隨著大量超深井鉆機的研制應(yīng)用，鉆機提升系統(tǒng)載荷越來越大，對絞車剎車系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性要求越來越高。通常絞車剎車系統(tǒng)由主剎車和輔助剎車組成。剎車轂作為鉆機、修井機絞車剎車系統(tǒng)主剎車的關(guān)鍵受力部件，受力狀況惡劣，極易損壞。以帶式水冷剎車為例，在鉆機作業(yè)時，從剎車起到終了這段時間，剎車轂表面溫度可達650℃，在內(nèi)循環(huán)水的作用下，剎車轂溫度迅速降低，如此交替循壞。剎車轂材料在交變熱應(yīng)變的作用下，通過空位聚集形成龜裂紋；同時，在高溫下硬度下降，摩擦副易于互溶，材料的氧化速率加大，從而使得磨損率增加。剎車轂在激冷激熱的工況下工作，主要失效形式是熱疲勞表面龜裂和磨損。
為了適應(yīng)超深井鉆探的要求，針對絞車剎車轂過度磨損和熱疲勞開裂做了大量的工作。一方面，通過工藝革新，改善材料的耐磨損性能，延長剎車轂使用壽命。如在Q345A基體上堆焊一層耐磨材料，提高剎車轂?zāi)湍バ?，或采用鑄造組織代替，通過鍛造獲得更加致密、細小均勻的組織，從而提高材料的耐磨損性能。另一方面，研制新型耐磨材料、復(fù)合材料，如通過在Cr-Mo鋼中添加稀土，改善剎車轂的耐磨損性能和熱強性，提高剎車轂的使用壽命。但堆焊的方式生產(chǎn)效率低，通常只作為剎車轂?zāi)p后的尺寸修復(fù)；鍛造剎車轂需要大型的碾環(huán)設(shè)備，而且需要增加加熱工序，增加了生產(chǎn)成本；Cr-Mo鋼含有貴金屬，增加了材料成本。因此，研制新型低成本、高耐磨的鑄造剎車轂用材料，延長剎車轂使用壽命，極具工程意義。
本文采用的Mn-V合金是由國內(nèi)某石油裝備公司自主研發(fā)的新材料，它具有較好的熱強性、耐磨性，能夠滿足剎車轂惡劣工況的使用要求，自投產(chǎn)以來，取得了良好的經(jīng)濟效益。但是通過作者調(diào)研和油田統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該材料的焊接接頭在長期使用過程中易產(chǎn)生開裂，在一定程度上影響了該材料的應(yīng)用。本文通過對該材料焊接試樣進行分析，以期改善該材料的焊接性能。
實驗試板采用堿性酚醛樹脂砂型鑄造而成。樹脂砂配比為樹脂占1.6%，固化劑占0.4%，其余為砂。砂為新砂舊砂混合使用，新砂和舊砂配比為1:3。鑄件切割冒口后進行1100℃正火處理。正火保溫時間為6h。正火后鑄件毛坯機加工成530mm×180mm×25mm的試板，開60°V型坡口,采用Φ1.2mm的JQ?MG50-6焊絲進行GMAW多層多道焊。焊前試樣預(yù)熱150℃，控制層間溫度不大于300℃，焊后緩冷。
剎車轂用Mn-V鋼焊后接頭存在一定程度的淬硬性，易導(dǎo)致接頭脆性開裂。焊后對接頭進行時效處理，焊接接頭塑韌性得到改善，通過第二相強化和細晶強化，提高了接頭的綜合力學(xué)性能。在500℃時效30min，試樣獲得最佳的力學(xué)性能，屈服強度達到560MPa，抗拉強度達到715MPa。熱影響區(qū)是整個接頭的薄弱環(huán)節(jié)，拉伸試樣均斷裂在焊接接頭熱影響區(qū)。對剎車轂焊后進行時效處理可以改善接頭的塑韌性，時效后接頭由脆性斷裂轉(zhuǎn)為韌性斷裂。時效溫度超過300℃，時效時間為30min時，即體現(xiàn)為塑性斷裂。