АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
ANTIFRICTION MATERIALS BASED ON IRON

Изобретения относятся к порошковой металлургии, а именно: к производству антифрикционных износостойких материалов, применяемых для изготовления узлов трения, работающих в тяжелонагруженных условиях, в частности в нефтедобывающей промышленности.
Известен порошковый износо- и коррозионно-стойкий материал, содержащий 0-1,5% углерода, 0,5-15,0% никеля, 0-2,5% молибдена и 10-20% меди, введенной методом инфильтрации [пат. РФ №2193115, 2002 г.]. Этот материал используется для изготовления рабочих органов погружных центробежных и центробежно-вихревых насосов.
Недостатками данного материала являются низкие антифрикционные свойства и высокая скорость износа в водной среде.
Наиболее близким к заявляемым по технической сущности и достигаемому эффекту является антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит, никель, медь, молибден и твердую смазку [пат. РФ №2283890, 2006 г.]. В соответствии с ним материал содержит в качестве твердой смазки сульфид марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:
графит - до 1,5
никель - 0,5÷15
медь - 10÷20
молибден - 0,5÷2,5
сульфид марганца - 2,5÷7,0
железо - остальное.
Данный материал имеет более высокие антифрикционные свойства и износостойкость, чем аналог.
Несмотря на достаточно высокие антифрикционные свойства, материал не обеспечивает возможность работы в условиях сухого трения, которое может кратковременно возникать при работе оборудования в скважинах с высоким газовым фактором. Тем более его нельзя применять в условиях сухого трения при высоких (до 400-600°C) температурах. Кроме того, материал имеет недостаточную коррозионную стойкость. В конечном итоге это приводит к снижению надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды и невозможности эксплуатации деталей при высоких температурах (400-600°C).
Задачей изобретений является повышение надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды, а также обеспечение возможности работы при высоких температурах (до 400-600°C).
Поставленная задача решается за счет того, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, медь, молибден и твердую смазку, в соответствии с заявляемым техническим решением в качестве последней содержит фторид кальция, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,3÷1,5
никель - 1÷9
молибден - 0,5÷2,5
медь - 10÷25.
фторид кальция - 0,5÷5,0
железо - остальное.
Поставленная задача решается также за счет того, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, медь, молибден и твердую смазку, в соответствии с заявляемым техническим решением в качестве последней содержит смесь фторида кальция и сульфида марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод - 0,3÷1,5
никель - 1÷9
молибден - 0,5÷2,5
медь - 10÷25.
смесь фторида кальция и сульфида марганца - 0,6÷8,0 при следующем их содержании:
фторид кальция - 0,3÷5,0
сульфид марганца - до 3,0
железо - остальное.
Данные технические решения связаны единым изобретательским замыслом и направлены на достижение одной и той же задачи. Поэтому единство изобретений не нарушается.
Замена в материале сульфида марганца, компонента, выполняющего при работе детали роль твердой смазки, на фторид кальция (в соответствии с 1-м техническим решением) или смесь фторида кальция с сульфидом марганца (в соответствии со 2-м техническим решением) при их содержании, а также содержании остальных компонентов заявляемых материалов, в заявляемых пределах, обеспечивает возможность дополнительного снижения коэффициента трения в условиях водной смазки, а также в условиях сухого трения, в том числе при высоких (до 400-600°C) температурах. При этом не уменьшается, а даже немного увеличивается, коррозионная стойкость материалов (в наибольшей степени это проявляется при содержании меди 20-25%), сохраняется их хорошая обрабатываемость, а также несколько увеличивается их прочность.
Обусловлено это достаточно высокой химической и термической стабильностью фторида кальция, в результате чего при введении в материал он хорошо сохраняет свои исходные свойства, а, самое главное, в присутствии фторида кальция в материале при трении на трущихся поверхностях образуются стабильные плотные разделительные пленки толщиной до 40-70 мкм (такие пленки обладают высокой адгезией к материалу основы и хорошо предохраняют трущиеся поверхности от непосредственного контакта металла с металлом, выдерживая высокие нагрузки).
Указанные разделительные пленки сохраняются с увеличением нагрузки и ростом температуры. Экспериментально установлено, что с повышением содержания фторида кальция (до определенного предела) прочность материала при сжатии повышается, в том числе при нагреве до высоких температур (см. табл. 3). При этом наличие в материале молибдена приводит к дополнительному повышению ударной вязкости материала, содержащего фториды. Сравнительно небольшое содержание в материале сульфида марганца в смеси с фторидом кальция также вызывает повышение прочности материала. Повышение обрабатываемости заявляемых материалов обусловлено, видимо, снижением пластичности при введении в материал фторида кальция или смеси его с небольшим количеством сульфида марганца.
Экспериментально установлено, что при нагреве на воздухе фторид кальция имеет достаточно высокое сопротивление окислению.
При содержании в материалах фторида кальция (или его смеси с сульфидом марганца) ниже заявляемых пределов эффект снижения коэффициента трения и скорости износа материалов деталей, а также повышения прочностных характеристик, не проявляется (см. табл. 1).
При содержании в материалах фторида кальция (или его смеси с сульфидом марганца) выше заявляемых пределов наблюдается катастрофический износ материалов деталей из-за недостаточной прочности металлической матрицы (см. табл. 1).
Обусловлено это, вероятно, тем, что при высоком содержании фторида кальция, или его смеси с сульфидом марганца, они обволакивают зерна металлической матрицы, в результате чего ослабевает связь между ними.
Кроме того, обнаружено, что при содержании фторида кальция более 5% резко снижается прессуемость материала.
В новой совокупности существенных признаков у объектов изобретений появляется новое свойство: способность придать материалам более высокие триботехнические характеристики, как в условиях жидкой смазки, так и в условиях сухого трения, в том числе и при высоких (до 400-600°C)  температурах, а также более высокую прочность, в том числе при высоких температурах, без снижения их коррозионной стойкости.
Следует отметить, что для материалов, предназначенных для работы при трении без смазки, повышенных нагрузках и температурах, такое сочетание свойств является исключительно ценным.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышение надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды. Кроме того, обеспечивается возможность работы деталей при высоких температурах (до 400-600°C) в условиях сухого трения.
В качестве примера использования заявляемых материалов в деталях, работающих в условиях водной смазки, можно привести радиальные опоры ступеней экспериментального насоса, представляющие собой пару трения: втулка рабочего колеса - ступица направляющего аппарата (СНА).
В качестве примера использования заявляемых материалов в деталях, работающих в условиях сухого трения при высоких температурах, можно привести ролики конвейерных цепей, используемых в металлургическом производстве.
Для получения материала порошки исходных компонентов смешивают в любом смесителе для порошковой металлургии. Полученную смесь прессуют при давлении 600-800 МПа и спекают в защитной атмосфере при температуре 1150±30°C. Во время спекания проводят инфильтрацию материала медью. При содержании меди свыше 18% до 25% часть меди вводится в состав исходной шихты.
Для проведения сравнительных триботехнических испытаний были изготовлены детали в виде втулок из заявляемых материалов в соответствии с заявляемыми пределами содержания компонентов и с отклонением от них, а также из материала-прототипа.
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 50 и 200 Н, скорость вращения двигателя составляла 2910 об/мин. Время испытаний при каждой нагрузке 180 и 360 минут. 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.
Коррозионные испытания материалов проводили электрохимическим методом при температуре 80±3°C 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 ASTMВ117-97
2
2
2
2
4
2
2
2. синтетическая пластовая вода (состав ГОСТ 9.506-87, в г/л: CaCl×6HO-34, MgCl×6HO-17, NaCl-163, CaSO×2HO-0,14) без добавления и с добавлением 20 г/л HS.
В таблице 1 приведены триботехнические свойства материалов в условиях водной смазки, где примеры 1-6 соответствуют материалам с заявляемыми пределами, примеры 7-13 соответствуют материалам с пределами ниже нижних и выше верхних заявляемых пределов, а примеры 14 и 15 соответствуют материалу-прототипу. Здесь же приведены прочностные свойства указанных материалов. В таблице 2 приведена скорость коррозии материалов в различных средах.
В таблице 3 приведены триботехнические свойства и прочность заявляемых материалов при высоких температурах в сравнении с материалом-прототипом.
Результаты таблицы 2 свидетельствуют о том, что заявляемые материалы имеют скорость коррозии ниже материала-прототипа. О высоких триботехнических свойствах заявляемых материалов свидетельствует также тот факт, что изготовленные из них втулки рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата при их контакте между собой обеспечили длительную работу в режиме сухого трения. Обусловлено это тем, что триботехнические свойства заявляемых материалов при повышении температуры (вызываемой работой в условиях сухого трения) увеличиваются (см. табл. 3).