Почему некоторые сверла для пуговиц служат вдвое дольше: дело не в твердосплаве, а в корпусе.
Когда сверло преждевременно выходит из строя, первое, на что все обращают внимание, — это твердосплавные вставки. Сколы, плоские вставки, отсутствие вставок — повреждения видны, и вина очевидна. Но многие сверла, которые списывают из-за поломки твердосплавных вставок, на самом деле погибли из-за собственного корпуса. Стальной корпус, удерживающий вставки, треснул, деформировался или износился, а вставки — всё ещё в отличном рабочем состоянии — тоже вышли из строя.
Разница между долотом, выдерживающим тысячи метров ударного воздействия твердых пород, и долотом, вышедшим из строя при первой же смене, часто сводится к производственному решению, принятому задолго до того, как долото попало на буровую установку: к способу изготовления корпуса.
Четыре способа сделать из себя привлекательного мужчину — и почему три из них неэффективны
Существует четыре коммерческих процесса производства корпуса сверла с кнопочным механизмом, и они дают совершенно разные результаты, несмотря на то, что в качестве исходной стали используется одна и та же легированная сталь.
Изготовлено из прутка.Простейший подход: взять круглый стальной пруток, нарезать его на нужную длину и обработать все, что не соответствует окончательной форме. Это дешево в плане организации производства — никаких штампов, никакого ковочного оборудования, только токарный станок с ЧПУ. Проблема в том, что механическая обработка не улучшает сталь. Она разрушает зернистую структуру, образовавшуюся при прокатке прутка, нарушая внутренние линии текучести металла на каждой обработанной поверхности. Эти нарушенные линии текучести становятся очагами усталости при ударных нагрузках. А поскольку для создания окончательной формы срезается примерно половина исходного материала, его использование крайне неэффективно. Обработанные корпуса буровых долот подходят для очень легких работ, но при ударном бурении горных пород — где корпус долота поглощает весь удар поршня при каждом ударе — они недолговечны.
Холодная экструзия.Лучше, чем механическая обработка, но имеет свои ограничения. Холодная экструзия вдавливает стальную заготовку в матрицу при комнатной температуре под экстремальным давлением. Деформация повышает плотность материала и несколько измельчает зернистую структуру, но требуемые усилия огромны, а это значит, что матрицы и прессы должны быть массивными, прецизионно отшлифованными и дорогими. Холодная экструзия подходит для сверл малого диаметра с простой геометрией, но она не может справиться со сложными внутренними профилями более крупных сверл, а износ матриц делает ее нерентабельной для крупносерийного производства.
Тепловая экструзия.Компромисс. Заготовка нагревается до промежуточной температуры — ниже точки рекристаллизации — для снижения сопротивления деформации. Силы прессования ниже, чем при холодной экструзии, что означает меньший износ матрицы и снижение стоимости оборудования. Но температурный диапазон узок и не прощает ошибок. Слишком высокая температура приводит к неравномерной рекристаллизации металла. Слишком низкая — и снова возвращаются к силам холодной экструзии. Горячая экструзия подходит для легких буровых долот простой формы, но она не может создавать глубокие, сложные полости, необходимые современному буровому долоту для надлежащей промывки и удаления шлама.
Горячая штамповка.Неслучайно отрасль остановилась на этом варианте. Стальная заготовка нагревается до 1100-1250°C — значительно выше температуры рекристаллизации — и прессуется в прецизионную матрицу под контролируемым давлением. Металл, подобно теплой глине, заполняет каждую деталь полости матрицы, а после охлаждения приобретает зернистую структуру, плотность и внутреннюю целостность, недостижимые при механической обработке или холодной обработке. Горячая штамповка составляет более 80% мирового производства корпусов сверл, и для ударного сверления это доминирование вполне заслужено.
Что происходит внутри стали при температуре 1200 °C?
Преобразование, благодаря которому кованое горячекатаное долото превосходит обработанное механическим способом или методом холодной экструзии, происходит на микроструктурном уровне, и его важно понимать, поскольку оно напрямую определяет срок службы долота под землей.
Когда заготовка поступает в ковочный пресс при температуре 1200 °C, одновременно происходят три процесса, которые невозможно воспроизвести с помощью механической обработки и холодной формовки.
Первый,Внутренние дефекты завариваются.Каждая стальная заготовка содержит микроскопическую пористость — крошечные пустоты, оставшиеся после процесса литья, — и неметаллические включения, такие как частицы оксидов или сульфидов. Под действием сжимающей силы ковочного пресса при заданной температуре эти пустоты разрушаются и завариваются. Включения сплющиваются и рассеиваются, а не остаются в виде частиц, концентрирующих напряжения. В результате плотность материала становится заметно выше, и, что более важно, уменьшается количество заложенных мест зарождения трещин, готовых перерасти в разрушения при циклической ударной нагрузке.
Второй,Зернистая структура восстанавливается с нуля.Крупнозернистая, нерегулярная структура, унаследованная от прокатанной или литой заготовки, полностью разрушается под воздействием тепла и деформации. Когда металл поступает в полость матрицы, старые зерна измельчаются и преобразуются в мелкие, однородные, равноосные зерна — примерно равные по всем размерам — которые придают стали баланс твердости и ударной вязкости, недостижимый только с помощью термообработки. Правильно кованый корпус сверла будет иметь твердость в диапазоне HRC 35-45 и ударную вязкость, достаточную для того, чтобы выдержать тысячи ударов поршня без растрескивания.
Это решает фундаментальную проблему с материалами, которая преследовала производителей сверл на ранних этапах: компромисс между твердостью и хрупкостью, а также между прочностью и мягкостью. Термообработанная сталь может стать твердой, но хрупкой — склонной к растрескиванию при ударе. Или она может стать прочной, но тогда она будет слишком мягкой — быстро изнашиваться и деформироваться под нагрузкой. Горячая ковка, измельчая зернистую структуру одновременно с приданием формы детали, устраняет этот компромисс. Вы получаете твердость и прочность в одном и том же материале.
Третий,Поток металлических зерен следует по траектории нагрузки.В обработанной детали исходные линии потока зерна из прокатанного прутка проходят прямо через деталь и заканчиваются там, где их пересекает обработанная поверхность. Эти окончания являются слабыми местами. В детали, полученной методом горячей ковки, металлические зерна выравниваются вдоль направления потока во время деформации, и штамп спроектирован таким образом, чтобы это направление потока следовало основным путям приложения нагрузки в процессе эксплуатации. Для бурового долота это означает, что поток зерна обволакивает внутренние промывочные полости, непрерывно проходит вдоль юбки долота и концентрируется в области плеча, где ударные нагрузки переходят от хвостовика к режущей поверхности. Внутренняя структура металла выравнивается с силами, которым он будет подвергаться, и это выравнивание значительно увеличивает срок службы при усталостных нагрузках — на 30% и более по сравнению с обработанным корпусом бурового долота из того же материала в том же применении.
Что означает горячая ковка на забое бурения
Для бурильщика вся эта металлургия находит практическое применение, что проявляется от смены к смене.
Корпус бурового долота не трескается в месте упора. Наиболее распространенным видом катастрофического разрушения корпусов буровых долот, изготовленных методом механической обработки, является кольцевая трещина в месте перехода юбки в рабочую поверхность, где концентрируется ударная нагрузка от поршня. Корпуса, изготовленные методом горячей ковки, этому препятствуют, поскольку поток зерна в этом участке непрерывен.
Сверло дольше сохраняет свой диаметр. Кованый корпус обладает равномерной твердостью и износостойкостью по всей длине, без мягких участков, которые могут образовываться в обработанных механическим способом или неравномерно термообработанных корпусах. Износ калибровочного ряда равномерный, и сверло обеспечивает постоянный диаметр отверстия от первого до последнего метра.
Вставки остаются на месте. Когда тело микроскопически деформируется под воздействием удара — а любое тело в той или иной степени деформируется — плотная посадка, удерживающая твердосплавные кнопки в гнездах, может ослабнуть. Кованое тело с более высокой прочностью и лучшей устойчивостью к усталости сохраняет свои размеры в гнездах в течение большего количества циклов, удерживая вставки на месте и предотвращая их потерю, которая превращает изношенную деталь в металлолом.
На что обращать внимание при покупке
Не каждая деталь с надписью "forged" в спецификации одинакова. Качественная ковка отличается от массового производства двумя факторами:
Контроль температуры.Диапазон температур ковки для большинства легированных сталей, используемых в корпусах буровых долот — как правило, это никель-хром-молибденовые марки, такие как 42CrMo или аналогичные — узок. Слишком высокая температура ускоряет рост зерен, образуя крупные зерна, которые снижают ударную вязкость. Слишком низкая температура препятствует правильному растеканию металла в матрице, оставляя незаполненные участки или внутренние концентрации напряжений в острых углах. Качественный ковочный цех постоянно контролирует температуру заготовки и отбраковывает все, что выходит за пределы заданного диапазона.
Состояние кристалла и охлаждение.В процессе непрерывного производства ковочные штампы работают при температуре 200-300°C, которая поддерживается активными контурами водяного охлаждения в держателе штампа. Если температура штампа поднимается выше этого диапазона, штамповая сталь размягчается, и точность размеров ухудшается. Если она опускается ниже, термический удар от поступающей горячей заготовки может привести к растрескиванию поверхности штампа. Постоянная температура штампа означает постоянные размеры штамповочных резцов, а постоянные размеры означают, что каждый штамп работает так же, как и предыдущий.
