的学习和工作打下一定的基础。2.T10A钢相关概述2.1T10A钢T10A钢为碳素工具钢，含碳量0.95%-1.04%，其生产成本较低，原材料来源方便，可加工性好。其在淬火加热时不致过热，淬火后钢中有过剩未溶碳化物，比T8钢具有更高的耐磨性，故在工具行业中应用十分广泛"。水冷淬火+低温回火的T10A钢虽有较高的硬度和耐磨性,但其淬透性低、回火稳定性差且淬火变形人。等温淬火工艺可以明显改善T10A钢的热处理缺陷，并日等温淬火得到的下贝氏体具有高的硬切性。T10A钢采用等温淬火可以大大减少淬火变形开裂的危险，并且经等温淬火后可具有极高的综合机械性能。2.2热处理对于T10A钢钻头性能的影响2.2.1热处理对抛光质量影响除抛光工艺外，材料的特性是影响抛光质量的又一重要因素。一般认为，T10A钢钻头的镜面抛光质量受多方面影响。包括冶金过程钢材成分的均均性、纯净度，夹杂物的分布、形态与含量。加工热处理过程的组织致密度、晶粒度以及材料本身的硬度等因素。较高的硬度和较细的显微组织，可提高模具钢的抛光质量。2.2.2热处理对耐腐蚀性能影响腐蚀形态主要包括均匀腐蚀和局部腐蚀，均匀腐蚀一般不是关注的重点。局部腐蚀是指在T10A钢钻头的某些局部产生的腐蚀，常见的有晶间腐蚀、刀状腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀等。局部腐蚀，由于其突发性及不可预测性，危害最大。其中又以点蚀最为常见。点蚀一般发生在钝态金属表面，钝化膜在局部破裂，基体加速溶解形成孔状蚀坑。杨德均等人提出了钝化膜破裂和点蚀机理的三种模型，钝化膜局部破裂模型、吸附模型及穿透模型，对钝化膜的不同破坏行为进行了解释。3.T10A钢钻头热处理工艺研究3.1合金化合金化可以改善T10A钢的组织及性能，通过向T10A钢中加入钛、钇、钒、镍、钼等合金元素，可以细化晶粒、改善碳化物形貌进而改善淬火回火后的碳化物形态。夹杂物体积分数随稀土含量的增加而稳定增加，但稀土含量为0.018%时，夹杂物体积分数比不含稀土的T10A钢小而分散，而稀土含量的不断增加导致了夹杂物尺寸的增大趋势和夹杂物分布的逐渐恶化。3.2变质处理关于变质处理的机理，张承甫等人将其归纳为界面能理论、界面共格对应理论、偏析系数理论和Tashis参数等[16]。张景辉等人根据化学键理论，通过详细的计算，推导出了键参数函数图，并且指出：对于小平面方式生长的合金，Li、Na、K、Cs、Rb、Ba、Sr、Y、Ca、Ce、La、Sc、Mg等元素均有孕育或变质的作用。3.3热处理3.3.1预备热处理由于T10A钢的共晶碳化物较多，还有很多形状不规则的碳化物，这些共晶碳化物的边缘呈尖角状，尖角的共晶碳化物会造成应力集中进而产生淬火开裂的危害。因此，需要对T10A钢进行预备热处理，预备热处理一般有正火、退火、调质、高温回火、高温固溶处理+高温回火预处理工艺等，其目的是为了以获得球状珠光体，为后续的热处理工艺做好组织准备，降低硬度并改善钢的切削加工性能。预先热处理的一种是球化退火。球化退火工艺。球化退火后的组织为粒状珠光体+粒状碳化物，硬度为207～255HB。图1.1T10A钢退火工艺图常规球化退火工艺效果不理想时，会考虑采用调质处理。与球化退火相比，采用高温调质工艺使更多的共晶碳化物溶解。这是因为高温调质的加热温度较高，可以使共晶碳化物更好的溶解，原来在低温下不能溶解的共晶碳化物可以进一步溶解，大块的共晶碳化物发生尖角微溶的钝化现象。图1.2T10A钢调质处理工艺图文献比较了球化退火和高温调质处理的球化效果，发现经球化退火处理后，碳化物颗粒细小，分布均匀弥散，球化效果最好。3.3.2淬火处理淬火处理的过程决定了过冷奥氏体的晶粒度和碳化物的形态分布以及其合金元素含量，并且对马氏体的形态及回火后钢的力学性能都有很大的影响。当加热到Ac1温度(约810℃)以上时，退火后的粒状珠光体和共晶碳化物组织转变为奥氏体和未溶共晶碳化物，随着温度升高，共晶碳化物不断溶解，合金元素进入奥氏体，增加了奥氏体中C和Cr的浓度；但如果淬火温度太高，进入奥氏体的合金元素增加，增加量奥氏体的稳定性，使淬火组织中残留奥氏体量增加，会导致硬度下降。一般来说T10A钢的晶粒越细小，其硬度和冲击韧度越好。随着淬火加热温度的升高，T10A钢的晶粒变大。这是因为随淬火加热温度的升高，共晶碳化物完全溶解，此时不再有共晶碳化物阻碍奥氏体的长大，并且高温使奥氏体的形核率和长大速度均增大。3.3.3回火处理T10A钢回火目的是消除淬火后产生的残留应力，调整组织和硬度。淬火后形成的淬火马氏体属于富铬的过饱和间隙固溶体，处于不稳定状态，在回火时发生分解，转变为回火马氏体，使T10A钢的硬度降低。淬火后钢的硬度随回火温度的升高呈现先降低后增加的变化。当回火温度过高时，马氏体中析出的碳化物粗化，会导致硬度下降。淬火后试样在100℃-600℃回火时，受残留奥氏体分解的影响，冲击韧度呈先降低后升高的趋势。这是因为回火过程中，随温度的升高，马氏体大量分解，析出碳化物增多，导致材料的冲击韧度降低，但回火温度过高时，组织中的碳化物聚集，冲击韧度升高。T10A钢的回火一般分低温回火与高温回火，低温回火一般是200℃×2h，硬度可达60～62HRC，高温回火一般是500×2h，硬度可达到56～59HRC。如果回火温度低，T10A钢的硬度不会降低太多，但容易使回火不充分，导致残留应力没有完全消除。适当提高回火温度，可保证T10A钢在硬度降低不多的情况下获得较好的韧度，消除残余应力，获得良好的力学性能。回火温度提高到500℃时仍能保证T10A钢的硬度要求，是因为二次硬化效应，此时T10A钢获得很好的红硬性。4.T10A钢钻头热处理工艺设计4.1热处理工艺流程的制定T10A钢钻头采用高铬、的设计，旨在提高硬度和耐磨性，但同时，由于组织中碳化物含量过高，将共晶碳化物连接成粗大的网状组织。在轧辊使用过程中，这种网状碳化物对基体有很大的破坏作用，导致T10A钢的韧性和抗疲劳性能严重下降。通过高温固溶处理，可使碳化物溶解，促进碳原子的均匀扩散，在高温保温过程中，碳化物发生粒化是必然现象，通过设计合适的热处理工艺，可改变碳化物的析出方式，使T10A钢形成网状共晶碳化物网溶，使合金碳化物在晶粒内析出，即能提高硬度，又能提高冲击韧性。为此，本文对T10A钢钻头的热处理工艺进行了研究，在变质处理的基础上进行热处理，使T10A钢中网状碳化物的细弱和尖角溶解，形成块状和棒状结构。因此，解决了T10A钢轧辊韧度低、热疲劳稳定性差的问题。因此所采用的具体热出工艺是高温固溶淬火+高温回火。由于T10A钢中含有多种合金元素，因此在制定热处理工艺时就必须考虑合金元素对于钢热处理的影响。首先除Co元素以外，大多数合金元素都有稳定过冷奥氏体的作用，特别是碳钢在加入B、Mn、Mo、Cr、Ni、Si等合金元素后，会减缓奥氏体向珠光体组织的转变，这就使钢的过冷奥氏体等温转变曲线（通常称为“C曲线”）右移，这样即使在较低的冷却速度之下材料内部也不会发生奥氏体向珠光体或其他非马氏体组织的转变，进而提高钢的淬透性，也就是获得马氏体的能力。为了降低淬火冷却时试样内部的应力以及热处理后的变形和开裂，合金钢宜选用冷却能力较弱的冷却剂，本次模拟和实验选用的是淬火油。需要指出的是加入到碳钢中的合金元素必须完全进入奥氏体中才能提升钢的淬透性，未完全溶解的合金元素如果以碳化物的形式存在就会加速珠光体的形成进而降低钢的淬透性。因此在淬火时加热到指定的温度后要进行一定时间的保温，这样做不仅是要减少工件的内外温差，降低工件内部的热应力，使工件整体达到奥氏体化温度，还可以使合金元素充分溶于奥氏体中，达到提高淬透性的作用。在回火过程中，合金元素可以延缓马氏体的分解以及残余奥氏体的转变进而提升钢对于回火软化的抵抗能力，提升耐回火性，这类合金元素包括V、Si、Mo、W、Ni、Co等。对合金钢进行回火时要注意避免产生回火脆性，第一类回火脆性通常发生在250~350℃之间，它是不可逆的，因此需要采用低温回火，在消除残余应力的前提下尽量防止出现晶界断裂等脆性特征。针对T10A钢Cr12的实际情况淬火时工件在890℃下保温1h后油淬冷却0.5h。回火时为了探究温度对钢各项力学性能的影响，对于淬火后的工件分别在200℃、250℃以及300℃下保温2.5h后空冷。4.2工艺路线与工艺方法热处理工艺设计是热处理车间设计的中心环节，是设备选择的主要依据。所确定的热处理工艺必须先进、可靠、经济合理，并与车间生产规模相适应。常规工艺应力求工艺路线简化，运输量最小，工序较小，节省能源及劳动量。采用先进工艺应经过技术经济论证或实验研究，取得可信的试用效果。4.2.1工艺路线产品零件从毛坯生产到完成成品，生产路线是确定热处理车间任务的基础，具体如下：（1）预备热处理与铸造之后进行，包括正火、扩散退火、等温退火、球化退火、可锻化退火、再结晶退火、消除应力退火、人工时效（稳化处理）等。（2）硬度要求在285HB（30HRC)以下的一般铸件，可在机械加工前热处理到要求硬度，包括正火、调质（淬火及高温回火）。加工余量大的锻件，为保证其热处理效果，应在粗加工后进行热处理。（3）表面硬化，化学热处理零件，硬度要求大于285HB(30HRC)的零件，应在机械加工后进行。一些精度要求高的零件，可使用特殊加工刀具的零件，也可在加工前进行热处理。（4）局部化学热处理零件，生产批量大时，非处理部分应镀层保护，批量小时可采用机械保护，防渗涂层以及车去渗层等方法。（5）绕制弹簧、冷镦、冷挤成形零件、应进行去应力退火、再结晶退火、正火等工序。（6）形变热处理可简化工艺路线，减少工序，节约能源。有些铸、锻件，特别是锻件，可充分利用锻造余热进行淬火、调质等处理，使锻造加工与热处理结合起来。4.2.2工艺方法的选定（1）常规热处理工艺热处理零件的常规热处理工艺，包括毛坯的预备热处理和零件的最终热处理，如退火、正火、去应力退火、调质（淬火及高温回火）、时效及固溶处理等。从提高热处理质量考虑，如不许在加热过程中发生氧化、脱碳，应采用保护气氛下加热。（2）化学热处理化学热处理包括奥氏体状态下渗碳、碳氮共渗，铁素体状态下的渗氮和氮碳共渗，以及渗硼、渗硅、渗铝及各种渗金属和多元共渗工艺。化学热处理可以在气态、固态或液态介质中完成，确定化学热处理的工艺选用。有化学热处理后需要淬火的，应根据可能尽量采取渗后直接淬火工艺。（3）调质热处理调质热处理技术的发展主要有以下几个方面。①炉型。由于振底炉长期使用中存在振底板变形零件在炉内布料、加热不均淬火质量散差大同时振动噪声大、环境差，振底炉已逐渐退出生产线，网带炉、铸链炉得到普遍应用。②碳势控制技术的应用。碳势控制技术在保护气氛调质生产线得到普遍应用。有效的控制炉内碳势控制精度，保证了零件淬火后的表面质量。③计算机技术的应用。通过应用计算机能够按照工艺设定自动完成工件的生产全过程记录、保存工件生产中的各种工艺参数具有完善的故障诊断、安全警示及连锁功能。④快速淬火油和水基淬火介质的应用。快速淬火油的应用保证了高强度螺栓件的热处理内在质量。水基淬火介质的应用解决了零件淬油不硬、淬水开裂及零件淬火变形的质量问题。（4）感应加热淬火感应加热可使用高频、中频、工频、超音频，以及双频及脉冲加热工艺，根据零件钢种、尺寸特点、要求硬化层深度、零件批量等确定工艺。感应加热淬火后可根据可能采用自然回火。（5）火焰表面淬火火焰表面淬火技术的发展，如采用先进温度检测技术与自动化控制与操作，淬火质量可保证。在单件小批量生产中部分采用火焰淬火工艺，生产灵活实用。（6）高密度能量表面处理高密度能量表面处理包括激光表面处理，电子束表面处理和物理及化学气相沉积。一般适用某些特定的零件，选用这种工艺必须先进行工艺实验，试生产使用，用从热处理质量和经济效益考虑。4.3热处理工艺卡表4.1T10A钢钻头热处理工艺卡热处理工艺卡产品型号T10A零（筋）件图写产&名称T10A钢钻头零（筛）件名称钢钻头简图：甘料牌号零件重量1kg工艺路线热轧技术条件检段方法硬化层深