Статья: Исследование сталей, применяемых в буровых долотах диаметром до 150,0 мм

124

ВЕСТН. САМАР. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 1998. № 2.

Самарский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В БУРОВЫХ ДОЛОТАХ ДИАМЕТРОМ ДО 150,0 мм

Т.М. Пугачева

А.В. Клименко

Для изготовления шарошек долот сплошного бурения с опорами качения диаметром 46-151 мм отраслевая нормаль ОН26-02-128-69 «Долота и головки бурильные шарошечные» предписывала применять сталь 15Н3МА-Ш. До 01.01.1975 г. взамен стали 15Н3МА допускалось применять сталь 17Н3МА (ТУ 14-1-3-71).

В настоящее время ОАО «Волгабурмаш» в соответствии с ТУ 3-938-79 (ТУ) делает шарошки долот диаметром до 190,4 мм включительно из стали 17Н3МА-Ш. Отметим, что в справочниках [1,2] также рекомендуется цементуемая сталь 17Н3МА-Ш для долот диаметром 46,0-212,7 мм с опорой скольжения и диаметром 112,0-190,5 мм с опорой качения. По ТУ сталь 17Н3МА содержит 0,15-0,20%С, 0,17-0,37%Si, 0,35-0,65%Mn, 3,20-3,80%Ni, 0,20-0,30%Mo, ?0,30%Cr,?? 0,015%S, ?0,020% P, ?0,25%Cu.

В ТУ помимо определения механических свойств проката был введен контроль прокаливаемости методом торцевой закалки (определение твердости на расстоянии 4,5 и 30 мм от закаленного торца образца). Нормы механических свойств и прокаливаемости для стали 17Н3МА приведены в табл. 1.

Таблица 1 Механические свойства и прокаливаемость (HRC) образцов, изготовленных из термообработанных* заготовок (ТУ3-938-79)

Примечание: Режимы термообработки заготовок - для определения механических свойств: 1-я закалка - от 890 ? 15 ?С в масло; 2-я закалка - от 765 ? 15 ?С в масло, отпуск при 170-220 ?С с охлаждением на воздухе; для определения прокаливаемости: нормализация при 920 ? 10 ?С, торцевая закалка - от 860? 10 ?С водой.

Как показал опыт использования стали 17Н3МА, ее основным недостатком является большой разброс механических свойств от плавки к плавке и особенно недостаточная прокаливаемость.

Попытки использовать в шарошках малых долот (например, диаметром 120,6 - 158,7 мм) сталь марки 14ХН3МА повышенной прочности и прокаливаемости оказались неудачными из-за растрескивания шарошек не только во время их эксплуатации, но и даже в новых долотах после запрессовки зубков.

Соответственно, целью работы было исследование сталей, применяемых для изготовления шарошек зарубежных буровых долот диаметром до 150,0 мм, для обоснования рекомендаций выбора марки стали с повышенной прокаливаемостью для шарошек долот малого диаметра. Одновременно изучали стали, используемые для изготовления лап в этих буровых долотах.

Анализ химического состава сталей, применяемых в шарошках и лапах зарубежных буровых долот

Для изготовления лап и шарошек зарубежных долот, так же как и в отечественных шарошечных долотах, применяют низкоуглеродистые легированные цементуемые стали [1, 3, 4, 5]. Для фрезерованных шарошек преимущественно используют никельмолибденовую сталь группы SAE-AISI 48хх (типа 4815), для штыревых шарошек - хромоникельмолибденовую сталь группы SAE-AISI 93хх (типа 9310-9315), для лап - хромоникельмолибденовую сталь группы SAE-AISI 86хх, 87хх (типа 8620, 8720).

Марочный состав наиболее часто используемых в долотах электросталей с гарантированной прокаливаемостью согласно стандарту ASTM А 304 [6, 7] представлен в табл. 2. Такой марочный состав соответствует и стандарту ASTM А 534 для цементуемых сталей, применяемой в антифрикционных опорах и подшипниках [8].

Поставка горячекатаных стальных прутков для изготовления штамповок шарошек и лап горнорудных и нефтяных долот производится по соответствующим спецификациям (техническим условиям), которые устанавливают требования по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. По сравнению с отечественными ТУ в зарубежных спецификациях предъявляются более высокие требования к металлургическому качеству сталей, в частности, сужен диапазон изменения содержания элементов, уменьшено предельное количество серы и меди. Дополнительно указываются желаемые значения содержания компонентов, которые для углерода и большинства легирующих элементов составляют среднеарифметическую величину между граничными количествами, а для серы и фосфора уменьшены на 0,05% по сравнению с максимально допускаемым содержанием.

Таблица 2 Химический состав электросталей по ASTM А 304

Сталь 4815 (близкий аналог отечественной стали 17Н3МА) была получена в конце 30-х годов прошлого века в результате совместных разработок металлургов и основного производителя буровых долот - компании «Hughes Tool Company» («Хьюз»). С тех пор и до настоящего времени она является стандартной сталью для производства фрезерованных зубчатых шарошек буровых долот [4].

В 1951 г. были выпущены первые буровые долота с зубками из карбида вольфрама. Для штыревых шарошек с твердосплавными зубками компания «Хьюз» использовала сталь 4815Н с повышенной прокаливаемостью. Значения твердости, получаемые при торцевой закалке, и полоса прокаливаемости стали 4815Н представлены и на рис. 1.

Рис. 1. Полоса прокаливаемости стали 4815Н

Немного большую прокаливаемость имеет сталь 4817Н (рис. 2), которая от стали 4815Н отличается практически только повышенным содержанием углерода (соответственно 0,14-0,20% против 0,12-0,18%).

В 1972 г. в связи с потребностью в увеличении размеров зубчатых долот и использовании больших карбидовольфрамовых зубков в штыревых шарошках возникла необходимость в новой цементуемой стали с еще более высокой прокаливаемостью, а также повышенным пределом текучести сердцевины для надежного удержания сильно выступающих твердосплавных зубков. механический прокаливаемость сталь буровой

Начиная с 1970-х годов компанией «Climax Molybdenum Company» для «Хьюз» вместо стандартных сталей 4815Н и 8720Н, применявшихся для основных деталей буровых долот (шарошек и лап), была разработана новая сталь ЕХ 30 как модификация стали 4815Н с уменьшенным содержанием никеля, повышенным содержанием марганца и молибдена и дополнительно легированная хромом (табл. 5). По российской классификации марку этой стали можно идентифицировать как 15ХГНМ.

Рис. 2. Полоса прокаливаемости стали 4817Н

Таблица 5 Химический состав стали SAE ЕХ 30

Было показано, что ЕХ 30 по прокаливаемости немного лучше, чем 4815Н, и намного лучше, чем 8720Н. Замена последних двух сталей в лапах и шарошках сталью ЕХ 30 уменьшила расходы и повысила производительность долот [4].

В 1980-е годы в продолжение этих разработок была создана новая цементуемая сталь, которая в настоящее время известна как ЕХ 55. Содержание элементов было выбрано так, чтобы использовать преимущество синергетического эффекта на прокаливаемость путем комбинирования содержания никеля и молибдена с одновременным максимальным увеличением марганца и хрома, чтобы уменьшить стоимость сплава. По сравнению с ЕХ 30 в ней немного повысили количество углерода, марганца, молибдена и почти в два раза - никеля (табл. 6). По российской классификации марку этой стали можно идентифицировать как 17ХГН2М.

Таблица 6 Химический состав стали SAE ЕХ 55

Сталь ЕХ55 характеризуется (рис. 3) сверхвысокой прокаливаемостью по сравнению с 4817Н и 9310Н и практически таким же сопротивлением разрушению в цементированном состоянии. Кроме того, сталь ЕХ 55 показывает высокую стойкость при повторном ударном нагружении. Так, при использовании ударной нагрузки в 4 Дж цементированные образцы из стали ЕХ 55 выдерживали 1000 ударов до разрушения, из стали 4817Н - только 550, а из стали 8620Н - всего 8 ударов [4].

Рис 3. Прокаливаемость сталей ЕХ55, 9310Н, 4817 [4]

Идентификация марок сталей в зарубежных буровых долотах

Основными фирмами-производителями буровых шарошечных долот в США являются Hughes Christensen Co. (Хьюз); Smith International, Inc. (Смит.); Reed Tool Co. (Рид); Security DBS, Dresser Industries, Inc. (Секьюрити); Varel Manufacturing Co. (Варел) [1, 12].

К ведущим фирмам-производителям буровых шарошечных долот в других зарубежных странах следует отнести такие фирмы, как Sandvik Coromant, Швеция (Сандвик); Tsukamoto Seyky, Япония; Kingdream Public Limited Co., Китай (Кингдрим); Industrialexport S.A., Румыния;Dunantuli Koolajipari Gepquar Rt, Венгрия. [1].

Анализ химического состава шарошек и лап зарубежных долот фирм США Хьюз, Смит, Рид, Секьюрити, Варел, Сандвик, Вилио, а также китайского, индийского и канадского производства, по данным ЦЗЛ ОАО «Волгабурмаш» за 1996-2006 годы, позволил определить марки сталей, используемых для лап и шарошек в малых буровых долот диаметром до 165 мм (табл. 7). В таблице указана фирма-производитель, а если фирма неизвестна, то - страна происхождения. Стандартный марочный состав всех упоминаемых в статье зарубежных сталей приведен в табл. 8.

Таблица 7 Марки сталей*, используемых в зарубежных буровых долотах диаметром до 165 мм

Примечание: * Знаком ~ показано, что состав практически совпадает с приведенной маркой (отклонение по одному-двум элементам - не более 0,05%). Заметные отклонения отражены в таблице текстом. Знаком / показана принадлежность химического состава стали сразу двум маркам.

Таблица 8 Стандартный химический состав зарубежных марок сталей, используемых в лапах и шарошках буровых долот