60Si2Mn弹簧表面脱炭仿真与试验研究

薛明晋，陈海林，王笃雄，蔡郭生，张显亮，陈荣发，王 霞

（1.高邮市华兴石油机械制造有限公司，江苏高邮225600；2.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127；3.川庆钻探国际工程公司，成都610051） ①

60Si2Mn弹簧表面脱炭仿真与试验研究

薛明晋1，陈海林1，王笃雄2，蔡郭生2，张显亮2，陈荣发2，王 霞3

（1.高邮市华兴石油机械制造有限公司，江苏高邮225600；2.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127；3.川庆钻探国际工程公司，成都610051） ①

脱碳是影响石油钻机游车大钩中60Si2Mn减震弹簧使用寿命的重要因素之一。试验研究了60Si2Mn减震弹簧表面脱碳与加热时间的关系。利用DEFORM－3D软件对60Si2Mn减震弹簧的脱碳过程进行了模拟，结果表明：随着加热时间的延长，脱碳层深度增加，脱碳程度加剧，初期脱碳速率较快，随后速率逐渐减缓。研究结果对提高大钩使用寿命有指导意义。

弹簧；60Si2Mn；脱炭；数值模拟

60Si2Mn减震弹簧是石油钻机游车大钩中的关键部件之一，起到减小起吊、卸载时的冲击作用，使生产操作更平稳、安全［1］。在使用过程中，弹簧横截面上的应力沿径向呈梯度分布，表面承受的应力最大，故要求其强度最高。但是，弹簧在热处理过程中会出现脱碳现象，使得弹簧表面的强度下降，在交变应力作用下，容易产生疲劳裂纹并导致失效，影响弹簧的使用寿命和生产安全。

脱碳是指钢表层的碳原子在高温条件下发生扩散而迁移至表面与加热炉内的氧发生化学反应，导致钢表层一定范围内碳原子散失的现象［2］。弹簧的表面脱碳主要发生在钢的加热过程中，其影响因素有很多，例如加热温度、加热时间、炉内气氛以及钢材成分等。因此，研究弹簧钢在加热时的表面脱碳具有重要意义［3－4］。本文利用DEFORM－3D仿真软件对热处理过程中不同加热时间下60Si2Mn弹簧的表面脱碳情况进行模拟仿真，并与氧化脱碳试验结果进行对比分析，为弹簧的生产制造提供参考［5］。

1 试验及分析

试验材料为40mm×50mm的60Si2Mn钢棒3根，光谱检测的化学成分如表1所示，符合国家标准。把试样加热到870℃，分别保温30、60、120 min后进行油淬火。然后对试样进行抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀，并利用XJP－200型金相显微镜对试样的氧化脱碳层进行观察分析，如图1。

表1 60Si2Mn弹簧的化学成分 wB%

加热时间是影响脱碳层深度及含碳量的一个重要因素。随着加热时间的增加，脱碳层深度增加，脱碳程度加剧，含碳量减少［6］。由图1可以可出：随着保温时间的延长，脱碳层深度增加，在保温30min后脱碳层厚度为201.5μm，但脱碳层铁素体不明显；保温60min后，脱碳层厚度为310.39μm，同时出现了明显的铁素体脱碳层组织；保温120min后，脱碳层厚度为422.51μm，脱碳程度更严重。

图1 不同保温时间下60Si2Mn弹簧的脱碳层形貌

由于脱碳层发生碳原子的散失，含碳量减少，导致材料的硬度也发生变化。采用显微维氏硬度计测量了保温120min后60Si2Mn弹簧脱碳层内的硬度分布，结果如图2所示。由图2可见：脱碳层的硬度由表面至芯部存在梯度分布，其表面硬度非常低，向内硬度升高，到0.6mm以后，硬度趋于未脱碳状态下的硬度。这是由于在脱碳过程中，处于内层的碳原子扩散脱碳要比表层的碳原子困难得多，所以越往内脱碳倾向越小，碳含量也就越高，硬度就越高。因此，通过脱碳层的硬度分布特点，也能反映碳在脱碳层内的分布特点。

图2 60Si2Mn弹簧脱碳层的硬度分布曲线

2 数值模拟

利用Pro／E软件建立模型，并将模型导入DEFORM－3D软件中，然后对其定义材料属性、划分网格、施加载荷和求解，分别模拟计算试样在870℃保温30、60、120min后的脱碳情况。碳在870℃时的扩散系数可由下式计算得

式中，D0为扩散常数，D0（γ）＝2.0×10－5m2／s；Q为扩散激活能，Q（γ）＝1.4×105J／mol；R为摩尔气体常数，R＝8.314J／（mol·K）；T为绝对温度，K。

由此得碳在870℃时的扩散系数为D（870℃）＝7.99×10－6mm2／s。

2.1 模拟结果

如图3所示为不同保温时间下60Si2Mn弹簧的DEFORM－3D仿真脱碳云图。可以清晰直观地反映出60Si2Mn弹簧脱碳层的碳含量和脱碳层深度。60Si2Mn弹簧在保温30min后，脱碳层的碳含量约为0.55%，脱碳层深度为205.6μm；保温60 min后，脱碳程度加剧，其脱碳层的碳含量下降到0.49%左右，脱碳层深度为320.8μm；保温120 min，脱碳更为严重，部分区域的碳含量减少到0.392%，比未脱碳区域的碳含量少了0.184%，脱碳层深度则增加到438.5μm。

图3 不同保温时间下60Si2Mn弹簧的DEFORM－3D仿真脱碳云图

2.2 仿真结果与试验结果对比分析

为了得到更为直观的结果，绘制了脱碳层深度的试验实测结果和DEFORM－3D软件模拟仿真结果随保温时间变化的关系曲线，如图4所示。由图4可见，随着保温加热时间的延长，脱碳层深度都不同程度的增加，而且保温初期的增速较快，然后逐渐减缓，这是由于在脱碳过程中，处于内层的碳原子扩散脱碳要比表层的碳原子困难得多，同时材料的表面氧化也阻碍了碳原子扩散氧化。由图4可以发现，实测值要略小于模拟仿真的结果，这是由于在模拟仿真中假设材料内部是均匀连续的，同时没有考虑周围环境的影响。但是，两者的变化趋势大致相同，因此可以利用DEFORM－3D软件来模拟脱碳过程，减少试验工作量，提高生产效率。

图4 60Si2Mn弹簧的脱碳层深度对比关系曲线

3 结论

1） 60Si2Mn弹簧在保温加热过程中，随着加热时间的延长，脱碳层深度增加，脱碳程度加剧，含碳量减少。初期的脱碳速率较快，随着保温时间的延长，脱碳速率逐渐减缓。

2） DEFORM－3D软件仿真结果与实测值的变化趋势相同，可以利用DEFORM－3D软件来模拟脱碳过程，减少试验工作量，提高生产效率。

3） 可以采用气氛保护热处理或真空热处理工艺，以减小60Si2Mn弹簧在热处理过程中的氧化脱碳倾向。

［1］ 骆发前，吕拴录，李鹤林，等.游车大钩断裂原因分析及预防措施［J］.石油矿场机械，2006，35（4）：77－80.

［2］ 温宏权，向顺华，张永杰，等.60Si2Mn弹簧钢加热温度对表面脱碳的影响［J］.宝钢技术，2008（3）：44－47.

［3］ 刘丽华，丁伟中.60Si2Mn弹簧钢脱碳的研究［J］.热处理，2005，20（3）：6－7.

［4］ 蔡海燕，张忠铧，张 弛.60Si2Mn弹簧钢表面脱碳的研究［J］.金属制品，2005（3）：35－37.

［5］ Lianggang Dai，Rongfa Chen，Xianliang Zhang，Rui Zhu，Tao Liu.The Numerical Simulation of Decarburization of 60Si2CrVA in Heat Treatment by DEFORM－3Dand the Research of Practical Application［J］.Advanced Materials Research，2011，189－193：4207－4211.

［6］ 陈文辉.弹簧钢脱碳研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

Numerical Simulation and Experimental Research of Surface Decarburization of 60Si2Mn Spring

XUE Ming－jin1，CHEN Hai－lin1，WANG Du－xiong2，CAI Guo－sheng2，ZHANG Xian－liang2，CHEN Rong－fa2，WANG Xia3
（1.Gaoyou Huaxing Petroleum Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Gaoyou225600，China；2.College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China；3.Chuanqing Drilling of the International Engineering Company，Chengdu610051，China）

Decarburization is one of the important factors to impact the service life of 60Si2Mn damping spring in the petroleum drilling rig hook.The relation of the surface decarburization with the change of heating time was studied，using the DEFORM－3Dsoftware to simulate the decarburization process of 60Si2Mn damping spring.The results showed that the DEFORM－3Dsimulation results were roughly the same with the experimental results of oxidation and decarburization，both with the heating time extended，the depth of decarburized layer increases，and the decarburization degree aggravates.Furthermore，the initial decarburization rate was rapid，but later the rate slowed down gradually.The experimental results have guide significance to prevent the hook decarburized and improve the service life.

spring；60Si2Mn；decarburization；numerical simulation

1001－3482（2012）08－0047－04

TE923.04

B

2012－03－25

薛明晋（1964－），男，江苏高邮人，工程师，现从事石油机械产品的设计与优化研究工作，E－mail：xmj＠mechhx.com。