автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии плакирования гранулами корпусных деталей методом горячего изостатического прессования (ГИП)

ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ СИЛА ВОВ

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. гё_

-' I 1 ) () 1 9

Казберовчч Ачексей Михайлович

Исследование н разработка технологии плакирования гранулами корпусных деталей методом горячего изостатнческого прессования (ГИП)

Специальность «Порошковая металлургия и композиционные материалы» (05.16.06)

Автореферат:

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук.

Москва 1999 г.

Работа выполнена во Всероссийском институте легких сплавов

Научный руководитель:

доктор технических наук Самаров В.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Мусиенко В.Т.

кандидат технических наук Кратт Е.П.

Ведущее предприятие - КБ Химавтоматика (г. Воронеж)

Защита диссертации состоится 29 декабря 1999 г. в Ю часов на заседании диссертационного совета Д 141.12.02 при ВИЛСс: Москва, ул. Горбунова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан «26 » ноября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ВИЛСа

кандидат технических наук ' / ; / В.Г.Казаков

/ Iу лазаю

Общая характеристика работы. Актуальность проблемы.

Развитие таких отраслей промышленности, как нефтяная, газовая, химическая, горнодобывающая неизбежно связано с проблемой повышения надежности и долговечности оборудования.

Усложнение условий эксплуатации по мере развития нефтедобывающей отрасли связанных с увеличением пластовых давлений до 1500 атмосфер и температур до 250°С, абразивным износом, возрастанием глубины скважин, началом освоения месторождений, продукция которых содержит значительное количество агрессивных компонентов (сероводорода, углекислого газа и др.) ведет к необходимости использования особых коррозионно- и износостойких материалов на основе никеля и кобальта для труб, фланцев, вентилей и другого нефтяного и химического оборудования, а также оборудования контроля технологического процесса.

Изготовление из таких материалов деталей нефтехимического оборудования целиком, вызывает ряд проблем, обусловленных особыми физико-химическими свойствами этих сплавов (химическая сегрегация легирующих элементов, плохая деформируемость ), а также их высокой стоимостью, особенно, для крупногабаритных у зло в.

В связи с этим, одним из наиболее перспективным и широко применяемых в нефтехимическом машиностроении и обогатительной технике, в частности, при производстве корпусных деталей фонтанной арматуры, является использование защитных покрытий, нанесенных на поверхности корпуса, изготовленного из конструкционной стали.

Данная работа посвящена исследованию процесса нанесения защитных покрытий из гранул сплавов на никелевой и кобальтовой основе методом горячего изостатического прессования (ГИП), который позволяет соединять разнородные по химическому составу и структуре материалы монолит-порошок в твердой фазе. В результате исследования и разработки технологии были получены биметаллические корпусные детали фонтанной арматуры с плакирующе- силовым слоем различной толщины (от 4 до 10 и более мм.) из коррозионно-стойкого сплава на никелевой основе, нанесенного как на внешние, так и на внутренние поверхности деталей из конструкционной стали, с габаритными размерами от 250 до 750 мм., а также биметаллические детали конусных дробилок, типа «броня», из износостойкого гранулируемого материала на

основе кобальта, нанесенного на конструкционную низко углеродистую сталь.

Сочетание свойств отдельных составляющих биметаллических корпусных деталей с функционально-градиентными свойствами позволяет решить проблемы эксплуатационного характера-предотвратить коррозионное воздействие и износ основного материала, сохранить высокую коррозионную стойкость к воздействию окружающей среды и значительно снизить стоимость таких деталей по сравнению с деталями такого же типа, изготовленных целиком из антикоррозионных материалов.

Закономерности, полученные в результате исследования являются общими для биметаллических деталей типа корпус, полученных из различного класса материалов- монолитной конструкционной стали с защитным покрытием из гранул методом горячего изостатического прессования.

Цель работы.

Целыо данной работы является разработка технологии изготовления методом ГИП биметаллических корпусных деталей из комбинации «конструкционная сталь-покрытие из гранул коррозиониостойких и износостойких материалов» с плакировкой, как внешних, гак и внутренних поверхностей для применения в критических узлах запорио-регулирующей фонтанной арматуры и обогатительной техники.

Основные задачи работы.

Необходимость получения корпусных деталей с плакировкой из гранулированных сплавов, надежно защищающей материал конструкционной стали от воздействия коррозии и износа, определяет круг задач, необходимых для решения данной проблемы.

Основными задачами работы явились:

1. Изучение влияния параметров ГИП (температура, давление, время выдержки) на физико-химические свойства соединения «конструкционная сталь ферритного класса-гранулы никелевого сплава» после горячего изостатического прессования и термической обработки.

' 1Ь\'К'Н1Ч и\ IIUKIIII4 М.ЦЧ.1 M.l U'l'll.l 1И11 II пр.чкччс I IUI 1. |м i hi'mii.imh '|ni iiihi >лимитак11\м* i поме iii.imm n imicmk.i k.I'K'C i im

U4II.I (.'OO. IIIIK'11ИЧ

3. Оценка влияния деформации корпуса п процессе ГИП на свойства материала.

4. Изучение закономерностей кинетики формоизменения полых корпусных деталей из материалов с различными соотношениями толщины стенки корпуса и плакировки.

5. Обоснование и разработка конструкции пластически деформируемого инструмента (капсулы), с учетом того, что корпус будущей детали является внешней частью капсулы, обеспечивающей получение деталей с плакирующе- силовым слоем из гранул нанесенного на внешние и внутренние поверхности деталей сложной конфигурации при условии сохранения внешней геометрии корпуса. Разработка схемы соединения отдельных элементов корпуса в целиковое изделие через «порошковый каркас».

6. Разработка комплексной технологии изготовления биметаллических корпусных деталей из конструкционных сталей ферритного класса с антикоррозионными и износостойкими покрытиями методом ГИП.

Научная новизна.

1.Обосновано влияние технологических параметров на структуру и свойства зоны соединения при плакировании конструкционной стали гранулами никелевого сплава и выявлен характер разрушения биметаллического соединения.

2. Определены закономерности образования зоны соединения в процессе ГИП для различного класса материалов основы и плакировки с отношением прочности 1/1... 10/1. Установлены две схемы образования соединения монолит-гранулы, определяющие качество получаемого биметалла.

3.Определена кинетика формоизменения при плакировании полых биметаллических корпусных деталей с различным соотношением толщины стенки и плакирующего слоя. Выявлены особенности, характерные для формоизменения толстостенных корпусов.

4.Показана принципиальная возможность пластической деформации при горячем изостатическом прессовании и разработана

схема, позволяющая осуществить деформацию деталей в газостате. Исследована зависимость свойств от величины накопленной деформации.

5.Разработана и изучена схема соединения отдельных (литых или деформированных) элементов корпуса в целиковое изделие за счет использования в конструкции, порошковых прослоек, обеспечивающих качество соединения между отдельными элементами.

Практическая значимость.

На основании результатов исследований разработана технология производства биметаллических корпусов, (сталь 30 ХМЛ(А)-гранулы сплава ЭГ1 741НП), прошедших натурные испытания на Астраханском месторождении нефти и газа в г. Лксарайске. Освоена вся номенклатура корпусных деталей фонтанной арматуры с плакировкой из гранулируемого сплава на никелевой основе методом ГИП, с размерами от 250 мм. до 750 мм. Проведение натурных испытаний не показало каких-либо отклонений от исходного состояния биметаллического корпуса.

Па основании разработанной технологии изготовлены биметаллические детали конусной дробилки типа «броня» (сталь 45-гранулы сплава Стеллит-12), используемые в обогатительной зечнике, ресурс работы которых в 4-5 раз превысил ресурс эксплуатации деталей, изготовленных из обычных I ш с тру м с I ггал ы I ы х с I ач е .

Публикации и апробация работы.

Основные положения работы представлены в 7 печатных работах.

По материалам диссертационной работы сделано 5 докладов на отраслевых и международных конференциях

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и списка использованной литературы.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы и сформулирована цель работы.

Глава I. Состояние вопроса п постановка задач.

Освоение новых месторождений нефти и газа, таких как Астраханское, осложняется из-за повышенного содержания в продуктах добычи сероводорода и углекислого газа, высокими пластовыми давлениями до 200 МПа и повышенной температурой до 250° С. В этих условиях использование запорно-регулирующей арматуры в традиционном исполнении - из конструкционной стали ЗОХМЛ(Л) (литой или деформированной), становится невозможным, из-за пониженного сопротивления коррозии материала корпусов к сероводородному воздействию. Поэтому для защиты материала корпуса применяют плакирование его рабочих поверхностей.

Для увеличения срока эксплуатации рабочих частей конусных дробилок, используемых в обогатительной технике необходимо применение износостойких материалов, нанесенных на рабочие поверхности деталей.

Широко известны различные способы нанесения защитных покрытий от ионно-плазменного, до наплавки коррозионно-стойких материалов на «подложку». Все эти способы имеют те или иные преимущества и недостатки.

В данной работе исследуется способ получения комбинированных деталей типа конструкционная сталь-покрытие из гранул методом ГИП для производства деталей фонтанной арматуры и «брони», работающей в критических условиях эксплуатации. В отличии от других традиционных методов нанесения покрытий, в качестве защитного материала используются гранулы коррозионно-стойкого сплава на никелевой основе и износостойкого сплава на основе кобальта. Корпус детали из конструкционной литой или деформированной стали при этом является частью капсулы (как правило внешней) и соединяется аргонно-дуговой сваркой с внутренними элементами из обычной малоуглеродистой стали, образуя полости, заполняемые гранулами коррозионно-стойких (износостойких) материалов. После последующей засыпки, дегазации и герметизации, заполненные капсулы подвергают горячему изостатическому прессованию. После проведения ГИП с рабочими параметрами (температура, давление и время выдержки), обеспечивается беспористое состояние гранул, и одновременно происходит диффузионное сращивание, с образованием металлических связей между материалом корпуса и материалом плакирующего слоя через границу раздела между сплавами, которая имеет сложный химический состав, определяемый их легирующими составляющими. В отличии от других процессов получения

биметаллических деталей методом I ИН сам материал корн\са подвертается как воздействию темпсратурпо-силовых параметров процесса изоетатического прессования, так и пластической деформации, которая существенным образом влияет на ею фпшческие свойства, после наложения термической обработки. Параметры ГИП. особенно, температура прессования, должна обеспечивать оптимальную структуру и физико-химические свойства самого материала корпуса после наложения стандартной термической обработки для данной марки стали. При этом метод ГИП позволяет получать равномерную, однородную, мелко¡ернистую структуру покрытия с высокими коррозионными свойствами и толщину плакировки от 2-5 мм до 30 и более мм, в зависимости от требований конструкторской документации и условии эксплуатации. Покрытие осуществляется как на внешних, так и на внутренних поверхностях и имеет изотропную структуру по всему сечению покрытия и обусловлено самой природой процесса.

Как показывает опыт зарубежных фирм, наиболее эффективно пеполыование плакированных корпусов проявляется при разработке новых нефтяных месторождений и при эксплуатации в критических условиях во избежании экологических катастроф.

Для получения метолом ГИП комбинированных корпусных деталей тина конструкционная стачь-порошковое покрытие необходимо решить ряд научно-технологических задач:

1.Изучить влияние параметров ГИП на свойства биметаллического соединения гранул с материалом корпуса, выполненного »встали перлитно-ферришото класса.

2. Определить закономерности получения юны соединения материала плакировки (гранул) с раипчиыми типами материалов основы.

3.Изучить кинетику формоизменения полых корпусных деталей с различным соотношением прочностных характеристик соединяемых материалов и толщины стсттки корпуса и порошкового слоя.

4.Оценить влияние пластической деформации на свойства материала корпуса в процессе ГИП.

5.Разработать конструкцию формообразующего инструмента, который бы позволил в процессе ГИП получать биметаллические корпусные детали «сталь-покрытие», с переменной толщиной стенки корпуса и равномерной толщиной покрытия и обеспечить минимальные припуски под финишную механическую обработку по внутренним поверхностям, обеспечить высокий выход годного и равномерность деформации (усадки). Разработать схему получения

цельных корпусных деталей, состоящих из отдельных более простых и технологичных частей, с последующим их соединением п условиях ГИП.

6.Разработать комплексную технологию изготовления деталей, фонтанной арматуры с плакирующе - силовым слоем с габаритными размерами от 250 до 750 мм. и деталей из конструкционной стали с износостойким покрытием из сплава типа Стеллит.

1.2. Методики исследования.

При исследовании и разработке технологических процессов использовали конструкционную литую -30XMJI и деформированную -30ХМА стали ферритного класса, низкоуглеродистую сталь Ст.45 и порошковый коррозионно-стойкий никелевый сплав ЭП741НП и износостойкий сплав -Стеллит 12.

Объектами исследования были:

-образцы из литой (деформированной) стали ЗОХМЛ(А), подвергнутой ГИП по различным режимам при температуре 1000°С и 1200°С, с целью определения влияния параметров прессования на структуру и свойства основного материала и определения влияния степени деформации в процессе ГИП.

-биметаллические образцы, полученные путем совместного горячего изостатического прессования цилиндрических заготовок диаметром 20 мм и высотой 40 мм из конструкционной стали 30ХМЛ и гранулируемого никелевого сплава ЭП741НП, выполняющего роль плакирующего материала.

-биметаллические образцы «монолит-порошок», полученные при совместном ГИП со следующими парами соединяемых материалов: 1)Медь (порошок) + монолит ЭП 741НП; 2)Медь (монолит) + гранулы ЭП 741НП; 3) сталь 30 ХГСА + гранулы ЭП741НП; 4) ЗОХМЛ(А) + гранулы ЭП 741НП; 5) ЭИ 698 + гранулы ЭП 741НГ1; 6) монолит ЭП 741НП+ гранулы ЭП 741НП; 7) ВМ-1 + гранулы ЭП 741НП; 8) BK-8+гранулы ЭП 741НП.

Опытные капсулы в которых получали биметаллические образцы изготавливались из малоуглеродистой стали -Ст.20, высотой 85 мм и диаметром 80 мм, при толщине стенки 3-4 мм для получения одновременно 4-х биметаллических образцов. Для оценки механических характеристик износостойкого покрытия из гранулируемого сплава на кобальтовой основе типа Стеллит, нанесенного на конструкционную сталь-Ст.45.

Перед установкой в опытную капсулу стальные образцы подвергались высоко- температурному вакуумному отжигу (при температуре 1000° С, г=1час). Затем засыпали гранулы сплавов ЭП741НП или Стеллит-12 фракции +50 -200 микрон.

Дегазацию и герметизацию опытных капсул проводили на установку УЗГК-Д, а ГИП на газостатах HIP-2000 (фирмы National Forge) и КП-379 конструкции ВНИИМЕТМАШ.

Для изучения зоны соединения и взаимодиффузии химических элементов, входящих в состав порошкового покрытия и монолитной конструкционной стали использовали метод рентгеноспектрального анализа.

Исследование микроструктуры зоны соединения проводили на оптическом микроскопе «Неофото-2» при увеличении от 50 до 2000 крат.

Рентгеноспектральный анализ проводили как на стали, так и на композиции монолит-гранулы, а также поверхности излома комбинации, с использованием рентгеновского дефрактометра «Дрон-1,5». Для изучения зоны соединения образцов изготавливались микрошлифы, которые подвергались электролитической полировке.

Фрактографические исследования поверхности разрушения образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе «Stereo - Scan-150» при увеличении от 100 до 3000 крат.

Механические свойства:ав, ао.2, 5, ч» комбинированных образцов с зоной соединения посредине рабочей части, образцов проводили на круглых образцах с диаметром рабочей части 5 мм, в соответствии с ГОСТ 1497-73 на 10-ти тонной испытательной машине «ДУ-19» со скоростью перемещения активного захвата 0,51,0 мм/мин.

Определение ударной вязкости проводили согласно ГОСТ 9455-73 на стандартных образцах с надрезом типа Минаже (U-образный надрез) при комнатной и пониженных температурах для оценки сопротивления стали хрупкому разрушению.

Твердость образцов после различных технологических обработок определяли по Роквеллу и Бринелю (ГОСТ 9013-59).

Измерение микро-твердости проводили на микротвердометре ПМТ-3 при нагрузке идентора 50 грамм.

Для оценки полученных значений механических свойств для каждого режима обработки (ГИП + т/о) испытывали не менее 3-х образцов.

Глава 2.Исследование влияния технологических параметров на структуру н свойства юны соединения сталь-покрытие после ГИП н термической обработки

Исследовалась структура и свойства переходного слоя между конструкционной сталью ЗОХМЛ(А) и гранулируемым сплавом ЭП 741НП .после проведения ГИП и наложения термической обработки по режиму стали. Описана структура переходного слоя 30ХМЛ+ЭП741 НП и изучено изменение концентрации основных легирующих элементов от стали к сплаву. Результаты распределения значений микротвердости отдельных сплавов и переходного слоя после проведения ГИП и термической обработки представлена на рис.1.

При нанесении коррозионно-стойкого высоколегированного сплава ЭП 741НП на конструкционную сталь 30 ХМЛ(А) методом ГИП происходит диффузионное распределение элементов в зоне размером 30-70 микрон в зависимости о времени выдержки при высоких температурах. Углерод, обладая высокой диффузионной способностью, глубоко проникает в сплав ЭП 741НП, образуя карбиды, как по границам, так и внутри зерен. При компакгировании гранул сплава ЭП741НП со сталью ЗОХМЛ образуется граница раздела сплавов, в которой гранулы из-за своей высокой твердости внедрены в слой стали. При этом гранулы, находящиеся в зоне контакта практически не деформируются, (см. рис.1)

В результате перераспределения химических элементов состав переходного слоя и прилегающих к нему зон становится соответствующим аустенитным сталям, что подтверждается результатами рентгеноспсктралыюго анализа, показанного в табл.1, и испытаний микротвердости зоны соединения и отдельных составляющих.(см .рис.2)

Таблица 1.

Содержание химических элементов в зоне соединения

30ХМЛ-ЭП741НГ1

Расстояние от границы, мкм Содержание в весовых %

Ре Сг Мо N1 Со А1 И XV

+30 96,3 1,0 0,5 0,3 0 0,1 0,0 0,0

+9 70,0 5,1 1,6 15,8 6,0 0,7 0,1 1,5

-9 24,1 7,0 3,8 41,5 12,5 2,8 1,2 5,1

-84 0,3 8,9 3,8 58,9 16,1 5,3 0,7 5,3

Рис.1 Микроструктура переходного слоя сталь-гранулы х250

Н50 500

460

420

380

340

300

260

220

180

з К

1 \

1 ^^^ •

Сталь 30ХМЛ 1 ЭП 7411111

* •

900 500 100 100 500 900 1300 мкм

Рис. 2 Распределение микротвердости в зоне соединения сталь-сплав

' Рсчулышы реипеноспектралыюго анализа поверхности нишма комбинированных образцов позволяет определить характер разрушения биметаллического соединения- наличие зон, обогащенных углеродом, кислородом и алюминием. Разрушение биметаллических образцов происходит, в основном в зоне контакта ЭП741НП-30ХМЛ, со стороны подслоя, возникающего в стали при взаимодиффузии химических элементов в процессе ГИП. При оценки уровня прочности и характера разрушения комбинированных образцов сталь-порошок можно сделать вывод о том, что оно вызвано фазовым строением переходного слоя. В случае разрушения образца по границе было обнаружено наличие окисной пленки в зоне контакта, привнесенной изначальной поверхностью стали. Поэтому для повышения надежности соединения требуется более тщательная подготовка поверхности контакта стали, такая как зачистка поверхности и вакуумный отжиг материала корпуса. Уровень прочности соединения составил в среднем Ов=770-840 МПа.

Анализ уровня механических свойств биметаллических образцов сталь-гранулы позволил разработать и опробовать схему получения цельных корпусных деталей, выполненных из отдельных частей (литых или деформированных) и соединенных между собой в процессе ГИП через «порошковый» каркас, так называемый процесс ^ «монолитизации». В работе исследовался уровень механических свойств как на границе сталь-гранулы, так и границе сталь-сталь которая возникает на стыке отдельных корпусных частей детали. Средний уровень механических свойств, полученных на стыке сталь-сталь соответствует уровню для монолитной стали, но в два раза ниже по характеристикам пластичности.

Разработанная схема позволяет заменить нетехнологичные литые крупногабаритные детали на более технологичные литые или деформированные отдельные элементы меньших размеров с более высоким уровнем механических свойств соединенные в цельное изделие методом ГИП. Для реализации схемы процесса «монолитизации» была разработана конструкция капсулы наиболее трудоемкой в изготовлении детали корпуса крестовика трубной головки (см. рис.3), выполненной из отдельных штампованных половин по схеме «монолитизации» в газостате.

Рис.3 Капсула корпуса крестовика трубной головки по схеме «монолитизации» в газостате

Рис.4 Поверхность излома соединяемой пары материалов

а) по схеме 1 (сталь 30 ХМЛ-гранулы ЭП 741НП)

б) по схеме 2 (ВМ-1-гранулы ЭП 741НП)

2.1 Исследование мкономериосюн соединения napi.i маicpiia.'ion и процессе ГИП с рпинчиымп физико-химическими сноисжамн н оценка качества соединения.

Для качественного соединения разнородных материалов методом ГИ11 но схеме порошок-монолит можно отмстить наиболее важные факторы:

1 ^Формирование оптимального физического контакта по поверхности раздела соединяемых материалов.

2)Совместимость материалов по режиму термической обработки.

3)Достижение условий протекания рекристаллизации и создание обшей зеренной структуры.

Для опенки влияния физико-химических свойств соединяемой пары материалов на формирование зоны соединения были изготовлены биметаллические следующих композиций: 1 )Медь (иорошок)-монолиг ЭП 741 МП; 2) Медь (монолит)-гранулы ЭП 741НП; 3) сталь 30 ХГСА-гранулы ЭП74ШГЦ 4) ЗОХМЛ(Л)-г ранулы ЭП 741 МП; 5) сплав ЭИ 698-гранулы ОП 741НП; 6) монолит ЭП 741 ПП-гранулы ЭП 4111П; 7) ВМ-1-граиулы ЭП 741НП; 8) ВК8-Гранулы ЭП 741 ПИ.

Проведенные эксперименты по сосдииснию различных классов материалов и анализ прочности гранулируемого сплава в компактном состоянии и материала подложки, приведенных в таблице 3 по ¡полил выявить две основные схемы образования обшей i рамипм м.'периалон

По первой схеме соединения происходит внедрение гранул в поверхность мшерипда подложки (cían. - гранулы) с достижением прочносш зоны соединения уровня наименее прочною из соединяемой пары, а кзкже создание обшей ¡ерепной структуры в случае соединения материалов одного и того же класса.(ЭИ 6981 ЭП 741 МП).

По второй материал гранул расплющивается о подложку, что не позволяет образовать надежной связи между соединяемыми материалами. Соотношения прочности и твердости подложки и порошкового материала при температуре ГИП определяет механизм образования границы раздела сплавов. Оно также зависит от характера разупрочнения материалов при нагреве, составляющих пару, например соединение (ВМ-1-ЭП741НП). Чистота поверхности излома образцов при этом, в отличии от первой схемы соответствует чистоте поверхности подложки.(см. рис. 4). При соединение одного и того же материала (ЭП 741НП (монол.)+ЭП 74 ШП (гран.),

находящегося в различны агрегатных состояниях был пол\чеи уровень механических свойств монолитного материала.

Таблица 2.

Прочностные свойства соединяемых материалов

Пара ов.гран. ов, гран. Твердость Прочность

гранулы/ ов,мон ав,мон пары соединения,

монолит Т=20°С при т.°с материалов кгс/мм2

ЭП74!/Си(М1) 135/20 100/5 (800) 330/45 (НВ) 25 (разр Си)

Си(М1)/ЭП741 20/135 5/100(800) 45/330 (НВ) разр. при изготовлении

ЭП741/ЗОХГСА 135/100 100/27(800) 330/229 (НВ) 91

ЭП74ШОХМЛ 135/80 100/16(800) 330/220 (НВ) 80

ЭП741/ЭИ69Х 135/123 112/55 (750) 330/295 (НВ) 123 (разр.по ЭИ698)

ЭП74ШМ-1 135/97 7/50(1200) 330/170 (НВ) разр. при изготовлении

ЭП741/ВК-8 135/155 (изг) 330/88 (НВУ(НЯС) трещина после ГИП

ЭП741/ЭП741 135/135 100/100(800) 330/330 135

Очевидно, данные отношения справедливы для любой пары материалов, один из которых является порошковым сплавом.

На основании результатов исследования была разработана технология нанесения износостойкого покрытия из сплава типа Стеллит на корпус, изготовленный из обычной конструкционной стали -Ст.45. Соотношение твердости (НВ) материала порошка и подложки Стелл ит/Сталь- 450/229 Используя методики исследования, разработанные для получения корпусов с антикоррозионным покрытием методом ГИП, первым этапом исследования явилась оценка механических характеристик соединения углеродистой стали с гранулами Стеллита -12. Химический состав сплава Стеллит-12 и стали 45 приведен в Таблице.3 При этом уровень механических свойств, полученных на комбинированных образцах «Стеллит-12+Углеродистая сталь (45) оказался на уровне прочности углеродистой стали и составил 51кгс/мм2.

Для деталей типа «броня» для измельчения горных пород, используемых в механических конусных дробилках была опробована схема плакирования конструкционной углеродистой стали Ст.45 гранулами сплава на кобальтовой основе- Стеллит -12 методом ГИП.

I машин 3

Химический состав силами Стел.пи-12 и Ст 15

Сплав Со XI Мп 1 с Мо О \ч М С

Стеллит-12 оси 1,16 0,27 0,87 0,24 29 8,24 1,0 1.45

Сталь 45 0..4-0,5 0,5 оси 0.3 0.3 0.42-0.5

Изготовленные биметаллические детали были поставлены на НПО «МЕХАНОВР» для проведения натурных испытаний в составе рабочего агрегата для игмельчения окиси циркония. Испытания показали эффективность предложенных решений. Использование комбинированной «брони» взамен традиционной позволило увеличить ресурс работы п 4-5 раз по сравнению с традиционными конструкционными сталями.

Кроме того для повышения технологичности процесса плакирования легал ой фонтанной арматуры использовались предварительно скомпилированные цилиндрические элементы из сплава ЭП 74 1НП. в зонах затрудненной деформации.

Глава 3. Исследование влияния параметров горячего шостатнчсского прессования на формирование структуры п механические свойста .1111011 (деформированной) ммичрукцпонпой cia.ni ЗОХМЛ(Л)

При исследовании процесса плакирования конструкционной стали меюдом 1ИП особую важность имеем поведение материала корпуса в щюцессе прессования и опенка ею фишко-химических СВОЙС I в.

Параметры ГИП во!действуют на структуру и свойства конструкционной литой (деформированной) стали в процессе соединения монолитной заготовки с порошковым материалом. При этом монолитный корпус выполняет функцию оболочки для заполнения порошка и, в ряде случаев, значительно деформируется в процессе ГИП. Детали сложной формы, деформированные в процессе ГИП, могут иметь достаточно высокую степень неравномерности деформации по сечению и, как следствие, нежелательную анизотропию механических свойств.

Были изучены закономерности влияния таких параметров ГИП, как температура и степень деформации, на структуру и механические свойства стали ЗОХМ и выбраны параметры

прессования антикоррозионного гранулируемого сплава на никелевой основе ЭП 741НП, обеспечивающие повышенный уровень механических характеристик и сопротивления хрупкому разрушению по сравнению с исходным литым состоянием.

Характеристикой напряженно-деформированного состояния при изучении динамики деформирования при ГИП явилась величина накопленной степени деформации -Л.Накопленную степень деформации сдвига, характеризующуюся движением элемента с1о), определяли по формуле: I

.где Н-интенсивность скоростей деформации; о 1- время.

С целью решения задачи по определению накопленной степени деформации использовали реализованную на ЭВМ математическую модель* процесса ГИП деталей из монолитных материалов (сплошная среда), формоизменяющихся в процессе всестороннего сжатия. Расчет предусматривал деформацию втулки с внешним диаметром 100 мм и внутренним- 50 мм с расположенным внутри стержнем. Диаметр стержня варьировали: 40 мм, 20 мм, 0 мм (деформация без стержня).

Последующие проведенные эксперименты по деформации втулок из литой конструкционной стали 30ХМЛ с геометрическими параметрами, что и использованные выше при моделировании и испытания образцов на растяжение, вырезанных из зон материала с различными степенями накопленной деформации показали следующие результаты (см. Табл. 4).

Для сравнения с уровнем механических свойств материала после деформации в процессе ГИП и наложения стандартной термической обработки, также приведены значения механических характеристик разрывных образцов литой и деформированной стали ЗОХМЛ(А). Изучение уровня механических свойств на натурных образцах не проводили для случая 0стержня=О мм, т.к. реальные условия прессования капсул с порошком не отвечают таким условиям и в отдельных случаях приводят к потере устойчивости

капсул._

"■-модель разработана совместно ВИЛСом и Кафедрой ПДСС МИСиС

Таблица 4

Механические свойства стали ЗОХМ в зависимости от степени накопленной деформации в материале.

Обработка ав СТО.2, 5 Ч' ан Сред.

МПа МПа % % кгсм/см2 Л

Литая сталь 84,3 64,3 18.5 50.5 6.5 0

Кованая сталь 857 697 19.7 66.4 10.9 1.5

ГИП 1200 °С 941 761 15.9 54.6 9.7 0

без деформации

ГИП 1000 °С 839 634 14.6 43.1 6.4 0

без деформации

ГИП 1200°С 888 702 15-17 55-57 8.4 0.5

0 стерж.-40мм

ГИП 1200°С 895 716 12-16 54-55 7.7 1.0

0 стерж.-20мм

Следующим этапом исследования явилось изучение влияния параметров ГИП, и прежде всего, температуры на сопротивление литой стали к хрупкому разрушению (при температуре испытания +20°С, -20°С -40°С и -80°С) - одним из основных эксплуатационных характеристик материала фонтанной арматуры. Пыли получены результаты испытания ударных образцов для оценки влияния температуры ГИП на склонность литой стали, используемой в нефтяном машиностроении к хрупкому разрушению- одной из основных эксплуатационных характеристик материала корпуса арматуры. Выбор температуры ГИП равной 1000°С и 1200°С обусловлен требованием получения компактного материала гранул. Анализ уровня механических характеристик позволил определить оптимальные режимы ГИП: Т=1200°С, т=1-2часа, Р>130 МПа. Исследования показали, что проведение ГИП литой стали (с- или без деформации) по указанному режиму, не обеспечивает проработки структуры по типу кованой, однако, в значительной мере позволяет увеличить плотность исходного литого материала и повысить уровень механических свойств материала корпуса после проведения стандартной термической обработки.

Глава 4. Исследование кинетики формоизменения полых корпусных деталей в процессе ГНГ1.

На основе результатов расчетов математической модели совместного вязкопластического течения при высокой температуре монолитной капсулы и порошкового материала исследованы особенности усадки при компактировании полых осе- симметричных корпусных деталей. Проведен комплексный анализ процесса формоизменения таких деталей в зависимости от механических характеристик порошкового материала и материала капсулы, геометрических параметров. Усадка полых корпусных частей в условиях ГИП имеет свои особенности, за счет наличия второй свободной поверхности раздела между порошком и монолитом и носит весьма неравномерный характер. Схема исследуемого образца с указанием базовых точек и графическая интерпретация формоизменения в процессе ГИП при различном соотношении толщины порошкового слоя и внешней стенки представлена на рис.5 с указанием базовых точек.

В результате расчетов моделирования усадки полого цилиндра при ГИП были получены следующие зависимости:

-относительной усадки в базовых точках полого цилиндра как функция отношения сопротивления деформации порошкового материала -Тер порошка и капсулы Тбс.

-относительной усадки в базовых точках как функции отношения толщины порошкового слоя (с12) к толщине внешней стенки корпуса (с!3) (при постоянном отношении толщины внешней и внутренней стенок -0,17)

-относительной усадки в базовых точках как функции отношения толщины порошкового слоя (с!2) к толщине внутренней стенки (сП) (при постоянном отношении толщины порошкового слоя к толщине внешней стенки 0,3)

-относительной усадки в точке «В» (на границе раздела порошок -внутренняя стенка как функции пористости, с переменным отношением прочностных характеристик ТБр/Тэс при отношении толщины порошкового слоя и внешней стенки 0,3)

-относительной усадки в точке «В» (на границе раздела порошок -внутренняя стенка как функции пористости, с различным отношением толщины порошкового слоя (62) и толщины внешней стенки (с13) (при постоянном отношении толщины внешней и внутренней стенок 0,17)

-относительной усадки в точке «В» (на границе раздела порошок -внутренняя стенка как функции пористости, с различным

Рис. 5 Графическая интерпретация формоизменения полых корпусных деталей и схема исследуемого образца.

отношением толщины порошкового слоя ((12) к толщине внутренней стенки <«11 > (при всего постоянном отношении толщины порошкового слоя к толщине внешней стенки 0,3)

Анализ результатов расчетов доказывают, что конечное перемещение границы раздела «монолит - порошок» (базовая точка «В») в процессе ГИП определяется свойствами прессуемого порошка и материала капсулы, исходной толщиной порошкового слоя, а траектория перемещения внутренней стенки капсулы носит возвратно-поступател ьны й характер.

Все вышеперечисленные факторы определяют направление движения границы раздела.

Установленные закономерности позволяют управлять процессом ГИП при получении полых корпусных деталей из различных конструкционных материалов в комбинации с защитными покрытиями из гранулированных материалов.

На практике это позволяет:

-уменьшить расход дорогостоящих порошковых материалов из высоколегированных сплавов;

-получать тонкостенные корпусные детали, близкие по форме к готовому изделию

Из ряда полученных зависимостей относительной усадки стенок капсулы можно выделить область, к которой относятся биметаллические корпуса, с толстостенной внешней и тонкостенной внутренней оболочкой и отношением толщины порошкового слоя к толщине внешней стенки (сЬ|(Ь) < 0,1, и в случае получения композиции сталь-жаропрочный сплав отношение прочностных характеристик материала капсулы к прочностным характеристикам порошкового материала -0,15-0,33.

Из анализа кинетики усадок при ГИП и основываясь на известные зависимости коэффициентов формоизменения в диаметральном и высотном направлении была получена зависимость начальных размеров капсулы от заданной конечной геометрии биметаллического корпуса и исходной плотности порошка.

4.1. Разработка конструкции формообразующего инструмента для производства биметаллических деталей с антикоррозионным покрытием.

Капсулы для изготовления корпусов фонтанной арматуры принципиально отличаются от капсул для изготовления других видов изделий из гранул. Во-первых, в их конструкции имеется массивный толстостенный элемент- корпус. Во-вторых, капсула

состоит из элементов выполненных из различных материалов. Основной трудностью при изготовлении капсул является обеспечение герметичности, т.к. литая сгальЗОХМЛ обладает пониженной свариваемостью по сравнению с обычной углеродистой сталыо. Из соотношений, полученных при исследовании кинетики формоизменения полых цилиндров с различной толщиной стенки было установлено, что толстостенные корпуса с малой толщиной плакирующего слоя имеют ряд особенностей. Специфика корпусных деталей фонтанной арматуры состоит в том, что при их изготовлении необходимо обеспечить минимальные отклонения формы и размеров корпуса от исходных параметров. Это достигается путем подбора толщины стенок элементов капсулы при заданной толщине плакировки.

Толщина трубных элементов и фланцев составляет 8-10 мм. при толщине внешних стенок от 30 и более до 250 мм, и толщине плакирующего слоя- 5-10 мм. Такие соотношения обеспечивают при надежной герметичности соблюдение требования сохранения исходных размеров корпуса после ГИП. Уплотнение порошка при этом обеспечивается за счет раздачи трубных элементов при соответствующем утонении их стенок. В результате анализа формоизменения была получена зависимость внутреннего диаметра капсулы от конечных размеров заготовки и плотности засыпки порошкового материала:

где с1н - расчетный внутренний диаметр капсулы, обеспечивающий заданную толщину плакировки;

На основании полученной зависимости была рассчитана исходная геометрия капсул нескольких типоразмеров корпусных деталей фонтанной арматуры от 250 до 750 мм.

С учетом указанных конструктивных особенностей были разработаны конструкции для производства следующих биметаллических корпусных деталей:

-корпус крестовика трубной головки; -корпуса задвижек ДУ 80, ДУ 100; -крышки корпусов задвижек ДУ 80, ДУ 100;

ро -исходная относительная плотность засыпки гранул; с1 к - конечный внутренний диаметр капсулы; 13 к- наружный диаметр плакировки.

-днища корпусов шлвпжск.

-фланец переходный.

-корпус дросселя;

-корпус малою крестовика.

Проведение специальных испытаний на коррозионную стойкость в условиях наводораживания покрытия из гранул сплава ЭП 741НП, нанесенного на сталь ЗОХМЛ(А) показало ею эффективность предотвращения коррозионных процессов с толщиной покрытия от 2 мм и полную защиту основного материала.

Итоги н выводы по работе:

1) При изготовлении корпусных плакированных деталей методом ГИП их конструкционные свойства определяются:

- образованием биметаллической структуры;

- залечиванием дефектов в литой структуре в результате высокотемпературной газостатической обработки (ВГО);

- деформацией литого материала.

2) В условиях ГИП биметаллических композиций из гранул никелевого сплава и материалов основы с различными соотношениями прочностных свойств (от 1/1...>10/1) возможны две схемы взаимодействия:

- при первой, происходит внедрение гранул в поверхность основы, разрушение дефектов поверхности и образование соединения с прочностью на уровне (0,9-1) о„ наименее прочного из соединяемой пары;

- при второй происходит деформация гранул о поверхность основы, что приводит к снижению свойств зоны соединения или невозможности соединения пары материалов в условиях ГИП.

Реализация первой или второй схемы зависит от исходных свойств материала, характеристик разупрочнения и схемы термосилового нагружения в процессе ГИП.

3) В процессе ГИП биметаллических корпусов происходит деформация корпуса от 5 до 30%. Комплексное воздействие ВГО и деформации позволяет повысить уровень механических свойств исходного литого материала : а„ -на 6-11 %, о» 2 -на 10-15 %, а„ -на 14-17%.

4) Для рассматриваемой комбинации «ферритная сталь -гранулы никелевого сплава» в зоне соединения образуются переходные слои, сложного химического состава, а также области характеризующиеся наличием повышенной концентрацией таких элементов как А1, О и

С, которые определяют характер разрушения комбинации в области зоны соединения со стороны стали. При этом уровень прочности соединения соответствует 1... 1,2 прочности стали.

5) При плакировании методом ГИП пустотелых толстостенных деталей возможна сложная траектория формоизменения капсулы, в том числе возвратно-поступательное движение внутреннего контура. Полученные зависимости позволяют аналитически описать процесс формоизменения и определить исходный размер заготовок. При соотношении толщины порошкового слоя к толщине внешней стенки капсулы < 0,1 уплотнение порошка происходит за счет раздачи внутренней стенки капсулы при неизменной геометрии ее внешнего контура.

6) Активное управление свойствами зоны соединения путем введения порошковых прослоек («замков») из более прочного материала позволяет создавать целиковые крупногабаритные корпусные детали из отдельных более простых и технологичных в изготовлении элементов.

7) Конструкционные и коррозионные свойства биметаллических корпусов полностью отвечают условиям эксплуатации в средах, содержащих до 25% (по объему) сероводорода и углекнелогр газа, что подтвердилось результатами натурных испытаний.

8) На основе разработанной технологии изготовлены и выпущены опытно-промышленные партии биметаллических корпусов фонтанной арматуры 10 наименований с размерами от 250 до 750 мм, массой от 25 до 800 кг, а также детали «брони» с износостойким покрытием из гранул сплава типа Стеллит. Процесс регламентирован техническими условиями и технологической инструкцией.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Казберович A.M., Великапова И.С., Ермапок М.З., Шиварнов Н.С., Шорошев Ю.Г./ Использование гранулированных материалов для производства многокомпонентных изделий/ Технология Легких Сплавов, 1998 г, №5,6,-с.89-91.

2. Великанова И,С., Ерманок М.З., Казберович A.M., Правикова Л.А., Самаров ВН./ Создание технологии производства заготовок дисков из гранулированных жаропрочных никелевых сплавов комбинации ЭП 741НГ1+ЭИ698МП для цельносварных роторов

авиационных двигателей/ Технология легких сплавов,1997 г.,№2,-с.31-34.

3. Ерманок М.З., Казберович Л.М., Рыжова П Л., Селиверстов Д.Г., Шивариов Н.С., Шорошев Ю.Г., Самаров В.П., Ли Стринлинг./Проектирование изготовление оснастки для получения порошковых никелевых крыльчаток с закрытым рабочим фактом сложной формы./ Технология легких сплавов,1997 г.,№2,-с.26-31.

4. Goloveslikin V.A., Samarov V.N., Seliverstov D.G., Kazberovitch A.M./ New Regularities of the Shape-changing of Hollow Parts During HIP/ Proceedings of 3-d International Conference on HIP-93, 1993, Osaka, Japan/ -p.281-294.

5. Kazberovitch A.M., Velikanova I.S., Ennanok M.Z, Samarov V.N./ Bimetallic Disks for Civil Aircraft Engines of New Generation/ Proceeding of 1998 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition/ 1998, Granada, Spain/ vol.4, p. 321-325.

6. Казберович A.M., Ерманок M.3., Великанова И.С./ Технологические аспекты производства дисков из комбинации дискового и свариваемого порошковых суперсплаов для получения цельносварных роторов/ Тезисы доклада на международную конференцию по современным авиационным технологиям./ 1997, г. Жуковский

7. Буславскип Л.С., Казберович А.М, Катуков С.А./Исследование формоизменения капсул с различной толщиной стенки/ тезисы доклада на конференцию «Металлургия гранул-П»/ Москва, ВИЛСМ987 г-с.273. (ДСП).