Введение. Восстановление изношенной поверхности замковых соединений бурильных труб из стали 40ХМФА производится методом электродуговой наплавки под флюсом с использованием наплавочной проволоки Нп-30ХГСА. В процессе восстановления на поверхности замкового соединения происходит формирование валиков из продольных участков, располагаемых вдоль образующей тела замка. По всей ширине наплавляемого валика формируется общая ванна жидкого металла. Наплавку формируют при перемещении электродов в прямом и обратном направлении вдоль оси вращающейся трубы. Перемещение электродов совмещают с подачей флюса [1].В соответствии с технологическим процессом [2], для наплавки может быть использован плавленый, либо керамический флюс. Отличительной особенностью и достоинством плавленого флюса является малая окислительная способность по отношению к металлу сварочной ванны и хорошая формирующая способность валика при наплавке шириной до 100 мм. Недостатком же является плохая отделяемость шлаковой корки при повышенной температуре изделия, а также низкое качество наплавленного металла и зоны термического влияния. При непрерывной наплавке удаление шлака до завершения первого оборота имеет важное значение [3]. Несвоевременное удаление шлака сопровождается повышением температуры в наплавленном слое, что ведёт к микроструктурным изменениям. В этой связи перспективным выгладит проведение восстановительного ремонта в среде защитных газов, ранее не нашедшее применения для восстановительного ремонта замковых соединений. Применение газовой атмосферы позволяет в принципе уйти от проблемы удаления грата.При использовании керамических флюсов проблемы с удалением шлаковой корки отсутствуют. Легирующий порошок интенсивно расплавляется в дуге и растворяется в сварочной ванне, что обуславливает его высокую модифицирующую способность, и, вместе с тем, завышенную твёрдость наплавленного слоя [4]. Как следствие повышенной твердости становится затруднительной дальнейшая механическая обработка. Кроме того, в поверхностных слоях появляются остаточные растягивающие напряжения, нередко вызывающие растрескивание наплавки в процессе остывания.Ситуацию усугубляет отсутствие разрушающего контроля замковых соединений после восстановительного ремонта. Контроль ограничен замером твёрдости и дефектоскопией. При этом результаты такого контроля не позволяют получить полной информации об уровне механических свойств, которым должен обладать замок, так как твёрдость металла основы будет значительно отличаться от твёрдости металла наплавки. Материаловедческих исследований в данном направлении ранее не производилось, в связи с чем задача подбора защитной среды, в частности флюса, для проведения наплавки является актуальной и требующей решения.Методология. Для исследований влияния состава защитной среды наплавки на комплекс физико-механических свойств и микроструктурное состояние были отобраны пять ниппельных фрагментов замковых соединений бурильных труб группы прочности “Д”, изготовленных в соответствии с ГОСТ 27834-95 из стали 40ХМФА. На каждом объекте было произведено по две опытных наплавки. Наплавка производилась в условиях центра по ремонту бурильных труб (далее ЦРБТ), наплавочной проволокой Нп-30ХГСА [5] с использованием плавленого флюса 48ОФ-10 [6] и керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) [7] по отдельности и в виде механической смеси в различных соотношениях, а также в газовой среде. Внешний вид объектов исследования представлен на рисунке 1.  а)                          б)                           в)                            г)                           д)Рис. 1. Образцы, восстановленные в различных защитных средах  В таблице 1 представлены характеристики тестируемых защитных сред и их условная маркировка.  Таблица 1Экспериментальные защитные среды№ п/пРисунок №Состав защитной средыУсловная маркировка11 (а)плавленый флюс 48ОФ-10Б2флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 4:1Б4/С131 (б)флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 3:1Б3/С14флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 2:1Б2/С151 (в)флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:1Б1/С16флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:2Б1/С271 (г)флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:3Б1/С38флюсы 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношении 1:4Б1/С491 (д)керамический флюс ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б)С10углекислый газУГ Осмотр внешней и внутренней поверхностей образца на наличие поверхностных дефектов проводили визуально. Определение геометрических параметров проводили с помощью универсальных измерительных приборов, обеспечивающих необходимую точность измерений. Химический состав стали определяли спектральным методом [8] с помощью эмиссионного спектрометра СПАС 02. Испытания на одноосное растяжение [9] проводились на разрывной машине Р10М-авто. Испытания на ударную вязкость [10] проводились на маятниковом копре МК-30. Замер твёрдости [11] проводился на твердомере ТШ-2М. Оценка микроструктурного состояния проводилась на продольных микрошлифах [12] после травления 3% раствором азотной кислоты в спирте на инвертированных микроскопах Leitz Wetzlar MM6 и Carl Zeiss Vert A1, а также с использованием электронного микроскопа Jeol Superprobe 733.Основная часть. Перед проведением опытных наплавок было проведено исследование химического состава объектов исследования. Было установлено, что металл всех образцов соответствует стали марки 40ХМФА, т.е. исследуемые замки соответствуют требованиям в части ремонтопригодности [13]. Результаты анализа технологичности процесса наплавки приведены в таблице 2. Из данных таблицы 2 видно, что повышение концентрации в смеси керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) сопровождается значительным ростом твёрдости поверхностного слоя металла наплавки. Наилучшие показатели в части обеспечения процесса нанесения наплавки были получены при использовании смеси флюсов 48ОФ-10 и ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) в соотношениях 1:1 и 1:2. При использовании в качестве защитной среды углекислого газа необходимость в удалении шлаковой корки отпадает, однако процесс наплавки сопровождается интенсивным разбрызгиванием металла, что затрудняет его осуществление. Результаты проведения химического анализа металла наплавки приведены в таблице 3.Из данных таблицы 3 видно, что наибольшее содержание углерода в наплавке - 0,39 %, дает использование керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б). Этим  и объясняется рост поверхностной твёрдости наплавленного слоя с повышением концентрации данного флюса в смеси. Одновременно с углеродом в наплавке повышается содержание и других элементов марочного состава, что должно отразиться в изменении механических свойств. Результаты определения механических характеристик металла исследуемых образцов представлены в таблице 4.  Таблица 2Оценка технологичности процесса наплавки№п/пЗащитная средаТвёрдость наплавки, HBВыявленные замечания1Б252Шлаковая корка удаляется не полностью и только после застывания. Твёрдость наплавки ниже регламентируемой2Б4/С12633Б3/С1270Шлаковая корка сложно удаляется в процессе наплавки. Твёрдость наплавки значительно ниже регламентируемой4Б2/С12825Б1/С1298Шлаковая корка легко удаляется. Твёрдость наплавки на нижнем регламентируемом уровне6Б1/С23007Б1/С3383Шлаковая корка не нуждается в принудительном удалении (отваливается сама). Наплавленный слой имеет поверхностную твёрдость выше регламентируемой, обработка затруднительна8Б1/С43959С40510УГ295Сильное разбрызгивание металла в процессе наплавки. Твёрдость наплавки ниже регламентируемого уровня Таблица 3Химический состав металла наплавки исследуемых образцов№п/пЗащитная средаСодержание элементов, %CMnSiCrМоVNiСuSP1Б0,340,670,500,560,020,010,280,180,0200,0172Б4/С10,340,730,550,670,020,010,650,120,0200,0103Б3/С10,310,740,540,770,020,010,750,110,0100,0104Б2/С10,340,770,560,790,030,010,790,130,0100,0105Б1/С10,320,780,580,800,030,010,800,130,0100,0106Б1/С20,330,840,560,800,030,010,780,120,0200,0107Б1/С30,320,860,580,850,060,010,850,120,0100,0108Б1/С40,320,900,700,890,100,020,910,100,0100,0209С0,390,990,600,900,130,021,810,130,0100,01010УГ0,290,951,100,790,000,000,210,050,0070,005Сталь 30ХГСА0,28 – 0,340,8 – 1,100,90 – 1,200,80 – 1,10--<0,30<0,025 Данные таблицы 4 показывают, что с увеличением доли флюса С временное сопротивление постоянно растет, достигая значения 961 МПа, предел текучести сначала возрастает до 754 МПа (вариант 6), а затем снижается. Аналогично пределу текучести меняется относительное удлинение и ударная вязкость. Наилучшее сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости с требуемой по ГОСТ твердостью (на нижнем уровне) были достигнуто у образца с маркировкой Б1/С1, восстановленного под смесью флюсов ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) и 48 ОФ-10 в соотношении 1:1. Однако ни один из флюсов не обеспечил требуемые для изделия по ГОСТ  27834-95 механические свойства. Следует отметить, что после проведения ремонта в условиях ЦРБТ регламентируется и контролируется только твёрдость наплавленного слоя. Как показали исследования, контролируемая твёрдость поверхности наплавленного слоя не отражает фактических значений по сечению стенки замкового соединения. Согласно полученным данным, шесть образцов восстановленных замковых соединений могут пройти контроль  в условиях центров по ремонту бурильных труб и быть допущены к эксплуатации. При этом твёрдость основного металла на значительно ниже (на 20-150 HB) контролируемой твердости поверхности. Также более  низким является уровень механических свойств основы замка (см. таблицу 4). Результаты анализа структурных параметров и загрязненности металла объектов исследования неметаллическим включениями представлены в таблице 5  Таблица 4Механические характеристики металла образцов, восстановленных наплавкой в различных защитных средах№п/пЗащитная средаИспытания наодноосное растяжениеИспытания наударный изгиб,кДж/м2, KCVТвердость, НBsв, МПаsт, МПаd, %ТелозамкаПоверхность наплавки1Б830671213782562522Б4/С1839682214202452633Б3/С1892718194912462704Б2/С1899642185592462825Б1/С1905734167382712986Б1/С2919754146742603007Б1/С3927688145432623838Б1/С4927667124542653959С9617331133027240510УГ84865120417277295ГОСТ 27834-95≥981≥832≥13≥589300-355 . Таблица 5Металлографический анализ исследуемых образцов№п/пЗащитная средаОксидыТочечные, баллОксидыСтрочечные, баллСульфиды, баллМикроструктура1Б4.35Литая дендритная структура2Б4/С14.35Литая дендритная структура3Б3/С1334Сорбит, феррит и перлит4Б2/С1322Сорбит, феррит и перлит5Б1/С1312Сорбит и бейнит6Б1/С2212Сорбит и бейнит7Б1/С3213Сорбит и бейнит8Б1/С4212Бейнит и сорбит9С212Бейнит и сорбит10УГ121Сорбит, феррит и перлит Из таблицы 5 видно, что металл всех объектов исследования загрязнён неметаллическими включениями, причём степень загрязнённости повышается с увеличением количества плавленого флюса 48-ОФ-10 в смеси. Наилучшие показатели в части чистоты металла наплавки были зафиксированы в образце, восстановленном в газовой защитной среде. Микроструктура всех объектов исследования состоит преимущественно из сорбита с отдельными участками бейнита, феррита и пластинчатого перлита. Микроструктура наплавки, состоящая из сорбита и нижнего бейнита, наиболее приближенная к исходной микроструктуре металла замка была обнаружена в образце с маркировкой Б1/С1. Образец с маркировкой Б имеет литую микроструктуру наплавки с ярко выраженным дендритным строением, образец с маркировкой С имеет микроструктуру нижнего бейнита и сорбита. Образец с маркировкой УГ имеет микроструктуру сорбита, бейнита и перлита и отличается высокой пористостью. Фотографии описываемых микроструктур представлены на рисунке 2.Выводы. По совокупности исследованных характеристик с учетом условий и предложенной толщины наплавленного слоя, составляющей 9-10 мм, было установлено, что наилучшие результаты показал образец наплавки с маркировкой Б1/С1, восстановленный под смесью керамического флюса ЭЛЗ-ФКН-1/55(Б) и флюса 48 ОФ-10 в соотношении 1:1. Предложенный состав обеспечивает требуемую технологичность процесса наплавки в отношении обеспечения надёжной защиты от окисления и подстуживания, а также своевременного удаления в процессе восстановления. При этом обеспечивается микроструктурное состояние наплавленного металла, наиболее приближенное к исходной микроструктуре замкового соединения в заводском исполнении.   Рис. 2. Микроструктура наплавок образцов с различной маркировкой: (а) - Б1/С1; (б) - Б; (в) - С; (г) – УГ