Обработка холодом как способ повышения износостойкости материала бурового инструмента

Ле Тхань Бинь, В.И. Болобов, Г.А. Юсупов, М.П. Мосеев

ОБРАБОТКА ХОЛОДОМ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Представлены результаты экспериментов по изучению влияния обработки холодом (выдержки образцов при -75 °С) на основные механические свойства (а02, аВ, КСу HRC) и износостойкость буровых сталей 38ХМ и 55С2 после закалки с различной температуры. Обнаружено значительное увеличение износостойкости (на 18-^26%, соответственно) при незначительном повышении прочности (на 1-^1,1%) и уменьшении ударной вязкости (на 1,4-^19%) образцов, подвергнутых обработке холодом, по сравнению с материалами, прошедшими обычную термическую обработку. Делается вывод, что обработка холодом может рассматриваться в качестве перспективной дополнительной операции термической обработки для увеличения износостойкости сталей, применяемых для изготовления горного рабочего инструмента - пик гидравлических молотов, буровых штанг, корпусов коронок и другого горного оборудования, работающего в условиях абразивного износа. Ключевые слова: буровые стали, обработка холодом, термическая обработка, износостойкость.

Известно [1, 2, 3], что если точка конца мартенситного превращения Мк стали ниже комнатной температуры, то после закалки в структуре материала остается остаточный аустенит, количество которого возрастает с увеличением содержания углерода и легирующих элементов в стали (рис. 1). Чем больше их содержание, тем ниже точка Мк (рис. 2).

Присутствие в структуре материала закаленных деталей остаточного аустенита отрицательно влияет на его физико-механические свойства и сказывается, прежде всего, в понижении твердости и прочности, в ухудшении теплопроводности и магнитных характеристик. Эти свойства материалов имеют первостепенное значение для технологии машиностроения. Теплопроводность стали оказывает существенное влияние на скорость отвода теп-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 108-114. © 2016. Ле Тхань Бинь, В.И. Болобов, Г.А. Юсупов, М.П. Мосеев.

/ г « 5 6 Г

Рис. 1. Зависимость количества остаточного аустенита от количества содержания легирующих элементов [2]

ла от лезвия режущего инструмента. Опытным путем установлено, что пониженная устойчивость резцов при скоростном резании на металлообрабатывающих станках объясняется возникновением высокой температуры на лезвии, которая обусловлена плохой теплопроводностью аустенита [1].

Обработка холодом, заключающаяся в охлаждении закаленной стали ниже ее температуры Мк, способствует превращению остаточного аустенита в мартенсит, что улучшает износостойкость и механические свойства материала. Кроме этого,

Содержание. % ( по ñatee} Рис. 2. Зависимость точки М от содержания углерода [3]

Влияние обработки холодом и криогенной обработки на износостойкость зарубежных инструментальных сталей

Марка стали Обработка холодом при температуре -79 °С Криогенная обработка при температуре -190 °С

по AISI близкий аналог по ГОСТ улучшение износостойкости, %

D2 Х12МФ 216 717

S7 6Х4М2ФС 241 403

52100 Х 95 320

01 9ХВГ 121 218

А10 - 130 164

М1 Р2АМ9К5 45 125

Н13 4Х5МФ1С 64 109

М2 Р6М5 17 103

Т1 Р18 41 76

Р20 38ХМ 23 30

440С 95Х18 28 21

длительная выдержка при температуре значительно ниже Мк, приводит к образованию при последующем отпуске стали большого количества очень мелких частиц карбида, названного П-карбидом, что также способствует улучшению эксплуатационных свойств стали [4]. Эффект от обработки холодом зависит от количества остаточного аустенита в закаленной стали и возрастает со снижением точки Мк. Поэтому обработка холодом наиболее эффективна для углеродистых сталей с содержанием углерода более 0,6% и высоколегированных сталей.

Обработка холодом и криогенная обработка широко применяются в технике в качестве дополнительной операции после закалки для улучшения износостойкости инструментальных сталей [1]. Так по данным [5] (табл. 1) выдержка закаленных образцов широкого спектра легированных и быстрорежущих сталей, используемых в качестве материалов режущего инструмента и штампов холодного и горячего деформирования, приводит к существенному улучшению (до 2,5 и 7 раз, соответственно) их износостойкости (методика испытаний в [5] не приводится).

В то же время сведений о применении указанных видов обработки для повышения эксплуатационных свойств материалов горного инструмента, подвергающихся абразивному изнашиванию, в литературе не обнаружено. В настоящей работе сравнивается абразивная износостойкость и механические свойства некоторых наиболее широко используемых буровых сталей после обработки холодом с характеристиками этих материалов после обычно применяемой на практике их термической обработки и обсуждается возможность применения операции обработки холодом в горном машиностроении.

Объектом исследования являлись основные физико-механические характеристики (ст02, стВ, КСУ, HRC) и стойкость к абразивному изнашиванию сталей 38ХМ и 55С2, как материалов пик бурового оборудования ударного действия, на образцах после типовой для таких сталей термической обработки (закалка в масле плюс низкий или средний отпуск) и дополнительно подвергнутых обработке холодом. В последнем случае образцы непосредственно после закалки помещались в крио-стат с охлаждающей жидкостью с температурой -75 °С, где выдерживались в течение 4 ч.

Эксперименты по определению физико-механических характеристик проводились на стандартных образцах с использованием разрывной машины 2шск^ое11 2100, маятникового копра 2шск^ое11 RKP450 и твердомера 2шск^ое11 2Ни. Опыты по износостойкости осуществлялись по методике ASTM G99 (метод «штифт-диск») на штифтах-образцах цилиндрической формы (диаметром 4 мм, высотой 14 мм), которые при постоянной нагрузке (Р = 40 Н) изнашивались заданное время со скоростью 0,257 м/с по диску из электрокорунда. По результатам взвешивания образцов до и после воздействия абразива значение износостойкости рассчитывалось по формуле:

^ = р  Р  Ь/т, Н  м/мм3

где р — плотность материала штифта, г/мм3; т — убыль массы штифта в результате износа, г; Ь — путь изнашивания (100 м).

Значения определяемых характеристик материалов, как среднее арифметическое из результатов 3-х экспериментов, представлены в табл. 2.

Как следует из данных таблицы, обработка холодом, по сравнению с обычной термической обработкой, как и в [1, 2, 3], приводит к незначительному повышению прочностных характери-

Результаты физико-механических испытаний и экспериментов по определению износостойкости образцов буровых сталей термообработанных без обработки и с обработкой холодом

Марка стали Вид обработки Значение параметров

предел текучести стод, МПа предел прочности ств, МПа ударная вязкость КСУ, Дж/см2 твердость, HRC износостойкость Л , Нм/мм3

38ХМ Закалка (с 870 °С) + отпуск (200 °С) 1478 1933 40,6 51,1 69,0

Закалка

Закалка (с 950 °С) + отпуск (200 °С) 1486 1887 37,5 48,7 -

Закалка

55С2 Закалка (с 870 °С) + отпуск (200 °С) « « 5,6 59,6 97,0

Закалка

Закалка (с 870 °С) + отпуск (360 °С) « « 7,1 57,8 -

Закалка (с 870 °С) + холод + отпуск (360 °С) 7,0 (-1,4%) 58,4 (+1,0%) -

Закалка (с 870 °С) + отпуск (460 °С) « « 22,3 46,9 -

Закалка (с 870 °С) + холод + отпуск (460 °С) 19,0 (-14,8%) 47,4 (+1,1%) -

" — хрупкое разрушение образцов в широком интервале напряжений

стик (ст0 2, аВ) и твердости испытанных материалов при одновременном' снижении ударной вязкости. (Значения ст02, стВ стали 55С2 определить не представилось возможным, из-за большого разброса в результатах эксперимента, вызванного, как можно заключить, охрупчиванием образцов в результате термической обработки). Причем, с увеличением температур аустенизации и отпуска указанный эффект от обработки холодом снижается. Абразивная износостойкость в результате воздействия холода возрастает от 18 до 26%.

Из представленных предварительных результатов исследования можно заключить, что обработка холодом может рассматриваться в качестве перспективной дополнительной операции термической обработки для увеличения износостойкости сталей, применяемых для изготовления горного рабочего инструмента — пик гидравлических молотов, буровых штанг, корпусов коронок и другого горного оборудования, работающего в условиях абразивного износа. При этом следует найти наиболее оптимальные режимы термической обработки, при которых негативное влияние обработки холодом на ударную вязкость стали будет минимальным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клименко A. П. Холод в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1969. - C. 247.

2. Чудаков Е. А. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Раздел 2. Материалы машиностроения. Т. 3. — М.: ГОНТИ, 1947. — C. 341.

3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1978. — C. 182.

4. Collins D. N. Deep cryogenic treatment of tool steels: A review // Heat treatment of metals. — 1996. — no 2. — pp. 40—42.

5. Pete Paulin. Technological gear // Gear manufacturing. — 1993. — no 3—4. — pp. 26—29. ana

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ле Тхань Бинь1 — аспирант, e-mail: binhimeme@gmail.com,

Болобов Виктор Иванович1 — доктор технических наук,

профессор, e-mail: boloboff@mail.ru,

Юсупов Григорий Адамбаевич1 — аспирант,

e-mail: chuma-06@bk.ru,

Мосеев Матвей Павлович1 — студент,

1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.23.05

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 108-114. Le Thanh Binh, V.I. Bolobov, G.A. Yusupov, M.P. Moseev COLD TREATMENT AS A WAY TO IMPROVE THE WEAR RESISTANCE DRILLING TOOLS MATERIAL

The results of experiments on the effect of cold treatment (extracts samples at -75 °C) on the basic mechanical properties (a02, Rm, KCV, HRC) and the wear resistance of the drill steel (9255 and G41400) after quenching at different temperatures. A substantial increase in wear resistance (in 18 26%, respectively) with a slight increase of strength (1 1,1%) and reduction of the toughness (in 1,4 19%) of the samples subjected to cold treatment, compared with materials undergone a conventional heat treatment. It is concluded that the cold treatment can be considered as a promising additional step of heat treatment to increase the wear resistance of steels used for the manufacture of mining tools - the peak of hydraulic hammers, drill rods, casings crowns and other mining equipment, operating in conditions of abrasive wear.

Key words: drill steel, cold treatment, heat treatment, wear resistance.

AUTHORS

Le Thanh Binh1, Graduate Student,

e-mail: binhimeme@gmail.com,

Bolobov V.I.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

e-mail: boloboff@mail.ru,

Iusupov G.A.1, Graduate Student, e-mail: chuma-06@bk.ru, Moseev M.P.1, Student,

1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.

REFERENCES

1. Klimenko A. P. Kholod v mashinostroenii (Cold in engineering), Moscow, Mashi-nostroenie, 1969, pp. 247.

2. Chudakov E. A. Mashinostroenie. Entsiklopedicheskiy spravochnik. Razdel 2. Materi-aly mashinostroeniya. T. 3 (Mechanical Engineering. Encyclopedic Reference. Section 2. Materials of Engineering, vol. 3), Moscow, GONTI, 1947, pp. 341.

3. Novikov I. I. Teoriya termicheskoy obrabotki metallov (Theory of heat treatment of metals), Moscow, Metallurgiya, 1978, pp. 182.

4. Collins D. N. Deep cryogenic treatment of tool steels: A review. Heat treatment of metals. 1996, no 2, pp. 40-42.

5. Pete Paulin. Technological gear. Gear manufacturing. 1993, no 3-4, pp. 26-29.

I МЫСЛИ О РОЛИ КНИГИ В ОБЩЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

Если ваша статья оказалась непонятой коллегами, то, скорее всего, она оригинальна.