Особливості виготовлення і сучасні технології зміцнення

трубного інструменту для виробництва корозійностійких труб

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ		АНОТАЦІЯ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ		УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 4

Сучасні технології зміцнення трубного інструменту з використанням нанотехнологій

Одним із сучасних шляхів зміцнення трубного інструменту є використання нанотехнологій.

Нанотехнології – це технології, що оперують величинами порядку нанометра. Це мізерно мала величина, співмірна з розмірами атомів.

Нанопокриття – тонкий шар (< 100 нм), яким покривають поверхні, щоб поліпшити їх властивості або надати їм нових властивостей

	Нанопокриття використовують для того, щоб подолати проблеми, притаманні звичайним покриттям:
погану адгезію, погану гнучкість, погану довготривалість, погану стійкість до подряпин тощо.

Нанокристалічні матеріали мають у своєму складі кластери, розмір яких приблизно 10 нм. При цьому, що менше розмір кластера, то яскравіше виражені специфічні властивості матеріалу, наприклад, температура плавлення, питомий опір, твердість, міцність. Збільшення міцності нанокристалів пов’язано з тим, що за малих розмірів кластерів зменшується щільність існуючих дефектів структури та ймовірність утворення нових. Суттєво, що, на відміну від звичайних кристалів, збільшення міцності нанокристалів супроводжується підвищенням його пластичності.

Аморфні метали та сплави ‒ це один із видів нових конструкційних матеріалів.

Їх отримують у разі дуже швидкого охолодження розплавів. Швидкість охолодження переважно становить 10³ до 10¹⁰ С/с. Таких великих швидкостей охолодження досягають у розплавах, товщина шарів яких не перевищує десятки мікрометрів. У разі більших товщин розплавів отримати аморфні метали та сплави неможливо, оскільки відведення теплоти зсередини назовні спричинить нагрівання аморфних шарів, унаслідок чого формуються кристали. Тому аморфні метали і сплави виробляють у вигляді фольги, тонких стрічок і дроту.

Найдешевшим способом отримання зносостійких недорогих порошкових покриттів є використання гартування розплаву.

Аморфні металеві сплави (АМС) отримують швидким гартуванням розплавів за швидкостей охолодження рідкого металу 10⁴ – 10⁶ град / с і за умови, що сплав містить достатню кількість елементів-аморфізаторов.

	Аморфізаторами є неметали:
бор, фосфор, кремній, вуглець і метали.

Відповідно аморфні металеві сплави поділяють на сплави «метал ‒ неметал» і «метал ‒ метал». Структура аморфних сплавів подібна до структури замороженої рідини. Затвердіння відбувається настільки швидко, що атоми речовини виявляються замороженими в тих положеннях, які вони займали, перебуваючи в рідкому стані. Аморфна структура характеризується відсутністю далекого порядку в розташуванні атомів, завдяки чому в ній немає кристалічної анізотропії, немає границь блоків зерен й інших дефектів структури, типових для полікристалічних сплавів.

Наслідком такої аморфної структури є незвичайні магнітні, механічні, електричні властивості та корозійна стійкість аморфних металевих сплавів.

Найбільш ефективними способами промислового виробництва аморфної стрічки є охолодження струменя рідкого металу на зовнішній (гартування на диску) або внутрішній (відцентрове гартування) поверхнях обертових барабанів або плющення розплаву між холодними валками, виготовленими з матеріалів з високою теплопровідністю (рис. 44).

На рис. 44 наведено принципові схеми цих методів. Розплав, отриманий в індукційній печі, видавлюється нейтральним газом із сопла і застигає у разі зіткнення з поверхнею обертового охолоджувального тіла (холодильника). Різниця полягає в тому, що в методах відцентрового гартування і загартування на диску розплав охолоджується тільки з одного боку. Основною проблемою є отримання достатнього ступеня чистоти зовнішньої поверхні, яка не стикається з холодильником. Метод прокатування розплаву дає змогу отримати достатню якість обох поверхонь стрічки.

Рис. 44. Методи отримання тонкої стрічки шляхом

загартування з розплаву:

а) відцентрове загартування; б) загартування на диску;

в) прокатування розплаву; г) відцентрове загартування;

д) планетарне загартування

Для кожного методу є свої обмеження за розмірами стрічок, оскільки є відмінності і в перебігу процесу затвердіння, і в апаратурному оформленні методів. Якщо за відцентрового загартування ширина стрічки становить до 5 мм, то прокатуванням отримують стрічки завширшки 10 мм і більше. Метод загартування на диску, для якого потрібна простіша апаратура, дає змогу в широких межах змінювати ширину стрічки залежно від розмірів плавильних тиглів. Такий метод дає змогу виготовляти як вузькі стрічки завширшки 0,1 – 0,2 мм, так і широкі ‒ до 100 мм, до того ж точність підтримки ширини може бути ± 3 мкм. Розробляють установки з максимальною місткістю тигля до 50 кг.

У всіх установках для загартування з рідкого стану метал швидко застигає, розтікаючись тонким шаром по поверхні обертового холодильника. За сталості складу сплаву швидкість охолодження залежить від товщини розплаву і характеристик холодильника. Товщину розплаву на холодильнику визначають швидкістю його обертання і швидкістю витікання розплаву, тобто залежить від діаметра сопла і тиску газу на розплав. Велике значення має правильний вибір кута подавання розплаву на диск, що дає змогу збільшити тривалість контакту металу з холодильником. Швидкість охолодження залежить також від властивостей самого розплаву: теплопровідності, теплоємності, в'язкості, щільності.

В аморфних матеріалах є більш-менш чітко визначений на відстані 2 – 3 сусідніх атомів ближній порядок. Однак кореляція між атомами за їх розташуванням швидко згасає зі збільшенням відстані від обраного за точку відліку атома. Незважаючи на відсутність просторового порядку, вимірювання щільності показали, що атоми упаковані досить щільно та їх щільність менше щільності кристалічних матеріалів не більше ніж на 1 – 2%.

Відсутність далекого порядку в розташуванні атомів і дефектів призводить до того, що межа міцності аморфних матеріалів наближається до теоретичного значення (Е / 50, де Е ‒ модуль Юнга), що істотно вище відповідних значень для кристалічних матеріалів. Поряд з високою міцністю аморфні матеріали мають високу твердість HV, що досягає в деяких випадках значень приблизно 1000. Залежно від виду деформації ‒ одноосьове розтягування, стискання, вигинання, прокатування ‒ проявляється різний ступінь макроскопічної пластичності аморфних матеріалів. У разі одноосьової деформації величина повної деформації до руйнування зазвичай становить 1 – 2%.

Газополуменевим напиленням на металеві або неметалеві поверхні можна наносити покриття з порошків будь-якого складу. При цьому найбільш ефективними є покриття на основі порошків із самофлюсувальних сплавів на основі нікелю або заліза Ni-Cr-Si-B-C, Ni-Cr-Si-B і Fe-Cr-Si-B.

У вищевказаних сплавах хімічні елементи В і Si, а також Р і С є аморфізаторами під час загартування розплаву і забезпечують самофлюсувальність матеріалу за взаємодії з інструментом.

Високошвидкісне загартування здійснюють подаванням розплаву на поверхню обертового барабана-кристалізатора, отримуючи залежно від конструкції обладнання стрічку або волокно завтовшки від 15 до 100 мкм (рис. 45).

Рис. 45. Схема отримання аморфної стрічки:

1 – інертний газ; 2 – розплав; 3 – барабан-холодильник;

4 – пристрій відновлення поверхні барабана; 5 – тигель; 6 – індукційний нагрівач;

7 – сопло; 8 – стрічка; 9 – пристрій знімання стрічки;

10 – приводний (урухомлюваний) барабан з контролем обертів

Для підвищення ефективності процесу розмелювання стрічку і волокно піддають структурній релаксації шляхом низькотемпературного відпалу без порушення аморфного стану, що забезпечує дисперсність часток 30 – 50 мкм.

	Технологія газотермічного напилення полягає в такому:
матеріал, який наносять на поверхню інструменту, пластифікують нагріванням, розганяють потоком газу і транспортують до поверхні деталі.

Під час удару об шорстку поверхню деталі частки розплавленого матеріалу проникають у поверхневий шар, утворюючи покриття.

Кращі результати щодо зносостійкості показало покриття, отримане плазмовим напиленням. Методи газотермічного нанесення покриттів (детонаційне, полум'яне тощо) найбільш поширені, але вимагають порівняно високої однорідності гранулометричного складу порошків, захисту їх від окиснення, розроблення нових композицій.

Плазмове напилення покриттів дає змогу здійснювати процес без нагрівання поверхні, яка обробляється, що виключає термічні напруги, деформування і розміцнення деталі, яку обробляють.

Порівняння ефективності обох способів отримання самофлюсувальних порошків (отримання порошку через розпилення розплаву і розмелювання аморфної стрічки) показало перспективність запропонованого технічного рішення.

По-перше, швидкості охолодження під час розпилювання розплаву не перевищують 10³ – 10⁴ К / с, а під час отримання стрічок або волокон ‒ до ~ 10⁶ – 10⁷ К / с. Таке збільшення швидкості охолодження під час загартування розплаву на кілька порядків скорочує час перебування розплаву в високотемпературній ділянці плазми, у такий спосіб практично виключаючи окиснення поверхні стрічки.

По-друге, розміри часток порошку, одержаного розпиленням, становлять 20 – 300 мкм, що збігається з товщиною аморфних стрічок. Крім того, такий розкид за розмірами порошинок спричинює різні швидкості охолодження, і, як наслідок, неоднорідну структуру, тобто різні властивості. Сумарна площа поверхні стрічки буде приблизно в 6 разів менше ніж сумарна площа порошкових часток, що їх отримують з однакового об’єму розплаву. За цих умов охолодження обидві поверхні стрічки практично не встигнуть окиснюватися, тому у вихідному матеріалі (стрічці) для отримання аморфного порошку кількість окислів буде дуже мала.

Крім того, однорідність аморфної стрічки за довжиною (± 1 – 2 мкм) забезпечує однакову швидкість охолодження всього об’єму розлитого металу, однаковий структурний стан (аморфний) після розмелювання і однорідність нанопокриття, яке наносять потім на робочу поверхню інструменту.

Стрічку в аморфному стані завтовшки від 15 до 100 мкм отримують подаванням розплаву на поверхню обертового барабана-кристалізатора в Інститут металофізики імені Г. В. Курдюмова – науково-дослідний інститут Національної академії наук України. За такого способу скорочується загальна поверхня (порівняно із порошком такої самої маси), внаслідок чого практично немає окиснення, але швидкість охолодження внаслідок підвищення теплопровідності значно вище і однакова по всій довжині стрічки.

Ефективність розмелювання стрічки забезпечується низькотемпературним відпалюванням (180 – 200°С), в процесі якого відбувається так звана структурна релаксація, коли аморфний стан зберігається, але стрічка стає крихкою і легко перемелюється у порошок.

Плазмове нанесення порошкового покриття завтовшки 100 – 150 мкм на робочі поверхні матричних кілець, роликів і опорних планок станів ХПТР зі сталі 4Х5МФ1С і експериментальних зразків указаних марок сталей виконують на установці УПУ-3Д лабораторії плазмових технологій.

У газоплазмовій промисловій установці (рис. 46) порошок 8, що напилюють, транспортується газом 2, подається перпендикулярно в плазмовий потік 3 і далі через сопло 9 на поверхню інструменту 11, що обробляється. Нагріті стінки насадки 4 з конічною порожниною, яка захищає частки, що напилюються від кисню, що міститься в навколишньому середовищі, підвищують швидкість нагрівання часток, які напилюються. Компенсатор 5 на торці сопла 9 усуває тепловий вплив плазмового потоку 3 на покриття 6 та інструмент.

	Технологія газоплазмового напилення полягає в такому:
матеріал, який наносять на поверхню інструменту, пластифікують нагріванням, розганяють потоком газу і транспортують до поверхні інструменту.

Під час удару шорсткої поверхні інструменту частки розплавленого матеріалу дифундують у поверхневий шар, утворюючи покриття. Внаслідок розплавлення матеріалу утворюються на поверхні інструменту субдрібні наночастки розміром менше ніж 1 мкм.

Контроль якості напиленого покриття проводять візуально за наявністю відшарувань і сколів. Технологічні розміри контролюють за допомогою засобів вимірювання. Мікротвердість зразків вимірюють на приладі ПМТ-3 на підготовленій поверхні покриття.

	Для вивчення структурного стану, комплексу фізико-механічних властивостей, фазового складу, стану поверхневого шару інструменту і зразків використовують такі методи дослідження і випробувань:
металографічний аналіз виробів і зразків з використанням оптичного металографічного мікроскопа «Аxiovert 200 MAT Zeiss»; метод електронної мікроскопії із застосуванням растрового електронного мікроскопа «РЕМ-106И» (прискорювальна напруга 100 кВ).

Технологія плазмового напилення охоплює такі операції: підготовку порошків, попередню підготовку поверхні інструменту під напилення, напилення вибраного матеріалу.

Для плазмового напилення на поверхню інструменту використовують порошок фракцією 50 – 150 мкм. Для розсіювання порошків на фракції застосовують сітки металеві, ткані з квадратними комірками нормальної точності за ГОСТ 6613-86.

Рис. 46. Схема газоплазмової промислової установки:

1 ‒ плазмотрон; 2 – газ; 3 – плазмовий потік; 4 – насадка; 5 – компенсатор;

6 – поверхня інструменту; 7 – подавання газу; 8 – порошок; 9 – сопло;

10 – покриття; 11 – інструмент; 12 – вакуумні насоси; 13 ‒ анод; 14 – катод

Перед застосуванням сушать порошок у сушильній шафі за температури 150 – 200^оС протягом 2 – 3 годин. Порошок сушать на деках з неіржавної сталі, періодично перемішуючи. Товщина шару засипки має бути не більше ніж 20 мм. Просушування дає змогу видалити з порошку вологу, яка є джерелом дифузійного водню, що спричинює підвищену пористість покриття і появу тріщин у покритті.

Попередня підготовка поверхні інструменту полягає в активізації поверхні і наданні їй необхідної шорсткості методом пневмоабразивного оброблення електрокорундом марки F-16 за тиску 0,5 МПа. Вона обов’язкова і проводиться для забезпечення необхідної адгезійної міцності.

Після пневмоабразивного оброблення інструмент обдувають сухим стислим повітрям для видалення часток абразиву з поверхні. Оброблювана поверхня має бути матовою, сірого кольору, без блискучих ділянок.

Перерва між пневмоабразивним обробленням і нанесенням покриттів не має перевищувати 2 – 4 годин.

Покриття наносять на універсальній плазмовій установці УПУ-3, призначеній для нанесення зносостійких, фрикційних, ізоляційних та інших спеціальних покриттів на поверхні деталей методом плазмового напилення порошкових матеріалів.

Технічні характеристики установки для плазмового напилення УПУ-3:

Ø витрата плазмоутворювального газу: аргону – 25 ÷30 л/хв; азоту – 5 ÷10 л/хв; Ø максимальна сила струму (на азоті) – 400 А; Ø напруга холостого ходу – 160 В; Ø фракція порошку, що напилюється, – 40 – 315 мкм; Ø продуктивність напилення – до 2-х кг/год; Ø ресурс роботи сопла на технічному азоті – до 140 год; Ø витрата води на охолодження плазмотрона – до 7 л/хв; Ø тиск води на вході у плазмотрон – не менше ніж 0,2 МПа; Ø температура води на виході з плазмотрона – не більше ніж 50°С; Ø ККД установки – 60%; Ø рівень шуму під час роботи на азоті – 80 дБ.

Під час напилення використовують плазмотрон ПП-25, призначений для нанесення покриттів на поверхні деталей методом плазмового напилення дрібнодисперсних порошкових матеріалів для надання цим поверхням корозійностійких, зносостійких, фрикційних та інших спеціальних властивостей (рис. 36).

Контроль якості напиленого покриття проводять візуально за наявністю відшарувань і сколів. Технологічні розміри контролюють за допомогою засобів вимірювання. Склад аморфної стрічки наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад (вагова частка, %) порошку на основі Ni и Fe

Елементи	Вагова частка, %
Ni Cr Si B C Fe Мо Со Р	9,49 2,1 1,14 1,09 1,46 Ост. 7,75 7,15 5,63

Режими термозміцнення роликів станів ХПТР, матричних кілець для пресування і дослідних зразків наведено в табл. 2, а режими плазмового напилення покриття з порошку на основі заліза, кремнію і бору ‒ в табл. 3, загальний вид установки ‒ на рис. 47.

Таблиця 2

Режими термічного оброблення інструменту і дослідних зразків

Режим оброблення	Температура відпускання, °С			Твердість, HV0,1
	I	II	III
1 – загартування +відпускання	560 – 580	550 – 560	520 – 530	587 – 690
2 – 4Х5МФ1С Загартування + відпускання + покриття	560 – 580	550 – 560	-	950 – 1050

Таблиця 3

Режими плазмового напилення покриття з порошку

на основі заліза, кремнію і бору

Параметри	Одиниці виміру	Значення
Сила струму	ампер	350
Напруга	вольт	60
Витрати плазмоутворювальних газів - аргону - азоту	л/хв. л/хв.	15 7
Температура води на виході з плазмотрону	°С	не більше ніж 40
Температура поверхні, що напилюється	°С	не більше ніж 150
Тиск води	кгс/см²	4...5
Витрати води	л/хв.	8
Витрата транспортувального азоту	л/хв.	1
Робочий тиск газів: - аргону - азоту	кгс/см² кгс/см²	4 4
Дистанція напилення	мм	120 ... 130

Рис. 47. Плазмотрон ПП-25 і установка УПУ-3 з плазмотроном ПП-25 і порошковим дозатором, зліва (на задньому плані) камера для напилення з вертикальним обертачем

Мікроструктури зразків сталей після нанесення покриття аморфного сплаву (оптичні і електронні дослідження) наведено на рис. 48. На поверхні зразків – покриття аморфного сплаву (1), а серцевина і перехідний шар – мартенсит відпущений та карбіди хрому, вольфраму, молібдену, ванадію (2).

Рис. 48. Мікроструктури роликів і опорних планок після нанесення покриттів аморфного сплаву

На рис. 49, 50 та 51 наведено дані дифрактограми поверхневого шару та його мікроструктура у характеристичному випромінюванні всіх елементів аморфного сплаву напилення за даними мікрорентгеноспектрального аналізу. Ці дані переконливо підтверджують наявність у поверхні сплаву 4Х5МФ1С аморфного шару після лазерного напилення. Результати заміру мікротвердості на приладі ПМТ-3 зразків сталі 4Х5МФ1С для виготовлення інструменту після нанесення покриттів аморфних сплавів наведено в табл. 4, а зміну твердості – на рис. 52.

Рис. 49. Рентгенограми (Мо К_a) покриття аморфного сплаву, напиленого на поверхню інструменту зі сталі 4Х5МФ1С

Рис. 50. Рентгенограма (Мо К_a) вихідного порошку Fe-Si-B

а) зображення аморфного шару у вторинних електронах;
б)	в)
г)	д)
ж)	е)
з)	к)
м)	л)
Рис. 51. Дані мікрорентгеноспектрального аналізу поверхні інструментальної сталі 4Х5МФ1С після лазерного напилення аморфним матеріалом: а – зображення аморфного шару у вторинних електронах; б, в, г, д, е, ж, з, к, л, м – зображення аморфного шару в характеристичному випромінюванні Р, Si, C, O, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Mo

Усі елементи аморфного сплаву, за даними мікрорентгеноспектрального аналізу, розподілено надзвичайно рівномірно по поверхні аморфного шару, який наведено на структурі у вторинних електронах (рис. 51).

Таблиця 4

Результати заміру мікротвердості зразків сталі 4Х5МФ1С після нанесення покриттів аморфних сплавів

(значення мікротвердості на поверхні покриття 16000 – 20000 МПа)

№ зразка	Зона відстань від поверхні мкм	Діаметр відбитка мкм	Середній діаметр відбитка, мкм	Навантаження, Г	Значення мікротвердості МПа	Середнє значення мікротвердості, МПа	Середнє значення мікротвердості, Кг/мм2
1	30	13	13,788	100	9800
2	30	13	13,328	100	9870
3	30	13	13,944	100	9700
4	30	12	12,944	100	9740
5	30	13	13,096	100	9560
6	30	14	14,328	100	9500
7	30	14	14,404	100	9400	9580	958
8	50	15	15,328	100	8600
9	50	14	14,712	100	8700
10	50	14	14,48	100	8780	8600	860
11	50	14	14,48	100	8670
12	150	16	16,404	100	6780
13	150	15	15,788	100	6800
14	150	16	16,788	100	6700
15	150	17	17,404	100	6500	6600	660
16	250	18	18,404	100	5600
17	250	17	17,48	100	5400
18	250	18	18,096	100	5200
19	250	19	19,172	100	5211	5260	526
20	центр	20	19,788	100	4960	4960	496

Запропонована технологія термозміцнення і додаткового нанесення плазмовим напиленням на робочу поверхню роликів, матричних кілець нанопокриттів з аморфних сплавів завтовшки 100 – 150 мкм виключає третій відпуск, змінює структуру і властивості поверхневого шару, підвищує міцність, зносо-, теплостійкість і твердість до HV_0,1 860 – 980 для сталі 4Х5МФ1С (порівняно з HV 587 – 590 за існуючою технологією). Як результат сталь набуває високої твердості і зносостійкості на поверхні.

Рис. 52. Зміна твердості інструментальної сталі 4Х5МФ1С після

нанесення покриття аморфного сплаву залежно від глибини

визначення твердості

Попередня тема

На початок

Наступна тема