На правах рукописи ЧАЛОВ РАЗРАБОТКА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ

На правах рукописи
ЧАЛОВ Алексей Анатольевич
РАЗРАБОТКА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ
МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДИФФУЗИОННОГО
ПОКРЫТИЯ
05.02.01 – Материаловедение (в машиностроении)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Краснодар – 2006
2
Работа выполнена в ГОУ
технологическом университете
ВПО
Кубанском
государственном
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Артемьев В.П.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Герасимов С.А.;
доктор физико-математических наук,
профессор
Щербединский Г.В.
Ведущая организация:
ОАО «Научно-исследовательский
институт монтаж» (г. Краснодар)
Защита состоится «22» декабря 2006 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.100.02 при Кубанском государственном
технологическом университете по адресу: 350072, г. Краснодар,
ул. Московская, 2, ауд. А-229
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского
государственного технологического университета
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью
учреждения, просим направлять по адресу: 350072, г. Краснодар,
ул. Московская, 2, КубГТУ, диссертационный совет Д 212.100.02
Автореферат разослан « 17 » ноября 2006 г.
Учёный секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
А.В. Пунтус
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Большинство деталей нефтедобывающего оборудования, изготавливаемых из конструкционных и инструментальных сталей,
эксплуатируются в экстремальных промышленных условиях. Основным препятствием для широкого использования гидромеханической щелевой перфорации обсадных труб нефтяных скважин является низкая прочность режущего
накатного диска. Условия работы накатных дисков являются крайне жесткими.
Диски находятся в агрессивной среде, содержащей сероводород, и подвергаются значительным механическим нагрузкам. В этих условиях основными
причинами отказов накатных дисков являются изнашивание режущей кромки
и хрупкое разрушение вследствие коррозионного растрескивания.
Традиционные способы улучшения качества машиностроительных материалов во многом исчерпали свои резервы. Диффузионные металлические покрытия – наиболее перспективный способ повышения работоспособности деталей изготовленных из конструкционных металлов и сплавов, работающих в
различных эксплуатационных условиях, особенно для защиты от воздействия
агрессивных сред. Они имеют хорошую связь с основным металлом, которая
достигается в результате образования твердых растворов или химических соединений.
В настоящее время многие вопросы получения покрытий в среде легкоплавких металлов изложены недостаточно. Имеются ограниченные сведения о
получении этим методом многокомпонентных покрытий. Получение многокомпонентных покрытий в условиях двухкомпонентной диффузии на сталях и
сплавах в жидкометаллических транспортных расплавах требует выявления
закономерностей формирования покрытий и создания новых способов управления составом и структурой покрытий. Оценка эксплуатационных свойств
конструкционных материалов с защитными диффузионными покрытиями требует проведения исследований их коррозионной стойкости и прочностных
свойств применительно к условиям работы нефтедобывающего оборудования.
4
В частности, разработка способа упрочнения и защиты от коррозионного
растрескивания режущих накатных роликов гидромеханических перфораторов, работающих в условиях одновременного воздействия сероводородсодержащих агрессивных сред и больших динамических нагрузок является весьма
актуальной. Актуальность работы подтверждена грантом «Производство режущего инструмента для гидромеханических скважинных перфораторов».
Целью работы является разработка научных и технологических основ
получения, в условиях двухкомпонентной диффузии, многокомпонентного
упрочняющегося, коррозионностойкого диффузионного покрытия на основе
Ni и Cu, обладающего характеристиками, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям нефтедобывающего оборудования и установление закономерностей его формирования в жидкометаллических расплавах.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие
задачи теоретического и прикладного характера:
– исследовать физико-химические процессы получения многокомпонентных покрытий, при двухкомпонентной диффузии, в жидкометаллических растворах.
– обосновать выбор насыщающей среды и режимов насыщения.
– исследовать влияние параметров технологического процесса на кинетику формирования никель-медных покрытий на конструкционных материалах.
– исследовать влияние параметров технологического процесса на состав,
структуру и характер распределения легирующих элементов покрытия в
диффузионном слое.
– установить оптимальные технологические режимы получения многокомпонентного Ni-Cu покрытия при двухкомпонентном насыщении.
– установить оптимальный режим термической обработки режущих
накатных роликов с диффузионным никель-медным покрытием.
– оценить влияние диффузионного насыщения и термической обработки
на коррозионно-механические свойства материалов.
5
– разработать технологический процесс получения упрочняющихся, коррозионностойких никель-медных покрытий применительно к режущим
накатным роликам гидромеханических перфораторов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих
научных результатах, которые выносятся на защиту:
1. Обнаружено явление активизации процесса формирования многокомпонентного Ni-Cu покрытия на легированных сталях при двухкомпонентном насыщении в жидкометаллическом расплаве на основе cвинца за
счёт введения в него 0,75…1,0 % (вес.) лития. Активизация процесса вызвана более высокой термодинамической активностью лития к компонентам стали, что приводит к раскислению оксидных плёнок, находящихся на поверхности стали.
2. Обнаружено явление деформационного упрочнения диффузионного NiCu покрытия в результате пластической деформации. Высказана гипотеза, что деформационное упрочнение вызвано дисперсионным расслоением твёрдого раствора в системе Ni-Cu при концентрации легирующих
элементов Ni ≈ 54 % (масс.), Cu ≈ 26 % (масс.) в результате действующих напряжений.
3. Установлены кинетические зависимости формирования многокомпонентного диффузионного Ni-Cu покрытия в условиях двухкомпонентного насыщения в жидкометаллических растворах Pb и эвтектики Pb-Li.
На основании экспериментов определён характер распределения элементов в диффузионном слое в зависимости от технологических режимов
насыщения.
Научная новизна проведённых исследований подтверждена патентом РФ
на изобретение № 2271265.
Практическая значимость и реализация результатов работы в промышленности. Совокупность полученных в работе научных данных использована для разработки основных технологических решений по формированию
6
диффузионных Ni-Cu покрытий и установлению режимов последующей термической обработки деталей нефтедобывающего оборудования.
Разработанный способ упрочнения режущих накатных роликов, включающий химико-термическую и термическую обработки в едином технологическом цикле положен в основу создания технологического процесса упрочнения режущих накатных роликов гидромеханических перфораторов. Разработанная технология позволяет увеличить эксплуатационный срок работы режущих накатных роликов в 2…3 раза, сократить в 2…5 раз технологическое время на перфорацию скважин, за счет увеличения скорости резания, сократив
тем самым период внеэксплуатационного простоя нефтяных скважин.
Разработано оборудование для реализации технологического процесса
упрочнения режущих накатных роликов.
Проведены стендовые и промышленные испытания режущих накатных
роликов при перфорации обсадных труб нефтяных скважин. Полученные результаты показали высокую надежность режущих накатных роликов с покрытиями в условиях сероводородсодержащей агрессивной среды и больших динамических нагрузок. Режущие накатные ролики упрочнённые по разработанной технологии внедрены на ООО «Екатеринодар Бизнес».
Ожидаемый экономический эффект от внедрения созданных научнотехнических и технологических решений по упрочнению режущих накатных
роликов для перфорации обсадных труб нефтяных скважин в районе г. Когалым Тюменской области составляет 1200000 рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: международной научной конференции “FISITA
2004” г. Барселона, Испания; научно-практической конференции “Технологическое обеспечение качества машин и приборов”, г. Пенза, Россия, 2004; III
международной конференции “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”, автономная республика Крым, Украина, 2004; II
международной научно-технической конференции “Металлофизика, механика
7
материалов и процессов деформирования”, г. Самара, Россия, 2004; IV всероссийской научно-практической конференции “Инновации в машиностроении”,
г. Пенза, Россия, 2004; International Surface Engineering Congress (ISEC). Surface Modification Technologies (SMT), St. Paul, Minnesota, USA, 2005.
Результаты работы представлялись на выставке “Hannover Messe-2005”,
Ганновер, Германия.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе
одна работа опубликована в центральном рецензируемом издании. По материалам работы получен патент Российской Федерации на изобретение №
2271265.
Работа выполнялась на кафедре материаловедения и автосервиса Кубанского государственного технологического университета в соответствии с госбюджетной темой № 4.2.01-05 «Разработка и освоение новых технологических
процессов
получения
и
производства
деталей
с
особыми
физико-
механическими свойствами», а также по гранту “Производство режущего инструмента для гидромеханических скважинных перфораторов” конкурса 2005
года.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и результатов работы, библиографического
списка из 190 источников и 3 приложений. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 11 таблиц. В приложениях помещены акты
промышленных испытаний и о внедрении результатов работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, её научная новизна, практическая ценность и результаты работы в промышленности, дана общая характеристика работы.
В первой главе проведён анализ условий работы деталей нефтедобывающего оборудования и влияние рабочих сред на их механические свойства.
Проведённый анализ показал, что в настоящее время эксплуатация гидромеха-
8
нических скважинных перфораторов сопровождается частыми поломками режущих накатных роликов, работающих в условиях повышенного износа и воздействия агрессивной среды. Это связано зачастую с тем, что при технологическом процессе резания поверхность накатных дисков, контактируя с агрессивными средами, содержащими водород, сероводород интенсивно корродирует и подвергается водородиндуцированному и сульфидному коррозионному
растрескиванию. Высокая интенсивность образования внутренних трещин,
возникающих в результате наводораживания сталей, приводит к хрупкому
разрушению режущих накатных дисков гидромеханических скважинных перфораторов.
Проведён анализ проблем прочности и износостойкости конструкций и
отдельных деталей машин с учетом конструктивных, металлургических, материаловедческих, технологических и эксплуатационных факторов, определяющих надежность, долговечность и экономичность оборудования.
Показано, что систематические исследования связанные с упрочнением
режущего инструмента с помощью многокомпонентных диффузионных покрытий редки. Сведения, приведённые в литературе о влиянии одних и тех же
покрытий на прочностные свойства конструкционных металлов и сплавов, в
ряде случаев противоречивы. Это объясняется разными режимами и способами получения одних и тех же покрытий, что обусловливает в них различную
структуру, состав и толщину слоёв.
На основании многочисленных данных по адгезионному взаимодействию и деформации контакта металлических пар отмечено, что применение
покрытий является весьма перспективным направлением в области материаловедения. Показано, что состав и структура покрытия зависят от состава насыщающей среды и ее реакционной способности, изменений в составе и структуре основного металла изделий в результате температурных воздействий при
нагревании и охлаждении. Способ получения покрытий из жидкометаллических растворов на основе легкоплавких металлов является малоизученным.
9
Малочисленны сведения о получении многокомпонентных покрытий при
двухкомпонентной диффузии легирующих элементов.
На основании проведённого анализа сформулированы цель работы и задачи исследования.
Во второй главе представлены общие и частные методики проведения
исследований, позволяющие решить поставленную в работе цель и задачи исследования. Описаны объекты исследования и способы обработки экспериментальных данных. Объектами исследования являлись образцы из армкожелеза, стали 20, Х12М, Х12МФ, а также режущие накатные ролики, изготовленные из стали Х12М.
Для получения многокомпонентных диффузионных покрытий была использована реконструированная двухколпаковая вакуумная электропечь СГВ2.4-2/15И3. Модернизация печи была проведена с целью обеспечения возможности нанесения покрытий в открытой жидкометаллической ванне и проведения термической обработки покрываемого материала в едином технологическом цикле.
Толщину, структуру и строение диффузионных покрытий, а также
структуру основы определяли и исследовали на металлографических микроскопах ММР-4 и МИМ-8. Для получения цифровых фотографий микроструктур сталей с высоким разрешением было создано комплексное устройство,
включающее цифровой фотоаппарат Nikon Coolpix 4300, металлографический
микроскоп МИМ-8 и компьютер Pentium-IV. Измерение микротвёрдости осуществляли методом микродюрометрического анализа на ПМТ-3. Распределение элементов по сечению покрытия и прилегающей зоне исследовали на
растровом электронном микроскопе JCXA-733 фирмы Joel (Япония). Измерение размеров и формы образцов осуществляли на большом инструментальном
микроскопе с цифровым индикатором фирмы «Карл Цейс Йена» с точность
0,001 мм. Шероховатость поверхности образцов до и после насыщения оценивали по параметрам Ra и Rz путем записи профилограмм на профилографпрофилометре модели Hommel-Tester T-1000. Испытания на коррозию прово-
10
дили в растворе по стандарту NACE TM 0177-96. В процессе испытания раствор насыщали сероводородом при давлении 0,1 МПа. Определение механический свойств материалов с покрытиями при статическом растяжении, изгибе и
на ударную вязкость осуществляли по стандартным методикам в соответствии
с ГОСТ.
На всех этапах исследований проведена тщательная технологическая и
метрологическая подготовка эксперимента, количественная оценка получаемых результатов измерений выполнена с использованием методов статистической обработки.
Третья глава посвящена теоретическому обоснованию процесса нанесения многокомпонентных покрытий и режимов термической обработки. На
основе термодинамических и кинетических факторов проведено теоретическое
обоснование и разработка методов управления параметрами покрытий при их
формировании из жидкометаллических (транспортных) расплавов легкоплавких металлов при изотермическом режиме.
Основополагающим условием при выборе транспортного расплава являются возможные реакции в системе наносимый элемент – транспортный
расплав – конструкционный металл. Схема механизма формирования покрытий в жидкометаллических транспортных расплавах при изотермическом режиме насыщения приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема механизма формирования диффузионного покрытия в
жидкометаллических расплавах при изотермическом режиме
11
На основании термодинамического описания таких систем в рамках равновесной термодинамики установлено, что управлять параметрами покрытия
возможно путём изменения интенсивности внешних потоков, от которых зависит скорость изменения концентрации на границе до момента установления
равновесной концентрации, а также интенсивности внутренних потоков в металле изделия, путём изменения величины равновесной концентрации, что
возможно обеспечить варьированием фазового состояния и состава насыщающей среды.
Рассматривая возможность восстановления оксидов расплавом свинца
можно отметить следующее – оксид хрома (Cr2O3) по прямой реакции не восстанавливается свинцом. Экспериментальные исследования показали, что
наибольшая скорость формирования никель-медного покрытия происходит в
расплаве свинца. Однако расплав свинца по прямой реакции не восстанавливает оксид хрома (Cr2O3). В тоже время литий обладает способностью восстанавливать оксидные плёнки хрома, которые имеют место на насыщаемых сталях Х12М и Х12МФ. На основании теоретического анализа и экспериментальных данных установлено явление активации процесса формирования многокомпонентного Ni-Cu покрытия на легированных сталях при двухкомпонентном насыщении в жидкометаллическом расплаве на основе cвинца за счёт
введения в него 0,75…1,0 % (вес.) лития. Активизация процесса вызвана более
высокой термодинамической активностью лития к компонентам стали, что
приводит к раскислению оксидных плёнок, находящихся на поверхности стали.
На основании анализа существующих сталей способных выдерживать
большие динамические нагрузки, обладать высокой степенью прокаливаемости были выбраны стали Х12М и Х12МФ, что позволило совместить процесс
нанесения покрытия на деталь с последующей закалкой. Стали Х12М и
Х12МФ сохраняют мелкое зерно при температурах диффузионного насыщения (1000…1100 ºC). Твердость стали Х12М достигает максимального значения (61,0…63,0 HRCЭ) после закалки от 1020 ºC и отпуска при 150 ºC. При
12
этом сталь сохраняет зерно балла 10 и 15…20% остаточного аустенита.
В четвёртой главе приведены результаты исследования кинетики формирования никель-медного покрытия на сталях и сплавах. Исследования проведены на образцах из армко-железа и из сталей 20, Х12М и Х12МФ в условиях двухкомпонентной диффузии. В качестве насыщающей среды использовали
жидкометаллические расплавы свинца и эвтектики свинец-литий. В соответствии с диаграммами состояний Cu-Pb и Ni-Pb при температурах диффузионного насыщения 1000…1150 ºC свинец растворяет в себе никель до 3% вес., а
меди – до 10 % вес., образуя однородный жидкий раствор. На основании этого
в жидкометаллические транспортные расплавы добавляли элементы покрытия
в виде кусочков чистых металлов в количестве: 3% вес. никеля и 10% вес. меди. Насыщение осуществляли при изотермической выдержке при температуре
1000…1150 ºC в течение 0,5; 2 и 6 часов.
Проведённые исследования показали, что никель-медное покрытие на
армко-железе и сталях 20, Х12М, Х12МФ формируется в результате граничной диффузии атомов Ni и Cu в железе. В результате образуется однослойное
покрытие (рис. 2а, б, в), состоящее из твёрдого раствора никеля, меди, железа.
а)
б)
в)
Рисунок 2 – Микроструктуры никель-медных покрытий:
а) армко-железо, б) сталь 20 (t = 1100 ºC, τ = 2ч, расплав Pb) ×500;
в) сталь Х12М (t = 1100 ºC, τ = 6 ч, расплав Pb-Li) × 500
На границе покрытия с основным металлом происходит полиморфное γ → α
превращение. В покрытии γ-стабилизатором является Ni. В исследованном ин-
13
тервале температур формирование диффузионного слоя сопровождается фазовыми превращениями. На армко-железе граница фазовой перекристаллизации
представляет собой прямую линию с множеством мест проникновения диффузионного слоя по границам зерен вглубь материала основы (рис. 2, а). На стали
20 этот эффект проходит в меньшей степени (рис. 2, б). Микродюрометрический и металлографический анализы не выявили хрупких карбидных включений в покрытиях. Никель и медь являются некарбидообразующими элементами, а, следовательно, кинетика формирования многокомпонентного покрытия
не зависит от содержания углерода в стали. При этом некарбидообразующие
никель и медь оттесняют углерод от поверхности вглубь покрываемого материала, вследствие чего под диффузионным слоем образуется зона, обогащённая углеродом. Установлено, что характер роста глубины диффузионного слоя
зависит от состава транспортного расплава, температуры и времени насыщения. Концентрации Ni и Cu на поверхности увеличиваются постепенно, достигая предельных значений через определенное время, в связи с чем, градиент
концентраций Ni и Cu на любом расстоянии от поверхности непрерывно изменяется. Чем больше градиент концентраций, тем выше начальная скорость
диффузии; поэтому важную роль при насыщении материалов играет скорость
достижения больших значений начальных концентраций никеля и меди. Чем
выше эта скорость, тем за более короткое время достигается требуемая глубина диффузионного слоя при прочих равных условиях.
Увеличение температуры и времени насыщения приводит к росту диффузионного слоя (рис. 3, 4). Глубина комбинированного покрытия изменяется
от 8 до 38 мкм на армко-железе и от 10 до 40 мкм на стали 20 при температурах насыщения 1000…1150 ºC и выдержках от 0,5 до 6 часов.
Наиболее интенсивный рост толщины диффузионного слоя происходит
в первые два часа насыщения. В дальнейшем скорость роста диффузионного
слоя снижается, в результате снижения термодинамической активности никеля
и меди из-за выравнивания разности химических потенциалов. Покрытия
большей толщины формируются из расплава свинца. Это связано с большей
14
растворимостью никеля и меди в свинце, чем в эвтектике свинец-литий. Микротвёрдость покрытий вследствие переменной концентрации элементов по
глубине слоя, входящих в состав покрытия, также переменна и лежит в пределах от 1200 до 1600 МПа. Далее наблюдается резкий переход к микротвёрдости основы, Н20 = 950 МПа, что вызвано выраженной границей фазовой перекристаллизации.
45
Толщина, мкм
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
Продолжительность насыщения, ч
1000ºС - Pb
1000ºС - Pb-Li
1100ºС - Pb
1100ºС - Pb-Li
6
7
1150ºС - Pb
1150ºС - Pb-Li
Рисунок 3 – Изменение толщины слоя Ni-Cu покрытия на стали 20 в
зависимости от продолжительности насыщения
45
40
Толщина, мкм
35
30
25
20
15
10
5
0
950
1000
1050
1100
Температура, ºС
0,5 ч - Pb
2 ч - Pb
0,5 ч - Pb-Li
2 ч - Pb-Li
1150
1200
6 ч - Pb
6 ч - Pb-Li
Рисунок 4 – Изменение толщины слоя Ni-Cu покрытия на стали 20
в зависимости от температуры насыщения
Максимальная концентрация диффундирующих элементов на поверхности составляет 54,3…55,2 % масс. для никеля и 26,1 % масс. для меди. Распределе-
15
ние элементов по толщине покрытий на армко-железе представлено на рисунке 5. На легированных сталях Х12М и Х12МФ из расплава свинца формируется неравномерное по толщине покрытие, в котором присутствуют несплошности. Введение в расплав свинца 0,75…1,0 % вес. лития приводит к раскислению оксидных плёнок, находящихся на поверхности стали, что вызвано более
Массовая доля, %
высокой термодинамической активностью лития к компонентам стали.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Ni
Cu
Fe
0
10
20
30
40
50
Расстояние от поверхности, мкм
60
Рисунок 5 – Концентрация легирующих элементов по глубине Ni-Cu
покрытия на армко-железе (t = 1100 ºC, τ =6 ч, расплав Pb)
Толщина диффузионного никель-медного слоя на сталях Х12М и
Х12МФ составляла 8…35 мкм в исследуемом температурно-временном режиме. Увеличение температуры и времени насыщения приводит к росту толщины
40
Толщина, мкм
35
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
Продолжительность насыщения, ч
1000ºС - Pb
1000ºС - Pb-Li
1100ºС - Pb
1100ºС - Pb-Li
6
7
1150ºС - Pb
1150ºС - Pb-Li
Рисунок 6 – Изменение толщины слоя Ni-Cu покрытия на стали Х12М в
зависимости от продолжительности насыщения
16
покрытия на сталях (рис. 6, 7, 8). При температуре насыщения 1000 ºC и выдержке 2 часа на стали Х12М формируется покрытие с содержанием на поверхности 53,8…52,9 % вес. Ni; 26,1 % вес. Cu; 3,5 % Cr и 19,0 % вес. Fe (рис.
8).
40
Толщина, мкм
35
30
25
20
15
10
5
0
950
1000
1050
1100
1150
1200
Температура, ºС
0,5 ч - Pb
0,5 ч - Pb-Li
2 ч - Pb
2 ч - Pb-Li
6 ч - Pb
6 ч - Pb-Li
Рисунок 7 – Изменение толщины слоя Ni-Cu покрытия на стали Х12М в
зависимости от температуры насыщения
100
Массовая доля, % ,
90
80
70
60
Ni
50
Cu
40
Cr
30
Fe
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Расстояние от поверхности, мкм
Рисунок 8 – Распределение легирующих элементов по глубине Ni-Cu
покрытия на стали Х12МФ (t = 1100 ºC, τ = 6 ч, расплав PbLi)
Увеличение температуры насыщения приводит к увеличению процентного содержания никеля и, соответственно, к уменьшению содержания меди в
покрытии. Формирование покрытия на стали Х12МФ сопровождается оттеснением хрома и молибдена от поверхности изделия. Эти элементы, являющие-
17
ся α – стабилизаторами, препятствуют диффузии меди и никеля, которые являются стабилизаторами γ – фазы.
Микродюрометрический и металлографический анализы не выявили
твердых, хрупких карбидных включений в покрытиях. Никель-медное покрытие, полученное на стали Х12МФ обладает более высокой микротвердостью
по сравнению с покрытиями полученными на армко-железе и стали 20 (Н20 =
1500…1600 МПа) – это объясняется тем, что в результате взаимной диффузии
в покрытие диффундируют элементы, содержащиеся в стали: хром и молибден. Микротвердость диффузионных слоев по всей толщине одинакова (Н20 =
2000…2100 МПа) и имеет скачек на границе раздела покрытие – основной металл. Легирующие элементы стали не оказывают влияния на кинетику формирования Ni-Cu покрытия.
Пятая глава посвящена исследованию физико-химических свойств сталей с Ni-Cu покрытием.
Качество поверхности. Проведенные металлографические исследования
показали, что покрытия характеризуются высокой сплошностью, хорошей
равномерностью по всей длине поверхности деталей, не имеют пор, точно
воспроизводят форму покрываемых деталей
Изменение шероховатости поверхностей. Проведенные исследования
показали, что диффузионное Ni-Cu покрытие, нанесенное из расплава эвтектики Pb-Li, уменьшает показатели шероховатости: шероховатость поверхности
уменьшается с Ra = 1,04 до Ra = 0,69.
Изменение размеров. В результате диффузионного насыщения Ni-Cu покрытием по оптимальному режиму (t = 1100 ºC, τ = 2 ч) в жидкометаллическом
расплаве свинец-литий на стали Х12МФ установлено, что диффузионный слой
по отношению к начальной поверхности растет как вовнутрь, так и наружу.
При толщине слоя 25 мкм, прирост размера деталей, по отношению к начальной границе, на сторону составил 12…13 мкм.
Прочность соединения покрытий с основой оценивали при испытаниях
деталей на статическое сжатие. Цилиндрические образцы из стали 20 с диффу-
18
зионным никель-медным покрытием подвергали осадке на 25 и 50%. При таких величинах осадки образцы пластично деформировались вместе с покрытием. При этом отслаивание покрытия от основы и образование трещин не
наблюдалось, что свидетельствует о высокой прочности соединения никельмедного покрытия с основой.
Испытания на статическое растяжение. При испытании на статическое
растяжение образцы с никель-медным диффузионным покрытием имеют более
низкие значения механических свойств по сравнению со сталью в исходном
нормализованном состоянии, что объясняется увеличением размера зерна после химико-термической обработки. В тоже время, никель-медное покрытие
повышает предел прочности стали в 1,5 раза по сравнению с образцами без
покрытия, но обработанными по аналогичному температурно-временному режиму («ложная химико-термическая обработка») и имеющими тем самым
одинаковый бал зерна. При этом пластические характеристики δ и ψ уменьшаются незначительно.
Результаты испытаний на статический изгиб. Полученные результаты
свидетельствуют о том, что никель-медное покрытие, нанесенное на поверхность инструментальной стали не приводит к снижению предела прочности на
изгиб (σи = 3100 МПа). Несколько большее значение σи = 3180 МПа для стали
Х12МФ с диффузионным Ni-Cu покрытием объясняется меньшей твердостью
стали (58,0 HRCЭ) после закалки и отпуска, и повышенным содержанием остаточного аустенита в стали.
Результаты испытаний на ударную вязкость установили незначительное
увеличение значения ударной вязкости у образцов из стали Х12МФ с диффузионным никель-медным покрытием (КСU 42) по сравнению с образцами без
покрытия (КСU 38).
Исследование закономерностей деформационного упрочнения покрытия
проводили на микротвёрдомере ПМТ-3 путём вдавливания индентора с разной
силой нагружения. С увеличением нагрузки микротвёрдость диффузионного
слоя (1600 МПа) растёт и достигает максимальной величины 4700 МПа, что
19
подтверждает эффект упрочнения Ni-Cu покрытия в результате увеличения
пластической деформации. На основании проведённых исследований высказана гипотеза, что деформационное упрочнение вызвано дисперсионным расслоением твёрдого раствора в системе Ni-Cu при концентрации легирующих элементов Ni ≈ 54 % (масс.), Cu ≈ 26 % (масс.) в результате действующих напряжений.
Коррозионная стойкость деталей с покрытиями. Испытания проводили
по стандарту NACE TM 02-84-87. Нанесение никельсодержащих покрытий на
стали, минимум на порядок снижает скорость коррозии стальных образцов, изготовленных как из конструкционной, так и инструментальной стали. Так скорость коррозии стали 20 за счет нанесения на нее никель-медных покрытий
снижается с 0,8 мм/год до 0,08 мм/год, а у стали Х12МФ за счет никельмедных покрытий скорость коррозии снижается на два порядка с 3 мм/год до
0,03 мм/год. Более высокая коррозионная стойкость никель-медных покрытий
наблюдается у покрытий, формирующихся на стали Х12МФ, по сравнению с
коррозионной стойкостью никель-медных покрытий, получаемых на стали 20.
Такое повышение коррозионной стойкости никель-медных покрытий объясняется легированием покрытия хромом, содержащемся в стали Х12МФ, за счет
его диффузии из стали в процессе диффузионной металлизации.
Стендовые испытания. Стендовые испытания режущих накатных роликов изготовленных из стали Х12М с диффузионным никель-медным покрытием проводили в производственной лаборатории ООО «Екатеринодар Бизнес».
Режим нанесения Ni-Cu покрытия t = 1100 ºC, τ = 2 ч. Толщина покрытия 25
мкм. Твёрдость стальной основы ролика после термической обработки
58,0…60,0 HRCэ.
Испытания проводили на стенде, который состоял из следующих элементов: гидропривод, блок управления, гидромеханический скважинный перфоратор ПГМЩ-146 и горизонтально расположенная перфорируемая обсадная
труба класса прочности D диаметром 146 мм с толщиной стенки 9 мм. Движе-
20
ние перфоратора внутри трубы имитирует его движение в скважине при создании щели с постепенным выходом ролика. Нагрузка на ролик 10 т.
В результате перфорации была прорезана щель длиной 1,5 м за 10 ходов
перфоратора. На режущей кромке и других поверхностях ролика с Ni-Cu покрытием разрушений, следов деформации и налипания перфорируемого металла не установлено. При проведении стендовых испытаний режущий накатной ролик с диффузионным никель-медным покрытием обеспечил скорость
перфорации сплошных обсадных труб в 2…5 раз выше, чем режущие накатные роли стандартного исполнения из сталей ШХ15 и 9ХС с твёрдостью
48,0…52,0 HRCэ.
Промышленные испытания. Промышленные испытания режущих накатных роликов проводили в условиях реальной эксплуатации при перфорации
обсадных труб нефтяных на скважинах 1789 КУСТ 150 (глубина 2330…2333
м), 1954 КУСТ 156 (глубина 2092…2085 м), 8236 КУСТ 69 (глубина
2689…2697м), г. Когалым. В процессе испытаний режущий накатной ролик
перемещался по стенке обсадной трубы на перфорируемой базе с одновременным приложением к нему усилия 6…40 тонн. При этом образовалась продольная щель с общей суммарной длиной 50 метров.
В результате испытаний установлено, что диффузионное никель-медное
покрытие нанесённое на режущий накатной ролик увеличивает производительность гидромеханических скважинных перфораторов типа ПМГЩ-146,
повышает скорость резания и увеличивает стойкость режущего инструмента в
2…3 раза. Ролик с диффузионным никель-медным покрытием выдерживает
более жёсткие режимы нагружения (до 30 тонн) по сравнению с роликами
стандартного исполнения (до 10 тонн). Случаев отказа перфораторов из-за износа или поломки опытных режущих накатных роликов выявлено не было.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Для продления ресурса режущих накатных роликов, используемых для
перфорации обсадных труб нефтяных скважин в условиях воздействия
21
больших нагрузок и сероводородсодержащих сред, предложено использовать легированную сталь с упрочняющим диффузионным никель-медным
покрытием, выбрана его композиция, режимы насыщения и термической
обработки, обеспечивающие высокие эксплуатационные свойства.
2. Теоретически обоснована и практически показана возможность управления
параметрами диффузионного покрытия при его формировании в жидкометаллических расплавах Pb и эвтектики Pb-Li посредством варьирования
температурой и продолжительностью диффузионного насыщения, а также
выбором насыщающей среды. Обоснован выбор насыщающей среды и режимов нанесения покрытия.
3. Обнаружено, что введение 0,75…1,0% (вес.) Li в жидкометаллический расплав на основе Pb приводит к существенной активации процесса формирования покрытия на легированных сталях. Активация процесса вызвана более высокой термодинамической активностью Li к компонентам стали, что
приводит к раскислению оксидных плёнок, находящихся на поверхности
стали.
4. Установлено, что многокомпонентное диффузионное покрытие на основе
Ni и Cu в среде жидкометаллических растворов легкоплавких металлов при
двухкомпонентном насыщении формируется в результате граничной диффузии атомов Ni и Cu в железе. При этом образуется однослойное покрытие, состоящее из твёрдого раствора никеля, меди и железа, характеризующееся высокой сплошностью, равномерностью по толщине; не имеет пор,
точно воспроизводит форму покрываемых деталей.
5. Обнаружено явление деформационного упрочнения диффузионного Ni-Cu
покрытия в результате пластической деформации. Высказана гипотеза, что
деформационное упрочнение вызвано дисперсионным расслоением твёрдого раствора в системе Ni-Cu при концентрации легирующих элементов Ni ≈
54 % (масс.), Cu ≈ 26 % (масс.) в результате действующих напряжений. При
увеличении толщины покрытия эффект упрочнения возрастает, при этом
покрытие не отслаивается и не образуются микротрещины, как на поверх-
22
ности, так и в зоне перехода покрытие – основной металл.
6. Установлены кинетические зависимости формирования многокомпонентного диффузионного Ni-Cu покрытия в условиях двухкомпонентного
насыщения в жидкометаллических растворах Pb и эвтектики Pb-Li на армко-железе, сталях 20, Х12М и Х12МФ. На основании экспериментов определён характер распределения элементов в диффузионном слое в зависимости от технологических режимов насыщения.
7. Выявленные взаимосвязи позволяют обоснованно и эффективно управлять
структурными характеристиками и свойствами рабочей поверхности режущих накатных роликов для продления их ресурса в условиях эксплуатации.
8. Установлено, что диффузионное Ni-Cu покрытие, нанесенное из расплава
эвтектики Pb-Li, уменьшает показатели шероховатости с Ra = 1,04 до Ra =
0,69.
9. Установлено, что скорость коррозии образцов с защитным Ni-Cu покрытием в среде насыщаемой сероводородом составила 0,08 мм/год, что на порядок ниже по сравнению с коррозией образцов без покрытия (0,8 мм/год).
10. Совокупность полученных в работе научных данных реализована в виде
разработанной технологии упрочнения режущих накатных роликов, включающей химико-термическую и термическую обработки.
11. Результаты стендовых и промышленных испытаний показали, что режущие накатные ролики, изготовленные из стали Х12М с диффузионным NiCu покрытием и прошедшие последующую термическую обработку, не
разрушались под действием значительных динамических нагрузок, в условиях сильного абразивного и сероводородного воздействия. Скорость перфорации сплошных обсадных труб и труб с отверстиями в 2…5 раз выше,
чем при перфорации режущими накатными роликами стандартного исполнения из сталей ШХ15 и 9ХС с твёрдостью 48,0…52,0 HRCэ. Случаев отказа перфораторов из-за износа или поломки опытных режущих накатных роликов выявлено не было.
12. Разработан новый способ повышения коррозионной стойкости и прочности
23
деталей нефтедобывающего оборудования путем нанесения многокомпонентного диффузионного Ni-Cu покрытия с последующей термической обработкой, позволяющий увеличить эксплуатационный срок работы режущих накатных роликов в 2…3 раза, сократить в 2…5 раз технологическое
время на перфорацию скважин, за счет увеличения скорости резания, и тем
самым сократить период внеэксплуатационного простоя нефтяных скважин.
13.Ожидаемый экономический эффект от внедрения режущих накатных роликов с диффузионным Ni-Cu покрытием при перфорации обсадных труб
нефтяных скважин в районе г. Когалым Тюменской области составляет
1200000 рублей.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Юрчик С.М., Чалов А.А., Дуков А.Г., Селезнев А.С. Зависимость эффективных коэффициентов диффузии никеля в железо от его концентрации при
диффузионном насыщении компактных и порошковых материалов // Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования / Сборник материалов второй международной научно-технической конференции. – Самара, 2004. – с. 46.
2. Артемьев В.П., Соколов Е.Г., Чалов А.А. Механизм роста диффузионного
слоя при формировании покрытий // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследование, применение, экологически чистые технологии
производства и утилизации изделий. / Сборник трудов третьей международной конференции. – Крым, 2004. – с. 66–67.
3. Артемьев В.П., Соколов А.Г., Соколов Е.Г., Чалов А.А., Макарова И.В. Кинетика формирования медно-никелевых диффузионных покрытий на сталях
// Инновации в машиностроении. / Сборник статей четвертой Всероссийской научно-технической конференции. – Пенза, 2004. – с. 12–15.
24
4. Соколов А.Г., Артемьев В.П., Соколов Е.Г., Чалов А.А.. Инструмент для обработки металлов резанием и давлением // Патент 2271265 РФ. – Опубл.
10.03.06 г. – Бюл. № 7.
5. Чалов А.А., Артемьев В.П., Соколов А.Г., Соколов Е.Г.. Упрочнение режущих накатных роликов гидромеханических скважинных перфораторов методом химико-термической обработки // Электронный журнал «Нефтегазовое дело». – Уфа, 2006. – http://www.ogbus.ru/authors/Chalov/Chalov_1.pdf.
Личный вклад автора
Во всех работах 1-5 автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении исследований и обсуждении полученных результатов.
В работах 1, 2 автор принимал участие в проведении эксперимента и выполнял обработку экспериментальных данных.
В работах 3, 5 автором выполнен основной объём металлографических,
микродюрометрических исследований, проведена обработка результатов микрорентгеноспектрального анализа.
В работе 4 автор непосредственно участвовал в оптимизации технологических режимов и получении серийных деталей упрочнённых по разработанной технологии и проведении стендовых испытаний.
Подписано в печать _______ 2006 г. Зак. № _____. Тираж 100 экз.
Типография КубГТУ. 350058, Краснодар, ул. Старокубанская, 84/4