[发明专利]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

说明书

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。

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；