CC BY
117Материаловедение
УДК 620.1:669.15:622.24.05 Л.Г. И щук
РАЗВИТИЕ ДОЛОТНЫХ СТАЛЕЙ
Охарактеризованы условия жсплуатации шарошечных долот и вытекающие из них требования к свойствам долотных сталей, идущих на изготовление главных деталей долот: шарошек, лап и тел качения (роликов и шариков). Описаны марки долотных сталей первого поколения (сороковые - пятидесятые годы) и дальнейшие работы по усовершенствованию их марочного состава и свойств Изложены достоинства долотных сталей электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов. Приведен действующий перечень долотных стапей, в том числе сталей для лицензионного производства долот. Подробно охарактеризовано металлургическое качество долотных сталей отечественного и зарубежного производства.
Буровые долота предназначены для разрушения горной породы и образования ствола скважины и работают в крайне тяжелых условиях. Шарошечные буровые долота представляют собой неразборную конструкцию, состоящую из сваренных между собой отдельных секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах конусообразные шарошки с породоразрушающими фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками [1, 2]. Стали, из которых изготавливаются главные несущие детали долота: шарошки, лапы и тела качения (ролики и шарики), - называются долотными сталями. Требования к свойствам долотных сталей определяются условиями эксплуатации долот.
Условия эксплуатации шарошечных долот
Имея диаметр 46-508 мм, шарошечные долота работают при осевой нагрузке 20-600 кН с коэффициентом динамичности 1,3-1,5, крутящем моменте до 2500 Н м, частоте вращения шарошек до 1000 об/мин в высокоабразивной среде, при скорости протекания буровой жидкости 50-100 м/с, подведении к долоту мощности более 50 кВт, обусловленной высокой энергоемкостью разрушения горных пород [2]. Реализация этой мощности происходит через небольшие контактные поверхности, что обусловливает высокую напряженность работы элементов долота. В отработанных долотах с открытой опорой износ беговых дорожек составляет (мм): роликовых - 1,5-5,5; шариковых - 0,3-1,6; скольжения - 0,07-0,6. Температуры среды на забое в некоторых районах достигает 473К и выше. На контакте "зуб шарошки - горная порода" и в опорах возникают температурные вспышки до 1300К и более. Температура нагрева роликов достигает 583-673К. Это может вызвать в долотных сталях температурные напряжения, которые будут способствовать зарождению первичных трещин и усталостных выкрашиваний.
Тяжелые условия работы, а также конструктивные особенности предопределяют низкую стойкость и повышенный износ буровых долот. Срок службы долота составляет всего 5-10 часов при высокооборотном бурении и 20-300 часов - при низкооборотном бурении.
Вопрос о выборе рациональной марки стали для изготовления каждой детали долота решается строго дифференцированно, исходя из условий ее работы и технологий изготовления.
Шарошка. Наиболее нагруженной деталью долота являются шарошки, которые часто выходят из строя по причине их разрушения. Шарошки имеют сложную конфигурацию с многочисленными концентраторами напряжений, особенно в случае шарошек с фрезерованными зубьями. Чтобы исключить разрушение корпуса шарошки и поломку зубьев, сталь, из которой изготавливается шарошка, должна быть не хрупкой, а пластичной и вязкой, и иметь высокую усталостную прочность, т.е. выдерживать циклическое воздействие высоких статических и динамических нагрузок, действующих на долото при бурении скважины. Но, с другой стороны,
зубья шарошки и ее опорные поверхности должны обладать по возможности максимальной износостойкостью в условиях действия твердой и абразивной разбуриваемой породы, что требует высокой твердости стали, при которой сталь становится хрупкой. Сочетание этих двух противоречивых требований усложняет выбор стали для изготовления шарошки.
Например, были попытки использования высокопрочных инструментальных сталей в буровых долотах [3]. Применение инструментальных сталей высокой твердости обеспечивает хорошую износостойкость зубьев, но вызывает их поломку и раскол шарошки, что делает невозможным работу долота в целом. Стали с высоким запасом пластичности и, следовательно, низкой твердостью исключают поломку шарошек, но резко снижают показатели бурения из-за интенсивного пластического деформирования и износа зубьев.
Вдобавок к перечисленным требованиям сталь шарошки должна обладать высокой контактной выносливостью [4], так как условия работы шарошки на внутренней поверхности, являющейся беговой дорожкой для тел качения, подобны условиям работы колец подшипников.
Сложная конфигурация шарошек неблагоприятна и с точки зрения возникновения в них термических напряжений при закачке. Нарушение режима термической обработки часто является причиной разрушения шарошек. Вследствие этого помимо требований к механическим свойствам к материалу шарошек должно дополнительно предъявляться требование меньшей чувствительности к нарушениям температурного режима термообработки и высокой прокап ив аемост и.
Лана. Самой нагруженной частью лапы долота является цапфа (опора), на которой вращается шарошка. Лапы долот в большинстве случаев выходят из строя из-за износа поверхностей трения в опорах [5]. Опора подвергается воздействию высокой статической и динамической нагрузки, скручивающему усилию. Опора может быть на подшипниках качения и скольжения, открытой или герметизированной. Особенности условий эксплуатации опоры характеризуются контактно-усталостным изнашиванием (особенно с нагруженной стороны), абразивным и ударно-абразивным изнашиванием. Поэтому сталь, используемая для изготовления лапы долота, должна обеспечить высокую прочность и вязкость в сочетании с высокой контактной выносливостью и хорошей износостойкостью. Кроме того, необходимо, чтобы она обладала хорошей свариваемостью.
Тела качения шарики и ролики - являются весьма ответственными деталями буровых долот. Невысокое качество шариков и роликов, применяемых в опорах долот, может быть одной из главных причин чрезмерного износа опор или их прямого разрушения. Тела качения в долотах подвергаются частым и большим динамическим контактным нагрузкам, в некоторых случаях без смазки и в присутствии абразивных частиц, т.е. условия эксплуатации этих элементов в буровом долоте несравнимо сложнее, чем в обычных машиностроительных подшипниках качения. Поэтому, например, обычные подшипниковые шарики из стали 111X15 ввиду их хрупкости мало пригодны в опорах долот. При снижении твердости тел качения устраняется их разрушение, но создаются благоприятные условия для интенсивного абразивного изнашивания и изнашивания путем схватывания и смятия.
Марки долотных сталей первого поколении
Высокая прочность и вязкость деталей в сочетании с их высокой поверхностной твердостью являлись главными требованиями, предъявляемыми к материалу долот, поэтому с самого раннего периода применения в бурении шарошечных долот утвердилось мнение, что для изготовления лап и шарошек буровых долот могут использоваться только цементуемые легированные стали [6]. В начале пятидесятых годов лапы и шарошки трехшарошечных долот изготавливались из стандартной малоуглеродистой хромоникелевой стали марки 12ХН2. Иногда использовалась также сталь марки 12ХНЗ. Химический состав и механические свойства этих сталей в соответствии с ГОСТ 4543-48 приведены в табл. 1 и 2.
После цементации в древесноугольном карбюризаторе при температуре 1203-1233К, двойной закалки и низкого отпуска поверхности лап и шарошек получали твердость 56-59 НИС, а сердцевина их оставалась вязкой с твердостью порядка 30 НЯС. Твердость 56-59 НИС удовлетворительно обеспечивала стойкость против истирания. Более высокая твердость вызывала выкрашивание поверхностей, более низкая - не обеспечивала необходимую стойкость на истирание.
Однако сразу же выявились и недостатки этих сталей: большие колебания в содержании углерода, сравнительно невысокая прокаливаемость и закаливаемость, чувствительность к перегревам, недостаточная стойкость долот из них. Например, твердость внутренней поверхности шарошек из стати 12ХН2 колебалась в широких пределах от 36 до 61 НЯС. Невысокая твердость части внутренней поверхности шарошек снижала их стойкость против износа; это приводило к интенсивному износу беговых дорожек шарошек и разбалтыванию опор. В связи с этим принимались меры как по улучшению метахлургического качества используемых долотных сталей, так и по изменению их марочного химического состава.
Таблица I
Химический состав сталей 12ХН2 и 12ХНЗ ( %, масс.)
Марка стали С Мп БІ Сг N1 Б не более Р не более
12ХН2 <0,17 0,3-0,6 0,17-0,37 0,6-0,9 1,5-2,0 0,04 0,04
12ХНЗ <0,17 0,3-0,6 0,17-0,37 0,6-0,9 2,75-3,25 0.04 О о -и
Таблица 2
Механические свойства сталей 12ХН2 и 12ХНЗ (не менее)
Марка стали о., СТ0,2. 5, V. кси,
МПа МПа % % МДж/м:
І2ХН2 800 600 12 50 0,8
І2ХНЗ 950 700 10 50 0,8
Было начато использование в качестве долотных высококачественных сталей с индексом
А, в которых предельное содержание вредных примесей Б и Р было снижено до 0,025 %. В результате, например, в стали 12ХН2А ударная вязкость повысилась до значения 0,9 МДж/м^ [7].
В пятидесятых годах были созданы и использовались другие марки долотных сталей, свойства которых представлены в табл. 3.
Таблица 3
Механические свойства долотных сталей (не менее)
Марка стали о., МПа СТи.2. МПа б, % V, % кси, МДж'м:
17ХН2 800 600 12 50 0,8
20ХН2 850 700 12 50 0,8
20ХНЗА 950 750 11 55 1,0
18ХН2ВА 1250 900 12 50 1,0
17НЗМА 1000 800 15 50 1,1
Стали 17ХН2 и 20ХН2 с повышенным содержанием углерода рассматривались как основные заменители стали 12ХН2, отличающиеся более твердой сердцевиной зубьев и тела шарошки, а также тела лапы. Но, несмотря на более высокие значения твердости и прочности, эти стали давали цементованный слой с несколько меньшей ударной выносливостью, и в конечном итоге не привели к возрастанию проходки и механической скорости бурения [8].
Стандартная сталь 20ХНЗА (ГОСТ 4543-48) с повышенным содержанием никеля предназначалась для изготовления долот, эксплуатировавшихся на твердых и среднетвердых породах. Твердость сердцевины большой роликовой и шариковой дорожек в лапах из стали 12ХН2 нередко была меньше 15 НЛС, тогда как в лапах из стали 20ХНЗА эта величина обычно превышав 26 НЛС. Промысловые испытания долот с лапами из стали 20ХНЗА вместо 12ХН2 показали повышение проходки на 17%, а механической скорости - на 31% [9]. Из отечественного и зарубежного опыта следовало, что оптимальная твердость сердцевины цапфы должна быть в пределах 25-35 НЯС. Меньшая твердость может приводить к продавливанию цементованного слоя, большая - к значительным деформациям в процессе термообработки [9]. Наряду с большей твердостью и прочностью, сталь 20ХНЗА обладала также большей ударной вязкостью, чем сталь 12ХН2. В итоге сталь 20ХНЗА оказалась достаточно удачной и более 10 лет широко
использовалась в дологостроении для изготовления как шарошек долот большого диаметра (214мм и более), гак и лап долот любого типоразмера [1].
Отдельно следует остановиться на никельмолибденовой стали 17НЗМА, которая была разработана под руководством С .С. Хачатурова отделом металловедения ВНИИБТ [8] и оказалась наиболее удачной разработкой пятидесятых годов, используемой до настоящего времени. Еще в 1950 г. в книге 18] была отмечена американская никельмолибденовая сталь 4820 (по спецификации БАЕ) как более приемлемая для изготовления шарошек, чем сталь марок 12ХН2 и 12ХНЗ. Сталь 4820 имела следующий химический состав: 0,15-0,25% С; 0,4-0,6% Мп; 3,253,75% N1; 0,2-0,3% Мо; < 0,05% Б; < 0,04% Р. Принципиальным отличием ее было наличие молибдена до 0,3 %, который обеспечивал однородную мелкозернистую структу ру, вязкий излом, лучшую прокаливаемость, меньшую чувствительность к перегреву, более широкий интервал температур для закалки, увеличивал пластичность и ударную вязкость при высокой прочности. В итоге стать 4820 была использована в качестве аналога стали 17НЗМ. Следует отметить, что сталь 17НЗМ превосходила по ударной вязкости и выносливости не только сталь 12ХН2, но 20ХНЗА [8]. В конце пятидесятых годов была изготовлена опытная партия долот, в которых шарошки и лапы были из стали 17НЗМ. Их цементация производилась по технологии, принятой для изготовления серийных долот при темперагуре 1 193-1213 К. Первая закатка производилась из цементационного ящика в масле. Далее в целях уменьшения количества остаточного аустенита производился высокий отпуск при температуре 873-893 К. (Известно, что небольшие количества молибдена устраняют отпускную хрупкость 2-го рода, которая может проявиться при таких температурах отпуска [10].) Затем выполнялась вторая закалка с температуры 9931013 К в масле и отпуск при температуре 453-473 К. В результате термической обработки твердость цементованного слоя составила 57-61 1ШС, сердцевины шарошки - 36-40 НИС, сердцевины цапфы по большой роликовой дорожке - 15-20 НЯС и по малой роликовой дорожке 20-27 НЯС. Промысловые испытания опытной партии долот показали, что увеличение проходки по сравнению с серийными из стали 12ХН2 составило 30-40% [7].
Начиная со стали 17НЗМ легирование малым количеством молибдена все более широко использовалось в долотных сталях (шестидесятые - семидесятые годы), а в восьмидесятых годах практически все долотные стати имели в своем составе молибден [1].
На примере стати 17НЗМ можно проследить, как со временем изменялись требования к металлургическому качеству долотных сталей. Стать 17НЗМ была создана в пятидесятых годах как качественная сталь с содержанием примесей Я и Р не более 0,04% и поставлялась по техническим условиям МТУС-9-57 [8]. Изготовление шарошек из такой стали различных плавок показало, что твердость сердцевины шарошек не только находится на низком уровне, но и изменяется в широких пределах (почти в 2 раза) [8]. Для стабилизации механических свойств шарошек был с>жен диапазон содержания углерода в этой стати и повышено абсолютное его значение. Кроме того, впервые в практике контроля качества исходной стали для деталей долота была разработана и согласована с поставщиками стали допускаемая полоса прокативасмо-сти. а также установлены нормы на величину зерна, неметатлические включения и механические свойства после термообработки по заданному режиму. В результате на поставку стали, обозначенной уже как 17НЗМА, были введены новые технические условия ЧМТУ/ЦНИИЧМ 334-60, и она была рекомендована для изготовления шарошек долот матого диаметра [8]. В 1968 г. сталь была переведена в разряд высококачественных, когда согласно ЧМГУ 1-563-68 предельное содержание вредных примесей было уменьшено до значений Б < 0,025%; Р < 0.025%. В 1979 г. по ТУ 3-938-79 стать 17НЗМА-1П электрошлакового переплава стала особовысококачественной: Я < 0,015%; Р < 0,020%. Такие требования сохранились и сейчас для стали 17НЗМА, которая до сих пор используется для изготовления штыревых шарошек буровых долот малого диаметра (190 мм и менее).
Для шарошек буровых долот большого диаметра (214 мм и выше) сталь 17НЗМА не обла-дата достаточной прокапиваемостью и прочностью, поэтому в 1968 г. была создана стать с несколько большим содержанием углерода и добавлением хрома 18ХНЗМА (ЧМТУ 1-358-68), которая и была рекомендована отраслевой нормалью ОН 26-02-128-69 для изготовления таких шарошек взамен стати 20ХНЗА [11]. По сравнению с последней сталь 18ХНЗМА обладаю более высокой прочностью (сто.2 ^ 900 МПа) при тех же показателях пластичности и вязкости: у > 55%; КСи > 1,0 МДж/м^. После такой замены все долотные стати в рекомендованном перечне содержат молибден.
Возвращаясь к табл. 3, отметим, что сталь 18ХН2ВА создавалась как заменитель никель-молибденовой стали 17НЗМА и, заметно превосходя последнюю по прочности, но уступая в пластичности и вязкости, не смогла заменить ее равноценно в шарошках буровых долот, поэтому не вошла в перечень долотных сталей 1963 г., рекомендованных ЧМТУ 2-04-9-63 для изготовления деталей буровых долот [1].
Возвращаясь к лапам буровых долот, напомним, что до 1959 г. они изготавливались из стали 12ХН2, а после 1959 г. - из стали 20ХНЗА. Проведенное в начале шестидесятых годов изучение ряда сталей для лап буровых долот [8] показало, что больше, чем сталь 20ХНЗА или другая сталь удовлетворяет специфическим их требованиям сталь 12Х2НЗМА, которая по ГОСТ 4543-48 обладала следующим составом: С = 0,10-0,17%; 81 = 0,17-0,37%; Мп = 0,3-0,6%; Сг = 1,45-1,75%; N1 = 2,75-3,25%; Мо = 0,2-0,3%; Си < 0,25%; 8 $ 0,025%; Р $ 0,025%. Эта сталь по сравнению со сталью 20ХНЗА обладала не только большей прочностью, но и большей вязкостью при статических и динамических нагрузках. Кроме того, с увеличением размеров сечения закаливаемость се в масле и прочностные свойства не изменялись, тогда как у стали 20ХНЗА резко падали [8]. Для получения необходимой твердости на цементованной поверхности цапфы лап (58-62 НЛС) лапы из стали 12Х2НЗМА достаточно было закаливать в масле, а лапы из стали 20ХНЗА требовали закалки в воде или через воду в масле, что резко снижало вязкость металла лап и было сопряжено с опасностью образования трещин. Сталь 12Х2НЗМА в цементованном и закаленном состоянии обладала более высокой контактно-усталостной прочностью и износостойкостью, чем сталь 20ХНЗА. Промысловое испытание долот с лапами из стали 12Х2НЗМА показало их преимущество, в частности, радиальный люфт у них был на 40% меньше при одинаковой проходке с долотами, имеющими лапы из стали 20ХНЗА [8].
В процессе внедрения стали 12Х2НЗМА различных плавок, поставляемой по ГОСТ 454348, было обнаружено, что из-за нестабильного качества исходной стали твердость сердцевины даже при постоянном режиме термообработки получалась ниже требуемой и с большим разбросом. Например, для малой роликовой дорожки твердость сердцевины составила 25-34 НИС вместо 30-36 НЯС. Для ликвидации этого недостатка были разработаны специальные технические условия на поставку стали: сужен диапазон содержания углерода, повышено абсолютное содержание его, установлены нормы по прокаливаемое™, величине зерна, неметаллическим включениям и механическим свойствам при заданном режиме термообработки [8]. Такая сталь получила марку 14Х2НЗМА и по ЧМТУ/ЦНИИЧМ 576-61 имела следующий состав: С = 0,120,17%; = 0,17-0,37%; Мп = 0,30-0,60%; Сг = 1,50-1,75%; N1 = 2,80-3,20%; Мо = 0,20-0,30%;
Б < 0,025%; Р < 0,02 %. Эта сталь обладала высоким уровнем механических свойств (00,2 ^ 900 МПа; \\1 > 50%; КСГ1 > 0,9 МДж/м^) и хорошей прокаливаемостью, техническими условиями ЧМТУ 2-04-9-63 рекомендовалась для изготовления лап буровых долот всех типов и размеров и широко применялась в долотостроении в шестидесятые — семидесятые годы.
Согласно рекомендациям ВНИИБТ при производстве долот следовало ориентироваться на такие показатели, как предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость [7]. Однако исследованиями Н.А.Жидовцева и К.Б.Кацова было показано, что этих критериев недостаточно для оценки пригодности сталей для опор долот [7, 9]. В частности, было установлено, что одним из важнейших показателей, которые следует учитывать при выборе сталей, является контактная выносливость, характеризующая долговечность сталей в условиях, приближенных к реальным.
Примечательно, что по показателю контактной выносливости сталь 20ХНЗА оказалась предпочтительнее стали 14Х2НЗМА, хотя по механическим свойствам она уступала последней. Объяснение состоит в следующем. Сталь 14Х2НЗМА без цементации является более прочной за счет повышенного содержания хрома и наличия молибдена. В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое в обеих сталях выравнивается, и их твердость оказывается практически одинаковой. Однако если в стали 20ХНЗА легирующие элементы расходуются на образование карбидов, то в стали 14Х2НЗМА создается избыток легирующих элементов. являющихся гетерогенными частицами в металлической матрице, что способствует ускорению усталостного изнашивания.
В 1971 г. в нормаль ОН 26-02-128-69 "Долота и головки бурильные шарошечные" было внесено изменение с рекомендацией вместо стали 14Х2НЗМА использовать для лап долот всех типоразмеров сталь 14ХНЗМА с уменьшенным содержанием хрома с целью получения лучшей микроструктуры и физико-механических свойств цементованного слоя [11].
Рассмотрим теперь долотные стали для тел качения. В сороковых и пятидесятых годах до-лотные заводы применяли в опорах долот обычные подшипниковые шарики из стали ШХ15, содержащей до 1% углерода и до 1,5% хрома [6]. На подшипниковых заводах они проходили стандартную термообработку: закатку с 830-840°С в масло, отпуск 150-160°С в течение 1-2 часов и получати твердость не ниже 62 НЯС. Такие шарики были хрупкими и малопригодными для работы в опорах долот, подверженных частым и большим динамическим нагрузкам. В целях снижения хрупкости шариков на долотных заводах проводили дополнительную их термообработку - отпуск на твердость 52-55 НЯС, что резко снижаю аварийность трехшарошечных долот. Для изготовления роликов трехшарошечных долот использовались стати 50ХН или 12ХН2. Ролики из стати 12ХН2 подвергались цементации, а из стати 50ХН - закатке. Применение стати 50ХН (ГОСТ 4543-48) считаюсь более обоснованным из-за целесообразности работы закатенных роликов между цементированными поверхностями шарошек и лап. При некачественной цементации роликов их поверхность выкрашиваюсь. Оптиматьной для поверхности роликов считаюсь та же твердость 52-55 НЯС. В пятидесятых годах для изготовления роликов начата использоваться кремнемолибденовая сталь 55СМА (ТУ 2193-49). которая применялась подшипниковой промышленностью для изготовления шариков и показаю значительно большую сопротивляемость ударам [12]. Химический состав этой стали был откорректирован, сужен диапазон по содержанию основных элементов, главным образом, углерода. Откорректированная стать была обозначена маркой 55СМА-1 и по ЧМТУ/ЦНИГГЧМ 575-61 поставлялась в шестидесятых годах для изготовления роликов буровых долот всех типов и размеров. Химический состав этой стати: 0,59-0,60% С; 0.80-1,10% 81; 0.30-0,60% Мп; Сг < 0.30%; N1 < 0,30%; 0,40-0,60% Мо; 8 < 0,025%; Р < 0,025%. В начале семидесятых годов было установлено, что дополнительное легирование стати 55СМА-1 ванадием в количестве 0,15-0,25% существенно повышает стойкость тел качения в шарошечных буровых долотах [13]. Высокая конструктивная прочность новой стати 55СМ5ФА была достигнута за счет повышения запаса вязкости, пластичности в надрезе, выносливости и износостойкости, а также сопротивляемости распространению хрупкой трещины и ударно-усталостному разрушению. В итоге эта сталь была рекомендована для изготовления тел качения (роликов и шариков) буровых долот.
Долотные стали электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов
В шестидесятых годах большое внимание стало уделяться метатлургическому качеству долотных сталей, его влиянию на эффективность применения долот [7, 9]. В значительной степени это было связано с разработкой и внедрением в промышленность электрошлакового переплава (ЭШ11) - принципиально нового способа повышения качества сталей и сплавов, авторы которого сотрудники Института электросварки им. Е.О.Патона АН УССР - были удостоены в 1963 г. Ленинской премии. В это время основными способами выплавки долотных статей были мартеновский и электродуговой. Однако получаемые стали не могли удовлетворять высоким требованиям по металлургическому качеству, так как имели высокую загрязненность неметаллическим включениями, большую анизотропию свойств после прокатки и повышенное содержание газов и вредных примесей [9]. Поэтому для производства высококачественных статей приходилось использовать специальные методы рафинирования: продувку аргоном, обработку в ковше синтетическим шлаком, легирование в ковше жидкой лигатурой. Например, при выплавке стати в мартеновских печах после раскисления производят обработку синтетическим шлаком, затем сталь дегазируется методом циркуляционного вакуумирования и разливается по изложницам на слитки. Такой способ выплавки гарантированно обеспечивает получение макроструктуры (ЦП, ТН, Л К) по допускам ГОСТ 4543-71 на высококачественную стать (не более 2 батла), а содержание неметаллических включений до 2-2,5 балла по оксидам точечным (ОТ), до 3-4 батлов по силикатам хрупким (СХ), до 2,5-3,5 батлов по сульфидам. При правильно выбранном составе глиноземисто-известкового (А12О3 + СаО) шлака обработка электростали 12Х2Н4А обеспечивает получение сульфидов - 1,6 балла, оксидов - 1,7 баша, стали 18Х2Н4ВА-СУ - 0.8 балла, ОХ 0,8 балла, при этом содержание серы достигает 0,003-0,004% [14].
Н.А.Жидовцев, К.Б.Кацов и Р.Н.Сейфи применили метод ЭШП для производства долотных сталей и исследовали их свойства [7, 9]. Было показано, что сталь ЭШП имеет содержание серы на 30% ниже ее исходного содержания. Слитки обладают более плотной и однородной структу рой. По контролируемым по ГОСТ 4543-71 критериям макроструктуры (ЦП, ТН, ЛК и
т.п.) сталь ЭШП удовлетворяет требованиям на особовысококачественную сталь. Пластичность и вязкость стали ЭШП в поперечном направлении выше, чем без переплава. Долотная сталь ЭШП имеет меньший балл по строчечным оксидам, содержит меньше азота, но более загрязнена оксидами ОТ и глиноземом (табл. 4).
Примечательно, что ЭШП измельчает все виды неметаллических включений и обеспечивает равномерность их распределения. Электрошлаковый переплав значительно повышает характеристики пластичности, а особенно вязкость и контактную выносливость (в 1,4 раза) (табл. 5).
Основным недостатком ЭШП является формирование четко ориентированной столбчатой макрострукту ры со свойственными ей особенностями.
Таблица 4
Балл неметаллических включений и количество газов в сталях 14Х2Н4МА и 20ХНЗА
в зависимости от метода выплавки
Сталь, состояние Неметаллические включения, балл Г азы, %
Оксиды Силикаты Сульфиды О, N1
14Х2Н4МА Исходная ЭДП 2,0 0,5 1,5 0,0033
ЭШП 1,5 0,5 0,5 0,0020 0,0057
20ХНЗА Исходная ЭДП 3,0 1,0 1,0 0,0055 0,0062
ЭШП 1.0 0,5 0,5 0,0022 0,0045
Таблица 5
Механические свойства сталей |9|
Марка стали °0.2> МПа о., МПа 6, % % % кси, Дж/см2 Контакт, выносл., млн. цикл.
14Х2НЗМА
Исходная 1232 1329 12.0 61,0 109,8 19,8
ЭДП 1300 1439 9,5 41,3 55,9
ЭШП 1250 1349 13,5 62,0 111.8 23,5
1295 1400 12,0 48,5 80,4
20ХНЗА
Исходная 875 1019 16,0 51,5 136.4 20,6
ЭДП 1270 1380 8,0 36,5 52,0
ЭШП 840 997 16,0 55,5 138,3 28,6
1221 1336 10,0 44,0 78,5
Примечание: В числителе - продольные образцы, в знаменателе — поперечные.
Применение ЭШП позволило получить долотные стали особо высокого качества. Наиболее чувствительным к металлургическому качеству стали оказался такой показатель, как контактная выносливость, которая характеризует долговечность стали в условиях, приближенных к реальным. Контактная выносливость зависит от количества, вида и размеров неметаллических включений [15]. Сталь ЭШП марок 20ХНЗА и 14Х2НЗМА показала выносливость на 35% больше, чем сталь исходной выплавки. Испытания циклической и ударной выносливости, стойкости против коррозии и наводораживания однозначно установили целесообразность ЭШП в качестве метода рафинирования долотных сталей. Стендовые испытания показали, что долговечность опор в результате применения стали ЭШП увеличилась в среднем на 30%. Показатели работы опытной партии долот с телами качения из стали 55СМА ЭШП превысили показатели для той же стали объемной выплавки по проходке на 24,5% и на 12,7% по стойкости; более чем на 200% сократилось число заклиненных долот; износ тел качения уменьшился на 25%. С 1964 по 1968 гг. из сталей ЭШП было изготовлено более 50 тысяч долот диаметром 190 и 295 мм пяти типов. Показатели работы этих долот в различных геологических условиях превысили показатели серийных долот в среднем по проходке на 24% и механической скорости бурения на 10%. Эти результаты явились основанием для использования сталей ЭШП в серийном производстве долот, что и было отражено в изменениях отраслевой нормали ОН 26-02-
128-69. В 1979 г. были утверждены ТУ 3-938-79 и ТУ 14-1-2666-79 на все долотные стали ЭШП с содержанием 5 < 0,015% и Р < 0.020%, которые относятся к категории особо высокого качества.
С.С.Хачатуров исследовал возможности применения сталей вакуумно-дугового переплава (ВДП) для повышения работоспособности шарошечных буровых долот [16]. Он подчеркивал, что работоспособность деталей буровых долот повышается, если для их изготовления использовать высококачественные стали, выплавляемые по технологии, обеспечивающей получение в готовом металле минимального содержания газов и неметаллических включений. Долотные стали 14Х2НЗМА, 18ХНЗМА и 55СМ5ФА, используемые для изготовления соответственно лап, шарошек и тел качения, выплавлялись в электрических дуговых печах и подвергались вакуумно-дуговому переплаву. Такой переплав уменьшал общее содержание неметаллических включений на 65-75%, газов на 35-70% и одновременно измельчал оксидные и силикатные включения до 1,0 балла и сульфидные до 2,0 балла. Из механических свойств он наиболее сильно влиял на ударную вязкость в поперечном направлении, которая существенно повышалась; при этом коэффициент анизотропии уменьшался в 1,4-1,6 раза. Опытные долота, изготовленные из сталей ВДП, показали увеличение проходки на 12-43% и сокращение времени бурения на 8-44%, высокую стабильность результатов испытаний. И хотя стоимость стали ВДП в 2,3 раза больше, чем стали открытой выплавки, что приводило к удорожанию долот на 17-49%, экономия от применения долот из стати ВДП превышала это удорожание [16].
После этого в отраслевую нормаль ОН 26-02-128-69 были внесены изменения, допускающие применение стали ВДП для изготовления деталей буровых долот.
В частности, для изготовления роликов и шариков рекомендовалось использовать очень чистую после электрошлакового и вакуумно-дугового переплава сталь 55СМ5ФА - ШД состава: С = 0.53-0,60%; = 0,80-1,10%; Мп = 0,30-0,60%; Сг < 0,30%; Мо = 0,40-0,60%; 5 < 0.015%;
Р < 0.025% по ТУ 37-006-001-70 [1]. Эта сталь, выпускаемая по ТУ 14-1-2666-79, до сих пор используется для изготовления шариков и роликов всех размеров в буровых долотах [2], другие стали для изготовления тел качения в долотах не рекомендуются и больше в настоящем обзоре не обсуждаются. Далее рассматриваются долотные стали только для изготовления шарошек и лап.
Экспериментальные марки долотных сталей
Наряду с рассмотренными выше сталями в шестидесятые семидесятые годы многочисленные организации, заводы и отдельные экспериментаторы исследовали сотни цементуемых сталей с целью их использования в долотном производстве. Их анализ выполнен в работах
В.Н.Виноградова и Г.М.Сорокина [3]. Помимо известных стандартных цементуемых сталей проверялись опытные плавки самого различного состава. В качестве примера приведем только некоторые из исследованных сталей: 18ХГТ, 20Х, 30ХГС, ЗОХНЗА. 37ХНЗА, 25ХН2, 25ХН2В, 25ХНЧ, ЗОХНЗ, 30ХН2МФ, 20ГНЗМ, 30ХГТ, 20ХЗФ. 25X3, 25Х2НЗ, 25ХН2В1, 25ХН2В05, 30ХН2. 15Х2ГН2В2Ф, 25Х2ГН2В2Ф, 35Х22ГН2В2Ф, 15Х2ГН2Т, 25Х2ГН2Т, 35Х2ГН2Т, 30ХН2В8Ф, ЗОХМЗВ8Ф. ЗОХЗВ8Ф. Эти стали обладали самыми разными механическими свойствами, по которым их можно было разбить на несколько групп: с максимальными значениями пределов прочности и текучести, с максимальным значением ударной вязкости, с максимальным значением критерия ов\|/ и т.п. [3]. В пределах этих групп многие стати дублировали друг друга, поэтому использовать их все в производстве нецелесообразно. В работе [3] предлагаюсь исключить стати с более низкими механическими свойствами как заведомо предопределяющие более низкие показатели по износостойкости и долговечности буровых долот. В работе [9], например, рекламироватась комплекснолегированная хромомарганцевокремнистая сталь, дополнительно легированная комплексом никель-титан марки 25Х2ГСНТ. Эта стать обладата высокими показателями механических свойств: ств = 1615 МПа; 5 = 12,5%; у = 49,8%; КСи = 1,02 МДж/м2; НЯС = 39; сг_1 =418 МПа. Она имела контактну ю выносливость в 3 раза больше, чем стать 14ХНЗМА, и в 2 раза больше, чем стать 20ХНЗА. Опытные долота из стали 25Х2ГСНТ показати преимущество по сравнению с серийными долотами по проходке на 40%, по стойкости - на 15%. по механической скорости бурения - на 24%, по износу опор - на 20% [9]. Однако в серийное производство буровых долот эта сталь не пошла. И вообще, цементуемые стали с содержанием углерода более 0,20% не нашли применения в серийном долотном производстве, за исключением стали 22ХГНМА-Ш [2]. Это можно объяснить как меньшей их
пластичностью и вязкостью, так и худшими технологическими свойствами по сравнению со сталями, у которых С < 0,20%. К сожалению, в цитируемых выше работах рассматривались только механические свойства сталей и практически не затрагивались их технологические свойства. Отметим, что современный опыт разработки и применения новых высокопрочных среднелегированных конструкционных низкоотпущенных сталей показывает, что содержание углерода желательно иметь минимально возможным. Повышение содержания углерода оказывает неблагоприятное влияние как на характеристики надежности (сопротивление хрупкому разрушению и коррозионному растрескиванию), так и на технологические свойства (например, свариваемость) [17].
Предпринимались также многочисленные попытки использовать нецементуемые стали в качестве долотных. Исследовались углеродистые инструментальные стали, штамповые стали для горячего и холодного деформирования, пружинные и рессорные стали, быстрорежущие нержавеющие аустенитные и другие [3]. Приведем некоторые из них: 45, 40Х, 40ХН, 40ХНМА, 50ХГС, У7, У8, У12, ШХ 15, 4Х8В2, 5ХНВ, 5ХНМ, 6ХНМ6, ХВГ, Х12, Р9, 10ГБ, 11Г6, 13Г6, Г13, Г13Х9, Г13Х6С, 4X13, Х12Ф1, 65Г, Х12М, Х6ВФ, Р14Ф4, 10X17 и др. В работе [3] рекламировалась специально созданная в качестве долотной нецементуемая сталь Д7ХФНШ следующего состава: С = 0,65-0,75%; Мп = 0,40-0,45%; 81 = 0,15-0,35%; Сг = 0,5-0,7%; N1 = 1,2-
1,8%; V = 0,15-0,30%; Р = 0,010-0,015%; Б = 0,010-0,015%. Однако ни одна из проверенных в лабораторных условиях нецементуемых сталей не дала удовлетворительных результатов в натурных условиях. При изготовлении шарошек из этих сталей наблюдалась или низкая износостойкость и пластическая деформация зубьев шарошек при термической обработке сталей на низкую или среднюю твердость, или катастрофически хрупкое выкрашивание зубьев и раскол шарошек, когда закаленным сталям давали низкий отпуск [3]. Практически все приведенные нецементуемые стали обладают высоким пределом прочности ов > 1300 МПа и значительно меньшими показателями пластичности и вязкости по сравнению с цементуемыми. Но давно известно, что для деталей, прочность которых определяется сопротивлением усталости, менее целесообразно использование сталей со статической прочностью выше 1260 МПа, так как это связано с увеличением разброса характеристик, чувствительности к надрезам и склонности к усталостным трещинам [18]. Наибольшие пределы усталости достигаются при цементации, и если это требуется, то следует выбирать соответствующие цементуемые стали [18]. Кроме того, нецементуемые стати с повышенным содержанием углерода менее технологичны в обработке.
Действующий перечень долотных сталей
В конце семидесятых годов согласно ТУ 3-938-79 перечень отечественных статей для серийного изготовления шарошек и лап буровых долот включал в себя цементуемые (хро-мо)никельмолибденовые стали электрошлакового переплава марок 14ХНЗМА-Ш. 14Х2НЗМА-Ш, 16ХНЗМА-Ш, 18ХНЗМА-Ш, 15НЗМА-Ш, 17НЗМА-И1, т е. с содержанием углерода менее 0,20%.
В это время завершалась работа по исследованию возможности шлифования поверхности цапфы лапы не после, а до химико-термической обработки, так как шлифование после ХТО примерно в 2 раза снижает контактную прочность из-за образования на поверхности метатла микротрещин, мелких прижогов и других дефектов [9]. Было известно, что лучшие зарубежные фирмы изготавливати лапы из стали типа 20ХГНМА, а цапфы лап, как правило, шлифовати перед термообработкой. Однако у нас использовать такую технологию не представлялось возможным из-за значительной деформации цапфы в процессе ХТО, связанной с тем, что лапы изготавливались из сталей 20ХНЗА или 14ХНЗМА. Деформация цапфы лап из стали 20ХНЗА характеризоватась либо увеличением диаметра беговых дорожек до 0,12 мм, либо уменьшением его до 0,08 мм и конусностью большой роликовой дорожки до 0,2 мм. В лапах из стали 14ХНЗМА в процессе ХТО происходило не только изменение диаметра беговых дорожек, но и значительное искривление оси цапфы. Применение сталей 20ХГНМА и 22ХГНМА для изготовления лап значительно уменьшило деформацию цапфы в процессе ХТО и позволило шлифовать цапфы до ХТО. Испытание опытной партии долот с такими лапами показало увеличение проходки на 5%, а стойкости - на 22% по сравнению с серийными долотами. После этого сталь 22ХГНМА-Ш, производимая по ТУ 3-55-79, была добавлена в перечень отечественных долотных сталей и рекомендована для изготовления лап с опорой скольжения долот диаметром 158,7 мм и более (табл. 6).
Стали для изготовления лап и шарошек по ОСТ 26-02-1315-84 |2|
Наименование детали Диаметр долота, мм Марка стали Номер ТУ
Долото с опорой скольжения
Шарошка 46,0-212,7 215,9-295,3 311,1 и более 17НЗМА-Ш 16ХНЗМА-Ш 18ХНЗМА ТУ 3-938-79 ТУ 3-938-79 ТУЗ-859-80
Лапа 46,0- 151,0 158,7-212,7 251,9 222,3 - 295,3 311,1 и более 14ХНЗМА-Ш 22ХГНМА-Ш 22ХГНМА-Ш І4ХНЗМА-Ш 22ХГНМА-Ш 14ХНЗМА 14Х2НЗМА ТУ 3-938-79 ТУ 3-35-79 ТУ 3-35-79 ТУ 3-938-79 ТУ 3-35-79 ТУ 3-850-80
Долото с опорой качения
Шарошка 112,0- 190,5 215,9-295,3 311,1 и более 17НЗМА-Ш 16ХНЗМА-Ш 16ХНЗМФА 18ХНЗМА ТУ 3-938-79 ТУ 3-938-79 ТУ 3-195-83 ТУ 3-850-80
Лапа 112,0- 190,5 215.9- 295,3 311,1 и более 14ХНЗМД-Ш І4ХНЗМА-Ш 14ХНЗМФА 14ХНЗМА 14Х2НЗМА ТУ 3-938-79 ТУ 3-938-79 ТУ 3-195-83 ТУ 3-850-80
Необходимо подчеркнуть, что сталь 22ХГНМА-Ш обладает менее высокими показателями механических свойств (ств > 785 МПа: ат > 886 МПа; 8 > 12%; V)/ > 45%; КСи > 0,8 МДж/м-) по сравнению с 20ХНЗА-Ш (св > 1030 МПа; ат > 932 МПа; 5 > 10%; у > 45%; КСИ > 1,1 МДж/м^), но лучшими технологическими свойствами. Последнее позволило повысить стойкость долот, несмотря на худшие механические свойства стали. Кроме того, замена 2% никеля на 1% марганца и 0,2% молибдена значительно снизила стоимость стали. В результате сталь 20X113А-Ш была заменена на 22ХГНМА-Ш.
Долотные стали для лицензионного производства
В 1978 г. Совет Министров СССР принял решение о закупке в США завода по производству 100 тысяч низкооборотных буровых шарошечных долот в год и о размещении его на Куйбышевском долотном заводе (ныне ОАО "Волгабурмаш"). У фирмы "Дрессер" (США) была куплена лицензия на материалы, технологии и конструкции самых современных по тому времени шарошечных долот диаметром 190,5-295,3 мм. Поставку полного комплекта технологического оборудования из США, Италии, Германии, Англии. Бельгии, Швейцарии, Швеции, Дании, Франции и других стран осуществляла фирма "Дрессср". Лицензионный блок цехов был полностью запущен в производство в декабре 1982 г. [19].
В 1980 г. были утверждены ТУ 3-102-80 на долотные стали 14ХНЗМА, 15НЗМА и 19ХГНМА для лицензионного производства. Химический состав этих сталей был представлен в работе [20]. Эти стали являются аналогами сталей, используемых в США для производства буровых шарошечных долот. Сталь 14ХНЗМА — аналог стали А1Я1 9315Н, используемой для изготовления шарошек с твердосплавными зубками; сталь 15НЗМА - аналог стали А181 4815Н, из которой изготавливаются шарошки с фрезерованными зубьями и лапы долот с диаметром менее 244,5 мм; сталь 19ХГНМА - аналог стали А181 8720Н, используемой для изготовления лап долот с диаметром 244,5 мм и более [1].
Как отмечалось в работе [2], несмотря на то, что шарошечные буровые долота в России и США производятся из долотных сталей, аналогичных по марочному химическому составу, российские долота заметно уступают американским по показателям работоспособности: проходке, стойкости и механической скорости бурения. В связи с этим актуальным является сравнительное исследование металлургического качества отечественных и американских долотных сталей. И такое комплексное сравнительное исследование было предпринято при участии ав-
тора настоящей статьи в ОАО "Волгабурмаш" и на кафедре "Материаловедение в машиностроении" Самарского государственного технического университета [20-25]. Оно включало в себя исследование химического состава, макро- и микроструктуры, прокаливаемости, механических свойств и способов производства долотных сталей.
Металлургическое качество долотных сталей
Анализ среднего содержания основных элементов марочного химического состава в металле в состоянии поставки показал, что отечественные долотаые стали отличаются большей нестабильностью химического состава (шире диапазон изменения содержания элементов) и менее жесткими требованиями по содержанию вредных примесей серы и фосфора [20]. Из анализа химического состава стали в шарошках и лапах долот различных производителей следует, что по фактическому содержанию как основных легирующих элементов, так и разнообразных примесей, в том числе и газов, долотные стали являются аналогичными. Не обнаружено, чтобы в зарубежных долотных сталях использовалось целенаправленное легирование такими сильными карбидообразующими элементами, как вольфрам, титан, ванадий, цирконий, а также микролегирование бором и редкоземельными металлами, которые могли бы положительно сказаться на служебных свойствах этих сталей. При исследовании закономерностей распределения химических элементов по сечению проката стали 19ХГНМА и лап импортных долот в отечественном прокате выявлена значительная зональная и дендритная химическая неоднородность (ликвация). Более однородное распределение элементов характерно для сталей лап долот американских фирм "Смит" и "Секьюрити", где относительный разброс содержания по всем элементам существенно меньше (примерно в 2-3 раза), чем у отечественных сталей.
Проведен макроанализ распределения примесей, волокнистого строения, дендритной и зональной ликвации стали лап долот трех американских фирм и ОАО "Волгабурмаш" [21]. Поверхностное тонкое травление показало, что наиболее чистую и однородную по сере сталь используют фирмы "Смит" и "Секьюрити". а более загрязненную и неоднородную - "Варел" и ОАО "Волгабурмаш", причем сталь в долотах ОАО "Волгабурмаш" имеет выраженную зо-натьную ликвацию. Глубокое травление подтвердило наличие незначительной ликвации в стали долот "Смит" и "Секьюрити" и большей ликвации в долотах "Варел" и ОАО "Волгабурмаш". Только в стали долот ОАО "Волгабурмаш" отмечена центральная пористость 1 балла. Во всех долотах выявлена волокнистость макроструктуры. В стали лап долот ОАО "Волгабурмаш" обнаружены области с сохранившейся структурой литого метатла (дендриты с длиной 815 мм).
Для выявления происхождения дефектов макроструктуры стали лап долот ОАО "Волгабурмаш" - дендритной структуры и грубого волокна - проведено исследование макроструктуры проката отечественных производителей стали 19ХГНМА в состоянии поставки [21]. Установлена особенность макроструктуры проката диаметром 110 мм ОАО ОЭМК (г. Старый Оскол): наличие темного "креста”, разграничивающего светлые участки с дендритной структурой (длина дендритов от 10 до 28 мм), а также натичие зоны центральной сквозной пористости. Макроструктура проката ОАО "Электросталь" и ЗАО ВМЗ "КО" (г. Волгоград) более однородная. Отечественная долотная сталь из-за таких показателей макроструктуры, как центральная пористость ЦП < 2 балла и подусадочная ликвация ПЛ < 1 балл, относится к категории "высококачественная сталь", в то время как американская долотная стазь - к категории "особовысококачественная стать".
Для изучения микроструктуры стали в долотах и степени ее однородности (волокнистости) использованы три способа: измерение микротвердости, исследование локазьного химического состава и металлография [22]. Найдено, что микротвердость по Кнупу НК изменяется периодически у статей в лапах долот всех фирм в соответствии с их волокнистостью, но средняя разность в изменении микротвердости (скачки) существенно различаются: "Смит" - 90 НК; "Секьюрити" - 75-110 НК; "Варел" - 270 НК; ОАО "Волгабурмаш" - 220-340 НК. т.е. сталь в долотах ОАО "Волгабурмаш" - самая неоднородная по микротвердости.
Локатьный химический анализ по поперечному сечению волокон показат, что в стали долот ОАО "Волгабурмаш" наблюдается значительная разность содержания элементов в пределах сечения волокон, особенно по углероду, марганцу и никелю. Получены данные по распределению элементов, которые свидетельствуют о дендритной и зональной неоднородности в стали. Аналогичная картина наблюдается в стати зарубежных долот, но с меньшей неоднород-
ностыо содержания элементов в сечении волокон. Кроме того, у этих долот менее грубая волокнистая структура стали, так как толщина волокон составляет: 215-320 мкм для ОАО "Вол-габурмаш"; 200-300 мкм - "Секьюрити"; 200-250 мкмк - "Варел"; 180-200 мкм - " Смит".
Металлографическое исследование показало, что сталь в долотах ОАО "Волгабурмаш" отличается существенно большей структурной неоднородностью от стали в долотах "Секьюрити". В частности, в пределах волокна размер зерна меняется от 7 до 11 балла для стали долот ОАО "Волгабурмаш" и только от 8 до 9 балла - для стати долот "Секьюрити".
Сравнительным метаьтографическим анализом установлено, что сталь долот ОАО "Волгабурмаш" наиболее сильно загрязнена неметаллическими включениями с суммарным баллом 6,5 (сульфиды, оксисульфиды - 2-3 балла; силикаты недеформированные — 1; оксиды точечные -2; оксиды строчечные - 0.5). Для импортных долот суммарный балл заметно меньше: "Секьюрити" - 5; "Варел" - 4,5: "Смит" - 3. При этом неметашические включения в стали ОАО "Волгабурмаш" имеют неблагоприятную вытянутую форму, а в стали импортных долот - как правило, благоприятную глобулярную форму [22].
Методом цементации установлен батл аустенитного (природного) зерна статей типа 19ХГНМА различных производителей, вырезанных как из штанг, так и из долот. Показано, что зарубежная ста1ь из долот фирм ''Сандвик". "Хьюз" отличается более мелким аустенитным зерном (6 баллов), чем стать из долот ОАО "Волгабурмаш" (5 баллов). Только долота фирмы "Варел" имеют более крупное зерно (4 батла).
Исследована прокаливаемость долотных сталей в зависимости от направления волокна в стаж. Как правило, образцы с продольным волокном имеют большую прокаливаемость и твердость на больших расстояниях от закаливаемого торца, чем образцы с поперечным или наклонным волокном. Поэтому использовать стандартные образцы, изготовленные из кованых заготовок с продольным волокном, не вполне корректно для оценки реальной прокаливаемости стали в долоте. Прокаливаемость и твердость сталей в лапах долот "Хьюз" и "Секьюрити" сравнима с отечественными сталями, а у фирмы "Сандвик" заметно выше. Разброс твердости у сгати долот "Секьюрити" по всей глубине миниматен - 0,5-1,0 НИС, в то время как для оскольской стати этот разброс составляет 2,0-4,0 НИС, а для волгоградской стали 1,5-2,0 ИКС, что еще раз подтверждает вывод о заметной структурной и химической неоднородности отечественного метатла.
Исследована анизотропия механических свойств стати 19ХГНМА производства ОАО ОЭМК и ЗАО ВМЗ "КО" в состоянии поставки [23]. Если изменение направления макроволокна от продольного к поперечному не сказывается на уровне прочностных характеристик ав, с0,2 (в пределах допуска 5%), то относительное сужение у уменьшается на 20-30%. Наибольшая анизотропность статей выявляется по ударной вязкости КСЕ). По сравнению с продольным волокном в образцах с наклонным под 45° волокном КСи уменьшается на 10-25%, а в образцах с поперечным волокном - в 2 раза и более. У стати ЗАО ВМЗ "КО" анизотропия свойств выражена сильнее, чем у стати ОАО ОЭМК.
Анализ качества сталей по химическому составу, макроструктуре, содержанию неметатли-ческих включений, микронеоднородности, а также данные сертификатов позволил заключить, что зарубежные фирмы используют для долот стать категории "особовысококачественная" как по химическому составу, макроструктуре, так и по микроструктуре (батлу зерна, неметаллических включений, структурной полосчатости) и свойствам, в то время как ОАО "Волгабурмаш" - сташ категории "высококачественная" [24]. Для достижения максимальной работоспособности долот ОАО "Волгабурмаш" необходимо внедрять в производство долот стали категории "особовысококачественная ".
Разработаны рекомендации для производства долотных статей особо высокого качества на отечественных метатлургических заводах. Проведено согласование разработанных рекомендаций с заводами - изготовителями сталей. В итоге на их основе переработаны ТУ 3-102-80 "Прутки горячекатаные из конструкционной легированной стали марок 14ХНЗМА, 15НЗМА, 17НЗМА. 19ХГНМА". которые теперь гарантируют особо высокое металлургическое качество отечественных долотных сталей по химическому составу, макро- и микроструктуре и свойствам на уровне лучших зарубежных долотных сталей [25].
Согласование разработанных рекомендаций с заводами-изготовителями долотных статей показаю, что российские металлургические заводы с большим трудом соглашаются на повышение требований к металлургическому качеству металла, на выпуск стали особо высокого
качества. Причины здесь разные, но главная заключается в отсутствии современных технологий и оборудования для комплексной внепечной обработки стали. В этих условиях, если российский рядовой металл на мировом рынке вполне конкурентоспособен: требования к его качеству за полвека почти не изменились, а затраты на оплату труда и экологию несравнимо низкие, то мощности качественной металлургии в России простаивают, так как уровень отечественных качественных сталей оказывается для мирового рынка слишком низким [15]. Он низок и для отечественного машиностроения, которое вынуждено выпускать продукцию, конкурирующую с импортной даже на внутреннем рынке. Пример буровых шарошечных долот ярко подтверждает это. Качественный металл в ответственных изделиях составляет малую долю их цены, но от его гарантированно однородного качества зависит надежность всей конструкции, поэтому часто потребитель предпочитает более дорогой импортный металл, но при всесторонних гарантиях качества.
В этих условиях у черной металлургии России нет другой альтернативы, как, обновляя весь технологический цикл, изменять структуру производства в сторону выпуска стали высокого и особо высокого качества, в том числе и для буровых шарошечных долот.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Буровые долота: Справочник /11.А.Палий, К.Е.Корнеев: М.: Недра, 1971. 446 с.
2. Международный транслятор - справочник "Шарошечные долота" / Под ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашева.
(Международная инженерная энциклопедия. Серия "Нефтегазовая техника и технология"). М.: АИО "Теплонеф-гегаз". 2000. 248 с.
3. Долговечность буровых долот / В.Н. Виноградов и др.; М.: Недра, 1977. 256 с.
4. Сталь на ребеже столетий / Под ред. 10.С. Карабасова: М.: МИСИС, 2001. 664 с.
5. Ищук А.Г. и др. Причины отказов буровых шарошечных долот // Вестн. Самар гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 2001. Вып. 11. С. 26-29.
6. Тер-Григорьян А. И. Долота для вращательного бурения. Баку - Ленинград: Азгостоптехиздат, 1950. 160 с.
7. Долговечность шарошечных долот / Н.А.Жидовцев и др.; М.: Недра. 1992. 266 с.
8. Хачатуров С.С. Стали для зубчатых шарошек и лап буровых долот сплошного бурения // Породоразрушающий инструмент для бурения. М.: Гостоптехиздат, Тр. ВИИИБТ. Вып. 6. 1982. С. 98-120.
9. Стойкость буровых долот /11од ред. К.Б. Какова. Киев: Наукова думка, 1979. 214 с.
10. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Оборонгиз, 1963. 464 с.
11. Совершенствование конструкций и технологии буровых шарошечных долот / Матер, совещания 14-16 июня 1971 г. Куйбышев: СКБ по долотам. 1972. 188 с.
12. Сутырина В.А. Выбор марки стали и режима термообработки роликов буровых долот // Породоразрушающий инструмент для бурения. М.: Гостоптехиздат. 1962. С. 121-128. (Тр. / ВНИИБТ. Вып. 6).
13. Хачатуров С.С. Новая шарикоподшипниковая сталь для тел качения шарошечных буровых долот и колец подшипников турбобуров // Нефтяное хозяйство, 1972. № 3. С. 7-10.
14. Технология производства стали в современных конверторных цехах / С.В. Колпаков и др ; М.: Машиностроение. 1991. 461 с.
15. Сталь на рубеже столетий / Под ред. Ю.С. Карабасова; М.: МИСИС. 2001. 664 с.
\6. Хачатуров С.С и др. Повышение работоспособности шарошечных буровых долот путем применения сталей вакуумно-дугового переплава// Нефтяное хозяйство, 1975. № 4. С. 15-17.
17. Покровская И.Г., Петраков А Ф, Шалькевич А.Б. Современные высокопрочные конструкционные стали для изделий авиационной техники // МиТОМ. 2002. № 12. С. 23-26.
18. Форрест II. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1968. 352 с.
19. Иеупокоев В.Г Вопросы теории и практики проектирования, производства и эксплуатации буровых шарошечных долот. Самара: СГАУ, 2000. 376 с.
20. Ищук А.Г., Елуферьева Л.Л., Черакаев А Н. О химическом составе сталей в отечественных и зарубежных буровых шарошечных долотах // Вестн. Самар, гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 2004. Вып. 24. С. 89-102.
21. Амосов А.П., Иванов А.И., Ищук А.Г. и др. Исследование макроскопической структуры долотных сталей // Вести Самар, гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 2002. Вып. 14. С. 101-106.
22. Амосов А.П.. Иванов А.И., Ищук А.Г. и др. Сравнение микроструктуры долотных сталей отечественного и зарубежного производства// Изв. вузов. Черная металлургия. 2004. Ха 1. С. 50-53.
23. Ищук А.Г., Иванов А.И., Пугачева Т.М. О механических свойствах долотных сталей // Вест н. Самар, гос. техн. унта. Сер. Технические науки. 2005. Вып. 20. С. 90-94.
24. Ищук А.Г. О металлургическом качестве долотных сталей // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: Сб. ст. по материалам УШ Междунар. науч.-техн. конф. (28 - 30 мая 2003 г.). Ч.П Пенза: Приволжский Дом знаний, 2003. С. 42-44.
25. Ищук А.Г. Обеспечение металлургического качества долотных статей // Сб. тр. Междунар. научно-техн. конф "Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин" (ноябрь 2003 г., Самара). Т. 1. М.: Машиностроение. 2003. С. 288-292.
Статья поступила в редакцию 5 ноября 2004 г.
