Способ получения вольфрамсодержащего покрытия на металлических деталях нефтегазового машиностроения
METHOD FOR OBTAINING A TUNGSTEN-CONTAINING COATING ON METAL PARTS OF OIL AND GAS ENGINEERING

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, в частности к материалам для газопламенного напыления, а именно к порошковым материалам с содержанием вольфрама W, используемым для восстановления и упрочнения рабочей поверхности деталей насосно-компрессорного оборудования (НКО), в том числе штоков компрессора.
Существует множество способов восстановления и упрочнения поверхностей деталей НКО: газотермическое, высокоскоростное и плазменное напыление, лазерная наплавка и другие. Наиболее применяемыми являются способы, обеспечивающие требуемые эксплуатационные характеристики изделия.
Эффективным средством восстановления и упрочнения длинномерных деталей насосно-компрессорного оборудования, с сохранением геометрической точности, является формирование на их поверхности прочных износостойких и коррозионностойких покрытий. В рамках единичного ремонтного производства следует учитывать экономическую целесообразность применяемого способа, чему наиболее соответствует холодное газотермическое напыление. Для поверхностного упрочнения деталей путем нанесения покрытий применяют порошки различных композитных систем, где с целью повышения износостойкости обязательным элементом является вольфрам.
Так, например, известен способ получения на деталях износостойких покрытий из порошковых материалов, включающий очистку, промывку и струйно-абразивную обработку с целью обеспечения адгезии, с последующей лазерной наплавкой порошковым материалом в среде защитного газа – аргона. В качестве порошкового материала используют смесь из частиц вольфрама с размером – 80,0-150,0 мкм и порошка сплава кобальта В3К с фракцией 53-106 мкм, в массовом соотношении 1:4 или 1:5, а процесс наплавки осуществляют лазерным лучом мощностью 2 кВт, на скорости перемещения лазерного пучка 2 м/мин и расходе порошка 25 г/мин (патент РФ №2503740). Исходя из химического состава данной порошковой смеси, такой способ не обеспечивает достаточной стойкости деталей НКО, подвергающихся воздействию агрессивных сред.
4
3
2
4
3
2
Известен способ формирования многослойных композиционных покрытий, включающий нанесение нижнего слоя покрытия толщиной 20- 100 мкм порошком Ni, среднего слоя - толщиной 50-500 мкм из порошка основе TiNi и верхнего слоя - толщиной 50-500 мкм из смеси порошков ВС, WC, (CrC или CSi), Со, Ni, С, при их соотношении вес.%: ВС 35-80, WC 7-40, (CrC или CSi) 7-30, Со 1-5, Ni 4-7, С 1-3. После нанесения данного многослойного покрытия следует проводить отжиг при температуре от 600 до 800°С в течение 0,5-1 ч. После нанесения среднего слоя на основе TiNi также следует осуществлять его поверхностное пластическое деформирование. Механическую активацию порошков и высокоскоростное газопламенное напыление в данном случае производят в защитной атмосфере (патент RU 2605717). Такой способ является, во-первых, многооперационным, не обеспечивает достаточной эксплуатационной стойкости деталей нефтегазодобывающей отрасли, подвергающихся одновременному воздействию агрессивной сероводородосодержащей среды и изнашиванию, за счет того, что крупные карбиды вольфрама и титана (размером до 100мкм) неустойчивы, выкрашиваются при кавитационных нагрузках и являются очагами коррозионного разрушения.
Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является износостойкое покрытие для поршневых колец, способ нанесения износостойкого защитного покрытия включает приготовление компонентов в порошковой форме и их нанесение на основу способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF). При этом используют порошкообразную композицию сложного химического состава содержащую, мас.%: Fe 15 – 25, W 10 – 20, Cr 20 – 30, Ni 15 – 25, Mo 1 – 5, P 0,1 - 0,5, B 0,01 - 0,1, C 0,1 – 5, Si 0,1 – 2, с дисперсностью частиц основных элементов (Fe и Ni) до 80 мкм с добавлением частиц карбидов (W, Cr, Mo, B и Si) от 0,1 до 5 мкм (патент RU 2635119 C2, опубликовано 20.03.2013). Такой способ обладает следующими недостатками: технология высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) требует специального высокотехнологичного оборудования, а заявленная пористость от 1 до 9% не является преимуществом в узлах насосно-компрессорного оборудования, работающих в агрессивных средах. Малая фракция порошковой композиции карбидов (в пределах от 0,1 до 5 мкм) редко встречается в порошковой металлургии, что требует применения дополнительного просеивающего оборудования, а выход годного гранулометрического состава такой фракции не превышает 10-15% промышленных металлургических порошков.
Задача изобретения заключается в разработке износостойкого и коррозионностойкого порошкового покрытия, и способа его нанесения на рабочие части ответственных деталей НКО с целью увеличения межремонтных периодов эксплуатации.
Для решения указанной задачи, предлагается использовать порошковые материалы сферической формы системы Ni-Cr-B-WC с общей дисперсностью порошковой композиции 15-30 мкм. Напыление проводить в контролируемой газовой среде ацетилена с кислородом.
23
6
7
3
3
3
5
3
4
Состав порошковой композиции обеспечивает формирование структуры на основе ламеллей никеля, армированных хромом и бором, в которой по границам ламеллей усвоены частицы карбида вольфрама (WC), представляющие собой сферические гранулы, имеющие размер в приделах 15 мкм., а также отдельные карбиды типа CrC; CrC; CrWC; γ-Ni; CrB; BC, содержание которых является определяющим фактором дополнительного увеличения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости напыленного покрытия. Фазовый состав покрытия определяли методом рентгеноструктурного анализа (фиг. 1). Сравнительный анализ способов и свойств покрытий представлен на фиг. 2, структура покрытия представлена фиг. 3, состав покрытия Ni-Cr-B-WС в характерных спектрах на фиг. 4 и 5 соответственно, фиг. 6 – Характер распределения пористости в анализируемых покрытиях.
Фракция 15-30 мкм является оптимальной, так как с увеличением размера напыляемой фракции от 30 до 100 мкм уменьшается количество усваемого вольфрама в покрытии, увеличивается межламельное расстояние и пористость, снижается износостойкость покрытия, и соответственно эксплуатационные характеристики.
Микротвердость основы покрытия (Ni-Cr-B) составила порядка 800 HV, включений типа WC до 2500 HV. Измерения микротвердости на поверхности покрытия определяли по методу Виккерса при нагрузках на индентор 0,98Н (HV0.1) и 9,8Н (HV1).
Предлагаемое покрытие обладает пористостью в пределах 0,5%, в отличие от аналогов, представленных на фиг. 2.
Пример реализации способа
Композиционный порошковый материал химического состава: 59.05% Ni, 28.86% W, 5.33% Cr, 1.74% Fe, 1.18% B, 2.45% Si, 1.39% C, с гранулометрическим составом 15-30 мкм сферической формы напыляли на деталь – шток компрессора, выполненного из стали AISI 4140.
Функциональное покрытие получали следующим образом.
Заготовку подвергали термической обработке, для достижения требований по механическим свойствам. Поверхность под напыление предварительно подвергали токарной обработке, обеспечивая шероховатость в пределах 3,2 Ra. Напыление осуществляли с применением многоцелевой горелки газопламенного напыления Castodyn DS 8000 в 10-15 проходов при температуре детали не более 150°С, линейной скорости вращения заготовки 125 об/мин, давление ацетилена 0,7 бар, давление кислорода 4,0 бар. Порошковая смесь подавалась из вертикально установленного питателя за счет сил тяжести, плавилась в пламени горелки, и переносилась сжатым воздухом на напыляемую поверхность транспортирующим газом, при расходе кислорода 5 л/ч, ацетилена 4 л/ч. Напыление проводили до достижения толщины покрытия 0,6 мм, после чего напыляемую поверхность подвергали шлифованию и полированию на металлообрабатывающем оборудовании с применением интенсивного охлаждения.
Испытания на износостойкость проводили на серийной машине трения СМЦ-2 по схеме «диск-колодка» без применения смазочного материала. В качестве контртела при испытании применяли диск, изготовленный из инструментальной стали 9ХС с твердостью 60 HRC. Из данных фиг.2 следует, что использование разработанных порошковой композиции для газотермического напыления износостойкого покрытия при заявленном соотношении компонентов обеспечивает получение качественного покрытия, обладающего значительной микротвердостью металлической основы в пределах 800 HV, карбидов вольфрама до 2500 HV, а также высокой стойкостью к износу в условиях агрессивных сред.
Из представленного сравнительного анализа способов и свойств покрытий, представленного на фиг. 2, видно, что заявляемый способ может получить применение для упрочнения и восстановления деталей нефтегазового машиностроения, используемых в условиях интенсивного изнашивания и в агрессивных средах.