【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本申請涉及軸承鋼，更具體地說，它涉及一種滲硼軸承鋼及其制備方法。
技術介紹
1、牙輪鉆頭是石油與天然氣開發(fā)工程中的主要破巖工具，在工作時以沖擊、壓碎和剪切的方式破碎地層巖石。其中，軸承是牙輪鉆頭中的主要零部件，牙輪鉆頭在工作過程中很大程度會因為軸承的失效而無法繼續(xù)工作，軸承的壽命直接決定著牙輪鉆頭的壽命。
2、軸承在使用過程中，除了由于脆性斷裂失效外，還有兩個重要的失效現(xiàn)象，就是磨損失效和腐蝕失效。磨損失效和腐蝕失效大多源于軸承表面或者接近表面位置的損壞，這是因為軸承表面比內(nèi)部工作環(huán)境更為惡劣，往往導致早期破壞。因此，提高軸承的使用壽命，須在軸承鋼整體高強韌化基礎上，采取進一步表面強化措施。其中，表面化學熱處理工藝是在材料表層形成一層具有特殊物理化學性能的化合物層(滲層)，通過冶金結(jié)合使?jié)B層與基體結(jié)合強度更高，賦予材料表面高耐磨、高耐腐蝕性等優(yōu)良性能，常用于軸承材料處理。
3、為了改善軸承鋼的抗磨損能力，滲硼是有效的表面滲層處理方法之一，相較于一般化學熱處理方法，滲硼工藝對應獲得的滲硼層具有硬度高、耐磨性好等特點。然而，滲硼層雖然有上述突出的優(yōu)點，但其具有較高的脆性。特別是對于一些低碳合金鋼(20crnimo等)，其滲硼后進行淬火及低溫回火處理后，會在一定程度上降低韌性。
技術實現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有滲硼工藝會在一定程度上降低低碳軸承鋼韌性的問題，本申請?zhí)峁┮环N滲硼軸承鋼及其制備方法，以20crnimo系低碳軸承鋼為研究對象，通過特定的基體組分和滲硼劑，在
2、第一方面，本申請?zhí)峁┮环N滲硼軸承鋼，包括基體和滲硼層；所述基體為20crnimo鋼，包括以下重量百分數(shù)的組分：c?0.18-0.22wt％、si0.25-0.32wt％、mn?0.75-0.83wt％、cr?0.48-0.55wt％、ni?0.50-0.70wt％、mo?0.40-0.50wt％、v?0.18-0.21wt％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)；所述滲硼層經(jīng)鹽浴滲硼而得，所述鹽浴滲硼的滲硼劑主要由na2b4o7、al和kcl構(gòu)成，所述na2b4o7、al、kcl的重量比為1:0.06-0.10:0.5-0.6，所述滲硼層的厚度為20-80μm。
3、本申請以20crnimo鋼為基體，碳含量的控制是耐磨鑄鋼提高淬硬性和淬透性的關鍵，若含碳量過低，淬火時容易出現(xiàn)硬度低、耐磨性差的珠光體結(jié)構(gòu)，即便滲硼其對應的軸承鋼也難以具備較高的耐磨性；若碳含量過高，淬火時將會出現(xiàn)大量脆性較高的高碳馬氏體，進而降低軸承鋼的強度和韌性，其滲硼層也容易在使用過程中發(fā)生開裂甚至剝離。
4、硅溶入軸承鋼中，雖然能強化基體，但也會在一定程度上使基體變脆，因此需要嚴格控制其在軸承鋼中的含量；錳能明顯改善軸承鋼的淬透性，但過量的錳會導致殘留的奧氏體增加，進而會影響軸承鋼的耐磨性；鉻能夠改善軸承鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，但若鉻含量過高，其會與碳結(jié)合形成鉻碳化物，使得基體內(nèi)的碳含量進一步降低。因此，本申請的基體中碳、硅、錳、鉻的用量需要嚴苛控制在設定范圍內(nèi)，才能獲得兼具優(yōu)異耐磨性和韌性的基體。
5、鎳的加入能夠細化晶粒，使軸承鋼的晶格發(fā)生畸變而阻礙錯位運動，降低軸承鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而能提高軸承鋼的強度和韌性，但過高含量的鎳容易降低軸承鋼的耐高溫性能；本申請適當增加了鉬含量，其不但能有效促進軸承鋼在淬火過程中均勻硬化，還能對高含量的鎳進行耐高溫補足，但較高鉬含量同樣會使軸承鋼的脆性增加；為此，本申請的基體中還添加有一定量的釩，釩可以進一步細化晶粒，進而與鎳相互配合提高軸承鋼的韌性，再結(jié)合釩的高溫穩(wěn)定性特點，能夠有效提高軸承的高溫強度。由此，本申請通過對鎳、鉬和釩含量的限定來保證軸承鋼在具備高韌性的同時具有良好的耐高溫性能，為鹽浴滲硼工藝時的高溫熱處理打好基礎。
6、另外，本申請采用鹽浴滲硼工藝進行滲硼，相對于固體滲硼能提高滲硼劑的利用率，相對于氣體滲硼安全性更高，更利于工業(yè)的實際應用。其中的滲硼劑以四硼酸鈉作為硼源，其能與金屬鋁發(fā)生等離子體化學反應生成氧化鋁-硼化鋁的復合陶瓷膜層，提高滲硼層的耐磨性和耐腐蝕性。其中的四硼酸鈉還會與氯化鉀在熔融狀態(tài)下反應生成氯化鈉和四硼酸鉀，該四硼酸鉀一方面可以用作阻燃劑、防銹劑和粘接劑，不但能增加滲碳層自身耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)強度，還能進一步增加滲碳層與基體的粘接穩(wěn)定性；另一方面四硼酸鉀還能與金屬鋁進一步反應生成氧化鋁-硼化鋁的復合陶瓷膜層，且其生成的復合陶瓷膜層會因四硼酸鉀的粘接而具有更高的抗彎強度和斷裂韌性。
7、然而，在本申請中為了保證基體的強度，滲硼劑中金屬鋁和氯化鉀需要適量添加。若金屬鋁和氯化鉀含量不足，難以形成均勻完好且粘接牢固的復合陶瓷膜層；若金屬鋁和氯化鉀的含量過多，其多余的成分會進一步滲入基體內(nèi)而影響基體的性能。由此，本申請嚴格控制滲硼劑中各組分的重量比來促使?jié)B硼劑有效發(fā)揮作用。
8、在此基礎上，滲硼層的厚度也會在一定程度上影響低碳軸承鋼的耐磨性和韌性，若滲硼層的厚度較薄，此時滲硼劑還未有效發(fā)揮作用，進而獲得的滲硼層與基體的結(jié)合強度較差，難以維持較高的耐磨性；若滲硼層的厚度較厚，則會影響軸承鋼后續(xù)的淬火，其獲得的滲硼軸承鋼的韌性會隨之下降。因此，本申請結(jié)合上述特定的基體組分和滲硼劑，再配合設定的滲硼層厚度，由此獲得的滲硼軸承鋼具有優(yōu)異的耐磨性和韌性，能夠較好的應用于牙輪鉆頭的軸承中。
9、優(yōu)選的，所述滲硼劑還包括nh4cl。
10、優(yōu)選的，所述na2b4o7與nh4cl的重量比為1:0.3-0.5。
11、采用上述技術方案，氯化銨一方面能作為催滲劑促使?jié)B硼劑有效滲入基體中進行表面化學熱處理，提高滲硼層與基體的結(jié)合強度；另一方面其能與四硼酸鈉反應生成氮化硼，而氮化硼會與鋁在熔融狀態(tài)下反應生成氮化鋁，該氮化鋁具有良好的耐熱沖擊，其復合在滲硼層中能夠有效提高滲硼層的強度和韌性。另外，由于氯化銨在加熱狀態(tài)下分解產(chǎn)生氨氣和鹽酸，本申請中的金屬鋁能對該鹽酸加以吸附生成氯化鋁，有效減少氯化銨在滲硼過程中產(chǎn)生氯化氫氣體，減小對人員以及環(huán)境的危害。
12、在實際操作過程中，若氯化銨的用量不足，其難以有效發(fā)揮助滲和補強作用，若氯化銨的用量過多，金屬鋁難以有效吸附其分解產(chǎn)生的氯化氫其他，為此本申請需嚴格把控氯化銨的添加量，按上述重量比添加氯化銨時，該氯化銨能有效作用于滲硼反應中而減少氯化氫氣體逸出，不但能提高滲硼層與基體的結(jié)合強度，還能進一步提高保證滲硼層的耐磨性、強度和韌性。
13、第二方面，本申請?zhí)峁┮环N滲硼軸承鋼的制備方法，包括以下步驟：
14、制備20crnimo鋼坯：根據(jù)所述基體的組分配比制備20crnimo鋼坯；
15、熱處理：將滲硼劑預熱脫水處理后碾碎形成混合粉末，將所述20crnimo鋼坯投入鹽浴爐中，先加入一部分的混合粉末，升溫至奧氏體化溫度，升溫過程中分批次加入剩余的混合粉本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種滲硼軸承鋼，其特征在于：包括基體和滲硼層；所述基體為20CrNiMo鋼，包括以下重量百分數(shù)的組分：C?0.18-0.22wt％、Si0.25-0.32wt％、Mn?0.75-0.83wt％、Cr?0.48-0.55wt％、Ni?0.50-0.70wt％、Mo?0.40-0.50wt％、V?0.18-0.21wt％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；所述滲硼層經(jīng)鹽浴滲硼而得，所述鹽浴滲硼的滲硼劑主要由Na2B4O7、Al和KCl構(gòu)成，所述Na2B4O7、Al、KCl的重量比為1:0.06-0.10:0.5-0.6，所述滲硼層的厚度為20-80μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲硼軸承鋼，其特征在于：所述滲硼劑還包括NH4Cl。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的滲硼軸承鋼，其特征在于：所述Na2B4O7與NH4Cl的重量比為1:0.3-0.5。
4.權(quán)利要求1所述的滲硼軸承鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：所述熱處理的步驟中，所述奧氏體化溫度為980-1030℃，保溫時間為3-5h。
...【技術特征摘要】
1.一種滲硼軸承鋼，其特征在于：包括基體和滲硼層；所述基體為20crnimo鋼，包括以下重量百分數(shù)的組分：c?0.18-0.22wt％、si0.25-0.32wt％、mn?0.75-0.83wt％、cr?0.48-0.55wt％、ni?0.50-0.70wt％、mo?0.40-0.50wt％、v?0.18-0.21wt％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)；所述滲硼層經(jīng)鹽浴滲硼而得，所述鹽浴滲硼的滲硼劑主要由na2b4o7、al和kcl構(gòu)成，所述na2b4o7、al、kcl的重量比為1:0.06-0.10:0.5-0.6，所述滲硼層的厚度為20-80μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲硼軸承鋼，其特征在于：所述滲硼劑還包括nh4cl。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的滲硼軸承鋼，其特征在于：所述na2b4o7與nh4cl的重量比為1:...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：汪學軍，何國勇，方劍，汪楊志，沈勁松，胡敏，曾華，張振，熊志晶，周彩霞，宋世姣，
申請(專利權(quán))人：湖北鳴利來合金鉆具股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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