Порошковый материал на основе чугуна для газотермического напыления

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам материалов для нанесения защитных, антифрикционных покрытий методами газотермического напыления для восстановления изношенных узлов и деталей. Порошковый материал, содержащий легированный никелем, медью, хромом порошок чугуна, для снижения пористости покрытия, коэффициента трения и повышения срока службы изделия дополнительно содержит порошок баббита при следующем соотношении ингредиентов в механической смеси, мас.%: баббит - 10-30, порошок чугуна - остальное. 1 табл.

 

Порошковый материал на основе чугуна для газотермического напыления предназначен для применения в области машиностроения, в частности нефтяной и газовой промышленности, и может быть использован при газотермическом нанесении защитных, антифрикционных покрытий для восстановления изношенных узлов и деталей.

Известно применение порошковых чугунов в качестве материала для восстановления изношенных деталей, обеспечивающих удовлетворительные антифрикционные свойства напыляемых деталей. Применяют также чугуны с различными легирующими добавками, например никелем, хромом, медью (см. «Теория и практика газотермического нанесения покрытий», Дмитров,1983, стр.122-124; справочник «Чугун» под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова, 1991, стр. 93-124 и 507-511, патент США №3991240, опубликован 9 ноября 1974 г.)

Достоинством чугунов, в том числе и легированных, являются их удовлетворительные антифрикционные свойства в условиях смазки маслами и полусухого трения, а также их относительно невысокая стоимость.

В то же время, чугуны обладают неудовлетворительной коррозионной стойкостью, особенно в присутствии сероводорода, ионов хлора, сульфидов и сульфатов и т.п. Коррозионная стойкость падает, следовательно, происходит и резкое падение антифрикционных свойств (Н.Я.Климов «Коррозия химической аппаратуры и коррозионные материалы», 1967, стр. 238-239).

Основной причиной низкой коррозионной стойкости чугунных покрытий являются не только свойства самого чугуна, но и пористость напыляемых покрытий, достигающая 10% и более, а следовательно, их проницаемость для коррозионно-активной среды, а так как покрытия наносят, в основном, на детали из простых углеродистых сталей, то указанные стали под пористыми покрытиями начинают активно корродировать.

Известно большое количество составов порошковых материалов для газотермического напыления покрытий, в том числе на основе железа (см. справочник Ю.С.Борисов и др. «Газотермические покрытия из порошковых материалов. Киев: «Наукова Думка», 1987, стр. 224-290).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является порошок легированного чугуна ПР-ЧН15Д7 по ТУ-14-1-4006-85 (железо - основа, углерод - 2,2...3,0%, хром - 1,7...2,3%, кремний - 2...3%, марганец - 0,5...1,5%, медь - 5,8 ...7,8%, никель - 15,5...17,5%, выпускаемый НПО «Тулачермет» (источник тот же, стр. 194 и ТУ). Практика применения покрытий, нанесенных газотермическим напылением указанного материала на штоки шиберов, изготовленных из стали 20 в нефте- и газопроводах, показала их недостаточную коррозионную стойкость в условиях присутствия сероводорода, хлоридов натрия и калия, и других примесей, растворенных в буровых жидкостях. Одной из главных причин неудовлетворительной стойкости чугунного покрытия толщиной 0,3...2,5 мм является его пористость (до 15%).

Коррозионный процесс активно идет через поры нанесенного покрытия в связи с высокой агрессивностью рабочей среды и проникает на подложку из углеродистой стали, распространяется под покрытием, что часто приводит к потере эксплуатационных свойств изделия, частичному разрушению покрытия и, как следствие, к выведению изделия из эксплуатации.

Задачей настоящего технического решения является снижение пористости напыляемых покрытий на основе чугуна для предотвращения проникновения продуктов, составляющих агрессивную среду, внутрь к подложке и разрушения покрытия, снижения коэффициента трения покрытия и, как следствие, повышения срока службы изделий в разы.

Поставленная задача решена за счет того, что порошковый материал для газотермического напыления защитных антикоррозионных и антифрикционных покрытий содержит легированный никелем, медью и хромом порошок чугуна, при этом он дополнительно содержит порошок баббита при следующем соотношении ингредиентов в механической смеси в мас.%: баббит - 10...30, порошок чугуна - остальное.

Указанную механическую смесь наносят методом газотермического напыления на штоки шиберов или другие детали, работающие в аналогичных условиях. Баббит в силу своей относительной легкоплавкости полнее заполняет поры и еще больше снижает коэффициент трения, коррозионная стойкость изделия повышается, в результате чего эксплуатационные свойства улучшаются.

При обработке предлагаемого состава покрытия были определены его пористость и коррозионная стойкость. Для исследования коррозионной стойкости образцы испытывали в специальной камере тепла и влаги в коррозионной среде на основе буровой жидкости, состоящей из 5%-ного раствора хлорида натрия и 1%-ного раствора сульфида натрия в воде, для ускорения процесса испытания в камере создавалась температура 50...70°С. Данные испытания приведены в таблице.

Из таблицы следует, что добавки баббита в количестве 10...30 мас.% к порошку чугуна приводит к резкому снижению пористости покрытия с 10...15% до 2...4%. Снижение пористости приводит, в свою очередь, к уменьшению доступа коррозионно-активной среды к подложке из углеродистой стали и резкому снижению коррозии на поверхности образцов. Дальнейшее повышение содержания баббита в покрытии более 30 мас.% не имеет смысла, так как не ведет к дальнейшему снижению пористости и по экономическим причинам.

После месячных испытаний в камере тепла и влаги образцы с покрытием ПР-ЧН15Д7 практически полностью покрыты язвенной коррозией, покрытие местами разрушилось. На образцах, напыленных предлагаемым материалом, имели место мелкие единичные точки коррозии, в основном по краям образцов.

Таким образом, введение баббита в порошковый материал чугуна эффективно снижает пористость, резко повышает коррозионную стойкость самого покрытия и защищаемой поверхности, предотвращает разрушение от коррозии и дополнительно снижает коэффициент трения. Испытание предлагаемого покрытия в полевых условиях на штоках шиберов показали его высокую эффективность.

Пористость покрытий и результаты коррозионных испытаний

Таблица
Покрытия	П, %	Состояние образцов после выдержки, суток
Через 5 суток	Через 10 суток	Через 15 суток	Через 20 суток	Через 30 суток
чугун ПР-ЧН15Д7	10...15	Мелкие коррозионные точки по всей	Усиление коррозии	Крупные коррозионные точки	Продолжение процесса коррозии	Коррозия практически по всей
Чугун ПР-ЧН15Д7+10%Б-83	5...7	Без коррозии	Без коррозии	Мелкие единичные точки	Единичные точки	Единичные точки
Чугун ПР-ЧН15Д7+20% Б-83	3...5	Без коррозии	Без коррозии	Без коррозии	Незначительные точки	Единичные точки по краям
Чугун ПР-ЧН15Д7+ 30% Б-83	2...4	Без коррозии	Без коррозии	Без коррозии	Незначительные точки	Единичные мелкие
Чугун ПР-ЧН13Д7+40% Б-83	2...5	Без коррозии	Без коррозии	Без коррозии	Единичные точки	Мелкие точки коррозии

Порошковый материал на основе чугуна для газотермического напыления защитных антикоррозионных и антифрикционных покрытий, содержащий легированный никелем, медью и хромом порошок чугуна, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошок баббита при следующем соотношении ингредиентов в механической смеси, мас.%:

Баббит	10-30
Порошок чугуна	Остальное