作者：伍開松　馬德坤
（西南石油學院鉆頭研究所）

　　摘　要：牙輪鉆頭滑動軸承副可用20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼配對，二者經熱處理以后，表面較內部材料的性能有很大的差異。為此各對20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼的三種試樣進行了力學性能測試。結果表明，滑動軸承副經滲碳熱處理后表面材料比內部材料的抗壓強度提高了近50%，其表面材料的應力-應變幾近直線關系，破壞前沒有明顯的屈服變形階段。這種表面強度硬度高、中間韌性好的特性，正好滿足了滑動軸承對表面耐磨和心部抗沖擊、抗振動的要求。
　　關鍵詞：20CrNiMo；20Ni4Mo；牙輪鉆頭；滑動軸承；力學性能
　　1、引言
　　牙輪鉆頭滑動軸承副的材料20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼經熱處理以后，表面材料的力學性能較內部材料有多大的差異，這是有關人員十分關注的問題。無論進行牙輪鉆頭滑動軸承的失效分析，還是進行軸承的設計和分析計算，軸承副材料的力學性能指標都是Z基本的數據。尤其是進行牙輪鉆頭滑動軸承的有限元接觸應力分析計算更是必不可少的，但至今未見這方面的報道。
 　　大量的現場牙輪鉆頭滑動軸承的失效分析和有關的試驗研究表明，牙輪鉆頭滑動軸承的主要失效形式是滑動軸承摩擦副的粘著磨損失效和磨粒磨損失效。因此研究軸承摩擦副表面材料的力學性能是一件很有意義的工作。
　　2、試樣制備和試驗方法
　　對于牙爪軸勁的材料20CrNiMo鋼，選用三種方案的試樣，每種方案制作了6件試樣。方案1用GB228-87標準的拉伸試樣[1]，材料為鋼廠供貨態。方案2用圖1圓筒狀的試樣，材料經過淬火和回火處理后，其力學性能與牙爪軸頸內部材料的力學性能相當，硬度為37-40HRC。方案3也用圖1圓筒狀的試樣，材料經滲碳淬火熱處理，要求整個筒體的筒壁必須滲透，整個試樣材料的力學性能與牙爪軸頸的表面材料的力學性能相當，硬度為56-59HRC。對于牙輪材料20Ni4Mo鋼，也用以上三種方案的試樣，每種方案也制作6件試樣。

　　對上述兩種材料的三種試件方案，共計六組交接班伸或壓縮試樣，分別在MTS材料性能試驗機上測試，每組試驗重復6次，對各數據進行處理，取6次數據的平均值作為材料的力學性能指標。
　　3、試驗結果與分析
　　表1-6為試樣結果。20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼方案1的典型拉伸應力-應變曲線分別見圖2a和2b，可見該材料沒有明顯的屈服流動階段，且塑性伸長較大。從斷口看，有明顯的頸縮現象。

 　　20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼方案2的典型壓縮應力-應變曲線分別見圖3a和3b。可見材料也沒有明顯的屈服流動階段，有一定的塑性變形。從破壞的試件看，筒體的中間有鼓脹現象。20CrNiMo和20Ni4Mo鋼經方案3處理后，其抗壓強度較其內部材料（方案2）分別平均高出約48%和44.5%，但其彈性模量的增加不明顯，分別平均增加約6.4%和6.9%。它們的應力-應變幾乎成直線關系，破壞前沒塑性變形階段。

　　4、結論
 　　選取20CrNiMo和20Ni4Mo鋼分別為牙爪軸頸和牙輪的材料，用方案3處理其配合表面是合適的。其表面抗壓強度和硬度較其心部有大幅度提高，心部材料的韌性好，能滿足低速重載的牙輪鉆頭滑動軸承的表面耐磨和抗膠合，同時又能滿足抗沖擊和振動的要求。

表1  20CrNiMo鋼方案1的拉伸性能測試數據

 表2  20CrNiMo鋼方案2的壓縮性能測試數據

表3  20CrNiMo鋼方案3的壓縮性能測試數據

表4  20Ni4Mo鋼方案1的拉伸性能測試數據

表5  20Ni4Mo鋼方案2的壓縮性能測試數據

表6  20Ni4Mo鋼方案3的壓縮性能測試數據

　　參考文獻：
　　1、姚啟均 金屬力學性能試驗常用數據手冊[M]北京：機械工業出版社，1994
　　2、魏慶誠高淬透性新型石油鉆頭鋼的開發與應用[J] 機械工程材料，1995，19（5）：35-39
　　3、趙康，鄭修麟，井曉天，等 不同碳含量的CrNiMo鋼疲勞裂紋擴展特性[J]機械科學與技術，1999，18（1）：127-129