Способ изготовления биметаллического длинномерного цилиндрического изделия типа труб из стали и биметаллическое изделие, изготовленное указанным способом

Изобретение может быть использовано при изготовлении биметаллических труб, в частности корпусов плунжерных насосов, используемых в условиях воздействия агрессивных сред в нефтяной промышленности. Предварительно обрабатывают поверхности тонкостенной трубы из коррозионно-стойкой стали с получением шероховатой наружной поверхности и полированной внутренней поверхности и осуществляют их азотирование. Размещают заготовку в толстостенной стальной оболочке с зазором и соединяют их по сопрягаемым поверхностям деформированием радиальной ковкой. Азотирование проводят ионно-плазменным методом в атмосфере диссоциированного аммиака при низкотемпературном нагреве 480±10°C с достижением твердости каждой из поверхностей тонкостенной заготовки в пределах 1000-1100 HV. Деформирование радиальной ковкой осуществляют с внедрением шероховатой поверхности тонкостенной заготовки во внутреннюю поверхность толстостенной оболочки при степени деформации не более 6% для получения композитного слоя. За счет оптимизации режимов азотирования и пластической радиальной ковки получают композит, обеспечивающий одновременно коррозионную стойкость и износостойкость поверхности, значительно повышая ресурс эксплуатации биметаллического изделия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области изготовления биметаллических изделий, в частности биметаллических труб, использующихся в качестве корпусов погружных плунжерных насосов, используемых в условиях воздействия агрессивных сред в нефтяной промышленности: абразивных частиц и химического воздействия растворов, требующих наличия таких высоких эксплуатационных характеристик, как коррозионная стойкость, износостойкость.

Известны способы упрочнения стали аустенитной, однофазной - 12Х18Н10Т (Л. Г. Петрова, В. А. Александров. Технологии химико-термической обработки сталей в многокомпонентных средах для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента. Вестник МАДИ, вып. 1(28) 2012 г. Раздел-транспортная техника, с. 73–74):

1. Путем высокотемпературного азотирования коррозионностойкой стали (12Х18Н10Т) в аммиаке, разбавленном инертным газом.

2. Путем регулирования температуры процесса и разбавления аммиака.

При этом азотирование при 900°С в чистом аммиаке повышает износостойкость, но резко понижает коррозионную стойкость. Следовательно, сталь непригодна для своего основного назначения.

Недостатками способа является невозможность использования их в случае получения биметаллических изделий типа труб, т. к. азотирование при 900°С, независимо от чистоты аммиака приводит к короблению тонкостенной трубы из-за больших напряжений в ней, если азотирование тонкостенной трубы проводить перед соединением оболочки с тонкостенной трубой. В случае проведения азотирования путём пластической деформации радиальный ковкой биметаллической трубы напряжения усилятся и в оболочке, и в тонкостенной трубе. При этом в каждой из них в разной степени в зависимости от коэффициента термического расширения и степени деформации, а также напряжений в них, что приводит к искривлению биметаллического изделия, непостоянству диаметральных размеров по длине длинномерного изделия. Следовательно, способы и устройство неприменимы при изготовлении длинномерных биметаллических изделий типа плунжерных насосов.

Известен способ изготовления биметаллических цилиндрических изделий типа труб большой длины (пат. № 2171164, МПК В23К 20/00, от 2000 г.), включающий установку с зазором внутрь оболочки заготовки листового материала из антикоррозионного и/или антифрикционного сплава металлов по всей длине оболочки или в виде многовитковой спирали, последующее соединение оболочки и заготовки по сопрягаемым поверхностям путем холодного деформирования посредством радиальной ковки на дорне при степени деформирования 5-90% и одновременным наружным охлаждением. В процессе пластической деформации происходит упрочнение внутреннего покрытия биметаллической трубы, а чистовую обработку рабочей поверхности изделия обеспечивают в процессе радиальной ковки на дорне.

Недостатки:

- способ не обеспечивает высокую эксплуатационную надежность, т. к. рабочие поверхности имеют низкие прочностные характеристики, это связано с тем, что тонкостенная заготовка, служащая основным покрытием для оболочки, обладающая пластичными свойствами, пластична и при работе с абразивом, следовательно, на поверхности легко образуются многочисленные риски от абразива. Поэтому и чистовая обработка поверхности не даёт положительного результата. Не улучшается износостойкость тонкостенной защиты и биметаллической трубы в целом. А коррозионная стойкость относительна и зависит от агрессивности воздействующей среды.

- способ не обеспечивает возможность качественного соединения сопрягаемых поверхностей в зазоре при холодной ковке, т.к. происходит соприкосновение поверхностей, а не их внедрение, из-за антифрикционных свойств сплава тонкостенной трубы, которые получает поверхность в результате пластической деформации.

Известен способ упрочнения труб (пат. №1799928, МПК Е23С 8/36 от 12.11.90 г.) путем одновременной двухсторонней обработки полых стальных изделий типа цилиндра ионно-плазменным азотированием. В качестве изделий используются гильзы дизелей высотой 280 мм, диаметром – 150 мм или цилиндра пневмоударников высотой 370 мм диаметром 92 мм из стали 30Х2МЮА. Процессы проходят при температуре 520 ± 10°С в среде полностью диссоциированного аммиака под давлением 250–400 Па в течение 10 часов. Получают азотированный слой, поверхностная твердость которого 1000–1100 HV, толщина слоя 0,35–0,40 мм. Цель – повышение качества азотирования.

Недостатки:

- способ функционально ограничен и неприменим для изготовление биметаллических длинномерных изделий типа труб, имеющих в момент соединения сопрягаемых поверхностей зазор, который должен быть выбран, для получения единого целого – биметалла. Он рассчитан только на обработку коротких заготовок азотированием с обеих сторон.

- в способе нет данных о результатах износостойкости и коррозионной стойкости азотированных изделий, так как патент представлен как устройство.

Наиболее близким техническим решением к заявленному выбран способ и изделие того же назначения (пат. 2171163, МПК В23К 20/02 от 15.08.2000 г.). Способ изготовления длинномерного биметаллического изделия типа трубы, включающий соосное размещение тонкостенной трубы в оболочке с зазором, последующее их соединение по сопрягаемым поверхностям путем холодной или теплой радиальной ковки со степенью деформации не менее 8%, при этом перед размещением тонкостенной трубы в оболочке производят физико–химическое упрочнение высокотемпературным методом, например азотированием, либо анодированием, либо фосфатированием, либо цементированием при температуре нагрева до 600°С как по внутренней, так и по наружной поверхностям, При этом упрочнение ведут на глубину не более 0,1 мм с достижением твердости не менее 800 HV. В результате получают биметаллическое изделие за счёт их соединения по сопрягаемым поверхностям двух деталей, выполненных из металлов с разным пределом упругости, большой длины, жесткой конструкции с упрочненной рабочей поверхностью. Требуемая чистота обработки рабочей поверхности достигается во время операции радиальной ковки на дорне.

Недостатки:

- способ осуществляет режим двухстороннего азотирования для того, чтобы тонкостенная заготовка в виде трубки обеспечила тонкий, хрупкий защитный слой при азотировании,

- способ не обеспечивает получение из тонкостенной заготовки прямолинейного, жесткого изделия или детали после азотирования при 600°С, т. к. при этой температуре в процессе азотирования появляются большие внутренние напряжения, которые ведут к изменению геометрических размеров, искривлению биметаллического изделия в конечном счете и тонкостенной трубы после азотирования,

- способ при температуре 600°С предполагает провести любой химико-термической обработкой упрочнение (азотирование- одна из них), что не дает возможности точно оценить коррозионную стойкость покрытий и износостойкость рабочей поверхности. При 600°С образуются нитриды игольчатой формы, оказывающие негативное влияние при эксплуатации. За счёт превращений в слое формируются высокие внутренние напряжения, приводящие к его распространению и деформированию. При этом заявлено, упрочнение азотированием желательно проводить до достижения твердости 800 HV. Следовательно, исключается появление хрупкой составляющей, имеющей твердость 1000–1100 HV, что ограничивает возможность получения износостойких слоев, и что, в свою очередь, ограничивает ресурс изделий, таких как плунжерный насос – изделие длительного действия в сложных условиях агрессивных сред,

- азотированный слой в процессе последующей радиальной ковки пластически деформируют, создавая новую поверхность, после этого появляются нерегулируемые дискретные азотированные зоны, что приводит к ухудшению защитных свойств покрытия, уменьшению ресурса эксплуатации изделия, особенно погружного насоса, работающего постоянно в агрессивной среде как химического (H₂S, Cl₂, морская вода, и т. д.), так и механического характера (песок, глина), требующей наличия на рабочей поверхности повышенных износо- и коррозионностойких свойств одновременно. А это достигается и за счет высокой твердости покрытия, которая недостаточна (800 HV),

- способ и изделие в заявленном режиме радиальной ковки не приводит к прочному соединению сопряженных поверхностей в зазоре. Зазор остается. Пластическая деформация в данном случае в холодном или теплом состоянии ведет к индивидуализации изменения размера оболочки и тонкостенной трубы, соответственно их данных по свойствам стали (это не учитывается). Упрочненные поверхности становятся антифрикционными, способствуя уплотнению, а не внедрению одной поверхности в другую. Плотный же контакт металлов является необходимым, но недостаточным условием получения соединения металлов в холодном состоянии. Необходимо, чтобы поверхность вступала в контакт за счет образования мостиков сцепления.

Задача -возможность обеспечить длинномерное цилиндрическое биметаллическое изделие одновременно коррозионностойкими и износостойкими свойствами и качественным, надежным соединением в зазоре сопрягаемых поверхностей оболочки и тонкостенной заготовки, обеспечивающих повышение ресурса эксплуатации в условиях агрессивного (химического и механического) воздействия среды преимущественно корпусов плунжерных насосов.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления биметаллического длинномерного цилиндрического изделия типа труб из стали, биметаллическое изделие, изготовленное указанным способом, заключающийся в азотировании внутренней и внешней поверхностей тонкостенной заготовки, её соосное размещение в оболочке с зазором, их соединение по сопрягаемым поверхностям деформированием радиальной ковкой, отличающийся тем, что предварительно у тонкостенной заготовки шероховатят наружную поверхность и полируют-внутреннюю, проводят азотирование тонкостенной заготовки с достижением твёрдости в пределах 1000 – 1100 HV на каждой поверхности, внедряют шероховатую поверхность тонкостенной заготовки в оболочку путём деформирования радиальной ковкой. Азотирование осуществляют ионно-плазменным методом в атмосфере диссоциированного аммиака при низкотемпературном нагреве 480 ± 10°С. Степень деформации при радиальной ковке составляет не более 6%. Биметаллическое изделие, изготовленное указанным способом, состоящее из металлов с различными механическими свойствами оболочки и тонкостенной заготовки, соосно размещённой внутри оболочки и соединённой с ней по сопрягаемым поверхностям, тонкостенная заготовка выполнена с шероховатой внешней поверхностью, которая внедрена во внутреннюю поверхность оболочки с образованием защитного слоя, изделие химическим и деформационным упрочнением снабжено тремя защитными слоями: один защитный слой размещён на внутренней-рабочей поверхности биметаллического изделия путём внедрения твёрдой составляющей поверхностного слоя в более пластичную составляющую при радиальной ковке, второй защитный слой-на внешней поверхности тонкостенной заготовки, третий защитный слой-на внутренней поверхности оболочки путём внедрения азотированной шероховатой части наружной поверхности тонкостенной заготовки при сопряжении с оболочкой. В качестве стали для тонкостенной заготовки использована однофазная, аустенитная сталь 12Х18Н10Т.

Сопоставительный анализ с прототипом показал новый подход к решаемой задаче. Новые признаки, имеют существенные отличия, расширяющие функциональные возможности биметаллических изделий, имеющие практическую применимость в нефтяной промышленности.

До азотирования обрабатывают тонкостенную заготовку, придавая внутренней, рабочей поверхности антифрикционные свойства путем полировки, обеспечивая первый этап повышения прочности износостойкости, коррозионной стойкости стали, в качестве которой используют однофазную легированную аустенитную сталь 12Х18Н10Т.

До азотирования наружную поверхность тонкостенной заготовки шероховатят придавая поверхности функцию скрепляющего элемента при соединении в зазоре по сопрягаемым поверхностям оболочки и тонкостенной заготовки после азотирования, путем внедрения в процессе радиальной ковки в оболочку шероховатой части поверхности. Тем самым подготавливая поверхность к азотированию.

После подготовки обеих поверхностей проводят азотирование. Проводят данный процесс чистым аммиаком ионно-плазменным методом при оптимальной температуре 480 ± 10°С. Исследование же влияния температуры азотирования на распределение фаз по глубине заготовки используемой стали неожиданно показало, что необходимо оптимизировать, нагрев используемой стали, находя пути решения поставленной задачи даже при использовании низкотемпературного режима азотирования, т. к. считается (пат. 2131480, с. 4), что до 550°С процесс азотирования не влияет на состояние напряжения ни в тонкостенной заготовке, ни в биметаллической длинномерной трубе после соединения оболочки и тонкостенной трубы. Таким образом, оптимальным нагревом обеих поверхностей при азотировании стали 12Х18Н10Т оказался низкотемпературный нагрев в диапазоне 480 ± 10°С, который обеспечил заявленному способу достижение твердости поверхностных слоев внутренней и внешней сторон тонкостенной заготовки в пределах 1000–1100 HV, т. е. наличие необходимой повышенной прочности составляющей. Глубина этой составляющей регулируется и временем азотирования. При этом обеспечивается надежность, качество соединения сопрягаемых поверхностей биметаллической трубы при последующей операции – радиальной ковке в зазоре между ними.

Двухстороннее азотирование позволяет по-новому функционировать биметаллической трубе. Так прочное соединение оболочки с тонкостенной заготовкой осуществляется за счет внедрения в оболочку шероховатой поверхности, имеющей твердость - 1000–1100 HV, что значительно увеличивает ресурс эксплуатации биметаллического изделия. После выработки рабочей поверхности ей на смену поступают твердая внутренняя поверхность оболочки и внешняя поверхность тонкостенной части биметаллического изделия. За счет внедрения в оболочку азотированной, шероховатой части с той же твердостью, что и под шероховатой частью поверхности и следовательно, позволяет получить в зоне соединения труб и на рабочей поверхности две композиции: в зоне соединения труб – внедрение в сталь оболочки шероховатой части высокопрочной поверхности стали тонкостенной заготовки, а также в зоне внедрения при радиальной ковке – высокопрочной , твердой составляющей в более пластичную часть рабочей поверхности, создавая, тем самым, двойную защиту изделию и значительно повышая ресурс эксплуатации, обеспечивая одновременно и коррозионную стойкость, и износостойкость биметаллического изделия. А полированная поверхность обеспечивает антифрикционные и антикоррозионные свойства и, следовательно, износостойкость за счет оптимизации сочетания пластичности и повышенной твердости, тем самым повышается ресурс эксплуатации биметаллического изделия.

При температуре нагрева тонкостенной трубы меньше 470°С в процессе азотирования ионно-плазменным методом стали 12Х18Н10Т, получают недостаточный уровень твердости для решения поставленной задачи и малую глубину азотирования. При температуре нагрева больше 490°С на полированной после азотирования и ковки внутренней поверхности биметаллического изделия появляются риски, поверхность растрескивается, и получают поверхность, не обеспечивающую антифрикционных и коррозионных свойстви ухудшающую износостойкость биметаллического изделия.

Оптимальным вариантом нагрева для используемой стали при азотировании оказался нагрев 480 ± 10°С с получением высокопрочного (1000–1100 HV) и износостойкого слоя, плавно переходящего к сердцевине. Что объясняет отсутствие рисок на поверхности после азотирования. Сохраняется бездефектной полированная поверхность и после ковки на полированной поверхности опоры, обеспечивая решение поставленной задачи.

После радиальной ковки и получения биметаллического изделия внутренняя поверхность оболочки, после внедрения в нее шероховатой части тонкостенной трубы, представляет собой композит–защитный слой, состоящий из наполнителя - шероховатой части тонкостенной трубы и связующего – оболочки, что обеспечивает биметаллической трубе коррозионную стойкость и износостойкость, т. к. радиальная ковка преследует цель получения одновременно коррозионностойких и износостойких зон за счет малой степени деформации соединяемых труб – в пределах 6%, сохраняющую исходные свойства наполнителя и связующего в полученном композите.

Низкотемпературный нагрев (480 ± 10 °С) тонкостенной заготовки при азотировании обеспечивает отсутствие межкристаллической коррозии 12Х18Н10Т на всех этапах получения биметаллической трубы, а, следовательно, и сохранение её коррозионностойкости благодаря суммарному эффекту – наличия в стали никеля, сохраняющего однофазное состояние стали, т. е. отсутствие электрохимического взаимодействия фаз, наличия титана, отвлекающего на себя часть азота от хрома и сохраняющего пассивность к реагентам агрессивной среды части хрома и антифрикционность. Таким образом одновременно достигается повышение износостойкости и коррозионной стойкости, и, следовательно, повышение ресурса эксплуатации биметаллического изделия.

Ионно-плазменное азотирование обеспечивает четкую направленность процесса, управляемость его, более простое оборудование, реализующее этот процесс и более предсказуемое распределение фаз по глубине внедрения диссоциированного аммиака. Не требуется сочетания с другими средами при решении поставленной задачи.

Полированная поверхность опоры обеспечивает сохранение гладкой поверхности внутри тонкостенной части биметаллического изделия в процессе радиальной ковки и после нее, повышает качество полученного композита под полированной поверхностью тонкостенной части и оптимальное распределение твердой и пластичной составляющей фаз в процессе малой степени (не более 6%) деформации ковкой обеих труб, обеспечивая сохранение коррозионной стойкости нержавеющей стали, повышая износостойкость биметаллического изделия в целом.

Азотирование проводят до получения твердой составляющей на обеих поверхностях в пределах 1000-1100 HV, обеспечивающих отсутствие рисок, трещин, что повышает ресурс эксплуатации изделия. Ниже 1000 HV – не получает требуемого уровня износостойкости при использовании заданного режима азотирования, а больше 1100 HV – к повышению охрупчивания, появлению трещин и слабой связи повышенной твердости слоев с пластичными – нижележащими слоями. К тому же азотирование выше 1100 HV не позволяет провести качественно внедрение во внутреннюю поверхность оболочки шероховатой части тонкостенной заготовки из-за повышенной хрупкости тонкостенной части.

На фиг. 1 схематично показана тонкостенная заготовка с шероховатой наружной поверхностью и полированной – внутренней, до её азотирования в разрезе с торца.

На фиг. 2 представлен график распределения микро-твёрдости HV по толщине азотированного слоя рабочей поверхности в зависимости от температуры нагрева печи при азотировании.

На фиг. 3 схематично представлены в момент вхождения с зазором в оболочку тонкостенной трубы.

На фиг. 4 схематично показано внедрение шероховатой части тонкостенной азотированной трубы в оболочку, разрез с торца.

На фиг. 5 схематично показано биметаллическое изделие – как единое целое, с образованием трёх защитных зон в нем, разрез с торца.

Способ осуществляют следующим образом.

Необходимо получить биметаллическое изделие в виде трубы, в основном используемой для плунжерных насосов. При этом оно должно иметь одновременно повышенную коррозионную стойкость и повышенную износостойкость для длительной эксплуатации в сложных скважинных условиях (наличия агрессивной среды как водной, так и углеводородсодержащей, в процессе добычи нефти, а также ударных воздействий, вибрации).

Для изготовления длинномерной цилиндрической биметаллической трубыс получением качественного, прочного механического соединения оболочки и тонкостенной заготовки в зазоре между ними по сопрягаемым поверхностям используют для толстостенной оболочки сталь 45 или 45Х, а для тонкостенной заготовки, которую вставляют в оболочку, конструкционную аустенитную сталь 12Х18Н10Т. При этом необходимо обеспечить надежное, прочное соединение сопрягаемых поверхностей с внедрением одной поверхности в другую, а не соприкосновение, как было ранее, например, в заявленных патентах (пат. № 2095179, с. 3, пат. №2263013, с. 6.), и защиту рабочей поверхности биметаллической трубы одновременно от коррозии и износа, чтобы обеспечить как можно больший ресурс эксплуатации, в основном, корпусов плунжерных насосов.

Вначале готовят наружную и внутреннюю поверхности тонкостенной заготовки из конструкционной стали 12Х18Н10Т, относящейся к аустенитному классу, коррозионностойкую ко многим химическим средам (Г. К. Шрейбер. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Справочник руководства. Издательство «Машиностроение». Москва, 1969 г, с. 63–70). Для этого наружную поверхность заготовки шероховатят, внутреннюю – полируют.

Затем заготовку азотируют одновременно с обеих сторон ионно-плазменным методом при температуре 480 ± 10°С до получения на обеих поверхностях слоев покрытия: слоя, имеющего повышенную прочность (твердость не менее 1000 – 1100 HV), и слоя менее твердого и более пластичного - находящегося под прочной составляющей.

Затем, после азотирования с обеих сторон заготовки, далее готовят биметаллическую трубу путем холодной радиальной ковки для внедрения тонкостенной трубы и оболочки по сопрягаемым поверхностям. В результате получают прочное соединение сопрягаемых поверхностей засчет внедрения при радиальной ковке шероховатой части тонкостенной заготовки - составляющей повышенной твердости наружной поверхности тонкостенной азотированной заготовки в более пластичную, не азотированную внутреннюю поверхность оболочки, с образованием композита, где в качестве связующего использована сталь оболочки, а в качестве наполнителя шероховатая часть тонкостенной заготовки, образуя единое целое – биметаллическую трубу. При этом рабочая - внутренняя поверхность биметаллической трубы приобретает защитное покрытие, обладающее одновременно и высокой коррозионной стойкостью, и повышенными износостойкими характеристиками, удовлетворяющими условия длительной эксплуатации в агрессивных условиях, а именно - наличия одновременно абразивной и химической агрессивной сред. Учитывая большое содержание хрома и азота в стали появляются мелкодисперсные нитриды хрома и титана, которые равномерно распределяются при радиальной ковке в полированной поверхности, и за счет образования композита на полированной поверхности, где в качестве связующей использован более пластичный слой под твердым слоем, полученные в процессе азотирования, а в качестве наполнителя – твердый слой с твердостью 1000 – 1100 HV, внедренный в связующую в процессе радиальной ковки в режиме, обеспечивающем малую степень пластической деформации не более 6% и полное внедрение шероховатых частиц повышенной твердости в оболочку тонкостенной заготовки. Реализован композит при наличии полированной поверхности опоры, на которой размещена рабочая поверхность азотированной тонкостенной заготовки в процессе радиальной ковки.

Пример конкретного выполнения

В качестве оболочки, например, корпуса плунжерного погружного насоса используют трубу, например, из стали 45 или 45Х длиной 4000 мм, диаметром 54 мм, толщиной 6 мм. В качестве тонкостенной заготовки используют трубу из стали 12Х18Н10Т длиной 4000 мм, диаметром 47,5 мм, толщиной 1-2 мм, включая высоту шероховатой части наружной поверхности.

Готовят к соединению с оболочкой тонкостенную заготовку. Для этого в начале шероховатят (фиг. 1) наружную поверхность заготовки 1 (фиг. 1) методом нарезки прямыми проходными резцами – черновыми с главным углом в плане 60 градусов («Технология конструкционных материалов» под ред. Г. А. Прейса, изд.: ВИЩА школа, Киев, 1984 г., с. 191, 232), который позволяет получить высоту «шероховатых» частиц 2 (фиг. 1), обеспечивающую прочное внедрение во внутреннюю поверхность оболочки в период радиальной ковки. Внутреннюю поверхность 3 (фиг. 1) тонкостенной трубы полируют для придания ей антифрикционных свойств и для сохранения азотированного слоя в процессе ковки.

Затем тонкостенную заготовку помещают в установку для ионно-плазменного азотирования ИПА (не показано) и нагревают до температуры 480 ± 10°С в атмосфере диссоциированного аммиака. При этом азотируют ионно-плазменным методом, т. е. в качестве катода (-) используют тонкостенную трубу, в качестве анода (+) используют либо корпус печи, либо стержень внутри тонкостенной трубы, либо смешанный способ. Результат азотирования тонкостенной трубы представлен (фиг. 2). Режим азотирования: в среде диссоциированного аммиака, при температуре 480 ± 10°С и выдержке 10 часов. Азотирование проводят на обеих поверхностях 2 и 3 (фиг. 1), 6 (фиг. 5) заготовки. Затем оболочку 4 соединяют с азотированной с 2-х сторон тонкостенной трубой 1 (фиг. 3, 4). При этом, между оболочкой и тонкостенной трубой, для их соединения без напряжения и для простоты имеется зазор 5 (фиг. 3), который исчезает (фиг. 4, 5) в процессе холодной радиальной ковки. Азотирование позволяет получить повышенной твердости шероховатый слой (1000 – 1100 HV), внедряемый в оболочку в процессе соединения оболочки с тонкостенной трубой. Проводят радиальную ковку при степени деформации не более 6% на оправке (не показано), имеющей полированную поверхность. В результате шероховатая поверхность 2 внедряется полностью в оболочку 4 (фиг. 5), образуя повышенной прочности композит (фиг. 5), где наполнителем является азотированная шероховатая часть 6 тонкостенной трубы 1 из стали 12Х18Н10Т, а связующим - внутренняя поверхность оболочки 4 из стали 45Х или 45Х.Контроль твердости проводят по ГОСТ 9.308-85, определение геометрических размеров и шероховатости осуществлялось по ГОСТ 2.789-73 и ГОСТ 2.309-73, коррозионные испытания проводились по ГОСТ 9.3.08-85. Полирование осуществлялось на полировальном станке фирмы «Каннинг» Германия. Расчёт износа рабочей поверхности ведется по 5 бальной шкале и определялось по ГОСТ 27674 – 88. Твердость по Виккерсу определялось по ГОСТ 2999 – 75. Получают прочное соединение сопрягаемых поверхностей оболочки и тонкостенной трубы, способное выдержать вибрацию, деформацию, ударное воздействие на корпус полученного биметаллического изделия (фиг. 5), имеющего большую длину и работающего в режиме износа, и коррозионного воздействия различных сред как механического, так и химического характера (абразив, кислоты, газы, и т. д.). При этом, при длительном изнашивании композита-защитного слоя на рабочей поверхности 7 (фиг. 5), обладающей повышенной твердостью, полученной в результате низкотемпературного азотирования и радиальной ковки (фиг. 2), имеется возможность замены на другие поверхности – 7 на 6 и 2, 4 (фиг. 5), также обладающие защитными свойствами. Это и композит из шероховатой 2 части азотированной наружной поверхности тонкостенной трубы и из неазотированной внутренней поверхности 7 оболочки 4, в которую прочно внедрена шероховатая часть (фиг. 5), и защитный слой-азотированная внешняя поверхность 6 (фиг. 5) тонкостенной трубы под шероховатой частью. Таким образом получаем биметаллическую длинномерную трубу, обеспечивающую длительную работу изделия, например, в качестве плунжерного погружного насоса, обладающего повышенном ресурсом эксплуатации за счет обеспечении им одновременно и коррозионной стойкости, и износостойкости. В качестве стали для оболочки используют сталь, например, 45 или 45Х. Оболочка обеспечивает кроме износостойкости составляющей в композите - наполнителя – шероховатой частью тонкостенной азотированной трубы и корозионностойкость – за счёт пассивирующего действия хрома, не отвлечённого на получение нитридов в тонкостенной трубе, и малой степени пластической деформации – не более 6% при радиальной ковке труб. Низкотемпературный диапазон (480± 10 °С) нагрева тонкостенной трубы при азотировании обеспечивает отсутствие межкристаллической коррозии 12Х18Н10Т на всех этапах получения биметаллической трубы, а, следовательно, её коррозионностойкость, а также благодаря суммарному эффекту – наличия в стали никеля, сохраняющего однофазное состояние стали, т. е. отсутствие электрохимического взаимодействия фаз, наличия титана, отвлекающего на себя часть азота и сохраняющего пассивность к реагентам агрессивной среды большей части хрома. Таким образом одновременно достигается повышение износостойкости и коррозионной стойкости, и, следовательно, повышение ресурса эксплуатации биметаллического изделия (таблица).

Заявленное изобретение имеет преимущества перед прототипом:

- позволяет оптимизировать состав сталей и термомеханический режим, и последовательность этапов решения поставленной задачи,

- сохраняет коррозионную стойкость стали, свойственную сплаву (12Х18Н10Т), на всех этапах получения биметаллического длинномерного изделия из-за оптимизации низкотемпературного азотирования обеих поверхностей тонкостенной заготовки и предварительной подготовки рабочей поверхности полировкой,

- на каждом этапе получения длинномерного биметаллического изделия вносит вклад в решение поставленной задачи, а именно получение изделия, обладающего одновременно износостойкостью и коррозионной стойкостью на уровне, удовлетворяющем условиям эксплуатации изделия, повышающие ресурс эксплуатации,

- позволяет получить обе поверхности тонкостенной заготовки в процессе азотирования повышенной прочности (1000 - 1100HV) и коррозионной стойкости,

- на этапе соединения оболочки и тонкостенной трубы по-новому решает задачу: шероховатит наружную поверхность тонкостенной трубы, и придает повышенную прочность 1000-1100 HV, это позволяет обеспечить качественное внедрение в оболочку элементам шероховатости и прочно удержаться путем радиальной ковки, образуя биметаллическое изделие как единое целое,

- впервые за счет двухстороннего азотирования увеличивает ресурс эксплуатации расширяя функциональные возможности. Значительно удлиняется срок эксплуатации, за счет наличия второй рабочей поверхности, т.к. в случае ухудшения свойств первой – защищает прочный коррозионностойкий композит, образованный наружной поверхностью тонкостенной трубы, внедрением в оболочку ее шероховатой части, с образованием композита,

- способ впервые на внутренней поверхности тонкостенной заготовки за счет оптимизации низкотемпературного ионно-плазменного азотирования и оптимизации режима пластической деформации радиальной ковки получить композит, обеспечивающий одновременно коррозионную стойкость и износостойкость поверхности, значительно повышая ресурс эксплуатации биметаллического изделия,

- повышает сопротивление усталости за счет двухстороннего азотирования. В процессе азотирования на поверхности создается модифицированный слой, более прочный, чем в сердцевине и имеющий высокие остаточные напряжения. Что позволяет создать и повысить барьерное действие приповерхностных слоев, повысить прочностные показатели изделия под действием статических и усталых напряжений

- наличие 3-х защитных зон, 3-х рабочих поверхностей от коррозии и износа удается реализовать за счет: двухстороннего азотирования тонкостенной заготовки до радиальной ковки; шероховатой части заготовки; низкотемпературного процесса азотирования; малой степени пластической деформации, соединяемых сталей при радиальной ковке. В результате оптимизации степени пластической деформации, ее минимизации сохраняется коррозионная стойкость используемой стали и значительно повышается износостойкость рабочих поверхностей.

1. Способ изготовления биметаллического длинномерного цилиндрического изделия типа трубы, включающий азотирование внутренней и внешней поверхностей заготовки, выполненной в виде тонкостенной трубы из коррозионно-стойкой стали, её соосное размещение в толстостенной стальной оболочке с зазором и их соединение по сопрягаемым поверхностям деформированием радиальной ковкой, отличающийся тем, что перед азотированием поверхностей тонкостенной заготовки их обрабатывают с получением шероховатой наружной поверхности и полированной внутренней поверхности, при этом азотирование проводят ионно-плазменным методом в атмосфере диссоциированного аммиака при низкотемпературном нагреве 480±10°С с достижением твердости каждой из поверхностей тонкостенной заготовки в пределах 1000-1100 HV, а деформирование радиальной ковкой осуществляют с внедрением шероховатой поверхности тонкостенной заготовки во внутреннюю поверхность толстостенной оболочки при степени деформации не более 6% для получения композитного слоя.

2. Биметаллическое длинномерное цилиндрическое изделие типа трубы, содержащее тонкостенную трубу из коррозионно-стойкой стали, соосно размещенную внутри толстостенной стальной оболочки и соединенную с ней по сопрягаемым поверхностям, при этом обе поверхности тонкостенной трубы обработаны азотированием, отличающееся тем, что тонкостенная труба имеет полированную внутреннюю поверхность и шероховатую наружную поверхность, которая внедрена во внутреннюю поверхность толстостенной оболочки радиальной ковкой при степени деформации не более 6% с образованием композитного слоя на сопрягаемых поверхностях изделия, представляющего собой защитный слой.

3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что тонкостенная заготовка выполнена из однофазной аустенитной стали 12Х18Н10Т.