KX84-250牙轮钻头的牙爪大跑道渗硼分析

张小龙, 王明德, 刘涵 , ,郑清皓 ,李芳芳,刘冰,张宇*

摘要

通过受力分析，计算出KX84-250牙轮钻头的渗硼厚度（0.11 mm）。同时，在900℃/6小时渗硼和900℃/8小时渗硼的厚度分布为0.106 mm和0.112 mm，达到渗硼要求。

关键词: 牙轮钻头；牙爪大跑道；渗硼；

Analysis of Boronizing of Raceway of Leg for KX84-250 Roller Cone Bit

ZHANG Xiaolong, WANG Mingde, LIU Han, ZHENG Qinghao, LI Fangfang, LIU Bing, ZHANG Yu*

Liaoning Institute of Science and Technology, Liaoning Benxi 117004, China

Abstract

The depth of boronizing (0.11mm) of KX84-250 roller cone bit is calculated by force analysis. At the same time, the depth of boronizing at 900 ℃/6 hours and  900 ℃/8 hours are 0.106 mm and 0.112 mm, respectively, which meets the requirement of boronizing.

Key words: Roller Cone Bit; Raceway of Leg; Boronizing

一绪论

KX84-250牙轮钻头（20CrMo）因综合优势而广泛应用。为提高钻孔深度，选择渗硼工艺对20CrMo进行渗硼，以提高材料的性能[1-2]。

二实验方法

对20CrMo进行切割、打磨并抛光，与渗硼剂放入坩埚。然后将坩埚放入电阻炉，随炉升温。当温度升至900 ºC时开始保温并计时。保温6小时取出坩埚并空冷。保温8小时取出第二个坩埚空冷。对渗硼样品进行切割、镶嵌、打磨抛光，用4%体积分数的硝酸酒精进行腐蚀并观察。

三受力分析

牙轮钻头含有3个牙爪。其中，KX84-250牙轮钻头的转轴直径D为250 mm，每个牙爪受力为，其中P为轴压，13.79 MPa。

                               (1)

牙轮钻头主要有三大轴承系统，(i) “牙爪大跑道-滚柱”系统，受力70%；(ii) “牙爪圆跑道-滚柱”系统，受力20%；(iii) “小轴-衬套”系统，受力10%。

“牙爪大跑道-滚柱”轴承系统受力F1如下。

                      (2)

其中，θ为54º。

牙爪大跑道最大压应力σzmax和接触面半宽b计算公式如下(图3(b))。

                (3)

                                  (4)

                     (5)

其中，D1为牙爪大跑道直径(62 mm)，D2为滚柱直径(14 mm)，l为接触线长度(28 mm)。E为综合弹性模量。其中，E1和E2分别为牙爪大跑道弹性模量(196~206 GPa)和滚柱弹性模量(200~210 GPa)。

其中，最大切应力深度为h。

                         (6)

因此，渗硼层厚度A。

                         (7)  

其中，K为系数(0.4)。基于前文计算，渗硼层厚度为0.11 mm。

四结果观察

对渗硼层进行观察(图1)。

图1  900 ºC渗硼厚度观察。(a) 900 ºC/6小时渗硼；(b) 900 ºC/8小时渗硼

观察发现，在900 ºC/6小时条件下，20CrMo的渗硼层厚度为0.106 mm。而在900 ºC/8小时条件下，渗硼层厚度为0.112 mm，均达到设计要求(0.11 mm)。

五结论

本文通过受力分析，确定了20CrMo的受力条件，并最终确定了牙轮钻头的渗硼深度(0.11 mm)。同时，在 900 ºC/6小时和900 ºC/8小时条件下，渗硼深度分布为0.106 mm和0.112 mm，达到了渗要求。

参考文献

1.石铭霄, et al., AISI 410钢膏剂渗硼工艺渗层的组织与性能. 金属热处理, 2022. 47(04): p. 245-250.

2.王雄栋, AISI 410不锈钢膏剂渗硼工艺及其渗硼层组织与性能研究. 2022, 江苏科技大学.

基金项目

辽宁科技学院大学生创新创业项目202211430100

辽宁省教育厅青年项目（LJKQZ20222339）

辽宁省教育厅面上项目（LJKZ1067）：KX84系列牙爪大跑道接触疲劳分析与预防