Розроблення зносо- та ударостійких покриттів на основі системи Fe-Ti-Mn-C для нафтогазового обладнання

Abstract

Наведено результати досліджень зі створення зносостійких покриттів на робочих поверхнях обладнання та інструменту, що працює в умовах інтенсивного абразивного зношування. Основою для створення покриттів слугувала високомарганцева сталь із високою здатністю до деформаційного зміцнення, легована карбідами титану. Покриття наносили шляхом електродугового наплавлення порошковими електродами, шихта яких складалась із феросилікомарганцю, порошку титану, графіту та компонентів, які забезпечують захист дуги від дії атмосфери. Структура розроблених покриттів складається із марганцевого аустеніту та дисперсних включень карбіду титану розмірами ~ 1 мкм. Твердість за методом Роквелла вимірювали на твердомірі ТК-2 (ГОСТ 3882-74) втискуванням алмазного конуса при навантаженні ~ 150 Н (шкала С). Перед вимірюванням твердості проводилось деформування поверхневого наплавленого шару із використанням твердоміру ТШ-2. При цьому як індентор використовувалась твердосплавна кулька діаметром 10 мм, виготовлена за ГОСТ 3722-81. Зусилля втискування становило 3000 кг. Твердість вимірювалась як у лунці, так і поза нею. За різницею твердості розраховували ступінь наклепу. Розроблені покриття характеризуються здатністю до деформаційного зміцнення в умовах пластичної деформації. При цьому встановлено, що твердість деформованих покриттів перевищує твердість покриттів у вихідному стані на понад 57 %. Експериментальні дослідження абразивної зносостійкості за умов тертя по закріпленому абразиву проводились шляхом порівняння розроблених покриттів та серійних матеріалів для наплавлення. Результати порівняння абразивної зносостійкості показали, що розроблені покриття характеризуються зносостійкістю, майже удвічі вищою порівняно із серійними високохромистими сплавами для наплавлення. Зносостійкість покриттів за умов аероабразивної ерозії проводились із використанням відцентрового прискорювача Клейса у середовищі кварцового піску за кутів атаки 30°, 60° та 90°. Результати випробовувань показали, що найвища зносостійкість у розроблених покриттів за кута атаки, рівному 90°. Аналіз поверхні покриттів проведений методом електронної мікроскопії показав відсутність слідів крихкого руйнування. Отже, розроблені покриття можуть бути застосовані для підвищення довговічності робочих поверхонь нафтогазового обладнання, яке працює в умовах абразивного зношування.

Приведены результаты исследований по созданию износостойких покрытий на рабочих поверхностях оборудования и инструмента, работающего в условиях интенсивного абразивного износа. Основой для создания покрытий служила высокомарганцовистая сталь с высокой способностью к деформационному упрочнению, легированная карбидами титана. Покрытие наносили путем электродугового наплавления порошковыми электродами, шихта которых состояла из ферросиликомарганца, порошка титана, графита и компонентов, обеспечивающих защиту дуги от влияния атмосферы. Структура разработанных покрытий состоит из марганцевого аустенита с дисперсными включениями карбида титана с размерами зерен ~ 1 мкм. Твердость измеряли по методу Роквелла с помощью твердомера ТК-2 (ГОСТ 3882-74) путем вдавливания алмазного конуса при нагрузке ~ 150 Н (шкала С). Перед измерением твердости проводилось деформирование поверхностного наплавленного слоя с использованием твердомера ТШ-2. При этом как индентор использовался твердосплавный шарик диаметром 10 мм, изготовленный по ГОСТ 3722-81. Усилие вдавливания составляло 3000 кг. Твердость измерялась как в лунке, так и в недеформированных зонах. По изменению твердости рассчитывали степень наклепа. Разработанные покрытия характеризуются способностью к деформационному упрочнению в условиях пластической деформации. Установлено, что твердость деформированных покрытий превышает твердость покрытий в исходном состоянии более чем на 57%. Экспериментальные исследования абразивной износостойкости в условиях трения по закрепленному абразиву проводились путем сравнения разработанных покрытий и серийных материалов для наплавки. Результаты сравнения абразивной износостойкости показали, что разработанные покрытия характеризуются износостойкостью, высшей по сравнению с серийными высокохромистымы сплавами для наплавки почти в 2 раза. Износостойкость покрытий в условиях аероабразивной эрозии проводились с использованием центробежного ускорителя Клейса в среде кварцевого песка при углах атаки 30°, 60° и 90°. По результатам испытаний наибольшей износостойкостью обладали покрытия, нанесенные при угле атаки, равном 90°. Анализ поверхности покрытий, проведенный методом электронной микроскопии, показал отсутствие следов хрупкого разрушения. Разработанные покрытия могут быть применены для повышения долговечности рабочих поверхностей нефтегазового оборудования, работающего в условиях абразивного износа.

The paper presents the results of research on the development of wear-resistant coatings on the working surfaces of equipment and tools operating in conditions of intense abrasive wear. Titanium carbide alloyed highmanganese steel with a high strain hardening capacity served as the basis for coatings. The coating was made by electric arc surfacing with powder electrodes, the charge of which consisted of ferrosilicomanganese, titanium powder, graphite, and components that protect the arc from the atmosphere. The coatings consiss of manganese austenite and dispersed inclusions of titanium carbide with dimensions of ~ 1 micron. Rockwell hardness was measured my means of TK-2 hardness testers (GOST 3882-74) by indentation of a diamond cone under a load of ~ 150 N (scale C). Before measuring the hardness, the surface deposited layer was deformed using the TS-2 hardness gage. At the same time, a carbide ball with a diameter of 10 mm manufactured according to GOST 3722-81 was used as an indenter. The indentation effort was 3,000 kg. Hardness was measured both in the well and in the undeformed zones. By the difference in hardness, the degree of work hardening was calculated. The developed coatings are characterized by the capacity for strain hardening under plastic deformation conditions. It was found that the hardness of the deformed coatings exceeds the hardness of the coatings in the initial state by 57% higher. Experimental studies of abrasive wear resistance under friction conditions on a fixed abrasive were carried out by comparing the developed coatings and serial materials for surfacing. The results of the comparison of abrasive wear resistance showed that the developed coatings are characterized by wear resistance higher compared to serial high-chromium alloys for surfacing almost 2 times. The wear resistance of coatings under conditions of aero-abrasive erosion was carried out using a Kleis centrifugal accelerator in an environment of quartz sand at angles of attack of 30 °, 60 ° and 90 °. The test results showed that the highest wear resistance of the developed coatings was determined at an angle of attack of 90 °. Analysis of the surface of the coatings carried out by electron microscopy showed no signs of brittle fracture. The developed coatings can be applied to increase the durability of the working surfaces of oil and gas equipment operating in abrasive conditions.