Повышение эксплуатационных свойств изделий из высокопрочного чугуна

УДК 621.74.04

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., Д.Б. Глушкова, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., С.В. Дембицкий, студент, ХНАДУ

Аннотация. Исследована возможность повышения эксплуатационных свойств изделий, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом за счет нанесения на их рабочие поверхности ионно-плазменных покрытий

Ключевые слова: чугун, шаровидный графит, плазма, покрытие, коррозия.

Введение

В настоящее время широко применяют высокопрочный чугун с шаровидным графитом в качестве материала деталей, работающих в самых разнообразных условиях, что требует дифференцированного подхода к выбору марки чугуна, который бы обеспечивал требуемую работоспособность. Сочетание хороших литейных характеристик с высокими показателями коррозионной стойкости позволяет с большим успехом применять такие чугуны, как менее дефицитный материал, при изготовлении водо-, нефте-, газопроводов, фитингов, клапанов, задвижек, используемых в химическом и нефтяном машиностроении взамен стали и цветных металлов.

Цель и постановка задачи

Целью настоящего исследования было изучение возможности получения защитных покрытий с помощью ионно-плазменного напыления высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Анализ публикаций

Коррозия на протяжении многих лет является одной из серьезных проблем в разных отраслях промышленности. Интенсивность возможного коррозийного поражения зависит от ряда факторов, в числе которых можно назвать химический состав и микроструктуру материалов, уровень рабочих напряжений, температуру эксплуатации. Снижение коррозионных потерь - это основная проблема при проектировании конструкций и сооружений, работающих в агрессивных средах.

Существуют различные способы повышения стойкости против коррозии материалов, в том числе поверхностное легирование, химическая, химико-термическая обработка, объемное леги-

рование и ряд других. К преимуществам этих методов можно отнести их высокую производительность и обеспечение высокой защитной способности в случае правильного, тщательного и скрупулезного подбора режима обработки. Однако многие из этих способов не дают устойчивых промышленных результатов. Их реализация связана с большими временными затратами, трудоемкостью с использованием значительного количества дефицитных дорогостоящих металлов и сплавов.

Большинства этих недостатков лишен способ конденсации вещества в условиях ионной бомбардировки (КИБ), который получил широкое распространение, прежде всего, для увеличения износостойкости инструментальных сталей. Применение же этого способа для повышения эксплуатационных свойств высокопрочного чугуна (в частности, его коррозионной стойкости) сдерживается недостаточностью сведений о конкретных параметрах нанесения плазменных покрытий на изделия из ВЧШГ. Поэтому очевидна важность обоснованного выбора технологических параметров процесса конденсации вакуумно-плазменных покрытий (состава покрытий, давления реакционного газа, температуры нагрева рабочей поверхности и ряда других), обеспечивающих получение поверхностного слоя с необходимыми служебными свойствами.

Методика и результаты исследования

Эффективное покрытие должно удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой адгезией к подложке, иметь высокую когезионную прочность, низкую схватываемость с материалом контртела, высокую износостойкость и хорошую прирабатываемость, обеспечивать высокий и стабильный коэффициент трения.

В данной работе выбор состава покрытия и режимов их нанесения диктовался, прежде всего, условиями работы деталей нефтепромыслового оборудования в процессе эксплуатации нефтяных скважин, а также рядом технологических соображений. Следует иметь ввиду, что получение равномерного плотного вакуумно-плазменного покрытия на чугуне представляет определенную сложность вследствие невысоких адгезионных свойств графитных включений. Диффузионный слой на них отличается повышенной хрупкостью и способностью к отслаиванию. Нарушение сплошности покрытия проводит к интенсивному коррозионному разрушению чугуна за счет ускоренного образования гальванических микропар на границах диффузионной зоны с металлической матрицей и графитом. Однако при наличии дисперсных включений графита шаровидной формы, равномерно распределенных в чугуне, этот фактор ослабляется, и возможно образование сплошного слоя на поверхности с достаточной прочностью.

В качестве альтернативных покрытий для выбора были приняты покрытия из тугоплавких соединений на основе нитридов титана, молибдена и хрома (табл. 1). Эти элементы не являются остродефицитными или очень дорогостоящими и получили распространение в промышленности. Имеются сведения о высокой защитной способности нит-ридных покрытий из соединений титана, молибдена и хрома в отдельных коррозионных средах [1, 2], однако отсутствует систематизированный анализ результатов их воздействия в тех или иных условиях эксплуатации, не изучен вопрос коррозионной стойкости в различных нефтесо-держащих средах.

Таблица 1 Свойства тугоплавких соединений, использованных в качестве покрытия на ВЧТТТГ

Важнейшими технологическими параметрами процесса конденсации вещества в условиях ионной бомбардировки (КИБ) являются давление реакционного газа и температура рабочей по-

верхности, на которую наносится покрытие [1, 2]. На ВЧТТТГ плазменные покрытия наносили при давлении азота 0,4 и 1,0 МПа, что обеспечивало минимальное количество капельной фазы на осаждаемой поверхности.

Функция температуры весьма важна с точки зрения необходимого энергетического уровня, способствующего протеканию плазмохимических реакций. При низких температурах наблюдается тенденция отслаивания покрытия. Исходя из рекомендаций, содержащихся в литературе, применительно к вакуумно-плазменным покрытиям нитридов титана, молибдена и хрома [1, 2], обрабатываемую поверхность подвергали нагреву до 450-550 °С. Контроль температуры осуществлялся с помощью образца-свидетеля с вмонтированной хромель-алюмелевой термопарой.

Значения остальных технологических параметров процесса конденсации вакуумно-плазменных покрытий определяли также, исходя из необходимости получения толщины напыленного слоя в пределах от 3 до 5 мкм, так как при больших значениях толщины происходит скалывание покрытия из-за плохой адгезии, а слой толщиной в один-два микрона обладает низкой защитной способностью.

Нанесение покрытия осуществлялось на установке «Булат-ЗТ» и производилось в две стадии. На первой стадии велись нагрев, очистка и активация поверхности подложки, на второй - в режиме конденсации - наносилось покрытие ускоряющими ионами в среде реакционного газа - азота.

Описанным способом были получены однослойные покрытия на основе нитридов титана, молибдена и хрома. Получение плазменных покрытий осуществлялось на ферритных и перлитных образцах из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита. Конденсация покрытий производилась по следующим режимам:

- предварительная бомбардировка поверхности ионами катода, ускоренными до энергии 1-2 кэВ;

- конденсация покрытия на поверхность разогретого до 450-550 °С металла при парциальных давлениях реакционного газа - азота 0,4 и 1,0 МПа;

- остывание подложки до комнатной температуры.

Выбранные режимы позволили получить на поверхности ВЧТТТГ покрытия, имеющие хорошую адгезию с основным материалом, необходимую толщину, достаточную плотность и равномерность.

Для определения эффективности использования вакуумно-плазменного напыления высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧТГ) проводились исследования коррозионной стойкости. Для сравнения были выбраны чугуны, обработан-

Параметры Значения

Вид нитридов Mo2N СгЫ

Тип решетки кубическая

Период решетки, нм 0,423 0,4165 0,4148

Плотность, кг/м' 5440 9440 6140

Температура плавления, °С 2950 895 1500

Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С 12,6 18,1 11,9

Коэффициент термического расширения, 10"6/°С 9,35 6,2 2,3

ные методом конденсации вещества с ионной бомбардировкой (КИБ), чугуны без покрытий и наиболее широко применяемые в производстве деталей нефтепромышленного оборудования стали - 45, 40Х, ЗОХМА и 20Х2МФА. Две последние используются в настоящее время в средах с содержанием сероводорода и углекислого газа до 6% каждого.

В качестве рабочей среды была применена вода, имеющая в своем составе 5% морской соли с содержанием ионов хлора, натрия, магния, кальция, калия и ряда других. Такие среды являются наиболее агрессивными для несероводородосо-дер-жащих нефтяных скважин. Испытания проводились в статических условиях в течение 360 часов без подогрева рабочей жидкости. Последнее обстоятельство обусловлено невозможностью проведения корректных исследований в условиях подогрева, так как увеличение температуры рабочей среды привело бы к интенсивному испарению ионов морской соли, а следовательно, к частичной потери коррозионной активности используемой жидкости. Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени защитной способности нитридных покрытий. Все образцы с нанесенными вакуумноплазменными слоями обладали более высокой коррозийной стойкостью, нежели чугуны и стали без покрытия. Наивысшую стойкость против коррозии показали покрытия на основе нитрида хрома, затем молибдена и титана. Обращает на себя внимание на факт, что коррозионная стойкость чугунов с плазменным покрытием практически не зависит от структуры их металлической основы и давления азота при нанесении покрытия. В одних случаях более высокая коррозийная стойкость наблюдалась у чугунов с перлитной (ПВЧ), в других - с ферритной (ФВЧ) металлической матрицей.

Металлографические исследования образцов проводили с целью выяснения особенностей протекания процессов коррозии на поверхности. Во всех случаях характер коррозии был практически одинаков, форма коррозионных разрушений -квазиравномерной, а фронт коррозии располагался по всей площади контактирующей поверхности. Очагов концентрации коррозионной

«активности» не обнаружено. Окисная пленка с высокой степенью адгезии в подавляющем большинстве образцов представляла из себя тонкий, сравнительно равномерный и относительно плотный слой продуктов коррозийного воздействия. Лишь у чугунов без покрытия толщина его была больше, а плотность меньше.

В пятипроцентном водном растворе морской соли распространение коррозии в глубь металла происходило не по поверхности контакта графитных глобулей с матрицей, а равномерно по всей координирующей поверхности. Это можно объяснить

следующими обстоятельствами. Агрессивность хлоридов обусловлена способностью анионов проходить через непроницаемые в других растворах слои продуктов коррозии. Из-за возросшей (по сравнению с обычной водой) проводимости раствора важную роль начинают играть гальванические эффекты. Вследствие высокой химической однородности полученных вакуумно-плазменных покрытий образование микрогальванических коррозионных элементов происходило практически одновременно и равномерно по всей поверхности контакта. Следовательно и процессы коррозии развивались с близкими друг к другу значениями скорости.

Учитывая, что по мере роста давления азота от

0.4.до 1,0 МПа значительно снижается хрупкость покрытия при сохранении достаточно высокой его твердости, обработку деталей из высокопрочного чугуна целесообразно проводить при верхнем парциальном давлении реакционного газа.

Выводы

Применение плазменных покрытий обеспечивает получение на поверхности высокопрочного чугуна твердого рабочего слоя с высокой коррозийной стойкостью и дает возможность заменить дорогостоящие среднелегированные стали.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о высокой эффективности использования метода КИБ для повышения коррозийной стойкости ВЧ с перлитной и ферритной структурой металлической основы и свидетельствуют о возможности применения ВЧШГ с вакуумноплаз-менны-ми покрытиями на основе нитридов хрома, молибдена и титана в условиях воздействия сильно обводненных и засоленных сред нефтяных

скважин.

Литература

1. Андреев А.А., Гаврилко И.В., Кунченко В.В.

Исследование некоторых свойств конденсаторов Ti-N2, Zr-N2, получаемых осаждением плазменных потоков в вакууме (способ КИБ) // Физика и химия обработки материалов. - 1990. - №3. - C. 64-68.

2. Верещака А.С, Третьяков И.П. Режущие

инструменты с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1996. - 189 с.

Рецензент: В.И. Клименко, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 1 июня 2006 г.