作者：伍開松　馬德坤
（西南石油學(xué)院鉆頭研究所）

　　摘　要：牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承副可用20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼配對(duì)，二者經(jīng)熱處理以后，表面較內(nèi)部材料的性能有很大的差異。為此各對(duì)20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼的三種試樣進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，滑動(dòng)軸承副經(jīng)滲碳熱處理后表面材料比內(nèi)部材料的抗壓強(qiáng)度提高了近50%，其表面材料的應(yīng)力-應(yīng)變幾近直線關(guān)系，破壞前沒有明顯的屈服變形階段。這種表面強(qiáng)度硬度高、中間韌性好的特性，正好滿足了滑動(dòng)軸承對(duì)表面耐磨和心部抗沖擊、抗振動(dòng)的要求。
　　關(guān)鍵詞：20CrNiMo；20Ni4Mo；牙輪鉆頭；滑動(dòng)軸承；力學(xué)性能
　　1、引言
　　牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承副的材料20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼經(jīng)熱處理以后，表面材料的力學(xué)性能較內(nèi)部材料有多大的差異，這是有關(guān)人員十分關(guān)注的問題。無論進(jìn)行牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的失效分析，還是進(jìn)行軸承的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，軸承副材料的力學(xué)性能指標(biāo)都是Z基本的數(shù)據(jù)。尤其是進(jìn)行牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的有限元接觸應(yīng)力分析計(jì)算更是必不可少的，但至今未見這方面的報(bào)道。
 　　大量的現(xiàn)場(chǎng)牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的失效分析和有關(guān)的試驗(yàn)研究表明，牙輪鉆頭滑動(dòng)軸承的主要失效形式是滑動(dòng)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(xué)性能是一件很有意義的工作。
　　2、試樣制備和試驗(yàn)方法
　　對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣[1]，材料為鋼廠供貨態(tài)。方案2用圖1圓筒狀的試樣，材料經(jīng)過淬火和回火處理后，其力學(xué)性能與牙爪軸頸內(nèi)部材料的力學(xué)性能相當(dāng)，硬度為37-40HRC。方案3也用圖1圓筒狀的試樣，材料經(jīng)滲碳淬火熱處理，要求整個(gè)筒體的筒壁必須滲透，整個(gè)試樣材料的力學(xué)性能與牙爪軸頸的表面材料的力學(xué)性能相當(dāng)，硬度為56-59HRC。對(duì)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(duì)上述兩種材料的三種試件方案，共計(jì)六組交接班伸或壓縮試樣，分別在MTS材料性能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，每組試驗(yàn)重復(fù)6次，對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取6次數(shù)據(jù)的平均值作為材料的力學(xué)性能指標(biāo)。
　　3、試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　表1-6為試樣結(jié)果。20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼方案1的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖2a和2b，可見該材料沒有明顯的屈服流動(dòng)階段，且塑性伸長(zhǎng)較大。從斷口看，有明顯的頸縮現(xiàn)象。

 　　20CrNiMo鋼和20Ni4Mo鋼方案2的典型壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖3a和3b。可見材料也沒有明顯的屈服流動(dòng)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(xiàn)象。20CrNiMo和20Ni4Mo鋼經(jīng)方案3處理后，其抗壓強(qiáng)度較其內(nèi)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(yīng)力-應(yīng)變幾乎成直線關(guān)系，破壞前沒塑性變形階段。

　　4、結(jié)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(qiáng)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(dòng)軸承的表面耐磨和抗膠合，同時(shí)又能滿足抗沖擊和振動(dòng)的要求。

表1  20CrNiMo鋼方案1的拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)

 表2  20CrNiMo鋼方案2的壓縮性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表3  20CrNiMo鋼方案3的壓縮性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表4  20Ni4Mo鋼方案1的拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表5  20Ni4Mo鋼方案2的壓縮性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表6  20Ni4Mo鋼方案3的壓縮性能測(cè)試數(shù)據(jù)

　　參考文獻(xiàn)：
　　1、姚啟均 金屬力學(xué)性能試驗(yàn)常用數(shù)據(jù)手冊(cè)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994
　　2、魏慶誠(chéng)高淬透性新型石油鉆頭鋼的開發(fā)與應(yīng)用[J] 機(jī)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(kuò)展特性[J]機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1999，18（1）：127-129