Порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым коррозионно-стойким материалам на основе железа. Может применяться для изготовления узлов трения, работающих в агрессивных средах, например, в нефтедобывающей, химической промышленности. Порошковый коррозионно-стойкий материал содержит, мас.%: хром 7-15; никель 4-9; молибден до 1,8; углерод до 2,0; медь 15-25; железо - остальное. Полученный материал обладает высокими триботехническими свойствами в условиях водной смазки. 3 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым коррозионно-стойким материалам на основе железа, используемым для изготовления узлов трения, работающих в агрессивных средах, например, в нефтедобывающей, химической промышленности.
Известен антифрикционный коррозионно-стойкий материал - легированный чугун типа нирезист (Машиностроение: Энциклопедия. М.: Машиностроение, 2001). Недостатком этого материала является низкая коррозионная стойкость.
Наиболее близким к заявляемому является порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа, содержащий 0,1-0,3% углерода, 10-15% никеля, 2-3% молибдена, 16-20% хрома, 15-30% меди (патент РФ №2302477, C22C 33/02, опубл. 10.07.2007).
Недостатком этого материала являются его низкие триботехнические свойства в условиях водной смазки, что ограничивает область его применения.
Настоящее изобретение решает задачу повышения триботехнических свойств порошковых нержавеющих сталей в условиях водной смазки.
Поставленная задача достигается тем, что порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа содержит хром, никель, молибден, углерод и медь при следующем соотношении, мас.%:
| Хром | 7-15 |
| Никель | 4-9 |
| Молибден | до 1,8 |
| Углерод | до 2,0 |
| Медь | 15-25 |
| Железо | остальное |
Медь в материал вводят методом инфильтрации.
Возможность осуществления изобретения может быть показана на примере получения материалов Х12Н9М1,5Д20-пр, 100Х12Н9М1,5Д20-пр, 200Х12Н9М1,5Д20-пр, Х8Н6М1Д20-пр, 100Х8Н6М1Д20-пр и 200Х8Н6М1Д20-пр с оптимальным содержанием компонентов в заявляемых пределах.
Для получения материала порошки исходных компонентов смешивают с сухой смазкой, полученную смесь прессуют при давлении 400-600 МПа. Пористость образцов после прессования составляет 15-18%.
Спекание проводят в восстановительной атмосфере или вакууме при температуре 1150±10°С, совмещая с инфильтрацией медью.
Триботехнические испытания проводили по схеме втулка - ступица на стенде в условиях односторонней нагрузки на вал. Одностороннюю нагрузку на радиальную пару, работающую в режиме водной смазки (5-7 л/ч), задавали сменными грузиками массой от 10 до 200 Н, скорость вращения двигателя составляла 2910 об/мин. Время испытаний при каждой нагрузке 60 мин. Скорость износа определяли путем замера изменения массы втулки. В процессе испытаний фиксировали изменение момента на валу двигателя, исходя из полученных значений рассчитывали коэффициент трения в разные периоды времени. За максимальную нагрузку принято значение, при котором наблюдается катастрофический износ пары.
Коррозионные испытания материалов проводили в соответствии с ГОСТ 9.506-87 весовым методом при температурах от 20±2°С до 80±3°С в статических (без перемешивания раствора) и динамических (перемешивание раствора с помощью магнитной мешалки) условиях в следующих средах:
1) среда NACE (водный раствор 5% NaCl + 3% HCl) в соответствии с ASTM B117-97;
2) синтетическая пластовая вода (состав по ГОСТ 9.506-87, в г/л: CaCl2·6H2O 34; MgCl2·6H2O 17; NaCl 163; CuSO4·2H2O 0,14) с добавлением 20 г/л H2S.
В таблице 1 приведены триботехнические свойства заявляемого материала, а также прототипа и аналога в условиях смазки водой, в таблицах 2 и 3 - скорость коррозии в различных водных средах.
Согласно данным триботехнических испытаний (таблица 1) новое соотношение компонентов дает возможность повысить нагрузку на пару трения и позволяет обеспечить работоспособность пар трения в широком диапазоне нагрузок (до 200 Н) при сохранении коррозионной стойкости материалов.
Как следует из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, предлагаемые материалы имеют скорость коррозии в неперемешиваемой (статические условия) солянокислой среде ниже аналога, в перемешиваемой (динамические условия) ниже аналога и прототипа. Скорость коррозии в синтетической пластовой жидкости, содержащей сервоводород, ниже аналога и на уровне прототипа.
Кроме того, снижение содержания дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, приведет к снижению стоимости заявляемого материала.
| Таблица 1 | |||||
| Скорость износа и средний конечный коэффициент трения пар трения в условиях водной смазки | |||||
| Материал пары трения | Нагрузка, Н | Коэффициент трения | Скорость износа V, мг/ч | ||
| 0 мин | 30 мин | 60 мин | |||
| Нирезист (аналог) | 30 | - | - | - | 15,00 |
| 50 | 0,51 | 0,27 | 0,19 | 1460,0 | |
| Х18Н12М2,5Д25-пр (прототип) | 5 | Схватывание | |||
| Х12Н9М1,5Д20-пр | 30 | 0,93 | 0,70 | 0,61 | 10,00 |
| 50 | 0,66 | 0,56 | 0,50 | 31,85 | |
| 80 | 0,60 | 0,44 | 0,38 | 43,20 | |
| 100 | 0,55 | 0,39 | 0,38 | 76,15 | |
| 130 | 0,49 | 0,34 | 0,37 | 104,15 | |
| 160 | 0,53 | 0,46 | 0,44 | 166,10 | |
| 100Х12Н9М1.5Д20-пр | 30 | 0.66 | 0.35 | 0.28 | 4.10 |
| 50 | 0.33 | 0.15 | 0.18 | 14.00 | |
| 80 | 0.54 | 0.41 | 0.34 | 14.60 | |
| 100 | 0.57 | 0.32 | 0.33 | 26.40 | |
| 130 | 0.57 | 0.32 | 0.31 | 34.50 | |
| 160 | 0.50 | 0.46 | 0.40 | 62.45 | |
| 200 | 0.54 | 0.40 | 0.45 | 82.95 | |
| 200Х12Н9М1,5Д20-пр | 30 | 0,61 | 0,55 | 0,57 | 4,50 |
| 50 | 0,50 | 0,49 | 0,48 | 12,55 | |
| 80 | 0,50 | 0,50 | 0,49 | 26,15 | |
| 100 | 0,49 | 0,36 | 0,38 | 35,20 | |
| 130 | 0,39 | 0,44 | 0,46 | 39,25 | |
| 160 | 0,44 | 0,46 | 0,49 | 44,10 | |
| 200 | 0,43 | 0,40 | 0,43 | 52,65 | |
| Х8Н6М1Д20-пр | 30 | 0,89 | 0,52 | 0,44 | 14,9 |
| 50 | 0,56 | 0,32 | 0,36 | 112,2 | |
| 80 | 0,61 | 0,39 | 0,38 | 211,85 | |
| 100 | 0,61 | 0,44 | 0,30 | 263,75 | |
| 130 | 0,49 | 0,36 | 0,35 | 291,15 | |
| 160 | 0,55 | 0,35 | 0,31 | 322,75 | |
| 100Х8Н6М1Д20-пр | 30 | 0.73 | 0.49 | 0.34 | 0 |
| 50 | 0.70 | 0.38 | 0.35 | 4.15 | |
| 80 | 0.53 | 0.25 | 0.22 | 12.35 | |
| 100 | 0.48 | 0.25 | 0.23 | 19.15 | |
| 130 | 0.51 | 0.22 | 0.16 | 34.05 | |
| 160 | 0.57 | 0.39 | 0.35 | 126.00 | |
| 200Х8Н6М1Д20-пр | 30 | 0,74 | 0,44 | 0,36 | 13,55 |
| 50 | 0,69 | 0,48 | 0,41 | 45,9 | |
| 80 | 0,49 | 0,44 | 0,34 | 65,25 | |
| 100 | 0,49 | 0,39 | 0,34 | 103,45 | |
| 130 | 0,49 | 0,45 | 0,41 | 132,5 | |
| 160 | 0,53 | 0,37 | 0,36 | 154,05 |
| Таблица 2 | ||||
| Скорость коррозии материалов в водном растворе 5% NaCl + 3% HCl | ||||
| Марка материала | Скорость коррозии, г/м2·ч | |||
| Статические условия | Динамические условия | |||
| 20±2°С | 80±3°С | 20±2°С | 80±3°С | |
| Нирезист (аналог) ПК20Х11Н8М1,5Д20-пр (прототип) | 0,2 | 3,5 | 1,9 | 9,5 |
| 0,14 | 1,3 | 1,68 | 8,7 | |
| Х12Н9М1,5Д20-пр | - | - | 0,19 | 5,30 |
| 100Х12Н9М1,5Д20-пр | 0,10 | 3,16 | 0,25 | 6,18 |
| 200Х12Н9М1,5Д20-пр | 0,12 | 3,21 | 0,32 | 6,21 |
| Х8Н6М1Д20-пр | 0,03 | 1,17 | 0,15 | 3,45 |
| 100Х8Н6М1Д20-пр | 0,01 | 0,22 | 0,10 | 1,43 |
| 200Х8Н6М1Д20-пр | 0,01 | 0,23 | 0,10 | 1,37 |
| Таблица 3 | |
| Скорость коррозии материалов в синтетической пластовой воде с добавкой 20 мг/л H2S при 20°С в динамических условиях | |
| Марка материала | Скорость коррозии, г/м2·ч |
| Нирезист (аналог) | 0,23 |
| ПК20Х18Н12М2Д25-пр (прототип) | 0,16 |
| Х12Н9М1,5Д20-пр | 0,14 |
| 100Х12Н9М1,5Д20-пр | 0,14 |
| 200Х12Н9М1,5Д20-пр | - |
| Х8Н6М1Д20-пр | 0,16 |
| 100Х8Н6М1Д20-пр | 0,16 |
| 200Х8Н6М1Д20-пр | - |
Порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа, содержащий хром, никель, молибден, углерод и введенную методом инфильтрации медь, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| хром | 7-15 |
| никель | 4-9 |
| молибден | до 1,8 |
| углерод | до 2,0 |
| медь | 15-25 |
| железо | остальное |
