60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗(yàn)研究

薛明晉，陳海林，王篤雄，蔡郭生，張顯亮，陳榮發(fā)，王 霞

（1.高郵市華興石油機(jī)械制造有限公司，江蘇高郵225600；2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；3.川慶鉆探國(guó)際工程公司，成都610051） ①

60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗(yàn)研究

薛明晉1，陳海林1，王篤雄2，蔡郭生2，張顯亮2，陳榮發(fā)2，王 霞3

（1.高郵市華興石油機(jī)械制造有限公司，江蘇高郵225600；2.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；3.川慶鉆探國(guó)際工程公司，成都610051） ①

脫碳是影響石油鉆機(jī)游車(chē)大鉤中60Si2Mn減震彈簧使用壽命的重要因素之一。試驗(yàn)研究了60Si2Mn減震彈簧表面脫碳與加熱時(shí)間的關(guān)系。利用DEFORM－3D軟件對(duì)60Si2Mn減震彈簧的脫碳過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明：隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳層深度增加，脫碳程度加劇，初期脫碳速率較快，隨后速率逐漸減緩。研究結(jié)果對(duì)提高大鉤使用壽命有指導(dǎo)意義。

彈簧；60Si2Mn；脫炭；數(shù)值模擬

60Si2Mn減震彈簧是石油鉆機(jī)游車(chē)大鉤中的關(guān)鍵部件之一，起到減小起吊、卸載時(shí)的沖擊作用，使生產(chǎn)操作更平穩(wěn)、安全［1］。在使用過(guò)程中，彈簧橫截面上的應(yīng)力沿徑向呈梯度分布，表面承受的應(yīng)力最大，故要求其強(qiáng)度最高。但是，彈簧在熱處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，使得彈簧表面的強(qiáng)度下降，在交變應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋并導(dǎo)致失效，影響彈簧的使用壽命和生產(chǎn)安全。

脫碳是指鋼表層的碳原子在高溫條件下發(fā)生擴(kuò)散而遷移至表面與加熱爐內(nèi)的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼表層一定范圍內(nèi)碳原子散失的現(xiàn)象［2］。彈簧的表面脫碳主要發(fā)生在鋼的加熱過(guò)程中，其影響因素有很多，例如加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛以及鋼材成分等。因此，研究彈簧鋼在加熱時(shí)的表面脫碳具有重要意義［3－4］。本文利用DEFORM－3D仿真軟件對(duì)熱處理過(guò)程中不同加熱時(shí)間下60Si2Mn彈簧的表面脫碳情況進(jìn)行模擬仿真，并與氧化脫碳試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為彈簧的生產(chǎn)制造提供參考［5］。

1 試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)材料為40mm×50mm的60Si2Mn鋼棒3根，光譜檢測(cè)的化學(xué)成分如表1所示，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。把試樣加熱到870℃，分別保溫30、60、120 min后進(jìn)行油淬火。然后對(duì)試樣進(jìn)行拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕，并利用XJP－200型金相顯微鏡對(duì)試樣的氧化脫碳層進(jìn)行觀(guān)察分析，如圖1。

表1 60Si2Mn彈簧的化學(xué)成分 wB%

加熱時(shí)間是影響脫碳層深度及含碳量的一個(gè)重要因素。隨著加熱時(shí)間的增加，脫碳層深度增加，脫碳程度加劇，含碳量減少［6］。由圖1可以可出：隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳層深度增加，在保溫30min后脫碳層厚度為201.5μm，但脫碳層鐵素體不明顯；保溫60min后，脫碳層厚度為310.39μm，同時(shí)出現(xiàn)了明顯的鐵素體脫碳層組織；保溫120min后，脫碳層厚度為422.51μm，脫碳程度更嚴(yán)重。

圖1 不同保溫時(shí)間下60Si2Mn彈簧的脫碳層形貌

由于脫碳層發(fā)生碳原子的散失，含碳量減少，導(dǎo)致材料的硬度也發(fā)生變化。采用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量了保溫120min后60Si2Mn彈簧脫碳層內(nèi)的硬度分布，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：脫碳層的硬度由表面至芯部存在梯度分布，其表面硬度非常低，向內(nèi)硬度升高，到0.6mm以后，硬度趨于未脫碳狀態(tài)下的硬度。這是由于在脫碳過(guò)程中，處于內(nèi)層的碳原子擴(kuò)散脫碳要比表層的碳原子困難得多，所以越往內(nèi)脫碳傾向越小，碳含量也就越高，硬度就越高。因此，通過(guò)脫碳層的硬度分布特點(diǎn)，也能反映碳在脫碳層內(nèi)的分布特點(diǎn)。

圖2 60Si2Mn彈簧脫碳層的硬度分布曲線(xiàn)

2 數(shù)值模擬

利用Pro／E軟件建立模型，并將模型導(dǎo)入DEFORM－3D軟件中，然后對(duì)其定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加載荷和求解，分別模擬計(jì)算試樣在870℃保溫30、60、120min后的脫碳情況。碳在870℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)可由下式計(jì)算得

式中，D0為擴(kuò)散常數(shù)，D0（γ）＝2.0×10－5m2／s；Q為擴(kuò)散激活能，Q（γ）＝1.4×105J／mol；R為摩爾氣體常數(shù)，R＝8.314J／（mol·K）；T為絕對(duì)溫度，K。

由此得碳在870℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)為D（870℃）＝7.99×10－6mm2／s。

2.1 模擬結(jié)果

如圖3所示為不同保溫時(shí)間下60Si2Mn彈簧的DEFORM－3D仿真脫碳云圖。可以清晰直觀(guān)地反映出60Si2Mn彈簧脫碳層的碳含量和脫碳層深度。60Si2Mn彈簧在保溫30min后，脫碳層的碳含量約為0.55%，脫碳層深度為205.6μm；保溫60 min后，脫碳程度加劇，其脫碳層的碳含量下降到0.49%左右，脫碳層深度為320.8μm；保溫120 min，脫碳更為嚴(yán)重，部分區(qū)域的碳含量減少到0.392%，比未脫碳區(qū)域的碳含量少了0.184%，脫碳層深度則增加到438.5μm。

圖3 不同保溫時(shí)間下60Si2Mn彈簧的DEFORM－3D仿真脫碳云圖

2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了得到更為直觀(guān)的結(jié)果，繪制了脫碳層深度的試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和DEFORM－3D軟件模擬仿真結(jié)果隨保溫時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隨著保溫加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳層深度都不同程度的增加，而且保溫初期的增速較快，然后逐漸減緩，這是由于在脫碳過(guò)程中，處于內(nèi)層的碳原子擴(kuò)散脫碳要比表層的碳原子困難得多，同時(shí)材料的表面氧化也阻礙了碳原子擴(kuò)散氧化。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值要略小于模擬仿真的結(jié)果，這是由于在模擬仿真中假設(shè)材料內(nèi)部是均勻連續(xù)的，同時(shí)沒(méi)有考慮周?chē)h(huán)境的影響。但是，兩者的變化趨勢(shì)大致相同，因此可以利用DEFORM－3D軟件來(lái)模擬脫碳過(guò)程，減少試驗(yàn)工作量，提高生產(chǎn)效率。

圖4 60Si2Mn彈簧的脫碳層深度對(duì)比關(guān)系曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1） 60Si2Mn彈簧在保溫加熱過(guò)程中，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳層深度增加，脫碳程度加劇，含碳量減少。初期的脫碳速率較快，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，脫碳速率逐漸減緩。

2） DEFORM－3D軟件仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)相同，可以利用DEFORM－3D軟件來(lái)模擬脫碳過(guò)程，減少試驗(yàn)工作量，提高生產(chǎn)效率。

3） 可以采用氣氛保護(hù)熱處理或真空熱處理工藝，以減小60Si2Mn彈簧在熱處理過(guò)程中的氧化脫碳傾向。

［1］ 駱發(fā)前，呂拴錄，李鶴林，等.游車(chē)大鉤斷裂原因分析及預(yù)防措施［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（4）：77－80.

［2］ 溫宏權(quán)，向順華，張永杰，等.60Si2Mn彈簧鋼加熱溫度對(duì)表面脫碳的影響［J］.寶鋼技術(shù)，2008（3）：44－47.

［3］ 劉麗華，丁偉中.60Si2Mn彈簧鋼脫碳的研究［J］.熱處理，2005，20（3）：6－7.

［4］ 蔡海燕，張忠鏵，張 弛.60Si2Mn彈簧鋼表面脫碳的研究［J］.金屬制品，2005（3）：35－37.

［5］ Lianggang Dai，Rongfa Chen，Xianliang Zhang，Rui Zhu，Tao Liu.The Numerical Simulation of Decarburization of 60Si2CrVA in Heat Treatment by DEFORM－3Dand the Research of Practical Application［J］.Advanced Materials Research，2011，189－193：4207－4211.

［6］ 陳文輝.彈簧鋼脫碳研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

Numerical Simulation and Experimental Research of Surface Decarburization of 60Si2Mn Spring

XUE Ming－jin1，CHEN Hai－lin1，WANG Du－xiong2，CAI Guo－sheng2，ZHANG Xian－liang2，CHEN Rong－fa2，WANG Xia3
（1.Gaoyou Huaxing Petroleum Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Gaoyou225600，China；2.College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China；3.Chuanqing Drilling of the International Engineering Company，Chengdu610051，China）

Decarburization is one of the important factors to impact the service life of 60Si2Mn damping spring in the petroleum drilling rig hook.The relation of the surface decarburization with the change of heating time was studied，using the DEFORM－3Dsoftware to simulate the decarburization process of 60Si2Mn damping spring.The results showed that the DEFORM－3Dsimulation results were roughly the same with the experimental results of oxidation and decarburization，both with the heating time extended，the depth of decarburized layer increases，and the decarburization degree aggravates.Furthermore，the initial decarburization rate was rapid，but later the rate slowed down gradually.The experimental results have guide significance to prevent the hook decarburized and improve the service life.

spring；60Si2Mn；decarburization；numerical simulation

1001－3482（2012）08－0047－04

TE923.04

B

2012－03－25

薛明晉（1964－），男，江蘇高郵人，工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究工作，E－mail：xmj＠m(xù)echhx.com。