程巨強

（西安工業(yè)大學材料與化工學院，陜西 西安710021）

牙輪鉆機是石油、礦山開采常用的鉆采設備，牙輪鉆頭是鉆機主要的消耗品之一，牙輪鉆頭的好壞,直接影響鉆機的生產率和鉆孔成本,鉆頭費用一般占鉆孔成本的40%以上[1]，鉆機工作時牙輪鉆頭承受較大的扭矩力、沖擊力及磨料磨損，因此，要求鉆頭材料具有高的強度、韌性、疲勞強度及高的耐磨性，制造牙輪鉆頭用鋼主要有15~20CrNi3Mo、15~20 CrNiMo、15MnNi4Mo 等[2~4]。 牙輪的褲體通過滲碳處理提高表面含碳量及硬度，增加耐磨性和疲勞強度，提高使用壽命。滲碳后熱處理工藝的選擇根據(jù)滲碳零件材料的性能特點有所不同，如對于承受沖擊載荷不大的零件，滲碳時可直接采用淬火和低溫回火，對于合金元素較高的滲碳零件由于滲碳后滲層奧氏體過多硬度偏低，可進行滲碳后熱處理，以減小滲碳層殘余奧氏體含量，提高滲碳層的硬度。本文研究了15Mn-Ni4Mo牙輪鉆頭滲碳后熱處理對其組織和性能的影響，為牙輪的熱處理工藝奠定基礎。

1 實驗材料及其實驗過程

實驗材料為15MnNi4Mo，主要元素的化學成分范圍為 C：0.13%~0.17%；Mn：0.75%~0.95%；Ni：3.25%~3.75%；Mo：0.3%~0.4%，牙輪的鋼質部分生產采用模鍛、機械加工、滲碳熱處理。熱處理試樣取自滲碳處理后牙輪實體，線切割加工成金相試樣，試樣的熱處理工藝為680℃回火、820℃油冷、200℃回火。用NikonEPIPHOT300型金相顯微鏡觀察滲碳層組織，組織腐蝕液用4%硝酸酒精溶液、用HR-150A型洛氏硬度計檢測滲碳試樣表面硬度，用XRD-6000x射線衍儀檢測滲碳層的物相。

2 實驗結果與分析

2.1 不同熱處理工藝滲層物相及組織觀察

圖1是礦用牙輪鉆頭實體取樣不進行熱處理的滲碳層的XRD衍射圖譜?？梢钥闯?，牙輪滲碳直接熱處理后滲碳層外層和心部的XRD衍射峰主要為鐵素體峰和奧氏體峰，無碳化物峰，說明滲碳層滲碳體含量很少或沒有碳化物相的存在。圖2是實體牙輪試樣進行680℃回火、820℃油冷、200℃回火熱處理后滲碳層及其心部的XRD衍射圖譜。從衍射圖可以看出，牙輪試樣熱處理的滲碳層XRD衍射峰為鐵素體峰和奧氏體峰，即為馬氏體和奧氏體組織。心部的XRD衍射圖也只有鐵素體峰和奧氏體峰，說明心部的組織也為馬氏體和殘余奧氏體組織。滲層和心部XRD衍射圖譜的主要差別是心部衍射峰圖譜上奧氏體峰的強度較小，由于XRD的衍射峰峰值的強度與測量的體積內相的比例有關，峰值強度越高，所含的相的比例越大，因此滲碳后表面層的奧氏體量要高于心部奧氏體含量。

圖1 滲碳牙輪鉆頭試樣的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD diffraction pattern of carburized conebit

圖2 滲碳熱處理牙輪鉆頭XRD衍射圖譜Fig.2 XRD diffraction pattern of conebitcarburizing and heattreatment

圖3是牙輪實體取樣沒有熱處理滲碳層的金相組織。從金相組織并結合滲碳層的XRD物相分析可以看出，滲碳層最外層的組織為灰黑色針片狀的回火馬氏體組織和白色塊狀的殘余奧氏體組織（圖3a），滲碳層沒有碳化物相存在，部分針片狀馬氏體從白色奧氏體穿過，說明馬氏體形成在奧氏體晶粒界面形核，向奧氏體晶粒內部生長而成，從最外層的金相組織可以看出，滲碳層存在較多的殘余奧氏體組織，這是由于滲碳層碳量較高，再加之穩(wěn)定奧氏體化的元素含量較多，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，滲碳層淬火時有部分殘余奧氏體殘留。滲碳層過渡區(qū)的金相組織主要為針片狀的高碳馬氏體、低碳馬氏體和奧氏體組織，牙輪心部組織主要為回火低碳馬氏體和少量的殘余奧氏體。

圖3 礦用牙輪鉆頭滲碳層金相組織，500×Fig.3 Microstructure of mining roller bit carburizing layer

圖4是牙輪試樣熱處理后滲碳層的金相組織。從照片可以看出，熱處理后滲碳層最外層的組織為灰黑色針片狀的回火馬氏體和白色塊狀的殘余奧氏體（圖4a），和滲碳未熱處理的組織相比，滲層高碳馬氏體針片變小，殘余奧氏體量減少，說明熱處理可以細化滲碳層的組織和減少滲碳層奧氏體含量。滲碳層過渡區(qū)的金相組織主要為高碳馬氏體、低碳馬氏體和殘余奧氏體混合組織，心部組織為灰黑色的片狀組織主要為回火低碳馬氏體和少量的殘余奧氏體，和不熱處理相比，組織細化，板條變細變短。

圖4 礦用牙輪鉆頭滲碳熱處理金相組織，500×Fig.4 Microstructure of mining roller bit carburizing and heat treatment

2.2 滲碳及熱處理后牙輪的硬度

表1是牙輪鉆頭滲碳實體取樣滲碳不熱處理和熱處理后滲碳層表面及心部硬度檢測結果。可以看出，滲碳不熱處理滲碳層的硬度HRC在58以上，可以滿足滲碳件淬火低溫回火的標準要求（HRC≥56），心部硬度為 HRC 40，滿足滲碳件心部硬度要求（HRC38~44）。熱處理后牙輪試樣心部硬度變化不大，滲碳層硬度有所提高，由未熱處理的HRC58提高到HRC61。

表1 礦用牙輪鉆頭滲碳及熱處理前后滲碳層表面和心部硬度

3 結論

（1）15MnNi4Mo的牙輪滲層最外組織為針片狀高碳回火馬氏體和較多的奧氏體殘余奧氏體組織，滲碳層沒有碳化物存在，滲碳過渡區(qū)為針片狀回火馬氏體+殘余奧氏體+板條狀回火馬氏體和貝氏體組織，心部為板條狀回火馬氏體組織和殘余奧氏體組織，采用滲碳后熱處理可以細化滲碳層及其心部組織。

（2）滲碳后未進行熱處理試樣的滲層表面硬度檢測為HRC58；心部硬度HRC40。滲碳后熱處理工藝后試樣滲層表面硬度檢測為HRC61以上；心部硬度HRC40，熱處理可以提高牙輪滲碳層表面硬度。