专利资讯：一种合金钻头的热处理工艺

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申请号CN202510467053.2
申请日2025.04.15
公开号（公开）CN120099267A
公开日期（公开）2025.06.06
申请人（公开）
乐客精密工具（太仓）有限公司
发明人（公开）
吴云江; 袁向东
IPC分类（公开）
C23C8/22;C21D9/22;C23C8/80
CPC发明（公开）
C21D9/22;C23C8/22;C23C8/80
发明名称（公开）
一种合金钻头的热处理工艺

摘要（公开）
本发明公开了一种合金钻头的热处理工艺，属于合金领域，包括以下步骤：S1.合金钻头初加工成型后，进行真空预处理保温加热；S2.将钻头快速转移至分段控温渗碳炉中进行主渗处理，温度控制在930℃至960℃之间，渗碳时间为3小时至4小时，渗碳深度控制在0.3mm至0.6mm；S3.完成渗碳后实施分区多速冷却分别控制在850℃以上急冷20秒、550℃至650℃范围内控冷60秒、再在200℃以下缓冷80秒，得到细化的马氏体复相组织；S4.在冷却完成后，实施双段回火处理；S5.使用超高压静态渗硼扩散处理。有益效果包括：采用分阶段温控、不同冷却介质及定向淬火技术，有效提高了合金钻头的加工均匀性、组织稳定性、耐磨性、耐腐蚀性及使用寿命。
权利要求
1.一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述一种合金钻头的热处理工艺包括以下步骤：
S1.将合金钻头初加工成型后，进行真空预处理保温加热，温度控制在580℃至620℃之间，时间控制在1.5小时至2.5小时；
S2.在保温结束后，将钻头快速转移至分段控温渗碳炉中进行主渗处理，温度控制在930℃至960℃之间，渗碳时间为3小时至4小时，渗碳深度控制在0.3mm至0.6mm；
S3.完成渗碳后实施分区多速冷却，包括高温段急冷、中温段控冷及低温段缓冷，分别控制在850℃以上急冷20秒、550℃至650℃范围内控冷60秒、再在200℃以下缓冷80秒，得到细化的马氏体复相组织；
S4.在冷却完成后，实施双段回火处理，第一段回火温度控制在560℃至580℃，保温时间为1小时，第二段回火温度控制在300℃至320℃，保温时间为45分钟；
S5.热处理后使用超高压静态渗硼扩散处理，温度为920℃至940℃，保温1小时。
2.根据权利要求1所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述真空预处理保温加热在高真空环境下进行，所述高真空环境的气压小于每平方帕斯卡一千分之一。
3.根据权利要求1所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述分段控温渗碳步骤在不同时间点精确调控气氛组分，渗碳气体采用碳氢气、CO和氮气的组合，比例依次调整为：初期40:40:20，中期50:30:20，末期30:50:20。
4.根据权利要求1所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述多速冷却采用三段控温液体介质冷却法，每段分别采用不同浓度的盐水、聚合物溶液及油液冷却介质。
5.根据权利要求1所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述双段回火过程中实施中间保温延迟工艺，第一段与第二段回火之间自然冷却至室温，静置6小时以上。
6.根据权利要求1所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，所述静态渗硼处理采用惰性气氛保护扩散腔体进行，扩散介质为硼粉与助扩散剂的混合物，摩尔比为5:1，施加轴向载荷不小于10MPa。
7.根据权利要求6所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，渗硼处理进一步包括扩散后实施高温低氧氮化钝化处理，温度范围780℃至800℃，保温45分钟。
8.根据权利要求3所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，气氛调控渗碳步骤中，渗碳期间每30分钟进行一次气氛压力脉冲扰动，脉冲峰值为常压1.5倍，持续时间15秒。
9.根据权利要求4所述的一种合金钻头的热处理工艺，其特征在于，三段液体介质冷却法中，第一段盐水浓度为10wt%，第二段聚合物溶液为聚丙烯酰胺溶液质量分数15wt%，第三段油液为高沸点矿物油，各段之间转换时间不超过10秒。
说明书
一种合金钻头的热处理工艺
技术领域
本发明涉及合金领域，更具体地说，涉及一种合金钻头的热处理工艺。
背景技术
合金钻头的热处理工艺自20世纪中叶起不断发展，最初采用传统的整体淬火和回火方式以提高硬度和耐磨性。随着材料科学和加工技术的进步，逐渐引入感应加热、真空热处理和多次回火等精细化工艺，使钻头在保持高硬度的同时，具备更优的韧性和抗冲击性能。近年来，为满足高效钻探和极端工况需求，部分高端合金钻头采用激光表面淬火、等离子渗氮等先进热处理手段，有效提升了表面耐磨性与整体服役寿命。
然而，目前热处理工艺最大的问题在于加工均匀性与组织稳定性难以兼顾，尤其在复杂几何结构或多材料复合钻头上，容易出现硬度分布不均或相变组织不稳定，导致在实际应用中出现局部早期磨损或断裂，制约了合金钻头在高精度、高强度工况下的应用可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金钻头的热处理工艺，以解决上述背景技术中提出的问题：然而，目前热处理工艺最大的问题在于加工均匀性与组织稳定性难以兼顾，尤其在复杂几何结构或多材料复合钻头上，容易出现硬度分布不均或相变组织不稳定，导致在实际应用中出现局部早期磨损或断裂，制约了合金钻头在高精度、高强度工况下的应用可靠性。
技术方案：一种合金钻头的热处理工艺包括以下步骤：
S1.将合金钻头初加工成型后，进行真空预处理保温加热，温度控制在580℃至620℃之间，时间控制在1.5小时至2.5小时；
S2.在保温结束后，将钻头快速转移至分段控温渗碳炉中进行主渗处理，温度控制在930℃至960℃之间，渗碳时间为3小时至4小时，渗碳深度控制在0.3mm至0.6mm；
S3.完成渗碳后实施分区多速冷却，包括高温段急冷、中温段控冷及低温段缓冷，分别控制在850℃以上急冷20秒、550℃至650℃范围内控冷60秒、再在200℃以下缓冷80秒，得到细化的马氏体复相组织；
S4.在冷却完成后，实施双段回火处理，第一段回火温度控制在560℃至580℃，保温时间为1小时，第二段回火温度控制在300℃至320℃，保温时间为45分钟；
S5.热处理后使用超高压静态渗硼扩散处理，温度为920℃至940℃，保温1小时。
优选的，所述真空预处理保温加热在高真空环境下进行，所述高真空环境的气压小于每平方帕斯卡一千分之一。
优选的，所述分段控温渗碳步骤在不同时间点精确调控气氛组分，渗碳气体采用碳氢气、CO和氮气的组合，比例依次调整为：初期40:40:20，中期50:30:20，末期30:50:20。
优选的，所述多速冷却采用三段控温液体介质冷却法，每段分别采用不同浓度的盐水、聚合物溶液及油液冷却介质。
优选的，所述双段回火过程中实施中间保温延迟工艺，第一段与第二段回火之间自然冷却至室温，静置6小时以上。
优选的，所述静态渗硼处理采用惰性气氛保护扩散腔体进行，扩散介质为硼粉与助扩散剂的混合物，摩尔比为5:1，施加轴向载荷不小于10MPa。
优选的，渗硼处理进一步包括扩散后实施高温低氧氮化钝化处理，温度范围780℃至800℃，保温45分钟。
优选的，气氛调控渗碳步骤中，渗碳期间每30分钟进行一次气氛压力脉冲扰动，脉冲峰值为常压1.5倍，持续时间15秒。
优选的，三段液体介质冷却法中，第一段盐水浓度为10wt％，第二段聚合物溶液为聚丙烯酰胺溶液质量分数15wt％，第三段油液为高沸点矿物油，各段之间转换时间不超过10秒。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)通过真空预处理阶段，有效去除钻头晶界杂质，提升组织纯净度，为后续热处理提供稳定基础。
(2)采用双阶段控温奥氏体化方式，使合金元素分布更加均匀，有利于形成稳定细小的奥氏体组织，减少相变过程中的组织不均。
(3)多段液体介质冷却工艺实现高温、中温及低温阶段的梯度控冷，有效调控组织转变速率，显著降低热应力积聚和开裂风险。
(4)第一段采用低温盐水快速冷却，防止晶粒粗化；第二段聚合物溶液控速冷却，促进贝氏体相形成；第三段高沸点油液缓冷，有助于稳定马氏体组织，显著改善成品硬度与韧性匹配。
(5)冷却介质间转换迅速，冷却时间及温度控制精确，有效提升组织均匀性和批次稳定性。
(6)克服了现有技术中加工均匀性与组织稳定性难以兼顾的问题，显著提高合金钻头的使用寿命与可靠性。
(7)工艺流程适于自动化控制，可广泛适用于复杂结构硬质合金刀具的热处理加工，具备良好的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明一种合金钻头的热处理工艺的整体示意图；
具体实施方式
实施例
实施例1-4
实施例1：一种合金钻头热处理工艺，包括如下步骤：
S1.将已加工成形的合金钻头置于真空炉中，在气压为0.001Pa条件下进行预处理，加热至600℃，保温30分钟，以去除晶界杂质并抑制氧化。
S2.采用双阶段控温奥氏体化工艺，先将温度升至850℃保温20分钟，再升温至1050℃保温15分钟，使合金元素分布更均匀，获得稳定奥氏体。
S3.采用三段式控温液体冷却方式进行多速冷却：
第一段冷却介质为10％氯化钠水溶液，温度8℃，冷却时间20秒；
第二段冷却介质为15％聚丙烯酰胺溶液，温度60℃，冷却时间60秒；
第三段冷却介质为高沸点矿物油(初温25℃)，冷却时间80秒；三段转换时间控制在10秒内。
S4.将冷却后的工件进行200℃回火处理，保温2小时后空冷。
经测试，所得合金钻头硬度为HRC64.2，冲击韧性达15.8J/cm2，组织分布均匀，无裂纹缺陷。
实施例2：与实施例1的不同之处在于，真空预处理温度为650℃，保温20分钟；
奥氏体化第一阶段温度为870℃，保温25分钟，第二阶段温度为1020℃，保温10分钟；
第一段冷却介质温度为5℃，冷却时间25秒；
第二段聚合物溶液温度为65℃，冷却时间55秒；
第三段油冷温度为30℃，冷却时间90秒。
所得合金钻头硬度为HRC63.7，冲击韧性为16.1J/cm2。
实施例3：与实施例1的不同之处在于，第一段冷却采用12％氯化钠溶液，温度6℃，冷却时间18秒；
第二段冷却采用18％聚丙烯酰胺溶液，温度55℃，冷却时间70秒；
第三段冷却使用初温20℃的高沸点矿物油，冷却时间100秒。
经检测，该钻头在硬质合金材料上连续钻孔300次，未出现刃口崩裂。
实施例4：与实施例1的不同之处在于，真空预处理保温时间延长至40分钟；
奥氏体化保温分别为900℃15分钟和1080℃10分钟；
三段冷却时间设定为20秒、60秒、70秒，分别对应介质温度6℃、70℃、28℃。
组织观察结果显示马氏体细密、贝氏体分布均匀，硬度HRC64.5，耐磨性优异。
对比例
对比例1：省略真空预处理步骤，直接进行奥氏体化加热至1050℃保温30分钟后进行油冷。
所得产品表面存在氧化脱碳现象，显微组织不均，硬度HRC仅为60.2，且冲击韧性不足12J/cm2。
对比例2：采用单段奥氏体化处理：直接升温至1050℃保温25分钟，无分段处理；冷却采用单一油液。
结果显示晶粒明显粗化，局部硬度波动大，组织混杂，耐磨性显著下降。
对比例3：冷却过程未采用三段冷却方式，仅采用10％盐水快速冷却至室温，未分温区过渡。
导致热应力集中，钻头在使用中易出现微裂纹，平均使用寿命减少35％。
为测得实施例和对比例关于合金钻头加工均匀性与组织稳定性的对比实验，设计以下实验，实验步骤如下：
本实验使用的所有合金钻头样品均为同批次的合金钢钻头毛坯，共计70支，所有样品的硬质合金基体成分相同，确保实验可比性。
所使用的设备如下：
真空热处理炉：用于实施真空预处理和双阶段奥氏体化；
箱式电阻炉：用于某些实验组的奥氏体化处理；
油槽、聚合物冷却槽、盐水冷却槽：用于实施三段冷却工艺中的液体冷却介质；
显微硬度计：用于测量钻头硬度；
金相显微镜：用于分析样品的金相结构；
扫描电镜(SEM)：用于更精细的组织观察；
冲击试验机：用于测定钻头的冲击韧性。
实验的测试环境为常温25℃，湿度50％±5％。为了保证实验结果的准确性，实验区应保持无强风干扰。
二、实验分组与热处理条件：实验分为七个组别，包括四个实施例组和三个对比组，具体分组如下：
A组：实施例1(真空+双阶段奥氏体化+三段冷却)
B组：实施例2(与实施例1的差异：真空预处理温度为650℃，保温20分钟等)
C组：实施例3(与实施例1的差异：冷却介质、冷却时间不同等)
D组：实施例4(与实施例1的差异：工艺参数变化)
E组：对比例1(无真空，单一油冷)
F组：对比例2(单段奥氏体化，油冷)
G组：对比例3(单段盐水快速冷却)
每组包含10支样品，确保数据的可靠性。
三、具体实验步骤如下：
选择70支相同批次的合金钻头毛坯，按照分组要求编号，确保每组样品数量一致且相互独立。
对每支样品进行标记，避免交叉污染。
热处理操作：根据分组分别进行不同的热处理步骤。实施例组的热处理流程包括：真空预处理、双阶段奥氏体化、三段冷却等步骤。对比例组则按照常规单一处理方式进行，如对比例1采用单一油冷、对比例2采用单段奥氏体化等。
具体热处理步骤如下：
真空预处理(适用于实施例组)：将合金钻头放入真空炉中，在0.001Pa的气压条件下加热至600℃，保温30分钟，以去除晶界杂质并抑制氧化。
双阶段奥氏体化处理(适用于实施例组)：第一阶段将样品加热至850℃，保温20分钟；第二阶段将温度升至1050℃，保温15分钟。
多段冷却工艺(适用于实施例组)：采用三段式液体冷却方式。第一段使用10％氯化钠水溶液，冷却介质温度8℃，冷却20秒；第二段使用15％聚丙烯酰胺溶液，冷却介质温度60℃，冷却60秒；第三段使用初温25℃的高沸点矿物油，冷却时间80秒。三段转换时间控制在10秒内。
回火处理(适用于所有组)：将冷却后的钻头进行200℃回火处理，保温2小时后空冷。
加工均匀性测试：对每支钻头沿轴向取3个位置(头部、中部、尾部)进行硬度测量，采用显微硬度计测量钻头的维氏硬度值。
计算每支钻头的硬度波动值(ΔHV)，公式为：硬度最大值-最小值，评估加工均匀性。
组织稳定性测试：取样切片并进行抛光，使用金相显微镜对样品的金相组织进行观察。通过扫描电镜(SEM)对样品进行更精细的观察，重点观察是否存在马氏体裂纹、脱碳区、晶粒粗化等问题。
采用冲击试验机测量每支钻头的冲击韧性，并评估钻头的耐磨性能。
实验数据如表一所示：

表一
四、实验数据与分析:硬度波动值：用来评估加工均匀性。实施例组的硬度波动较小，均匀性较好，而对比例组的硬度波动值较大，显示出组织不均匀的情况。
晶粒尺寸与组织形态：显微组织分析将显示，实施例组的晶粒较为细小，且均匀无明显缺陷；而对比例组的晶粒较为粗大，并存在脱碳或裂纹等组织异常。
冲击韧性：冲击试验将揭示实施例组钻头的韧性更高，耐磨性更好，而对比例组的钻头则表现出较低的冲击韧性，易发生破损。
通过对比实验，可以得出以下结论：实施例1–4的热处理工艺显著改善了合金钻头的加工均匀性，硬度波动较小，显示出较好的组织稳定性。
实施例组的钻头表现出较高的冲击韧性和较强的耐磨性，而对比例组的钻头在使用过程中易出现裂纹、脱碳或晶粒粗化等问题。
综上，实施例组的热处理工艺有效提高了钻头的性能，具有较强的市场竞争力。
为测得实施例和对比例关于合金钻头的耐磨性、耐腐蚀性及使用寿命的对比实验，设计以下实验，实验步骤如下：
实验物品：合金钻头样品：根据实施例和对比例的热处理工艺分别制备合金钻头。
磨损测试机：用于测试钻头在标准负载下的耐磨性。
腐蚀测试箱：用于模拟钻头在不同腐蚀环境(酸性、碱性、盐水)下的耐腐蚀性能。
温度湿度控制箱：用于模拟不同工作环境下的钻头使用条件。
标准磨料：如沙子或陶瓷颗粒，用于磨损测试。
盐水溶液(NaCl，浓度分别为3％，5％，7％)用于腐蚀测试。
酸性溶液(HCl，浓度为10％)与碱性溶液(NaOH，浓度为10％)用于模拟不同的工作环境。
具体的，耐磨性测试实验步骤如下：
样品制备：根据实施例和对比例中的热处理工艺，准备合金钻头样品。
磨损测试：将钻头样品固定在磨损测试机上，并加载标准负载(例如50N)。使用标准磨料(沙子或陶瓷颗粒)在钻头表面摩擦，进行20小时磨损实验。记录每个样品的磨损量。
具体的，耐腐蚀性测试实验步骤如下：
腐蚀模拟：将钻头样品浸入不同浓度的盐水溶液(3％、5％、7％)、酸性溶液(10％HCl)和碱性溶液(10％NaOH)中，分别测试不同环境下的耐腐蚀性。
腐蚀周期：样品浸泡时间为72小时，每12小时更换腐蚀介质，并记录每个样品的表面腐蚀情况。
表面损伤评估：使用扫描电子显微镜(SEM)观察样品表面的腐蚀情况，记录腐蚀速率与表面损伤面积。
具体的，使用寿命测试如下：
设备准备：将钻头安装到标准钻孔机上，在模拟的工作环境下进行钻孔操作，记录使用时间与钻头磨损情况。
使用寿命记录：持续钻孔操作，直到钻头的使用效率下降至20％以下(即钻孔效率显著下降或明显磨损)，记录使用寿命。
实验数据如表二所示：

表二
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。