本發(fā)明涉及鋼材熱處理,尤其涉及一種高硬度高韌性鋼材及其熱處理工藝和應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、一直以來,在稀土礦物勘探、開采的生產(chǎn)活動中,長期使用傳統(tǒng)“贛南鉆”進(jìn)行勘察取樣。傳統(tǒng)“贛南鉆”結(jié)構(gòu)簡單,主要由鉆筒(由刀口、貯樣筒、鉆頭焊接筋、導(dǎo)徑接頭組成)、鉆桿、接手和操縱桿組成。傳統(tǒng)“贛南鉆”在使用過程中,刀口向下,其鋒利的刀口有利擊穿土層和巖層,鉆筒內(nèi)空間較大,可以貯存更多的礦物樣品,同時工人會將鉆筒的刀口向外敲成外翻,形成“喇叭狀”,“喇叭狀”的刀口使得刀口直徑大于鉆筒直徑,鉆筒向下鉆掘,巖土在進(jìn)入鉆筒的過程中因鉆筒直徑變小,筒壁對巖土及巖土內(nèi)部的壓力變大,摩擦力變大,進(jìn)而使得鉆筒在向上提起的過程,鉆筒內(nèi)的巖土不會掉落。傳統(tǒng)“贛南鉆”失效主要是由于刀口卷刃、開裂和磨損嚴(yán)重,因此刀口的使用壽命則直接影響的整套“贛南鉆”的服役時長。傳統(tǒng)“贛南鉆”刀口材質(zhì)使用的45鋼,硬度較差,在使用過程中磨損較快,易卷刃,針對半風(fēng)化層等堅硬程度更高的地質(zhì)層擊穿效果很差,優(yōu)點(diǎn)是韌性較高,使用過程中不易開裂,出現(xiàn)卷刃等情況可以進(jìn)行手工修復(fù),延長使用壽命。目前,隨著稀土礦產(chǎn)勘探行業(yè)的發(fā)展,針對半風(fēng)化層甚至微風(fēng)化層等堅硬程度更高的地質(zhì)層進(jìn)行勘探取樣的需求越來越大,傳統(tǒng)“贛南鉆”針對此類服役工況性能略顯不足。
2、經(jīng)分析,鋼鐵材料性能主要受成分配比和熱處理工藝的影響。以45#鋼為例,適當(dāng)添加合金元素如cr、mo等可以提高強(qiáng)度和硬度,其次鋼材的熱處理過程一般是進(jìn)行淬火+回火/調(diào)質(zhì)處理,其淬火溫度一般在80℃以下,低于ms點(diǎn)溫度,所以淬火后的得到的組織為馬氏體組織+殘余奧氏體,其中殘余奧氏體占比很少,主要是馬氏體組織,馬氏體組織的硬度較高但韌性較差。市場上已有42crmo、40cr等成熟牌號鋼材,硬度要高于45#鋼,但其塑韌性較差,抗沖擊力較低,已經(jīng)不能夠滿足技術(shù)要求。
3、因此,如何在不降低鋼材硬度的情況下,提高鋼材的韌性,從而使“贛南鉆”刀口具有更高的半風(fēng)化層鉆掘深度,成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種高硬度高韌性鋼材及其熱處理工藝和應(yīng)用,本發(fā)明提供的熱處理工藝可以在幾乎不影響鋼材硬度的前提下顯著提高鋼材的韌性和耐磨性能,鋼材制備的“贛南鉆”刀口具有更高的半風(fēng)化層鉆掘深度。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明提供以下技術(shù)方案:
3、本發(fā)明提供了一種高硬度高韌性鋼材的熱處理工藝,包括以下步驟:
4、(1)將鋼材進(jìn)行高溫奧氏體化處理,得到奧氏體化鋼材;所述高溫奧氏體化處理的保溫溫度為850~900℃,高溫奧氏體化處理的保溫時間為20~60min;
5、(2)將所述步驟(1)得到的奧氏體化鋼材依次進(jìn)行等溫淬火處理和冷卻,得到淬火鋼材;所述等溫淬火處理的保溫溫度為260~300℃,等溫淬火處理的時間為90~150min;
6、(3)將所述步驟(1)得到的淬火鋼材進(jìn)行回火處理,得到高硬度高韌性鋼材。
7、優(yōu)選地,所述步驟(1)中鋼材為45#鋼、42crmo鋼或40cr鋼。
8、優(yōu)選地,所述步驟(1)中進(jìn)行高溫奧氏體化處理前將鋼材加工成“贛南鉆”刀口形狀。
9、優(yōu)選地,所述步驟(1)中高溫奧氏體化處理的保溫溫度為870℃,高溫奧氏體化處理的保溫時間為30min。
10、優(yōu)選地,所述步驟(2)中等溫淬火處理的保溫溫度為280~300℃,等溫淬火處理的時間為120min。
11、優(yōu)選地,所述步驟(2)中等溫淬火處理的方式為鹽浴,鹽浴所用的鹽為熔融硝酸鹽。
12、優(yōu)選地,所述熔融硝酸鹽由硝酸鉀和硝酸鈉按質(zhì)量比1:1混合配置而成。
13、優(yōu)選地,所述步驟(3)中回火處理的保溫溫度為220~250℃,回火處理的保溫時間為90~150min。
14、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述熱處理工藝制備得到的高硬度高韌性鋼材,所述高硬度高韌性鋼材的組織為貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織。
15、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述熱處理工藝制備得到的高硬度高韌性鋼材或上述技術(shù)方案所述高硬度高韌性鋼材在“贛南鉆”中的應(yīng)用。
16、本發(fā)明提供了一種高硬度高韌性鋼材的熱處理工藝,包括以下步驟:(1)將鋼材進(jìn)行高溫奧氏體化處理,得到奧氏體化鋼材;所述高溫奧氏體化處理的保溫溫度為850~900℃,高溫奧氏體化處理的保溫時間為20~60min;(2)將所述步驟(1)得到的奧氏體化鋼材依次進(jìn)行等溫淬火處理和冷卻,得到淬火鋼材;所述等溫淬火處理的保溫溫度為260~300℃,等溫淬火處理的時間為90~150min;(3)將所述步驟(1)得到的淬火鋼材進(jìn)行回火處理,得到高硬度高韌性鋼材。本發(fā)明先將鋼材進(jìn)行高溫奧氏體化,可以使鋼材內(nèi)的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織,然后將奧氏體化鋼材進(jìn)行等溫淬火處理,通過控制等溫淬火處理的溫度和時間,在較高的溫度下進(jìn)行淬火處理,可以使鋼材內(nèi)的大部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織,少部分的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,并殘留少量奧氏體組織,最后進(jìn)行回火處理,降低鋼材的內(nèi)應(yīng)力,獲得的鋼材中的組織為貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織,貝氏體組織具有較高的韌性,馬氏體組織可以提高其硬度,最終得到兼具高硬度和高韌性的鋼材,綜合性能優(yōu)異。實(shí)施例的結(jié)果顯示,采用本發(fā)明的熱處理工藝,當(dāng)鋼材為45#鋼時,得到的“贛南鉆”刀口的洛氏硬度>43hra,沖擊吸收能量kv2>19j,半風(fēng)化層鉆掘深度>10m,相較于常規(guī)淬火工藝,半風(fēng)化層鉆掘深度提升幅度在12.5%左右,當(dāng)鋼材為42crmo鋼或40cr鋼時,得到的“贛南鉆”刀口的洛氏硬度>50hra,沖擊吸收能量kv2>16j,半風(fēng)化層鉆掘深度>22m,相較于常規(guī)淬火工藝,沖擊吸收能量kv2提升幅度達(dá)到30~35%,半風(fēng)化層鉆掘深度提升幅度達(dá)到55~60%,提升幅度很大。
1.一種高硬度高韌性鋼材的熱處理工藝,包括以下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(1)中鋼材為45#鋼、42crmo鋼或40cr鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(1)中進(jìn)行高溫奧氏體化處理前將鋼材加工成“贛南鉆”刀口形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(1)中高溫奧氏體化處理的保溫溫度為870℃,高溫奧氏體化處理的保溫時間為30min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(2)中等溫淬火處理的保溫溫度為280~300℃,等溫淬火處理的時間為120min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(2)中等溫淬火處理的方式為鹽浴,鹽浴所用的鹽為熔融硝酸鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱處理工藝,其特征在于,所述熔融硝酸鹽由硝酸鉀和硝酸鈉按質(zhì)量比1:1混合配置而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱處理工藝,其特征在于,所述步驟(3)中回火處理的保溫溫度為220~250℃,回火處理的保溫時間為90~150min。
9.權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述熱處理工藝制備得到的高硬度高韌性鋼材,所述高硬度高韌性鋼材的組織為貝氏體+馬氏體+殘余奧氏體組織。
10.權(quán)利要求1~8任意一項(xiàng)所述熱處理工藝制備得到的高硬度高韌性鋼材或權(quán)利要求9所述高硬度高韌性鋼材在“贛南鉆”中的應(yīng)用。