权利要求
1.深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
S1：选用高速工具钢，将所述高速工具钢制作成所需规格的管材，将所述管材加工成型成热处理前的原型钻杆，并且将所述原型钻杆竖直挂置，在所述原型钻杆的底端挂载配重进行校直;
S2：将所述原型钻杆加热至第一预设温度，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却至所述高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下实现淬火;
S3：将所述原型钻杆加热至第二预设温度，并且保温第一预设时间，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火;
S4：将第一次回火后的所述原型钻杆加热至第三预设温度，并且保温第二预设时间，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火，得到所述深孔钻杆。
2.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，所述原型钻杆的有效厚度为D，所述第一预设时间为T1，所述第二预设时间为T2，T1=(a+b)D，T2=(a+b)D，a=20min/mm，10min/mm≤b≤20min/mm，T2>T1。
3.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，步骤S2中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却中的气体为氮气;步骤S3中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火中的气体为氮气;步骤S4中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火中的气体为氮气。
4.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，所述高速工具钢的材质为W18Cr4V。
5.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，850℃≤所述第一预设温度≤1280℃。
6.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，550℃≤所述第二预设温度≤650℃。
7.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，650℃≤所述第三预设温度≤800℃。
8.根据权利要求1所述的深孔钻杆热处理工艺，其特征在于，所述第三预设温度大于所述第二预设温度。
9.热处理设备，其特征在于，用于实施权利要求1至8中任一项所述的深孔钻杆热处理工艺，包括：
淬火炉，所述淬火炉用于进行步骤S2中的将所述原型钻杆加热至第一预设温度的工序;
冷却炉，所述冷却炉用于进行步骤S2中的使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却至所述高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下的工序;
回火炉，所述回火炉用于进行步骤S3以及步骤S4。
10.根据权利要求9所述的热处理设备，其特征在于，所述热处理设备还包括制氮装置，所述制氮装置连通所述淬火炉、所述回火炉以及所述冷却炉，所述制氮装置用于向所述淬火炉、所述回火炉以及所述冷却炉提供氮气。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及深孔钻杆加工技术领域，具体涉及一种深孔钻杆热处理工艺及深孔钻杆热处理设备。
背景技术
[0002]深孔加工工艺在制造业中应用十分广泛，需要使用到深孔钻杆来实现深孔的加工，并且对于钻杆的力学性能有着较高的标准。因此会对加工出来的原型钻杆进行一系列热处理提升其力学性能，但是相关技术中的热处理工艺对于环境的污染比较严重。
发明内容
[0003]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种深孔钻杆热处理工艺，能够保证深孔钻杆的力学性能的同时减少对环境的污染。
[0004]本发明还提出一种用于实施上述深孔钻杆热处理工艺的热处理设备。
[0005]根据本发明的第一方面实施例的深孔钻杆热处理工艺，包括以下步骤。S1：选用高速工具钢，将所述高速工具钢制作成所需规格的管材，将所述管材加工成型成热处理前的原型钻杆，并且将所述原型钻杆竖直挂置，在所述原型钻杆的底端挂载配重进行校直。S2：将所述原型钻杆加热至第一预设温度，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却至所述高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下实现淬火。S3：将所述原型钻杆加热至第二预设温度，并且保温第一预设时间，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火。S4：将第一次回火后的所述原型钻杆加热至第三预设温度，并且保温第二预设时间，然后使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火，得到所述深孔钻杆。
[0006]根据本发明实施例的深孔钻杆热处理工艺，至少具有如下有益效果：现有技术中的深孔钻杆多采用渗碳钢，通过对表面渗碳提升硬度，同时让内部保持较好的强韧性实现外硬内韧的性能，但是渗碳钢的渗碳工艺中要使用渗碳剂，例如煤油甲醇等，这些会对环境产生污染，并且在淬火工艺中也会使用冷却液对工件进行快速冷却满足力学性能的要求，淬火冷却液也会对环境产生一定的污染。本发明实施例通过使用高速工具钢制造整根钻杆，可以免除渗碳的热处理步骤，并且由于深孔钻杆具有壁薄、细长的结构特点，因此加热到淬火温度之后可以直接进行风冷淬火，无需淬火冷却液，因此整体步骤上不需要渗碳剂、淬火冷却液等化学试剂，减少了对环境的污染，并且相较于现有技术的单次回火还进行了二次回火工艺，进一步改善深孔钻杆的力学性能，使得本发明的深孔钻杆热处理工艺能够保证深孔钻杆的力学性能的同时改善对环境的污染。
[0007]根据本发明的一些实施例，所述原型钻杆的有效厚度为D，所述第一预设时间为T1，所述第二预设时间为T2，T1=(a+b)D，T2=(a+b)D，a=20min/mm，10min/mm≤b≤20min/mm，T2>T1。
[0008]根据本发明的一些实施例，步骤S2中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却中的气体为氮气;步骤S3中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火中的气体为氮气;步骤S4中，使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火中的气体为氮气。
[0009]根据本发明的一些实施例，所述高速工具钢的材质为W18Cr4V。
[0010]根据本发明的一些实施例，850℃≤所述第一预设温度≤1280℃。
[0011]根据本发明的一些实施例，550℃≤所述第二预设温度≤650℃。
[0012]根据本发明的一些实施例，650℃≤所述第三预设温度≤800℃。
[0013]根据本发明的一些实施例，所述第三预设温度大于所述第二预设温度。
[0014]根据本发明第二方面实施例的热处理设备，用于实施第一方面实施例中任一项所述的深孔钻杆热处理工艺，包括淬火炉、冷却炉以及回火炉。所述淬火炉用于进行步骤S2中的将所述原型钻杆加热至第一预设温度的工序。所述冷却炉用于进行步骤S2中的使所述原型钻杆在气体环境下自然冷却至所述高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下的工序。所述回火炉用于进行步骤S3以及步骤S4。
[0015]根据本发明实施例的热处理设备，至少具有如下有益效果：通过使用高速工具钢制造整根钻杆，可以免除渗碳的热处理步骤，并且由于深孔钻杆具有壁薄、细长的结构特点，因此加热到淬火温度之后可以直接进行风冷淬火，无需淬火冷却液，因此整体步骤上不需要渗碳剂、淬火冷却液等化学试剂，减少了对环境的污染，并且相较于现有技术的单次回火还进行了二次回火工艺，进一步改善深孔钻杆的力学性能，热处理设备中的冷却炉无需配置冷却液，还免除了渗碳炉等装置，使得能够保证热处理后的深孔钻杆的力学性能的同时改善对环境的污染。
[0016]根据本发明的一些实施例，所述热处理设备还包括制氮装置，所述制氮装置连通所述淬火炉、所述回火炉以及所述冷却炉，所述制氮装置用于向所述淬火炉、所述回火炉以及所述冷却炉提供氮气。
[0017]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0018]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明的一个实施例中的深孔钻杆热处理工艺的步骤图;
图2为本发明的多个实施例中的原型钻杆的结构示意图;
图3为本发明的一个实施例中的深孔钻杆热处理工艺的工艺曲线图;
图4为本发明的一个实施例中的热处理设备的整体示意图。
[0019]附图标记：第一钻杆100、第二钻杆200、第三钻杆300、热处理设备400、淬火炉401、冷却炉402、回火炉403、制氮装置404。
具体实施方式
[0020]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0021]在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0022]在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0023]本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0024]本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0025]参考图1和图3，根据本发明的第一方面实施例的深孔钻杆热处理工艺，包括以下步骤。S1：选用高速工具钢，将高速工具钢制作成所需规格的管材，将管材加工成型成热处理前的原型钻杆，并且将原型钻杆竖直挂置，在原型钻杆的底端挂载配重进行校直。S2：将原型钻杆加热至第一预设温度，然后使原型钻杆在气体环境下自然冷却至高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下实现淬火。S3：将原型钻杆加热至第二预设温度，并且保温第一预设时间，然后使原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火。S4：将第一次回火后的原型钻杆加热至第三预设温度，并且保温第二预设时间，然后使原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火，得到深孔钻杆。
[0026]现有技术中的深孔钻杆多采用渗碳钢，通过对表面渗碳提升硬度，同时让内部保持较好的强韧性实现外硬内韧的性能，但是渗碳钢的渗碳工艺中要使用渗碳剂，例如煤油甲醇等，这些会对环境产生污染，并且在淬火工艺中也会使用冷却液对工件进行快速冷却满足力学性能的要求，淬火冷却液也会对环境产生一定的污染。本发明实施例通过使用高速工具钢制造整根钻杆，可以免除渗碳的热处理步骤，并且由于深孔钻杆具有壁薄、细长的结构特点，因此加热到淬火温度之后可以直接进行风冷淬火，无需淬火冷却液，因此整体步骤上不需要渗碳剂、淬火冷却液等化学试剂，减少了对环境的污染，并且相较于现有技术的单次回火还进行了二次回火工艺，进一步改善深孔钻杆的力学性能，使得本发明的深孔钻杆热处理工艺能够保证深孔钻杆的力学性能的同时改善对环境的污染。
[0027]需要说明的是，上述的原型钻杆，指的是尚未完全进行热处理的深孔钻杆，相当于胚体，两者本质上指代的是同一个工件。
[0028]需要说明的是，S2步骤中的“马氏体开始转变温度”简称Ms温度，指奥氏体向马氏体转变开始时的温度，只有温度低于 Ms，奥氏体才会开始转变为马氏体，触发马氏体相变从而使原型钻杆获得较高的硬度。并且，淬火时必须快速冷却，避免原型钻杆在冷却过程中在较高温度停留过久，奥氏体会发生扩散性相变，形成如珠光体、索氏体、贝氏体等组织，这些组织的硬度远低于马氏体，无法满足深孔钻杆对高硬度、高耐磨性的要求，使温度迅速通过这些区域，直达 Ms 温度以下，避免非马氏体相变，确保马氏体形成。因为这个原因所以现有技术中淬火的冷却过程通常会用到冷却液缩短冷却时间，但是本发明应用的深孔钻杆领域由于钻杆的壁薄、细长等特点，因此直接在空气或者惰性气体的环境下进行空冷就能满足快速冷却的需求，无需使用冷却液，减少了对环境的污染。
[0029]参考图2和图3，在本发明的一些实施例中，原型钻杆的有效厚度为D，第一预设时间为T1，第二预设时间为T2，T1=(a+b)D，T2=(a+b)D，a=20min/mm，10min/mm≤b≤20min/mm，T2>T1。第一预设时间即为第一次回火保温时间，第二预设时间为第二次回火的保温时间。如图2所示，原型钻杆的横截面基本上有矩形、圆形以及环形三种形式，当原型钻杆为第一钻杆100所示的矩形横截面时，有效厚度D为矩形的宽，当原型钻杆为第二钻杆200所示的圆形横截面时，有效厚度D为圆形的直径，当原型钻杆为第三钻杆300所示的环形横截面时，有效厚度D等于大圆的直径d1减小圆的直径d2，即D=(d1—d2)。原型钻杆是一种细长的管状金属零件，其回火过程需要将整个杆体加热到设定的回火温度，并保持一定时间，使组织均匀化、应力得到释放、性能得到优化。因此，原型钻杆的有效厚度决定了热量从表面传导到内部中心所需的时间，并且环形钻杆的有效厚度需要减掉内部空心圆的直径。如果保温时间不足，原型钻杆内部可能尚未达到目标回火温度或温度不均匀，导致组织转变不完全。上述公式用于计算原型钻杆所需要的回火保温时间，b为可调整的范围值，例如当有效厚度为3mm时，T1和T2的最小值为：(20min/mm+10min/mm)×3mm=90min，T1和T2的最大值为：(20min/mm+20min/mm)×3mm=120min，具体地T1和T2可以是90min、95min、100min、105min、110min、115min、120min以及90min~120min中的任意值。进一步地还让第二次回火的保温时间大于第一次回火的保温时间，可以进一步松弛微观结构中的残余应力，使组织更加稳定，从而提高钻杆的尺寸精度与长期使用稳定性。并且第二次更长时间的回火保温可以进一步促进碳化物的弥散析出与分布，使原型钻杆在保持高强度的同时，韧性更好，抗冲击能力更强。
[0030]在本发明的一些实施例中，步骤S2中，使原型钻杆在气体环境下自然冷却中的气体为氮气;步骤S3中，使原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第一次回火中的气体为氮气;步骤S4中，使原型钻杆在气体环境下自然冷却实现第二次回火中的气体为氮气。空气中含有氧气，虽然在空气环境下冷却可以进一步地降低成本，但是在高温的原型钻杆空冷时，氧气会与钻杆表面发生氧化反应，形成多种氧化物，影响工件表面质量、尺寸精度以及后续的加工或者使用，而氮气是一种惰性气体，化学性质稳定，不易与大多数金属及其氧化物发生反应，使用氮气可有效隔绝氧气，避免高温工件在冷却阶段发生氧化，改善冷却过程的控制性、防止氧化与脱碳、减少热处理缺陷、提升工件质量。
[0031]需要说明的是，步骤S2、S3、S4中并不需要都用氮气，可以根据成本或者实际需求将一些步骤调整为空气环境的冷却，进一步地，也可以使用氦气、氩气等惰性气体进行冷却和保护。
[0032]需要说明的是，在本发明的一些实施例中，氮气环境下的冷却还可以在冷却炉402中设置氧气检测探头，通过检测氧气的含量来判断是否需要增补氮气，因为使用氮气本质上也是为了隔绝氧气对原型钻杆的影响，直接检测氧含量比单纯控制氮气流量更直接有效。通过实时检测氧浓度，一旦超过设定阈值即加大氮气供应，迅速将氧浓度压下去。并且使用氧气检测探头还可以适用于不同工艺需求，只需调整氧浓度的设定值，就能适应不同材料、不同温度下的氮气保护要求。
[0033]进一步地，在本发明的一些实施例中，还可以在冷却炉402中设置可控的氮气释放装置，可通过调节氮气的流量、压力、流向等参数，更精确地控制冷却速率与均匀性，从而提高热处理冷却时工件质量的稳定性和一致性。
[0034]在本发明的一些实施例中，高速工具钢的材质为W18Cr4V。W18Cr4V是一种钨系高速钢，具有高耐磨性，能够抵抗深孔钻削时的剧烈摩擦，并且在高温下仍能保持硬度，适合长时间连续钻削，避免发热导致的钻杆软化，并且将其热处理成深孔钻杆后还可以使其具有较高的硬度和抗冲击性，满足各种复杂工况的使用需求。
[0035]在本发明的一些实施例中，850℃≤第一预设温度≤1280℃。第一预设温度即淬火加热温度，具体地可以是850℃、855℃、900℃、950℃、980℃、1000℃、1080℃、1120℃、1180℃、1200℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃等温度以及850℃~1280℃中的任意温度值。淬火温度的选择直接影响钻杆的硬度、韧性、耐磨性及最终使用性能。合适的淬火温度能够确保钢材获得高硬度、良好的耐磨性和足够的高温硬度，同时避免过度脆化或组织不均匀，当第一预设温度低于850℃时，淬火温度过低，合金元素与碳溶解不充分，并且还会产生耐磨性差、高温时硬度不够，深孔钻时产生的热量容易让钻杆软化失效，并且整体性能的一致性也低，当第一预设温度高于1280℃时，淬火加热温度过高，容易产生粗晶组织使得钻杆脆性增大韧性降低，容易发生断裂等事故，并且温度过高也可能直接破坏材料结构，使得碳化物溶解过度，工件也容易产生变形或者直接淬裂，因此选择合适的温度有利于提升原型钻杆的内部性能。
[0036]在本发明的一些实施例中，550℃≤第二预设温度≤650℃。第二预设温度即第一次回火的加热和保温温度，具体地可以是550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃以及550℃~650℃中的任意温度值。合适的回火温度能够消除淬火应力、稳定组织、调整硬度与韧性，最终获得良好的综合机械性能，当第二预设温度低于550℃时，回火温度过低，对淬火时产生的应力消除不充分，并且不能很好的提升钻杆的韧性以及耐磨性，综合性能不达标，当第二预设温度高于650℃时，回火温度过高，材料的硬度和强度都会下降，并且还容易引起冲击韧性下降的问题，因此选择合适的回火温度才能够获得良好的综合机械性能。
[0037]在本发明的一些实施例中，650℃≤第三预设温度≤800℃。第三预设温度即第二次回火的加热和保温温度，具体地可以是650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、780℃、800℃以及650℃~800℃中的任意温度值。二次回火可以在第一次回火的基础上进一步消除残余应力、优化组织结构、提升硬度与韧性的综合性能、增强耐磨性与热硬性、提高疲劳寿命与尺寸稳定性，尤其适用于对性能和可靠性要求较高的工件。二次回火温度过高或者过低与第一次回火温度偏差过大所产生的不利影响类似，这里不做赘述。
[0038]在本发明的一些实施例中，第三预设温度大于第二预设温度。第一次回火后材料的硬度较高，仅看钻杆杆头的部分已经达到要求，但是本发明是对整根高速工具钢热处理形成深孔钻杆，因此在进行二次回火的同时，提高了二次回火的加热温度，使部分回火马氏体转变为索氏体并保留部分残留奥氏体使得硬度降低，从而钻杆整体的强度和韧性均在现行工艺基础上提高70%以上，保证了枪钻杆良好的综合机械性能。
[0039]参考图4，根据本发明第二方面实施例的热处理设备400，用于实施第一方面实施例中任一项的深孔钻杆热处理工艺，包括淬火炉401、冷却炉402以及回火炉403。淬火炉401用于进行步骤S2中的将原型钻杆加热至第一预设温度的工序。冷却炉402用于进行步骤S2中的使原型钻杆在气体环境下自然冷却至高速工具钢对应的马氏体开始转变温度以下的工序。回火炉403用于进行步骤S3以及步骤S4。
[0040]通过使用高速工具钢制造整根钻杆，可以免除渗碳的热处理步骤，并且由于深孔钻杆具有壁薄、细长的结构特点，因此加热到淬火温度之后可以直接进行风冷淬火，无需淬火冷却液，因此整体步骤上不需要渗碳剂、淬火冷却液等化学试剂，减少了对环境的污染，并且相较于现有技术的单次回火还进行了二次回火工艺，进一步改善深孔钻杆的力学性能，热处理设备400中的冷却炉402无需配置冷却液，还免除了渗碳炉等装置，使得能够保证热处理后的深孔钻杆的力学性能的同时改善对环境的污染。
[0041]参考图4，在本发明的一些实施例中，热处理设备400还包括制氮装置404，制氮装置404连通淬火炉401、回火炉403以及冷却炉402，制氮装置404用于向淬火炉401、回火炉403以及冷却炉402提供氮气。设置制氮装置404并且可以分别对淬火炉401、回火炉403以及冷却炉402提供氮气保护，提升了各炉内热处理的工艺质量，减少了热处理过程中氧气对钻杆表面的影响，并且无环境污染，结合氧气检测探头还能实时调整各炉内的氮气含量。
[0042]下面是本发明的深孔钻杆热处理工艺的一些具体实施例。
[0043]
[0044]实施例一中的深孔钻杆为圆环形钻杆，外径8mm，进行热处理前的硬度为25HRC，抗拉强度为460Mpa，进行了淬火以及两次回火后，硬度提升至50~54HRC，抗拉强度提升至800~900Mpa。
[0045]实施例二中的深孔钻杆同样为圆环形钻杆，外径20mm，进行热处理前的硬度为25HRC，抗拉强度为460Mpa，进行了淬火以及两次回火后，同样有较大的硬度和抗拉强度的提升，硬度提升至50~54HRC，抗拉强度提升至800~900Mpa。
[0046]本发明的热处理工艺针对不同尺寸的原型钻杆均会有较大的性能提升。
[0047]上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
说明书附图(4)
声明：
“深孔钻杆热处理工艺及热处理设备” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
166
编辑：北方有色网
来源：深圳市鸿涛机电科技服务有限公司
咨询细节
