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1、牙轮材料强化与其萌生裂纹失效的关系天鹰科技集团有限公司( 原株洲东方工具厂)黄敦福提要：本文依据生产实际中所遇到的问题，对矿用三牙轮钻头的矛轮强化方法与使用过程中产生裂纹失效的关系进行了分析、探讨和改进。说明牙轮工作失效与裂纹萌生情况有关，而裂纹的萌生和扩展又与强化层的组织结构、硬度和深度有关。高淬透性的新型钻头专用钢对所要求的强化方法提供了十分有利的条件。为了防止牙轮先期断裂失效，必须充分强化产生最大剪切应力的安全地带，同时还要严格控制强化层的硬度梯度；为了防止硬质合金齿从齿孔脱出，必须保i 汪- - K , 壁强度大于柱齿镶嵌应力和工作应力的叠加值。尤其要注意孔口和孔底部位的强化。关键词：
2、牙轮淬透性裂纹应力强度一、牙轮钻头使用失效的几种主要形式矿用钻头的设计型式经历了许多重大的改进，大都依据在使用过程中所实际反映出的问题决定的。其中，以改进牙轮的工作情况最为重要。这是因为：在钻井过程中，牙轮直接担负破碎岩石的任务，不断受到多冲、疲劳、磨擦等各种力的交互作用，工作环境较其它部件恶劣得多。矿用钻头一般皆由三片牙轮和三片牙掌组合焊接而成，牙轮和牙掌构成封闭式的磨擦付在影响钻头使用寿命上起着十分关键的作用。特别在硬地层、深井段的钻进过程中，矛盾更为突出。失效牙轮多数表现为以下几种形式：1 牙轮掉落：多数是经过井底工作一定周期之后，轮体的某一部位产生裂纹，并不同程度地向四周扩散，最后沿轴
3、向断裂。今年5 月，我们在某有色矿山使用的矿用钻头，其主要的失效型式，经湖南大学材料学院分析，就属于这种情况。2 轮齿脱落：镶嵌的硬质合金齿受力后脱离轮体。这时，可清楚地看到齿孔周围的金属基体已严重变形，呈椭圆凹陷状。孔壁较薄的地方，齿孔外壁明显凸出。有些齿或 已松动，或已扭转一定角度，最大达6 度，有些齿的外露部分已经折断。，3 磨损：牙轮外锥的金属基体磨损严重，有的甚至变秃。轴承部位的跑道金属基体径向尺寸增大，磨损量达到l q 舢，有的部位同时伴生裂纹。特别在密封失效的情况下，磨损更为严重。结果使间隙增大，牙轮摇动。在实际工作中，造成牙轮先期损坏的原因很多：有操作上是否满足该型号钻头所要求
4、的相应工作环境，有设计上对零件尺寸和材料性能的配合是否考虑周全，有工艺上是否导致了过分的应力集中和其它削弱材料性能( 包括未能充分发挥材料性能) 的因素，等等。解决这些问题，需要具体问题具体分析，分别采取措施；但在实际生产过程中，倘若其它因素基本固定、且其影响范围不大的前提下，常常着重考虑改善热处理工艺，提高材料的服役性能，来提高矿用钻头的使用寿命。我们在这一方面作过一系列分析探索工作。二、牙轮钻头的失效分析1 裂纹特征的观察和分析：观察掉齿牙轮的齿孔部位，孔口部分多已开裂，开裂牙轮的轴承处有不少肉眼可见的小裂纹，分轴向和径向两种，轴向的居多。仔细观察这些裂纹，可看到它们遵循一定的规律：裂纹形
5、貌，除了极少数交叉裂纹之外，一般均呈直线型，彼此平行。裂纹走向与牙轮的旋转方向垂直，呈轴向分布。饶有趣味的是，有些裂纹开始在凸缘表面尚保持某一角度向前推进，后来很快自动调整了方向，与轴向渐趋一致了。有些刚萌生不久尚未来得及发展的裂纹，可以看出，是在大跑道与R 槽过渡的台阶边缘产生，或者在镶焊耐磨合金的凹槽边缘出现的。这些情况说明：对于齿孔周围的金属基体，明显的塑性变形反映了它们的强度指标是过低的。在牙轮破碎岩石的巨大冲击疲劳负荷下，它对合金齿的固紧作用已经不足胜任了。齿孔开裂则进一步说明了工作应力已实际超过了它本身所允许的强度极限。对于渗碳轴承的表面，出现多种裂纹，是使牙轮致断的主要根源。镶焊
6、耐磨合金的凹槽和凸缘附近，应力集中程度较大，更是一个应该引起重视的薄弱部位。裂纹一旦在这些地方产生之后，不论它们原始方位如何，都要受到牙轮与牙掌之间相对运动的影响，只有那些与运动方向垂直的裂纹，两侧壁的张开位移较大，裂纹尖端的应力集中程度也较大，它们最易得到优先发展，故而轴向裂纹居多。2 金相组织和心表硬度的检测分析：我们曾对这些失效牙轮作过多次解剖分析，检查其关键部位的金相组织，测定其表面硬度和心部硬度。结果表明：渗碳轴承表面的组织，正常情况下一般为细马氏体、少量渗碳体和残余奥氏体，心部则为低碳马氏体、少量索氏体和铁素体。但失效牙轮往往出现异常组织状态：渗面表层保留有明显未消除的网状渗碳体，
7、产生裂纹的部位，马氏体的级别达到5 级或更高。表1 ：断裂牙轮分析结果编钻头尺寸，渗碳层表面心部硬度表面金相组织心部金相组织 号英寸硬度oR coR e粗马氏体+ 渗碳体网+ 残余 195 8 柏4 3粗大马氏体+ 索氏体+ 铁素体奥氏体粗马氏体+ 渗碳体网+ 残余28 1 ，25 7 - 一5 9剐卜- 4 3较粗马氏体+ 少量索氏体+ 铁素体奥氏体编钻头尺寸，渗碳层表面心部硬度表面金相组织心部金相组织号英寸硬度。R coR c马氏体+ 渗碳体网+ 残余奥38 1 ，25 昏一5 83 9 4 2较粗马氏体+ 少量索氏体+ 铁素体氏体马氏体+ 渗碳体网+ 残余奥48 ，25 7 _ 5 94
8、 1 嘲较粗马氏体+ 索氏体+ 铁素体氏体粗马氏体+ 渗碳体网+ 残余58 1 ，25 8 6 04 4 _ - - 4 6粗大马氏体+ 索氏体+ 铁素体奥氏体表2 ：掉齿牙轮分析结果编号钻头尺寸，英寸掉齿颗数掉齿率，孔壁硬度，oR c，68 1 ，22 01 5 92 878 1 ，23 32 6 23 288 1 22 62 0 63 0 3 l98 1 ，275 63 5 - 3 91 08 1 ，275 63 7可以看出：掉齿牙轮的孔壁基体硬度一般都不高，仅在2 8 3 9 。R c 范围；而断裂牙轮的心部硬度却达到3 9 5 4 6 。R c 。还可观察到另一些异常情况：有些失效牙轮
9、的断口，置于4 0 0 0 倍的电子显微镜下，显示出大面积的放射状花样，具有应力腐蚀断裂的特征，与在5 0 0 倍的倍率下用普通金相显微镜观测到的结果有明显不同。这可能是由于这类钻头所工作的井段含有较多的H 2 S 或者碱类物质造成的缘故。三、分析探讨：1 孑L 壁基体：如果将牙轮锥面当成无限大的平面，将合金齿孔看作不受周围任何应力和材质不均匀影响的单个厚壁筒，我们就可以运用材料力学的一些相应理论和方法来作简化处理了。有人作过推导，得出如下计算公式：g = * o s 等1 1 + 2 h 吾卜其中，q 金属基体对合金齿的固紧力d 合金齿的孔径h 一硬质合金齿的压入深度f 一柱齿和齿孔间的磨擦
10、系数c 一装配压入时塑性区的直径1 3 “ 。一牙轮用钢的屈服强度从上述关系式可以看出：牙轮金属基体对硬质合金齿的固紧力随着合金齿压入深度以及柱齿和齿孔间的磨擦系数的增大而增大，随着合金齿孔径的增大而减小，而与牙轮用钢的屈服强度则呈正比关系。这就说明：要使合金齿镶嵌牢固，必须保持牙轮用钢齿孔的固紧力；而获得固齿所必须的固紧力，则必须设法保持牙轮用钢一定的屈服强度。实际生产过程中，我们所使用的常规手段是硬度检测，可以通过以下公式进行换算：o I z 0 8 0 “ b z i lH B这样，采用热处理工艺对材料进行强化处理，只要控制好牙轮金属基体的硬度就可以了。从而对生产过程控制带来了极大方便和
11、工艺执行的可操作性。但是硬度过高也是不允许的。因为过高的硬度会使材料的塑性降低( 式中C 值变小) ，脆性增大。在镶嵌硬质合金齿操作时，采用数吨的装配压力，采用一定的过盈量，孔壁存在较大应力；同时，合金齿在切削岩石的过程中，孔壁又受到较大的工作应力，而且呈周期变动状态。两者叠加起来，应力值就有可能超出材料本身所能承受的强度极限，产生变形和开裂。特别是孔口和孔底部位，危险性更大。所以我们对这些关键部位要更加注意。( 见图1 ) 甸蛊盔图1 ：合金齿孔在镶嵌合金齿和钻进工作中的 应力分布情况2 心部硬度：心部硬度与牙轮的载荷及断裂型式密切相关。业已证明，牙轮在井下破碎岩石的过程中，所承受的主要是一
12、种冲击疲劳载荷的性质，其断裂型式也主要是一种冲击疲劳的断裂。这种断裂，除个别有所例外之外，绝大部分的裂纹皆起源于处理欠佳的渗碳轴承的表层。裂纹开始都较浅，随后便沿着垂直牙轮运动方向扩展，成为许多彼此平行的轴向裂纹。我们对这类处于冲击疲劳状态下工作的渗碳强化件进行过一些调研，发现关于心部硬度( 强度) 方面的问题，早些时候，各家重视程度都不尽相同，处理方式也是各行其是的。后来才逐步引起重视，形成一定的规范。例如西德本茨厂推荐渗碳强化齿轮的心部强度为1 2 0 k g m m 2 ，( 相当于3 6 2 H R c ) ，不允许超过1 4 0 k g m m 2 ( 相当于4 3 H R e )
13、；意大利菲亚特厂推荐为1 1 0 - - - 1 3 0 k m m 2 ( ( 相当于3 3 5 _ 4 0 H R c ) ；日本汽车公司规定为3 0 4 0 H R c ( 对S C M 2 2 H 钢) 和3 5 - - 4 3 H R e( 对S C M 2 4 H 钢) ；国内名牌大厂如一汽规定为3 3 - - 4 8 H R e ，二汽规定为3 0 - - - 4 5 H R e ；美国、法国、日本、意大利、奥地利的一些制造牙轮钻头的专业工厂，7 0 年代以来的一些产品，似乎都倾向于讲究表层的热处理质量，而对心部强度要求并不高，多在2 0 - - - 3 0 H R e 范围；然
14、而近年内对美国休斯和史密斯两家公司的钻头产品解剖分析说明，其心部硬度多 在3 4 - - 3 6 H R c 和3 卜3 8 H R c 范围，可见心部强度问题已经引起生产厂家的重视，逐渐有所规范了。问题在于：心部强度的高低，究竟对牙轮使用寿命有何影响? 这就必然要涉及到对金属强化实质的追究。关于这一点，目前学术界的观点却并不统一：一种意见认为，金属之所以得到强化，是由于提高了表面强度的结果；另一种意见则认为，表层获得高的残余压应力，对金属的强化具有决定的意义。这很可能是不同的学者应用的方法不同，其结论所强调的侧面不同所致。若按表层直接强化的观点，尤其着眼表层下过渡区的强度，当然必须相应提高心
15、部硬度( 强度) 才有效；而按压应力观点，为了获得高的表层残余压缩应力，就必须增大表层和心部的硬度差值。换句话说，表层硬度一定，心部硬度便不宜过高。否则表层可能产生拉应力，这对受冲击疲劳载荷的牙轮，十分危险。我们的看法：考虑矿用钻头工作条件广泛的适应性，尤其在高钻压、深井段、硬地层的场合，牙轮的强度、韧性和塑性都是同样重要的。不可片面追求。考虑表面强化，一定要和强化层的深度联系起来才较全面。目前，设计人员对于牙轮强化层的深度，都是靠经验来选择的。为取足够的安全系数，一般难免偏深。笔者曾最大剪切应力不过在表层下0 3 0 5 r a m左右的地方，可见，在1 r a m 以内的强化层关系最为重要
16、。从抗磨损角度考虑，要适当加深深度，也是这一区间硬度最重要。所以采用渗碳淬火之类的强化手段来提高表面强度是十分关键的，但若以牺牲必须的塑韧性为代价而过份强调强化层深度则未必恰当，值得研究。四、改进措施和初步结论1 钻头用钢的品质及其强化性能对提高钻头使用寿命非常重要。我们以前用过好几种钢材，使用性能都不理想，后来改用新开发的高淬透性钻头专用钢，效果即见好转，对于提高钻头使用寿命发挥了重要作用。这种钢材的化学成分经过合理配比，复合效应优异，从理论角度作过初步计算，发现它们工作时机械强度指标都比较高( 见表3 ) 。表3几种钻头专用钢的机械性能钢号硬度( H R C )耐疲劳强度( M P a )抗拉强度( M P a )冲击能( J )专1 孝4 2H 加1 3 7 06 8专2 #4 31 1 0 01 4 3 06 8专3 #3 81 1 0 01 3 0 05 7专4 #4 01 1 3 01 4 3 04 1专5 #4 21 1 0 01 3 8 02 7专6 #4 31 1 7 01 5 0
