Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок
The technology of producing the sparsely-alloyed steels capable to quenching at a delayed cooling, has been developed on the basis of electroslag crucible melting of used drill bits. The new steels were tested in the production of cast bodies of drill bits.
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20907 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок / А.Г. Богаченко, Ю.П. Линенко-Мельников, В.И. Мельник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 69-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860036078198587392 |
|---|---|
| author | Богаченко, А.Г. Линенко-Мельников, Ю.П. Мельник, В.И. |
| author_facet | Богаченко, А.Г. Линенко-Мельников, Ю.П. Мельник, В.И. |
| citation_txt | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок / А.Г. Богаченко, Ю.П. Линенко-Мельников, В.И. Мельник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 69-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The technology of producing the sparsely-alloyed steels capable to quenching at a delayed cooling, has been developed on the basis of electroslag crucible melting of used drill bits. The new steels were tested in the production of cast bodies of drill bits.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:53:44Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
69
Статистичний аналіз геометричних параметрів відірваного елемента
Діаметр нижньої підстави, мм Гірська
порода
Гідростати-
чний тиск,
МПа експеримен-
тальний аналітичний
Середньо
квадратичне
відхилення,
мм
Похибка
%
0,1 41,3 39,7 4,9 12,5
1 37,0 38,5 1,9 5,0
10 36,1 36,4 4,0 11,1
Вапняк
40 33,5 36,7 2,9 7,9
0 50,2 53,5 5,4 10,1
1 62,2 53,2 4,3 8,2
10 47,3 47,6 1,7 3,5
Мармур
40 41,7 43,3 2,9 6,6
0 54,0 68,2 6,8 10,0
1 54,0 53,7 6,1 11,3
10 46,1 45,1 3,1 6,9
Граніт
40 58,7 58,5 5,3 9,0
Таким чином, за геометричнимипараметрами відірваного елемента, розрахованими за
формулою (8) можна визначити критичне нормальне і дотичне напруження, що виникли в
гірській породі при руйнуванні. Крім того за рівняннями (8) можна розрахувати геометричні
параметри елемента за будь якого співвідношення нормальних та дотичних напружень.
Література.
1. Деякі закономірності руйнування гірських порід / Н.А.Дудля, А.В.Пащенко,
А.А.Пащенко // Науковій вісник НГАУ. – 1998 – №2. – С.81 – 85.
2. Тимошенко С.П. Курс теорії пружності.– К.:Наукова думка, 1972.– 501с.
Надійшла 09.06.09
УДК 621.785.4: 622.24.051
А. Г. Богаченко1, д-р техн. наук; Ю. П. Линенко-Мельников2, канд. техн. наук,
В. И. Мельник3
1 Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, г. Киев
2 Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
3 ЗАО «Ремдизель», г. Киев, Украина
НОВЫЕ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЕ ЛИТЫЕ СТАЛИ
ДЛЯ КОРПУСОВ БУРОВЫХ КОРОНОК
The technology of producing the sparsely-alloyed steels capable to quenching at a delayed
cooling, has been developed on the basis of electroslag crucible melting of used drill bits. The new
steels were tested in the production of cast bodies of drill bits.
Украина входит в десятку первых стран мира по запасам геологических богатств и
объемы проходческих, добычных, строительных, аварийно-спасательных и смежных работ в
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
70
нашей стране были и остаются очень большими. Поэтому в Украине годовое потребление
буровых коронок различной конструкции и различного назначения составляет сотни тысяч
штук. При этом с течением времени четко действует правило: глубже, дальше и больше. Ука-
занные факторы обусловливают непрерывный рост требований к эксплуатационным харак-
теристикам буровых коронок при постоянном повышении цен на материалы для их изготов-
ления.
Украинские и зарубежные специалисты активно вели и ведут работы по улучшению
эксплуатационных характеристик буровых коронок. В основном, это новые методы разру-
шения горных пород, повышение качества твердосплавных вставок, их рациональное ис-
пользование, оптимизация конструкции коронки, корпуса и т. п. Однако, недостаточно вни-
мания уделяется разработке новых, в том числе экономнолегированных высококачественных
сталей для корпусов коронок. Имеется ввиду, что корпус является не только несущей, но и
работающей конструкцией. Это приобретает особую важность потому, что с увеличением
глубины повышается крепость пород, значительно возрастает удельная нагрузка на корпус
при использовании гидроударников и т. п.
Краткий анализ производства буровых коронок показывает следующее. Существует
два способа соединения вставок со стальным корпусом – запрессовка и пайка. В Украине в
основном используется пайка. Для коронок типа КНТУ применяются сталь 35ХГСА, припой
Л63 и вставки типа В20 (фирмы «Веtеk» с 10 % кобальта). Технология пайки предусматри-
вает следующее обязательное условие – одновременный нагрев (до 900 − 960 оС) и изотер-
мическую закалку в расплаве щелочи или селитры при температуре 260 −300 оС трех резко
отличающихся металлических материалов, объединенных в систему «стальной корпус −
вставки − припой».
Изотермическая закалка в щелочной ванне необходима для придания высоких проч-
ностных, вязкостных, пластических свойств и твердости корпусу из стали 35ХГСА (НRС =
42 − 47 в головной части и НRС = 45 − 50 − в хвостовой). Щелочь относится к жестким ох-
лаждающим средам, не изменяющим своего агрегатного состояния. Поэтому самая большая
скорость охлаждения имеет место при очень высокой температуре вставок − ~750 − 770 оС
(рис.1) [1].
Рис. 1. Скорость охлаждения в различных закалочных средах [1], где:-- ·-- ·--·-- − расплав
солей при 160 оС, 210 оС, 260 оС и 310 оС ; _______ 1 − минеральное масло;_ _ _ _ _ 2 −
обдув воздухом под давлением, 3 − без давления
Это обстоятельство предопределяет главный недостаток технологии пайки − при рез-
ком охлаждении (тепловом ударе) из-за низкой теплопроводности вставок в них формирует-
ся сложнонапряженное состояние, обусловленное, во-первых, непосредственным контактом
верхней части вставок со щелочью, во-вторых, тем, что цилиндрическая часть вставок за-
щищена стальным корпусом и, следовательно, остывает значительно медленнее. Вследствие
действия указанных напряжений циклическая прочность вставок может снижаться в не-
сколько раз [2]. Отсюда следует, что для максимального сохранения исходного качества
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
71
вставок коронку после пайки следует охлаждать медленно (например, на воздухе или в более
мягкой по сравнению со щелочью среде, например, в масле). Однако сталь 35ХГСА на воз-
духе не закаливается. При охлаждении в масле (более мягкой среде с изменяющимся агре-
гатным состоянием) невозможно обеспечить изотермическую выдержку и, следовательно,
требуемую вязкость и пластичность стали 35ХГСА при указанной твердости, хотя напряже-
ния во вставках будут ниже. Более того, в лезвийных вставках, спаянных с корпусом из стали
35ХГСА, при охлаждении на воздухе развиваются вредные напряжения растяжения. Только
при более быстром охлаждении (в масле, тем более в щелочи) во вставках формируются
напряжения сжатия (рис. 2) [2]. Изложенное в равной мере относится к углеродистым и низ-
колегированным сталям, используемым для изготовления корпусов коронок (табл. 1).
Как известно, способностью к закалке на воздухе обладают легированные стали мар-
тенситного класса (см. табл. 1). Также важно, что в лезвийных вставках, спаянных с корпу-
сами из мартенситных сталей, независимо от скорости охлаждения всегда образуются полез-
ные напряжения сжатия (рис. 3) [2]. Таким образом, использование мартенситных сталей для
изготовления корпусов бурового инструмента полностью оправдано, но эти стали значи-
тельно дороже стали 35ХГСА. Этим в основном объясняется то, что мартенситные стали в
Украине практически не используются.
Рис. 2. Зависимости напряжений в поверхностном слое вставки, возникающих в процессе
пайки со сталями 45ХН (1) и 35ХГСА (2,) от скорости охлаждения [2]
Таблица 1. Стали для корпусов буровых коронок
№
п/п Марка стали Источник
или потребитель Среда закалки
Ориентировочная
стоимость 1 т, грн.
(апрель 2009г.)
1 У8 [4] 9,0
2 40 − 45ХН
ОАО «Кыштымское ма-
шиностроительное объе-
динение», Россия
Масло, вода 16,0
3 35ХГСА Укрмашпром
Щелочь с изо-
термической
выдержкой при
температуре 300
оС
8,5
4 18Х2Н4В(М)А ГОСТ 6086-75 24
5 20 − 25ХН3МА «Сталь-трест», Россия 21
6 20Х2Н4А ГОСТ6086-75
Воздух, масло
20,5
7 45ХНМФА [2] 19
8 35Х2ГСМА [2] 17,5
9 38ХН3МФА ГОСТ 6086-75 23
10 38ХН3ВА [2]
Воздух, масло
21
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
72
Рис. 3. Зависимости напряжений в поверхностном слое вставки, возникающих в процессе
пайки со сталями 45ХНМФА (1), 38ХН3ВА (2) и 18Х2Н4ВА (3), от скорости охлаждения [2]
Цель настоящей работы явилась разработка новых экономнолегированных, высоко-
качественных и недорогих сталей мартенситного класса, обеспечивающих высокие эксплуа-
тационные и экономические показатели буровых коронок.
Анализ работы корпуса буровой коронки показывает следующее. В процессе бурения
коронка совершает до 1200 ударов по породе, совершая при этом 40 − 120 оборотов в мину-
ту.
В таких очень жестких условиях на корпус одновременно действуют несколько сил
(рис. 4): осевые динамические (I), кручения (II) и изгиба (III), обусловливающие образование
в корпусе сложных напряжений, которые суммируются с остаточными паяльными напряже-
ниями в головной части коронки (IV) и напряжениями, обусловленными неоднородностью
структуры и свойств по сечению и длине корпуса в результате термической обработки с бы-
стрым охлаждением (V). В процессе бурения корпус постоянно контактирует
со стенками шпура и частицами разрушенной породы, вследствие чего периферийные встав-
ки и корпус в этих местах интенсивно изнашиваются. При образовании на вставках и корпу-
се обратного конуса (зона А на рис. 4) коронку заклинивает и корпус испытывает макси-
мальный крутящий момент, что в предельном случае, приводит к разрушению корпуса в го-
ловной части либо в месте перехода головной части в хвостовую.
Рис. 4. Силы, действующие на корпус коронки при бурении
Таким образом, корпус должен отвечать следующим основным требованиям.
1. Длительно выдерживать знакопеременную циклическую нагрузку при прохожде-
нии через корпус основной ударной волны от перфоратора и пульсирующей волны, отра-
женной от породы.
2. Обеспечивать надежное удержание вставок, иметь высокую износостойкость и вы-
сокие упругие свойства для передачи энергии удара в породу с минимальными потерями и
демпфирования волны, отраженной от породы.
3. Иметь высокую изотропность (однородность) всех свойств корпуса.
4. Иметь высокую прочность при действии изгибающих и крутящих усилий.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
73
5. Иметь высокую прочность и твердость хвостовой части для восприятия ударов бой-
ка и передачи крутящего усилия через байонетное соединение.
6. Иметь высокую конструктивную прочность или способность противостоять дейст-
вию концентраторов напряжений в виде отверстий для воды, пазов, проточек, подрезов при
механической обработке и т. п..
Другими словами, корпус должен обладать высоким сопротивлением усталости (или
выносливостью), что в сочетании с высококачественными вставками служит залогом высо-
ких эксплуатационных характеристик буровой коронки.
Таким требованиям отвечают только легированные конструкционные, инструмен-
тальные и другие специальные стали (подобные указанным в табл. 1). Кроме того, стали для
корпусов коронок должны обладать способностью к закалке при медленном охлаждении и
иметь при этом высокую прочность и твердость при высокой вязкости и пластичности. Такое
сочетание механических и специальных свойств может обеспечить только металл, обладаю-
щий высоким металлургическим качеством, которое обеспечивают внепечная обработка и
особенно переплавные процессы (низкое содержание неметаллических включений, цветных
и вредных примесей, газов, плотная макроструктура, физическая, химическая, структурная
однородность и т. п.) по сравнению со сталями обычного качества (обычной выплавки).
Роль металлургического качества стали для корпусов буровых коронок описана в ра-
боте [3]. Для корпусов были использованы серийная сталь 35ХГСА, легированная 20Х2Н4А
и опытная 35ХГСА, обработанная в процессе выплавки синтетическим шлаком (СШ). Было
изготовлено и испытано 20 тысяч коронок трех типов.
Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Было установлено следующее:
‒ наработка на отказ у коронок из стали 35ХГСА СШ увеличилась до 33 %;
‒ стойкость коронок из стали 35ХГСА СШ практически такая же, как и у коронок из ле-
гированной мартенситной стали 20Х2Н4А;
‒ у коронок из стали 35ХГСА СШ отказы по вставкам уменьшились до 3 раз по сравне-
нию с коронками из стали 35ХГСА и в 2 раза – по сравнению с коронками из стали
20Х2Н4А.
Таблица 2. Промышленные испытания коронок из стали разных марок [3]
Отказы, % Наработка
Условия экс-
плуатации
Тип
коронки
Материал
корпуса
Количество
испытан-
ных коро-
нок,
шт.
твердого
сплава
кор-
пуса м %
ш. Слепая;
ПР-25;
0,55 МПа;
f = 14-16
КДП40 35ХГСА
35ХГСА СШ
32
40
35
24
−
−
18,4
24,6
100
133
ДГМК, ПР-30
0,5 МПа;
f = 14-16
КТШ36 35ХГСА
35ХГСА CШ
20Х2Н4А
10
30
20
30
−
15
−
3
5
25,2
29,5
29,7
100
117
118
р. Высокогор-
ный;
ПК-30К;
0,5 МПа;
f = 14
КТШ40 35ХГСА
35ХГСА СШ
10
10
30
10
10
10
10,0
11,0
100
110
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
74
Стали, отработанные СШ, от-
носятся к качественным, обладающим
отмеченными ранее свойствами. Ка-
чественная сталь менее склонна к
микропластическим деформациям,
приводящим к преждевременному
зарождению и развитию усталостных
трещин. Вследствие этого корпус из
стали 35ХГСА СШ имеет высокие
упругие и демпфирующие свойства,
что, по-нашему мнению, способство-
вало уменьшению отказов по твердо-
му сплаву в 2 − 3 раза. Современная
металлургия имеет десятки более эф-
фективных способов внепечной обра-
ботки жидкой стали, чем СШ, что
позволяет в условиях массового про-
изводства получать стали достаточно
высокого качества [4]. Однако для
получения сталей наивысшего каче-
ства используют только переплавные
процессы, в частности, самый распро-
страненный в промышленно развитых
странах электрошлаковый переплав (ЭШП). Во многих публикациях однозначно показано,
что ЭШП обеспечивает очень высокое качество конструкционных, инструментальных, жа-
ропрочных, шарикоподшипниковых и других сталей и сплавов, что позволяет успешно ис-
пользовать электрошлаковый металл как в деформированном, так и литом состоянии.
Основные технологические преимущества литого металла по сравнению с деформи-
рованным – отсутствие нагрева заготовки перед деформацией и отсутствие самой деформа-
ции (ковка, прокатка, прессование). Литьем получают заготовки сложной конфигурации,
близкой к конечным размерам изделия, что обусловливает небольшой объем механической
обработки. Эти обстоятельства, в свою очередь, обусловливают экономические преимуще-
ства литья.
На основе ЭШП разработаны и широко внедрены в промышленности электрошлако-
вое литье (ЭШЛ), электрошлаковое кокильное (ЭКЛ) и центробежное литье (ЦЭШЛ) и неко-
торые другие технологии, предназначенные для решения конкретных задач производства и
позволяющие получать высококачественные слитки и отливки массой от нескольких кило-
граммов до многих десятков тонн. На рис. 5 приведены сравнительные данные по механиче-
ским свойствам литых образцов металла ЭКЛ и поперечных образцов из деформированного
металла типичных углеродистых и легированных сталей [5]. Из этих данных следует, что
литой электрошлаковый металл равноценен кованому металлу открытой выплавки. В усло-
виях эксплуатации изделия из литого электрошлакового металла, как правило, превосходят
такие же изделия из металла открытой выплавки благодаря высокой изотропности (0,9 −
0,95) свойств литого электрошлакового металла. Именно эта особенность была использована
при выборе технологии ЭКЛ для производства литых заготовок корпусов для буровых коро-
нок. В опытном варианте эта технология была реализована на установке УШ-159 для литья
заготовок корпусов коронок КНТУ-110 (рис. 6). Технология предусматривает переплав рас-
ходуемого электрода (1), который предварительно готовится путем сварки отработавших или
забракованных буровых коронок, кусковой обрези и других отходов.
Рис. 5. Механические свойства сталей
18Х2Н4ВА (а), Ст 20 (б), 0Х18Н10Т (в) и
4Х4М2ВФС (г), полученных различными мето-
дами: 1 − ТУ на кованый металл; 2 − литье в
землю; 3 − литье в кокиль; 4 − литье в кокиль со
шлаком; 5 − ЭКЛ; 6 − литой металл ЭШП; 7 −
прокат открытой выплавки (поперечные образ-
цы)
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
75
Электрод закрепляется в держателе и, перемещается по колонне (2) по мере сплавле-
ния согласно специальному электрическому режиму. Переплав электрода осуществляется в
футерованном огнеупорном тигле (3). После полного сплавления электрода и накопления в
тигле 40 − 45 кг жидкого металла из зоны тигля выводится огарок электрода и на фланце
тигля крепится четырехместный стальной неохлаждаемый кокиль. Затем тигель переворачи-
вается на 180о. Металл и шлак сливаются в кокиль, где происходит их разделение и кристал-
лизация стали под слоем шлака в течение 15 − 17 мин. Через указанное время тигель возвра-
щается в исходное положение, кокиль снимается и из него извлекаются четыре заготовки
корпусов (рис. 7). В дальнейшем эти заготовки используют только в литом состоянии. Как
отмечалось, расходуемый электрод набирается из шихты, состоящей из бывших в употреб-
лении или забракованных в процессе производства буровых коронок, корпусов или отходов
требуемого химического состава (обрезь, стружка и пр.).
Рис. 6. Фрагмент электрошлаковой плавки
расходуемого электрода из отработавших
буровых коронок на установке УШ-159
Рис. 7. Литые заготовки корпусов коро-
нок после извлечения из четырехместно-
го кокиля
Путем подбора исходного материала для расходуемого электрода можно реализовать
на установке УШ-159 два основных варианта выплавки и разливки сталей.
1. Переплав электрода, составленного из шихты, не содержащей твердосплавных
вставок. При этом можно использовать любые отходы производства и получать литые кор-
пуса из сталей 35ХГСА, 45ХН, 38ХН3МФА и др., которые используются для производства
серийных буровых коронок.
2. Переплав электрода, составленного из шихты, содержащей твердосплавные встав-
ки. Эта технология позволила получить экономнолегированные вольфрамом инструменталь-
ные стали, способные к закалке на воздухе. Обычно под экономным легированием подразу-
мевают замену дорогостоящих элементов более доступными и дешевыми, (например, нике-
ля марганцем или азотом). Технология ЭКЛ позволяет осуществить экономное легирование
стали вольфрамом путем разложения при высокой температуре бывших в употреблении
твердосплавных вставок.
Известно, что твердосплавные вставки изготовляют методом спекания порошков кар-
бида вольфрама (WC) и кобальта при температуре 1320−1480 оС [6]. Содержание кобальта в
наиболее распространенных твердых сплавах − 6−15 %. Ориентировочная температура плав-
ления кобальтовой фазы −1350 оС. Рассмотрим температурные условия в основных зонах
при электрошлаковой тигельной плавке (рис. 8). В зависимости от состава флюса, мощности,
выделяемой в шлаке при плавке, и геометрических параметров тигля температура в этих зо-
нах может составлять:
в нижней части расходуемого электрода (1) (зона предплавления вблизи шлаковой
ванны) − 1120−1150 оС;
в шлаковой ванне (2) − 1800−2000 оС;
в металлической ванне (3) − 1550−1600 оС.
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
76
Твердосплавные вставки, как составляющие расходуемого электрода, проходят те же стадии
нагрева и плавления, что и электрод. При входе в шлаковую ванну начинается плавление
электродного металла и кобальтовой фазы.
Жидкая кобальтовая фаза и частицы WC
попадают сначала в жидкую пленку электрод-
ного металла, затем в образующиеся из пленки
капли, перегреваются на этой стадии с темпе-
ратуры ~1550 оС до 1580−1600 оС и после этого
попадают в металлическую ванну. После пере-
плава всего электрода со вставками металличе-
скую ванну перемешивают и металл сливают
вместе со шлаком в кокиль.
Химический состав отливок.
Общая продолжительность переплава
электрода массой 45 кг составляет 40−45 мин.
Высокие температуры воздействуют на вставку
(в шлаковой и металлической ваннах) в течение
15−30 мин в зависимости от конструкции элек-
трода. Практические данные подтверждают,
что этого времени достаточно для полного рас-
творения вставки в металлической ванне на
составляющие: WC, W, С, Co и Cu (Zn выгора-
ет из припоя полностью еще на стадии пред-
плавления). Усредненные по девяти серийным
плавкам результаты химических анализов ли-
тых корпусов из стали типа 45ХГСВ0.9 ЭКЛ,
полученных переплавом бывших в употребле-
нии коронок из стали 35ХГСА со вставками
приведены в табл. 3.
Обращает внимание равномерное распределение всех легирующих элементов по вы-
соте корпуса, а также традиционно низкое для металла ЭКЛ содержание серы. Установлено
также, что угар вольфрама и кобальта составляет 4−6 %.
Таблица 3. Химический состав стали 45ХГСВ0.9 ЭКЛ
Содержание
№ Место
отбора
проб C Si Mn Cr Al W Co Cu S P
1 Верх 0,455 1,09 0,865 1,025 0,022 0,935 0,100 0,11 0,004 0,014
2 Низ 0,456 1,07 0,86 1,020 0,022 0,90 0,0955 0,11 0,004 0,014
Макроструктура.
В результате исследования вертикального темплета была выявлена периферийная зо-
на шириной 8−10 мм из разориентированных мелких кристаллов по всему контуру. Зона
столбчатых кристаллов составляет около 33 мм, зона равноосных кристаллов − 25−27 мм,
высотой около 40 мм только в головной части отливки.
Трещин, пор и шлаковых включений не обнаружено. Вследствие очень низкого со-
держания серы не обнаружено ее скоплений на отпечатке по Бауману.
Рис. 8. Схема основных температурных
зон при электрошлаковой тигельной
плавк: 1− нижняя часть расходуемого
электрода; 2 − шлаковая ванна (расплав
шлака); 3 − металлическая ванна (рас-
плав металла)
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
77
Металлографические исследования.
Параметры неметаллических включений определяли на образцах после закалки с тем-
пературы 850−860 оС и отпуска при температуре 150, 200, 300, 400, 500 и 600 оС.
Установлено, что объемная доля не-
металлических включений составляет в
среднем 0,110 −0,1166 %. Размер включений
изменяется в пределах 0,5−5,0 мкм. При этом
объемная доля включений размером 0,5 мкм
составляет 45,07−45,18 % общего количест-
ва, размером 2−3,5 мкм – 12,27−12,62 %. В
образцах, оттоженных при температуре 150
и 200 оС содержатся включения размером 5
мкм, оттоженных при температуре 700 оС −
3,5 мкм. Независимо от температуры отпуска
неметаллические включения имеют форму,
близкую к глобулярной, и равномерно рас-
пределены по отливке. Эти факторы (мел-
кие, глобулярные, равномерно распределен-
ные неметаллические включения) характер-
ны для литого электрошлакового металла и
совместно с однородной макроструктурой
обеспечивают высокую изотропность всех
свойств отливки и, как следствие, высокое
сопротивление усталости корпуса при буре-
нии.
Твердость.
Этот параметр очень важен для корпусов коронок, так как является единственной сда-
точной характеристикой на производстве, а также в значительной мере определяет прочность
и износостойкость корпуса коронки.
Результаты исследований твердости образцов из новых литых сталей с различным со-
держанием углерода и вольфрама, а также из серийных сталей приведены на рис. 9. Образ-
цы подвергали закалке на воздухе под давлением и отпуску при температуре 200 оС. Из дан-
ных рис. 9 следует, что новые стали после закалки на воздухе приобретают более высокую
твердость, чем серийные стали.
Механические свойства образцов из стали типа 45ХГСВ0.9 ЭКЛ при трех опытных
режимах термообработки приведены на рис. 10.
Из этих данных следует: наиболее высокую прочность и твердость имеет сталь,
закаленная в масле; несколько ниже эти показатели у стали, закаленной на воздухе под
давлением; наилучшие свойства имеет сталь, закаленная на воздухе с изотермической
выдержкой. Важно отметить, что удовлетворительная вязкость и пластичность металла сочетает-
ся с очень высокой прочностью.
Таким образом, стали типа 45ХГСВ0.9 ЭКЛ с указанными режимами термообработки
и свойствами целесообразно применять, если требуются высокая прочность, упругость и
твердость корпусов бурового инструмента. Если требуются большая вязкость и пластичность
стали, после закалки на воздухе необходимо повысить температуру отпуска. Электрошлако-
вый металл предоставляет для этого широкие возможности.
Рис. 9. Твердость образцов после закалки
на воздухе под давлением и отпуска при
температуре 200 оС из стали: 1 −35ХГСА;
2−18Х2Н4МА; 3−38ХН3МФА;
4−38Х2Н2МА; 5−75Г; 6−45ХГСВ0,56-
ЭКЛ; 7−45ХГСВ0,92-ЭКЛ; 8−49ХГСВ1,97-
ЭКЛ; 9−60ХГСВ3,5-ЭКЛ
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
78
Рис. 10. Механические свойства литых образцов
из стали 45ХГСВ0,9 ЭКЛ при различных режи-
мах термической обработки: 1 − закалка: тем-
пература 940 оС; один час; воздух под давлением
и охлаждением до комнатной температуры;
отпуск: температура 200 оС; 0,5 часа; воздух; 2
− закалка: температура 940 оС; один час; воз-
дух под давлением; охлаждение до температуры
300 оС; изотермическая выдержка при темпе-
ратуре 300 оС; 0,5 часа; воздух; 3 − закалка:
температура 940 оС; один час; масло; отпуск:
температура 200 оС; 0,5 часа; воздух
Однако, как известно, механи-
ческие свойства позволяют дать лишь
предварительную оценку о возможно-
сти использования стали для изделия,
так как при стандартных испытаниях
невозможно учесть все реальные на-
грузки в условиях эксплуатации изде-
лия.
В этой связи в ЗАО «Ремди-
зель» были изготовлены несколько
партий опытных буровых коронок с
литыми корпусами из опытных сталей
с закалкой на воздухе. Средняя про-
ходка опытных коронок по переме-
жающимся породам (f = 17−18 и f =
7−8) составляет 21−31 м, что удовле-
творяет эксплуатационным требовани-
ям. По результатам испытаний опыт-
ных коронок сделаны следующие вы-
воды.
1. На опытных коронках
уменьшилось количество хрупких раз-
рушений твердосплавных вставок
(сколов, растрескиваний).
2. Опытные коронки имеют меньший, чем у серийных разброс минимальных и мак-
симальных значений по проходке и большую проходку между заточками.
3. Разброс твердости на корпусах из новых сталей меньше, чем на серийных и со-
ставляет 2−3HRС.
Как отмечалось, важная особенность технологии ЭКЛ новых, экономнолегированных
сталей состоит в том, что для переплава используют отработанные или забракованные ко-
ронки, кусковую обрезь и т. п. Ориентировочная стоимость 1 кг такого материала составляет
1 грн, усредненные расходы на переплав 1 кг стали (электроэнергия; флюс при двух-
,трехкратном использовании; огнеупорный кирпич; сварочные электроды; тарифная заработ-
ная зарплата сталевара) − 5 грн, конечная стоимость 1 кг литой стали (уже в корпусе корон-
ки) − 6 грн.
Таким образом, новые C-, Si-, Mn-, Cr-, W − стали дешевле используемых для произ-
водства коронок, особенно легированных, с которыми новые стали сопоставляются по всем
свойствам, в том числе по способности к закалке на воздухе. Важным следствием закалки на
воздухе является также отсутствие щелочной ванны, что существенно улучшает санитарно-
гигиенические условия на производстве буровых коронок.
Новые экономнолегированные стали и технологии их производства защищены рядом
патентов Украины.
Литература
1. Э. Гудремон. Специальные стали. Том первый. Изд-во «Металлургия»: М. – 1966. –
237 с.
2. Н. А. Клочко Основы технологии пайки и термообработки твердосплавного инстру-
мента. Изд-во «Металлургия»: М. – 1981.
3. Ю. А. Медовый Обоснование, исследование и серийное освоение буровых коронок
типа КНШ. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Кемерово. –
1991.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
79
4. Д. Ф. Чернега, А. Г. Богаченко и др. Специальная металлургия – резерв повышения
качества металлопродукции. Материалы международной конференции, 8 – 9 октября
2000. – Киев. – С. 36 – 49.
5. Б.И. Медовар, В.Л. Шевцов и др. Электрошлаковая тигельная плавка / Киев. – Науко-
ва думка. – 1988.
6. В.М. Туманов. Свойства сплавов системы карбид вольфрама-кобальт. Изд-во «Метал-
лургия»: М. – 1971.
Поступила 10.06.09
УДК 620.17:622.244.001
А. Н. Давиденко, д-р. техн. наук
Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ БУРОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА
Буровой технологический инструмент (породоразрушающий инструмент, бурильные
трубы и их соединительные элементы, расширители, калибраторы и др.), изготовленный из
металлов и сплавов и применяемый при бурении скважин, подвергается воздействию раз-
личных сред, которые существенно изменяют его прочность, стойкость и долговечность.
Рассмотрим два механизма влияния жидких и газообразных рабочих сред (очистных
агентов) на свойства металлических твердых тел [1]: снижение уровня поверхностной энер-
гии и изменение механических свойств.
Адсорбция Г и поверхностная энергия связаны уравнением Гиббса
dC
d
RT
СГ
где R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; С – концентрация поверхностно-
активного вещества; знак минус означает, что положительная адсорбция вызывает снижение
поверхностной энергии.
В соответствии с первым механизмом поверхностная энергия твердого тела может
снижаться не только в связи с физической и химической адсорбцией, химической реакцией,
но и при электрической поляризации.
Второй механизм влияния рабочих сред на механические свойства твердых тел имеет
несколько составляющих:
механическое или электрохимическое растворение;
образование нового твердого тела менее прочного за счет химического соединения
или физического образования систем решеток;
блокирование внутри твердого тела подвижных дислокаций чужеродными атомами,
проникающими в тело из рабочей среды в результате диффузии.
Проведенные на кафедре техники разведки МПИ Национального горного университе-
та теоретические и экспериментальные исследования по изучению влияния очистных аген-
тов на свойства бурового технологического инструмента позволили подтвердить вывод о
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20907 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:53:44Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Богаченко, А.Г. Линенко-Мельников, Ю.П. Мельник, В.И. 2011-06-09T20:58:53Z 2011-06-09T20:58:53Z 2009 Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок / А.Г. Богаченко, Ю.П. Линенко-Мельников, В.И. Мельник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 69-79. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20907 621.785.4: 622.24.051 The technology of producing the sparsely-alloyed steels capable to quenching at a delayed cooling, has been developed on the basis of electroslag crucible melting of used drill bits. The new steels were tested in the production of cast bodies of drill bits. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок Article published earlier |
| spellingShingle | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок Богаченко, А.Г. Линенко-Мельников, Ю.П. Мельник, В.И. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| title_full | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| title_fullStr | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| title_full_unstemmed | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| title_short | Новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| title_sort | новые экономнолегированные литые стали для корпусов буровых коронок |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20907 |
| work_keys_str_mv | AT bogačenkoag novyeékonomnolegirovannyelityestalidlâkorpusovburovyhkoronok AT linenkomelʹnikovûp novyeékonomnolegirovannyelityestalidlâkorpusovburovyhkoronok AT melʹnikvi novyeékonomnolegirovannyelityestalidlâkorpusovburovyhkoronok |