2渗碳工艺的优化研究

　　18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承渗碳工艺的优化bookmark0何畏，郝广辉，李波，胡玉茂（西南石油大学机电工程学院，四川成都610500）数模型和物理模型，对两种可选择的渗碳面以及不同扩散系数的渗碳结果分别进行对比研究，并对最优结果进行验证。结果表明：牙轮钻头轴承最优的渗碳面是外表面，最优的扩散系数为1.5x104m2/s，满足了牙轮钻头轴承表面耐磨、芯部具有韧性的要求，为制定合格的渗碳工艺提供理论支撑。
　　在钻井工程中牙轮钻头是最主要的工具，其寿命的长短直接影响着钻井的效率、质量和成本。而轴承是牙轮钻头中的主要零部件，牙轮钻头在工作过程中很大程度上会因为轴承的失效而无法继续工作，轴承的寿命直接决定着牙轮钻头的寿命。随着人类对油气资源需求量越来越大，开发复杂地段油气资源的趋势不可避免，对牙轮钻头的寿命也提出了更高的要求，因此保证和提高牙轮钻头的寿命具有重要的现实意义。
　　轴承在钻井过程中承受着巨大的冲击压力和接触疲劳载荷，其表面不仅要耐磨，芯部也要有定的韧性，而18CrNiMo7-6钢经热处理后具有很好的强度、硬度、耐磨性和冲击韧度，因此18CrNiMo7-6钢很适合用在牙轮钻头轴承上。在热处理工艺中，渗碳是非常重要的环节，渗碳工艺的好坏决定着轴承和牙轮钻头的使用寿命。本文采用SYSWELD有限元软件，考虑牙轮钻头轴承的实际工况，对18CrNiMo7-6钢牙轮钻头轴承的渗碳工艺进行优化研究，确定出最优的渗碳面和渗碳扩散系数。
　　1数值计算模型bookmark1 1.1渗碳数学模型渗碳过程是非稳态的扩散过程，其各点的浓度随时间而变化，用扩散第二定律描述为坠c基金项目：四川省科技支撑计划项目（2014GZ0153）；四川省科技支撑计划项目（2009GZ0026）；西南石油大学机电工程学院研究生创新基金资助项目（CX2014SY05）上述方程描述的是在直角坐标系下的扩散方程，而牙轮钻头轴承是圆环柱体，需在圆柱坐标系下进行数学模型的建立，因此，距牙轮钻头轴承表面为x的扩散方程表示为初始条件：表示渗碳时牙轮钻头轴承碳浓度的分布，显然，开始时各处碳浓度分布一样，即边界条件：表示在渗碳过程中牙轮钻头轴承表面与渗碳气氛之间应满足的条件，即活能‘mol-1）；R为摩尔气体常数；Cg为炉气碳势。1.2扩散系数在渗碳过程中，扩散系数是非常重要的个参数，直接决定着渗碳结果以及渗碳工艺是否合格。考虑到实际渗碳工况，扩散系数必须是碳浓度的个函数，即姐2渗碳工艺的优化研究2.1物理模型的建立牙轮钻头轴承为圆环柱体，外径、内径和长度分别为56、50和21mm.其所用钢18CrNiMo7-6的主要成分如表1所示。轴承的物理模型在Visual-Mesh中建立，考虑到牙轮钻头轴承结构的对称性，取1/4进行研究，采用8节点的六面体对模型进行离散化。
　　表1 18CrNiMo7-6钢的主要成分（质量分数，）余量2.2渗碳面的对比研究根据牙轮钻头轴承的实际工况，渗碳时有两种选择，如所示。A：选取外表面（D5）为渗碳面；B：选取外表面（D5）及端面（D4、D6）为渗碳面。结合现场生产经验，对A、B两种情况在940°C、1.2%的碳势下强渗495min，然后在840°C、0.8%的碳势下扩散105min，扩散系数为1.5E4m2/s，得到数值模拟不同时刻的渗碳场对比云图，如所示。
　　2.3最优渗碳面的确定针对A、B两种可选取的渗碳面情况，当渗碳时间为5940s时，由可知，A1的含碳量由外表面牙轮钻头轴承的渗碳面Fig.1逐渐向内表面递减，含碳量此刻最大值出现在外表面且分布均匀。艮的含碳量分布呈现U型，且含碳量此刻最大值出现在棱角处。出现此现象的原因是：渗碳面D5和渗碳面D4或D6的碳扩散时，两者在棱角处汇合，从而产生富集现象。渗碳到29700s时，轴承的含碳量达到最大值，A2的最大值出现在外表面，其值接近1.13%.庆的最大值在外表面和两端面处，其值略大于1.19%.随后便开始碳的扩散过程。
　　看出：两者芯部含碳量大约都为0.261%.A3含碳量最大值为0.796%.芪含碳量最大值出现在棱角处靠内，其值为0.892%，这是因为碳在扩散过程中，轴承棱角靠内前面富集的碳来不及扩散以及轴承基体材料本身阻碍碳的扩散。轴承渗碳工艺完成后，接下来便会进行淬火工艺。在其他条件不变的情况下，影响硬度值大小的因素是含碳量，含碳量越高硬度和脆性也越高，但也不是无限制的高，一般淬火后18CrNiMo7-6钢的硬度值最大约为65HRC.因此，B种情况（D4、D5、D6为渗碳面）的轴承除芯部外其它部位都会比A种情况（D5为渗碳面）的硬度值高，而且B种情况的硬度值分布不均匀，棱角处的硬度值非常大。综上所述，鉴于牙轮钻头轴承在工作过程中会受到冲击载荷，其表面不仅要耐磨，芯部也要有定的韧性，牙轮钻头轴承的最优渗碳面为轴承的外表面（D5）。
　　2.4扩散系数的对比研究扩散系数选择的好坏决定着渗碳工艺是否合格，更决定着牙轮钻头轴承的寿命，在得出最优面为D5的基础上，保证有限元模型、渗碳时间、温度、碳势不变，分别模拟扩散系数为1.5x10-3、1.5x10'1.5x10-5、1.5x10“和1.5x10-7m2/s条件下牙轮钻头轴承的渗碳场。为了直观简捷地表达含碳量与扩散系数的关系，选取不同扩散系数条件下牙轮钻头轴承上对应含碳碳含量（碳含量（wt°/碳含量这a碳含量（wt°/）牙轮钻头轴承不同渗碳面的渗碳场云图硬度（HV）牙轮钻头轴承在不同扩散系数下的硬度场云图（下转第121页）量的最大和最小值，并制成曲线，结果如所示。
　　可知，轴承的含碳量随扩散系数的变化而变化。其含碳量的最大和最小值随扩散系数变化的曲线它条件不变的情况下，扩散系数越大，轴承的含碳量越高。但含碳量也不是无限制的高。当扩散系数为1.5x10-5m2/s时，轴承各处的含碳量达到最大值。再增大扩散系数，轴承各处含碳量保持不变。因此轴承渗碳过程的扩散系数应小于或等于1.5xl0-5m2/s，否则就意味着浪费资源，增加经济成本。
　　2.5最优扩散系数的确定考虑到牙轮钻头轴承表面耐磨、芯部要有韧性的特点，模拟出渗碳完成后，扩散系数为1.5x10-5、1.5x10“、1.5x10-7m2/s条件下的硬度场分布云图如所示。可知：扩散系数为1.5x10-5、1.5x10->m2/s、条件下轴承硬度的最大值约为786HV（63.5HRC），硬度最小值520535HV（5051.5HRC）。而扩散系面相对致密，阻止了外界腐蚀物的浸入w；同时，电极与基材的充分融合，但是没有出现金属液滴过分喷涌和飞溅现象，致使在来回沉积过程中涂层之间没有形成层液滴间隙，没有为气体的存在留下空间，即氩气和金属液蒸汽能释放到涂层外部，从而使得改性层内部没有严重的沉积缺陷和孔洞存留，这一方面减轻了腐蚀的进一步发生；另外，电火花沉积是电极与丝材在极短时间内产生高温、高压微小区域，使基材和电极发生熔化并在较短时间内快速冷却，即对涂层进行了一次短时间的淬火处理，涂层组织发生晶格畸变，AZ91镁合金内部a-Mg和P-MgAli2发生晶格错位，呈网状分布的P-Mg17Al12变得更加细小，由于P相沿晶界呈细小网状分布导致与P相相邻区域a-Mg固溶体基体出现具有较大内应力的畸变区域，此畸变区域在腐蚀过程中易于出现优先溶解的腐蚀行为，故腐蚀形貌表面出裂缝形态，如（b）所示；同时，较大的网状组织被分割成细小的密集的网状结构，细致的网状结构与原始基材相比，有更强的抵制发生腐蚀的能力；另外，在高温高压微区内，沉积涂层时，熔融的电极和基材在电极的激烈搅动条件下，对局部部位有振动细化晶粒作用，细晶的出现，也让涂层表现出较好的耐腐蚀性。
　　4结论汽车用镁合金表面进行电火花沉积改性处理时，沉积电压、空占比以及沉积频率等工艺参数对强化层的表面质量、涂层厚度、耐腐蚀性有重要影响。
　　在AZ91镁合金表面进行同质丝材改性处理时，最佳参数为，工作电压35V、频率200Hz、空占比50%；以最佳的工艺参数得到的改性层表面光滑、组织结构致密，超过或低于最佳值，材料转移机制发生了变化，导致强化层的气孔、缺陷增多，表面粗糙度也相应的增大。
　　以最佳电火花沉积工艺参数在AZ91镁合金表面进行改性处理后，强化层在3.5%NaCl溶液中进行浸泡试验时，耐腐蚀性能较基材有了一定的提高和改善。