本发明属于钎头壳体材料
技术领域：
，涉及一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢及其制备方法。
背景技术：
：锥孔球齿钎头是替代一字钎头和十字钎头的风动凿岩用产品，由硬质合金柱齿镶嵌在钎头壳体上组成的。锥孔球齿钎头具有钻凿速度快，效率高的特点；国外基本上已经采用球齿钎头替代一字或十字钎头。由于锥孔球齿钎头在钻凿过程中接触并破碎岩体,受到巨大的冲击载荷和磨料磨损,使用条件极为苛刻,所以对锥孔球齿钎头壳体材料的要求也比较特殊：在热处理状态下材料具有较高的塑性、韧性和硬度；材料要有高的疲劳强度和耐磨性；还要求热处理工艺简单、成本低廉。市场上主要采用35crmoa制作锥孔球齿钎头壳体，这种合金钢价格较为低廉，然而其塑性低，焊接性差，耐磨性较低，导致总体钎头寿命有限。虽然也有研究提出采用45crnimova制作锥孔球齿钎头壳体，然而这种合金生产工艺复杂，价格高，因此综合成本较高。综上，锥孔球齿钎头壳体的材料限制了锥孔球齿钎头在国内市场的普及度。而近年来研究主要集中于硬质合金柱齿用合金钢，如中国发明[cn201010195748.3]一种适于焊接加工的球齿钎头用硬质合金。此外，由于锥孔球齿钎头壳体材料需采用棒材，而棒材对合金钢的塑性要求更高，进一步限制了锥孔球齿钎头的推广应用。因此，性能优异价格低廉的锥孔球齿钎头壳体用合金钢成为亟待解决的问题。技术实现要素：本发明的目的是针对上述问题，提供一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢。本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法。为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢，按重量份计，由以下成分组成：在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢中，所述合金钢中的cu的原料为纳米铜，粒径大小为25～50nm。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢中，按重量份计，所述合金钢中的ni的含量为1.0～1.2。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢中，按重量份计，所述合金钢中的ti的含量为0.002～0.010。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢中，该锥孔球齿钎头壳体用合金钢中氧含量为0.0009～0.0015。一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法，制备步骤如下：s1冶炼工艺：按组成原料重量份进行合金化冶炼，得到钢水，通过连铸工艺，将钢水铸成连铸坯，s2轧制工艺：在1200～1250℃条件下将连铸坯保温2～3h，保温完成后进行粗轧，粗轧完成后进行中轧，中轧完成后进行热处理，热处理完成后进行精轧，精轧完成后再次进行热处理，s3减定径、测径探伤、水冷、倍齿分段、冷床冷却、剪切定尺得到锥孔球齿钎头壳体用合金钢。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法中，在步骤s1中，合金化冶炼的步骤为，(1)将低磷铁水进行转炉冶炼，转炉终点钢水中氧活度小于等于100pm，转炉温度按照1550～1650℃控制，(2)一次lf精炼，此过程中通过高位料仓加入cu,此过程中不加造渣料，全程吹氩，(3)二次lf精炼，此过程中加入脱氧剂及造渣料，(4)扒渣处理，并对钢水进行定量检测。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法中，在所述的(3)中加入的合金为硅锰合金，所述(2)加入cu粒径大小为25～50nm。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法中，在步骤s2中，所述的中轧完成后的热处理为：中轧完成后先冷却至室温，再加热到900～1050℃保温1～1.5h进行奥氏体化，再利用20℃水中进行水淬。在上述的锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法中，在步骤s2中，精轧完成后再次进行热处理为：精轧完成后先冷却至500～550℃，在这一温度条件下回火1.5～2h，回火完成后，冷却至室温。与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、本发明在牌号35crmov合金钢的化学成分的基础上，突破性的增加ni和cu的用量，在维持碳当量的条件下，还使产品的力学性能尤其是塑性得到了大幅提升，提高了焊接性能。2、本发明简化了生产工艺，同时还减少了合金钢材成品划伤，改善了合金钢材表面质量不稳定的问题，降低了生产合金钢材的次/废品率。3、本发明通过一系列措施对粗系非金属夹杂物进行了严格的控制，既提高了合金钢的生产质量，又提高了力学性能，延长了实际使用寿命。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。具体实施方式实施例1实施例1的一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢，按重量份计，由以下成分组成：fe、c、si、mn、p、s、cr、ni、cu、mo、w、v和ti。其中，各组分的含量为：c:0.27～0.34wt％，si:0.20～0.37wt％，mn:0.45～0.55wt％，p:允许残余含量≤0.025wt％，s:允许残余含量≤0.007wt％，cr:1.10～1.30wt％，ni:0.9～1.2wt％，cu:0.07～1.00wt％，mo:0.20～0.25wt％，w:允许残余含量≤0.010wt％，v:0.10～0.20wt％，ti:0～0.010wt％。该锥孔球齿钎头壳体用合金钢中氧含量为0.0009～0.0015wt％。应用实施例一的技术方案，该合金钢中，控制c的含量在0.27～0.34wt％之间，相较于牌号35crmov的合金钢中c含量为0.30～0.38wt％，适当降低了合金钢中的碳当量，可以有效的改善钢管的焊接性能，同时牌号45crnimova的合金钢中c含量为0.42～0.49，与之相比，本实施例的合金钢c含量更低，也降低了合金钢轧制工艺的难度。cr含量控制在1.10～1.30wt％，因为对于锥孔球齿钎头壳体用合金钢来说，耐磨损性以及耐腐蚀性较普通合金钢要求较高。控制较高的cr含量可以有效的增加耐磨损性，同时还能提高钢的回火稳定性。cu元素的含量控制在0.07～0.09wt％，突破了中高碳合金钢中对cu含量的限制。在中高碳合金钢中因为cu在高温下选择性氧化，并富集于钢的表面，从而析出低熔点的富cu相而引起钢的热裂。发明人意外的发现，在cr、ni的合金化中加入粒径较小的cu元素，粒径细小的cu元素可以均匀分布在合金钢淬火过程中产生的位错点中。随着热加工及热处理，cu元素形核，产生的富cu相反而强化了合金钢的硬度，符合锥孔球齿钎头壳体用合金钢对于硬度和成本较低的需求。ni含量控制在0.9～1.2wt％，突破了35crmov的合金钢中ni允许残余含量≤0.030wt％的限制。一方面是为了配合cu元素，另一方面镍和铁能无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，形成并稳定奥氏体，同时镍能降低临界转变温度，提高淬透性，还能降低共析珠光体的碳含量。si元素的含量控制在0.20～0.37wt％之间，本实施例中采用硅锰合金作为脱氧剂，且si元素在合金钢热加工的过程中快易产生氧化物，一定程度上防止富cu相存在于界面上，避免合金钢的表面热脆。所以本实施例中si元素含量较高。mn元素含量控制在0.45～0.55wt％之间，mn元素既能提高原料的淬透性和热加工性能，稳定奥氏体组织。mo含量控制在0.20～0.25wt％之间，利用其固溶强化的性能可以进一步提升锥孔球齿钎头壳体用合金钢的强度和韧性，同时可以降低回火脆性，利于合金钢热处理的进行。v含量控制在0.10～0.20wt％，以便增加锥孔球齿钎头壳体用合金钢的增强抗磨损能力和延展性。ti含量控制在0～0.010wt％，发明人发现，在锥孔球齿钎头壳体用合金钢的成分中加入ti元素，更利于cu元素的扩散和强化，同时还能够提高耐晶间腐蚀性能，进一步提高锥孔球齿钎头壳体用合金钢的耐磨性。s与p均为影响钢的纯净度的有害元素，p含量控制在0.025wt％以下，s含量控制在0.007wt％以下，较少的p和s可降低合金钢中的非金属夹杂物。为了减少cu元素的氧化，也为了进一步控制合金钢中的非金属夹杂物，该锥孔球齿钎头壳体用合金钢中氧含量控制为0.0009～0.0015wt％。实施例一的技术方案有效地解决了现有技术中的合金钢材料无法满足锥孔球齿钎头壳体的生产需求的问题。在实施例一的技术方案中，合金钢中的cu的原料为纳米铜，粒径大小为25～50nm。相较于普通的cu的原料，纳米铜粒径大小仅为25～50nm，更易于cu元素的扩散，制得的合金钢强度更好，成品率更高。在实施例一的技术方案中，合金钢中的ni的含量为1.0～1.2wt％，合金钢中的ni的含量略大于cu的含量，合金钢品质更为稳定。在实施例一的技术方案中，合金钢中的ti的含量为：0.002～0.010％wt％。合金钢中可以不添加ti，但是ti元素除前述优点外，还可以细化晶粒，进一步控制合金钢中的非金属夹杂物，并且提升合金钢的表面质量稳定性。由于ti元素成本较高，所以需控制合金钢中的含量在较低水平。实施例一中的一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢，所述合金钢的非金属夹杂物中，单颗粒球状类为0级，硫化物类、氧化铝类、硅酸盐类和球状氧化物类夹杂物中粗系物均为0级。上述合金钢中因为粗系非金属夹杂物均为0级，即合金钢中大粒径夹杂物较少，合金钢的塑性、韧性、强度、疲劳极限得到显著提升。不仅提高了合金钢的表面质量，更适宜制作棒材。同时克服了现有技术中锥孔球齿钎头加工工具寿命较短的问题。实施例一还提供了一种锥孔球齿钎头壳体用合金钢的制备方法，锥孔球齿钎头壳体为上述的锥孔球齿钎头壳体，其制作方法的步骤包括：s1冶炼工艺：按组成原料重量份进行合金化冶炼，得到钢水，通过连铸工艺，将钢水铸成连铸坯，s2轧制工艺：在1200～1250℃条件下将连铸坯保温2～3h，保温完成后进行粗轧，粗轧完成后进行中轧，中轧完成后进行热处理，热处理完成后进行精轧，精轧完成后再次进行热处理，s3减定径、测径探伤、水冷、倍齿分段、冷床冷却、剪切定尺得到锥孔球齿钎头壳体用合金钢。采用上述的制作方法制作得到的锥孔球齿钎头壳体用合金钢生产工艺简单，同时还减少了合金钢材成品划伤，改善了合金钢材表面质量不稳定的问题，降低了生产合金钢材的次/废品率。同时通过一系列措施对粗系非金属夹杂物进行了严格的控制，既提高了合金钢的生产质量，又提高了力学性能，延长了实际使用寿命。其中，钢水铸成连铸坯后采用热送热装，直接进行保温固溶，为后续热加工准备最佳条件在实施例一的技术方案中，步骤s1中，合金化冶炼的步骤为，(1)将低磷铁水进行转炉冶炼，转炉终点钢水中氧活度小于等于100pm，转炉温度按照1550～1650℃控制，(2)一次lf精炼，此过程中通过高位料仓加入cu,此过程中不加造渣料，全程吹氩，(3)二次lf精炼，此过程中加入脱氧剂及造渣料，(4)扒渣处理，并对钢水进行定量检测。在上述方法中，为了控制全程的氧含量，利用低磷铁水进行转炉冶炼。不同于传统合金钢制备工程中，一次将全部原料加入进行冶炼的惯常方法。首先通过转炉冶炼进行初步冶炼，再通过lf精炼将cu加入钢水中精炼，以保证cu在钢水中的充分扩散，以避免cu的过早氧化及富集。此外，相对于传统的轧制完成后再进行热处理，本实施例提供的制备方法采用了在线热处理的方法，既能保证合金钢的精度，也能减少夹杂物的产生。本领域技术人员应当理解的是，在(4)扒渣处理完成后还可以进行vd精炼炉冶炼，利用真空操作调整钢水中非金属夹杂物的含量。本领域的技术人员应当理解的是，为保证合金钢的纯净度，(3)二次lf精炼加入的脱氧剂为硅锰合金。不仅能达到脱氧的目的，还避免过多成分的加入。实施例1还进一步提供了在步骤s2中两次热处理的方法。在步骤s2中，所述的中轧完成后的热处理为：中轧完成后先冷却至室温，再加热到900～1050℃保温1～1.5h进行奥氏体化，再利用20℃水中进行水淬。淬火完成后合金钢形成淬火态。淬火态内部含有高密度的位错和淬火空位，为后续的cu元素扩散提供形核位。在步骤s2中，精轧完成后再次进行热处理为：精轧完成后先冷却至500～550℃，在这一温度条件下回火1.5～2h，回火完成后，冷却至室温。回火处理过程中cu元素容易富集形成富cu相，进而析出，由于cu元素本身的粒径较小，第二相与基体就可以保持共格关系，进而对合金钢进行强化。实施例2～4实施例2～4按照实施例1的方法制备合金钢，经检测，合金钢成分如下：表1实施例2～4合金钢的化学成分(wt％)实施例2实施例3实施例4c0.270.330.34si0.200.230.37mn0.450.520.55p0.0200.0200.025s0.0040.0040.007cr1.101.131.30ni0.91.01.2cu0.070.090.09mo0.200.240.25w0.000.000.010v0.100.130.20ti00.0020.010o0.00090.0010.0015将实施例2～4合金钢分别制作尺寸大小为25mm的毛坯进行非金属夹杂物检测和力学性能检测。将实施例2～4合金钢毛坯按照gb/t10561-2005进行非金属夹杂物检测，检测结果见表2，表2实施例2～4非金属夹杂物检测结果目前市场上的35crmov、35crmoa和45crnimova粗系非金属夹杂物都在0.5以上。而本申请通过成功地将粗系非金属夹杂物控制在0级，特别适于对耐磨性要求较高的锥孔球齿钎头壳体使用。而且还更易于批量操作与焊接。将实施例2～4合金钢毛坯进行力学性能检测，并按照同样的方法检测市售的牌号为35crmov的合金钢作为对比例1和牌号为45crnimova的合金钢作为对比例2。检测标准参见astma370-2016，淬火加热温度850℃，油冷；回火加热温度550℃，水冷。检测结果见表3。表3实施例2～4及对比例1～2力学性能检测结果由表3可知，本申请提供的锥孔球齿钎头壳体用合金钢硬度性能远优于35crmov，与45crnimova相差不大。在表征塑性的检测中，本申请提供的添加ti的合金钢的断后伸长率及断面收缩率还优于45crnimova。即本申请的塑性较好。特别的是，实施例2～4的冲击吸收功远大于对比例1和对比例2，即相对目前于锥孔球齿钎头壳体常用牌号，本申请提供的合金钢韧性更好。而本申请提供的合金钢硬度也高于35crmov。对比实施例2～4可知，添加ti的合金钢力学性能优于未添加ti的合金钢力学性能。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属
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的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。当前第1页12