牙轮钻头轴承用滚动体材料的对比分析

　　摘　要：为适应高转速复合钻井的需要，对高速滚动牙轮钻头轴承用滚动体新型材料进行了力学性能测试、单元轴承寿命试验，通过对比分析，发现优选的2种滚动体材料单元轴承寿命指标与现用K钢和国外某公司的H钢单元轴承寿命指标相差较大，H钢与K钢具备一定的抗接触疲劳剥落性能优势，在高转速条件下，都存在一定的应用潜力。
　　关键词：滚动轴承；牙轮钻头；滚动体；材料；高转速
　　1　GCr18Mo和G20Cr2Ni4A的性能优势和使用现状
　　随着现代油气钻井向长寿命、高转速方向发展，复合钻井工艺已经广泛应用。与滑动轴承相比，滚动轴承在延长寿命、提高转速方面存在着巨大潜力。探索采用新型的滚动体材料，以提高抗接触疲劳剥落性能，延长牙轮钻头滚动轴承的使用寿命，提高市场竞争力。
　　当今国外轴承钢发展方向之一是贝氏体钢，德国FAG、瑞典SKF和日本的NSK等轴承厂家，都把轴承钢贝氏体化作为其主要的应用手段^[1,2]。而美国与日、德、瑞典的认识角度不一致，其在滚动体材料上优选渗碳钢，认为渗碳表层的抗疲劳剥落性能比整体淬硬钢好，因此，从滚动体材料的角度考虑，提高其冲击韧度、接触疲劳强度和寿命是根本途径。
　　通过对国、内外滚动体材料的调研，并结合目前新型滚动体材料的开发现状，优选滚动轴承贝氏体钢GCrl8Mo和渗碳钢G20Cr2Ni4A，与公司现有滚动体用K钢和国外某公司滚动体用H钢的性能进行了对比分析，为推出新一代高性能滚动体用钢奠定基础。
　　2　性能试验对比
　　2.1 试验方法
　　试验用钢化学成分见表1。从表1可以看出，4种滚动体用钢满足其各自的标准牌号要求，化学成分全部合格。

表1 试验用钢的化学成分 ％

　　（1）把上述4种滚动体用钢分别粗加工成截面为11mm×11mmx55mm（总长）的冲击试样，然后按照各自Z佳的工艺进行热处理，Z后磨削加工为10mm×10mmx55mm的成品试样（试样中心部位线切割开V形缺口，缺口深度为2mm）。在JC-SJ300-I型数字化冲击试验机上进行冲击试验。
　　（2）把上述4种滚动体钢分别粗加工成中间直径为Ø6mm×45mm（总长）的拉伸试样，然后按照各自Z佳的工艺进行热处理，Z后磨削加工为Ø5mm×45mm成品试样。在MTS810万能材料试验机上进行拉伸试验。
　　2.2 试验结果
　　4种对比用钢的力学性能结果汇总分析及冲击韧度结果见表2，强度和塑性结果见表3。　　

表2 V形缺口冲击韧度结果
　　
表3 拉伸试验测试结果

　　从表2平均冲击韧度结果可以看出：渗碳钢G20Cr2Ni4A的平均冲击韧度是H的2.72倍，是K的4.37倍，具有一定的耐冲击优势。 从表3可以看出，整体淬硬钢GCrl8Mo的强度指标Z高。而渗碳钢G20Cr2Ni4A的心部强度指标（抗拉、屈服强度）比3种整体淬硬钢低较多；但塑性指标（延伸率、断面收缩率）比3种整体淬硬钢（塑性非常小，几乎无法测量出来）高出较多。
　　但渗碳钢G20Cr2Ni4A和贝氏体钢GCrl8Mo整体淬硬钢能否适应滚动体的实际工况，还需要在单元轴承试验机上进行验证和评价。
　　3　滚动体材料的单元轴承寿命试验
　　单元轴承寿命试验的试样尺寸和结构模拟81/2GA214型号钻头，应用与该钻头实际工况相近的试验参数，进行4种不同滚动体材料的钻头轴承寿命试验对比评价。转速为525r/min，相当于钻头转速为350r/min，当径向载荷加载到50kN时，开始计算轴承寿命，设定寿命时间为30h。寿命试验结果见表4。

表4 单元轴承寿命试验结果

　　其中，试样5-4-1密封圈、挡圈完好，18个滚子均出现剥落和点蚀，滚子柱面出现周向磨损划痕，其中2个靠近端面部位严重碎裂，2个端面部位严重点蚀，另外14个滚子端面部位均出现多个点蚀坑。外滚道有一些点蚀，但整体均匀磨损。滚动轴受力面一侧出现面积为12mm×10mm的层状剥落区。
　　试样5-5损坏情况如图1所示，其密封圈、挡圈完好，有11个滚动体未发现剥落痕迹，7个滚动体端面部位发生严重点蚀剥落，全部滚子柱面轻微磨损。外滚道周向轻微均匀磨损，没有发现明显点蚀坑。滚动轴受力面一侧轻微磨损。

图1 试样5-5滚动体及外滚道损坏情况

　　试样B-1损坏情况如图2所示，其密封圈无明显损坏痕迹，挡圈靠近滚子一侧有2处被咬伤痕迹，同时已经弯曲变形。18个滚子均出现不同程度的剥落，其中2个严重碎裂，1个端面部位发现萌生裂纹。外滚道出现明显的周向点蚀点。滚动轴受力面一侧出现一窄条剥落磨损痕迹。试样B-2密封圈、挡圈完好，18个滚子出现不同程度的剥落，外滚道有些轻微点蚀，滚动轴受力面轻微磨损。

图2 试样B-1滚动体及外滚道损坏情况

　　试样ST-7A损坏情况如图3所示，其密封圈、挡圈完好，18个滚子出现严重剥落痕迹。外滚道有明显的点蚀痕迹。滚动轴受力面发生严重剥落。试样ST-3密封圈、挡圈完好，其中11个滚子无点蚀剥落痕迹，6个滚子端面一侧出现点蚀剥落，1个滚子端面轻微点蚀。外滚道有一小块剥落坑，滚动轴受力面一侧发毛。

图3 试样ST-7A滚动体及外滚道损伤情况

　　试样S-4损坏情况如图4所示，密封圈、挡圈完好，其中4个滚子端面一侧发生剥落，2个滚子端面一侧轻微点蚀，其余滚子未发现剥落痕迹。外滚道有均匀的点蚀坑。滚动轴受力面均匀磨损。试样S-11的密封圈、挡圈完好，其中6个滚子端面一侧发生严重剥落，12 个滚子端面一侧轻微点蚀，套圈内孔靠近底平面部位有一小片咬伤痕迹，整个外滚道上有些点蚀痕迹，滚动轴受力面一侧发毛且有一小块剥落坑。

图4 试样S-4滚动体及外滚道损伤情况

　　从以上分析可知，K和H钢在525r/min的高速条件下，都各有2组达到了预定的30h的强化试验目标，滚动体损坏轻微；而渗碳钢G20Cr2Ni4A在相同的试验条件下，平均寿命为13.75h，滚动体均出现严重的疲劳剥落，对应的滚动轴受力面发生层状剥落；贝氏体钢GCrl8Mo在该条件下，平均寿命仅为3h，并且滚动体损坏的情况比K钢和渗碳钢G20Cr2Ni4A严重。
　　4　结束语
　　从试验结果可知：适用于准高速铁路轴承的贝氏体钢GCrl8Mo不适合用于制造高速牙轮钻头滚动轴承，制约其使用的关键因素是其基体碳含量高（0.95％～1.05％），材料的脆性较大，其等温淬火后的冲击韧度值较低，平均值为3.3J/cm，高转速条件下开裂损坏的倾向较大；制约渗碳钢G20Cr2Ni4A用于高速牙轮钻头轴承的关键是其心部的强度过低，对表层没有形成强有力的支撑，容易引起表层的早期失效。
　　综合以上单元轴承试验的结果可以看出：H钢与K钢具备一定的抗接触疲劳剥落性能优势，并且各自有2组达到了预定的强化寿命指标，因此在高转速条件下，都存在一定的应用潜力。
　　参考文献 ： 
　　[1]陈家庆,罗纬.牙轮钻头变曲率圆柱滚动体轴承的结构设计与研究[J].轴承,2003(12):1-5.
　　[2]龙永强,李谦,文九巴.GCr18Mo轴承钢复相组织对强韧性影响[J].热加工工艺,2004(12):4-6.
　　[3]张增歧,刘耀中,樊志强.贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用[J].材料热处理学报,2002 (1):57-60.