Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов

Установлено, что наиболее эффективно нанесение никельсодержащих покрытий производить из расплава системы Pb+Li. При нанесении никелевых покрытий оптимальный состав транспортного расплава 96,25%Pb + 0,75%Li + 3%Ni атм.мас., никель-медных - 86,25%Pb + 0,75%Li + 3%Ni + 10%Cu атм.мас, никель-хромовых - 93,25%Pb + 0,75%Li + 3%Ni + 3%Cr атм.мас.

Никелевые и никель-медные покрытия состоят из твердого раствора элементов покрытия и покрываемой стали (помимо железа в состав покрытия входят легирующие элементы, обладающие растворимостью с Ni и Cu) (рисунок 8, 9).

Углерод стали не оказывает влияния на кинетику формирования покрытий и их состав и оттесняется вглубь покрываемого материала, что приводит к повышению его концентрации под покрытием. Кремний стали, также как углерод, оттесняется вглубь изделия. Никелевые и никель-медные покрытия имеют невысокую твердость, которая зависит от степени легирования покрываемой стали (Л.Э. повышают твердость).

Рисунок 8. Микроструктура Ni покрытия. Ni+Cu, Сталь 10. 10часов. Х100

Рисунок 9. Микроструктура покрыт.1000^оС Сталь Х12МФ. Х500

Твердость никель-медных покрытий в результате пластического деформирования под нагрузкой возрастает почти в 3 раза, что обеспечивает им высокую износостойкость. Никель-медные покрытия обладают высокой теплопроводностью (_Ni+Cu = 210 Вт/м·К,) и стойкостью к адгезионному схватыванию. Концентрация меди в никель-медном покрытии зависит от температуры процесса, что позволяет регулировать состав покрытия.

Никель-хромовые покрытия по своему строению и механизму формирования отличаются от никелевых и никель-медных покрытий, и эти отличия связаны со взаимодействием хрома с углеродом стали.

Рисунок 10. Распределение элементов в никель-хромовом покрытии на стали Х6ВФ и микроструктура стали Х6ВФ с покрытием. 1000^оС, 2 часа. х500.

При формировании данных покрытий на сталях покрытия могут быть однослойными и двухслойными.

Элементный и структурно-фазовый состав никель-хромовых покрытий зависит от температуры процесса металлизации и содержания углерода в стали. При температурах металлизации ниже 1000^оС в поверхностных слоях покрытия формируется слой, состоящий из карбидов хрома, блокирующий диффузию хрома и никеля вглубь покрываемого изделия (рисунок 10). Покрытия в этом случае формируются на базе карбида хрома Cr₇C₃. Карбидный слой покрытия имеет высокую твердость, порядка 16000 МПа, и содержит малое количество никеля. Под покрытием происходит образование обезуглероженного слоя. Повышение температуры металлизации приводит к уменьшению количества карбидной фазы вплоть до ее исчезновения, и увеличению содержания в покрытии Ni.

Установлено, что никельсодержащие покрытия повышают статическую, усталостную прочность, вязкость разрушения и циклическую трещиностойкость, а также обеспечивают покрытым изделиям высокую стойкость к электрохимической коррозии, к коррозии в сероводородсодержащих средах, в жидких литейных сплавах и полностью защищают их от коррозионного растрескивания. Так, например, у стали Х12МФ с Ni+Cr покрытиями скорость коррозии снижается на два порядка с 3 мм/год до 0,03 мм/год. Никель-медные покрытия, обладающие высокой теплопроводностью, снижают тепловую нагруженность инструмента, так температура на передней поверхности резца на расстоянии 0,1 мм от режущего лезвия, за счет наличия на его поверхности никель-медного покрытия, снизилась ? на 200^оС.

В главе 7 рассматривается программно-математическое прогнозирование состава покрытий и оптимизация режимов диффузионной металлизации

Для прогнозирования влияния режимов металлизации на состав, свойства и кинетику формирования покрытий, а также для создания возможности подбора режимов, обеспечивающих заданные свойства покрытий, на языке программирования С++, с использованием метода кусочной кубической интерполяции многочленами Эрмита были разработаны компьютерные программы, позволяющие в числовом и графическом виде определять основные (отвечающие за работоспособность) свойства покрытий. Для титановых покрытий была разработана программа (свид. о рег. №2007613513), позволяющая определять количество карбидной фазы в них в зависимости от количества углерода в покрываемой стали и температуры процесса металлизации. Для никель-медных покрытий были разработаны две программы. Первая программа (свид. о рег. №2007613572) позволяет определять режимы процесса металлизации - температуру и длительность при заданной толщине покрытия, вторая (свид. о рег. №2007613656) - прогнозировать изменение состава покрытия в зависимости от температуры металлизации и подбирать режим металлизации по требуемым свойствам покрытия. С помощью программы, разработанной для никель-хромовых покрытий (свид. о рег. №2007613512), возможно прогнозирование содержания в покрытии хрома, никеля и железа в зависимости от режимов металлизации. На рисунках 11, 12 представлены интерполяционные поверхности, устанавливающие, соответственно, зависимость, толщины Ni+Cu покрытий от режимов

металлизации, и количества TiC в Ti покрытии в зависимости от температуры процесса и содержания углерода в покрываемой стали.

Рисунок 11. Интерполяционная поверх. Ni+Cu

Рисунок 12. Интерполяционная поверхность TiC

В главе 8 рассмотрены результаты сравнительных опытно-промышленных испытаний режущего, штампового инструмента, пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов, а также роликовых ножей и их опорных осей, применяемых для перфорации стволов нефтяных скважин.

Влияние титановых покрытий на работоспособность режущего инструмента оценивалась путем сравнительных испытаний неперетачиваемого режущего инструмента - ручных ножовочных полотен, полотен для электролобзиков, напильников, надфилей (рисунок 13). Эти исследования показали повышение стойкости инструмента за счет наличия на его поверхности титанового покрытия в зависимости от обрабатываемого материала от 2 до 12 раз.

Рисунок 13.Зависимость падения производительности процесса распиловки от количества пропилов.

Нанесение титановых покрытий на пресс-формы, применяемые для вулканизации СКФ резин, обеспечило повышение их стойкости по сравнению с гальваническим хромированием в 2,5 раза .

Оценка влияния никельсодержащих покрытий на стойкость пресс-форм, применяемых для литья под давлением, проводилась путем сравнительных ресурсных испытаний пресс-форм с никель-хромовыми, никелевыми покрытиями и без покрытий (рис.14). Ni+Cr покрытия повышают разгаростойкость в 4,7 раза, обеспечивают пресс-формам высокую стойкость к эрозионному изнашиванию и исключают налипание литейного сплава на пресс- форму.

Рисунок 14. Стойкость пресс форм 1-без покрытия; 2-Ni; 3- Ni+Cr.

Работоспособность роликовых ножей перфораторов нефтяных скважин с никель-медными покрытиями (пат. №62654) и их опорных осей с никель-хромовыми покрытиями оценивалась путем проведения стендовых и натурных испытаний на скважинах Когалымского нефтяного месторождения.

Нанесение никельсодержащих покрытий обеспечило исключение аварийного хрупкого разрушения как ножей, так и осей, а также увеличение периода стойкости инструмента в 2 раза при одновременном увеличении скорости перфорации до 3-х раз.

Даны рекомендации по технологии диффузионной металлизации, в частности по проведению подготовительных, основных операций, а также операций по формированию окончательных свойств покрытых изделий.

Предложены советы по рациональному использованию диффузионной металлизации для повышения работоспособности режущего, штампового инструмента для холодного и горячего деформирования, пресс-форм для литья под давлением, инструмента, применяемого в нефтедобывающей промышленности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что диффузионная металлизация из среды легкоплавких жидкометаллических растворов может эффективно использоваться для повышения стойкости стального режущего, штампового инструментов и инструмент, и инструментов, испытывающих агрессивное воздействие рабочей среды. В частности:

- повышение стойкости режущего и штампового инструмента, испытывающего интенсивный износ и высокие контактные напряжения, может быть достигнуто за счет его диффузионного титанирования в расплаве Pb+Bi+Li+Ti после предварительной цементации при режимах, обеспечивающих формирование на поверхности инструмента слоев, содержащих карбиды элементов покрытия и твердый раствор элемента покрытия с элементами материала инструмента, выполняющий функцию связки;

- повышение стойкости режущего инструмента, качества и производительности процесса резания при обработке цветных сплавов, прерывистом резании, а также разгаростойкости штампов и пресс-форм для литья под давлением может быть получено за счет нанесения на инструмент никель-медных покрытий из расплава Pb+Li+Ni+Cu, обеспечивающих снижение температуры рабочих поверхностей инструмента, снижение адгезионного схватывания с обрабатываемым материалом и повышение их трещиностойкости.

- никель-медные и никель-хромовые покрытия обеспечивают значительное повышение стойкости инструмента, эксплуатирующегося в агрессивных рабочих средах, они исключают общую коррозию инструмента и его коррозионное растрескивание под нагрузкой. Никель-хромовые покрытия эффективное средство повышения разгаростойкости и стойкости к эрозионному износу пресс-форм для литья под давлением.

2. Установлено, что определяющее влияние на состав, структуру и свойства покрытий, формирующихся в среде легкоплавких растворов, а также работоспособность изделий (инструмента) с покрытиями оказывают: природа элементов покрытия, состав среды насыщения, температура и длительность процесса металлизации, а также состав покрываемой стали. При металлизации стали карбидообразующими элементами, в частности, титаном, хромом наблюдается явление блокирования углеродом стали их диффузии, а также некарбидообразующих элементов покрытия вглубь покрываемого изделия. Анализ этого явления позволил сократить длительность процесса металлизации до 10-30 минут.

3. Выявлено, что при формировании покрытий в процессе металлизации на базе карбидообразующих элементов образующийся под покрытием обезуглероженный слой, имеющий пониженную твердость, может отрицательно влиять на работоспособность инструмента, вследствие этого перед нанесением покрытий изделия (инструмент) должны подвергаться кратковременной высокотемпературной цементации.

4. Выявлено, что при металлизации сталей некарбидообразующими элементами состав, структура и свойства покрытий не зависят от содержания углерода в стали, а определяются характером диффузионного взаимодействия элементов покрытия с железом и легирующими элементами покрываемой стали. При отсутствии взаимодействия элементов покрываемой стали с элементами покрытия наблюдается оттеснение элементов стали вглубь изделия.

5. Установлено, что при металлизации в открытых жидкометаллических ваннах могут быть использованы только лишь свинцовые, свинцово-висмутовые расплавы, имеющие температуру кипения выше температуры металлизации. Получение бездефектных диффузионных покрытий на сталях, а также сокращение длительности процесса металлизации из среды легкоплавких растворов обеспечивает введение в транспортный расплав лития в количестве 0,75% масс. или олова 2…5% масс.

6. Выявлено, что большое влияние на состав, структуру и свойства покрытий оказывает температура процесса. Так, при титанировании при низких температурах процесса 950…1000^оС карбидные слои могут быть получены даже на малоуглеродистых сталях. При повышении температуры металлизации количество карбидной фазы в покрытиях уменьшается, что позволяет получать твердые износостойкие, но не хрупкие покрытия даже на высокоуглеродистых инструментальных сталях. При нанесении никель-медных покрытий повышение температуры процесса приводит к уменьшению концентрации в покрытии меди, а при формировании никель-хромовых покрытий уменьшается концентрация хрома. Такая зависимость состава и структуры покрытий от температуры процесса позволяет в широком диапазоне изменять состав, структуру и свойства покрытий.

7. Установлено, что диффузионная металлизации в среде легкоплавких растворов обеспечивает возможность совмещения с ней термической обработки инструмента, что значительно сокращает длительность общего технологического процесса и затраты на его осуществление. При этом необходимо проводить оптимизацию режимов металлизации с учетом термического воздействия металлизационного нагрева на структуру покрываемой стали.

8. Разработанное автором технологическое оборудование, позволяет совмещать диффузионную металлизацию с термической обработкой материала изделий, производить их отпуск и очистку от следов расплава. Такое технологическое оборудование может использоваться в промышленности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Соколов А.Г. Повышение трещиностойкости и долговечности диффузионным насыщением поверхностных слоев стальных деталей // Циклическая прочность и повышение несущей способности изделий: Тез. докл. науч.-техн. конф. Урала. - Пермь, 1981. - С. 107-108.

2. Соколов А.Г., Иванова Т.И. Расчет параметров трещиностойкости композиционных сплавов, получаемых после проведения ХТО и других видов поверхностного упрочнения// Малоцикловая усталость - механика разрушения. Живучесть и материалоемкость конструкций: Тез. докл. Науч.-техн. конф. сентябрь 1983 г. -Краснодар, 1983. - С.55

3. А.с. №994909 СССР, МКИ³ В 23 К 1/00. Устройство для определения остаточных напряжений / М.И.Чаевский, А.Г. Соколов (РФ) - №3241859/25-27; Заявлено 26.01.81; Опублик. 07.02.83, Бюл. № 5 - 2 с.

4. А.с. №994171 СССР, МКИ³ В 23 К 1/00. Способ высокотемпературного диффузионного соединения материалов / М.И.Чаевский, А.Г. Соколов - №3241859/25-27; Заявлено 26.01.81; Опублик. 07.02.83, Бюл. № 5. - 2 с.

5. Иванова Т.И., Соколов А.Г. Поведение конструкционных металлических материалов под нагрузкой. -Л.: ЛМИ, 1984. -64с.

6. А.с.1338988 СССР, МКИ³ В 23 К 1/00. Способ высокотемпературного диффузионного соединения материалов / А.Г. Соколов, Т.И. Иванова, В.В.Соколов, В.Я.Поручиков - №4016535/31-27; Заявлено 31.01.86; Опублик. 23.09.87, Бюл. № 35. - 2 с.

7. А.с.1505698 СССР, МКИ³ В 23 К1/00. Способ высокотемпературного диффузионного соединения материалов / А.Г. Соколов, Т.И. Иванова, А.В. Сивенков - №4286394/31-27; Заявл. 20.07.87; Опубл.. 07.09.89, Бюл. №33.-2с.

8. Покрытия для деталей машиностроения / Т.И.Иванова,

a. А.Г.Соколов, С.К.Конев, А.В.Сивенков. -Л.:ЛМИ, 1989. - 89с.

9. Новый способ сварки режущего инструмента из разнородных материалов с одновременным нанесением покрытия. / Соколов А.Г., Иванова Т.И., Куркова О.П., Сивенков А.В. - Л.: ЛДНТП, 1989. - 20 с., ил..

10. А.с. 1504286 СССР, МКИ³ С23 С10/22. Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия / А.Г. Соколов, Т.И. Иванова, А.В. Севенков - №428182/31-02; Заявлено 04.05.87; Опублик. 30.08.89, Бюл. № 32. - 2 с.

11. А.с. 1772215 СССР, МКИ³ С23 С10/22. Способ нанесения диффузионных покрытий на стальные изделия / А.Г. Соколов, Т.И. Иванова, А.В. Сивенков - №4928593/02; Заявлено 30.10.91; Опублик. 30.10.92, Бюл. № 40. - 2 с.

12. Соколов А.Г. Исследование защитных свойств никельсодержащих диффузионных покрытий в кислой сероводородной среде // Коррозионно-механическая прочность материалов АЭС: Тез. докл. Науч.-техн. Конф. СПб.: 1996. С.22-21.

13. Соколов А.Г. Новые технологии повышения работоспособности инструмента // Научный журнал «Труды КубГТУ», - Краснодар: Кубан.гос.технол.ун-т, 2004.- Т.ХХ.- Сер.: Механика и машиностроение. - Вып. 2. С.223-227.

14. Пат. №2271265 РФ, МПК В23В 27/00(2006.01) Инструмент для обработки металлов резанием и давлением / А.Г.Соколов, В.П.Артемьев, Е.Г.Соколов, А.А.Чалов.(РФ) - 4с.

15. Пат. №2293792 МПК С23С 12/00. Способ повышения износостойкости стальных изделий / А.Г.Соколов, В.П.Артемьев (РФ). - Заявлено 04.07.05; Опубл. 20.02.07, Бюл. №5 - 4с.

16. Пат. №2293791 РФ, МПК С23С 10/22 (2006.01) . Устройство для диффузионной металлизации в среде легкоплавких жидкометаллических растворов / А.Г.Соколов, В.П. Артемьев (РФ) - Заявлено 29.08.05; Опубл. 20.02.07, Бюл. №5 - 4 с.

17. Пат. №2310699 РФ, МКИ7 С23 G 1/28 (2006.01.). Способ очистки стальных изделий от следов свинцовых расплавов и устройство для его осуществления / А.Г. Соколов, В.П. Артемьев (РФ) - Заявлено 12.10.05; опубл. 20.11.07,Бюл. 32 - 4 с.

18. Пат. №2312164 РФ, МПК С23 C 2/08 (2006.01). Способ нанесения покрытий на стальные изделия / А.Г. Соколов (РФ) - Заявлено 02.05.06; опубл. 10.12.2007, Бюл. №34.

19. Соколов А.Г. Диффузионная металлизация в среде легкоплавких расплавов как способ повышения стойкости инструмента // Научная мысль Кавказа.- 2006.-№1.- С.159-168.

20. Соколов А.Г. Влияние состава транспортного расплава на процесс формирования покрытий при диффузионной металлизации из среды жидкометал. растворов // Науч. мысль Кавказа.- 2006.-№2.- С.165-175.

21. Соколов А.Г. Диффузионное титанирование из среды легкоплавких жидкометаллических растворов как способ повышения стойкости инструментальных сталей // Научная мысль Кавказа.- 2006.-№6.- С.233-242.

22. Соколов А.Г. Особенности процесса формирования диффузионных титановых покрытий из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на инструментальных сталях // Науч. мысль Кавказа.- 2006.-№7.- С.258-267.

23. Sokolov A. Influence of Nature of Metal Elements Dissolved in Lead Melt on Mechanism of their Diffusion Interaction with Steel Placed into Lead Melt // Proceeding of International Conference. Mechanika.2006.- P. 320-323.

24. Sokolov A. Impact of carbide phases to diffusion processes proceeding within steel-lead melt contact zone containing titanium // The ninth international conference “Material in design,manufacturing and operation of nuclear power plantequipm ent” 6 - 8 June , 2006 St. Petersburg р.175-176

25. Sokolov A., Artemyev V., Sokolov E., Chalov A., Kobzeva S. Features of nickel, copper and chrome isothermic transport from liquid-metal lead melts at steel, and diffusion of such elements into steel // The ninth international conference “Material in design,manufacturing and operation of nuclear power plantequipm ent” 6 - 8 June , 2006 St. Petersburg р.173-174

26. Чалов А.А., Артемьев В.П., Соколов А.Г., Соколов Е.Г. Упрочнение режущих накатных роликов гидромеханических скажинных перфораторов методом химико-термической обработки //«Нефтегазовое дело» - Уфа, 2006. http:ogbus.ru/authors/ Chalov/Chalov_1.pdf

27. Соколов А.Г., Артемьев В.П., Чалов А.А. Исследование защитных свойств никельсодержащих диффузионных покрытий, получаемых при диффузионной металлизации стальных изделий, в сероводородных средах//«Нефтегазовое дело» - Уфа, 2006. http:ogbus.ru/authors/ Sokolov/Sokolov_1.pdf

28. Артемьев В.П., Соколов А.Г., Чалов А.А., Соколов Е.Г., Макарова И.В. Кинетика формирования медно-никелевых диффузионных покрытий на сталях // Инновации в машиностроении.: Тез.докл.науч.-тех.конф. - Пенза. 2004. С.12-15.

29. Соколов А.Г., Артемьев В.П. Повышение работоспособности инструмента методами диффузионной металлизации. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2006. 228 с.: ил.

30. Соколов А.Г., Артемьев В.П. Влияние технологических факторов и химического состава сталей на структуру и свойства диффузионных никельсодержащих покрытий // МиТО.- 2007, №4.С. 38 - 42.

31. Соколов А.Г. Артемьев В.П. Диффузионная металлизация как способ повышения работоспособ. инструмента // В кн. Технол. ремонта, восстановления и упрочнения дет. машин, оборуд., инструмента и технолог. оснастки. ЧастьI I. - СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2007. С. 208-217.

32. Пат. №62654 РФ, МКИ7 С23 G 1/14. Режущий инструмент для гидромеханических скважинных перфораторов / Соколов А.Г., Артемьев В.П., Соколов Е.Г., Чалов А.А. (РФ) - Заявлено 20.12.2006; Опубл. От 27.04.07, Бюл. №12.

33. Соколов А.Г., Тимофеев Б.Т. Влияние введения добавок лития и олова на свойства свинцовых и свинцово-висмутовых расплавов // Вопросы материаловедения.- 2007. - № 3. С.293-300.

34. Соколов А.Г., Артемьев В.П. Влияние диффузионной металлизации в среде легкоплавких растворов на коррозионное растрескивание конструкционных сталей // Вопросы материаловед..- 2007. - № 3. С.286-292.

35. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613513 от 20.08.07. Программа прогноз. содержания карбида титана в диффуз. титановых покрытиях / А.Г.Соколов, В.П. Артемьев, Д.А. Соколов.

36. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613656 от 27.07.07. Программа прогнозирования состава никель-медных покрытий в зависимости от режимов диффузионной металлизации / А.Г. Соколов , В.П. Артемьев, Д.А. Соколов

37. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613512 от 20.08.07. Программа прогнозирования состава никель-хромовых покрытий в зависимости от режимов диффузионной металлизации / А.Г. Соколов , В.П. Артемьев, Д.А. Соколов

38. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007613572 от 22.08.07Программа прогнозирования толщины никель-медных покрытий в зависимости от режимов диффузионной металлизации / А.Г. Соколов , В.П. Артемьев, Д.А. Соколов.

39. Соколов А.Г., Тимофеев Б.Т. Влияние введения добавок лития и олова на свойства свинцовых и свинцово-висмутовых расплавов// Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике: Тез. докл. Науч-техн. Конф. 25-27 сентября 2007г. - СПБ, 2007. - С.89.

40. Соколов А.Г., Артемьев В.П. Влияние диффузионной металлизации в среде легкоплавких растворов на коррозионное растрескивание конструкционных сталей // Прочность и долговечность сварных конструкций в тепловой и атомной энергетике: Тез. докл. Науч-техн. Конф. 25-27 сентября 2007г. - СПБ, 2007. - С.88 .

Размещено на Allbest.ru