автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Оценка долговечности материалов при ударно-абразивном изнашивании по показателю акустической эмиссии

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОШИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ НЕСТИ И ГАЭЛ ИМЕНИ АКАДЕМИКА И. М. ГУБКИНА

На права:-: рукописи УДК 621. 831: 520. 179. 16

Кондратов Алексей Васильевич

ОПЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УДАРНО-АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ ПО ПОКАЗАТЕЛЮ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ.

Специальность 05.02. 04 - Тренде и изксс з машинах.

Автореферат

л-ссертации ка соискание у"е.чсй степени кандидата гехкичесхлх наук

Москва, 1993г.

-У 7 /и / ' -

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени академии нефти и газа имени академика К. М. Губкина.

Научные руководители -

доктор технических наук, профессор Виноградов Е. Н. доктор технических наук, профессор Лившиц Л С.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Браун Э. Д. кандидат технических наук, доцент ¡'антимиров Б. М.

Ведущее предприятие - производственное объединение

по добыче кефги и газа "Сургутнефтегаз"

Защита диссертации состоится "ZS" ^(Х-Ф 1993г. в /-Ь час е аудиторш? ff'/f на заседании специализированного совета Д. 053. 27.03 при Государственной ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени академии нефти к газа имени академика К. !¿ Губкина по адресу.

117917, ГСП-1, Ыосква, Ленински; пр-т, 65.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Академии. Автореферат разослан "Л/" ¿jipe+s-? 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических каук

3. С. Гикзбуог

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В обпей проблеме повышения надежности и долговечности мзаин большое значение имеет износостойкость, так как 80-90% их отказов происходит по причине износа.

Ударно-абразивное и ударно-усталостное изнашивание деталей являются одними из причин, лимитирующих срок слу:*0ы многих видоз оборудования. Такому виду разрушения подвержены элементы бурового инструмента, рабочие органы строительных и дороккых мазин, детали помольного оборудования и др.

Сложность процессов, происходящих г:контактных взаимодействиях твердых тел в условиях внешнего трг-ния и приводящее к разрушению поверхностей, не позволяет создать универсальную теорию для описания всех явлений при трении. Поэтому экспериментальные исследования, Бкличазоцие лабораторные, стендовые, натурные и другие виды испытаний, являются основным видом исследований в трибологии.

Разработаны многочисленные методики испытаний и создано большое количество оригинальных установок и стендов, в широком диапазон? воспроизводящее условия работа различных элементов оборудования. Как правило, испытания на изнашивание Еесьма трудоемки и требуют значительных затрат времени.

В большинстве случаев оценкой интенсивности разрушения материалов при ударном изнашивании служит потеря массы образцов испытываемых материалов. В тоне время, для изнашивания при ударе, когда определяющими являются полидеформационные процессы, изменяющие структуру и свойства материалов и зачастую приводящие к потере работоспособности детали без потери массы, весовая оценка износа невсегда является объективной характеристикой. Несмотря на больсой объем исследований изнашивания при ударе, остается неясным механизм взаимодействия в системе испытызаемки материал - абразив -контртело, что ке позволяет установить истинную картину разрушения детали. '

Лучшие результаты в этом направлении показывает применение трибодиагкостики, как совокупности методов и средств непрерывного контроля состояния фрикционных параметров деталей и узлов ма'лин.

Среди большого разнообразия методов трибодиагностики особое

Ениманиэ заслуживает акустический, основанный на регистрации и измерении параметров акустических колебаний, возникающих при взаимодействии поверхностей. Достоинствами этого метода являются безы-нерционкость по отношению к процессу фрикционного взаимодействия, воз мо гУ. о с т ь применения универсальной высокоточной аппаратуры и наличие хорошо апробированной теории обработки сигналов.

Получение непрерывной оперативной информации о поведении материалов непосредственно в процессе изнашивания позволяет отказаться от проведения длительных и трудоемких испытаний с оценкой износа по потере массы образца. Поскольку для услоЕИй ударно-абразивного и ударно-усталостного изнашивания исследования взаимосвязи характеристик разрушения и параметров акустической эмиссии (АЭ) не лроЕодились, представляется весьма актуальным изучить возможность применения АЗ-методоз исследования для оценки интенсивности изнашивания при ударе.

Доль работы. Разработка метода оценки триботехкическкх характеристик изнашивания при ударе с помощью эффекта акустической эмиссии.

Оскошые задачи, рэпаень-'э в работе.

1. Разработка лабораторной установки для испытания материалов на изнашивание при ударе, позволяющей снимать сигнал АЭ элементов системы образец-абразив-коктргело.

£. Создание приборного комплекса и разработка методики оценки триботехнических характеристик с использованием эффекта акустической эмиссии.

3. Проведение экспериментальных исследований изнашивания материалов при ударе с использованием контроля параметров акустической эмиссии.

4. Разработка акустозмиссиокногс показателя работоспособности материалов в условиях изнашивания при ударе в системе образец-аб-разиз- контртело.

5. Разработка практических рекомендаций по повышению долговечности деталей оборудования, работающего в условиях изнашивания при ударе.

6. Опытно-промышленная проверка разработанных рекомендаций.

Научная новизна.

1. Разработан приборный комплекс для оценки сигналов АЭ, сопровождающих изнашивание сталей при ударно-усталс-стном и ударно-абразивном изнашивании.

2. Разработана методика испытаний й построена корреляционная номограмма, позволяющие проводить оценку износостойкости различных материалов по интенсивности АЭ.

3. Установлено, что показатель АЭ полностью характеризует процесс изнашивания сталей при указанном виде разрушения и могет использоваться как самостоятельный критерий износостойкости. Достоинством этого метода оценки износостойкости является то, что он позволяет осуществлять непрерывный контроль за процессом изнашивания и значительно сокращает длительность испытаний за счет исключения необходимости контролировать износ образцов.

4. Испытания материалов различного химического состава с различным принципом упрочнения а различном фазовом состоянии, а также испытания чугуна, меди и титана показали однозначность параметра .43 как критерия износостойкости.

Практическая ценность.

Результаты выполненных экспериментальных исследований позволили установить критерии выбора материалов по показатели АЭ и принципы конструктивного исполнения узлов машин, подверйэнных из-нашлванию при ударе, на основании которых создана конструкция клапанного узла сгааяшных зтанговых насосов, показанная в промьллен-ных испытаниях увеличение долговечности з 1,3 - 1,8 раза по сравнении с серийной.

Апробация работы. Основные положения работы лолоу.ены на сле-дуищих конференциях и семинарах:

1. XVIII научно-техническая/-конференция молодьученых и специалистов ЕНИИБТ, Москва, 1987 г.

2. Заседание технического Совета Миннефтепрсма СССР. Москза, 1983 г.

~3. Заседание отраслевого координационного Совета (СКС)

"КеФть". Москва, 1983 г.

4. Научно-техническая конференция "Проблемы повышения износостойкости газонефтепромыслового оборудования". Косква, 1988 г.

5. Научно-техническая конференция "Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций". г.Рыбинск, 1989 г.

6. Семинар кафедры "Износостойкость машин и оборудования и технология конструкционных материалов". ГАНГ им. Я М. Губкина. Москва, 1932 г.

7. Заседание меккафедрального семинара "Трение к кзкос в машинах" ГАНГ км. ',1 V.. Губкина. Москва, 1933 г.

Публксашм. По результатам, исследований опубликовано 3 научных статьи г; получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Струстура и сбъзи работы. Диссертация состоит иг ЕЕедения, пяти глав, зкбодое, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 3 таблицы, 134 наименования литературных, источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во-гвздешз! дается обоснование актуальности диссертационной работы и изложено ее краткое содержание.

В перетй главе приведен анализ исследований в области изучения процессов изнашивания при ударе. Рассмотрены основные закономерности явления и критерии износостойкости материалов б условиях ударно-абразивного изнашивания. Описаны существующие методы испытаний материалов на износ, обоснована необходимость применения современны}: средств трибсдиагкостики и проанализированы теоретические аспекты метода АЗ.

Интенсивность изнашивания при динамическом взаимодействии с '-абразивом определяется величиной внешних нагружающих параметров. К ним откосятся: энергия удара, определяемая скоростью ударного взаимодействия тел и их массой; геометрия контакта соударяющихся тел: частота ударного взаимодействия; вид, свойства, размеры частиц абразива и степень его закрепленности.

С другой стороны, интенсивность ударно-абразивного изнашивания определяется комплексом физико-механических свойств изнашиваемого материала. Многочисленными исследованиями установлено, что' при ударе по абразиву износостойкость не является функцией какой-либо одной механической характеристики материала, например, твердости, а если такая зависимость существует, то выполняется она в довольно узких границах, определяемых конкретными условиями взаимодействия тел.

В качестве критерия износостойкости при ударе по абразиву предлагалось в разное время использовать сопротивление срезу, относительную глубину пластической деформации, энергоемкость пластической деформации и произведение предела прочности при растяжении на относительное сужение. Однако применение этих критериев дает хорошие результаты лишь при абразивном изнашивании по схеме скольде-ния. Для условий ударно-абразивного изнашивания их использование не столь эффективно.

Кроме того, большинство общепринятых характеристик прочностных и пластических свойств материалов непркшниш для поверхностно-упрочненных материалов, получивших наибольшее распространение з узлах машин, подверженных ударно-абразивно,¡у изнашиванию.

Очевидно, необходима разработка некоторой характеристики, учитывающей комплекс физико-механических свойств материала и позволяющей оценивать его износостойкость в возможно более широком диапазоне внешних условий.

В качестве такой характеристики могут выступать количественные и качественные параметры акустического излучения (эмиссии).

Акустическая диагностика получила распространение как метод неразрушающего контроля различных материалов и конструкций, а также как тонкий физический метод исследования кинетических закономерностей процессов деформации и разрушения.

Акустическая эмиссия представляет собой явление излучения волн от воздействия напряжений в твердом теле, происходящие при протекании каких-либо внутренних процессоз и высвобождении при этом энергии.

Часть этой волновой энергии связана с упругой деформацией, которая распространяется в теле и может быть обнаружена на его поверхности с помощью чувствительных датчиков. АЭ возникает при быс-

- е. -

тром ЕысвоСЮлдень; упругой энергии, запасенной кристаллической решеткой, при ее разрушении. Величина этой энергии зависит от механизма л-4.;рмации или разрушения, спектр излучения лежит г широких пределах частое - десятки кГц - десятки МГц. Метод АЗ дает возможность исследовать разнообразные процессы, такие, как движение лис--локаиий. фазовые переходы, двойникование. зарождение и рост микротрещин.

Предполагается, что процессы изнашивания ( г том числе и при ударном взаимодействии). основой которых являются пластическая деформация, изменение структуры металлов, дислокационные процессы и другие, могут бьгть исследованы и оценены с помощью метода АЗ.

В подавляющем большинстве испытаний износ определяют по потере массы образца, однако при ударно-абразивном и ударко-усталост-ном изнашивании этот показатель не всегда отражает реальную износостойкость материала; применение методов АЭ-диагностики позволяет устранить зтот недостаток благодаря получению информации о процессе изнашивания, а не о его результате, выраженном через интегральную характеристику, каковой яЕляется потеря массы.

Анализ существующих схеы испытаний и конструкций лабораторных установок выявил необходимость разработо: специального оборудования с расширенными возможностями с точки зрения реализации различны:': схем кагруженил в одной установке.

Основным методом исследований был принят экспериментальный.

Во второй главе описывается конструкция лабораторной установки для испытаний на изнашивание при ударе и приборный комплекс для, регистр-гили и измерения параметров АЭ. Приведена методика оценки триботехнических характеристик материалов по параметрам АЭ и рассмотрены общие вопросы методики проведения экспериментов.

оЗ; основу при разработке лабораторной установи: была взята конструкция гравитационного типа, созданная в ГАНГ им. К. М. Губки-ка. С целью приблизить условия испытаний к реальным, характерным для работы деталей бурового, лородоразрушающего, нефтепромыслового и другого оборудования и инструмента, работающих в условиях ударно-абразивного изнаЕНвакия с проскальзызанием. установка была дополнена устройством, формирующим абразивную прослойку заданной толщины с высокой точностью, благодаря чему становится возможным

опслнить известные зависимости износостойкости материале.-) от тол-ины слоя абразиЕа.

Стационарный стол наковальни заменен оригинальным узлом рис.1), в котором наковальня (коктртело) закрепляется на подвигом подпружиненном штоке, расположенном под утлом к оси образца и меюшем возможность смещаться при ударе. Изменением углового поло-ения штока и жесткости прунины задается величина проскальзывания бразцев. В случае необходимости шток с контр-телом мо:-.-:т быть закуплен неподнизко.

Модернизация установки позволила сделат; ее г значительной ере универсальной и пригодной для проведения ¡пи~ ::-:огс класса ис-атаний на изнашивание: ударно-усталостных, уд.зрн:-г5разивных, с роскальзывнием к без него, в широком диапазоне ударных нагрузок и возможностью демпфирования ударов.

Для реализации метода оценки износостойкости по параметрам АЗ ыл создан лабораторный комплекс, включатагий в себя описанную ус-аковку и блок -электронно-измерительной аппаратуры. В измерительна схему входят пьезоэлектрические датчики, дифференциальный уси-итель, фильтры верхних и иихних частот, детектор. злектрон-з-счетный частотомер и контрольный осциллограф.

Датчики закрепляются на опрагках образна и :-".-:тртсла через лециальные переходники.

В качестве информационного параметра, регистрируемого в кспы-аниях, была выбрана интенсивность потока АЗ, вуракенная через исло импульсов АЭ за один акт ударного взаимодействия. В исследз-аниях процессов деформации и разрушения маториаяог с применением кустической диагностики зтот параметр используется наиболее чзе-о. При отработке методик;! испытаний фиксировали ка-: число импуль-02 за единичный удар (в этом случае уместно применять термин плотность импульсов" или "плотность АЭ" или "интенсивность АЗ"), ак и общее количество импульсов за время испытан;;.-.

Наличие в созданном испытательном комплексе аппаратуры длч егистрации колебаний, распространяющихся в систем-; образец-контг*-ело, позволило решить важную методическую задачу ■ сократить пе-иод приработки образцов за счет точной ориентации рабочих повер-ностей перед испытанием. Способ установки образ::-:?, заключается с ледукжем. Пьезодатчик, расположенный г оправке ?-•;:-:т;.-.:а на про-

г. шпиндель-бмк ?. кулдчок и. ш

з.сиснние ГРУЗЫ В КОИТРШО !3. ы/нхег С ДБГАЭИВОИ

ь держатель а шток дозатор

£.05РА$ец Ю.ПРУХИНЯ 15.ГЯЙКЯ

Рис. I Принципиальная схема устройства для испытания материалов на ударно-абразивный износ.

доллении оси образца, возбуждается на резонансной частоте сигналом внешнего генератора и является излучателем и приемником ультразвуковых сигналов одновременно. Суперпозиция лрлмсго и отраженного от поверхности контакта сигналов наблюдается на экране осциллографа. Поворотом штока относительно горизонтальной оси добивайся такого положения контртела, при котором плокадь изображения жнимальна.

Следует отметить, что контролируемая установка образцов перед испытанием привела таю™ к значительному уменьшения разброса результатов испытаний.

Задача установления корреляции износостойкости и параметров АЭ определила общую методику проводимых ькспери.ментоз.

В процессе испытаний ка изнашивание через равнее промежутки Бремени (или число ударов) определялся изнее образцов по потере ими массы и фиксировалось общее количество импульсов АЭ. Взвешивание производили на аналитических весах с ценой деления 0,1 мг. Образцы исследуем!« материалов имели форму цилиндров диаметром 10 мм и длиной 20 мм.

В качестве абразива использовался кварцевый ~есок Люберецкого карьера, предварительно высушенный и фракционированный, со средним размером зерен 0,265 мм.

Отработка методики испытаний проводилась на образцах из стали 45, закаленных и отпущенных при различных температура'-. Была установлена максимальная энергия удара, при которой не наблюдается расклепывание торца образца. Все дальнейшее испытания провсдились при энергии удара '1,2 Дт„

Длина пути скольжения в экспериментах на игнаелганне пои ударе с проскальзыванием составляла 1.5 мм.

Методические опыты показали, что увеличение продолжительности испнганил до 6000 ударов сопровождается линейным ростом как износа, так и параметра АЭ {рис. 2). При этом ;аяэ на пергой тысяче ударов не обнаруживается злияние периода приработки, что свидетельствует о высокой эффективности метода установки образцов. В последующих экспериментах продолжительность испытаний мекду замерами износа составляла 1000 ударов (при меньшем числе ударов величина износа становится соизмеримой с точностью взвеивания).

Экспериментальные точки на графиках представляют собой средние значения результатов параллельных опытов, количество которых опре-

делялось г: условий получения 5'1-ой точности эксперимента при 95%-ой дое-; и-гльной вероятности.

В третьей главе дано обскование выбора материалов для испытаний к приведены результаты исследований износостойкости и параметра АЭ для сталей различны"/ составов и структурных классов, материалов для износостойких покрытий, а также чугуна и некоторых чистых металлов.

Многообрая-.-Е- условии эксплуатации деталей нефтегазового оборудования и методическая задача по установлению области использования метода АЭ определили необходимость Еыборэ для испытаний весьма широкого крута различных по свойства),! материалов.

Таким образом, в экспериментах испытывались образцы из следующих сталей: 45. У8, XIЕМ, 95X18, 30X13, 110Г13Л.' Учитывая тот факт, что структурно-фазовое состояние указанных сталей определяется термообработкой, закаленные образцы подвергались отпуску при различных температурах; общее число вариантов механических свойств стальных образцов составляло, таким образом, 2?. Были исследованы стали в ф~рритном, сорбитном, тросститном и мартенситном состоянии основы.

Сопоставлен;^ '.^алей 45 и "8 дало возможность выявить роль количества углерода в мартенсите и количества карбидов цементитко-го типа в ¿«р.ыпе, а отазей УЗ, &'5Х18 и Х12М - влияние природы карбидов (цементита и карбидов легирующих элементов) на износостойкость и параметры АЗ.

Количество цементита варьировалось е пироких пределах и доходило до \?Л п: объему ь стели УЗ.

Учитывая гс. что и- твердая основа упрочняется легированием, была исследована высоксхромистая срсдкеуглеродкстая сталь 30X13.

Больеой интерес представляло изучение высохоуглегодистых хромистых сталей 95X18 и XI2М, в которых соотношение цементита, легированных карбидов к легированной хромок («Г-фаз и можно регулировать с помоец-.ьс термообработки.

Определение влияния основы осуществлялось на примере перлита в стали УЗ и марганцовистого аустенита в стали 11СПЗЛ.

Для изучения природы разрувенин контрастных по прочности и плаоткч-'екпм свойствам металлов были исследованы хиютески чистые

медь и титан, а таюда серый чугун СЧ-21. Зто было сделано такле с целью выявления связи между кристаллической структурой, износостойкостью и показателем ЛЭ.

Для меди (ГЦЮ характерно увеличение прочности, твердости и упругости при сииденки пластичности в процессе холодной пластической деформации. Отличительными особенностями титана (гексагональная ресетка) являются высокие механические свойства, малая плотность, высокая прочность, хорошее сочетание прочности и пластичности.

Зз многих отраслях промышленности для повышения долговечности издеД'/Ш аироко применяются износостойкие покрытия рабочих поверхностен деталей. Рациональный выбор таких покрытий в ззенснмссти от условий эксплуатации предопределяет не только повторное использование детали, но во шюгих случаях и увеличение ее работоспособности по сравнении с заводской. Поэтому изучение поведения наплав-лонного металла з условиях ударно-абразивного изнашивания и связанного с ним эффекта АЗ представляет особый интерес.

Широкое применение за рубегшм и в нашей стране получили нал-лазочнне гранулированные пороаки из сплавов на никелевой, кобальтовой и железной основе, износостойкие сплавы с боридним и ¡сарСо-борих'кым упрочнением системы М1-Сг-31-8 (ПГ-С? и др.).

Большинство сплавов этой системы являются многоцелевым! и могут быть рекомендованы для сложных Форм изнашивания, когда, например, высокие контактные нагрузки сочетаются с абразивным действием частиц и кавитаниеи.

Износсстойкив покрытия наносили на образцу плазменной наплавкой на установке 0КС-П19". Испытания проводились при энергии удара 1.2 Да.

Проведенные эксперименты со сталями различного принципа упрочнения (с мартенсмнкм к мартенситно-карбизным упрочнением) покради полную корреляцию параметра АЭ и износа при изменении температуры отпуска и, соответственно, твердости указанных сталей. Наиболее отчетливо соответствие плотности сигналов АЗ и интенсивности изнашивания мойбо наблюдать на графиках зависимости износа и параметра АЗ от твердости испытанных сталей, приведенных на рис.:?.

Деформационно-упрочняюзиеся материалы в эксперименте были представлена сталью 110Г13Л. Высокая износостойкость это;': стали для ряда случаев объясняется упрочнением поверхностных слоев при

Рис. 2 Зависимость износа а) и параметра АЭ б) от продолжительности испытаний стали 45 с различными

режимами термообработки.

-VI

$50

& зж

«v»

5 Д07. г.93 г.аа 2,57. 233

гло

/ 45

2. УЗ

3. йу.Ш

■5. 20X13 ¡. хам

ЕЧ,2Дж

г,п.

>п Юв.

О

>/,87.

!,Б0, //•л

Ш.

№. 1,07. «55

2. УЛ 5. 95т 4. 30X15 Л Х,'2М

Енгдж

Ос>; 1ВЗ Д17^21 5,05 5,89 7,5& НУ,МПа

0,8'г 1,51 1,05 5.Й9 £.7-', 7,58-10* НУ,

Рис. 3 Зависимость износа а) и параметра АЭ й) сталей различного принципа упрочнения.

<1 у.

4

их деформации; повышение твердости вызвано повышением плотности дислокаций в поверхностном слое, а так« наличием значительного количества двойников деформации и дефектов упаковки.

Отличительной особенностью стати 110Г13Л является то, что при интенсивной пластической деформации она не претерпевает мартенсит-ного преграждения, но в то ке время наблюдается чрезвычайно высокий •уровень наклепа марганцовистого аустекита. Пс-сл- зака»ки сталь имеет нкгкуи твердость лорядга 2000 МПа и еысскуи зязкость; г процессе ударного воздействия твердость поверхности повышается до 6СС0 МПа.

Несмотря ка существующие отличия з твердости рассматриваемы:-: сталей (2720 МЯа у стали У8 и 2250 МПа у ПОПЕЛ) в исходном состоянии, что связано с различием в структурно-фазовом состоянии этих материалов, значения износа у них близки. По сравнению со сравнительно стабильной структурой стати У8, аустенитная сталь 110Г13Л имеет существенный резерв в износостойкости, связанный с запасом пластичности, энергоемкостью и способностью к упрочнению.

Сравнение зависимостей износа и АЭ е данном случае является убедительным подтверждением высокой чувствительности АЭ-диагностики: если разница в абсолютных значениях износа слабо отличима друг от друга (износ образцов из стата У8 - 3,4 х 10V, из стати 110Г13Л - 3,14 х Ю'*г), то значения АЭ существенно разнятся (для стали У8 - 1803 х 102, для 110Г13Л - 1658 х 10*).

Основной целью испытаний на износостойкость образцоз из меди, титана и чугуна было установить соответствие значений износа и интенсивности АЭ. Результаты экспериментов показали корреляцию зтих параметров, что хорошо соотносится с данными предшествующих опытов.

оценке износостойкости наплавок в качестве базы сравнения использовали данные, полученные на образцах из стали 45 после закатки и низкого отпуска Наивысшую износостойкость при ударно-абразивном изнашивании показал наплавленный слой из порезка ПГ-12К ка никелевой основе. В тоже время,-'композиции порсикоз самофлюсуших-ся сплавов с карбидами хрома не дали ожидаемых результатов вследствие перенасыщенности карбидной фазой к недостаточного количества вязкой ос-ковы, что привело к повышенной хрупкости ка границах зерен. Зто выразилось в сильном охрупчивакии наплавок и значительном

их разрушении при внедрении в поверхность абразивных частиц.

Результаты испытаний наплавочных материалов при ударно-абразивном изнашивании также показали высокую эффективность применения метода измерения характеристик АЭ в подобные: экспериментах. При всем многообразии испытанных наплавочных материалов не наблюдается отклонения корреляции износа и АЭ. Это позволяет сделать еызод о том. что метод АЭ пригоден не только для оценки износостойкости монолитных материалов, но и для оценки износостойкости упрочненных поверхностных слоев.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов дагат основание утверждать, что параметр АЭ можно использовать как гесьма чувствительную характеристику износостойкости самых разнообразных материалов, применяемых в условиях ударно-абразивного накаливания, независимо от их природы, кристаллического строения и структурно-фазового состояния.

В четвертой главе предлагается объяснение взаимосвязи механизма разрушения материалов при ударно-абразивном изнашивании к параметров АЭ; обосновано применение параметров ЛЭ в качестве показателя износостойкости материалов при ударно-абразивно!.; изнашивании; дается краткое обобщение результатов работы и практические рекомендации.

Общепринято представление механизма разрушения материалов при ударно-абразивном воздействии как полидеформационногс! процессе;, связанного с многократным пластическим передеформированием микрео-бъемоь металла и хрупким отделением частиц после исчерпания запаса пластичности.

Предполагается, что возникновение АЭ имеет прямое отношение к процессам, сопровождающим пластическую деформации, таким, как зарождение, движение и накопление дислокаций. Интенсивность, продолжительность, спектральный состав акустического излучения определяется состоянием кристаллической решетки, дефектами структуры, условиями деформирования. Можно предположить, что всякое нарущение атомных связей приводит к локальным экеогетическиы изменениям, которые сопровождаются возникновением импульсов АЭ.

На основе полученных экспериментальных данных, з та:«:е известной зависимости прочности материала от плотности дефектов его

кристаллической решетки (принцип Одинга), предлагается схема взаимосвязи плотности дислокаций, уровня акустической эмиссии и износа материалов при ударно-абразивном и абразивном изнашивании (рис. 4).

Поскольку во всех испытанных било получено полное подобие зависим-: стей и:носа к плотности импульсов АЗ, оси износа и параметра АЭ на диаграмме совмещены.

Ка начальном участке кривой (отрезок ОА) параметр АЗ и износ с увеличением плотности дислокаций будут возрастать до определенного предела {точки А';, поскольку процесс пластической деформации всилу малого количества дефектов не затруднен; отсутствие препятствий на пут;: двктсния дислокаций приводит к существенной пластической деформации и, следовательно, сопровождается актнзным ростом АЗ.

Однако, с достку-еяием плотности дислокаций вьше определенного предела (точки А), дислокацга начинают мешать двикенкю друг друга, и пр-оцесс пластического течения затрудняется, количество разрывов меяг-омных связей сокращается и, соответственно, уменьшается ин-.тенсивностг АЭ и уменьшается износ. Судя по всему, при трении бег ударсз зависимость АЭ л взноса от плотности дислокаций будет идти именно таким образом, поскольку критерием износостойкости в этом случае является твердость материалов (участок кривой АВ).При этоь: виде изнашивания преобладает разрушение с последовательным разрывом ме>.асо>/ных связей при пластической деформации.

Однако с появлением ударных нагрузок начинает проявляться хрупкие свойства материалов. Наряду с единичны)« сигналами от разрыв г. мекатсмных связей при пластической деформацкийудут наблюдаться групповые сигналы АЭ от хрупкого разрушения, когда имеет место отркв чаетг-сц металла по иелъш атомным плоскостям, и наклон участка завис;:- . мост;: АС уменьшится.

При дальнейшем увеличении энергии удара хрупкость начинает преобладать над прочностью и кривая вначале будет вкполаяггаться, а затем при дальнейшем увеличении энергии ударов пойдет Еверх, так как начинается лавинное групповое разрушение с массовым взрывом мекатомных связей, зхекутде'е за собой резкое увеличение плотности импульсов АЗ (участок гагисимоети А??..

Корреляция значений износа и АЗ, полученная по всех зкспери-менгах, дает возможность обобщать результаты испытаний е виде за-

Рис. 4 Схема взаимосвязи уровня сигналов АЗ и

износа от плотности дислокаций при ударно-абразивном я абразивном изнашивании.

висимости износа от параметра АЗ (рис. 5). Зависимость носит линейный характер, причем разброс в полосе составляет не более 16". Принимая во внимание пгирокий спектр механических сеойотв, кристаллического строения и структурно-фазового состояния испытанных материалов, точность соответствия параметра АЭ износу следует считать вполне приемлемой.

Таким образом, очевидна возможность опенки износостойкости материалов по параметрам акустической эмиссии. Учитывая тот факт, что метод АЗ позволяет осуществлять непрерывный контроль изнашивания и что пригодные для оценки результаты получается в этом случае значительно быстрее, чем данные линейного или весового износа, метод регистрации сигналов АЗ целесообразно применять в широкой практике лабораторных испытаний на ударно-абразивное изнашивание.

В обдам случае определявшее влияние на износостойкость к интенсивность АЗ оказывает структурно-фазовое состояние материалов. Износостойкость материала может регулироваться путем изменения количества, свойств и характеристик твердых и вязких фазовых составляющих в стали, предопределявших ту или иную степень подвижности дислокаций при пластической деформации и, соответственно, определенный уровень сигналов АЗ от разрушения.

Присутствие дисперсных и твердых частиц Бторой фаны приводит к торможен;!» движения дислокаций. Чем меньше расстояние меяду твердь:.1.® карбидными частицами в мягкой к-рритной матрице, тем эффективнее торможение дислокаций и выше износостойкость стали. Это определяет различное сопротивление деформированию ферритокарбидной смеси в зависимости от распределения и размеров карбидных частиц в феррите.

С увеличением размера карбидов способность к тормсяенкс дислокаций падает, что вызывает повышение плотности импульсов АЗ при изнашивании.

В то к= время чрезмерное увеличение карбидов у зазвтектоидннх и высоколегированных старей, особенно при наличии карбидной неоднородности, повышает хрупкость материала и уменьшает запас его пластичности, что, по-видимому, связано с меньшим запасом пространства для зарождения и перемещения дислокаций. Это сопровогщает-ся повышением уровня сигналов АЗ от хрупкого разрушения.

Очевидно, строение основы до.тао бьть таким, чтобы сохранялось хорошее закрепление карбидных частиц при соответствующей вяз-

40

15 D - 95XÍ3 o-is и - СЧ-2/ в 'Си К-Ti s -norm Œ -SOXiS ñrXUH

10 A

/

25 A /

Г- 1

го / /

/ / / r

/5 /

/

ю / 1 /

/ /

i л /

5

Ж № L — —- — —

гсо 250 IDO 550 WJ <.50 4-l.iní

Pue. 5 Зависимость параметров

фрагмент I, увеличено

4.S

t

»

)

: je л *

¡ß

2.2

le

/. i s ззка.ка * но г. х/зфим

i. ¡O PS Mí

НГЗЖПРЗ 5. H7CX17C4P4 S. ПГ-ßH ?. SXH-2S i. к mis ups *-го%ххн

А

Л<г —"if

,/L

IF

iZ.

aS\

Л-

t

/4

о

cS

ïffl

©

© DJ»

И

¡oo /го /40 wo /so 2ûo газ zw

АЭ-ю3

износе и АЭ испытанных материалов.

ксотк и износостойкости. Аустенит е лучшей степени закрепляет V. удерхивает твердые образования карбидов, боридов и др. , чем феррит.

Наилучшей основой металла для работы ь условиях ударно-абра зп?:-:ого нагрузкения является смесь зустенита с мартенситом. При зт:-м. б зависимости от наличия и энергии ударны»: составляющих при изнашивании и работе детали, количество аустенита и мартенсите, дсл-кно быть различным. Чем больше значение ударных составляющих, тем больше в сплав? должно быть аустенита. Проведенными исследованиями установлено, что количество углерода в мартенсите меньше влияет на износостойкость, чем количество карбидов в стали.

Кроме того, необходимо учитывать степень упрочнения мартенсита дисперсной фазой, что позволяет одновременно повысить сопротивление пластической деформации и хрупкому разрушению за счет лучших условий для развит!-:." и торможения дислокаций. Также сяедует учитывать, что свойства мартенсита могу!' быть улучшены термической обработкой. В интервале температур умеренного отпуска мэгно регулировать степень нзравнсвескости У-<Ьазк и, соответственно, износостойкость.

Требования по рациональному соотношению фазовых составляющих дол>:-:ы учитываться как при выборе монолитных материалов, так и при подборе или создании материалов для поверхностного упрочнения. Та:-:, например, наплавочный материал ПГ-12И. относяикйся к. системе К1-Сг-В, имеет трехфазную структуру, состоящую из -твердого ргс-тгтра к& ос:-:сгс- Кь Наличие в сплаве утлерола способствует образованию слэйшх карбидов типз Сг. Сь и Ме,,С6. С частью хрома углерод образует карбид, который вместе с бсригамп выделяется в гид? дисперсной крйсгаллическй фазы и значительно повышает износостойкость наплавленного слоя.

Возможен друга?- путь повьсгкия долговечности деталей, работают: при ударно-абразивном воздействия - снижением уровня пластической деформации сопряженных деталек. В специальной серн'-; экспериментов было иселгдовано влияние демлфироьзчнй контртела на износ образцов к."-стали 45 с разной температурой отпуске, (рис. б). £емфи-осеание о:'.у;ествлялз:-ь за счет ската?, прувики при перемещении штока о копгртелом (см. рис. 1}: часть энергии удага при отсм расходует-

ся на сжатие пружины и уменьшается энергия, вызывающая разрушение материала.

В пятой главе проанализирована работа клапанного узла скаа-жинкого штангового насоса,.описаны методика и результаты стендовых испытаний клапанов. Приведены конструкция модернизированного клапанного узла и результаты промысловых испытаний упрочненных клапа-Н0Б.

Частным примером использования разработанных в диссертации положений к рекомендаций является модернизация клапанного узла скважинного штангового насоса (СШ. [йангоЕый насос содержит два шариковых клапана, износ которых приводит к падению коэффициента подачи насоса и требует поднятия на поверхность скважины плунжера или даже самого насоса для проведения ремонта. Отказ клапанов является одной из сановных причин выхода из строя СШН на скважинах с большим содержанием песка; срок их службы составляет при атом менее S0 суток. ..... -

Анализ многочисленных промысловых данных позволил определить характерные виды изнашивания клапанных уалов и доминирующий среди них - изнашивание при ударе с проскальзыванием в жидкой среде, содержащей абразив.

Седла клапанов изготавливают из сталей 30X13, 95X18 с последующей термической обработкой на твердость Н£С 40-45; из твердогс сплава ЕК6-В или ВК15 (седла целиком или е виде колец, запрессованных в стальной корпус); а также спеканием из порошка KXHí-15 i ПХ17Ш.

Шары клапанных узлов всех исполнений изготавливает из стал! 95X18, подвергнутой термической обработке на твердость 53-52 Нг.С.

Поскольку твердость шара значительно выше, чем твердость сед< ла, то в процессе работы деформируется в основном седло клапана шар же почти не испытывает деформации. Однако при разборке подня тых для ремонта насосов встречаются гсары и седла клапанов, раско лотые на две и более части. Зто можно объяснить чрезмерными удар ными нагрузками, возникающими при нарушении режима эксплуатали скважин, когда гидравлический режим работы насоса переходит пнезмо-гидравлический с более жесткой динамикой.

Для проверки результатов лабораторных испытаний материалов г

1зносостойг.ость и отработки конструкции клапанного узла был создан !спьггательн№"! стенд на базе установки с электромагнитным приводом 'дарника. Стенд обеспечивает многократное свободное соударение шара : седлом клапана при протекании чэрез клапанную пару воды с объем-гай концентрацией кварцевого песка 3".

Режимы испытаний выбирались из условия соответствия механизма [вкашивания реальному; соответствие определялось по фрактсграммам 'зношенных поверхностей. Испытания проводились при энергии удара 1 ¡к; использовались стандартные шары СШН с диаметром плунжера 44 мм.

качестве эталонных были приняты седла из стати 30X13. Кзносос-■ойкие покрытия наносили на седла методом плазменной наплавки.

По результатам стендовых испытаний наилучшую износостойкость 'оказали материалы Х13®КМ, ПГ-СР-4 и ЕХМ-23. Эти материаты облада-гг хорокей прирабатываемостью, сохраняя необходимое сочетание Еердости и износостойкости с высокой ударостойкостью. Такой комп-:екс свойств обеспечивается благоприятным структурно-фззовым сос-авом наплавочного металла с содержанием 50-60% мартенсита, 15-20% устенита к 20-35% упрочшюцей карбидной фазы.

Материалы ЛГ-СР-5 и 10Р6М5 показали меньшую износостойкость следствие вьясвадшвакия частщ металла с поверхности изнашивания з-за высокой твердости наплавленного слоя.

Промысловые испытания клапанов с седлам-:, каплазленными по-ошками ПГ-12Н и Х18ФНМ, проводили на месторождении "Байчунас" ГЛУ "ЛоссорнеФт-ь" ПО "ЗмЗанефть", на котором добывается нефть с ольод'.м содержанием воды и песка. Опытные седла показали увеличена долговечности в 1,3-1,3 раза, что обеспечило плановый зкономи-еский эффект свыше 303 тыс. рублей в иенах 1991 года.

Дополнительная бозмокность значительно снизить износ деталей рп соударении за счет демпфирования одной чз них явилась основой ля разработки оригинальной конструкции ¡лапанного узла СШН рис. 7";.

г отличие от стандартного, седло клапана 3 устанавливается с Еумя резиновыми уплотнителькыми элементами 1 и 2, которые позво-яют седлу перемешаться в небольших предела: относительно основа::.- 4 к клетки 5. При спускании шара на седло нижнее кольцо 2 уп-уго снимается, поглощая часть энергии удара, а верхнее кольцо 1 зсширяетск, компенсируя увеличение зазора мегкду седлом и клеткой.

074-(47г?! 2$5 ¡¡¿3 4,42 5.15 . 5,29 -Ю* Тога °С

9,Г/. 7,50 гЬ 5.33 4./Я 2,50. 0,33

г)

2.55 З.ИЗ 4.42 5,1$ 5М9-Ю'уот

Рис. 6 Зависимость износа а) и параметра АЗ б) стали 45 от температуры отпуска при ударе по подпружиненному контртелу.

Для нормальной работы узла необходимо начальное сжатие пакета из дбут колец и седла на величину, равную максимальному расчетному смешению седла при ударе.

Данная конструкция позволяет снизить энергию, уходящую на разрушение элементов системы, что, по многочисленным оценкам, оказывает определявшее влияние на износ при ударе. Кроме того, уплот-нителькые элементы обеспечивают герметичность седла в месте его закрепления и улучшачгг гидравлические характеристики перетекания жклкоети через клапан в момент его закрытия.

Модернизированные клапанные углы С2Н были опробованы в про-м-тловых условиях и показали увеличение межремонтного периода в 1,4 раза

ОСНОБНЬЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведенный анализ существующих методов испытаний материалов на ударко-абрззивкое изнашивание показал целесообразность и эффективность использования метода непрерывного контроля »нтенсиз-ностп изнашивания с помощью показателя акустической эмиссии (АЭ), фиксируемого непосредственно в процессе испытаний.

2. Разработана методика и создан приборный комплекс для оценки износостойкости материалов с использованием эффекта АЗ, включающий оригинальную приставку, позволявшую проводить испытания при ударно-усталостном и ударно-абразивном воздействии: при упругом и неупругом ударе с регулируемой величиной проскальзывания. Помимо установки в приборный комплекс входит блек контрольно-измерительной аппаратуры и система пьезодатчиков, дающих непрерывную информации о поведении исследуемых материалов, а также контртела непосредственно в процессе изнашивания. Ка способ и установку получено 3 авторских свидетельства

3. Установлено, что с увеличением интенсивности изнашивания при ударно-абразивном воздействии наблюдается рост плотности импульсов АЗ. Показано, что параметр АЗ является структурночувстви-телъной характеристикой износостойкости материалов. Пзраметр АЭ учитывает, во-первых, процессы, связанные с изменением сопротивления пластической деформации сталей (например, изменение содержания

углерода в мартенсите); во-вторых, учитывает изменения, связанные с распадом остаточного аустенита в высоколегированных сталях при изнашивании; в третьих, он учитывает различие б природе и количестве различных карбидов; в четвертых, позволяет судить о работоспособности материалов с различной природой основы.

4. Предложена модель "механизма взаимосвязи показателя АЭ с износостойкостью материалов, основанная на дислокационной теории разрушения при абразивном и ударно-абразивном воздействии.

5. На основе показателя АЭ разработан универсальный критерий для оценки стойкости против изнашивания при ударе сталей, чистых металлов, наплавочных материалов различной природы основы и кристаллического строения. С помогаю показателя АЭ можно оперативно оценить износостойкость исследуемых материалов, исключив Еессвые измерения, что значительно сокращает Ерэмя испытаний.

6. Разработана методика, позволяющая подбирать оптимальные __ условия взаимодействия и материалы сопрягающихся деталей, работающих при динамическом нагружении, для обеспечения максимальной долговечности за счет снижения уровня пластической деформации при разрушении материалов, входящих в трибосистему образец - абразив -контртело.

7. Применение метода АЭ для выбора износостойких материалов и использование эффекта упругого взаимодействия при ударе позволило повысить долговечность клапанных узлов скважинных штанговых насосов (СШН) в 1,3-1,8 раза, а использование оригинальных герметизирующих и демпфирующих прокладок е модернизированных клапанах СШН повысило их работоспособность в 1,4 раза. На конструкцию модернизированного клапанного узла получено положительное решение ЕНЖГ-Ю. Применение этих решений позволило получить экономический эффект свыше ЗСООСО рублей в ценах 1991 года.

- 25 -

ГОТЗЖАЦ® ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Устройство для испытания материалов ка ударно-абразивный износ. А. С. и 1379703 опубл. Б. И. N 9 от 0?. 03. 87г. Соавторы: Виноградов 3. а , Братин А. 2'. , Жуков Г. а , Лившиц .1 С. . Левин С. М.

2. Методика опенки триботехннческих параметров в испытаниях ■.ка изнашивание при ударе. Труды всесоюзной научно-технической конференции "Тркботехкические испытания з проблеме контроля качества материалов и конструкций г. Рыбинск 23-25 мая 1989 г. часть 1. Соавторы: Лившиц Л. С.. Левин С. ¡-1

3. Приборный комплекс для оценки трибот-ехническкх характеристик ударно-абразивного износа с проскальзыванием. Тезисы докладов пергой научно-технической конференции ЪС-ШГ им. II М. Губкина "Проблемы повышения износостойкости газонефгепромыслового оборудования" 11-13 мая 1988 г. Соавтор: Левин С.!,'.

4. Способ оценки износостойкости материалов при ударе. А. С. N 1627912 опубл. Б. К. N 5 от 15. 02. 91. Соавторы: Еиноградоз ЕЕ, Лившиц Л. С. , Кузьминский С. А. , Левин С. М.

5. Способ ультразвукового контроля качества листовых изделий. А. С. N1511572 опубл. 3.11 N 35 от 30. 09. 88. Соавторы: Приходько В. Е Кириллова Д. Г. , Кузьминский С. А,

6. Клапан сква--з<нного штангового насоса. Положительное решение ЕШГШ Н 4807283/29 от 6.12. 91. Соавторы: Лившиц .1 С. , Левин

V. , Григорьев С. П. , Дарищев 3. Т1 и др.

7. Повышение износостойкости газонефтепромыслового оборудования с использованием комплексной плазменно-лазерной технологии. Г*гисы докладов конференции молоды:-: ученых и специатистоз института мгталлургкк им. А. А. Байкова АН СССР и МОЮ "Новые процессы получения, обработки и методы исследования металлических матерка-юг". Соавторы: Платова С. Е , Соколова Т. Н