螺杆钻具传动轴为什么容易断裂？如何通过高频淬火工艺进行改进？

石油钻机通过钻具（钻杆、岩心管和管接头）将轴向压力传递到钻头，对岩层进行钻探。虽然已经进行了高频淬火工艺进行了热处理，但是钻具除表面与岩壁发生强烈摩擦外，还承受巨大弯曲、扭转应力及冲击应力作用。生产中钻具失效形式多为断裂失效或螺纹磨损变形失效，也有部分钻具因出现管壁裂缝、孔洞及管壁磨损、弯曲过大造成失效破坏。某传动轴是油田钻井设备5LZ224WB型弯壳体螺杆钻具的重要零件，材料选用35CrMo钢。生产中发现，钻具连续工作近30h突发传动轴断裂事故，造成很大损失。

断裂传动轴宏观检验发现，断裂发生于轴截面过渡较大的圆弧处，断口和轴线垂直，基本为平齐状，沿外圆周向内约5mm外分布有放射形快速断裂棱线呈台阶状，未发现缩颈等宏观塑性变形，瞬断区距内孔径约15mm左右，该断口特征属脆性断口。观察断口形貌发现，断口瞬断区表面粗糙，无金属光泽，出现月芽状凹陷和径向法线夹角约为10℃ - 15℃。，该处面积约1000mm2；而瞬断区与内之间区域出现光滑的金属疲劳形貌。断裂传动轴试棒力学性能中显示，低于技术要求值，该传动轴不合格。其金相组织检查发现，其金相组织除回火索氏体外，存在众多宽带状铁素体与少量魏氏组织以及出现明显的枝状晶，并且组织中含有非金属夹杂物。众所周知，魏氏组织是亚共析钢中较严重的非正常组织，危害很大。传动轴件出现魏氏组织，工件冲击韧度明显下降，脆性增大，该魏氏组织和伴生的枝晶状组织使工件塑性和冲击韧度较大下降，同时钢中存在带状铁素体组织和非金属夹杂物缺陷，使工件性能进一步恶化，因而造成工件在外力作用下发生早期脆性断裂失效。

综上所述，传动轴容易断裂的主要原因如下：（1）铸钢件存在粗大枝状晶及带状偏析，组织粗大不均，以及出现魏氏组织缺陷，是传动轴断裂的主要原因。(2)锻造中锻压比不足，基础组织不良，直接影响奥氏体均匀化和调质处理质量，使钢中枝状晶和带状组织形态保留下来，造成工件强度、冲击韧度和塑性明显下降。因而在交变应力作用下，极易产生裂纹并迅速扩展，导致工件产生早期断裂失效。

为防止工件断裂失效，提出高频淬火工艺改进措施如下：(1)铸钢传动轴件在冶炼、轧制中严格执行工艺要求及质量检验，以避免出现晶粒粗大、魏氏组织和枝晶状偏析，以及尽量减少非金属类杂物数量，使钢材获得组织和性能良好的基础组织。(2)合理选择锻造比。锻造可以矫正晶粒粗大、魏氏组织缺陷，并可使枝晶状组织细化成纤维状组织，同时改变钢中夹杂物的分布状态。使用上述组织缺陷对力学性能的危害明显降低和缓解。对于35CrMo钢，锻造比取4 -5 为宜。(3)工件调质处理应严格控制工艺参数，如加热温度、保温时间和冷却速度等，淬火时确保淬火温度和保温时间充分，以得到要求的索氏体组织，保证工件综合力学性能优良。