螺杆钻具40CrNiMoA 传动轴调质力学性能研究

钱伟峰，曲 哲，陆天明

（中国石油渤海装备钻井装备公司，天津 300280）

0 引言

螺杆钻具是一种以钻井液为动力，将液体压力能转为机械能的容积式井下动力钻具。当泥浆泵泵出的泥浆流经旁通阀进入马达，在马达的进、出口形成一定的压力差，推动转子绕定子的轴线旋转，并将转速和扭矩通过万向轴和传动轴传递给钻头，从而实现钻井作业。其中，传动轴的作用是将马达的旋转动力传递给钻头，同时承受钻压所产生的轴向和径向负荷，工作时需要具有较好的综合力学性能，即具有较好的硬度、强度和冲击功等。

为使传动轴具有较好的综合力学性能，需对其进行调质处理。选取高淬透性调质钢40CrNiMoA 作为传动轴的材料，研究其调质后的力学性能。

1 40CrNiMoA 材料及传动轴简介

40CrNiMoA 属于中碳高级优质合金结构钢，铁碳平衡相图中的Ac1为760 ℃，Ac3为790 ℃，Ms 点为308 ℃，淬火加热温度为840～860 ℃，淬火时以油作为冷却介质，具有较高的淬透性，适合制造大截面零件。调质处理时的传动轴如图1 所示。

图1 螺杆钻具传动轴

由图1 可知，螺杆钻具传动轴为中空结构，一端直径大，即大端；另一端直径小，即小端。由于小端壁厚较薄，工作时比大端更易断裂，故选取小端作为传动轴调质后力学性能的研究对象。

2 试验方法及数据分析

2.1 试验方法

从传动轴小端截取120 mm 长的几段试件，经过不同调质工艺处理后检测硬度，然后在这几段试件的壁厚中心处制取拉伸和冲击试样（图1），再经拉伸和冲击试验后，比较其硬度与力学性能。

由于螺杆钻具的规格型号较多，因此相应的传动轴规格型号也较多。选取常用的一种中型传动轴和一种大型传动轴作为试验对象。

中型传动轴小端试样尺寸为Φ110 mm×Φ38 mm×120 mm，大型传动轴小端试样尺寸为Φ130 mm×Φ54 mm×120 mm，其化学成分与GB/T 3077—2015《合金结构钢》中40CrNiMoA 材料的化学成分见表1。

表1 试样化学成分与标准40CrNiMoA 材料化学成分（质量分数） %

2.2 中型传动轴试验结果

从一支中型传动轴小端切下5 个试件，热处理工艺为：860 ℃保温2.5 h 后油淬，再分别经560 ℃、580 ℃、600 ℃、620 ℃和640 ℃回火保温3 h 后检测硬度，做拉伸和冲击试验，试验数据见表2。

表2 中型传动轴不同温度回火后的力学性能数据

2.3 大型传动轴试验结果

从一支大型传动轴小端切下6 个试件，热处理工艺为：860 ℃保温3 h 后油淬，再分别经540 ℃、550 ℃、560 ℃、570 ℃、580 ℃和590 ℃回火保温2 h 后检测硬度，做拉伸和冲击试验，试验数据见表3。

表3 大型传动轴不同温度回火后的力学性能数据

2.4 数据分析

2.4.1 中型传动轴试验数据分析

分析中型传动轴回火温度560～640 ℃，每升高20 ℃，回火硬度、抗拉强度、下屈服强度和平均冲击功的变化值及变化百分比见表4、表5。

表4 中型传动轴力学性能变化值

表5 中型传动轴力学性能变化百分比 %

由表5 可知：

（1）回火温度每升高20 ℃，回火硬度下降的百分比分别为5.2%、1.7%、5.3%和7.2%。下降速度“快—慢—快”，总体呈加速下降趋势。

（2）回火温度每升高20 ℃，抗拉强度和下屈服强度下降的百分比基本一致，下降速度先慢后快。

（3）回火温度每升高20 ℃，平均冲击功升高的百分比分别为8.6%、11.3%、17.0%和9.7%，升高速度呈“慢—快—慢”的趋势。

（4）分析560～640 ℃整个升温回火过程，回火硬度下降18.2%，抗拉强度下降16.7%，下屈服强度下降16.5%，平均冲击功升高55.1%。硬度比强度的下降百分比略大，平均冲击功的升高百分比是硬度和强度下降百分比的3 倍以上，即平均冲击功对回火温度的变化最敏感，硬度次之，强度再次之。

2.4.2 大型传动轴试验数据分析

分析大型传动轴回火温度540～590 ℃，每升高10 ℃，回火硬度、抗拉强度、下屈服强度和平均冲击功的变量值及变化百分比，见表6、表7。

表6 大型传动轴力学性能变化值

表7 大型传动轴力学性能变化百分比 %

由表7 可知：

（1）回火温度每升高10 ℃，回火硬度的下降百分比分别为4.1%、2.3%、3.5%、3.0%和7.8%。下降速度“快—慢—快”，总体呈加速下降趋势。

（2）回火温度每升高10 ℃，抗拉强度和下屈服强度的下降百分比基本一致，下降速度“慢—快—慢”。

（3）回火温度每升高10 ℃，平均冲击功的升高百分比分别为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 ℃的整个升温回火过程，回火硬度下降19.2%，抗拉强度下降9.6%，下屈服强度下降9.5%，平均冲击功升高53.4%。硬度下降百分比是强度的两倍，平均冲击功升高百分比是硬度下降百分比的2.8 倍，是强度的5.6 倍，即平均冲击功对回火温度的变化最敏感度，硬度次之，强度再次之。

3 结论

40CrNiMoA 材料的中型、大型两种传动轴淬火后随着回火温度的提高，其小端力学性能的变化规律：①硬度、强度呈下降趋势，平均冲击功呈上升趋势；②硬度呈加速下降趋势；③提高回火温度，抗拉强度和下屈服强度的下降百分比基本一致；④提高回火温度，平均冲击功的变化幅度均大于硬度与强度的变化幅度，即平均冲击功对回火温度的变化更敏感。