摘要：為提高牙輪鉆頭的使用壽命，用20Ni3Mo代替20Ni4Mo鋼，并采用930±10℃x6h的滲碳淬火工藝預(yù)處理后，再用液氮及其蒸發(fā)空間溫度梯度制冷深冷處理。通過磨損試驗(yàn)和透射電鏡觀察TEM組織表明，深冷處理后20Ni3Mo鋼硬度提高72HRC，耐磨性提高89%，其組織為均勻馬氏體、殘余奧氏體和微細(xì)碳化物。殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氐體及超微細(xì)碳化物的析出是提高20Ni3Mo滲碳鋼硬度與耐磨性的重要原因。

　　主詞：滲碳件、深冷處理、滲碳件深冷處理

　　牙輪鉆頭的滑動軸承磨損失效一直是影響鉆頭使用壽命的重要因素之一。自1937年蘇聯(lián)金屬學(xué)家古里亞也夫第一個提出深冷處理以來，國內(nèi)外已在工模具鋼上廣泛采用，它投資少，見效快，無污染，經(jīng)濟(jì)效果顯著?？商岣卟牧系哪透g性、強(qiáng)度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性，調(diào)整殘余應(yīng)力，延長使用壽命，一般可提高工模具鋼壽命2~5倍，有的高達(dá)37倍。筆者用20Ni3Mo代替目前牙輪鉆頭采用的20Ni4Mo鋼進(jìn)行深冷處理后，電鏡分析其滲碳及滲碳+深冷處理后滲碳層的微觀組織表明，深冷處理可促使?jié)B碳鋼殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，析出微細(xì)碳化物，提高其硬度與耐磨性，因而更能滿足鉆頭軸承的性能要求。國外現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)石油鉆具278/316h進(jìn)尺分別為2935/3080m，經(jīng)深冷處理后，577h進(jìn)尺達(dá)6160m。深冷處理鉆具后，提高鉆井進(jìn)尺 18%，降低成本16% 。

　　試驗(yàn)方法與結(jié)果

　　1.試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)采用鉆頭軸承用20Ni3Mo鋼(美國SAE4820)，將其加工成內(nèi)外徑分別為ø16+1mm和ø30+0.005mm、厚度為10mm的圓環(huán)試樣。預(yù)處理采用930±10℃*6h的滲碳淬火工藝，深冷處理采用液氮及其蒸發(fā)空間溫度梯度制冷。深冷時由室溫緩慢降至-140℃，保溫3h，再緩慢降至-196℃保溫 12h，然后再緩慢回復(fù)至-140℃，保溫 3h回復(fù)至室溫，隨后170℃低溫回火。

　　磨損試驗(yàn)在MM200磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，取6個滲碳及深冷處理試樣與SAE4820硼釩共滲試樣對磨，轉(zhuǎn)速分別為180/min和200r/min，滲碳或深冷試樣沿軸向滑動2mm，頻率18次/min，加載2000N，對磨9h，每隔1h用TG328A光電分析天平稱重，在標(biāo)定4點(diǎn)附近用HR-150洛氏硬度機(jī)測其硬度。

　　用線切割機(jī)在試件表面切取5mm寬、0.4mm厚的試樣，先用砂紙機(jī)械減薄到 0.06mm，然后置于MTP-1雙噴減薄機(jī)上，在80V電壓、-30℃溫度下，8%HCO4乙醇溶液中減薄到試樣穿孔，用 H-800電鏡在距表面約0.04mm的部位觀察TEM組織，以RAX-10型X光衍射儀，采用CuKa線，在50kV電壓、150管電流下測殘余奧氏體。

　　2.試驗(yàn)結(jié)果

　　SAE4820鋼滲碳淬火后硬度為571HRC磨損平均失重16.66mg。深冷處理后，硬度為64.3HRC，磨損平均失重881mg，硬度提高

　　7.2HRC，耐磨性提高 89%。試驗(yàn)證實(shí)，硬度和耐磨性提高與深冷工藝及深冷次數(shù)有關(guān)，提高深冷速度和重復(fù)深冷可使硬度及耐磨性大幅度提高3。

　　SAF4820滲碳鋼的組織為非均勻馬氏體和大量殘余奧氏體，馬氏體片大小不一，形態(tài)主要為板條馬氏體和孿晶馬氏體。由于淬火溫度過高，馬氏體片較大，殘余奧氏體較多，經(jīng)X光衍射測其含量為50.61%，經(jīng)170℃低溫回火，在板條馬氏體(圖1a)和孿晶馬氏體(圖1b)某些局部區(qū)域有少量微細(xì)碳化物析出。經(jīng)_196℃深冷處理后，馬氏體中有高度纏結(jié)的位錯，同時出現(xiàn)大量彌散析出的呈小薄片或點(diǎn)狀的微細(xì)碳化物，170℃低溫回火后，碳化物尺寸增大呈桿狀或點(diǎn)狀，見圖2。由于馬氏體分解馬氏體片尺寸減小較為均勻，同時有相當(dāng)一部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，殘余奧氏體量降為 34.8%。其組織為均勻馬氏體、殘余奧氏體和微細(xì)碳化物。由圖1得知，兩種處理馬氏體之間均可見島狀組織(圖1c圖2c)經(jīng)深冷處理試件殘余奧氏體量減少 15.81%，析出碳化物的數(shù)量明顯增多。

　　分析與討論

　　1.深冷處理促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的機(jī)理

　　20Ni3Mo滲碳鋼淬火后得到馬氏體的數(shù)量取決于馬氏體相變起始溫度Ms，其中含碳量對Ms影響較大，滲碳后含碳量升高，Ms由386℃降至175℃(計(jì)算見文獻(xiàn)[4])。從新型連續(xù)冷卻圖知5，當(dāng)Ms降低后，馬氏體區(qū)域向下移，當(dāng)Ms為175℃時，馬氏體相變終止溫度將在零度以下。同時隨含碳量增加，馬氏體體積增加越大，形成馬氏體的體積膨脹所造成的壓力增大，阻礙殘余奧氏體轉(zhuǎn)變，故在室溫下將有50.61%的殘余奧氏體保留下來。深冷處理一方面由于溫度降到相變終止溫度以下，過冷度越大相變驅(qū)動力越大，促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。另一方面析出超微細(xì)碳化物可消除馬氏體中殘余壓應(yīng)力，為殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變體積膨脹創(chuàng)造了條件，因此深冷處理可促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。隨后170℃回火又可使馬氏體分解和進(jìn)一步析出微細(xì)碳化物，新形成的馬氏體具有高合金濃度和細(xì)小、分散及均勻分布的特點(diǎn)。

　　2.深冷處理促使超微細(xì)碳化物析出機(jī)理

　　深冷降溫時，由于體積和鐵的晶格系數(shù)縮小增加了系統(tǒng)的自由能。但由于-196℃時擴(kuò)散系數(shù)相當(dāng)小，碳原子很難向微觀缺陷處偏聚而產(chǎn)生碳富積區(qū)，從-196℃回復(fù)到室溫時，由于擴(kuò)散驅(qū)動力增加，促使碳原子向微觀缺陷處聚積出現(xiàn)碳原子偏聚，從而形成與基體保持共格關(guān)系的超微細(xì)碳化物。隨后170℃口火，將以深冷產(chǎn)生的碳化物為進(jìn)一步析出的核心。通過擴(kuò)散使碳原子向微細(xì)碳化物處聚積，碳原子長大并改變形狀，最后析出e碳化物。

　　3.深冷提高硬度與耐磨性原因初探

　　試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，深冷處理可提高SAF4820滲碳鋼的硬度及耐磨性。提高硬度的原因可歸納為:較軟的殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為較硬的馬氏體:高度纏結(jié)位錯及大量孿晶引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和微細(xì)碳化物析出引起的彌散強(qiáng)化。深冷處理提高耐磨性的原因較復(fù)雜，有待于進(jìn)一步研究，初步認(rèn)為主要有以下幾方面:一是高合金馬氏體使硬度提高，可防止粘著磨損，馬氏體+滲碳體具有較高的耐磨性，特別是對磨粒磨損比其它組織好，這已被契年包姆和穆爾的試驗(yàn)證實(shí);二是高度纏結(jié)的位錯增加了金屬的變形抗力:三是碳化物彌散分布與基體相界增加相當(dāng)于起晶界強(qiáng)化的作用;同時碳化物增加位錯運(yùn)動阻力，對金屬起彌散強(qiáng)化的作用。

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