автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Антизадирные градиентные серебряно-алмазные покрытия для опор буровых долот

На правах рукописи

ГАЛЛЯМОВ Альберт Рафисович

АНТИЗАДИРНЫЕ ГРАДИЕНТНЫЕ СЕРЕБРЯНО-АЛМАЗНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ОПОР БУРОВЫХ ДОЛОТ

Специальности: 05.16.09 Материаловедение (машиностроение)

05.17.03 Технология электрохимических процессов и защита от коррозии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 ноя тг

Самара 2012

005055736

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетно образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарски государственный технический университет» на кафедре «Технологи

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Ибатуллин Ильдар Дугласович

Богданович Валерий Иосифович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Производство летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении ФГБОУ ВПО «Самарский государственны аэрокосмический университет им. ак. С. П. Королёв (национальный исследовательский университет)»

Буркат Галина Константиновна

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технологии электрохимических производств» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный университет», г. Тольятти

12-2°12 Г-В 14-°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в ФГБОУ ВПО «СамГТУ» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корп. № б, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская 18 корпус № 1. ' '

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02; факс: (846)278-44-00.

Автореферат разослан: « 2 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.02, д.т.н., профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что серебро обладает рядом важных свойств (химической стойкостью, теплопроводностью, износостойкостью, антифрикционными и противозадирными свойствами), обеспечивающих существенное повышение эксплуатационных характеристик деталей с серебряными покрытиями. Это обусловливает широкое применение технологий электрохимического осаждения серебра при изготовлении ответственных деталей пар трения, в частности плавающих элементов (втулок, шайб, колпачков) герметизированных опор буровых долот. От качества серебряных покрытий зависит работоспособность буровых долот стоимостью сотни тысяч рублей, а также их конкурентоспособность на отечественном и международном рынках. Опыт бурения нефтяных и газовых скважин показывает, что надежность опор отечественных долот заметно ниже, чем у долот производства США, Германии, Китая, поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная созданию и внедрению высококачественных антизадирных серебряно-алмазных покрытий для повышения ресурса опор скольжения буровых долот, является своевременной и актуальной.

Традиционно в отечественном долотостроении в опорах буровых долот используют покрытие М2. Ср-Су (99.2-98,8) 20-30 ГОСТ 9.306-85 твердостью (60...80) кгс/мм2. Электроосаждение покрытия проводится в цианистом электролите на постоянном токе. Основы данной технологии были заложены более полувека назад и к настоящему времени значительно устарели. Долгое время при создании серебряных покрытий триботехнического назначения оставались без внимания основные принципы повышения антизадирных свойств поверхностей, в частности правило положительного градиента механических свойств. При изготовлении плавающих элементов опор буровых долот не исследовались вопросы введения в состав электролитов наноструктурирующих добавок, а также осаждения серебряных покрытий на нестационарных режимах. Поэтому в основу настоящей диссертационной работы легли комплексные исследования в области влияния технологических режимов, структуры и состава на эксплуатационные свойства антизадирных серебряных покрытий.

Диссертационная работа выполнялась в ходе реализации проекта «Исследования и разработка технологий создания наноструктурированных упрочняющих и специальных покрытий методом электрохимического осаждения, обладающих повышенной износостойкостью» (государственный контракт № 02.740.11.0104 от 15 июня 2009 г., госрегистрация № 01200959114).

Объект исследований. Градиентные антизадирные серебряно-алмазные покрытия, полученные на асимметричном переменном токе в бесцианистом электролите.

Предмет исследований. Закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов на физико-механические и триботехнические свойства серебряно-алмазных покрытий.

Цель диссертационной работы. Повышение качества серебряных покрытий плавающих элементов опор трехшарошечных буровых долот. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработать оригинальное технологическое оборудование для электрохимического серебрения деталей машин на асимметричном переменном токе, а также средства и методики контроля качества серебряных покрытий.

2. Разработать градиентное серебряно-алмазное покрытие и исследовать влияние технологических режимов на его свойства.

3. Исследовать влияние состава и структуры градиентных серебряно-алмазных покрытии на их механические и триботехнические свойства.

4. Разработать и внедрить в производство технологический процесс нанесения градиентных серебряно-алмазных покрытий на плавающие элементы опор скольжения трехшарошечных буровых долот и оценить эффективность применения новых покрытий.

Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на основных законах и положениях материаловедения, электрохимии, теории совместимости трибоматериалов, теории вероятности и математической статистики.

Экспериментальная часть работы содержит исследования проводившиеся на базе федерального ЦКП СамГТУ «Исследование физико-химических свойств веществ и материалов».

Результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований зависимости механических и триботехнических свойств серебряных покрытий (скорость изнашивания, момент трения, микротвердость) от состава, пористости, материала наноструктурирующей добавки, материалов подложки и контртела, а также технологических режимов электроосаждения.

2. Результаты исследования физико-механических (размеры зерен, микротвердость, размеры блоков мозаики, адгезия) и триботехнических свойств (скорость изнашивания, момент трения, температура саморазогрева при трении, несущая способность) градиентных серебряно-алмазных покрытий.

3. Новые методы исследования газонасыщения и прочности сцепления серебряных покрытий с основой, методики определения триботехнических свойств покрытий.

4. Технология, технологическое оборудование и оснастка для серийного нанесения гальванических антифрикционных антизадирных серебряно-алмазных покрытий с положительным градиентом механических свойств на плавающие элементы (втулки, шайбы, колпачки) тяжелонагруженных опор скольжения буровых долот.

5. Результаты опытно-промышленных и промысловых испытаний опытных долот, оснащенных плавающими элементами с градиентными серебряно-алмазными покрытиями.

Научная новизна работы

По специальности 05.16.09:

1. Установлены закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов электроосаждения серебряных покрытий на их физико-механические и триботехнические свойства. На основе выявленных связей разработан метод по-

лучения высококачественных серебряных покрытий с положительным градиентом механических свойств.

2. Исследованы физико-механические и триботехнические свойства градиентных серебряно-алмазных покрытий. Установлено, что положительный градиент механических свойств в покрытии обеспечивает повышение эксплуатационных свойств деталей тяжелонагруженных опор скольжения.

3. Установлен механизм разрушения серебряных покрытий при трении, обусловленный процессом газовыделения между покрытием и основой с последующим разрывом газовых пузырей.

По специальности 05.17.03:

4. Разработаны критерии выбора рациональных технологических режимов для электрохимического осаждения серебряно-алмазных покрытий в бесцианистых электролитах на асимметричном переменном токе.

5. Описаны химические реакции, протекающие в дицианоаргентатном электролите при электрохимическом осаждении серебряных покрытий на асимметричном переменном токе.

Практическая значимость работы:

1. Разработано градиентное антизадирное, антифрикционное серебряно-алмазное покрытие, позволившее повысить эксплуатационные характеристики опор скольжения трехшарошечных буровых долот. Покрытия нашли применение при изготовлении серийных долот в ОАО «Волгабурмаш».

2. Разработаны методы экспресс-контроля газонасыщения деталей с серебряными покрытиями и прочности их сцепления с основой.

3. Разработаны и внедрены в ООО НПО «Спецпокрытие»: высокоэффективная, экологичная технология; новое автоматизированное оборудование; технологическая оснастка для электрохимического осаждения градиентных серебряно-алмазных покрытий на тяжелогагруженные элементы опор скольжения буровых долот.

Реализация результатов.

Разработанные технология и технологическое оборудование для нанесения антифрикционных серебряно-алмазных покрытий на детали узлов трения с применением асимметричного переменного тока внедрены в Научно-образовательном центре «Функциональные наноматериалы и наноструктуры» СамГТУ и в ООО «НПО «Спецпокрытие» (г. Новокуйбышевск), где в настоящее время используются: для повышения износостойкости и противозадирных свойств плавающих элементов опор (колпачков, шайб и втулок) серийных буровых долот ОАО «Волгабурмаш».

Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда трибологических дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях, что позволило улучшить методическое обеспечение кафедры «Технология машиностроения» и добиться более глубокого понимания студентами новых высокоэффективных технологий нанесения ресурсоповышающих антифрикционных покрытий и методов оценки их качества.

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2009»

(Москва, ИМАШ РАН, 2009); II и III Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2010 и 2011); Российско-балканском инновационном форуме (Белград, Сербия, 2010); Смене Зворыкинского проекта «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума «Селигер - 2010» (проект вошел в число ТОР 150); Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы» к 110-летию со дня рождения одного из основателей российской порошковой металлурнии и ренгенографии металлов профессора Аксенова Геннадия Ивановича (Самара, СГАУ, 2010); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 2011); III Международная конференция «Математическая физика и ее приложения» (Самара, СамГТУ, 2012).

Образцы деталей машин с новыми антифрикционными серебряно-алмазными покрытиями были представлены на следующих выставках и конкурсах: 54-ой Международной ярмарке техники и технических достижений «Technical Fair-2010» (Сербия, г. Белград, 2010 г.), получен диплом за высокий уровень научно-технических разработок); X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи в ВВЦ (Москва, 2010 г.). Получена золотая медаль «За успехи в научно-техническом творчестве»; Всероссийской выставке «Энергетика» в ВВЦ (Москва, 2010); 9-ой Международной выставке «Промышленный салон» в ВЦ «Экспо-Волга» (Самара, 2010 г.); Всероссийской выставке «Наука. Бизнес. Образование» в ВЦ «Экспо-Волга» (Самара, 2011 г.); Всероссийском конкурсе проектов и разработок в области высоких технологий «IT ПРОРЫВ» (г. Москва, 2010 г.); Молодежном научно-инновационном конкурсе (программа У.М.Н.И.К.) в рамках Всероссийской (инновационной студенческой научной конференции «Металлургия и новые материалы» (г. Самара, 2010г.); 66-ой Международной ярмарке «INTERNATIONAL TECHNICAL FAIR 2010» (Болгария, г. Пловдив 2010 г.); II Международной специализированной выставке «Нанотехнологии» (г. Казань, 2010 г.); 16-ой и 17-ой Международной специализированной выставке «Энергетика-2010» и «Энергетика-2011» (г. Самара, 2010 и 2011 г.); 3-й Международной специализированной выставке «Альтернативная энергетика-2010» в рамках форума «Золотая осень» (г. Москва, 2010 г.); Ганноверской промышленной ярмарке (Германия, выставочный комплекс «Дойче Мессе», 2010 г.); IV Международной специализированной выставке «Нефтедобыча. Нефтепереработка. Химия» (г. Самара, 2010); Петербургской технической ярмарке (получены дипломы в номинациях «Лучший инновационный проект в области наноматериалов и нанотехнологий», «Лучший инновационный проект в области передовых технологий машиностроения и металлургии») (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012 г.г.). Конкурсе инновационных проектов молодых ученых в рамках региональной выставки «Образование, наука, бизнес» (г. Самара, 2011 г.); IV Российском Форуме «Российским инновациям-российский капитал», IX Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011 г.); областной молодежной выставке «Технопарк 2011» и «Технопарк 2012» (г. Новокуйбышевск, 2011, 2012 г.г.); Выставке научных разработок молодых ученых и специалистов (получен диплом за лучший проект, г. Самара, 2012 г.).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 22 опубликованных работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 15 статей. Получено 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницу, включая 57 рисунков и 15 таблиц. Перечень литературы включает 126 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Изложено содержание работы по главам с кратким описанием полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ литературных источников по перспективным направлениям совершенствования серебряных покрытий, выявлены недостатки существующих технологических процессов и технологического оборудования для электрохимического осаждения антифрикционных серебряных покрытий, описаны методы контроля качества покрытий.

Обзор литературных источников показал, что за последние десятилетия в отечественном долотостроении технологические режимы серебрения, а также структура и состав серебряного покрытия, рекомендованные для обработки плавающих элементов опор буровых долот в целом не претерпевал значительных изменений. Однако в связи с ростом требований качеству изделий машиностроения, а также к эффективности и безопасности технологических процессов возник ряд проблем, требующих незамедлительного решения.

Первая проблема связана с применением высокотоксичных цианистых электролитов, содержащих до 100 г/л свободного цианистого калия, что делает технологический процесс серебрения весьма опасным, требующим строгого соблюдения ряда ограничений по температуре электролита (18...20 °С) и плотности тока (0,5... 1,5 А/дм2). Применение ядовитых химикатов требует не только специального разрешения и особых условий хранения и использования, но и существенно ограничивает производительность процесса серебрения, поскольку при высоких плотностях тока на электродах могут выделяться высокотоксичные вещества. Известно, что серебряные покрытия можно осаждать из нетоксичных бесцианистых электролитов (дицианоаргентатных, йодистых, пирофосфатных, синеродистороданидных, сульфосалицилатных и др.). Однако получаемые при этом покрытия имеют более низкие эксплуатационные свойства: малую рассеивающую способность, недостаточную прочность сцепления с подложкой, неровную поверхность.

Пути решения данной проблемы были намечены в 80-е годы прошлого столетия, когда появились первые научные исследования, проводимые в НПО «Алтай» (г. Бийск), посвященные изучению свойств кластерных электрохимических покрытий. В работах В.Ю. Долматова, Г.К. Буркат, А.И. Шебалина, В.Д. Губаревича и др. показано, что введение в электролиты небольшого количества коллоидных ультрадисперсных алмазов (УДА) позволяет резко улучшить технологические и эксплуатационные свойства получаемых покрытий. При использовании ультрадисперсных частиц возникают сложности, связанные с коагуляцией частиц в водных суспензиях и электролитах. Кроме того, в связи с интенсивным развитием нанотехнологий

небезынтересным является вопрос о влиянии на качество серебряных покрытий других наноразмерных добавок.

Как указывает ряд исследований весьма перспективными и пока малоизученным направлением в плане повышения эксплуатационных и технологических параметров серебряных покрытий является использование для электрохимического процесса асимметричного переменного тока. Однако с данным направлением сопряжена вторая проблема, связанная с отсутствием в существующей номенклатуре источников тока для гальванических производств, позволяющих реализовать асимметричный переменный ток с управляемыми амплитудой и частотой тока. Поэтому до сих пор малоизученными остаются вопросы о влиянии технологических параметров серебрения на асимметричном переменном токе в бесцианистых электролитах на качество, получаемых покрытий.

Третья проблема связана с тем, что при нанесении антифрикционных покрытий не учитывают правила положительного градиента механических свойств, впервые описанного в работах И.В. Крагельского, обеспечивающего повышение стойкости поверхности к задирам. В то же время при осаждении покрытий за счет управления технологическими параметрами имеется возможность изменять твердость покрытия по толщине слоя в благоприятном направлении. Для обеспечения положительного градиента механических свойств необходимо провести исследования влияния технологических режимов на механические свойства получаемых осадков.

Четвертая проблема связана с отсутствием достаточной методической и технической базы для испытания антизадирных серебряных покрытий.

Пятая проблема связана с наводороживанием поверхности покрываемой детали, поскольку в процессе электрохимического обезжиривания и последующего серебрения на катоде происходит выделение свободного водорода. Наводороживание может существенно снизить механические свойства основы и привести к снижению эксплуатационных характеристик детали.

Завершается первая глава формулировкой цели диссертационной работы и постановкой задач исследований.

Во второй главе приведены результаты Для электрохимического серебрения на ассиметричном переменном токе разработана автоматизированная гальваническая установка (рис. 1). Установка, разработанная на основе программируемого контроллера со встроенным микропроцессором, позволяет осуществлять автоматизированное управление электролизом по заданной программе с возможностью выбора тока произвольной формы (постоянный, переменный, импульсный, ассиметричный и др.), задания величины и длительности импульсов прямого и обратного токов, паузы между ними, положительного или отрицательного смещения постоянной составляющей тока, обеспечение стабилизации по току Рис. 1. Пульт гальваниче-и по напряжению. ской установки для нанесе-

Отличительной особенностью установки являет- ния электрохимических по-ся возможность формирования импульсов с различ- крытий на асимметричном ной крутизной фронта и различной частотой асси- переменном токе.

метричного переменного тока с регулируемым коэффициентом асимметрии. Основные технические характеристики: максимальный ток нагрузки 50 А; точность задаваемого тока нагрузки ±0,1 А; длительность импульса тока (1-0,005) с; длительность одного цикла программы - не ограничено; количество возможных циклов в программе — 10; питание от сети 50 Гц напряжением 220 В; габариты 200x500x250 мм.

Программирование гальванической установки возможно как с пульта управления, так и непосредственного с компьютера. Программа ведет учет, и запись формируемых эпюр текущих параметров электролиза (тока и напряжения на выходе источника, напряжения на электродах в гальванической ванне, температуры электролита, удельной проводимости электролита) на протяжении всего процесса нанесения покрытия. Установка обладает широкими возможностями по управлению технологическими режимами нанесения покрытий, включая выбор соотношения анодного и катодного токов (от 1/1,2 до 1/10), плотности тока и частоты (1-200 Гц). Разработанный источник тока можно использовать для выполнения научно-исследовательских работ, а также для серийного производства деталей с серебряными покрытиями.

Для контроля качества антифрикционных серебряных покрытий на образцах и изделиях (триботехнических испытаний, оценки прочности сцепления покрытия с основой, а также степени газонасыщения основного материала) использованы новые приборы и методики, разработанные при участии автора в лаборатории нано-структурированных покрытий СамГТУ.

Третья глава посвящена исследованию влияния технологических параметров на свойства электрохимических серебряных покрытий, а также созданию новых технологических операций, способствующих повышению качества серебряно-алмазных покрытий.

Стандартный технологический процесс нанесения серебряных покрытий включает подготовительные процедуры (обезжиривание, промывку, активацию, нанесение медного или никелевого подслоя и др.), осаждение серебра, а также финишные процедуры и контроль качества покрытия. Дополнительно к ним разработаны операции: детонационной активации УДА, фрикционно-химического нанесения медного подслоя, а также экспрессного контроля состава электролита.

При длительном хранении суспензии УДА склонны образованию агрегатов, размеры которых могут достигать сотен и тысяч нанометров (рис. 2, а), которые выпадают в электролите в осадок. Для диспергирования агрегатов на УПБ «Роща» СамГТУ изготовлена экспериментальная установка, включающая автоматизированный детонационный комплекс «Дракон», с помощью которой создаются ударные волны, формируемые при взрыве детонирующей газовой смеси (50% ацетилен + 50% кислород) и реактор, состоящий из двух камер - загрузочной и детонационной.

Технические характеристики экспериментальной установки: габариты (механическая часть) - 90x1400x1800 мм; масса - 70 кг; объем загрузочной и детонационной камер - 5 л; частота выстрелов 4 Гц. Детонационное диспергирование водной суспензии УДА осуществляется путем воздействия на суспензию, залитую в загрузочную камеру реактора, ударными волнами, генерируемыми взрывом газовой смеси в детонационной камере реактора. Разрушение агрегатов, содержащихся в суспензии, происходит в области кавитационного фронта, следующего за фронтом сжатия и проходящего по всему объему среды.

а) б)

Рис. 2. Структура УДА: а) агрегаты наночастиц УДА; б) диспергированные частицы УДА после детонационной обработки.

После обработки суспензию сливают в емкость и отстаивают. Полученную суспензию заливают в электролит серебрения. Электронномикроскопические исследования (рис. 2, б) показали, что после детонационной обработки образуется большое количество частиц субмикронных и наноразмерных частиц УДА, обладающих высокой поверхностной активностью.

Необходимость разработки методики фрикционно-химического нанесения медного подслоя на стальные детали обусловлена наводороживанием стальных поверхностей в процессе электрохимического обезжиривания и нанесения покрытия. Данная методика реализуется следующим образом. В галтовочный барабан, заполненный сферическими телами, заливают электролит для химического осаждения меди (на основе глицерина), загружают обрабатываемые детали и начинают галтовку. Во время галтовки происходит очистка поверхности от загрязнений, что обеспечивает прочное сцепление покрытия с основой, одновременно снижается шероховатость поверхности, и сглаживаются острые кромки. При этом детали покрываются износостойким слоем меди (около 1 мкм) без значительного наводороживания основы. Для экспрессного контроля состава электролита перед нанесением покрытий предложена методика, основанная на оценке растворимости используемых компонентов электролита в рабочем растворе. Для этого из электролита отбирают пробы (около 20 мл) в пробирки и начинают дифференцированно растворять в них ингредиенты электролита до насыщения (начала образования нерастворимого осадка). Оценку содержания компонентов электролита производят путем сравнения их растворенной доли в рабочем и свежеприготовленном электролитах.

Эксперименты показали, что данный способ удовлетворительно согласуется с результатами контроля состава электролита методом титрования. Исследования влияния параметров асимметричного переменного тока (плотности, частоты и коэффициента асимметрии тока) на качество получаемых покрытий показали, что с повышением плотности тока происходит пропорциональное увеличение скорости осаждения покрытия и некоторое увеличение размеров зерен, и снижение твердости осаждаемого покрытия. Показана возможность получения качественных осадков серебра в бесцианистом электролите на асимметричном пере- . менном токе со скоростью осаждения до 1мкм/мин при повышении плотности тока до 11 А/дм2. Подобное влияние на свойства серебряного покрытия оказывает коэф-

Нц-115-120 кгс/мм; Размер зерна 5-7 мкм.

к, =1,5

Нц-110-И5 кгс/мм; Размер зерна 7-9 мкм.

ка=Ъ Н„=85-100 кгс/мм^ Размер зерна 18-21 мкм.

Рис. 3. Структура градиентного серебряно-алмазного покрытия на косом шлифе (х5000) фициент асимметрии тока. Это позволяет наносить покрытия на высокой плотности тока с возможностью управления твердостью покрытия за счет изменения коэффициента асимметрии в диапазоне £а=(1,2...8). Это позволило создать покрытие с положительным градиентом механических свойств (рис. 3), обеспечивающим в соответствии с исследованиями И.В. Крагельского, повышенную антизадирную стойкость. Повышение прочностных характеристик покрытий, наносимых на асимметричном переменном токе, заключается в том, что после полуволны катодного тока (осаждения) следует полуволна анодного тока (растворения), но, поскольку плотность анодного тока меньше плотности катодного тока, то растворению подвергаются только участки, имеющие малую энергию связи с основой. Таким образом, на поверхности формируется прочный осадок. Влияние коэффициента асимметрии на свойства осаждаемого покрытия приведены в таблице 1.

Для повышения эффекта от применения асимметричного переменного тока предложено задавать рациональную частоту переменного тока, при которой за одну полуволну катодного тока наносится один атомный слой покрытия. Для оценки рациональной частоты / синусоидального переменного асимметричного напряжения определяют скорость 5 нанесения покрытия на постоянном токе с заданной плотностью тока (мкм/мин), затем рассчитывают частоту по формуле / = —Гц, где (1 —

с/60

расстояние между двумя ближайшими атомными слоями наносимого материала. Если частота будет меньше рациональной, то дефектные участки покрытия с малой энергией связи с основой могут покрыться дополнительным слоем наносимых ато-

Таблица 1

Влияние размера зерна электрохимического серебряного-алмазного осадка на противоизносные свойства покрытия

Коэффициент асимметрии 1,1 1,5 2 8

Размер зерен, мкм 5...7 7...9 10...12 18...21

Микротвердость, кгс/мм2 115...120 110...115 100...110 100...85

Скорость изнашивания, мкм/час 1,7 4,2 6,3 9,88

мов, и оказаться защищенными от растворения во время полуволны анодного тока, что приведет к повышению дефектности покрытия и снижению его прочностных характеристик. Если частота будет больше рациональной, то за время полуволны катодного тока не успеет образоваться моноатомный слой покрытия и, следовательно, во время полуволны анодного тока возможно растворение бездефектных участков, что нецелесообразно. Исследования микроструктуры серебряных покрытий на различных частотах (от 1 до 200 Гц) показали, что в области рациональных частот покрытие имеет наименее дефектную структуру (рис. 4). Влияние пористости на свойства серебряного покрытия приведено в таблице 2.

Одной из технологических задач является выбор такой длительности осаждения покрытия, при которой его толщина будет соответствовать заданной величине. Для ее решения предложено осуществлять взвешивание деталей, погруженных в

электролит, в процессе осаждения покрытия и рассчитывать среднюю толщину пор' -

крытия по формуле Н = —4-, где 51 - площадь обрабатываемой поверхности,

ЗёУРп-Р,)

g - ускорение свободного падения; р„ - плотность материала покрытия; рэ - плотность электролита; , - вес детали, погруженной в электролит, соответственно до начала осаждения покрытия и после осаждения покрытия в течение времени Г. При достижении условия Нср = Нтр, где Нтр - требуемая толщина покрытия, процесс осаждения покрытия прекращают.

Рис. 4. Микоструктура серебряных покрытий, полученных на частоте 1 Гц (а), 100 Гц (б) и 200 Гц (в) (рациональная частота 86 Гц).

Таблица 2

Влияние пористости электрохимического серебряного-алмазного осадка _на противоизносные свойства покрытия__

Частота тока, Гц 1 50 100 200

Пористость, Ы/см^ 5...7 3...4 0...2 2...3

Размер зерен, мкм 10...12 5...7 5...7 5...7

Твердость, кгс/мм^ 96 98 124 111

Скорость изнашивания, мкм/час 6,6 6 4 5,3

После нанесения покрытий в разработанной технологии предусмотрена оценка их механических и триботехнических свойств, а также контроль наводороживания детали по новой методике. Контроль наводороживания основного металла при его электрохимической обработке необходим по причине значительного ухудшения

механических свойств наводороженных металлов, что может привести к разрушению детали. Кроме того, испытания тяжелонагруженных опор скольжения с серебряными покрытиями показали, что при фрикционном нагреве выделение газов из основного металла может привести к образованию вздутий (рис. 5, а), на месте которых при трении образуются локальные участки разрушения покрытий (рис. 5, б). Для экспресс-анализа газовыделения деталей с покрытиями исследуемую деталь (или вырезанный из нее образец) нагревают до появления вздутий покрытия. Затем деталь остужают до комнатной температуры и оценивают площадь вздутий, образованных на поверхности детали с покрытием в виде пузырей и относят эту площадь к общей площади покрытия. При равномерном распределении вздутий на поверхности детали относительную площадь вздутий оценивают на участке поверхности площадью 1 см2.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния состава и структуры серебряно-алмазных покрытий на их физико-механические и триботех-нические свойства.

Известно, что в качестве нанодобавок при осаждении электрохимических покрытий можно использовать различные материалы. Сравнительный анализ влияния ультрадисперсных частиц алмазов детонационного синтеза, диоксида циркония и оксида алюминия на микротвердость и скорость изнашивания серебряных покрытий показал (рис. 6), что максимальный эффект обеспечивается применением УДА.

25 -----------------------_---------------------------------------------------------

5 110

140

У

X 120

100

80

60

40

го

£ 0

АВ+УДА

Аг+АНОЗ

Ав+УДА

А§+А1203

б)

Рис. 6. Влияние добавок на скорость изнашивания (а) и микротвердость (б) серебряных покрытий.

а) б)

Рис. 5. Выделение газовой фазы под покрытием: а - вздутие покрытия при нагреве; б — петлеобразный след разрушения вздутия при трении.

J

Сравнительный анализ свойств серебряных покрытий, получаемых по новой технологии, с покрытиями сплавами «серебро-сурьма (2%)» и «серебро-никель (5%)», показал, что серебряно-алмазное покрытие при меньшей твердости (Я «(60...80) кгс/мм2) в (1,5...2) раза превышает износостойкость традиционных серебряных покрытий с сурьмой и имеет меньший коэффициент трения (рис. 7). Склерометрические испытания показали, что разработанные покрытия имеют более высокий запас пластичности - накопленная энергия при разрушении превышает традиционные покрытия на 53%. Это указывает на то, что функциональные свойства антифрикционных антизадирных покрытий более определяются пластичностью, чем твердостью.

ш

и Ав+5Ь(2%) Ав+ГЦ5%) А8 А8+5Ь{2%) А8 + М1(5%)

а) б)

Рис. 7. Влияние добавок на скорость изнашивания (а) и микротвердость (б) серебряных покрытий.

Детали узлов трения, покрытые серебряно-алмазным покрытием, выдерживают нагрузку до 160 МПа (при толщине слоя 20 мкм) (рис. 8). При использовании в качестве основного металла под серебрение закаленных сталей (вместо бронзы) с медной подложкой (1...2 мкм) износостойкость серебряных покрытий заметно повышается. Эксперименты, проведенные в ОАО «Волгабурмаш», показали что весовой износ посеребренных стальных плавающих шайб (сталь 40Х, НКС45...50) за час наработки при давлении 30 МПа составил 28 мг, при этом износ штатных шайб (основной металл - бериллиевая бронза БрБ2) составил 55 мг.

Электронно-микроскопические исследования серебряно-алмазных покрытий показали (рис. 9), что получаемые осадки имеют равномерную сплошную (беспористую) структуру. Цвет покрытия белый полублестящий или матовый. Матовость покрытия обусловлена появлением на поверхности при осаждении кристаллов серебра, размерами (0,5... 1) мкм. Покрытие получается равномерным по толщине.

Исследования фрикционной совместимости различных материалов, работающих в паре с серебряными покрытиями, показали, что высокие триботехнические результаты достигаются при использовании в качестве сопряженного материала детонационных твердосплавных покрытий. Проведенные в лаборатории наноструктури-рованных покрытий исследования противоизносных свойств пары «детонационное покрытие ВК12 - серебряное покрытие» показали (рис. 10), что в данной паре, по сравнению с парой трения «сталь 40Х (НИС45)--серебро» наблюдается существенное повышение износостойкости (до 5 раз), критической нагрузки (до 2,5 раз), нагрузки схватывания серебряных покрытий (до 2-х раз), а также снижение момента трения (до 2-х раз) и уменьшение температуры саморазогрева пары трения.

а б

Рис. 8. Эпюры сравнительных триботехнических испытаний покрытий в режиме

ступенчато возрастающей нагрузки: а) штатное серебряное покрытие из цианистых электролитов (нагрузка схватывания 110 кгс); б) наноструктурированное серебряно-алмазное покрытие (нагрузка схватывания 160 кгс).

I

в) г)

Рис. 9. Структура серебряно-алмазного покрытия: а) внешний вид поверхности покрытия после осаждения; б) поперечный срез; в) структура на уровне зерна; г) субзеренная структура.

а) б)

Рис. 10. Результаты испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой пар трения «сталь 40Х - серебряное покрытие» (а), «твердосплавное детонационное покрытие - серебряное покрытие» (б).

В пятой главе представлены результаты внедрения и оценка эффективности разработанной технологии нанесения антифрикционных серебряно-алмазных покрытий на детали узлов трения. При этом толщина антифрикционных покрытий составляла (10...20) мкм.

Новая технология нанесения серебряных покрытий нашла применение при серийном изготовлении плавающих элементов опор скольжения буровых долот (колпачков, шайб и втулок) для ОАО «Волгабурмаш» (рис. 11). Опытно-промышленные испытания опытных долот с новым серебряным покрытием на стенде ОАО «Волгабурмаш» показали значительное увеличение ресурса опор скольжения (200 часов) по сравнению с ресурсом типовых долот (около 150 часов).

а)

Рис. 11. Плавающие элементы герметизированных опор скольжения буровых долот: а) колпачки; б) втулки; в) шайбы.

Сравнительные испытания упорных шайб 117366 с традиционными покрытиями с добавкой сурьмы и серебряно-алмазными покрытиями показали в среднем снижение коэффициента трения на 23%. Достигнутые результаты подтверждаются актами и техническими справками.

В заключении резюмированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

Приложения содержат: акты об использовании результатов диссертационной работы, акт испытаний опытных долот в НИЛ ОАО «Волгабурмаш», а также копии дипломов и наград, полученных на международных выставках, техническое описание автоматизированной гальванической установки для серебрения на асимметричном переменном токе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По специальности 05.16.09:

1. Разработано гальваническое серебряно-алмазное покрытие с положительным градиентом механических свойств по глубине, обеспечивающее повышение антизадирных, противоизносных и антифрикционных характеристик элементов опор скольжения буровых долот.

2. Исследовано влияние состава и структуры градиентных серебряно-алмазных покрытий на их механические и триботехнические свойства. Установлено, что легирование серебряных покрытий сурьмой (2%) и никелем (5%) повышает микротвердость, но до 40% снижает износостойкость покрытия. Введение в электролит в качестве наноструктурирующей добавки ультрадисперсных алмазов позволяет в (2...3) раза снизить скорость изнашивания и на 30% повысить микротвердость серебряного покрытия. Уменьшение размеров зерен от 20 до 5 мкм получаемого осадка приводит к росту микротвердости (на 30 %) и снижению скорости изнашивания (до 5 раз). Снижение пористости покрытия в два раза при изменении режимов осаждения покрытия приводит к повышению износостойкости покрытия на 20%.

3. Для градиентных серебряно-алмазных покрытий, нанесенных на рекомендованных режимах установлено, что размер зерен покрытия находится в пределах от 1 до 20 мкм; прочность сцепления покрытий с основой составляет до 60 МПа; микротвердость покрытия меняется от 140 до 65 кгс/мм2; критический уровень накопленной энергии пластической деформации составляет 42 кДж/моль, что в 1,5 раза выше, чем у серебряных покрытий с сурьмой (2 %).

4. Исследованы эксплуатационные свойства разработанных градиентных серебряно-алмазных покрытий. Установлено, что: износостойкость антизадирных серебряно-алмазных покрытий нанесенных на основу из закаленных сталей 40Х и 65Г (45...55 НЯС) до 2-х раз превышает износостойкость покрытий, нанесенных на основу из бериллиевой бронзы БрБ2 (35 НЯС); несущая способность серебряно-алмазных покрытий составляет 110 МПа, что на 40 % превышает нагрузку схватывания серебряных покрытий, полученных в цианистых электролитах; скорость изнашивания серебряно-алмазных покрытий в (3...5) раз ниже, чем у серебряных покрытий, осажденных в цианистых электролитах; антикоррозионная стойкость покрытий обеспечивается при толщинах осадка >20 мкм.

5. Разработанные покрытия внедрены в серийное производство буровых долот ОАО «Волгабурмаш» для повышения эксплуатационных свойств плавающих элементов герметизированных опор буровых долот, включая 37 типоразмеров втулок, 23 типоразмера шайб и 6 типоразмеров колпачков. Опытно-промышленные и полевые испытания опытных буровых долот с нанесенными на плавающие элементы антифрикционными градиентными серебряно-алмазными покрытиями показали повышение ресурса опор не менее, чем на 50% по сравнению с серебряными покрытиями с добавкой сурьмы (2%).

6. Разработаны методики исследования свойств покрытий, включая методику экспресс-контроля газонасыщения деталей при электрохимическом нанесении серебряно-алмазных покрытий; методику и прибор для количественной оценки прочности сцепления покрытия с основой на отрыв и на срез; методики для определения износостойкости, антифрикционных свойств, несущей способности покрытий

предназначенных для работы в опорах буровых долот с использованием оригинального трибометра «Универсал-1 А».

По специальности 05.17.03:

7. Разработан и внедрен в НОЦ «Функциональные наноматериалы и наноструктуры» СамГТУ и в ООО «НПО «Спецпокрытие» источник асимметричного переменного тока для промышленного нанесения электрохимических градиентных серебряно-алмазных покрытий с возможностью регулировки частоты (от 1 до 200 Гц) и коэффициента асимметрии (JJI¿= 1,2... 10) с максимальным током нагрузки до 100 А.

8. Разработана и внедрена в НОЦ «Функциональные наноматериалы и наноструктуры» СамГТУ и в ООО «НПО «Спецпокрытие» технология осаждения градиентных серебряно-алмазных покрытий на асимметричном переменном токе в ди-цианоаргентатном электролите, включающая новые операции: детонационного диспергирования ультрадисперсных алмазов, экспрессного контроля состава электролита по предельной растворимости компонентов и автоматизированного контроля толщины и продолжительности нанесения покрытия по изменению веса подвески с деталями.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ненашев, М.В. Стенды и методики испытаний смазочных материалов для опор буровых долот [Текст] / М.В. Ненашев, И.Д. Ибатуллин, Д.А. Деморецкий, А.Ю. Мурзин, И.В. Нечаев, А.Р. Галямов [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Т. 12, №1 (2). - С. 457-461.

2. Ненашев, М.В. Применение наноструктурированных покрытий в опорах скольжения буровых долот [Текст] / М.В. Ненашев, С.Ю. Ганигин, A.C. Чеботаев, А.Р. Галлямов [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Т. 12, №1 (2). — С.357-361.

3. Ненашев, М.В. Оптимизация технологии нанесения детонационных покрытий на опоры буровых долот с использованием энергетических критериев прочности [Текст] / М.В. Ненашев, В.В. Калашников, С.Ю. Ганигин, A.C. Чеботаев, А.Р. Галлямов, Е.С. Балашов [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. — 2010. - Т.12, №1 (2). - С. 462-466.

4. Ненашев, М.В. Новые приборы контроля качества поверхностей [Текст] / М.В. Ненашев, А.Р. Галлямов, ДА. Деморецкий, ИД. Ибатуллин, И.В. Нечаев, С.Ю. Ганигин [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. 2011, — Т. 13, №1. — С. 578-581.

5. Ибатуллин, И.Д. Приборы контроля качества поверхностей деталей узлов трения машин [Текст] / И.Д. Ибатуллин, А.Н. Журавлев, Т.А. Шашкина, A.B. Утянкин, А.Р. Галлямов // Известия Самарского научного центра РАН. — 2011. -Т. 13,№4.-С. 743-747.

6. Ненашев, М.В. Технология и свойства нано-структурированных детонационных покрытий [Текст] / М.В. Ненашев, А.Р. Галлямов, Д.А. Деморецкий, И.Д. Ибатуллин, С.Ю. Ганигин [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН.

- 2011. - Т.13, №1.-С. 390-394.

7. Ненашев, M.B. Градиентные антифрикционные серебряно-алмазные покрытия [Текст] / М.В. Ненашев, И.Д. Ибатуллин, А.Р. Галлямов, А.Н. Иванов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2011. - Т.13, №1. - С. 578-581

8. Ненашев, М.В. Перспективные технологии, свойства и применение наноструктурированных электрохимических покрытий [Текст] / М.В. Ненашев И Д Ибатуллин, С.Ю. Ганигин, А.Р. Галлямов, P.P. Неяглова // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2011. - Часть 1, №3 (27). -С. 189-196»

гг 9\ Ш?шкина> Т-А- Приборы и методы исследования качества поверхностей [Текст] / Т.А. Шашкина, A.B. Утянкин, А.Р. Галлямов, A.C. Дьяконов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева (Национального исследовательского университета) - 2011 - Чят. 1 №3(27).-С. 211-217. ' '

10. Ибатуллин, И.Д. Перспективные технологии, свойства и применение наноструктурированных электрохимических покрытий [Текст] / ИД Ибатуллин

Журавлев, A.B. Утянкин, А.Р. Галлямов, P.P. Неяглова // Вестник Самарского' государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева (Национального исследовательского университета). - 2011. - Часть 1, №3 (27). -С. 218-223.

11. Деморецкий, Д.А. Малогабаритный комплекс для нанесения гальванических покрытии [Текст] / Д.А. Деморецкий, А.Р. Галлямов, И.Д. Ибатуллин СЮ ^игин, Г.С.^Толяков^[и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012.

_ _ _ Ненашев' М-В- Свойства градиентных серебряно-алмазных покрытой [Текст] / М.В. Ненашев, Д.А. Деморецкий, А.Р. Галлямов, И.Д. Ибатуллин, А.Н. Иванов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т.14, №1. - С. 554-558.

13. Ненашев, М.В. Совершенствование серебряно-алмазных покрытий [Текст] / MB. Ненашев, Д.А. Деморецкий, А.Р. Галлямов, И.Д. Ибатуллин, А.Н. Иванов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т.14, №1. - С. 558-561

Заявки на изобретения

1. Положительное решение по заявке № 2010141237, МПК C25D15/00 Способ нанесения композиционных электролитических покрытий [Текст] / Ненашев MB Ибатуллин И.Д., Галлямов А.Р. и др.: заявитель ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет - № 2010141237/02: заявл 07 10 2010-опубл. 20.04.2012, Бюл.№ 11.-2 с. '

2. Положительное решение по заявке №2010146883, МПК C25D15/00 Способ

определения толщины и продолжительности осаждения электролитических покрытии [Текст] / Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Галлямов А.Р. и др.: заявитель . Самарский государственный технический университет -№ 2010146883/02; заявл. 17.11.2010; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15. -2 с.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.02 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 35 от 08.10.2012 г.)

Заказ №_Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА АНТИЗАДИРНЫХ СЕРЕБРЯНЫХ ПОКРЫТИЙ.

1.1 Анализ стандартной технологии нанесения антифрикционных серебряных покрытий.

1.2 Анализ проблем создания технологического оборудования для серебрения на асимметричном переменном токе, технических средств и методик контроля качества серебряных покрытий.

1.3 Анализ проблем технологии нанесения и методов повышения триботехнических свойств серебряных покрытий.

1.4 Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СЕРЕБРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, СРЕДСТВ И МЕТОДИК КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ.

2.1 Разработка автоматизированной установки для электрохимического нанесения серебряных покрытий на асимметричном переменном токе.

2.2 Разработка методик триботехнических испытаний серебряных покрытий для элементов опор буровых долот с использованием оригинального трибометра.

2.3 Разработка методики и прибора для оценки адгезии покрытий.

2.4 Разработка методики оценки газонасыщения детали с серебряным покрытием.

2.5 Выводы по 2-ой главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ГРАДИЕНТНЫХ СЕРЕБРЯНО-АЛМАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ НА АСИММЕТРИЧНОМ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НА ЕГО СВОЙСТВА.

3.1 Анализ процессов, протекающих при серебрении на асимметричном переменном токе в бесцианистом электролите.

3.2 Разработка подготовительных технологических операций перед серебрением.

3.3 Разработка технологии нанесения градиентных серебряно-алмазных покрытий.

3.4 Разработка финишных технологических операций после серебрения деталей.

3.5 Выводы по 3-ей главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ГРАДИЕНТНЫХ СЕРЕБРЯНО-АЛМАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

4.1 Исследование физико-механических свойств серебряно-алмазных покрытий.

4.2 Исследование триботехнических свойств серебряно-алмазных покрытий.

4.3 Выводы по 4-ой главе.

ГЛАВА 5. ВНЕДРЕНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, ОБОРУДОВАНИЯ И ОСНАСТКИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ СЕРЕБРЯНО-АЛМАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ НА

ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ.

5.1 Внедрение технологии нанесения градиентных серебряно-алмазных на плавающие элементы опор буровых долот для оснащения долот

ОАО «Волгабурмаш».

5.5 Выводы по 5-ой главе.

Известно, что серебро обладает рядом важных свойств (химической стойкостью, теплопроводностью, износостойкостью, антифрикционными и проти-возадирными свойствами), обеспечивающих существенное повышение эксплуатационных характеристик деталей с серебряными покрытиями. Это обусловливает широкое применение технологий электрохимического осаждения серебра при изготовлении опор шарошечных буровых долот. Герметизированные опоры шарошек представляют собой совокупность подшипников скольжения, содержащие плавающие элементы (втулки, шайбы, колпачки). Условия работы опор буровых долот весьма напряженные: частота вращения шарошек - 135 об/мин; внешнее гидростатическое давление - до 200 атм.; осевая нагрузка на долото - до 20 тонн и выше; среднее статическое давление в опоре долота -35МПа; максимальное статическое давление в опоре долота - до 75 МПа; виды изнашивания и поверхностного разрушения материалов в опоре - абразивное изнашивание, контактная усталость, усталостное изнашивание; максимальная температура в зоне трения - до 200°С; плавающие элементы - втулка, шайба, колпачок - изготавливаются из бериллиевой бронзы БрБ2 и покрываются антифрикционным серебряным покрытием толщиной 20 мкм; средняя наработка на отказ долота - 50 часов; средняя проходка долота - 200 м.

От эксплуатационных характеристик серебряных покрытий зависит работоспособность буровых долот стоимостью сотни тысяч рублей, а также их конкурентоспособность на отечественном и международном рынках. Опыт бурения нефтяных и газовых скважин показывает, что надежность опор отечественных долот заметно ниже, чем у долот производства США, Германии, Китая, поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная созданию и внедрению высококачественных антизадирных серебряно-алмазных покрытий для повышения ресурса опор скольжения буровых долот, является своевременной и актуальной.

Традиционно в отечественном долотостроении в опорах буровых долот используют покрытие М2. Ср-Су (99.2-98,8) 20-30 ГОСТ 9.306-85 твердостью у

60.80)кгс/мм . Электроосаждение покрытия проводится в цианистом электролите на постоянном токе. При использовании серебряных покрытий для опор скольжения возникают технологические и эксплуатационные дефекты: низкая пластичность; недостаточная адгезия; низкая стойкость к задирам и износу; высокая пористость; неравномерность покрытия и образование дендритов при нанесение; газонасыщение покрытия и основы.

В основу настоящей диссертационной работы легли комплексные исследования в области влияния технологических режимов, структуры и состава на эксплуатационные свойства антизадирных серебряных покрытий.

Тема диссертационной работы поддерживается грантом «Исследования и разработка технологий создания наноструктурированных упрочняющих и специальных покрытий методом электрохимического осаждения, обладающих повышенной износостойкостью» (Государственный контракт №02.740.11.0104 от 15 июня 2009 г.)

Объект исследований. Градиентные антизадирные серебряно-алмазные покрытия, полученные на асимметричном переменном токе в бесцианистом электролите.

Предмет исследований. Закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов на механические и триботехнические свойства серебряно-алмазных покрытий.

Цель диссертационной работы. Повышение эксплуатационных свойств серебряных покрытий плавающих элементов опор трехшарошечных буровых долот. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработать оригинальное технологическое оборудование для электрохимического серебрения деталей машин на асимметричном переменном токе, а также средства и методики контроля качества серебряных покрытий.

2. Разработать градиентное серебряно-алмазное покрытие и исследовать влияние технологических режимов на его свойства.

3. Исследовать влияние состава и структуры градиентных серебряно-алмазных покрытии на их механические и триботехнические свойства.

4. Разработать и внедрить в производство технологический процесс нанесения градиентных серебряно-алмазных покрытий на плавающие элементы опор скольжения трехшарошечных буровых долот и оценить эффективность применения новых покрытий.

Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на основных законах и положениях материаловедения, электрохимии, теории совместимости трибометариалов, теории вероятности и математической статистики.

Результаты, выносимые на защиту

1. Результаты исследований зависимости механических и триботехнических свойств серебряных покрытий от состава, пористости, наноструктурирующей добавки, материаллов подложки и контртела, а также технологических режимов электроосаждения.

3. Новые методы исследования газонасыщения и прочности сцепления серебряных покрытий с основой, методики определения триботехнических свойств покрытий.

4. Технология, технологическое оборудование для серийного нанесения гальванических антифрикционных антизадирных серебряно-алмазных покрытий на плавающие элементы опор скольжения буровых долот.

5. Результаты опытно-промышленных и промысловых испытаний долот, оснащенных плавающими элементами с серебряно-алмазными покрытиями.

Научная новизна работы, заключается в следующем. По специальности 05.16.09:

1. Установлены закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов электроосаждения серебряных покрытий на их физико-механические и триботехнические свойства. На основе выявленных связей разработан метод получения серебряных покрытий с положительным градиентом механических свойств.

2. Исследованы физико-механические и триботехнические свойства градиентных серебряно-алмазных покрытий. Установлено, что положительный градиент механических свойств в покрытии обеспечивает повышение эксплуатационных свойств деталей тяжелонагруженных опор скольжения.

3. Установлен механизм разрушения серебряных покрытий при трении, обусловленный процессом газовыделения между покрытием и основой с последующим разрывом газовых пузырей.

По специальности 05.17.03:

4. Разработаны критерии выбора рациональных технологических режимов для электрохимического осаждения серебряно-алмазных покрытий в бесцианистых электролитах на асимметричном переменном токе.

5. Описаны химические реакции, протекающие в дицианоаргентатном электролите при электрохимическом осаждении серебряных покрытий на асимметричном переменном токе.

Практическая ценность

1. Разработано градиентное антизадирное, антифрикционное серебряно-алмазное покрытие, позволившее повысить эксплуатационные характеристики опор скольжения трехшарошечных буровых долот. Покрытия нашли применение при изготовлении серийных долот в ОАО «Волгабурмаш».

2. Разработаны методы экспресс-контроля газонасыщения деталей с серебряными покрытиями и прочности их сцепления с основой.

3. Разработаны и внедрены в ООО «Спецпокрытие»: высокоэффективная, экологичная технология; новое автоматизированное оборудование; технологическая оснастка для электрохимического осаждения градиентных серебряно-алмазных покрытий на тяжелогагруженные элементы опор скольжения буровых долот.

Реализация результатов

Разработанные технология и технологическое оборудование для нанесения антифрикционных серебряно-алмазных покрытий на детали узлов трения внедрены в ООО «НПО «Спецпокрытие», где в настоящее время используются: для повышения противоизностных свойств плавающих элементов опор серийных буровых долот ОАО «Волгабурмаш». Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ.

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИК-МУС-2009» (Москва, ИМАШ РАН, 2009); II, III и IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2010,2011,2012);Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы» (Самара, СГАУ, 2010); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011); III Международная конференция «Математическая физика и ее приложения» (Самара, СамГТУ, 2012).

Образцы деталей машин с новыми антифрикционными серебряно-алмазными покрытиями были представлены на следующих выставках и конкурсах: 54-ой Международной ярмарке техники и технических достижений «Technical Fair-2010» (Сербия, г. Белград, 2010г.); X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2010г.); Всероссийской выставке «Энергетика» (Москва, 2010); 9 и 10-ой Международной выставке «Промышленный салон» (Самара, 2010,2011г.); Всероссийском конкурсе проектов и разработок в области высоких технологий «1Т ПРОРЫВ» (г.Москва, 2010г.); Молодежном научно-инновационном конкурсе (программа У.М.Н.И.К., г. Самара, 2010г.); 66-ой Международной ярмарке «INTERNATIONAL TECHNICAL FAIR 2010» (Болгария, г.Пловдив 2010г.); II Международной специализированной выставке «Нанотехнологии» (г. Казань, 2010г.); 16 и 17-ой Международной специализированной выставке «Энергетика-2010» и «Энергетика-2011» (г. Самара, 2010, 2011г.); Петербургской технической ярмарке (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012 г.); IV Российском Форуме «Российским инновациям-российский капитал», IX Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011г.).

Вывод

Начальник ИЛ

А.С. Бурцев

Ведущий инженер-технолог

Ведущий инженер

Инженер-исследовател