ПОРОШКОВЫЙ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
POWDER CORROSION RESISTANT MATERIAL ON BASE OF IRON

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым коррозионно-стойким материалам на основе железа, используемым для изготовления узлов трения, работающих в агрессивных средах, например, в нефтедобывающей, химической промышленности.
Известен антифрикционный коррозионно-стойкий материал - легированный чугун типа нирезист (Машиностроение: Энциклопедия. М.: Машиностроение, 2001). Недостатком этого материала является низкая коррозионная стойкость.
Наиболее близким к заявляемому является порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа, содержащий 0,1-0,3% углерода, 10-15% никеля, 2-3% молибдена, 16-20% хрома, 15-30% меди (патент РФ №2302477, C22C 33/02, опубл. 10.07.2007).
Недостатком этого материала являются его низкие триботехнические свойства в условиях водной смазки, что ограничивает область его применения.
Настоящее изобретение решает задачу повышения триботехнических свойств порошковых нержавеющих сталей в условиях водной смазки.
Поставленная задача достигается тем, что порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа содержит хром, никель, молибден, углерод и медь при следующем соотношении, мас.%:
Хром
7-15
Никель
4-9
Молибден
до 1,8
Углерод
до 2,0
Медь
15-25
Железо
остальное
Медь в материал вводят методом инфильтрации.
Возможность осуществления изобретения может быть показана на примере получения материалов Х12Н9М1,5Д20-пр, 100Х12Н9М1,5Д20-пр, 200Х12Н9М1,5Д20-пр, Х8Н6М1Д20-пр, 100Х8Н6М1Д20-пр и 200Х8Н6М1Д20-пр с оптимальным содержанием компонентов в заявляемых пределах.
Для получения материала порошки исходных компонентов смешивают с сухой смазкой, полученную смесь прессуют при давлении 400-600 МПа. Пористость образцов после прессования составляет 15-18%.
Спекание проводят в восстановительной атмосфере или вакууме при температуре 1150±10°С, совмещая с инфильтрацией медью.
Триботехнические испытания проводили по схеме втулка - ступица на стенде в условиях односторонней нагрузки на вал. Одностороннюю нагрузку на радиальную пару, работающую в режиме водной смазки (5-7 л/ч), задавали сменными грузиками массой от 10 до 200 Н, скорость вращения двигателя составляла 2910 об/мин. Время испытаний при каждой нагрузке 60 мин. Скорость износа определяли путем замера изменения массы втулки. В процессе испытаний фиксировали изменение момента на валу двигателя, исходя из полученных значений рассчитывали коэффициент трения в разные периоды времени. За максимальную нагрузку принято значение, при котором наблюдается катастрофический износ пары.
Коррозионные испытания материалов проводили в соответствии с ГОСТ 9.506-87 весовым методом при температурах от 20±2°С до 80±3°С в статических (без перемешивания раствора) и динамических (перемешивание раствора с помощью магнитной мешалки) условиях в следующих средах:
1) среда NACE (водный раствор 5% NaCl + 3% HCl) в соответствии с ASTM B117-97;
2
2
2
2
4
2
2
2) синтетическая пластовая вода (состав по ГОСТ 9.506-87, в г/л: CaCl·6HO 34; MgCl·6HO 17; NaCl 163; CuSO·2HO 0,14) с добавлением 20 г/л HS.
В таблице 1 приведены триботехнические свойства заявляемого материала, а также прототипа и аналога в условиях смазки водой, в таблицах 2 и 3 - скорость коррозии в различных водных средах.
Согласно данным триботехнических испытаний (таблица 1) новое соотношение компонентов дает возможность повысить нагрузку на пару трения и позволяет обеспечить работоспособность пар трения в широком диапазоне нагрузок (до 200 Н) при сохранении коррозионной стойкости материалов.
Как следует из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, предлагаемые материалы имеют скорость коррозии в неперемешиваемой (статические условия) солянокислой среде ниже аналога, в перемешиваемой (динамические условия) ниже аналога и прототипа. Скорость коррозии в синтетической пластовой жидкости, содержащей сервоводород, ниже аналога и на уровне прототипа.
Кроме того, снижение содержания дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, приведет к снижению стоимости заявляемого материала.
Таблица 1
Скорость износа и средний конечный коэффициент трения пар трения в условиях водной смазки
Материал пары трения
Нагрузка, Н
Коэффициент трения
Скорость износа V, мг/ч
0 мин
30 мин
60 мин
Нирезист (аналог)
30
-
-
-
15,00
50
0,51
0,27
0,19
1460,0
Х18Н12М2,5Д25-пр (прототип)
5
Схватывание
Х12Н9М1,5Д20-пр
30
0,93
0,70
0,61
10,00
50
0,66
0,56
0,50
31,85
80
0,60
0,44
0,38
43,20
100
0,55
0,39
0,38
76,15
130
0,49
0,34
0,37
104,15
160
0,53
0,46
0,44
166,10
100Х12Н9М1.5Д20-пр
30
0.66
0.35
0.28
4.10
50
0.33
0.15
0.18
14.00
80
0.54
0.41
0.34
14.60
100
0.57
0.32
0.33
26.40
130
0.57
0.32
0.31
34.50
160
0.50
0.46
0.40
62.45
200
0.54
0.40
0.45
82.95
200Х12Н9М1,5Д20-пр
30
0,61
0,55
0,57
4,50
50
0,50
0,49
0,48
12,55
80
0,50
0,50
0,49
26,15
100
0,49
0,36
0,38
35,20
130
0,39
0,44
0,46
39,25
160
0,44
0,46
0,49
44,10
200
0,43
0,40
0,43
52,65
Х8Н6М1Д20-пр
30
0,89
0,52
0,44
14,9
50
0,56
0,32
0,36
112,2
80
0,61
0,39
0,38
211,85
100
0,61
0,44
0,30
263,75
130
0,49
0,36
0,35
291,15
160
0,55
0,35
0,31
322,75
100Х8Н6М1Д20-пр
30
0.73
0.49
0.34
0
50
0.70
0.38
0.35
4.15
80
0.53
0.25
0.22
12.35
100
0.48
0.25
0.23
19.15
130
0.51
0.22
0.16
34.05
160
0.57
0.39
0.35
126.00
200Х8Н6М1Д20-пр
30
0,74
0,44
0,36
13,55
50
0,69
0,48
0,41
45,9
80
0,49
0,44
0,34
65,25
100
0,49
0,39
0,34
103,45
130
0,49
0,45
0,41
132,5
160
0,53
0,37
0,36
154,05
Таблица 2
Скорость коррозии материалов в водном растворе 5% NaCl + 3% HCl
Марка материала
Скорость коррозии, г/м<sup>2</sup>·ч
Статические условия
Динамические условия
20±2°С
80±3°С
20±2°С
80±3°С
Нирезист (аналог) ПК20Х11Н8М1,5Д20-пр (прототип)
0,2
3,5
1,9
9,5
0,14
1,3
1,68
8,7
Х12Н9М1,5Д20-пр
-
-
0,19
5,30
100Х12Н9М1,5Д20-пр
0,10
3,16
0,25
6,18
200Х12Н9М1,5Д20-пр
0,12
3,21
0,32
6,21
Х8Н6М1Д20-пр
0,03
1,17
0,15
3,45
100Х8Н6М1Д20-пр
0,01
0,22
0,10
1,43
200Х8Н6М1Д20-пр
0,01
0,23
0,10
1,37
Таблица 3
Скорость коррозии материалов в синтетической пластовой воде с добавкой 20 мг/л H<sub>2</sub>S при 20°С в динамических условиях
Марка материала
Скорость коррозии, г/м<sup>2</sup>·ч
Нирезист (аналог)
0,23
ПК20Х18Н12М2Д25-пр (прототип)
0,16
Х12Н9М1,5Д20-пр
0,14
100Х12Н9М1,5Д20-пр
0,14
200Х12Н9М1,5Д20-пр
-
Х8Н6М1Д20-пр
0,16
100Х8Н6М1Д20-пр
0,16
200Х8Н6М1Д20-пр
-