книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

канале обнаружены значительной протяженности обнаженные участки поверхности металла (рис. 47). Однако основной при­ чиной слабого защитного свойства эмали, нанесенной на необ­ работанную поверхность канала штанг, следует считать разви­

сверлами протяжкой, а также металлоструйной продувкой. Од­ нако, как показали опыты, обработку канала штанг рассверли­ ванием и протяжкой осуществить практически не удается по причине неровности канала по длине и диаметру. Металло'труп­ ная обработка, напротив, дала хорошие результаты. Обработка канала штанг данным способом оказалась значительно проще, производительнее, а главное эффективнее гидроабразивной. По­ мимо обработки канала металлоструйная обдувка позволяет удачно осуществить очистку внешней поверхности штанг и уда­ лить тем самым все грубые концентраторы напряжений.

Лабораторией бурения ВостНИГРИ проведены Исследова­ ния по разработке рациональных режимов металлоабразивной очистки поверхностей заготовок из пустотелой буровой стали. Исследовались режимы очистки и поверхностей заготовок из

отверстия 7 мм. Исследовалась возможность получения макси­ мально возможной чистоты металла прежде всего в промывоч­ ном отверстии заготовок, а затем и во внешней поверхности. Эк­ сперименты осуществлялись на образцах длиной 1,6 и 3,5 м. Обработка производилась на типовом пневматическом металло­

Подвод абразива осуществлялся с одного из концов заготовки с помощью несложного ниппельного устройства с зажимной гай­ кой. Выход его производился с противоположной стороны в приемное устройство, из которого абразив в принципе может быть -использован повторно. Определение чистоты поверхности

приборами МИС-11 и МИИ-4 по существующей шкале. Выяснилось, что металлоабразивная обработка значительно

повышает чистоту поверхности. C внешней поверхности пол­ ностью удаляются: окалина, риски, царапины и т. п. Чистота поверхности достигает 7—8 класса по общепринятой шкале.

130

В поверхности промывочного канала чистота металла достигает­ ся еще выше, в пределах 10—11 классов. Продолжительность обработки в значительной степени зависит от давления сжатого воздуха, обеспечивающего необходимый запас кинетической энергии частиц. Как видно, из графика (рис. 48), уже при обра­ ботке с продолжительностью 1—2 минуты чистота поверхности при давлении сжатого воздуха 3 ати достигает значения шесто­ го класса чистоты.

Установлено, что время обработки промывочного отверстия для достижения степени чистоты в пределах 10—11 класса не превышает 5 минут. При дальнейшем увеличении времени об­ работки в пределах 10 мин. степень чистоты поверхности прак­ тически повышается незначительно. Дальнейшее увеличение чистоты металла возможно, очевидно, только с изменением фрак­ ции абразива.

б ати снижение частоты поверхности менее интенсивно. Разрез­ ка заготовок обработанных при давлении воздуха 3,4 и особен­

длине их до 3,5 м и выше возможно с повышением давления сжатого воздуха.

131

Огромное значение для повышения стойкости и циклической прочности буровых заготовок имеет помимо высокой степени чистоты поверхности еще также и степень наклепа, обусловли­ вающая появление в поверхности после металлоабразивной обработки сжимающих остаточных напряжений.

Наклеп появляется вследствие того, что частица абразива, проходя по живому сечению отверстия вследствие завихрений, осуществляют не только работу среза поверхностной пленки металла, но и ударяют о нее. В этом случае возникает уплотне­ ние поверхности металла, интенсивность которого с учетом большого количества частиц абразива и огромного запаса у них кинетической энергии со временем возрастает [153].

C целью установления наличия напряжений в обрабатывае­ мой поверхности производили металлоабразивную обработку предварительно закаленных пластинок из той же стали разме­ ром 125 X 12×0,5 при аналогичных режимах. Поскольку обработ­ ка поверхности в отверстии производится скользящей струей (угол атаки практически равен нулю) пластинки обрабатывали таким же способом с обеих сторон, с соответствующим замером деформации (стрелы прогиба). Продолжительность обработки пластинок при каждом из трех значений рабочих давлений воз­ духа производилась в течение 2, 4, 6, 8 и 10 мин. Остаточные напряжения определялись по методу Билика Ш. Μ. [153] после замера стрелы прогиба пластинок. Установлено, что металлоаб­ разивная обработка способствует появлению в поверхностных слоях металла остаточных сжимающих напряжений (рис. 50), абсолютная величина которых при подаче абразива в течение 6—8 мин. при давлении сжатого воздуха 6 ати достигает 30—

Металлоабразивная обработка внешней поверхности загото­

производится на подставках, выполненных в виде роликов. При необходимости этот процесс может быть полностью автомати­

зирован. Следует вместе с тем отметить, что приведенные выше

132

2—3 знака, что объясняется неизбежными ударами частиц при угле атаки 90° и появляющейся при этом шероховатости. Вместе с тем степень наклепа и, следовательно, запас остаточных напря­ жений во внешней поверхности заготовок после обработки по­ лучается значительно выше, что очень важно для дополнительно­ го повышения их циклической прочности.

§ 4. Влияние на долговечность штанг некоторых металлур­ гических дефектов, образующихся в процессе их изготовления

Различные концентраторы напряжений, вызванные дефекта­ ми в буровой стали, оказывают существенное влияние на дол­ говечность буровых штанг. В ряде случаев штанги, изготовлен­ ные даже из доброкачественной стали, в результате дефектов, вызванных последующей неудовлетворительной термической, механической и другими видами обработок, оказываются недол­

промышленности, роль и влияние указанных дефектов металла изучена пока недостаточно. Это объясняется, во-первых, слож­ ностью вопроса, обусловленного многообразным и взаимным влиянием дефектов буровых штанг, развивающихся под влия­ нием ударно-циклических нагрузок и коррозионной среды, а, во-вторых, противоречивостью взглядов и суждений на про­ цесс усталостного разрушения штанг. Чтобы существенно, повысить долговечность бурового инструмента и, в частности, буровых перфораторных штанг, следует установить влияние на их ударно-циклическую прочность, в первую очередь, таких распространенных технологических дефектов, как повышенная величина действительного зерна стали и обезуглероживание поверхности.

Исследование указанного вопроса дает возможность на заводах и рудниках регулировать качество поверхности и структуры буровой стали за счет усовершенствования сущест­ вующей технологии бурозаправочных работ в направлении оптимизации режимов нагрева заготовок, их высадки, промежу­ точной и заключительной термообработки. Это, наконец, дало бы ответ на давно назревший вопрос о необходимости введения в существующие технические условия на поставку буровой

133

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