Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

ке, дробеструйной обдувке и протяжке. Испытания показали, что наибольшее сопротивление усталостным нагрузкам оказали образцы углеродистой и легированной буровой стали, подвер­ гнутые спиральной обкатке.

Образцы, подвергнутые индукционной закалке, показали на­ половину меньший эффект. Очевидно, по этой причине индук­ ционная закалка буровых штанг не получила в США и Канаде распространения и дальнейшие исследования в этом направле­ нии прекратились.

В СССР исследования, направленные на повышение уста­ лостной прочности буровых штанг методами поверхностного упрочнения, осуществили институты ЦНІІЧМ, НИГРН, а так­ же Серовскип металлургический завод. В ЦНІІЧМ в лабора­ торных условиях испытывались усталостные образцы углеро­ дистой шестигранной буровой стали с поверхностным упрочне­

глубину до 5 мм. [77].

В процессе испытаний выяснилось, что наиболее эффектив­ ными для увеличения выносливости буровой стали являются

дала, т. к. штанги были очень хрупки.

Испытания шестигранных буровых штанг, изготовленных из углеродистой стали У7 и подвергнутых дробеструйной обра­

62

ботке, провел в шахтных условиях институт НІІГРІ-І [77]. Од­ новременно нм испытывались буровые штанги, у которых кону­ са подвергались обкатке роликами. Было установлено, что дол­ говечность тех и других штанг повысилась, по сравнению с не­ упрочненными, в среднем на 35%.

Упрочнение поверхности буровых штанг, изготовленных из

прочности буровых перфораторных штанг проведены институ­ том ВостНИГРИ совместно с Кузнецким машиностроительным заводом и Абаканским железным рудником [78—80]. Было уста­ новлено, что наиболее эффективно долговечность буровых штанг повышается после поверхностного упрочнения индукционной закалкой. При этом оказалось, что весьма важным является правильный выбор режима закалки. Стойкость буровых штанг, изготовленных из стали 55С2 и подвергнутых индукционной за­ калке. в шахтных условиях повысилась в 4—5 раз, по сравне­ нию с обычными, и в 2—3 раза по сравнению со штангами, стержень которых упрочнялся обкаткой роликами [81]. В на­ стоящее время прогрессивный и эффективный способ упрочне­ ния буровых штанг внедрен и освоен па Кузнецком машино­ строительном заводе и продолжает внедряться на друтих пред­ приятиях страны.

§ 7. Явления коррозионной усталости в буровых штатах

Внедрение в горнорудной промышленности бурения шпуров с промывкой значительно изменило условия работы штанг и резко сократило срок их службы. Разрушение штанг сконцент­ рировалось в основном по стержню и конусам, причем разру­ шение стержня на 30—70% стало развиваться от осевого про­ мывочного канала [82]. Увеличение долговечности штанг стало острой проблемой и привлекло внимание ученых и производ­ ственников почти во всех странах.

C целью определения влияния рудничной ВОДЫ HiT стойкость буровых штанг в шахтных и лабораторных условиях в Швеции, Канаде, США и СССР осуществлялось бурение с удалением бурового шламма водой и сжатым воздухом. Испытания пока­ зали, что стойкость штанг при бурении с промывкой, т. е. в коррозионных условиях, оказалась в два раза ниже, чем при бурении с продувкой воздухом. Далиным [82] и Влодеком [193] было обнаружено непрерывное снижение кривых усталости, т. е. имела место ограниченная выносливость буровой стали, ха-

53

растеризуемая тангенсом угла наклона кривой усталости к оси абсцисс. Испытания штанг при бурении с продувкой воздухом, т. е. в «сухик» условиях, напротив, показали наличие постоян­ ного предела усталости. Пытаясь вскрыть причину быстрого усталостного разрушения буровых штанг, Дарби, Симпсон, Кемсли и др. исследовали влияние качества поверхности буровой ста­ ли. Ими установлено, что после горячей прокатки на поверх­ ности буровой стали имеются многочисленные дефекты, после удаления которых шлифовкой стойкость штанг увеличилась в 2 раза.

При объяснении влияния воды на усталостное разрушение буровых штанг привлекалась прежде всего упомянутая выше гипотеза электрокоррозионного роста трещин в металлах, сфор­ мулированная Эвансом [83, 84]. Согласно этой гипотезе, на поверхности штанги или в промывочном отверстии в резуль­ тате механического воздействия или коррозионного процесса возникает небольшое поражение (канавка) в форме местных изъязвлений, катодом которой являются места концентрации напряжений, т. е. дно канавки, а анодом — внешняя поверх­ ность. При эксплуатации штанг, в силу электрохимической ак­ тивности, изъязвления углубляются и превращаются в глубокие трещины. Дальнейшее разрастание трещин под действием кон­ центрации циклических напряжений приводит к разрушению штанги, когда оставшееся сечение не способно выдерживать ударные нагрузки. Электрокоррозионный механизм раскрыл внешнюю картину усталостного разрушения буровых штанг, однако многие явления, связанные с высокой скоростью проте­ кания усталостного процесса, избирательностью развития тре­ щин, защитным влиянием остаточных сжимающих напряжений и другими факторами, не нашли удовлетворительного объяс­ нения. В связи с этим были попытки дать объяснение ударно­ усталостному разрушению штанг с позиций теории адсорбцион- но-электро-химической коррозии [194], разработанной в СССР. Карпенко Г. П. на основе адсорбционно-расклинивающего эф­ фекта Ребиндера П. А. [85, 86]. По указанной гипотезе в период коррозионной усталости наблюдается всегда два процесса: пер­ вичный, заключающийся в адсорбционном образовании микро­ трещин под влиянием ударно-циклических нагрузок, и вторич­ ный, собственно, коррозионный процесс (электрохимическая коррозия) внутри уже образовавшихся трещин. В целях уве­ личения коррозионно-усталостной стойкости буровых штанг многие зарубежные фирмы пошли по пути упрочнения внешней поверхности. Как уже указывалось, за счет создания поверх­ ностных напряжений сжатия дробеструйным наклепом и обкат­ кой роликами частично удалось ликвидировать усталостные' поломки штанг по стержню с внешней поверхности, что в целом способствовало увеличению их долговечности примерно на

54

ванная обработка, заключающаяся в дробеструйном наклепе и оцинковании (рис. 14). Однако, в результате последующих ис­ следований оцинкование, как технологически сложный и мало­ эффективный способ был отвергнут, и дальнейшие исследова­ ния по изысканию антикоррозионной обработки буровых штанг прекратились.

Анализ опубликованной зарубежной н отечественной горно­

недостаточно полной изученности этого явления. В суждении о причинах и механизме, а также скорости коррозионно-усталост­ ного разрушения буровых штанг все еще не преодолены проти­ воречия, которые, безусловно, сдерживают правильное обосно­ вание путей повышения их долговечности. В работах Влодека, Кемсли и др. отмечается необходимость более полного изучения характера связи процессов коррозионно-усталостного разруше­ ния буровой стали с ее механическими свойствами, структурой, качеством поверхности, геометрией и т. д.

56