Доктор техн. наук. Петрина Ю.Д., асистент Лукань Т.В.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу Критерії застосування високоміцних сталей в долотобудуванні

Аналіз багаточисельних літературних даних і власних результатів досліджень [1, 2, 3] показує, що, не дивлячись на велику кількість методичних засобів і оціночних показників, нема єдиних критеріїв застосування сталей в долотобудуванні; вимоги, які ставляться до властивостей матеріалів, суперечливі.

Однак не можна не признати, що для виготовлення важконавантаженних деталей бурових доліт необхідно застосовувати якісні високоміцні та зносостійкі сталі. Поряд з високою зносостійкістю такі сталі повинні мати високі показники характеристик міцності та пластичності, ударної в’язкості та стійкості до поширення тріщини. Комплекс таких властивостей необхідний для того, щоб протистояти великим статичним, динамічним і циклічним навантаженням. Проте досягти такого поєднання властивостей часто буває дуже важко. Це зв’язано з великою різноманітністю видів зношування в практиці експлуатації машин різного призначення.

Тому вирішення проблеми застосування високоміцних і зносостійких сталей в долотобудуванні передбачає проведення комплексу лабораторних досліджень, з метою встановлення загальних закономірностей зміни структури та механічних властивостей в залежності від різних факторів. Основою цих досліджень були методи механічних випробувань, які описані в попередньому розділі роботи. Досліджено вплив режимів термічної обробки високоміцних сталей на їх структуру, механічні властивості та взаємозв’язок між ними. При цьому малось на увазі, що на деталі бурових доліт чиниться комплексна дія статичних, динамічних і циклічних навантажень, ускладнена присутністю абразивного матеріалу та робочого середовища.

Досвід експлуатації деталей машин різного призначення показує, що порівняння сталей за комплексом стандартно визначених механічних властивостей не завжди дає достовірні дані, здатні характеризувати роботоздатність сталі в умовах складного зовнішнього силового навантаження. В залежності від об’єкту застосування сталі необхідно користуватись різними критеріями вибору хімічного складу сталей і призначення режиму їх термічної обробки. Це тим більш важливо, що з врахуванням залежності зносостійкості в умовах удару по абразиву від механічних властивостей критерії, які застосовні для сталей одного структурного класу, зовсім неприйнятні для сталей другого, не дивлячись на те, що в основі руйнування лежать одні й ті ж процеси. Наприклад, твердість і границя міцності не можуть визначати роботоздатність високовуглецевих сталей, а висока ударна в’язкість не завжди є достатньою основою для застосування середньовуглецевих легованих сталей.

Пошук критеріїв довговічності - один з найбільш складних, проте в той же час і визначаючих етапів досліджень, направлених на розробку основ застосування високоміцних сталей. Цей етап повинен знаходитися в зв’язку з передбачуваними умовами роботи деталей, для яких призначена шукана сталь.

Аналіз механічних властивостей є необхідним для загальної оцінки сталей, однак він недостатній для повної характеристики для їх призначення в якості зносостійких матеріалів. Для цього необхідні вивчення і аналіз специфічних властивостей матеріалів, які характеризують їх здатність до опору зношуванню і взаємозв’язку між цими властивостями.

Відзначимо, що для деталей бурових доліт найбільш характерним є зношування сталі абразивом. Дослідження природи зношування сталі абразивом показують, що для отримання оптимальної з точки зору зносостійкості структури необхідно враховувати її мінливість при пластичному деформуванні. Механізм зношування абразивом високоміцних сталей прямо пов’язаний з тими структурними змінами, які зазнає сталь в процесі пластичної деформації перед руйнуванням.

Критерії зношування абразивом в різних умовах контактної взаємодії представляють собою сукупність показників, що визначають стійкість деталей проти зношування та руйнування. Слід відзначити, що має значення не тільки вид контактної взаємодії, але й рівень навантажень, діючих на конструкцію в цілому і на спряжені поверхні, а також вид руйнування сталі.

Тому достовірні критерії застосування високоміцних сталей в долотобудуванні можуть бути розроблені тільки з врахуванням всіх приведених вище факторів.

Вперше дослідження залежності зносостійкості від твердості високоміцних сталей, які використовуються для виготовлення бурових доліт, були проведені в роботах В.М.Виноградова, Г.М.Сорокіна, С.М.Боброва та ін.[1, 2].Такі залежності вивчались на розроблених ними сталях Д5 (Д5ХН2МФАШ) і Д7 (Д7ХФНШ). Нами були продовжені аналогічні дослідження на сталях 40Х, ШХ15 і 55СМ5ФАШ. Дані результатів випробувань ряду долотних сталей на зносостійкість в умовах ковзання, кочення та удару по абразиву представлені на рисунку 3.1. Для оцінки зносостійкості був введений параметр , де - зміна маси зразків.

Недивлячись на загальну тенденцію підвищення зносостійкості, ці закономірності мають суттєві відмінності, обумовлені природою проникнення абразивних частинок в зношувану поверхню.

Базуючись на отриманих експериментальних даних, можна припустити, що відмінності в закономірностях обумовлені різними умовами проникнення абразивних частинок в зношувану поверхню.

При ковзанні втілення частинок проходить поступово, тобто проникнення в поверхню проходить при одночасній дії нормальних і дотичних напружень. Максимальної глибини проникнення частинки досягають на деякій віддалі від місця початкового контакту. Тому створюються найбільш сприятливі умови для руйнування поверхні металу і одночасно збереження абразивних частинок від руйнування.

При коченні велика кількість абразивних частинок руйнується під дією зовнішнього навантаження, не встигнувши достатньо глибоко проникнути в поверхню зношуваного металу. У випадку такого контакту основним механізмом зношування є втомні явища.

Залежність зносостійкості при ударно-абразивному зношуванні носить більш складний характер. При малих енергіях удару (0,5 кДж) підвищення твердості зумовлює збільшення опору проникненню абразивних частинок в зношувану поверхню, що супроводжується ростом W. Як видно з рисунку 3.1а при енергіях удару 3 кДж і 5 кДж зносостійкість практично не змінюється із збільшенням HRC_Э.

При енергії удару 20 кДж зносостійкість залежить також від виду руйнування. При динамічному втіленні абразивних частинок, коли час контакту малий, основним механізмом зношування є зріз мікрооб’ємів металу або крихке викришування. Динамічна взаємодія супроводжується високими швидкостями деформації металу і утворенням мікротріщин, які інтенсифікують відокремлення частинок металу. В області в’язкого руйнування з підвищенням ударної в’язкості проходить зниження зносостійкості; навпаки, в області крихкого руйнування підвищення ударної в’язкості приводить до росту зносостійкості при ударі по абразиву. Ця залежність справедлива для сталей будь-якого хімічного складу і може бути віднесена до загальних закономірностей ударно-абразивного зношування.

Максимальна зносостійкість відповідає тому значенню ударної в’язкості, яке отримують на границі переходу від крихкого руйнування до в’язкого. Аналіз залежностей зносостійкості при ударі по абразиву показує, що з підвищенням значень ударної в’язкості на межі крихко-в’язкого переходу зносостійкість сталей зростає . Тому необхідно спрямовувати свої зусилля на створення структур, які забезпечували б високу ударну в’язкість на границі переходу від крихкого руйнування до в’язкого.

Література

1. Бобров С.Н. Износостойкость машиностроительных сталей в условиях изнашивания абразивом // МиТОМ.-1993ю-№1.-С.18-21.

2. Стойкость буровых долот//Н.А.Жидовцев,К.Б.Кацов,Г.В.Карпенко и др.-Киев:Наукова думка,1979.-242с.

3. Застосовнiсть високомiцних сталей як конструктивного матерiалу деталей бурових долiт/Е.I. Крижанiвський, Ю.Д. Петрина, Т.В. Павленко та iн. // Розвiдка i розробка нафтових i газових родовищ.-Iвано- Франкiвськ,1996.-№33.- С.