專利名稱：一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種潛孔沖擊器活塞的熱處理工藝，特別是材質為20Cr2Ni4的活塞熱處理工藝。
背景技術：
潛孔沖擊器的活塞長期處于較大沖擊力的反復作用和接觸疲勞狀態下工作，因而活塞表面應有較高的硬度和耐磨性，芯部應有足夠的強度和韌性，為此活塞的熱處理工藝有嚴格的要求。熱處理技術是生產沖擊器過程中最為關鍵的技術，現在市場上使用較廣泛的一些沖擊器壽命之所以不長，其根源就在于熱處理技術不能過關。有的淬硬層太深，心部硬度過高，活塞不堪一擊，有的淬硬層太薄，抗疲勞能力不夠。因而壽命不穩定，平均使用壽命低。對于沖擊器而言，活塞的選材至關重要，活塞材料的優劣直接影響沖擊器的壽命。 本發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力作用下，可長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，成為目前制造先進航空發動機活塞和燃氣輪機葉片的首選材料之一。由于單晶高溫合金中沒有晶界存在，其強化主要是靠Y基體的固溶強化和Y ‘ 相第二相強化來實現。Y ‘作為強化相，它的形狀、尺寸、體積分數及分布等對單晶高溫合金力學性能都有重要影響。而改變熱處理工藝能不同程度地調整合金中Y ‘相的形態和分布，進而影響合金的力學性能。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，存在一個峰值。需要通過熱處理工藝使20Cr2Ni4單晶高溫合金的Y'沉淀尺寸達到最大，從而使20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金高溫性能得到提高。

發明內容
為了解決上述弊端，本發明所要解決的技術問題是，提供一種對材質為20Cr2Ni4 的活塞進行熱處理的工藝。使活塞壽命延長，與國內其他同行產品相比鉆孔深度能增加 500-1000m。為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是，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中，加熱到900°C的單相奧氏體區，保溫 10小時后，使滲碳介質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。使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。優選采用真空滲碳設備，對活塞進行滲碳強化處理，采用紅外儀表測控碳勢，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，得到回火馬氏體，這樣可以使鋼件淬火殘余內應力得到部分消除，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冷卻到零下80°C。使相當一部分殘余
3奧氏體轉變為馬氏體，剩下的未轉變的少量殘余奧氏體變得更加穩定。從而增加了工件的硬度和尺寸穩定性。五、固溶處理固溶溫度1300°C，固溶時間4小時。當固溶溫度低于1295°C時，合金中可觀察到殘余共晶組織，1300°C時共晶組織基本溶凈，1305°C時共晶完全溶凈；固溶溫度低于1290°C時嚴重偏析，枝晶花樣仍比較清晰。 經1四5，1300°C和1305°C固溶后，合金組織偏析較輕。經1300°C /4小時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揮其潛力，因此固溶處理溫度越高，合金元素分布越均勻，對合金的性能越有利。同時，在單晶高溫合金中，除了偏析外，微觀孔洞對合金的性能也有很大影響，因為微孔不僅能夠減少試樣的有效截面積，同時也會成為應力集中的位置，可能引起最終斷裂。孔洞的形成有兩種途徑第一種是凝固過程中補縮不充分而形成的；第二種是在固溶處理過程中，空位聚合形成。由于固溶溫度不同，空位擴散的速率不同，導致由空位聚合形成的孔洞的數量也不同。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，空位擴散聚合引起空洞較多的緣故。綜上所述，合金經1300°C /4小時處理具有良好的綜合性能，選1300°C /4小時為最佳固溶處理制度。六、時效處理一次時效溫度為1100°C。考慮到鑄態下的Y ‘是在凝固的單相Y固溶體冷卻過程中析出的，稱其為一次 Y ‘相。由于合金元素的偏析，鑄態下枝晶間和枝晶干的一次Y ‘相尺寸差異較大，且形狀不規則。而高的彌散程度、形狀規則、尺寸適當且分布均勻的Y'對提高合金性能起著很大的作用。因此，為了提高強化相的強化效果，要通過固溶處理消除枝晶偏析，并對合金進行時效處理，以調整Y'相的尺寸和分布。對應于鑄態下析出的一次Y'相，將經過固溶和時效處理后析出長大的Y'相稱之為二次Y'相。已有的研究表明，時效處理溫度對二次Y'相析出長大起著至關重要的作用。時效溫度太低，Y ‘析出長大到一定程度后， 即使延長保溫時間Y'也不會再長大，第二相強化的潛力得不到充分發揮。而時效溫度太高，Y'會迅速析出長大，并且形狀變得不規則，惡化合金性能。研究表明隨著時效溫度的升高，Y ‘相尺寸逐漸增大，形狀由不規則向規則再向不規則轉化。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，排列不規則；而后，隨著時效溫度的提高，Y'相尺寸逐漸增大，排列逐漸規則；當溫度高于 1150°C后，二次Y1相尺寸雖然繼續增大，但形狀又逐漸變得不規則。可見在900-1150°C之間，隨著時效溫度的升高，Y ‘相的體積分數呈增加趨勢。合金經900°C /1小時和1000°C /1小時時效處理后Y ‘相尺寸與未時效處理相差不大，呈欠時效狀態。經1150°C /1小時和1200°C /1小時時效處理后、‘相尺寸較大且形狀不規則， 呈過時效狀態。經1080°C /1小時和1100°C /1小時時效處理后Y ‘相尺寸適中，為合適的時效溫度，相比之下1100°c/l小時時效處理后r形狀比較規則，選定1100°c為一次時效溫度。本發明有益效果在于，采用上述技術方案，能夠使活塞獲得所謂“薄殼結構”，即表面有一層硬度很高的薄殼，以提高耐磨性，而芯部也有適當的硬度以保證足夠的強度和韌性，淬火后表面硬化層有400-700MPa的壓應力，這樣可以提高抗張應力為主的疲勞強度。從而提高了活塞的壽命。經過時效處理和固溶處理后，20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金的強度性能會大大提高，活塞材料的性能得到改善，將擁有更長的壽命。下面將結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。


附圖為活塞產品生產工藝流程圖。
具體實施例方式活塞是潛孔沖擊器的心臟，在工作中承受著復雜的交變應力。隨著潛孔沖擊器在工程中的廣泛應用，提高活塞使用壽命和工作效率是一個值得探討的問題。我們開發的 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、采用棒錘形細長活塞的原理，實現了使用壽命長、沖擊功率大、鉆孔速度高的效果。一、整體技術概述為了使BD系列沖擊器具有大沖擊功、低頻率的特點，以達到較高的穿孔效率和較長的壽命，我們在設計中采取以下措施1)、改善活塞熱處理工藝已在發明內容部分作了詳細說明，不再贅述。2)增大活塞行程和活塞重量對于潛孔沖擊器，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。結構行程加大后，就會提高活塞沖擊速度，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最優范圍，過低或過高的沖擊速度都會顯著地增加單位功耗，室內試驗資料表明，對于堅硬巖石，最優沖擊速度在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，因為活塞的沖擊功轉變為釬尾應變能，起主導作用的是沖擊瞬間的接觸時間，而接觸時間與活塞的質量成正比。但是活塞重量增加，沖擊速度又相應降低。所以綜合考慮活塞的行程與質量問題， 才能使沖擊器在消耗一定風量的情況下獲得盡可能大的沖擊功率，達到節能的效果。本項目吸取了國內外在鑿巖理論方面的研究成果，經過不斷試驗，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，并得到了預期效果。BD79快速潛孔沖擊器的結構行程增加到100mm。同時BD79快速潛孔沖擊器的活塞增加到10. 2Kgo而現有沖擊器，比如Y-200 型沖擊器的結構行程只有88mm。CKY-200型活塞重8. 4Kg。3)采用棒錘形細長活塞為了降低穿孔時的單位功耗和提高鉆具壽命，本沖擊器采用棒錘形細長活塞。許多實驗室試驗資料表明在沖擊功、沖擊速度和活塞重量完全相同的情況下，細長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，在鐵磁礦中進行鑿孔對比試驗，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，用試波照相機拍攝沖擊應力波形表明，棒錘形活塞的應力波最大振幅要較粗短形活塞低20-30%，而波的持續時間長三分之一左右。棒錘形活塞還可以提高內缸的使用壽命，因為活塞沖擊釬尾時，除了產生縱向應力波外，還存在橫向應力波，橫向應力波同活塞和釬尾碰撞接觸狀態有關，一些資料指出，最大橫向應力波振幅約為縱向應力波振幅的70%，橫向應力波是內缸損壞的主要原因。棒錘形活塞前段有較長而厚的導向襯套，保護了內缸，從而提高了內缸壽命。
二、活塞產品具體生產工藝流程參見附圖，下料后，在900°C的溫度下進行鍛造以節約材料。為了提高鋼的韌性，減小剛的殘余內應力，鍛造之后必須進行回火，以穩定組織，進而穩定零件尺寸。然后進行切削加工和熱處理。熱處理工藝在發明內容部分已詳細說明，不再贅述。經過熱處理后的工件已經調整了內部組織及使用性能。只需對工件表面進行打磨至表面粗糙度為0. 8后再將各零件裝配即可。此外，為了保證每一件產都能正常工作，在包裝出廠之前會對每一件產品進行質量檢驗。三、主要技術與性能指標沖擊器性能參數主要指單次沖擊能、沖擊頻率和耗氣量。其大小取決于結構尺寸和沖擊器前、后氣室的進排氣時間。根據BD系列沖擊器的結構特點，以BD79快速潛孔沖擊器為例，建立點算模型，按有限差分原理編制沖擊器工作狀態的電算程序，用正交發計算出不同進、排氣口位置條件的性能參數，研究分析沖擊器的動力過程、壓力和活塞位移變化曲線及其工作性能指標，擇優作為設計依據。根據正交設計原理，列出了 16個方案進行計算，并對最佳方案作出進一步計算。 不同氣壓條件下的工作性能指標列于表1。表1 BD79沖擊器工作性能指標點算結果
權利要求
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中，加熱到900°c的單相奧氏體區，保溫10小時后，使滲碳介質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，得到回火馬氏體；四、冰凍將回火后冷卻至室溫的工件繼續冷卻到零下80°C；五、固溶處理固溶溫度1300°C，固溶時間4小時；六、時效處理一次時效溫度為1100°C。
全文摘要
本發明公開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、時效處理各步驟，采用上述技術方案，能夠使活塞獲得所謂“薄殼結構”，即表面有一層硬度很高的薄殼，以提高耐磨性，而芯部也有適當的硬度以保證足夠的強度和韌性，淬火后表面硬化層有400-700MPa的壓應力，這樣可以提高抗張應力為主的疲勞強度。從而提高了活塞的壽命。經過時效處理和固溶處理后，20Cr2Ni4鎳基單晶高溫合金的強度性能會大大提高，活塞材料的性能得到改善，將擁有更長的壽命。
文檔編號C21D6/04GK102424976SQ20111038356
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月28日 優先權日2011年11月28日
發明者周建湘 申請人:湖南志輝礦山機械有限公司