螺桿鉆具40CrNiMoA 傳動(dòng)軸調(diào)質(zhì)力學(xué)性能研究

錢偉峰，曲 哲，陸天明

（中國石油渤海裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

0 引言

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力，將液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。當(dāng)泥漿泵泵出的泥漿流經(jīng)旁通閥進(jìn)入馬達(dá)，在馬達(dá)的進(jìn)、出口形成一定的壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子的軸線旋轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)速和扭矩通過萬向軸和傳動(dòng)軸傳遞給鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)。其中，傳動(dòng)軸的作用是將馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞給鉆頭，同時(shí)承受鉆壓所產(chǎn)生的軸向和徑向負(fù)荷，工作時(shí)需要具有較好的綜合力學(xué)性能，即具有較好的硬度、強(qiáng)度和沖擊功等。

為使傳動(dòng)軸具有較好的綜合力學(xué)性能，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。選取高淬透性調(diào)質(zhì)鋼40CrNiMoA 作為傳動(dòng)軸的材料，研究其調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能。

1 40CrNiMoA 材料及傳動(dòng)軸簡介

40CrNiMoA 屬于中碳高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，鐵碳平衡相圖中的Ac1為760 ℃，Ac3為790 ℃，Ms 點(diǎn)為308 ℃，淬火加熱溫度為840～860 ℃，淬火時(shí)以油作為冷卻介質(zhì)，具有較高的淬透性，適合制造大截面零件。調(diào)質(zhì)處理時(shí)的傳動(dòng)軸如圖1 所示。

圖1 螺桿鉆具傳動(dòng)軸

由圖1 可知，螺桿鉆具傳動(dòng)軸為中空結(jié)構(gòu)，一端直徑大，即大端；另一端直徑小，即小端。由于小端壁厚較薄，工作時(shí)比大端更易斷裂，故選取小端作為傳動(dòng)軸調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能的研究對(duì)象。

2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)方法

從傳動(dòng)軸小端截取120 mm 長的幾段試件，經(jīng)過不同調(diào)質(zhì)工藝處理后檢測(cè)硬度，然后在這幾段試件的壁厚中心處制取拉伸和沖擊試樣（圖1），再經(jīng)拉伸和沖擊試驗(yàn)后，比較其硬度與力學(xué)性能。

由于螺桿鉆具的規(guī)格型號(hào)較多，因此相應(yīng)的傳動(dòng)軸規(guī)格型號(hào)也較多。選取常用的一種中型傳動(dòng)軸和一種大型傳動(dòng)軸作為試驗(yàn)對(duì)象。

中型傳動(dòng)軸小端試樣尺寸為Φ110 mm×Φ38 mm×120 mm，大型傳動(dòng)軸小端試樣尺寸為Φ130 mm×Φ54 mm×120 mm，其化學(xué)成分與GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中40CrNiMoA 材料的化學(xué)成分見表1。

表1 試樣化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)40CrNiMoA 材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 中型傳動(dòng)軸試驗(yàn)結(jié)果

從一支中型傳動(dòng)軸小端切下5 個(gè)試件，熱處理工藝為：860 ℃保溫2.5 h 后油淬，再分別經(jīng)560 ℃、580 ℃、600 ℃、620 ℃和640 ℃回火保溫3 h 后檢測(cè)硬度，做拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 中型傳動(dòng)軸不同溫度回火后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.3 大型傳動(dòng)軸試驗(yàn)結(jié)果

從一支大型傳動(dòng)軸小端切下6 個(gè)試件，熱處理工藝為：860 ℃保溫3 h 后油淬，再分別經(jīng)540 ℃、550 ℃、560 ℃、570 ℃、580 ℃和590 ℃回火保溫2 h 后檢測(cè)硬度，做拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 大型傳動(dòng)軸不同溫度回火后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

2.4 數(shù)據(jù)分析

2.4.1 中型傳動(dòng)軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析中型傳動(dòng)軸回火溫度560～640 ℃，每升高20 ℃，回火硬度、抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度和平均沖擊功的變化值及變化百分比見表4、表5。

表4 中型傳動(dòng)軸力學(xué)性能變化值

表5 中型傳動(dòng)軸力學(xué)性能變化百分比 %

由表5 可知：

（1）回火溫度每升高20 ℃，回火硬度下降的百分比分別為5.2%、1.7%、5.3%和7.2%。下降速度“快—慢—快”，總體呈加速下降趨勢(shì)。

（2）回火溫度每升高20 ℃，抗拉強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度下降的百分比基本一致，下降速度先慢后快。

（3）回火溫度每升高20 ℃，平均沖擊功升高的百分比分別為8.6%、11.3%、17.0%和9.7%，升高速度呈“慢—快—慢”的趨勢(shì)。

（4）分析560～640 ℃整個(gè)升溫回火過程，回火硬度下降18.2%，抗拉強(qiáng)度下降16.7%，下屈服強(qiáng)度下降16.5%，平均沖擊功升高55.1%。硬度比強(qiáng)度的下降百分比略大，平均沖擊功的升高百分比是硬度和強(qiáng)度下降百分比的3 倍以上，即平均沖擊功對(duì)回火溫度的變化最敏感，硬度次之，強(qiáng)度再次之。

2.4.2 大型傳動(dòng)軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析大型傳動(dòng)軸回火溫度540～590 ℃，每升高10 ℃，回火硬度、抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度和平均沖擊功的變量值及變化百分比，見表6、表7。

表6 大型傳動(dòng)軸力學(xué)性能變化值

表7 大型傳動(dòng)軸力學(xué)性能變化百分比 %

由表7 可知：

（1）回火溫度每升高10 ℃，回火硬度的下降百分比分別為4.1%、2.3%、3.5%、3.0%和7.8%。下降速度“快—慢—快”，總體呈加速下降趨勢(shì)。

（2）回火溫度每升高10 ℃，抗拉強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度的下降百分比基本一致，下降速度“慢—快—慢”。

（3）回火溫度每升高10 ℃，平均沖擊功的升高百分比分別為13.1%、8.9%、7.3%、7.2%和8.2%，升高速度先快后慢，然后保持在7%、8%左右。

（4）分析540～590 ℃的整個(gè)升溫回火過程，回火硬度下降19.2%，抗拉強(qiáng)度下降9.6%，下屈服強(qiáng)度下降9.5%，平均沖擊功升高53.4%。硬度下降百分比是強(qiáng)度的兩倍，平均沖擊功升高百分比是硬度下降百分比的2.8 倍，是強(qiáng)度的5.6 倍，即平均沖擊功對(duì)回火溫度的變化最敏感度，硬度次之，強(qiáng)度再次之。

3 結(jié)論

40CrNiMoA 材料的中型、大型兩種傳動(dòng)軸淬火后隨著回火溫度的提高，其小端力學(xué)性能的變化規(guī)律：①硬度、強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，平均沖擊功呈上升趨勢(shì)；②硬度呈加速下降趨勢(shì)；③提高回火溫度，抗拉強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度的下降百分比基本一致；④提高回火溫度，平均沖擊功的變化幅度均大于硬度與強(qiáng)度的變化幅度，即平均沖擊功對(duì)回火溫度的變化更敏感。