一种截齿齿体热处理工艺
阅读说明：本技术 一种截齿齿体热处理工艺 (Cutting pick body heat treatment process ) 是由 何哲宇 陈明军 刘敏锋 朱彦兴 黄刚祥 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明一种截齿齿体热处理工艺,包括以下步骤：S1、将42CrMo不锈钢熔化成碳钢水后,添加1～3份Cr以及0.5～2份Mo；S2、将碳钢水浇铸成不锈钢棒材；S3、不锈钢棒材锻压后,机加工成型为截齿齿体；S4、淬将截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至730～950℃后保温30～90min,再将截齿齿体置于乳化液或液氮中冷却至室温；S5、将淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至250～450℃后保温30～90min,再置于空气中冷却至室温。本发明以42CrMo为基础,通过调整C、Cr、Mo元素的相对含量和淬火、回火工艺,通过碳含量调整合金的硬度,控制硬质相的形貌和分布,提高齿体的高温强度。(The invention relates to a cutting pick body heat treatment process, which comprises the following steps: s1, melting 42CrMo stainless steel into molten carbon steel, and adding 1-3 parts of Cr and 0.5-2 parts of Mo; s2, casting carbon steel water into a stainless steel bar; s3, forging and pressing the stainless steel bar, and machining to form a cutting pick body; s4, heating the cutting tooth body to 730-950 ℃ at a heating rate of 5 ℃/min, then preserving heat for 30-90 min, and then placing the cutting tooth body in emulsion or liquid nitrogen to cool to room temperature; s5, heating the quenching pick body to 250-450 ℃ at a heating rate of 5 ℃/min, then preserving heat for 30-90 min, and then placing in air to cool to room temperature. The invention takes 42CrMo as a basis, adjusts the relative contents of C, Cr and Mo elements and quenching and tempering processes, adjusts the hardness of the alloy through the carbon content, controls the appearance and distribution of a hard phase and improves the high-temperature strength of a tooth body.)
技术领域
本发明金属材料设计与热处理领域，涉及一种截齿齿体热处理工艺。
背景技术
地质岩层根据其硬度指标可分为低硬度岩层、硬岩和高硬度岩层。在高硬度岩层上进行隧道、桥梁、地铁等施工作业时，通常需要通过大型旋挖钻机、盾构机等将岩层打穿。这些机械通过旋转的工作头破坏岩层。工作头的核心部分为截齿，截齿由硬质合金焊接在合金钢齿体上制备而成。在此条件下进行的工程工况极为恶劣，工作头的工作温度可达600-800℃，岩石的坚固系数可达12-15以上。而目前市面上主要的截齿齿体的硬度一般低于40HRC。低硬度齿体会造成施工过程中截齿齿体非常容易磨损，寿命较低。此外，使用质量较差的齿体还易导致工作头变形，降低工程机械使用寿命。更严重的是会导致工期拖后，甚至出现施工安全隐患。
硬质岩层在中国分部广泛。据统计，高硬度的花岗岩主要分布在山地，集中分布在云贵高原和燕山山脉以东的第二、三级地形阶梯上。较硬的碳酸岩总面积达200万平方公里,其中裸露的碳酸盐类岩石面积约130万平方公里，约占全国总面积的1/7；埋藏的碳酸盐岩石面积约70万平方公里。云、贵、川、两广、福建等省份硬岩面积比其他省份更多。以柳州本地为例，硬岩面积一般占施工面积的80%以上，打桩过程中一般地下4米左右机械即会碰到岩石，岩层深度一般为20米左右，部分岩层厚度可能达到50米以上。截齿的质量不同，一般打桩深度为5-10米左右即会损坏需要更换，截齿的消耗量巨大。
截齿的主要组成为硬质合金头和截齿齿体。最初的生产工艺是：先对毛坯锻造成型；然后进行不完全退火或球化退火；接着进行机加工然后进行调质热处理；除锈，主要是利用酸洗；硬质合金进行钎焊；然后磨齿，最后进行涂油保护。这种工艺先调质后钎焊，且钎焊之后没有任何后处理。基体因退火使得离齿尖30mm内的硬度下降，且不足20HRC，并有粗大的魏氏体组织出现甚至可能有过烧组织的产生，从而大幅降低了其综合的机械性能。为了使截齿具有硬度较高的工作部分，研究人员针对其生产工艺提出了进行全面改革的方案：首先对齿体进行下料，接着进行锻造，然后采用机械加工，之后对硬质合金的齿尖进行钎焊，对截齿整体进行调质热处理或者在盐浴条件下进行等温淬火，最后进行表面的防腐处理。对截齿整体进行调质热处理或者在盐浴条件下进行等温淬火是使齿体的强韧性和齿体头部处表面的耐磨得到提高的必要步骤。然而进行调质热处理(进行淬火和高温回火处理)以及在盐浴条件下等温淬火的加热以及冷却过程中，在钎焊缝和硬质合金中会有显微裂纹的产生，使截齿的使用寿命受到损害。在进行钎焊时，剧烈加热齿体的头部，也会增生硬质合金的内部裂纹，并在齿体头部有过热组织的产生。除此之外，对截齿整体进行调质热处理或者进行等温淬火并未使硬质合金齿体头部的表面耐磨性有显著提高，所以经使用或使用过程中，齿体头部的表面在早期遭到磨损，过早地暴露出硬质合金并且会发生脱落，从而使截齿发生急剧的磨损破坏。
现在，在国内对截齿进行生产的工艺主要有以下2种：（1）加工成形截齿体-对硬质合金头进行钎焊-用盐炉进行加热-在硝盐条件下等温淬火-进行回火处理。（2）成形截齿体-利用盐炉进行加热-在硝盐条件下等温淬火-进行清洗-硬质合金头的钎焊-进行回火处理。对于第（1）种的生产工艺，先对硬质合金头进行钎焊后进行盐炉加热再在硝盐条件下等温淬火，保证了截齿体的硬度，但对硬质合金头进行钎焊以及硝盐条件下的等温淬火的过程中，加热了两次，导致硬质合金头的脆化，在使用截齿的过程中，由于硬质合金头的崩裂及其与截齿体进行焊接产生的开裂而使截齿的使用时间大大缩短。对于第（2）种的生产工艺，先在硝盐条件下进行等温淬火后进行硬质合金头的钎焊，尽管保证了硬质合金头以及焊缝的质量，但是降低了截齿体的头部硬度，降低了截齿体的头部耐磨性，导致截齿在工作中，常发生过早的脱落了硬质合金头，也大大降低了截齿的使用寿命。为了达到生产和发展所需条件，使新型的采掘机械的所需得到满足，经常使用能使截齿的耐磨性得到提高及使用寿命得到延长的工艺，如：（1）采用热喷涂的技术处理截齿；（2）采用堆焊的技术处理截齿；（3）采用等离子的熔覆技术处理截齿。
采用现有工艺，将42CrMo不锈钢棒材经锻压-机加工后得到截齿齿体，再对截齿齿体进行淬火处理，将截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至850℃，保温时间60min，再置于淬火油中冷却至室温；然后对截齿齿进行回火处理，将淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至450℃，保温时间60min，再置于空气中冷却至室温。该工艺所得截齿齿体，通过洛氏硬度计测得的室温硬度为33.7HRC，600℃下硬度为27HRC。针对坚固性系数f=12岩层，工作6min因磨损失效。
国内目前总体水平依然落后与进口制造商。在低端市场、工况要求不高的情况下能够得到应用，由于成本优势占据了相当一部分市场。而对于高端市场、尤其是硬岩底层需要的截齿方面，仍然与国外存在差距。因此，在现有42CrMo截齿齿体基础上，进一步优化成分与热处理工艺，对于其硬度与耐磨性能的提升具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种工艺简单、操作方便、可大幅提高截齿齿体硬度与耐磨性能的截齿齿体热处理工艺，以42CrMo为基础，通过调整C、Cr、Mo元素的相对含量和淬火、回火工艺，通过碳含量调整合金的硬度，控制硬质相的形貌和分布，提高齿体的高温强度，有效克服现有截齿硬度与耐磨性能之不足。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种截齿齿体热处理工艺，包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加1~3份Cr以及0.5~2份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1000~1500℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至730~950℃后保温，保温时间为30~90min，再将截齿齿体置于乳化液或液氮中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至250~450℃后保温，保温时间30~90min，再置于空气中冷却至室温。
本发明的进一步技术方案是：包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加1份Cr以及2份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1000℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至750℃后保温，保温时间为60min，再将截齿齿体置于乳化液中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至250℃后保温，保温时间30min，再置于空气中冷却至室温。
本发明的进一步技术方案是：包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加2份Cr以及1份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1500℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至950℃后保温，保温时间为90min，再将截齿齿体置于液氮中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至450℃后保温，保温时间90min，再置于空气中冷却至室温。
本发明的进一步技术方案是：包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加3份Cr以及0.5份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1200℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至850℃后保温，保温时间为30min，再将截齿齿体置于乳化液中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至450℃后保温，保温时间60min，再置于空气中冷却至室温。
本发明一种截齿齿体热处理工艺由于采用上述方案，具有如下有益效果：
1.本发明一种截齿齿体热处理工艺是以42CrMo为基础，通过调整C、Cr、Mo元素的相对含量和淬火、回火工艺，通过碳含量调整合金的硬度，控制硬质相的形貌和分布，提高齿体的高温强度；并通过调整淬火和回火工艺控制硬质析出相的尺寸、数量和分布；
2.本发明的淬火介质采用乳化液和液氮，较传统油冷的冷却速率相比大幅提高，促进基体组织快速、完全转变，减少残留未转变组织导致的内应力和性能恶化；
3.本发明将回火温度提高到250~450℃，调控析出相的速率，控制其尺寸和分布，消除淬火残余应力，使其韧性和硬度匹配。
下面结合实施例对本发明一种截齿齿体热处理工艺作进一步的说明。
具体实施方式
实施例一：
一种截齿齿体热处理工艺，包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加1~3份Cr以及0.5~2份Mo，使其进行合金化；本发明通过增加齿体中Cr和Mo元素的含量，使得Fe、Cr元素可以与碳结合形成更多的硬质Fe3C、碳化铬硬质析出相，而Mo元素可以通过固溶度变化调整析出相的热力学和动力学，同时可以提高高温稳定性，减轻在高温服役过程中的软化现象；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1000~1500℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至730~950℃后保温，保温时间为30~90min，再将截齿齿体置于乳化液或液氮中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至250~450℃后保温，保温时间30~90min，再置于空气中冷却至室温。
本发明一种截齿齿体热处理工艺是基于42CrMo合金钢的Ac1温度为730℃，Ac3为780℃，Ar1为690℃，Ms为360℃，通过对熔炼浇铸后的新成分合金以5℃/min的升温速率加热至730℃~950℃，保温30~90min，后置于乳化液或液氮中冷却至室温，再以5℃/min的升温速率加热至250℃~450℃，保温30~90min，后空冷至室温。通过在淬火时将截齿齿体加热到临界点温度以上，使其内部组织充分奥氏体化后，紧接着通过相应的冷却液快速冷却，使其组织转变为马氏体；由于淬火完成后，截齿齿体内存在大量的残余应力，再加上马氏体的韧性极差，因此淬火完成的截齿齿体不能直接进行使用，为了使淬火后的截齿齿体得到更加综合性能，就必须对其进行回火处理，回火的主要目的是消除淬火残余应力，使其韧性和硬度匹配。
采用本发明的工艺对截齿齿体进行热处理，较传统工艺处理的齿体，本发明加工的截齿齿体产品的室温硬度≥50 HRC，高温硬度≥45HRC，均得到了50%以上的提高，在超硬岩层工况下的使用寿命提高3~6倍。
实施例二：
一种截齿齿体热处理工艺，包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加1份Cr以及2份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1000℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至750℃后保温，保温时间为60min，再将截齿齿体置于乳化液中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至250℃后保温，保温时间30min，再置于空气中冷却至室温。
该实例所得截齿齿体，通过洛氏硬度计测得的室温硬度为42.1HRC，在温度600℃下硬度为33.4HRC；针对坚固性系数为f=12的岩层，工作13min因磨损失效。
实施例三：
一种截齿齿体热处理工艺，包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加2份Cr以及1份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1500℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至950℃后保温，保温时间为90min，再将截齿齿体置于液氮中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至450℃后保温，保温时间90min，再置于空气中冷却至室温。
该实例所得截齿齿体，通过洛氏硬度计测得的室温硬度为47.3HRC，在温度600℃下硬度为38.9HRC；针对坚固性系数为f=12的岩层，工作22min因磨损失效。
实施例四：
一种截齿齿体热处理工艺，包括以下步骤：
S1、熔炼：将42CrMo不锈钢作为原料通过电炉熔化成碳钢水后，添加3份Cr以及0.5份Mo，使其进行合金化；
S2、浇铸：将步骤S1所得碳钢水进行浇铸成不锈钢棒材，浇铸温度为1200℃；
S3、成型：不锈钢棒材经过锻压后，通过机加工成型为矩形的截齿齿体；
S4、淬火：将步骤S3所得截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至850℃后保温，保温时间为30min，再将截齿齿体置于乳化液中冷却至室温；
S5、回火：将步骤S4所得的淬火截齿齿体以5℃/min的升温速率加热至450℃后保温，保温时间60min，再置于空气中冷却至室温。
该实例所得截齿齿体，通过洛氏硬度计测得的室温硬度为52HRC，在温度600℃下硬度为47HRC；针对坚固性系数为f=12的岩层，工作35min因磨损失效；其硬度较现有工艺加工的截齿齿体提高40%，在超硬岩层工况下的使用寿命提高近6倍。
以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明的结构并不限于上述实施例列举的形式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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