Разработка технологии получения износостойких изделий из литых твердых сплавов на основе кобальта : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.04

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ………………………………………………………………………….. 9

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛИТЫХ КОБАЛЬТОВЫХ
СТЕЛЛИТОВ ………………………………………………………………………………………………….. 23

2.1 Влияние модифицирования на микроструктуру сплавов ………………………….. 27

2.2 Влияние скорости охлаждения формы на микроструктуру сплавов ………….. 28

2.3 Влияние термовременной обработки сплава на его микроструктуру ………… 30

2.4 Влияние фазового состава на микроструктуру сплава ……………………………… 33

2.5 Влияние лазерной термообработки на микроструктуру сплава ………………… 51

Выводы ………………………………………………………………………………………………………… 54

3. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ КОБАЛЬТОВЫХ
СТЕЛЛИТОВ ………………………………………………………………………………………………….. 55

3.1 Износ по закрепленному абразиву …………………………………………………………… 56

3.2 Износ по незакрепленному абразиву ……………………………………………………….. 59

3.3 Ударно-абразивный износ ……………………………………………………………………….. 63

3.4 Износ металл по металлу…………………………………………………………………………. 66

3.5 Коррозионная стойкость …………………………………………………………………………. 69

Выводы ………………………………………………………………………………………………………… 71

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК КЛАПАННЫХ
ПАР ИЗ КОБАЛЬТОВЫХ СТЕЛЛИТОВ …………………………………………………………. 73

4.1 Выбор материалов литейной формы ………………………………………………………… 74

4.2 Определение основных теплофизических характеристик сплава Mk1 ………. 77

4.2.1 Определение плотности …………………………………………………………………….. 78

4.2.2 Определение значения теплопроводности ………………………………………….. 79
4.2.3 Определение значения теплоемкости …………………………………………………. 83

4.2.4 Определение жидкотекучести ……………………………………………………………. 86

4.3 Разработка конфигурации литейной формы …………………………………………….. 88

4.4 Испытания деталей на герметичность ……………………………………………………… 96

Выводы ………………………………………………………………………………………………………. 100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 104

Приложение А Акт о практическом применении результатов научной работы .. 113

Приложение Б Акт испытаний клапанных пар ……………………………………………….. 114

Приложение В Акт о внедрении результатов диссертационной работы ………….. 115

В ходе диссертационной работы получены следующие основные научные и
практические результаты:
1. Исследована возможность применения для получения литых заготовок
сплава Stellite 20, используемого в порошковой металлургии. Проведенный
микроструктурный и фазовый анализ литого Stellite 20 показал наличие
крупнозернистой структуры и высокого содержания хрупкой интерметаллидной
μ фазы, склонной к выкрашиванию (около 20%).
2. Исследовано влияние технологических параметров, в частности скорости
охлаждения, на микроструктуру кобальтовых стеллитов. Установлено, что
различные способы увеличения скорости охлаждения поверхностного слоя
металла через поверхность литейное формы не оказывают заметного влияния на
микроструктуру литого сплава Stellite 20 по причине высокого теплового
сопротивления формы. Глубина измельченного слоя составила не более 0,1-0,15
мм, что значительно меньше припуска на механическую обработку.
3. Установлено, что изменение концентрации основных легирующих
элементов (главным образом C, Cr и W) в пределах марки сплава Stellite 20 не
позволяет получить необходимый фазовый состав с содержанием μ фазы в
пределах 10-12%. После расширения диапазона легирования за рамки
химического состава сплава Stellite 20 был определен состав опытного литейного
сплава Mk1. В рамках сплава Mk1 были отдельно выделены сплавы Mk1s и Mk1b
для отливок «Седло» и «Шар» соответственно. Анализ этих сплавов показал
наличие значительно более мелкой структуры, по сравнению со сплавом Stellite
20(Л), а также твердость 50-55 и 55-58 ед. HRC соответственно для Mk1s и Mk1b,
что удовлетворяет требованиям API 11AX.
4. Изучено влияние термовременной обработки на сплавы Stellite 20(Л) и
сплав Mk1. При нагреве до температуры 1700°С и последующем охлаждении в
обоих случаях наблюдался гистерезис вязкости. После выдержки в течение 30
минут при температуре 1650-1700°С в обоих сплавах наблюдалось разложение
крупных карбидов M7C3 с выделением вторичных карбидов M23C6 меньшего
размера и их более равномерное распределение в объеме металла. Показатели
твердости сплавов Stellite 20(Л) и Mk1 до и после термовременной обработки
практически не изменились и составили 51-53 и 55-58 ед. HRC соответственно.
5. Показано, что при испытании на износ по закрепленному абразиву
износостойкость кобальтовых стеллитов главным образом зависит от твердости
структурных составляющих сплава и занимаемой ими суммарной площади, но не
зависит от их размера и формы. При износе по незакрепленному абразиву
напротив размер и форма карбидов имеют большое влияние, поскольку от их
распределения главным образом зависит степень неравномерности износа мягкой
кобальтовой матрицы.
6. Установлено, что при газоабразивном изнашивании при малых углах атаки
(α<30°) исследуемые сплавы не обладают заметной разницей в степени износостойкости, т.к. механизм износа схож с износом по незакрепленному абразиву. По мере увеличения угла атаки абразива износ наиболее твердых сплавов, возрастает по причине изменения механизма изнашивания с микрорезания на удар, что приводит к выкрашиванию хрупких твердых фаз – крупных карбидов и интерметаллидов. Износ относительно пластичного сплава В3К с увеличением угла атаки значительно уменьшился, т.к. энергия ударного воздействия абразива расходуется главным образом на деформацию пластичной кобальтовой матрицы. Сплавы Mk1b и Mk1s показали сопоставимый друг с другом уровень износостойкости при различных углах атаки абразива. По сравнению с порошковым Stellite 20 оба опытных сплава показали меньшую степень износа при углах атаки 75-90°. 7. Определены значения основных теплофизических характеристик сплава Mk1, необходимые для осуществления компьютерного моделирования процессов заливки и затвердевания. Получены значения плотности в диапазоне температур 20-1400°С, теплопроводности в диапазоне температур 20-1450°С, а также уравнения линейной температурной зависимости теплоемкости при температуре до 1150°С и в диапазоне 1150-1400°С. 8. Разработана технология получения литых шаров и седел клапанных пар штанговых глубинных насосов методом литья по выплавляемым моделям, обеспечивающая получение качественных заготовок, удовлетворяющих всем предъявляемым к ним требованиям. Определены методы борьбы с усадочной пористостью и оксидными плёнами. Проведено моделирование процессов заливки и затвердевания отливок «Шар» и «Седло» по разработанной технологии, достоверность результатов моделирования подтверждена заливкой опытных партий отливок. 9. Проведенные испытания герметичности литых клапанных пар показали их соответствие стандарту API 11AX, все образцы обеспечили заданное значение вакуумного давления 0,65 кгс/см2 в течение 10 секунд до и после проведения испытаний на износ на модельной жидкости. Перспективы дальнейшей разработки темы исследования В рамках дальнейшей работы планируется провести исследования по возможности использования разработанных сплавов для иных узлов и агрегатов, работающих в условиях агрессивного абразивного и коррозионного износа, например для деталей запорной трубопроводной арматуры высокого давления. Полученные в диссертационной работе результаты влияния лазерной термообработки на структуру поверхностного слоя металла показали перспективность данного направления для поверхностного упрочнения деталей.

1. Долов, Т. Р. Исследование работы клапанных узлов скважинных штанговых
насосных установок: дис. … канд. техн. наук : 05.02.13 / Долов Темир
Русланович. – М., 2017. – 154 с.
2. ГОСТ Р 51896-2002 Насосы скважинные штанговые. Общие технические
требования. – М. : Изд-во стандартов, 2002. – 44 с.
3. Якимов С.Б. Комплексное исследование качества клапанных пар штанговых
насосов / С.Б. Якимов, С.М. Подкорытов // Оборудование и технологии для
нефтегазового комплекса». – 2012. – № 3. – С. 6–16.
4. Техническая библиотека. Месторождения. [Электронный ресурс] // Деловой
журнал Neftegaz.ru. – URL: https://neftegaz.ru/tech-library/mestorozhdeniya
5. Takacs, G.Sucker-rod pumping handbook / G. Takacs // Gulf Professional
Publishing. – 2015. – 598 p.
6. Информационный портал Промплейс.ру [Электронный ресурс]. – URL:
https://promplace.ru/klapannaya-para–92595.htm
7. Штанговые глубинные насосы по API каталог 2017 [Электронный ресурс]. –
URL:
https://docs.wixstatic.com/ugd/65715e_eb1b7ec4819f499d86d9280c111c776d.pdf
8. ГОСТ Р 51858-2002 Нефть. Общие технический условия. – М. : Изд-во
стандартов, 2002. – 8 с.
9. Симс, Ч. Т. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и
промышленных энергоустановок / Под ред. Симса Ч. Т., Столоффа Н. С.,
Хагеля У. К.: Пер. с англ. В 2-х книгах. Кн. 1 / Под ред. Шалина Р. Е. – М. :
Металлургия, 1995. – 384 с.
10.Wear solutions catalogs [Электронный ресурс] // Kennametal inc. – URL:
https://www.kennametal.com/us/en/resources/catalogs-literature/wear-solutions-
literature/more-wear-solutions-catalogs.html
11.Halstead, A. Structure and Hardness of Co-Mo-Cr-Si Wear Resistant Alloys / A.
Halstead, R. D. Rawlings // Metal Science. – Vol. 18. – 1984. – P. 491-500.
12.Wu, James B. C. Wear- and Corrosion-Resistant Alloys in the Gas and Oil Industry /
James B. C. Wu, Matthew X. Yao // Valve Magazine. – 2006. – Volume 18. – № 3.
– P. 22-27.
13.Туманов, В. И. Свойства сплавов системы карбид вольфрама – карбид титана –
карбид тантала – карбид ниобия – кобальт / В. И. Туманов. – М. : Металлургия,
1973. – 184 с.
14.Herchenroeder, R. B. Haynes Alloy No. 188 Aging Characteristics / R. B.
Herchenroeder // International Symposium on Structural Stability in Superalloys. –
1968. – P. 110–112.
15.Осокин, Е. Н. Процессы порошковой металлургии. Версия 1.0 [Электронный
ресурс] : курс лекций / Е. Н. Осокин, О. А. Артемьева. – Электрон. дан. (5 Мб).
– Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – 1 электрон опт. Диск (1 DVD).
16. Чапала, Ю. И. Порошковая металлургия: технология, исходные материалы,
конечная продукция и её применение [Электронный ресурс] / Ю. И. Чапала,
Н.Е.Горелик//Метотехника,2017.–URL:
https://www.metotech.ru/articles/art_poroshki_4.pdf
17.Siddle, D. How is tungsten carbide formed [Электронный ресурс] / D. Siddle //
Kennametal inc. – 2015. – URL: http://chronicle.kennametal.com/how-is-tungsten-
carbide-formed/
18.PowderMetallurgy:Process,Advantages,Disadvantages,Applications
[Электронный ресурс] // ClubTechnical Mechanical Engineering Blog. – URL:
https://clubtechnical.com/powder-metallurgy
19.Guo, R. Microstructure and mechanical properties of powder metallurgy high
temperature titanium alloy with high Si content / R. Gou, B. Liu, R. Xu, Y. Cao, J.
Qiu, F. Cheng, Z. Yan, Y. Liu // Materials Science & Engineering A. – 2020. –
Volume 777.
20.Powder Metallurgy: Necessity and Applications [Электронный ресурс]. – URL:
https://www.engineeringenotes.com/metallurgy/powder-metallurgy/powder-
metallurgy-necessity-and-applications-types-metallurgy/21480
21.Достоинства и недостатки порошковой металлургии [Электронный ресурс] //
Информационно-аналитическийресурс«и-Маш».–URL:http://www.i-
mash.ru/materials/technology/93517-dostoinstva-i-nedostatki-poroshkovojj-
metallurgii.html
22.Долов, Т. Р. Основы выбора клапанных узлов скважинных штанговых
насосных установок / Т. Р. Долов, В. Н. Ивановский, С. В. Меркушев, А. В.
Жуланов, Д. Н. Красноборов // Территория «НЕФТЕГАЗ». – 2018. – № 6. – С.
66–70.
23.Информационный ресурс MatWeb Material Property Data [Электронный
ресурс]. – URL:
http://www.matweb.com/Search/MaterialGroupSearch.aspx?GroupID=187
24.Davis, J. R. ASM Specialty Handbook: Tool Materials / J. R. Davis. – Ohio
Materials Park : ASM International, 1995. – 501 p.
25.Салтыков, С.А. Стехеометрическая металлография / С.А. Салтыков. – М.:
Металлургия, 1976. – 273 с.
26.Колмыков, Д. В. О прочности металлических материалов с частицами твердой
фазы в структуре / Д. В. Колмыков, В. И. Колмыков, Н. А. Костин //
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного
университета. – 2018. – №4.
27.Тимченко, А. С. Разработка технологии литья элементов клапанных пар из
кобальтовых стеллитов / А. С. Тимченко // Инновации в материаловедении и
металлургии : материалы IV Международной интерактивной научно-
практической конференции. – Екатеринбург, 2015.
28.Каблов, Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технология,
покрытия / Е. Н. Каблов, М. : МИСиС, 2001. – 632 с.
29.Шаров, М.В. Теоретические основы литейного производства: конспект лекций
/ М.В. Шаров. – 2-е изд., с изм. и доп. – М. : ВИАМ, 2016. – 480 с.
30.Бродова, И.Г. Исходные расплавы как основа формирования структуры и
свойств алюминиевых сплавов / И. Г. Бродова, П. С. Попель, Н. М. Барбин,
Н. А. Ватолин. – Екатеринбург : УрО РАН, 2005. – 369 с.
31.Термовременная обработка жидкой стали // Черная металлургия России и
стран СНГ в 21 веке. – М. : Металлургия, 1994. – Том 3.
32.Швидковский, Е. Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов /
Е. Г. Швидковский. – М. : ГИТТЛ, 1955. – 208 с.
33.Гудов, А. Г. Исследование особенностей структурных состояний расплавов
железа в целью повышения эксплуатационных свойств твердого металла: дис.
… канд. техн. наук : 05.16.02 / Гудов Александр Геннадьевич. – Екатеринбург,
2005. – 177 с.
34.Елюхина, И. В. К оценке влияния вторичных течений на колебания
крутильного вискозиметра / И. В. Елюхина, Г. П. Вяткин // ДАН. – 2006. – Т.
410. – № 1. – С. 36-37.
35.Бельтюков, А. Л. Автоматизированная установка для определения
кинематической вязкости металлических расплавов / А. Л. Бельтюков, В. И.
Ладьянов // Приборы и техника эксперимента. – 2008. – № 2. – С. 155-161.
36.Saunders, N. The Application of CALPHAD Calculations to Ni-Based Superalloys /
N. Saunders, M. Fahrmann, C. J. Small // In «Superalloys 2000» eds. K.A. Green,
T.M. Pollock and R.D. Kissinger. – TMS. – Warrendale. – 2000. – p. 803.
37.Сайт CALPHAD [Электронный ресурс]. – URL: https://calphad.org
38.The CALPHAD Methodology [Электронный ресурс] // Thermo-Calc Software. –
URL:https://www.thermocalc.com/products-services/databases/the-calphad-
methodology/
39.Тихомирова, Т.В. Исследование методом CALPHAD влияния отношения
вольфрама к кремнию на фазовый состав и характеристические температуры
кобальтовогосплава/Т.В. Тихомирова, С.В. Гайдук//Вестник
двигателестроения. – 2014. – №2. – С. 206-210.
40.Гайдук, С.В. Применение CALPHAD-метода к расчету фазового состава
литейного свариваемого жаропрочного коррозионностойкого никелевого
сплава с танталом / С. В. Гайдук, В. В. Кононов // Вестник двигателестроения.
– 2015. – №1. – С. 131-138.
41.Гайдук,С.В.Расчетфазовогосоставалитейногожаропрочного
коррозионностойкого никелевого сплава методом CALPHAD / С. В. Гайдук, В.
В. Кононов, В. В. Куренкова // Современная электрометаллургия. – 2015. – №3
(120). – С. 35-40.
42.Hopkins, S. W. Low-Cycle Thermal Mechanical Fatigue Testing. Thermal Fatigue
of Materials and Components / S. W. Hopkins, D. A. Spera and D. F. Mowbray
(eds.). – Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials STP 612,
1976. – 157 p.
43.Кузнецов, В. П. Материаловедение: монокристаллические жаропрочные
никелевые сплавы: учебное пособие/ В. П. Кузнецов, В. П. Лесников, Н. А.
Попов. – Москва: ЮРАЙТ, 2017. – 161 с.
44.Карбиды в инструментальных сталях [Электронный ресурс]. – URL: http://steel-
guide.ru/klassifikaciya/specialnye-stali/karbidy-v-instrumentalnyx-stalyax.html