Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

части сечения штанги в состоянии поставки, в сочетании с высокой прочностью закаленной поверхности, является доста­ точной, чтобы обеспечить длительную ее работоспособность. При этом закаленный слой подавляет вредный эффект поверх­

Все же, как показали выполненные институтом ВостНИГРИ и Кузмашзаводом исследования, предварительное улучшение не оказывает существенного влияния на прирост стойкости штанг. Это было подтверждено также испытаниями буровых штанг в шахтных условиях, результаты. которых будут приведены выше. Причиной этого, очевидно, является наличие металлургических дефектов в буровой стали.

Несколько неожиданным оказался результат низкой долго­ вечности буровых штанг, упрочненных дробеструйной обработ­ кой и обкаткой роликами. Как известно, дробеструйным накле­ пом и обкаткой, выполненными по аналогичному режиму, дос­ тигается весьма эффективное упрочнение многих деталей и кон­ струкций в машиностроении. Однако упрочнение буровых штанг дробеструйной обработкой и обкаткой все же желаемого эффекта не оказало. Эффективность данной упрочняющей об­ работки, как видно из результатов усталостных испытаний, оказалась более, чем в 2 раза ниже у штанг, подвергнутых индук­ ционной закалке. При этом, у штанг, подвергнутых дробеструй­ ной обработке, разрушение произошло с упроченной поверхности, хотя казалось бы наличие в поверхностных слоях штанг после упрочнения остаточных напряжений сжатия должно в большин­ стве случаев препятствовать этому. У штанг, подвергнутых индукционной закалке, разрушения с внешней упроченной по­ верхности не наблюдается. Очевидно, значительная разница в эффективности упрочнения штанг деформационным (дробе­ струйная обработка, обкатка роликами) и термическим (индук­ ционная закалка) способами объясняется, с одной стороны, различием структуры поверхностных слоев металла, их проч­ ностью, величиной остаточных напряжений и тем, как реагирует упрочненная поверхность на интенсивные ударно-циклические нагрузки в коррозионной среде. Чтобы ответить на вопрос, почему поверхностное упрочнение штанг термическим способом (индукционная закалка) оказывает более эффективное влияние на долговечность в сравнении с деформационными (дробеструй­ ная обработка, обкатка роликами), осуществляли эксперимен­ тальные исследования, которые проводились в двух направле­

ниях.

100

2. Определение остаточных напряжении в буровых штангах, подвергнутых упрочнению указанными способами.

Результаты сравнительных испытаний образцов буровой стали, подвергнутых индукционной поверхностной закалке, па ударную вязкость представлены графиком (рис. 33).

а при более высокой глубине закаленного слоя прочность за­ метно падает. Значительно уменьшаются также характеристики

повышается в среднем на 25—30%, однако при глубине закалки 2 и 3 мм ударная вязкость образцов резко падает и оказы­ вается ниже, чем у незакаленных образцов. Испытание нестан­ дартных образцов без надреза показали, что с глубиной зака­ ленного слоя ударная вязкость также несколько повышается, а при глубине закаленного слоя 1 мм и выше наблюдается ее сни­ жение. Однако падение ударной вязкости в атом случае менее интенсивно, чем у образцов с прорезью, что является резуль­ татом отсутствия концентратора напряжения в образце, каким является прорезь. В целом, как видно из результатов испыта­ ний, работа, затрачиваемая на разрушение стандартного образ­

можно объяснить положительным влиянием закаленного слоя,

гибе, т. е. стрела прогиба, как это видно из графика, заметно уменьшается.

101

Таким образдм, из всех результатов испытаний образцов, подвергнутых поверхностной индукционной закалке, можно сде­

теристик стали. Все образцы разрушались аналогично образ­ цам буровой стали без какого-либо поверхностного упрочнения. Объясняется это, по-видимому, тем, что. упрочненный дробе­ струйным наклепом поверхностный слой, имеющий очень незна­ чительную толщину в пределах 0,1—0,2 мм, не оказывает суще­ ственного сопротивления растягивающим нагрузкам при стати­ ческом растяжении образцов в процессе испытаний на разрыв. Эти результаты подтверждают и хорошо согласуются с выво­ дами некоторых работ [32], касающихся исследования влияния наклепа на механические свойства конструкционных сталей.

Распределение остаточных суммарных напряжений для бу­ ровых штанг, подвергнутых поверхностному упрочнению индук­ ционной закалкой, дробеструйным наклепом и обкаткой, по-

102

казано на рис. 35. Как видно из графика, тангенциальные остаточные сжимающие напряжения, оказывающие домини­ рующеевлияние на стойкость штанг, у закаленных с поверх­ ности ТВЧ, оказались в среднем в 1,5—-2 раза выше по сравне­ нию со штангами, подвергнутыми дробеструйному наклепу ч обкатке роликами. В то же время характер распределения нап­

промывочном отверстии достигают осевые растягивающие нап­ ряжения у поверхности стенок, в то время, как радиальные рас­ тягивающие напряжения по величине в 1,5—2 раза меньше.

Повышенное значение осевой составляющей растягивающих, напряжений, по-видимому, следует объяснить неравномерностью упрочнения поверхности штанги, ввиду ее шестигранной внеш­ ней формы и наличием отверстия по оси, расположенного часто не по центру. Подобные явления в характере распределе­ ния остаточных напряжений у некоторых разногабаритных по

Как видно из данного рисунка, для штанг с размером шестигран­ ника 25 мм при глубине закаленного сло’я 1 —1,5 мм остатсчные суммарные сжимающие напряжения в поверхности штанг дос­ тигают величины 70 кг/мм.2 Увеличение глубины закаленного слоя изменяет количественную и качественную картину. Это выра­ жается в том, ч-то остаточные сжимающие напряжения в по­ верхности по величине падают, а растягивающие напряжения,

36 б, с повышением глубины закаленного слоя переходная зона C пониженной твердостью увеличивается по сечению и тем бо­ лее, чем толще слой закалки.

Величина переходной зоны в образцах штанг существенно изменяется при нагреве с различной частотой тока (нагрев от машинного или лампового возбудителя). Как видно из рисунка 36, при нагреве образцов буровой стали с различной частотой тока на одну и ту же глубину ширина переходной зоны закалки практически одинакова только при нагреве до 1 мм, а при. даль-

103

Влияние глубины закалки на остаточные напряже­ ния в штанге, закаленной ТВЧ.

а — Распределение оста­ точных поверхност­ ных (сжимающих) и внутренних (растя­ гивающих) напряже­ ний по сечению зака­ ленной ТВЧ буровой стали в зависимости от глубины закален­ ного слоя.

б — Изменение твердости по сечению буровых штанг, закаленных на различную глуби­ ну в зависимости от типа высокочастотно­ го генератора;

1 — ламповый генератор ГЗ-67;

2 — машинный генератор МГЗ-102М.

нейшем увеличении слоя закалки разница в ширине переходной зоны в структуре становится существенной. Зона действия сжи­ мающих напряжений при этом расширяется с одновременным

напряжений, следует сделать заключение, что в буровых штан­ гах, упрочненных с поверхности индукционной закалкой, оста­ точные поверхностные напряжения сжатия значительно выше, чем у штанг, упрочненных дробеструйной обдувкой и обкаткой роликами. Увеличение «резкости» индукционной закалки благо­ приятно сказывается на характере распределения остаточных

необходимо выбирать такой режим индукционного нагрева и за­

чтобы частота генератора ТВЧ обеспечила глубину проникно­ вения вихревых токов в поверхность штанги, равную заданной толщине закаленного слоя. Следовательно, для индукционной

104