專利名稱：一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝，特別是材質(zhì)為20Cr2Ni4的活塞熱處理工藝。
背景技術(shù)：
潛孔沖擊器的活塞長(zhǎng)期處于較大沖擊力的反復(fù)作用和接觸疲勞狀態(tài)下工作，因而活塞表面應(yīng)有較高的硬度和耐磨性，芯部應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，為此活塞的熱處理工藝有嚴(yán)格的要求。熱處理技術(shù)是生產(chǎn)沖擊器過(guò)程中最為關(guān)鍵的技術(shù)，現(xiàn)在市場(chǎng)上使用較廣泛的一些沖擊器壽命之所以不長(zhǎng)，其根源就在于熱處理技術(shù)不能過(guò)關(guān)。有的淬硬層太深，心部硬度過(guò)高，活塞不堪一擊，有的淬硬層太薄，抗疲勞能力不夠。因而壽命不穩(wěn)定，平均使用壽命低。對(duì)于沖擊器而言，活塞的選材至關(guān)重要，活塞材料的優(yōu)劣直接影響沖擊器的壽命。 本發(fā)明快速潛孔沖擊器的活塞采用的材料是20Cr2Ni4.20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金是在高溫及一定應(yīng)力作用下，可長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，由于具有良好的高溫性能，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，成為目前制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的首選材料之一。由于單晶高溫合金中沒(méi)有晶界存在，其強(qiáng)化主要是靠Y基體的固溶強(qiáng)化和Y ‘ 相第二相強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。Y ‘作為強(qiáng)化相，它的形狀、尺寸、體積分?jǐn)?shù)及分布等對(duì)單晶高溫合金力學(xué)性能都有重要影響。而改變熱處理工藝能不同程度地調(diào)整合金中Y ‘相的形態(tài)和分布，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能。研究表明，20&2附4單晶高溫合金的高溫持久壽命隨初始 Y'沉淀尺寸的變化是先增后減，存在一個(gè)峰值。需要通過(guò)熱處理工藝使20Cr2Ni4單晶高溫合金的Y'沉淀尺寸達(dá)到最大，從而使20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金高溫性能得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述弊端，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種對(duì)材質(zhì)為20Cr2Ni4 的活塞進(jìn)行熱處理的工藝。使活塞壽命延長(zhǎng)，與國(guó)內(nèi)其他同行產(chǎn)品相比鉆孔深度能增加 500-1000m。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝，依序包括如下步驟，—、滲碳將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900°C的單相奧氏體區(qū)，保溫 10小時(shí)后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，芯部仍保持原有成分。使?jié)B過(guò)碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。優(yōu)選采用真空滲碳設(shè)備，對(duì)活塞進(jìn)行滲碳強(qiáng)化處理，采用紅外儀表測(cè)控碳勢(shì)，以控制滲碳層的深度。二、淬火將工件加熱到800°C，保溫3小時(shí)后，放入油中急速冷卻，以得到馬氏體組織。三、回火將淬火后的工件在200°C的條件下回火2小時(shí)，得到回火馬氏體，這樣可以使鋼件淬火殘余內(nèi)應(yīng)力得到部分消除，韌度提高一些，并保持58-62HRC的硬度。四、冰凍將回火后冷卻至室溫的工件繼續(xù)冷卻到零下80°C。使相當(dāng)一部分殘余
3奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，剩下的未轉(zhuǎn)變的少量殘余奧氏體變得更加穩(wěn)定。從而增加了工件的硬度和尺寸穩(wěn)定性。五、固溶處理固溶溫度1300°C，固溶時(shí)間4小時(shí)。當(dāng)固溶溫度低于1295°C時(shí)，合金中可觀察到殘余共晶組織，1300°C時(shí)共晶組織基本溶凈，1305°C時(shí)共晶完全溶凈；固溶溫度低于1290°C時(shí)嚴(yán)重偏析，枝晶花樣仍比較清晰。 經(jīng)1四5，1300°C和1305°C固溶后，合金組織偏析較輕。經(jīng)1300°C /4小時(shí)處理的試樣持久性能最好。1295°C固溶處理后，合金還存在一定的枝晶偏析，而偏析的存在使合金不能充分發(fā)揮其潛力，因此固溶處理溫度越高，合金元素分布越均勻，對(duì)合金的性能越有利。同時(shí)，在單晶高溫合金中，除了偏析外，微觀孔洞對(duì)合金的性能也有很大影響，因?yàn)槲⒖撞粌H能夠減少試樣的有效截面積，同時(shí)也會(huì)成為應(yīng)力集中的位置，可能引起最終斷裂?？锥吹男纬捎袃煞N途徑第一種是凝固過(guò)程中補(bǔ)縮不充分而形成的；第二種是在固溶處理過(guò)程中，空位聚合形成。由于固溶溫度不同，空位擴(kuò)散的速率不同，導(dǎo)致由空位聚合形成的孔洞的數(shù)量也不同。因此在1305°C固溶后盡管偏析程度略有降低，但合金的持久性能并沒(méi)有提高反而略有下降，其主要原因可能為在較高溫度下，空位擴(kuò)散聚合引起空洞較多的緣故。綜上所述，合金經(jīng)1300°C /4小時(shí)處理具有良好的綜合性能，選1300°C /4小時(shí)為最佳固溶處理制度。六、時(shí)效處理一次時(shí)效溫度為1100°C?？紤]到鑄態(tài)下的Y ‘是在凝固的單相Y固溶體冷卻過(guò)程中析出的，稱其為一次 Y ‘相。由于合金元素的偏析，鑄態(tài)下枝晶間和枝晶干的一次Y ‘相尺寸差異較大，且形狀不規(guī)則。而高的彌散程度、形狀規(guī)則、尺寸適當(dāng)且分布均勻的Y'對(duì)提高合金性能起著很大的作用。因此，為了提高強(qiáng)化相的強(qiáng)化效果，要通過(guò)固溶處理消除枝晶偏析，并對(duì)合金進(jìn)行時(shí)效處理，以調(diào)整Y'相的尺寸和分布。對(duì)應(yīng)于鑄態(tài)下析出的一次Y'相，將經(jīng)過(guò)固溶和時(shí)效處理后析出長(zhǎng)大的Y'相稱之為二次Y'相。已有的研究表明，時(shí)效處理溫度對(duì)二次Y'相析出長(zhǎng)大起著至關(guān)重要的作用。時(shí)效溫度太低，Y ‘析出長(zhǎng)大到一定程度后， 即使延長(zhǎng)保溫時(shí)間Y'也不會(huì)再長(zhǎng)大，第二相強(qiáng)化的潛力得不到充分發(fā)揮。而時(shí)效溫度太高，Y'會(huì)迅速析出長(zhǎng)大，并且形狀變得不規(guī)則，惡化合金性能。研究表明隨著時(shí)效溫度的升高，Y ‘相尺寸逐漸增大，形狀由不規(guī)則向規(guī)則再向不規(guī)則轉(zhuǎn)化。在900°C下，γ ‘形貌與固溶處理后差別不大，Y ‘相尺寸較小，略帶尖角，排列不規(guī)則；而后，隨著時(shí)效溫度的提高，Y'相尺寸逐漸增大，排列逐漸規(guī)則；當(dāng)溫度高于 1150°C后，二次Y1相尺寸雖然繼續(xù)增大，但形狀又逐漸變得不規(guī)則。可見(jiàn)在900-1150°C之間，隨著時(shí)效溫度的升高，Y ‘相的體積分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)。合金經(jīng)900°C /1小時(shí)和1000°C /1小時(shí)時(shí)效處理后Y ‘相尺寸與未時(shí)效處理相差不大，呈欠時(shí)效狀態(tài)。經(jīng)1150°C /1小時(shí)和1200°C /1小時(shí)時(shí)效處理后、‘相尺寸較大且形狀不規(guī)則， 呈過(guò)時(shí)效狀態(tài)。經(jīng)1080°C /1小時(shí)和1100°C /1小時(shí)時(shí)效處理后Y ‘相尺寸適中，為合適的時(shí)效溫度，相比之下1100°c/l小時(shí)時(shí)效處理后r形狀比較規(guī)則，選定1100°c為一次時(shí)效溫度。本發(fā)明有益效果在于，采用上述技術(shù)方案，能夠使活塞獲得所謂“薄殼結(jié)構(gòu)”，即表面有一層硬度很高的薄殼，以提高耐磨性，而芯部也有適當(dāng)?shù)挠捕纫员ＷC足夠的強(qiáng)度和韌性，淬火后表面硬化層有400-700MPa的壓應(yīng)力，這樣可以提高抗張應(yīng)力為主的疲勞強(qiáng)度。從而提高了活塞的壽命。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理和固溶處理后，20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金的強(qiáng)度性能會(huì)大大提高，活塞材料的性能得到改善，將擁有更長(zhǎng)的壽命。下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。


附圖為活塞產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式活塞是潛孔沖擊器的心臟，在工作中承受著復(fù)雜的交變應(yīng)力。隨著潛孔沖擊器在工程中的廣泛應(yīng)用，提高活塞使用壽命和工作效率是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。我們開(kāi)發(fā)的 BD79型快速潛孔沖擊器采用了改善活塞熱處理方法、增大活塞行程和活塞重量、采用棒錘形細(xì)長(zhǎng)活塞的原理，實(shí)現(xiàn)了使用壽命長(zhǎng)、沖擊功率大、鉆孔速度高的效果。一、整體技術(shù)概述為了使BD系列沖擊器具有大沖擊功、低頻率的特點(diǎn)，以達(dá)到較高的穿孔效率和較長(zhǎng)的壽命，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采取以下措施1)、改善活塞熱處理工藝已在發(fā)明內(nèi)容部分作了詳細(xì)說(shuō)明，不再贅述。2)增大活塞行程和活塞重量對(duì)于潛孔沖擊器，活塞直徑受炮孔直徑限制，所以要加大沖擊功，必然增加活塞行程。結(jié)構(gòu)行程加大后，就會(huì)提高活塞沖擊速度，從而加大沖擊器的單次沖擊功。但是，活塞沖擊速度也有一個(gè)最優(yōu)范圍，過(guò)低或過(guò)高的沖擊速度都會(huì)顯著地增加單位功耗，室內(nèi)試驗(yàn)資料表明，對(duì)于堅(jiān)硬巖石，最優(yōu)沖擊速度在5-7. 5m/s之間。此外在沖擊功一定的情況下，加大活塞重量有利于提高沖擊能量的傳遞效率，因?yàn)榛钊臎_擊功轉(zhuǎn)變?yōu)殁F尾應(yīng)變能，起主導(dǎo)作用的是沖擊瞬間的接觸時(shí)間，而接觸時(shí)間與活塞的質(zhì)量成正比。但是活塞重量增加，沖擊速度又相應(yīng)降低。所以綜合考慮活塞的行程與質(zhì)量問(wèn)題， 才能使沖擊器在消耗一定風(fēng)量的情況下獲得盡可能大的沖擊功率，達(dá)到節(jié)能的效果。本項(xiàng)目吸取了國(guó)內(nèi)外在鑿巖理論方面的研究成果，經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)，最終將BD系列潛孔沖擊器活塞沖擊速度確定在6. 5-7m/s之間，并得到了預(yù)期效果。BD79快速潛孔沖擊器的結(jié)構(gòu)行程增加到100mm。同時(shí)BD79快速潛孔沖擊器的活塞增加到10. 2Kgo而現(xiàn)有沖擊器，比如Y-200 型沖擊器的結(jié)構(gòu)行程只有88mm。CKY-200型活塞重8. 4Kg。3)采用棒錘形細(xì)長(zhǎng)活塞為了降低穿孔時(shí)的單位功耗和提高鉆具壽命，本沖擊器采用棒錘形細(xì)長(zhǎng)活塞。許多實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)資料表明在沖擊功、沖擊速度和活塞重量完全相同的情況下，細(xì)長(zhǎng)活塞破碎巖石的單位功耗要比短粗活塞低。例如我公司破碎機(jī)理組模擬 BD79快速潛孔沖擊器的棒錘形活塞和仿蘇型短粗活塞，在鐵磁礦中進(jìn)行鑿孔對(duì)比試驗(yàn)，活塞重量完全一樣，只是形狀不同，沖擊速度分別為2、4、6、8米/秒，在所有四種沖擊功情況下，棒錘形活塞的單位功耗都要比短粗形活塞低，分別降低12-40%。同時(shí)，用試波照相機(jī)拍攝沖擊應(yīng)力波形表明，棒錘形活塞的應(yīng)力波最大振幅要較粗短形活塞低20-30%，而波的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)三分之一左右。棒錘形活塞還可以提高內(nèi)缸的使用壽命，因?yàn)榛钊麤_擊釬尾時(shí)，除了產(chǎn)生縱向應(yīng)力波外，還存在橫向應(yīng)力波，橫向應(yīng)力波同活塞和釬尾碰撞接觸狀態(tài)有關(guān)，一些資料指出，最大橫向應(yīng)力波振幅約為縱向應(yīng)力波振幅的70%，橫向應(yīng)力波是內(nèi)缸損壞的主要原因。棒錘形活塞前段有較長(zhǎng)而厚的導(dǎo)向襯套，保護(hù)了內(nèi)缸，從而提高了內(nèi)缸壽命。
二、活塞產(chǎn)品具體生產(chǎn)工藝流程參見(jiàn)附圖，下料后，在900°C的溫度下進(jìn)行鍛造以節(jié)約材料。為了提高鋼的韌性，減小剛的殘余內(nèi)應(yīng)力，鍛造之后必須進(jìn)行回火，以穩(wěn)定組織，進(jìn)而穩(wěn)定零件尺寸。然后進(jìn)行切削加工和熱處理。熱處理工藝在發(fā)明內(nèi)容部分已詳細(xì)說(shuō)明，不再贅述。經(jīng)過(guò)熱處理后的工件已經(jīng)調(diào)整了內(nèi)部組織及使用性能。只需對(duì)工件表面進(jìn)行打磨至表面粗糙度為0. 8后再將各零件裝配即可。此外，為了保證每一件產(chǎn)都能正常工作，在包裝出廠之前會(huì)對(duì)每一件產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。三、主要技術(shù)與性能指標(biāo)沖擊器性能參數(shù)主要指單次沖擊能、沖擊頻率和耗氣量。其大小取決于結(jié)構(gòu)尺寸和沖擊器前、后氣室的進(jìn)排氣時(shí)間。根據(jù)BD系列沖擊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以BD79快速潛孔沖擊器為例，建立點(diǎn)算模型，按有限差分原理編制沖擊器工作狀態(tài)的電算程序，用正交發(fā)計(jì)算出不同進(jìn)、排氣口位置條件的性能參數(shù)，研究分析沖擊器的動(dòng)力過(guò)程、壓力和活塞位移變化曲線及其工作性能指標(biāo)，擇優(yōu)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理，列出了 16個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)最佳方案作出進(jìn)一步計(jì)算。 不同氣壓條件下的工作性能指標(biāo)列于表1。表1 BD79沖擊器工作性能指標(biāo)點(diǎn)算結(jié)果
權(quán)利要求
1. 一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝，依序包括如下步驟，一、滲碳將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900°c的單相奧氏體區(qū)，保溫10小時(shí)后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，芯部仍保持原有成分；二、淬火將工件加熱到800°C，保溫3小時(shí)后，放入油中急速冷卻，以得到馬氏體組織；三、回火將淬火后的工件在200°C的條件下回火2小時(shí)，得到回火馬氏體；四、冰凍將回火后冷卻至室溫的工件繼續(xù)冷卻到零下80°C；五、固溶處理固溶溫度1300°C，固溶時(shí)間4小時(shí)；六、時(shí)效處理一次時(shí)效溫度為1100°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝，依序包括滲碳、淬火、冰凍、固溶處理、時(shí)效處理各步驟，采用上述技術(shù)方案，能夠使活塞獲得所謂“薄殼結(jié)構(gòu)”，即表面有一層硬度很高的薄殼，以提高耐磨性，而芯部也有適當(dāng)?shù)挠捕纫员ＷC足夠的強(qiáng)度和韌性，淬火后表面硬化層有400-700MPa的壓應(yīng)力，這樣可以提高抗張應(yīng)力為主的疲勞強(qiáng)度。從而提高了活塞的壽命。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理和固溶處理后，20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金的強(qiáng)度性能會(huì)大大提高，活塞材料的性能得到改善，將擁有更長(zhǎng)的壽命。
文檔編號(hào)C21D6/04GK102424976SQ20111038356
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者周建湘 申請(qǐng)人:湖南志輝礦山機(jī)械有限公司