Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

стали пунктов, регламентирующих ее качество и чистоту поверх­ ности.

буровых штанг, а также условий появления в металле указан­ ных дефектов при различных температурных режимах нагрева, осуществлялись специальные исследования. Эти исследования проводились в трех направлениях.

1.Анализ поверхности и структуры буровой стали в состоя­ нии поставки.

2.Определение влияния величины действительного аустенит­

ного зерна буровой стали и степени обезуглероживания поверх­ ности на циклическую прочность буровых штанг.

3. Определение влияния существующих режимов и способов нагрева заготовок штанг на качество поверхности металла и его структуру.

Буровая сталь в настоящее время поставляется па рудоре­ монтные заводы и рудники в виде заготовок (прутков) -с попе­ речным сечением шестигранника 22—25 мм и длиной 4—5 м. Для определения степени обезуглероживания поверхности пос­ тавляемого бурового проката и оценки величины действительно­ го зерна стали, а также склонности его к росту при различных режимах нагрева заготовок осуществляли выборочный метал­ лографический анализ около 100 плавок буровой стали. Для этого поставляемые прутки по мере изготовления из них штанг разрезались на 5—6 частей, от каждой из которых затем отре­ зался поперечный темплет толщиной 5 мм. Обезуглероженные

аммонийной меди. Действительная величина аустенитного зерна стали определялась травлением поверхности шлифов при ком­ натной температуре в насыщенном водном растворе пикриновой кислоты с синталом (ГОСТ 5639-65, методика определения величины зерна в стали). Склонность аустенитного зерна стали к росту (природное зерно) определялась методом окисления поверхности шлифа при температуре 930°C (на части шлифов наследственное аустенитное зерно стали определялось методом цементации).

Металлографический анализ поставляемой буровой стали показал, что во многих прутках, как на внешней поверхности, так и в промывочном канале обнаружены непрерывные слои обезуглероживания (рис. 51). Глубина обезуглероженных по­

рис. 52 представлена структура обезуглероженных слоев внеш­ ней поверхности и промывочного канала стали. Из рисунка видно, что степень обезуглероживания поверхности значительна

134

и особенно велика в промывочном канале. Практически в поверх­ ностных слоях металла обезуглероживание поверхности проис­ ходит до появления сплошного ферритного слоя.

Одним из широко распространенных дефектов бурового проката, как показали исследования стали, являются продоль­ ные, в ряде случаев, скрытые под слоем окалины трещины нитевидной формы. При шлифовке внешней поверхности прутков по граням обнаруживаются волосовины и продольные макротре­ щины длиной 2—3 мм (рис. 53). На некоторых прутках продоль­ ные трещины располагаются по всей длине со сквозным выходом на поверхность промывочного канала.

135

Наиболее массовым дефектом, промывочного капала буровой стали, образующимся в процессе прокатки, является также искажение его формы и отклонение от осевого направления вдоль прутков. Это было обнаружено при массовом осмотре большого количества партий (плавок) товарной буровой стали (рис. 54) путем выборочной разрезки их в поперечном направ-

P и с. 54. Неудовлетворительная геометрия сечения буровой стали в состоянии поставки.

136

Р е з у л ь т а т ы с р а в н и т е л ь н о й с т о й к о с т и ш т а н г , и з го т о в л е н н ы х и з б у р о в о й с т а л и с р а з л и ч н о й в е л и ч и н о й д е й с т в и т е л ь н о го з е р н а

137

Ленин.'Искажение геометрии промывочного отверстия, смещение его в сторону от центра симметрии резко ухудшает условие передачи ударного импульса по штанге. Это сказывается прежде всего в том, что перегружаются отдельные участки сечения штанги вследствие неравномерного распределения напряжений, а также возникает опасность срезания водопадающей (промы­ вочной) трубки перфоратора, которая входит в канал, штанги со стороны хвостовика. Такая штанга вообще оказывается ие пригодной к эксплуатации.

При металлографическом’ исследовании разрушенных эле­ ментов, деталей и узлов горных машин установлено, что часто Oiiii имели крупнозернистую структуру-. Это отмечается в рабо­ тах Топорова Г. В., Смокотина Г. Я., Тененбаума Μ. Μ. [104,’ 154] и др. Вместе с тем отсутствуют данные о влиянии размера дей­ ствительного зерна стали на долговечность буровых штанг. В связи с этим возникла необходимость установления зависимости между размером зерна буровой стали и сопротивлением штанг усталостному разрушению при ударно-циклическом нагружении.

На усталость испытывались две партии буровых штанг с размером действительного аустенитного зерна 1—2 и 3—4 бал­ лов (рис. 55). Крѵннозернистость стали, из которой изготавли­ вались опытные партии буровых штанг, в указанных пределах достигалась после их высадки отжигом при температурах 1100-- 1200° и 900°—950°. Долговечность указанных партий штанг сравнивалась с аналогичными штангами третьей партии, изго­ товленными из стали с величиной зерна 6—8 баллов. Вместе со штангами при этих же режимах отжига обрабатывались образ-

138

Изменение ударной вяз­ кости буровой стали с увеличением действитель­ ного аустенитного зерна.

цы-свидетели для определения влияния размера зерна на удар­ ную вязкость. Штанги обеих партии подвергались, с целью повышения циклической, прочности и ликвидации преждевремен­ ного разрушения, поверхностной индукционной закалке на глубину 1,2—1,5 мм. Результаты сравнительных ударно-устало­ стных испытании опытных партий буровых штанг приведены в таблице 7 и представлены графиком на рис. 56. Из приведенных данных видно, что величина действительного аустенитного зерна стали оказывает существенное влияние на долговечность буро­ вых штанг.

Сопротивление штанг ударно-усталостному разрушению оказалось тем ниже, чем больше размер зерна стали. Во всех изломах штанг, которые произошли в основном в зоне хвостови­ ка, обнаружена крупнозернистая кристаллическая структура. Развитие усталостных трещин произошло с внешней поверхно­ сти, где также обнаружено и значительное обезуглероживание металла. Определение влияния величины зерна буровой стали на ударную вязкость осуществлялось копровыми испытаниями (копёр MK-15) образцов Менаже. Результаты определения ударной вязкости приведены на графике рис. 57.

Как видно из графика, величина ударной вязкости с ростом зерна стали резко падает.

При нагреве заготовок буровой стали для высадки бурти­ ка и закалки хвостовиков на рудниках повсеместно применяют­ ся пламенные печи различной конструкции с применением высо­ кокалорийных топлив. Чаще всего применяются очковые нефтя­ ные и салярные горны, а также кузнечные печи. Применение такого оборудования для нагрева перед ковкой (высадкой) и термообработкой штанг значительно способствует снижению их долговечности. В процессе нагрева буровой стали для высадки или закалки в пламенной печи аустенитное зерно достигает больших размеров из-за сильного перегрева. Анализ структуры буровых штанг, взятых на нескольких рудниках, показал, что после высадки зерно в стали колеблется в пределах 1—3 балла.

В стремлении улучшить технологию бурозаправочных работ на рудниках производственники наталкиваются на трудности, связанные с назначением оптимальных режимов ковки и тер-

139

мообработки буровой-стали. Частично имеет значение и то, что в опубликованных за последние годы работах почти не уделяет­ ся внимания технологическим вопросам бурозаправочного производства. В связи с этим нами проведено исследование по оптимизации режимов нагрева хвостовиков буровых штанг для

МГЗ-108. Нагрев хвостовиков штанг - осуществлялся, согласно технологии высадки, на длину 250 мм от торца до температуры ковки 1100—1180°. После нагрева до заданной температуры и соответствующей выдержки штанги разрезались на темплеты, из которых приготавливались шлифы для металлографического анализа. Размер аустенитного зерна стали и степень обезугле­

ных устройствах оказал заметное влияние на зернистость стали

сколько меньше в кузнечной печи.

У образцов штанг, нагреваемых в индукторе высокочастот­ ной установки,. заметного обезуглероживания поверхности ме­ талла не обнаружено вследствие незначительного времени

140