钻头性能试验方案的优化与应用

为解决钻头材料问题，在总的方面，我们拟分三个阶段开展工作：

1）第一阶段：解决渗碳工艺问题。

2）第二阶段：将代用材料作不同的处理，分别按苏联原规定的项目进行各种力学性能试验，视结果是否达到或接近表1所示的性能指标，以抉择取舍。同时，除沿用苏联规定的几项性能试验外，还在分析钻头的真实服役条件的基础上，设计出几种和实际情况更符合的试验补充进去，以作为参考。

3）第三阶段：从实际出发，全面分析苏联规定的工艺规范和性能指标，建立一套新的、适合我国情况的试验方法和性能指标，并以此为据，寻求新的钻头材料和相应的热处理工艺。

最后，还可以超出金属材料及牙轮钻头的范围。不过，这是长远的规划，需视以后的具体情况再作考虑。

我们目前进行的是第二阶段。第三阶段还未开始。而第一阶段与本文关系不大，此处不拟赘述。

第二阶段是本课题的中心，这里作较详细的介绍。

（1）以20ХМ和30ХГС为12ХН3А和20ХН3А之代用品。对于20ХМ，考虑到它是低碳的，则完全用苏联的技术需要进行渗碳，然后施以不同的热处理（淬火方式、回火温度）。对于30ХГС，则设计出它的渗碳技术要求（渗碳层厚度、浓度等）进行渗碳，并同样施以不同的热处理（淬火方式、回火温度）。20ХМ、30ХГС的试样经过上述处理后，沿用苏联规定的力学性能试验项目进行试验，与之比较，见表6。真渗碳和伪渗碳都同时以不同的淬火方式、回火温度配合，以便进行比较，择优选用。

两种材料的真渗碳都给予一次淬火和二次淬火两种处理。

20ХМ之Ψ、δ、a_K值都是随回火温度的变化较小，而强度却随回火温度上升而显著下降（图8）。这已明显地告诉我们，无论从强度因素出发，抑或从塑性因素出发，中高温回火都较低温回火差。因此，我们全部选用200℃回火。30ХГС之Ψ、δ随回火温度的变化也较小；而a_K值在400℃左右有一明显下降范围（图9）。这就是说，如果从a_K的观点出发，选择300～500℃范围内的回火温度也是不合适的。因此，对于伪渗碳，我们选择了200℃、510℃两个回火温度。

（2）分析了钻头的失效原因后，我们认为，轴头的接触疲劳和牙齿的连续冲击是主要问题。为此补充如下试验：

图8 20XM回火温度与力学性能之间的关系

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图9 30ХГС回火温度与力学性能之间的关系

表6 按苏联要求的试验计划

注：○—拟作；×—不拟作。

1）我校自行设计的小能量多次冲击试验机的连续冲击性能试验。这是圆试样，共分光滑和缺口两种。之所以作缺口试样，是因为这样更接近钻头（以及其他渗碳件）的真实情况。实际上，钻头（以及其他渗碳机件）表面相当于缺口作用的缺陷、键槽、小孔等，是不可避免的。而且，伪渗碳件开了缺口更便于同一次冲击相比较。

2）接触疲劳试验。（由于条件所限，暂未进行）。

3）I_zod冲击试验。虽然I_zod一次冲击所得数据基本上应与a_K值相同，但由于它较接近于牙轮牙齿与岩石的冲击情形，因此也选为试验项目作为一个参考数据。

4）缺口静弯试验。人们常把缺口静弯所得的撕裂功作为衡量材料“韧性”大小的主要指标。但是，缺口静弯曲线的高度可以相当于对出现裂纹的抗力（强度因素），撕裂功面积的大小（塑性因素），可以相当于裂纹发展的速度（撕裂功越大，裂纹发展越慢）；我们究竟应追求大的撕裂功面积，还是追求曲线的高度，这不能一概而论。例如，材料在某种负荷下（如连续冲击下），强度低的材料（曲线低），开裂过早，虽然撕裂功大而总的破断强度（破断周次）却较小。我们在试验项目中加入缺口静弯试验，正是为了与其他力学性能试验配合起来，找出彼此的关系，进一步探讨一些力学性能试验方法的破断机制，作为选择材料的一个依据。当然，上面所述都是以整个试样破断作为失效的标志的。实际上，许多机件出现裂纹和断裂一样的危险；若以出现裂缝算为失效，在任何情况下都应是缺口静弯曲线高的材料为好。

这里，我们把多次冲击试验作为一个重点试验项目。我们想以多次冲击的试验结果权衡20ХМ、30ХГС以及它们的不同处理状态，孰好孰坏，以作为抉择12ХМ3A、20XH3A代用品的依据。

（3）全部试样中，有真渗碳也有伪渗碳，我们可从一次摆锤冲击试验结果，验证α_K对渗碳件的实用意义。同时，测出真渗碳在多种处理状态下的a_K值，并与相应的真渗碳、伪渗碳的其他力学性能试验数据比较，进一步评价a_K。

（4）我们选用了低碳的20ХМ和中碳的30ХГС，以这两种钢料的试验结果进行对比分析，从而看出渗碳钢心部含碳量对于各种力学性能的影响。

（5）20ХМ、30ХГС渗碳后，都处理至不同的状态（淬火方式不同、回火温度不同），把不同状态下的性能进行一番比较，从而分别找出这两种钢料满足石油钻头服役条件的最优热处理工艺。