螺桿鉆具40CrNiMoA 傳動軸調質力學性能研究

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力，將液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。當泥漿泵泵出的泥漿流經旁通閥進入馬達，在馬達的進、出口形成一定的壓力差，推動轉子繞定子的軸線旋轉，并將轉速和扭矩通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭，從而實現鉆井作業。其中，傳動軸的作用是將馬達的旋轉動力傳遞給鉆頭，同時承受鉆壓所產生的軸向和徑向負荷，工作時需要具有較好的綜合力學性能，即具有較好的硬度、強度和沖擊功等。

為使傳動軸具有較好的綜合力學性能，需對其進行調質處理。選取高淬透性調質鋼40CrNiMoA 作為傳動軸的材料，研究其調質后的力學性能。

1 40CrNiMoA 材料及傳動軸簡介

40CrNiMoA 屬于中碳高級優質合金結構鋼，鐵碳平衡相圖中的Ac1為760 ℃，Ac3為790 ℃，Ms 點為308 ℃，淬火加熱溫度為840～860 ℃，淬火時以油作為冷卻介質，具有較高的淬透性，適合制造大截面零件。調質處理時的傳動軸如圖1 所示。

圖1 螺桿鉆具傳動軸

由圖1 可知，螺桿鉆具傳動軸為中空結構，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，工作時比大端更易斷裂，故選取小端作為傳動軸調質后力學性能的研究對象。

2 試驗方法及數據分析

2.1 試驗方法

從傳動軸小端截取120 mm 長的幾段試件，經過不同調質工藝處理后檢測硬度，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），再經拉伸和沖擊試驗后，比較其硬度與力學性能。

由于螺桿鉆具的規格型號較多，因此相應的傳動軸規格型號也較多。選取常用的一種中型傳動軸和一種大型傳動軸作為試驗對象。

中型傳動軸小端試樣尺寸為Φ110 mm×Φ38 mm×120 mm，大型傳動軸小端試樣尺寸為Φ130 mm×Φ54 mm×120 mm，其化學成分與GB/T 3077—2015《合金結構鋼》中40CrNiMoA 材料的化學成分見表1。

表1 試樣化學成分與標準40CrNiMoA 材料化學成分（質量分數） %

2.2 中型傳動軸試驗結果

從一支中型傳動軸小端切下5 個試件，熱處理工藝為：860 ℃保溫2.5 h 后油淬，再分別經560 ℃、580 ℃、600 ℃、620 ℃和640 ℃回火保溫3 h 后檢測硬度，做拉伸和沖擊試驗，試驗數據見表2。

表2 中型傳動軸不同溫度回火后的力學性能數據

2.3 大型傳動軸試驗結果

從一支大型傳動軸小端切下6 個試件，熱處理工藝為：860 ℃保溫3 h 后油淬，再分別經540 ℃、550 ℃、560 ℃、570 ℃、580 ℃和590 ℃回火保溫2 h 后檢測硬度，做拉伸和沖擊試驗，試驗數據見表3。

表3 大型傳動軸不同溫度回火后的力學性能數據

2.4 數據分析

2.4.1 中型傳動軸試驗數據分析

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

表4 中型傳動軸力學性能變化值

表5 中型傳動軸力學性能變化百分比 %

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。

（2）回火溫度每升高20 ℃，抗拉強度和下屈服強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。

（4）分析560～640 ℃整個升溫回火過程，回火硬度下降18.2%，抗拉強度下降16.7%，下屈服強度下降16.5%，平均沖擊功升高55.1%。硬度比強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度下降百分比的3 倍以上，即平均沖擊功對回火溫度的變化最敏感，硬度次之，強度再次之。

2.4.2 大型傳動軸試驗數據分析

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

表6 大型傳動軸力學性能變化值

表7 大型傳動軸力學性能變化百分比 %

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。

（2）回火溫度每升高10 ℃，抗拉強度和下屈服強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 ℃的整個升溫回火過程，回火硬度下降19.2%，抗拉強度下降9.6%，下屈服強度下降9.5%，平均沖擊功升高53.4%。硬度下降百分比是強度的兩倍，平均沖擊功升高百分比是硬度下降百分比的2.8 倍，是強度的5.6 倍，即平均沖擊功對回火溫度的變化最敏感度，硬度次之，強度再次之。

3 結論

40CrNiMoA 材料的中型、大型兩種傳動軸淬火后隨著回火溫度的提高，其小端力學性能的變化規律：①硬度、強度呈下降趨勢，平均沖擊功呈上升趨勢；②硬度呈加速下降趨勢；③提高回火溫度，抗拉強度和下屈服強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度的變化幅度，即平均沖擊功對回火溫度的變化更敏感。