Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор
1.1 Металлургическое качество стали
1.2 Долотные стали и требования к их свойствам
2 Выбор долотных сталей и методик для исследования
2.1 Выбор и сопоставление долотных сталей
2.2 Выбор методик исследования и оборудования
3 Исследование химического состава долотных сталей
3.1 Анализ содержания основных элементов марочного состава в металле в состоянии поставки
3.2 Анализ химического состава стали в шарошках и лапах долот
3.3 Анализ стали лап долот на наличие элементов с малым содержанием (модифицирующих и микролегирующих, малых примесей)
3.4 Исследование зональной и дендритной химической неоднородности сталей в отечественном прокате и лапах зарубежных долот
4 Исследование макроскопической структуры долотных сталей
4.1 Макроанализ распределения примесей, волокнистого строения, дендритной и зональной ликвации в лапах долот
4.2 Макроструктура проката отечественных производителей в состоянии поставки
5 Исследование микроскопической структуры и неметаллических включений в долотных сталях
5.1 Оптическая и электронная металлография
5.2 Измерение микротвердости
5.3 Микрорентгеноспектральный анализ
5.4 Определение неметаллических включений 139
5.5 Микроструктура цементованного слоя 144
5.6 Определение количества остаточного аустенита 149
5.7 Определение величины аустенитного зерна 151
6 Исследование прокаливаемости долотнщх сталей 155
6.1 Оценка закаливаемости стали 19ХГНМА и зарубежных долотных сталей 157
6.2 Влияние направления макроволокна на прокаливаемость долотных сталей различных производителей 161
7. Исследование механических свойств долотных сталей 179
7.1 Исследование анизотропии механических свойств стали 19ХГНМА различных поставщиков 170
7.2 Анализ уровня механических свойств стали 19ХГНМАзарубежных аналогов 173
8 Разработка рекомендаций для производства особовысоко- качественных долотных сталей на отечественных заводах 179
8.1 Металлургическое качество и способы выплавки долотных сталей 179
8.2 Рекомендации по изменению ТУ 3-102-80 184
8.3 Согласование рекомендаций с заводами-изготовителями сталей 190
Заключение 200
Список использованных источников 206
- Долотные стали и требования к их свойствам
- Выбор методик исследования и оборудования
- Анализ стали лап долот на наличие элементов с малым содержанием (модифицирующих и микролегирующих, малых примесей)
- Макроструктура проката отечественных производителей в состоянии поставки
Введение к работе
Добыча нефти и газа, также горнорудных ископаемых играет огромную роль в жизни нашей страны, обеспечивая в настоящее время наряду с внутренними потребностями наиболее значительную долю поступлений в бюджет от экспортных поставок. Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добыче угля и руд черных и цветных металлов, а также в строительстве.
Буровые долота предназначены для разрушении горной породы и образования ствола скважины, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проводки скважины. При бурении скважин широко применяются лопастные, шарошечные и алмазные долота [7, 8]. Сначала бурение велось только лопастными долотами, но в настоящее время наиболее распространены шарошечные долота. Ими осуществляется около 98% всего разведочного и эксплуатационного бурения у нас в стране. 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 породоразрушающи-ми фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками в соответствии с рисунком 1 (на рисунке долото показано в перевернутом снизу вверх виде) [9].
Первое работоспособное долото с двумя одноконусными шарошками с опорами на роликах качения было создано Г.Р. Хьюзом в 1909 году в США, и оно предопределило будущее роторного бурения [9]. В 1933 году Г.Р. Хьюзом было впервые изготовлено трехшарошечное долото, которое получило наибольшее распространение при бурении нефтяных скважин и явилось прототипом современных шарошечных долот. В СССР первые трехшарошечные долота были испытаны в 1933 - 1934 годах и показали свое значительное превосходство над лопастными долотами при разбуривании крепких пород [10]. Однако действительно широкое применение в нашей стране этот тип долот получил на рубеже сороковых - пятидесятых годов прошлого столетия [11].
t*
Подпятник Малая втулка Шарик
Ролик
Третья шарошка
Уплотнитель ное кольцо
Замковый палец
Корпус
Ниппель
Зубки
Вторая шарошка
Первая шарошка
Лапа
Рисунок 1 - Трехшарошечное долото с твердосплавными зубками и деталями опоры
В 1939 году было принято решение Совета Народных Комиссаров СССР о строительстве в Куйбышеве завода по производству буровых шарошечных долот. Однако Великая Отечественная война отодвинула время реализации этого решения, и Куйбышевский долотный завод был введен в строй 24 мая 1948 года. Завод сразу же стал бурно развиваться в соответствии с ростом нефтегазодобывающей промышленности. Если в 1948 году было выпущено всего 1000 долот диаметром 243 мм с фрезерованным вооружением шарошек, то уже в 1956 году долот этого типоразмера было произведено 22000 штук [12]. В 1961 году выпущено 78000 долот , из них диаметром 243 мм —34%, диаметром 214 мм - 42% и диаметром 190 мм - 24%. Осваивались новые типы долот, рос объем их выпуска, увеличивались показатели средней проходки долота.
В 1978 году 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. 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 "Дрессер". Лицензированный блок цехов был полностью запущен в производство в декабре 1982 года [12].
Уже в следующем, 1983 году проходка новых низкооборотных долот возросла в 2,54 раза. Прогрессивные материалы и технологии производства были перенесены и на производство высокооборотных долот, что позволило повысить показатели и их работы. В 1988 году Производственное объединение "Куйбышевбурмаш" выпустило более 360 тысяч штук 58 типоразмеров долот, в том числе более 100 тысяч штук низкооборотных. Значительно увеличились экспортные поставки, которые осуществлялись уже в 18 стран [12].
В 1994 году государственное предприятие ПО "Куйбышевбурмаш" было преобразовано в ОАО "Волгабурмаш". Пройдя все трудности вхождения в рыночные отношения, совпавшего по времени с глубоким кризисом в нефтегазодобывающем
комплексе страны, ОАО "Волгабурмаш" сумело не только выжить, но и значительно укрепить свои позиции в России и дальнем зарубежье, увеличив экспорт по сравнению с 1994 годом. В настоящее время ОАО "Волгабурмаш" является основным производителем буровых шарошечных долот в России, обеспечивая более 80% всего объема разведочного и эксплуатационного бурения на нефть и газ в стране, а также более 60% потребности в долотах при строительстве скважин для взрывного бурения на рудных карьерах и в строительстве [13]. Традиционными потребителями продукции ОАО "Волгабурмаш" являются страны ближнего и дальнего зарубежья. ОАО "Волгабурмаш" занимает достойное место среди ведущих мировых фирм, производящих буровые долота.
При открытой рыночной экономике ОАО "Волгабурмаш" вынуждено работать в условиях острой конкурентной борьбы с зарубежными производителями буровых долот, в первую очередь американскими, не только на внешнем, но и на внутреннем рынке. В этих условиях первостепенное значение приобретает качество буровых долот, их способность эффективно и надежно, без аварий работать при бурении. О работоспособности долот судят по таким показателям как проходка (метры), стойкость (часы) и механическая скорость бурения (м/ч). По этим показателям долота ОАО "Волгабурмаш" заметно уступают долотам ведущих американских фирм, выигрывая у них в цене. Например, средние показатели долот ОАО "Волгабурмаш" ниже показателей долот фирмы "Хьюз": по проходке на 27%, по стойкости - на 24% и по механической скорости — на 4% [13]. Для сохранения и укрепления позиций в конкурентной борьбе необходимо приближать технический уровень отечественных долот к уровню долот ведущих зарубежных фирм, так как практика показывает, что потребитель часто предпочитает более дорогие долота зарубежного производства, но при всесторонних гарантиях их качества и надежности.
В ОАО "Волгабурмаш" ведется постоянная и кропотливая работа по повышению технического уровня и освоению новых конструкций буровых долот, что позволило повысить среднюю проходку на долото с 26,2 м в 1965 году до 198 м в 1999 году , или более, чем в 7 раз [12]. В 1995-1997 годах была проведена большая ор-« ганизационная работа по Международной сертификации производства и качества
продукции по условиям лицензирования и действующих стандартов № 7 Американского института нефти (American Petroleum Institute - API) системы качества Международной организации по стандартизации (ISO 09001-94). Были переработаны более 80 стандартов предприятия, пересмотрены технологические процессы, организационные структуры, положения о службах, проведено обучение всего персонала
[12].
Большое внимание в ОАО "Волгабурмаш" уделяется научно-техническим разработкам. В качестве примера приведем только две диссертационные работы, защищенные в последние годы работниками ОАО "Волгабурмаш" Богомоловым P.M. и Морозовым Л.В. Разработаны и используются при создании новых конструкций долот принципы научно обоснованного выбора и проектирования новых видов вооружения шарошек, сочетающихся с выбором наиболее эффективных схем и габаритов опор лап и соответствующей схемы очистки забоя [14]. Внедрены методы компьютерного анализа напряженно-деформированного состояния деталей буровых долот, а также технология селективной компьютерной сборки долот [15].
Однако многолетние исследования показывают, что работоспособность и безотказность буровых долот определяется не только конструкцией, качеством изготовления деталей и сборки долот, но и качеством материалов, из которых изготовлены детали долота [11, 16-20]. Основным материалом в долоте являются стали, так как из них изготавливаются главные детали долота: шарошки, лапы и тела качения (ролики и шарики). Эти стали называются долотными. Исследованию качества до-лотных сталей и посвящена настоящая диссертационная работа.
Как уже отмечалось, в основном производстве ОАО "Волгабурмаш" используются материалы и технологии, закупленные по лицензии у фирмы "Дрессер" (США). Поэтому стали, из которых изготавливаются буровые шарошечные долота в ОАО "Волгабурмаш" и в США, являются аналогичными. Однако показатели работоспособности российских долот заметно уступают американским. В связи с этим актуальным является сравнение качества российских и американских долотных сталей, выяснение их роли в обеспечении работоспособности буровых шарошечных
долот, в повышении технического уровня отечественных долот до уровня лучших зарубежных долот.
Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства [21, 22], и в этом смысле оно равнозначно понятию металлургическое качество стали [23]. В настоящей работе исследуется и сравнивается металлургическое качество сталей в буровых шарошечных долотах производства ОАО "Волгабурмаш" и ведущих американских фирм "Хьюз", "Смит", "Секьюрити" и "Варел". Анализируется химический состав сталей, их макро- и микроструктура, прокаливаемость и механические свойства. Особое внимание уделяется стабильности, макро- и микронеоднородности состава, структуры и свойств сталей — важнейшим показателям их качества, играющим определяющую роль в обеспечении эффективной и надежной работы долота. Результаты настоящей диссертационной работы представлены в публикациях [1-6, 149-151].
Работа выполнена в ОАО "Волгабурмаш" и на кафедре "Материаловедение в машиностроении" Самарского государственного технического университета (Сам-ГТУ). Автор выражает благодарность за помощь в проведении исследований сотрудникам ОАО "Волгабурмаш" Елуферьевой Л.Л. и Черакаеву А.Н., сотрудникам СамГТУ Иванову А.И., Пугачевой Т.М., Морозовой Е.А., а также научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Амосову А.П.
Долотные стали и требования к их свойствам
Качество металла с точки зрения потребителя - это способность металла выполнять все функции, необходимые потребителю [24]. Такая способность определяется набором свойств металла, отвечающих требованиям технологии производства и эксплуатации изделий из него. Рассмотрим с этой точки зрения требования к качеству долотной стали с обоснованием требований к ее свойствам, а также возможности металлургической технологии их удовлетворить.
Свойства материалов разделяют на механические, технологические, физические, химические, структурные, эксплуатационные (или служебные) и стоимостные [21, 73, 74]. В научно-технической литературе по буровым долотам, по исследованию их работоспособности [7, 8, 14-20, 75-100] наибольшее внимание уделяется механическим и эксплуатационным свойствам долотных сталей; значительно меньше обсуждаются их технологические свойства, хотя они часто играют решающую роль при отборе стали для производства буровых долот.
Чтобы иметь представление о требованиях к технологическим свойствам до-лотных сталей, в качестве примера приведем сокращенный типовой технологический процесс изготовления лап и шарошек, и сборки трехшарошечных долот с фрезерованными зубьями [8]. Лапа: резка проката на штучные заготовки; штамповка; термическая обработка; фрезерование двугранного угла, торца и радиусной спинки; сверление отверстия под замковый палец; запрессовка замкового пальца; сверление отверстия под фиксирующий штифт; фрезерование площадок под зацентровку; зацентровка; токарная обработка цапфы; прорезание канавок; сверление гидромониторного отверстия; химико-термическая обработка; шлифование беговых дорожек; фрезерование двугранного угла; сверление штифтовых отверстий.
Шарошка: штамповка; термическая обработка; обтачивание базового пояска; растачивание внутренней полости и подрезка торца; прорезание канавок и подрезка вершин; фрезерование торцовых канавок; сверление отверстия под смазку; армиро вание зубьев наплавочным твердым сплавом; химико-термическая обработка; шли % фование торца и замкового пальца; заварка замкового пальца.
Сборка долота: сборка секций (лап) в букет; сварка долота; отжиг хвостовика; токарная обработка ниппеля и нарезание резьбы.
Вопрос о выборе рациональной марки стали для изготовления каждой детали долота решается строго дифференцированно, исходя из условий ее работы и технологии изготовления [11, 19, Условия эксплуатации шарошечных долот [9,15]. Еще раз подчеркнем, что вряд ли можно найти более тяжелые условия работы оборудования и инструмента другого назначения, чем условия работ долот на забое скважины. Шарошечные долота, имея диаметр 46 - 508 мм, работают при осевых нагрузках 20 - 600 кН при частоте вращения шарошек до 1000 об/мин, при значительной динамичности приложения нагрузки (коэффициент динамичности Кд = 1,3 - 1,5). На долото подается значительный крутящий момент (до 2500 Нм). Работа происходит в высокоабразивной среде, в которой быстро изнашиваются даже твердосплавные породоразру-шающие зубки, армированные алмазами. Всестороннее гидростатическое давление достигает 80 МПа. Буровая жидкость протекает через срез сопла в долоте со скоро-стью 50-100 м/с и более. Высокая энергоемкость разрушения горных пород требует подведения к долоту большой мощности (более 50 кВт). Реализация этой мощности происходит через небольшие контактные поверхности, что обуславливает высокую напряженность работы элементов долота. В работе опоры шарошечного долота участвует одновременно не более 25% всех тел качения, поэтому контактные напряжения достигают в опорах качения 4000-5000 МПа, а в опорах скольжения - 30 — 40 МПа. Удельная контактная мощность при работе опор качения достигает еле-дующих величин (Вт/мм ): роликов - 0,25; шариков -0,092; беговых дорожек шарошки - 0,45; беговых дорожек цапфы лапы - 0,95. Скорость скольжения 0,2 - 1,2 м/с; частота взаимодействия ролика с цапфой 12 - 59 с"1. 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, что свидетельствует о неравномерной загруженности беговых дорожек.
Температура среды на забое в некоторых районах достигает 473К и выше. На « контакте "зуб шарошки - горная порода" и в опорах возникают температурные вспышки до 1300 К и более. Температура нагрева роликов достигает 583 - 673 К. 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: от 20 до 300 часов при низкооборотном бурении и до 5 - 10 часов при высокооборотном. Долото может эффективно работать только в том случае, если его тип, конструкция и режимы отработки соответствуют разбуриваемым породам.
Рассмотрим теперь работу основных деталей бурового шарошечного долота. Шарошка, Условия работы шарошек характеризуются значительными осевыми и радиальными нагрузками, интенсивным износом наружных и внутренних поверхностей, а также ударами. Шарошки часто выходят из строя по причине их разрушения, что объясняется следующим. Шарошка долота имеет сложную конфигурацию. Клиновидные зубья фрезеруются на внешнем конусе пустотелой шарошки и образуют венцы, разделенные межвенцовыми канавками. Такая конфигурация имеет многочисленные концентраторы напряжений при том, что минимальная толщина стенки корпуса шарошки в зависимости от размера долота составляет всего 4 — 5 мм. В условиях статического и динамического нагружения долота создаются благоприятные условия для зарождения и развития различного рода трещин, вызывающих в конечном итоге раскол шарошки на забое скважины. Зуб шарошечного долота также подвергается одновременно высокой статической и динамической нагрузке, знакопеременному изгибу, скольжению и удару по разрушаемой породе, смятию, усталостным разрушениям после большого цикла перемен напряжения. Чтобы исключить разрушение корпуса шарошки и поломку зубьев, сталь, из которой изготовлена 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.
Выбор методик исследования и оборудования
Основные требования к металлургическому качеству долотных сталей изложены в ТУ 3-102-80, согласно которым регламентируются методы выплавки этих сталей и следующие их свойства:
Химический состав. Анализ химического состава стали по содержанию основных элементов марочного состава и некоторых других элементов проводился на атомно-эмиссионном спектрометре SA 2000 фирмы "Leco" в поверхностных пятнах диаметром 5 мм по сечению плоских образцов - темплетов, вырезанных из шарошек и лап долот, а также штанг проката исходного металла. Анализируемые элементы: В, С, А1, S, Р, Са, Ті, V, Cr, Mn, Со, Ni, Си, Zr, Nb, Mo, W. Пятна анализа распределялись по сечению темплета, что позволяло изучать макронеоднородность по химическому составу, а усреднение результатов позволяло определять среднее содержание элементов в стали.
Для анализа стали на наличие элементов с малым содержанием (модифицирующих и микролегирующих Са, La, Се и В, а также неконтролируемых примесей Sb, Pb и Se) применялся высокочувствительный метод вторичной ионной масс спектрометрии на установке PHI-6600 SIMS System фирмы "Physical Electronics", уровень обнаружения малого содержания элементов на которой составляет 10 %.
Содержание газов 02 и N2 в стали определялось на газоанализаторе ТС 136 фирмы "Leco" методом высокотемпературной (2300) экстракции газов: N2 — по теплопроводности, О2 - по инфракрасному спектру.
Для изучения распределения химических элементов в стали на микроуровне использовался метод микрорентгеноспектрального анализа на установках "Камебакс -343" и "Суперпроб - 733". Микрорентгеноспектральный анализатор "Камебакс -343" фирмы "Сашесо" позволяет осуществлять неразрушающий качественный и количественный локальный рентгеновский анализ химического состава с помощью электронного зонда диаметром 25-500 мкм с разрешающей способностью 80 А. Локальный рентгеноспектральный анализатор - электронный микроскоп "Суперпроб — 733" фирмы "Jeol" позволяет производить качественный и количественный химический анализ с помощью локального электронного зонда с диаметром от 10 до 500
Макроструктура - это строение металла, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифованных протравленных образцах. Макроанализ позволяет исследовать химическую и структурную неоднородность, волокнистое строение деформированного металла, дендритное строение литого металла, а также выявить дефекты, нарушающие сплошность строения металла [33, 123-125]. Согласно ТУ 3-102-80 контроль макроструктуры долотной стали производится по ГОСТ 10243-75 [35].
В настоящей работе макроскопическое строение оценивалось по степени зональной и дендритной ликвации, характеру волокнистого строения, распределению примесей (S, Р, С). Применялись два метода макроанализа: метод поверхностного травления (метод снятия отпечатка по Бауману) и метод глубокого травления [123, 124]. В методе Баумана снимается серный отпечаток на бромсеребряную фотобумагу, пропитанную 10%-ным водным раствором серной кислоты. Сера является наиболее вредной примесью в стали. Отпечаток позволяет судить о степени загрязненности и распределении (ликвации) серы, а также, косвенно, фосфора и углерода по сечению образца. Для глубокого травления применялся 50%-ный водный раствор концентрированной соляной кислоты. Травление осуществлялось при температуре 80 С в течение 30-90 минут до четкого выявления волокнистого строения металла и дефектов макроструктуры металлургической природы: усадочной пористости, зон кристаллизации, ликвации и т.п. (см. подраздел 1.1 литературного обзора).
Микроструктура - это строение металла, выявляемое на шлифованных и, в случае необходимости, протравленных образцах при больших увеличениях в оптическом и растровом электронном микроскопах. В настоящей работе -микроскопический анализ выполнялся как на оптическом металлографическом микроскопе ММ-6 фирмы "Leitz" с увеличением от 50 до 1600 раз (с использованием иммерсии), оснащенном также приставкой для измерения микротвердости по Кнупу, так и на электронном микроскопе "Суперпроб -733", охарактеризованном выше. Металлографическое исследование позволяло определять фазовый состав, номер зерна, полосчатость микроструктуры. Наряду с оптической и электронной металлографией для изучения волокнистого строения и полосчатости, микронеоднородности состава и структуры стали применялся метод исследования распределения химических элементов с помощью микрорентгеноспектральных анализаторов "Камебакс - 343" и "Суперпроб - 733", а также метод измерения микротвердости по Кнупу на микроскопе ММ-6.
Как обычно, исследование микроструктуры начиналось с изучения микрошлифа в нетравленом виде на предмет неметаллических включений, их природы, морфологии, распределения и количества неметаллических частиц [123 - 125]. Согласно ТУ 3-102-80 определение неметаллических включений проводится по ГОСТ 1778-70 методом Ш6 [133]. Стандартный анализ на неметаллические включения в настоящей работе производился на оптическом микроскопе ММ-6 и оптико-электронном комплексе анализа изображений и моделирования структур "SIAMS 600" [127]. Оценка неметаллических включений определялась по наиболее загрязненному месту образца (максимальный балл).
Определение величины (номера) зерна производилось в соответствии с ГОСТ 5639-82 на травленых микрошлифах визуальным методом — сравнением видимых под микроскопом зерен при увеличении в 100 раз с эталонными изображениями [123 - 125, 132]. Для определения величины наследственного аустенитного зерна использовался метод цементации, при котором границы зерен выявляются в виде сетки вторичного цементита, а для определения величины действительного зерна - метод травления.
Исследовалась микроструктура как сердцевинной части, так и цементованных слоев шарошек и лап буровых долот. В цементованных слоях анализировалось распределение, морфология и сравнительное количество карбидной фазы. Кроме того, проводилась сравнительная оценка количества остаточного аустенита в сталях долот различных производителей. Количество остаточного аустенита определялось с использованием рентгеновского дифрактометра "ДРОН-3,0" по методике, предложенной в работе [128] и основанной на измерении интенсивности линий двух фаз.
Прокаливаемость -способность стали воспринимать закалку на определенную глубину. Она регламентируется ТУ 3-102-80 и согласно этим техническим условиям должна определяться методом торцевой закалки по ГОСТ 5657-69 [129]. Такой метод используется для глубоко прокаливающихся легированных сталей, принимающих закалку при охлаждении в масле [123, 130, 131]. В настоящей работе он применялся для построения кривой прокаливаемости для стандартного образца в координатах твердость - расстояние от торца, охлаждаемого струей воды. На основании кривых прокаливаемости для нескольких образцов из одной стали строились полосы прокаливаемости для этой стали.
Анализ стали лап долот на наличие элементов с малым содержанием (модифицирующих и микролегирующих, малых примесей)
Учитывая полученные в предыдущем подразделе результаты, а также принимая во внимание тот факт, что долота зарубежных производителей характеризуются повышенной работоспособностью по сравнению с отечественными, было проведено исследование стали лап долот на возможно малое содержание неприсущих для отечественной стали марки 19ХГНМА элементов, во-первых, модифицирующих и микролегирующих, которые могли бы положительно сказаться на служебных свойствах долотных сталей, а во-вторых, на содержание малых примесей, присутствие которых могло бы сказаться на ухудшении работоспособности отечественных долот. К первым элементам относятся раскислитель Са, редкоземельные элементы La, Се и бор В, к вторым - неконтролируемые примеси Sb, Pb, Se и газы О2, N2. Для этого анализа применяли высокочувствительный метод вторичной ионной масс-спектрометрии на установке PHI-6600 SIMS System фирмы "Phisical Electronics", уровень обнаружения малого содержания элементов на которой составляет 10 %. Анализ проводился на основе определения отношения интенсивности выделения ионов элементов по отношению к интенсивности выделения ионов железа,.составляющего матрицу стали. Результаты анализа представлены в таблице 3.13. Таблица Эти результаты позволяют качественно судить о наличии рассматриваемых элементов и об их относительном содержании в стали разных долот. В частности, эти стали не содержат La, Се, Pb ( с точностью 10"4 %), содержат бор на уровне 10"4 %, а также содержат Са, Se, Sb в количествах более 10"4 %. Что касается относительного содержания элементов в разных долотах, то оно находится примерно на одном уровне для каждого элемента. Содержание разных элементов между собой по результатам таблицы 3.13 сравнивать нельзя.
Данные результаты позволяют сделать следующие выводы. Раскислитель Са. Кроме отмеченных выше раскислителей - марганца, кремния и алюминия — в стали лап долот всех производителей обнаружен кальций. Его малое содержание примерно одинаково в стали долот "Секьюрити", "Смит", ОАО "Волгабурмаш", и только у "Варел" - в 4-5 раз больше. Кальций важен не только как раскислитель, но и как сильный модификатор-десульфуратор, который уменьшает зональную ликвацию серы и глобулизирует ее, связывая в равноосные недеформи-руемые включения [59]. Для этого содержание кальция должно быть на уровне содержания серы.
Редкоземельные металлы (La, Се). Лантан и церий являются также сильными раскислителями и десульфураторами, поэтому они иногда используются в малых количествах для модифицирования расплавов, влияя на неметаллические включения. Однако в стали как зарубежных долот, так и ОАО "Волгабурмаш" они не обнаружены.
Бор. Микролегирование бором (0,001 - 0,005 %) [23] используется для управления зерном. Стали с бором — "наследственно мелкозернистые", а прокаливаются глубже, чем обычные углеродистые. Но бор полезен лишь в очень малых количествах и только тот, что растворен в аустените (всего 0,002 % В при 910С) [59]. По данным масс-спектрометрического анализа содержание бора в стали долот находится на уровне 10"4 %, но различается в несколько раз для разных долот, причем сталь долот ОАО "Волгабурмаш" по содержанию бора занимает промежуточное положение между импортными долотами. Поэтому нет оснований утверждать, что в зарубежных долотных сталях используется целенаправленное микролегирование бором.
Неконтролируемые примеси ( РЬ, Sb, Se ). Свинец отсутствует в стали лап всех долот. Малые количества селена и сурьмы присутствуют в стали , но их содержание практически одинаково для всех долот, включая ОАО "Волгабурмаш", поэтому не может быть причиной заметного различия в свойствах долот различных производителей.
Содержание газов (О2, N2). Результаты определения содержания газов на газоанализаторе ТС 136 фирмы "Leco" методом высокотемпературной экстракции газов при 2300 С представлены в таблице 3.14.
Макроструктура проката отечественных производителей в состоянии поставки
Дефекты макроструктуры лап долот ОАО "Волгабурмаш" - дендритная структура, грубое волокно - могут иметь два происхождения: дефект исходного металла и дефект кузнечно-штамповочного производства на ОАО "Волгабурмаш".
Поступающий на ОАО "Волгабурмаш" металл проходит внешнюю приемку в ОТК согласно СТП 1401-128-95. Контроль качества осуществляется ЦЗЛ в соответствие с требованиями ТУ 3-102-80. Для установления происхождения отмеченных дефектов макроструктуры металла лап параллельно с ЦЗЛ были изучены 12 плавок стали 19ХГНМА. Шесть плавок (23754, 23333, 42004, 89771, 18264 и 36263) получены из ОАО ОЭМК, три плавки (35894, 35889 и 36947) поступили из ОАО "Электросталь", три плавки (05289, 252125 и 15265) поступили из ЗАО ВМЗ "Красный Октябрь".
Из штанг диаметром 110 мм и 90 мм названных плавок нами были изготовлены темплеты толщиной 20 мм. Темплеты были подвергнуты глубокому травлению по вышеописанному режиму, выявленная макроструктура иллюстрируется рисунками 4.16-4.18.
На рисунке 4.16 видно, что сталь 19ХГНМА производства ОАО ОЭМК имеет три зоны с дендритной структурой. В каждой зоне дендриты имеют ориентировку, перпендикулярную ориентировке в соседних зонах и примыкают к более темной ли-квационной зоне квадратной формы. Следовательно, слитки имели квадратную форму, и скорость охлаждения их в кристаллизаторе была неодинакова (верхняя зона охлаждалась с наибольшей скоростью). Соответственно, длина дендритов в зонах имеет разную длину от 10 до 28 мм. Площадь темплета с дендритной структурой составляет 60 % общей площади. Зоны дендритов ограничены переходными, более сильно травящимися участками, образующими с центральной зоной темный крест. Следует заметить, что дендритная, литая структура и разграничивающий их темный "крест" имеются во всех исследованных плавках стали 19ХГНМА производства ОАО ОЭМК. Различие проявляется только в длине дендритов, в протяженности зон с литой структурой и в четкости вытравливания "креста". Существенно также наличие зоны центральной сквозной пористости.
В качестве примера в таблице 4.1 приведена выписка из сертификатов нескольких плавок стали ОАО ОЭМК, из которой следует, что, хотя по большинству параметров макроструктуры: ТН, ЛК, ЛП сталь имеет баллы, соответствующие по ГОСТ 4543-71 особовысококачественной стали [36], но балл 2 по центральной пористости и балл 1 по подусадочной ликвации позволяет присвоить этой стали категорию только высококачественной стали.
Макроанализ проката, поступившего в ОАО "Волгабурмаш" с ОАО "Электросталь", не выявил дефектов, свойственных стали ОАО ОЭМК (рисунок 4.17). Макроструктура стали 19ХГНМА плавок ЕВ 35894, ЕВ 35889, ЕВ 36947 относительно однородная, дендритная структура отсутствует. Лишь в плавке 35894 (рисунок 4.17,а) имеются отдельные беспорядочно ориентированные дендриты размером не более 5-7 мм. Металл ОАО "Электросталь" по макроструктуре не только полностью удовлетворяет требованиям ТУ 3-102-80, но и относится к категории особовысококачественной стали.
Аналогичное заключение получается и по макроструктуре проката, поступившего из ЗАО ВМЗ "Красный Октябрь" (рисунок 4.18 ). В нем также не обнаружено дефектов, свойственных стали ОАО ОЭМК. Макроструктура плавок 052089, 25125 и 252265 довольно однородна, дендритная структура отсутствует, что характерно для проката сталей с электрошлаковым переплавом. Лишь в плавке 052089 встречаются отдельные беспорядочно ориентированные дендриты размером до 5 - 6 мм. И в двух плавках (252125 и 052089) также выявляется более темный участок в виде "креста". Однако в итоге сталь ЗАО ВМЗ "КО" по макроструктуре соответствует категории особовысококачественной стали.
Следует подчеркнуть, что это еще не гарантирует особо высокого качества по микроструктуре, которая характеризуется номером зерна, баллом неметаллических включений и полосчатости, и существенно влияет на уровень технологических и эксплуатационных свойств стали.
Представляет интерес объяснение причины возникновения своеобразного темного креста, обнаруженного при глубоком травлении поперечных темплетов проката. На рисунке 4.19 представлена схема для такого объяснения возникновения креста в прокате ОАО ОЭМК, получаемого из непрерывно литых слитков. Такие слитки стали 19ХГНМА имеют сечение 340 х 300 мм с контуром "а". Прокатка осуществляется на круг 0 110 мм (контур "б"). При степени обжатия перпендикулярно диагоналям квадрата - в направлении "в" - около 4, степень обжатия в направлении "г" не достигает и 3. Так как минимальная степень обжатия для устранения литой структуры по нормам [58] больше 4, то при деформации вдоль диагонали квадрата# дендриты поворачиваются в направлении оси и превращаются в волокна, перпендикулярные диагоналям; в направлении "г" дендриты сохраняются. Структура с волокном, выходящим на поверхность, травится глубже. Поэтому на макрошлифе выявляется крест, оси которого совпадают с диагоналями исходного квадрата.
Для большей полноты эксперимента был проведен макроанализ нескольких плавок стали 20ХГНМ, поставленных ОАО ОЭМК на ОАО АвтоВАЗ в виде проката диаметром 80 мм. Результаты макроанализа опубликованы в работе [1]. Сталь 20ХГНМ имеет практически такой же химический состав, как и долотная сталь 19ХГНМА. Проведенное глубокое травление также выявило дефекты в виде дендритной, столбчатой структуры, но здесь дендриты имеют меньшую длину (менее 7 -10 мм) и занимают меньшую относительную площадь. Кроме того, в макроструктуре отсутствует выраженный темный "крест". Отсюда сделано заключение, что поставляемый на ОАО АвтоВАЗ металл обладает более качественной и однородной макроструктурой, чем металл, поставляемый на ОАО "Волгабурмаш". Такое различие в макроструктуре металла может быть объяснено тем, что при прокате исходного слитка сечением 340 х 300 мм в круг диаметром 80 мм степень обжатия металла и длительность нагрева заметно выше, чем при прокате в круг диаметром 110 мм.
Для определения структуры сталей методами микроанализа применялись оптическая и электронная металлография, измерение микротвердости и микрорентге-носпектральный анализ. Исследование микроструктуры проводилось на примере стали 19ХГНМА и ее американского аналога AISI 8720Н, из которых изготавливаются лапы шарошечных долот. Микроанализу подвергались образцы стали 15 х 15 х 15 мм из цапфенной части лап долот:
Металлографическое исследование выполнялось с использованием оптического микроскопа ММ-6 и электронного микроскопа "Суперпроб-733".
При оптической микроскопии получены представленные на рисунках 5.2 - 5.5 панорамы структур сталей в долотах "Секьюрити" и "Волгабурмаш", соответственно у галтелей ББД (образцы 1) и МБД (образцы 4). В структуре цапф лап долот на продольных шлифах просматриваются темные и светлые полосы, свидетельствующие о полосчатости структуры и, соответственно, о макроволокнистости стали. Однако отмечаются существенные различия по степени неоднородности и, главное, по размерным характеристикам. Так, в стали долота "Секьюрити" толщина волокна колеблется от 170 до 300 мкм, а в стали долота "Волгабурмаш" - от 200 до 450 мкм. Отечественная сталь отличается большей неоднородностью структуры - в пределах волокна размер действительного зерна меняется от балла 7 до балла 11: в областях с игольчатой структурой (оси волокон) балл зерна - 7, у границ волокон - 11. Для
