牙輪失效分析研究

摘 要:研究在使用過(guò)程中鉆井牙輪提前斷裂的原因.牙輪的材料為20Ni4Mo，熱處理工藝為氣體滲碳再進(jìn)行780 ℃淬火+低溫回火.利用化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、硬度計(jì)及掃描電鏡等方法對(duì)20Ni4Mo滲碳鋼制礦用牙輪的斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:牙輪斷裂的主要原因?yàn)闈B碳及熱處理工藝不當(dāng)，另一原因是牙輪基體存在硫化物等非金屬夾雜物.為了檢驗(yàn)牙輪的淬火工藝，將20Ni4Mo鋼原材料分別在780和850 ℃進(jìn)行淬火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明780 ℃淬火工藝不合理.

關(guān)鍵詞:牙輪;滲碳;淬火;斷裂失效

中圖分類號(hào): TG166.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Failure Analysis of a Cone in Mining Tri-cone Bit

WU Cui-lan，CHEN Wang-lin，YUAN Min

(College of Materials Science and Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:The failure analysis of a drilling cone，that was suddenly broken at work，was conducted. The cone was made of 20Ni4Mo steel and was carburized in Acetone gas. It was reheated to 780 ℃ and oil quenched for tempering at low temperature (200 ℃). The failed (or failure) cone was investigated with chemical analysis， morphology examination， hardness measurement and scanning electron microscopy. The results showed that the main factor responsible for the cone fracture was the discontinuity of the microstructure and the hardness of the material， which was caused by improper carburizing and heat treatments. Besides， non-metal inclusions， such as sulphide particles in the matrix， might also lead to the fracture of the bit. In order to optimize the quenching process for the cone， 20Ni4Mo raw materials samples were quenched at different temperatures. It was shown that 780 ℃-quenching temperature was unreasonable.

Key words:cone; carburizing; quenching; fracture failure

三牙輪鉆頭具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，被廣泛用于石油、天然氣的勘探、開(kāi)發(fā)及礦山鉆鑿炮眼^[1-2].牙輪失效一般表現(xiàn)為硬質(zhì)合金齒磨損等正常的服役失效，牙輪的非正常失效表現(xiàn)為合金齒斷裂、脫落，牙輪齒孔開(kāi)裂、縱向斷裂等.牙輪早期失效給鉆井企業(yè)和牙輪生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，工業(yè)界和科學(xué)界就牙輪的設(shè)計(jì)、選材和失效進(jìn)行了一系列的探討^[1-8].

本文研究牙輪的材料為20Ni4Mo鋼，其熱處理工藝為:930 ℃滲碳處理→空冷→780 ℃重新加熱淬火→低溫回火.牙輪在出廠時(shí)未發(fā)現(xiàn)斷裂而是在礦山打井的使用過(guò)程中未達(dá)到規(guī)定進(jìn)尺，牙輪即發(fā)生先期損壞破裂.1個(gè)鉆頭由3只牙輪和3只牙掌組成.在礦用鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的過(guò)程中，牙輪在牙掌上同時(shí)旋轉(zhuǎn)(兩者組成軸承結(jié)構(gòu))，靠鑲嵌的硬質(zhì)合金齒切割巖石.硬質(zhì)合金齒以過(guò)盈配合的形式用壓力機(jī)冷態(tài)壓入牙輪上的齒孔內(nèi).而牙輪破裂是指牙輪殼體整體或部分出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，是牙輪鉆頭的一種嚴(yán)重失效形式.牙輪如果在井下出現(xiàn)破裂，井隊(duì)需打撈落井的牙輪裂塊，將延誤鉆井周期，增加鉆井成本，危害鉆井安全^[3].因此，對(duì)牙輪失效分析及其性能改進(jìn)的研究有著十分重要的理論意義與實(shí)際價(jià)值.本文對(duì)某公司生產(chǎn)的失效牙輪進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)方案

牙輪的結(jié)構(gòu)及破裂情況如圖1所示，主裂紋沿軸向貫穿，分別選取縱截面(圖1A面)、橫截面(圖1B面)和斷口面(圖1C樣斷口面)進(jìn)行檢測(cè)分析.另取2塊20 mm×14 mm×5 mm原始材料，分別在780和850 ℃保溫20 min后淬火.實(shí)驗(yàn)采用MM6臥式金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察并拍照;采用HR150DT型硬度計(jì)測(cè)量試樣心部組織的洛氏硬度;采用HXD1000T型硬度計(jì)測(cè)量試樣滲碳組織的顯微硬度.每個(gè)部位取3個(gè)樣品，每個(gè)樣品至少測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，誤差控制在±3%.用FEI Quanta 200環(huán)境掃描電鏡(附帶牛津能譜儀)觀察高倍顯微組織形貌.

圖1 斷裂的牙輪以及A，B，C樣品取樣示意圖

Fig.1 The broken cone and samples for analysis

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2010年

第2期伍翠蘭等:牙輪失效分析研究

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

21 化學(xué)成分分析

在有裂紋的牙輪表面上取樣進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1.從表中可以看出，牙輪的表面碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%，略高于標(biāo)準(zhǔn)值(標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該在0.2%左右)，而Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.62%，略低于標(biāo)準(zhǔn)值4%.然后對(duì)原材料進(jìn)行化學(xué)分析，得出原材料的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)，符合標(biāo)準(zhǔn)值、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%，也符合標(biāo)準(zhǔn).因?yàn)檠垒啽砻娼?jīng)過(guò)了滲碳處理，故表面碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，當(dāng)材料外圈碳“富集”，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高，抗裂系數(shù)η減小，斷裂系數(shù)Δ增大^[9].表面鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低可能是Ni不易與C化合形成化合物，在高溫滲碳過(guò)程中，Ni原子可能向內(nèi)擴(kuò)散從而降低了表面的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù);另一原因是原材料存在成分偏析造成斷裂牙輪的表面出現(xiàn)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，第二原因?qū)ρ垒喌木C合性能更加不利.在樣品中發(fā)現(xiàn)存有少量的Al，Ca等雜質(zhì)元素，這些元素的存在有可能產(chǎn)生諸如Al2O3，mCaO#8226;nAl2O3等非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物易于在晶界上偏聚，降低界面結(jié)合強(qiáng)度和牙輪的耐腐蝕性，降低了回火馬氏體的塑性與韌性，增大了材料的缺口敏感性，在惡劣工作環(huán)境下容易出現(xiàn)脆性斷裂.斷口處的能譜分析(見(jiàn)表2)也表明:斷口處存在Al，Ca，Cu和S等雜質(zhì)元素.

表1 樣品的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of samples

22 裂紋和斷口分析

如圖1所示，牙輪的裂紋沿著合金槽底部牙輪基體縱向破裂，牙輪的端部有許多裂紋，且在裂紋擴(kuò)展至內(nèi)圈滲碳層處出現(xiàn)拐彎，由此可見(jiàn)在滲層和基體材料交界處有應(yīng)力集中.這些裂紋是由于在鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到交變載荷作用，疲勞擴(kuò)展^[10]，并最終導(dǎo)致牙輪失效所致.

圖2(a)表示牙輪內(nèi)表面端的橫截面組織，由于試樣只經(jīng)過(guò)機(jī)械拋光沒(méi)有腐蝕，所以不能顯示組織形貌，但是已經(jīng)得知內(nèi)表面經(jīng)過(guò)滲碳處理(滲碳組織見(jiàn)圖2(a)).由圖2(a)可知，滲碳組織中出現(xiàn)許多平行內(nèi)表面的疲勞裂紋，且滲碳表層出現(xiàn)剝落現(xiàn)象.牙輪在工作過(guò)程中，內(nèi)表面與軸承接觸，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，滲碳表層的剝落主要是滲碳表層硬度太高、脆性大的原因.平行于表面小裂紋產(chǎn)生的原因是在交變壓應(yīng)力作用下，滲碳的次表面存在缺陷或者強(qiáng)度不夠產(chǎn)生的疲勞裂紋.從整個(gè)A面的裂紋分布來(lái)看，盡管滲碳層組織中產(chǎn)生大量的小疲勞裂紋，但是材料的斷裂主要由基體中大的相互貫穿的裂紋造成的.圖2(b)表示垂直外表面的應(yīng)力腐蝕裂紋，在裂紋的源頭可見(jiàn)大量黑色的腐蝕殘留物.由于牙輪上的硬質(zhì)合金齒是在滲碳及熱處理后采用冷壓的方式壓入牙輪齒槽中，且硬質(zhì)合金齒與齒槽的配合為過(guò)盈配合，因此牙輪外表面尤其在齒槽附近處于拉應(yīng)力狀態(tài)，從而齒孔產(chǎn)生裂紋^[6].另一方面，當(dāng)牙輪在井下工作時(shí)，其外表面與泥漿、水等腐蝕介質(zhì)接觸從而加速了牙輪外表面的應(yīng)力腐蝕.

(a)滲碳層

(b)外表面

圖2 A面SEM圖

Fig.2 The SEM image of the Asection

圖3表示離滲碳層不遠(yuǎn)處及心部的基體組織存有大量裂紋且裂紋沿晶界分布.在內(nèi)應(yīng)力及外界交變載荷作用下基體中裂紋沿晶界擴(kuò)展匯合，最終導(dǎo)致構(gòu)件疲勞失效.

圖4(a)表示韌性斷裂的斷口形貌，圖4(b)的左上角(箭頭所示)可見(jiàn)解理脆性斷口特征.因此牙輪的斷裂為混合型斷裂，即包含韌性斷裂和脆性斷裂斷口，這主要是由于牙輪的組織不均勻造成的.

圖3 A面上的心部裂紋

Fig.3 Heart cracks in the A section

圖4 斷口SEM圖

Fig.4 SEM image of fracture

將圖4(a)中某一韌窩中的粒子1作能譜分析，點(diǎn)1處各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2.從表2可以看出，在“韌窩”中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，這與之前化學(xué)成分分析論述一致.牙輪在拉伸或剪切變形時(shí)，非金屬夾雜物與基體界面首先開(kāi)裂形成裂紋(韌窩)源.隨著應(yīng)力增加，變形量增大，韌窩逐漸撕開(kāi)，韌窩周邊形成塑性變形程度較大的突起撕裂棱，在經(jīng)過(guò)裂紋擴(kuò)展一定距離后，裂紋貫穿并形成應(yīng)力方向的主裂紋，最終導(dǎo)致牙輪失效.

23 顯微組織分析

合理的熱處理滲碳工藝后獲得的組織從表面到心部依次為:細(xì)小針狀馬氏體+少量殘留奧氏體+少量碳化物→高碳馬氏體+殘留奧氏體→低碳馬氏體+少量鐵素體，次表面應(yīng)基本消除貝氏體組織.圖5為B面上靠近內(nèi)孔的滲碳組織(圖5(a))和心部基體組織(圖5(b))圖.滲碳組織為馬氏體+粒狀碳化物，滲碳表面層甚至出現(xiàn)少量的白色塊狀滲碳體，而次表層出現(xiàn)黑色組織帶.黑色組織帶為滲碳組織中的缺陷，往往是疲勞裂紋萌生區(qū)域，對(duì)照?qǐng)D2(a)，可見(jiàn)滲碳層的剝落就發(fā)生在次表層中.B面的心部組織為細(xì)小針狀馬氏體或板條馬氏體+少量的殘余奧氏體(見(jiàn)圖5 (b)).因?yàn)锽面靠近牙輪端面(約7 mm)，在淬火過(guò)程中可獲得較大的冷卻速度，易于淬透轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+殘留奧氏體.

圖5 B面的顯微組織

Fig.5 Microstructure of the B section

圖6為A面上基體組織圖.圖6(a)表示牙輪的基體存在帶狀組織(含有白色的鐵素體、貝氏體帶和回火馬氏體帶);帶狀組織將使鋼的橫向韌性指標(biāo)降低.帶狀組織是由于成分不均勻造成的，顯著造成硬度不均勻.文獻(xiàn)[10]提出滲碳組織是要消除貝氏體組織，因?yàn)轳R氏體和貝氏體比容相差較大，在滲碳表層會(huì)形成較大的拉應(yīng)力，且貝氏體的形成增大了滲碳的硬度梯度，造成樣品表面容易剝落.圖6(b)表示A面基體中出現(xiàn)大量塊狀鐵素體和少量回火屈氏體，因?yàn)锳面為牙輪的縱截面，代表離端面不同高度的組織分布.因?yàn)檠垒喌闹睆胶透叨容^大，如果淬火工藝不當(dāng)，A面將出現(xiàn)上下組織不均勻.事實(shí)上，A面的確出現(xiàn)上下組織不均勻現(xiàn)象，因此得出牙輪的淬火工藝不合理.因?yàn)檠垒喪堑箳?即端面朝下)形式裝爐加熱淬火，若爐溫上下不均勻或者淬火冷卻不均勻可造成牙輪上下組織不均勻.牙輪心部出現(xiàn)塊狀鐵素體主要是淬火溫度不夠(2.4節(jié)將解釋其原因).

圖6 A面的心部顯微組織

Fig.6 Microstructure of A part show bands of bainite and ferrite

24 硬度分析

圖7表示A面滲碳組織的顯微硬度分布，滲碳層至心部的顯微硬度分布是從高到低，表面硬度達(dá)到800 HV9.8N.但是在滲碳層與基體交接處(約400 μm)的硬度明顯低于基體的硬度，即出現(xiàn)了軟點(diǎn)，主要是滲碳組織出現(xiàn)了貝氏體.采用洛氏硬度計(jì)測(cè)量牙輪心部不同部位的硬度顯示基體的硬度分布不均勻，如圖8所示，橫坐標(biāo)表示沿中心到滲C層取點(diǎn)數(shù).離端面約7 mm 的B面的基體心部硬度為41~47 HRC.而離端面約35 mm處與B面平行的反面基體硬度偏低，其硬度為28~32 HRC.牙輪的縱向(即軸向)基體硬度不均勻，上端面的硬度高，而牙輪中部硬度偏低，主要原因是淬火不均勻造成上下組織不均勻，也就是牙輪的端部完全淬透得到馬氏體組織(如圖5(b)所示)，而牙輪的中段經(jīng)780 ℃淬火后仍然保留鐵素體或屈氏體組織(如圖6(b)所示)，

深度/μm

圖7A面滲碳層至心部顯微硬度分布

Fig.7 Micro-hardness distribution of the A section

點(diǎn)數(shù)

圖8 基體不同部位的硬度

Fig.8 Hardness of the different parts of the matrix

牙輪基體組織的不均勻?qū)е卵垒喌幕w總體性能不佳，因此牙輪在使用過(guò)程中裂紋源易于在缺陷處產(chǎn)生，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸就會(huì)造成基體失穩(wěn).

3 20Ni4Mo鋼淬火硬度和金相分析

牙輪基體材料為20Ni4Mo鋼，在780 ℃淬火加熱中，基體內(nèi)部大量的鐵素體不能奧氏體化(經(jīng)計(jì)算其奧氏體化溫度約為830 ℃).

為了探討牙輪的熱處理?xiàng)l件，本文選取未滲碳的原材料20Ni4Mo鋼，并對(duì)其進(jìn)行淬火回火工藝的初步研究.圖9為850 ℃條件下保溫20 min后淬火(油淬)金相組織(未回火)圖，其組織為低碳馬氏體+殘余奧氏體(白色)，這種混合組織較均勻，因此硬度變化不大(如圖10所示).劉承杰等^[11]研究20Ni3Mo滲碳鋼深冷強(qiáng)化后得出20Ni3Mo鋼的淬火溫度越高，殘余奧氏體量越多，且在930 ℃滲碳后直接淬火可以得到50%的殘余奧氏體.

圖9 20Ni4Mo 鋼850 ℃淬火組織

Fig.9 Microstructure of 20Ni4Mo steel after

quenching from 850 ℃

本文研究的牙輪基體材料為20Ni4Mo鋼，與20Ni3Mo鋼合金元素相似且質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近(僅表現(xiàn)為Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在1%的差異)，20Ni4Mo鋼滲碳后直接淬火不合理.那么低溫淬火是否合理呢?牙輪的淬火溫度為780 ℃，因此將原材料進(jìn)行780 ℃加熱淬火.圖10表示780 ℃淬火后的顯微硬度嚴(yán)重不均勻，最高可達(dá)490 HV而最低為380 HV.780 ℃淬火的金相組織如圖11所示，表現(xiàn)為馬氏體和鐵素體混合組織.因?yàn)?0Ni4Mo鋼在780 ℃淬火加熱中不能完全奧氏體化(經(jīng)計(jì)算其奧氏體化溫度約為830 ℃)，而是處于γ+α兩相區(qū).淬火冷卻過(guò)程中，奧氏體區(qū)域轉(zhuǎn)化為馬氏體使得該區(qū)域硬度較高，未溶的鐵素體區(qū)域不發(fā)生相變、硬度較低.牙輪滲碳組織在780 ℃淬火能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，是因?yàn)闈B碳組織含碳較高降低了奧氏體化溫度;離端面較近的B面能獲得大量馬氏體的原因可能是端面伸入爐膛心部加熱的溫度較高.綜上所述，牙輪的淬火工藝不當(dāng)導(dǎo)致了牙輪基體組織不均勻，最終導(dǎo)致牙輪的綜合機(jī)械性能下降、提前斷裂失效.點(diǎn)數(shù)

圖10 顯微硬度分布

Fig.10 Micro-hardness distribution of the 20Ni4Mo

steel after different quenching

圖11 20Ni4Mo 鋼780 ℃淬火組織

Fig.11 Microstructure of 20Ni4Mo steel after quenching from 780 ℃

4 結(jié) 論

某公司生產(chǎn)的20Ni4Mo牙輪失效的原因及建議:

1)牙輪失效的主要原因是滲碳及滲碳后淬火工藝不當(dāng)，造成牙輪基體上下組織不均勻(主要是帶狀組織、鐵素體等)，使牙輪的綜合機(jī)械性能下降.

2)滲碳層內(nèi)部出現(xiàn)黑色組織造成滲碳層疲勞性能下降.

3)硫化物等非金屬夾雜物在晶界上偏聚也促進(jìn)了裂紋快速形成及沿晶界擴(kuò)展.

4)建議對(duì)樣品在滲碳后，關(guān)閉滲碳源保溫一段時(shí)間后再取出，適當(dāng)提高淬火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以免造成樣品內(nèi)部組織差異.

5)嚴(yán)格控制牙輪心部硬度和冷熱加工中產(chǎn)生的原始裂紋，并提高鉆井人員操作水平，避免或減少人為因素引起的牙輪失效.

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第37卷 第2期

2 0 1 0 年2 月湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Journal of Hunan Universit

y(Natural Sciences)Vol.37，No.2Feb 2 0 1 0