60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗研究

薛明晉，陳海林，王篤雄，蔡郭生，張顯亮，陳榮發，王 霞

（1.高郵市華興石油機械制造有限公司，江蘇高郵225600；2.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127；3.川慶鉆探國際工程公司，成都610051） ①

60Si2Mn彈簧表面脫炭仿真與試驗研究

薛明晉1，陳海林1，王篤雄2，蔡郭生2，張顯亮2，陳榮發2，王 霞3

（1.高郵市華興石油機械制造有限公司，江蘇高郵225600；2.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127；3.川慶鉆探國際工程公司，成都610051） ①

脫碳是影響石油鉆機游車大鉤中60Si2Mn減震彈簧使用壽命的重要因素之一。試驗研究了60Si2Mn減震彈簧表面脫碳與加熱時間的關系。利用DEFORM－3D軟件對60Si2Mn減震彈簧的脫碳過程進行了模擬，結果表明：隨著加熱時間的延長，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。研究結果對提高大鉤使用壽命有指導意義。

彈簧；60Si2Mn；脫炭；數值模擬

60Si2Mn減震彈簧是石油鉆機游車大鉤中的關鍵部件之一，起到減小起吊、卸載時的沖擊作用，使生產操作更平穩、安全［1］。在使用過程中，彈簧橫截面上的應力沿徑向呈梯度分布，表面承受的應力最大，故要求其強度最高。但是，彈簧在熱處理過程中會出現脫碳現象，使得彈簧表面的強度下降，在交變應力作用下，容易產生疲勞裂紋并導致失效，影響彈簧的使用壽命和生產安全。

脫碳是指鋼表層的碳原子在高溫條件下發生擴散而遷移至表面與加熱爐內的氧發生化學反應，導致鋼表層一定范圍內碳原子散失的現象［2］。彈簧的表面脫碳主要發生在鋼的加熱過程中，其影響因素有很多，例如加熱溫度、加熱時間、爐內氣氛以及鋼材成分等。因此，研究彈簧鋼在加熱時的表面脫碳具有重要意義［3－4］。本文利用DEFORM－3D仿真軟件對熱處理過程中不同加熱時間下60Si2Mn彈簧的表面脫碳情況進行模擬仿真，并與氧化脫碳試驗結果進行對比分析，為彈簧的生產制造提供參考［5］。

1 試驗及分析

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

表1 60Si2Mn彈簧的化學成分 wB%

加熱時間是影響脫碳層深度及含碳量的一個重要因素。隨著加熱時間的增加，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：隨著保溫時間的延長，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，同時出現了明顯的鐵素體脫碳層組織；保溫120min后，脫碳層厚度為422.51μm，脫碳程度更嚴重。

圖1 不同保溫時間下60Si2Mn彈簧的脫碳層形貌

由于脫碳層發生碳原子的散失，含碳量減少，導致材料的硬度也發生變化。采用顯微維氏硬度計測量了保溫120min后60Si2Mn彈簧脫碳層內的硬度分布，結果如圖2所示。由圖2可見：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，向內硬度升高，到0.6mm以后，硬度趨于未脫碳狀態下的硬度。這是由于在脫碳過程中，處于內層的碳原子擴散脫碳要比表層的碳原子困難得多，所以越往內脫碳傾向越小，碳含量也就越高，硬度就越高。因此，通過脫碳層的硬度分布特點，也能反映碳在脫碳層內的分布特點。

圖2 60Si2Mn彈簧脫碳層的硬度分布曲線

2 數值模擬

利用Pro／E軟件建立模型，并將模型導入DEFORM－3D軟件中，然后對其定義材料屬性、劃分網格、施加載荷和求解，分別模擬計算試樣在870℃保溫30、60、120min后的脫碳情況。碳在870℃時的擴散系數可由下式計算得

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

由此得碳在870℃時的擴散系數為D（870℃）＝7.99×10－6mm2／s。

2.1 模擬結果

如圖3所示為不同保溫時間下60Si2Mn彈簧的DEFORM－3D仿真脫碳云圖。可以清晰直觀地反映出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，脫碳更為嚴重，部分區域的碳含量減少到0.392%，比未脫碳區域的碳含量少了0.184%，脫碳層深度則增加到438.5μm。

圖3 不同保溫時間下60Si2Mn彈簧的DEFORM－3D仿真脫碳云圖

2.2 仿真結果與試驗結果對比分析

為了得到更為直觀的結果，繪制了脫碳層深度的試驗實測結果和DEFORM－3D軟件模擬仿真結果隨保溫時間變化的關系曲線，如圖4所示。由圖4可見，隨著保溫加熱時間的延長，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，這是由于在脫碳過程中，處于內層的碳原子擴散脫碳要比表層的碳原子困難得多，同時材料的表面氧化也阻礙了碳原子擴散氧化。由圖4可以發現，實測值要略小于模擬仿真的結果，這是由于在模擬仿真中假設材料內部是均勻連續的，同時沒有考慮周圍環境的影響。但是，兩者的變化趨勢大致相同，因此可以利用DEFORM－3D軟件來模擬脫碳過程，減少試驗工作量，提高生產效率。

圖4 60Si2Mn彈簧的脫碳層深度對比關系曲線

3 結論

1） 60Si2Mn彈簧在保溫加熱過程中，隨著加熱時間的延長，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，隨著保溫時間的延長，脫碳速率逐漸減緩。

2） DEFORM－3D軟件仿真結果與實測值的變化趨勢相同，可以利用DEFORM－3D軟件來模擬脫碳過程，減少試驗工作量，提高生產效率。

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

［1］ 駱發前，呂拴錄，李鶴林，等.游車大鉤斷裂原因分析及預防措施［J］.石油礦場機械，2006，35（4）：77－80.

［2］ 溫宏權，向順華，張永杰，等.60Si2Mn彈簧鋼加熱溫度對表面脫碳的影響［J］.寶鋼技術，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，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，現從事石油機械產品的設計與優化研究工作，E－mail：xmj＠mechhx.com。