螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺

摘要

本发明公开了一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，根据本发明步骤得到的被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1。本发明利用非转移弧同时硬化螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面，表面硬度达到580HV1～710HV1，同时螺纹牙顶面硬度达到400HV1～590HV1，有效提高了螺纹件的耐磨性及不易粘扣的性能，同时也提高了螺纹牙根部的综合力学性能；工艺过程采用非转移弧热源，设备紧凑，工艺简洁，维护方便，有利于技术的推广和应用。

权利要求

1.一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，其特征在于：依次含有以下步骤：(1)、根据外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离选择非转移弧发生器的喷嘴孔径，满足实际处理时非转移弧弧焰能同时布满螺纹牙槽的两侧面及底面；

(2)、安装夹紧螺纹工件，固定非转移弧发生器，非转移弧发生器弧焰出口对准螺纹牙槽，非转移弧发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm；

(3)、调整机床移动参数，要求非转移弧表面淬火过程中螺纹工件随车床主轴旋转，非转移弧发生器随刀架移动时，非转移弧发生器弧焰出口始终对准螺纹牙槽；

(4)、实际淬火处理过程中非转移弧弧焰直接同时喷射到螺纹牙槽的两侧面和底面，不是只单独处理螺纹牙顶面、底面或侧面；

(5)、根据螺纹工件的材料及螺纹牙槽空间的大小，选择合适的电流80A～130A，螺纹工件旋转时牙顶面的线速度为1.5m/min～3m/min，为防止螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处熔化，采用非转移弧表面淬火处理；

(6)、根据上述步骤得到的被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1。

2.根据权利要求1所述的螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，其特征在于：所述的非转移弧表面淬火处理过程中，非转移弧弧焰能同时布满螺纹牙槽的两侧面及底面，满足螺纹牙槽全表面同时硬化的要求。

3.根据权利要求2所述的螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，其特征在于：所述的非转移弧发生器的喷嘴孔径随实际螺纹直径和螺距尺寸的变化而变化，且根据外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离选取。

说明书

螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺

技术领域

[0001] 本发明属于螺纹的表面热处理工艺领域，尤其涉及一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺。

背景技术

[0002] 非转移弧表面淬火处理是以非转移弧作为热源对工件表面进行快速加热，使被加热部位的温度在极短时间内达到相变温度以上，然后靠工件自身冷却和相变获得所需要的组织，从而使加热部位获得超高硬度、高耐磨性、抗疲劳性等性能，以提高零件的使用寿命。

[0003] 非转移弧表面淬火处理的先进性有：非转移弧表面淬火处理马氏体晶粒细、位错密度高，硬度高，耐磨性好；工件变形极小，甚至无变形，适合于高精度零件处理，零件处理后可直接使用或仅需精磨；非转移弧表面淬火处理后表面为压应力，不易产生裂纹，能显著提高抗疲劳强度；非转移弧表面淬火处理硬化层硬度梯度非常小，硬度基本不随硬化层深变化而变化；适合的材料广泛，包括各种中高碳钢、工具钢、模具钢以及铸铁材料等；低碳环保，方便野外操作等，因此使得非转移弧表面淬火处理技术具有广阔的市场前景和推广价值。其它相关表面淬火处理技术应用于螺纹时，主要问题是螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处容易熔化，使得这些技术只能分别单独处理螺纹的牙顶面或侧面或螺纹的台肩面等，这样无论是内螺纹还是外螺纹，螺纹旋合后，螺纹牙的受力面及螺纹牙根处的力学性能难以全面满足螺纹产品的需要。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1，相对于其它表面淬火处理工艺，节约能源、资源、简化工艺、方便操作；工艺过程采用非转移弧热源，设备紧凑，工艺简洁，维护方便，有利于技术的推广和应用。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，其特征在于依次含有以下步骤：

[0007] (1)、根据外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离选择非转移弧发生器的喷嘴孔径，满足实际处理时非转移弧弧焰能同时布满螺纹牙槽的两侧面及底面；

[0008] (2)、安装夹紧螺纹工件，固定非转移弧发生器，非转移弧发生器弧焰出口对准螺纹牙槽，非转移弧发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm；

[0009] (3)、调整机床移动参数，要求非转移弧表面淬火过程中螺纹工件随车床主轴旋转，非转移弧发生器随刀架移动时，非转移弧发生器弧焰出口始终对准螺纹牙槽；

[0010] (4)、实际淬火处理过程中非转移弧弧焰直接同时喷射到螺纹牙槽的两侧面和底面，不是只单独处理螺纹牙顶面、底面或侧面；

[0011] (5)、根据螺纹工件的材料及螺纹牙槽空间的大小，选择合适的电流80A～130A，螺纹工件旋转时牙顶面的线速度为1.5m/min～3m/min，为防止螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处熔化，采用非转移弧表面淬火处理；

[0012] (6)、根据上述步骤得到的被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1。

[0013] 所述的非转移弧发生器喷嘴孔径为外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离。

[0014] 所述的非转移弧发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm，实际处理过程中非转移弧弧焰直接同时喷射到螺纹牙槽底面和两侧面。

[0015] 所述的非转移弧表面淬火处理电流为80A～130A，螺纹工件旋转时牙顶面的线速度为1.5m/min～3m/min。

[0016] 所述的非转移弧表面淬火处理，为防止螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处熔化，采用非转移弧表面淬火处理。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 本发明被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1，螺纹旋合后螺纹接触受力面及螺纹牙根处具有优良的综合力学性能，且相对于其它表面淬火处理工艺，节约能源、资源、简化工艺、方便操作；工艺过程采用非转移弧热源，设备紧凑，工艺简洁，维护方便，有利于技术的推广和应用。

附图说明

[0019] 图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

[0020] 一种螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，其特征在于依次含有以下步骤：

[0021] (1)、根据外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离选择非转移弧发生器的喷嘴孔径，满足实际处理时非转移弧弧焰能同时布满螺纹牙槽的两侧面及底面；

[0022] (2)、安装夹紧螺纹工件，固定非转移弧发生器，非转移弧发生器弧焰出口对准螺纹牙槽，非转移弧发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm；

[0023] (3)、调整机床移动参数，要求非转移弧表面淬火过程中螺纹工件随车床主轴旋转，非转移弧发生器随刀架移动时，非转移弧发生器弧焰出口始终对准螺纹牙槽；

[0024] (4)、实际淬火处理过程中非转移弧弧焰能直接同时喷射到螺纹牙槽的两侧面和底面，不是只单独处理螺纹牙顶面、底面或侧面；

[0025] (5)、根据螺纹工件的材料及螺纹牙槽空间的大小，选择合适的电流80A～130A，螺纹工件旋转时牙顶面的线速度为1.5m/min～3m/min，为防止螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处熔化，采用非转移弧表面淬火处理；

[0026] (6)、根据上述步骤得到的被处理工件螺纹牙槽的两侧面及牙槽底面硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面硬度为400HV1～590HV1。

[0027] 所述的非转移弧发生器喷嘴孔径为外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离，或内螺纹小径处螺纹牙槽的开口距离；非转移弧发生器喷嘴端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm，实际处理过程中非转移弧弧焰直接同时喷射到螺纹牙槽底面和两侧面；表面淬火处理电流为80A～130A，螺纹工件旋转时牙顶面的线速度为1.5m/min～3m/min；采用非转移弧表面淬火处理。

[0028] 与发明专利《石油钻具螺纹等离子淬火方法，CN 101565772B》(以下简称CN101565772)相比，使用的热源本发明专利要求非转移弧，不是其它形式的等离子束；从螺纹实际使用的受力分析和性能要求出发，本发明专利的处理对象为外螺纹或内螺纹的牙槽全表面，并且是同时硬化，螺纹牙顶面的硬化是通过材料快速传热实现的，专利CN101565772分别处理石油钻具外螺纹的牙顶、内螺纹的台肩面；处理结果本发明专利无论是外螺纹还是内螺纹，牙槽两侧面和牙底面的硬度高于牙顶的硬度，更好的提高了螺纹受力面及牙根的性能。

[0029] 本发明的原理为：如图1所示，将螺纹工件2用卡盘1夹紧，根据外螺纹大径处螺纹牙槽的开口距离L选择非转移弧发生器3的喷嘴孔径；利用非转移弧发生器固定座4将非转移弧发生器3固定在刀架上，移动刀架使非转移弧发生器3喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大2.5～4.5mm，非转移弧发生器3弧焰出口对准螺纹工件2的牙槽，使得非转移弧表面淬火处理过程中非转移弧弧焰5直接同时喷射到螺纹牙槽的两侧面b和底面c上，达到螺纹牙槽的两侧面b和底面c同时硬化的目的；非转移弧表面淬火处理电流为80A～130A，螺纹工件2旋转时牙顶面a的线速度为1.5m/min～3m/min，为防止螺纹牙顶面a与螺纹槽侧面b相交处熔化，采用非转移弧表面淬火处理。处理后螺纹工件2的牙槽两侧面b及牙槽底面c硬度达到580HV1～710HV1，螺纹牙顶面a硬度为400HV1～590HV1。

[0030] 非转移弧弧焰从非转移弧发生器的喷嘴喷射后，弧焰轴线的喷射速度最大，弧焰横断面上随着离开轴线距离的增大，弧焰的喷射速度逐渐减小。上述的螺纹牙槽表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，非转移弧发生器出口对准螺纹工件的牙槽，且非转移弧发生器的喷嘴孔径与螺纹牙槽的开口距离一致，这样非转移弧弧焰的轴线对准螺纹牙槽的底面，且喷射速度最大，遇到螺纹牙槽底面的阻碍，弧焰沿螺纹牙槽的两侧面回流，而在回流过程中，又遇到非转移弧弧焰沿螺纹牙槽侧面喷射弧焰的阻碍作用，这些相互作用使得非转移弧弧焰传递给螺纹牙槽的两侧面及底面的能量基本均匀，实现螺纹牙槽的两侧面及底面同时硬化的效果。螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，在螺纹牙槽的两侧面及底面同时硬化的过程中，通过热传导螺纹牙顶面也会硬化，但随着非转移弧发生器沿螺纹牙槽运动，由于两相邻螺纹牙槽的牙顶面在两螺纹牙槽的中间，这个中间的螺纹牙顶面会加热两次，局部会回火，致使螺纹牙顶面的硬度比螺纹牙槽的两侧面及底面的硬度低，但具有的硬度也可承受一定的冲击作用，保证螺纹表面不容易被碰坏。另外螺纹旋合后，由于螺纹牙顶面与牙槽底面之间存在间隙，即使螺纹牙顶面的硬度稍低，也不影响螺纹的使用性能。考虑非转移弧放电的物理特性，螺纹牙槽表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺采用非转移弧处理，避免了螺纹牙顶面与螺纹槽侧面相交处熔化的缺陷。

[0031] 应用实例如下：

[0032] 实施例1：

[0033] 基体材料：42CrMo钻杆接头，接头外径Φ105mm，壁厚6mm，内螺纹螺距6.35mm。非转移弧淬火处理参数：非转移弧发生器喷嘴孔径Φ4.8mm，发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大4mm，电流100A，螺纹工件旋转时内螺纹牙顶面的线速度为2m/min。

[0034] 处理后采用线切割沿钻杆接头轴向方向切下窄条，制作试样采用200HV-5型小负荷维氏硬度计检测螺纹牙顶、螺纹牙槽底面及两侧面的表面硬度如下：

[0035] 螺纹牙顶表面硬度：435HV1～500HV1

[0036] 螺纹牙槽底面表面硬度：620HV1～640HV1

[0037] 螺纹牙槽侧面表面硬度：625HV1～655HV1

[0038] 实施例2：

[0039] 基体材料：40Cr钻杆接头，接头外径Φ108mm，壁厚12mm，外螺纹螺距6.35mm。非转移弧淬火处理参数：非转移弧发生器喷嘴孔径Φ5.6mm，发生器喷嘴出口端面与牙底面距离比牙型高度大4mm，电流120A，螺纹工件旋转时外螺纹牙顶面的线速度为1.8m/min。

[0040] 处理后采用线切割沿钻杆接头轴向方向切下窄条，制作试样采用200HV-5型小负荷维氏硬度计检测螺纹牙顶、螺纹牙槽底面及两侧面的表面硬度如下：

[0041] 螺纹牙顶表面硬度：425HV1～490HV1

[0042] 螺纹牙槽底面表面硬度：595HV1～610HV1

[0043] 螺纹牙槽侧面表面硬度：605HV1～645HV1

[0044] 综上表明：采用本发明专利提供的螺纹牙槽全表面同时硬化的非转移弧表面淬火工艺，无论对内螺纹还是外螺纹，均可有效提高螺纹牙槽底面表面硬度和螺纹牙槽侧面表面硬度，同时也可使螺纹牙顶表面保持一定的表面硬度，进而有效提高螺纹产品的质量，延长螺纹产品的使用寿命。