石油鉆機(jī)絞車剎車鼓中頻感應(yīng)淬火摩擦性能研究

張顯亮，陳榮發(fā)，薛明晉，陳海林，從良秋，夏美忠，劉 韜，潘 毅

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；2.高郵市華興石油機(jī)械制造有限公司，江蘇高郵225600） ＊

石油鉆機(jī)絞車剎車鼓中頻感應(yīng)淬火摩擦性能研究

張顯亮1，陳榮發(fā)1，薛明晉2，陳海林2，從良秋2，夏美忠2，劉 韜1，潘 毅1

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；2.高郵市華興石油機(jī)械制造有限公司，江蘇高郵225600）＊

剎車鼓是石油鉆機(jī)絞車中的關(guān)鍵部件，要求具有高的耐磨性和良好的制動(dòng)性能。利用顯微硬度計(jì)、金相顯微鏡、萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對剎車鼓中頻感應(yīng)淬火和常規(guī)淬火試樣的硬度、顯微組織、摩擦因數(shù)等進(jìn)行了對比分析研究。結(jié)果表明：感應(yīng)淬火試樣的硬度總體呈下降梯度分布，在淬硬層范圍內(nèi)高于常規(guī)淬火試樣的硬度；相比于常規(guī)淬火試樣的顯微組織，感應(yīng)淬火試樣的表層淬硬層中馬氏體更為細(xì)小，殘余奧氏體含量也相對較少；感應(yīng)淬火試樣的摩擦因數(shù)高于常規(guī)淬火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)試樣的摩擦因數(shù)，其摩擦性能優(yōu)良。

剎車鼓；中頻感應(yīng)淬火；淬硬層；摩擦因數(shù)

剎車鼓是石油鉆機(jī)絞車中的重要部件之一，是絞車整個(gè)剎車系統(tǒng)的主剎，控制大鉤載荷的起升、下放、停止及大鉤載荷的下放速度。剎車系統(tǒng)性能的好壞決定著石油鉆機(jī)的安全性，若剎車系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕者會(huì)引起停鉆，造成經(jīng)濟(jì)損失；重者會(huì)造成墩鉆、溜鉆現(xiàn)象，甚至造成設(shè)備砸轉(zhuǎn)盤現(xiàn)象和重大設(shè)備事故或人身事故［1－4］。剎車鼓是在熱載荷、機(jī)械沖擊載荷、摩擦載荷的工況下工作的，最常見的失效形式有工作面磨損、熱疲勞龜裂、斷裂等［5］。因此，要求剎車鼓具有細(xì)小的表層馬氏體組織，以具有良好的疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性，減少由于失效破壞帶來的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究石油鉆機(jī)絞車剎車鼓的摩擦性能具有重要意義，其中剎車鼓的熱處理工藝是影響其硬度、顯微組織和摩擦性能的重要因素［6－8］。本文從淬硬層深度、組織分布和摩擦因數(shù)等方面對感應(yīng)淬火與常規(guī)淬火處理試樣的摩擦性能進(jìn)行了對比分析。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及工藝

試驗(yàn)材料為2根?100mm×400mm的35CrMo鋼棒，其化學(xué)成分經(jīng)光譜檢測（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為C：0.336；Si：0.21；Mn：0.57；P：0.006；S：0.003；Cr：0.88；Mo：0.162，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。鋼棒經(jīng)調(diào)質(zhì)處理（調(diào)質(zhì)工藝為860℃油淬＋600℃高溫回火）后機(jī)加工成?82mm×380mm的試驗(yàn)棒，然后分別進(jìn)行中頻感應(yīng)表面淬火和常規(guī)淬火處理。常規(guī)淬火工藝為830℃水淬；中頻感應(yīng)加熱淬火采用連續(xù)加熱工藝，設(shè)備頻率為2 500Hz，有效功率為70kW，感應(yīng)器尺寸為?90mm×16mm，移動(dòng)速度為2.1mm／s，淬火方式為噴水冷卻，水壓為0.12MPa。

1.2 試驗(yàn)步驟

1） 利用線切割設(shè)備在試驗(yàn)棒中段橫向切取試樣，經(jīng)拋光后用MVC－1000D1型顯微維氏硬度計(jì)在試樣橫截面上沿徑向進(jìn)行硬度測試，試驗(yàn)載荷為9.8N，依據(jù)GB／T5617—2005，將感應(yīng)淬火有效硬化層深度定義為表面至硬度560HV點(diǎn)間的距離。

2） 利用XJP－200型金相顯微鏡對經(jīng)拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后的試樣顯微組織進(jìn)行觀察分析。

3） 利用MMW－1A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對室溫下的摩擦因數(shù)進(jìn)行了測定，摩擦對偶件為石棉銅絲摩擦材料，試驗(yàn)規(guī)程為正向載荷50N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速120 r／min，摩擦因數(shù)值由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

材料的熱處理組織是影響材料摩擦性能的重要因素之一［9］。中頻感應(yīng)淬火后不同部位的顯微組織如圖1所示。圖1a為淬硬層組織，為馬氏體＋殘余奧氏體＋少量的鐵素體組織；圖1b為過渡層組織，左邊為馬氏體＋殘余奧氏體＋少量鐵素體組織，右邊為索氏體組織；圖1c為芯部組織，為原調(diào)質(zhì)狀態(tài)的索氏體組織。圖2為常規(guī)淬火后的顯微組織，為馬氏體＋殘余奧氏體＋少量鐵素體組織。由圖1～2可以看出：相比常規(guī)淬火試樣的顯微組織，感應(yīng)淬火試樣的表層淬硬層中馬氏體更為細(xì)小，殘余奧氏體含量也相對較少，這是由于感應(yīng)淬火加熱速度快，奧氏體晶粒來不及長大，快速冷卻淬火后得到細(xì)小的馬氏體組織，同時(shí)其殘余奧氏體含量也較少，從而提高了材料的摩擦性能，降低了材料的磨損率。

圖1 感應(yīng)淬火后不同部位的顯微組織

圖2 常規(guī)淬火后的顯微組織

2.2 硬度分布

硬度是材料抵抗塑性變形的影響因素之一，在摩擦性能中具有重要的地位，眾多學(xué)者研究了硬度對材料摩擦磨損性能的影響［10－11］。感應(yīng)淬火和常規(guī)淬火后試樣的顯微維氏硬度分布如圖3所示，可以看出：感應(yīng)淬火的淬硬層深度為5mm，硬度由表面至芯部存在梯度分布；在淬硬層深度范圍內(nèi)，從表面至距表面約4mm的硬度高于常規(guī)淬火的硬度（高30～50HV），而距表面4.0～5.5mm的硬度低于常規(guī)淬火的硬度。這是由于感應(yīng)加熱存在集膚效應(yīng)，使得溫度由表層向芯部逐漸降低，奧氏體中的碳化物溶入量逐漸減少，致使淬火后馬氏體的碳含量下降，從而使硬度逐步降低；但感應(yīng)淬火試樣的硬度不是隨深度的增加而完全呈線性下降，而是在距表面約2mm處出現(xiàn)一個(gè)峰值（如圖3所示），這是因?yàn)楦袘?yīng)加熱時(shí)表層溫度最高，奧氏體中融入的碳化物較多，淬火后馬氏體因碳含量的增加而使硬度有增大的傾向，但同時(shí)奧氏體碳含量的增加會(huì)降低Ms點(diǎn)，淬火后組織的殘余奧氏體含量增加，致使材料的硬度有下降的趨勢。基于這2方面的共同作用，在距表面約2mm處有最佳的馬氏體和殘余奧氏體組合，使得硬度在該處出現(xiàn)一個(gè)峰值。另外，在距表面6mm附近硬度出現(xiàn)明顯的下凹現(xiàn)象，主要是由于在感應(yīng)加熱過程中，此處的溫度高于調(diào)質(zhì)回火溫度，發(fā)生進(jìn)一步回火現(xiàn)象，從而使硬度下降，這一結(jié)論和文獻(xiàn)［12］的闡述是基本一致的。

圖3 感應(yīng)加熱淬火和常規(guī)淬火的硬度分布曲線

2.3 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)是影響材料摩擦特性的一個(gè)重要因素［13］，摩擦因數(shù)的影響因素很多，眾多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，但關(guān)于不同熱處理狀態(tài)對其影響的研究較少［14］。不同熱處理狀態(tài)下的試樣在穩(wěn)定摩擦磨損階段的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示，可以看出：感應(yīng)淬火試樣與對偶件之間的摩擦因數(shù)（平均值約0.4）高于常規(guī)淬火和原調(diào)質(zhì)狀態(tài)試樣與對偶件之間的摩擦因數(shù)（平均值分別約為0.38和0.30），表現(xiàn)出較優(yōu)異的摩擦性能和制動(dòng)性能。這是由于在干摩擦條件下，材料主要表現(xiàn)為犁削磨損和粘著磨損，摩擦力主要來自于破壞接觸面微接觸點(diǎn)的粘著剪切力和相對運(yùn)動(dòng)時(shí)微接觸點(diǎn)對軟表面的犁溝力。感應(yīng)淬火試樣的硬度較常規(guī)淬火和原調(diào)質(zhì)狀態(tài)試樣的硬度要高，而且殘余奧氏體的含量也較少，因此試樣與對偶件的硬度差增大。在相同干摩擦試驗(yàn)條件下試樣的微凸峰壓入對偶件的深度較深，致使摩擦副實(shí)際接觸面積大，微凸峰的阻礙作用增加，導(dǎo)致摩擦副之間摩擦力隨之增大，摩擦因數(shù)也隨之增大，從而表現(xiàn)出較優(yōu)異的摩擦性能和制動(dòng)性能。

圖4 不同熱處理狀態(tài)下的摩擦因數(shù)曲線

3 結(jié)論

1） 相比于常規(guī)淬火的顯微組織，感應(yīng)淬火試樣的表層淬硬層中馬氏體更為細(xì)小，殘余奧氏體含量相對也較少，提高了材料的摩擦性能，降低了材料的磨損率。

2） 感應(yīng)淬火試樣的硬度從表面至芯部總體呈下降梯度分布，在淬硬層范圍內(nèi)高于常規(guī)淬火試樣的硬度，并且在距表面約2mm處出現(xiàn)一個(gè)峰值，在距表面6mm附近出現(xiàn)明顯下凹現(xiàn)象。

3） 在相同的試驗(yàn)條件下，感應(yīng)淬火試樣與對偶件之間的摩擦因數(shù)高于常規(guī)淬火和原調(diào)質(zhì)狀態(tài)試樣與對偶件之間的摩擦因數(shù)，表現(xiàn)出較優(yōu)異的摩擦性能和制動(dòng)性能。

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Study of Friction Characteristic of Medium Frequency Induction Hardening on Brake Wheel in Drawworks

ZHANG Xian－liang1，CHEN Rong－fa1，XUE Ming－jin2，CHEN Hai－lin2，CONG Liang－qiu2，XIA Mei－zhong2，LIU Tao1，PAN Yi1
（1.College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China；2.Gaoyou Huaxing Petroleum Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Gaoyou225600，China）

The brake wheel is the key component of the petroleum drilling rig drawworks，which is required high wear resistance and good braking performance.The comparative analysis studies in hardness，microstructure and friction coefficient between medium frequency induction hardening specimen with common quench specimen were carried on by using metallographic microscope，microhardness tester and universal friction－abrasion testing machine.The results showed that the hardness of induction hardening specimen was overall appearing as a descend gradient distribution，and in the hardened layer was higher than that of common quench specimen；compared with common quench，the martensite in the hardened layer of induction hardening specimen was finer，and the content of residual austenite was relatively fewer.Moreover，the friction coefficient of induction hardening specimen was higher than that of common quench specimen and tempered state specimen，showing more excellent friction characteristic and braking characteristic.

brake wheel；medium frequency induction hardening；hardened layer；friction coefficient

1001－3482（2012）03－0055－04

TE922

A

2011－09－23

張顯亮（1985－），男，江西上饒人，碩士研究生，主要從事金屬材料熱處理與表面工程技術(shù)研究，E－mail：zxlyzu＠126.com。