Исследование механических свойств и структуры конструкционных материалов, модифицированных ультрадисперсными частицами минералов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.00.00, кандидат наук Сказочкин, Александр Викторович

• Сказочкин, Александр Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Сказочкин, Александр Викторович

Оглавление

Введение

Глава 1 Исследование изменений структуры поверхности и приповерхностных слоев низкоуглеродистой стали и титанового сплава Ть6А1-4У (ВТ6) при создании минеральных покрытий

1.1 Материалы и методика эксперимента

1.2 Результаты исследований, их обсуждение и выводы

Глава 2 Исследование трибологических свойств титанового сплава Т1-Л1-У (ВТ6), упрочненного минералами

2.1 Материалы и методики

2.2 Результаты исследований, их обсуждение и выводы

Глава 3 Исследование температурного влияния на трибологические характеристики низкоуглеродистых сталей и пар трения «сталь-диоксид алюминия"

3.1 Детали экспериментов

3.2 Результаты экспериментов и выводы

Глава 4 Комплексное исследование износостойкости, коррозионной стойкости, пластичности деталей и образцов имитаторов из низкоуглеродистых сталей с минеральным покрытием

4.1 Определение износостойкости деталей из сталей с минеральным покрытием

4.2 Эксперименты на истирание сталей при скольжении-качении

4.3 Комплексное исследование пластичности, трибологических свойств и

коррозионной стойкости образцов-имитаторов запорной арматуры из сталей с нанесенным на их поверхность минеральным покрытием

Глава 5 Исследование износостойкости резьбовых соединений нескольких видов стальных труб после создания минерального покрытия

5.1 Испытание комплекта ниппель-муфта из низкоуглеродистой стали

МЛОКЛОиК-501 с минеральным покрытием

5.2 Исследование износостойкости резьбового соединения стальных

насосно-компрессорных труб при нанесении минерального

покрытия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Акт по результатам работ и испытаний стойкости резьбы 3-133 комплекта резьбового соединения труб из стали Magnadur с

минеральным покрытием и без покрытия от 07.06.2016 г

Приложение 2. Технический отчет «О результатах испытаний минеральных

покрытий на образцах имитаторах» от 05.01.2016 г

Приложение 3. Акт опытно-промышленных испытаний гильзы в составе насоса с антифрикционным покрытием от 07.06.2017 г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механических свойств и структуры конструкционных материалов, модифицированных ультрадисперсными частицами минералов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Любая современная техника обладает таким свойством, как износостойкость узлов трения деталей механизмов и машин. Низкий ресурс узлов трения механизмов приводит к необходимости значительных затрат на ремонт и производство запчастей. Примерами могут служить детали узлов подшипников скольжения, шейки валов, втулки, колёсные пары подвижного состава железнодорожного транспорта, подшипники и пары трения автомобилей, детали зубчатых зацеплений в редукторах, ролики прокатного оборудования и многие другие. Затраты на ремонт и техническое обслуживание узлов, деталей и механизмов могут в несколько раз превышать их стоимость. Потери от трения в целом и затраты, связанные с ними, составляют от 1% до 5% национального продукта развитых стран, что не может не оказывать существенного влияния на развитие экономики любой страны и ее конкурентоспособность [1-2].

Как следствие, для России в целом, затраты на преодоление износа техники составляют сотни миллиардов рублей, включая преодоление последствий аварий и техногенных катастроф. Эта проблема присуща всем странам мира, в частности, только в США экономические потери из-за повышенного износа узлов механизмов и коррозии оцениваются в сумму около $300 млрд. в год [1, 3-4]. Сравнимые потери характерны и для стран Европейского Союза.

Ситуация усугубляется, когда детали, даже обладающие достаточными физико-механическими свойствами, работают в агрессивных средах (морская вода, соляной туман, сероводород, абразивные смеси и т.д.), что является типичным случаем для многих отраслей промышленности и различных видов транспорта.

Причина низкого ресурса деталей и других элементов конструкций зачастую связана с износом и коррозионным повреждением их поверхностных слоев [5]. Обычные конструкционные материалы, обеспечивающие общую прочность конструкции, зачастую не удовлетворяют требованиям высокой износостойкости и коррозионной стойкости. Для устранения и/или торможения процессов, протекающих на границе металл-среда и негативно воздействующих на работоспособность материалов, применяют различные виды поверхностной обработки [4, 6].

До последнего времени основными направлениями по борьбе с

изнашиванием в машиностроении были повышение твердости поверхностей

трущихся деталей и снижение прочности адгезионной связи для снижения

схватывания поверхностей. Разработаны, хорошо исследованы и получили

широкое распространение такие методы повышения твердости деталей как

азотирование [5], цементация [6], другие методы модифицирования

поверхности, а также методы создания покрытий, защитных пленок и слоев

гальваническими методами [7], методами термической обработки [8], ионно-

плазменной обработки, микродугового оксидирования, газоплазменного

напыления и другими [7]. Только методов модифицирования поверхности на

сегодняшний день известно несколько сотен. Существуют многочисленные

обзоры методов модификации и создания покрытий с изложением

физических основ, возможностей и результатов воздействия на

металлическую поверхность (см. например [5]). Технологические методы

обработки поверхности классифицируются по разным группам и признакам -

например, по сущности процессов, по производительности, по виду

применяемого инструмента и оборудования, по затрачиваемой энергии и т.д.

[6]. Каждый из методов обработки поверхности имеет свои достоинства и

недостатки, а также ограничения по применению. К достоинству многих из

этих методов можно отнести относительно невысокую стоимость, высокую

скорость создания покрытий или защитных слоев, к недостаткам - проблемы

5

адгезии, появление дефектов, ограничения, накладываемые размером ванн, печей, вакуумируемого пространства, изменение геометрии детали после обработки [4]. К недостаткам многих методов обработки поверхности можно также отнести невысокую экономическую эффективность, потому что часто процессы создания слоев или покрытий сопровождаются длительным высокотемпературным нагревом, ограничением массогабаритных размеров, хрупкостью получаемых слоев. Высокие температуры могут приводить к изменению структуры металла, снижению прочностных свойств, поводкам и низкому выходу годного [9]. Поэтому актуальным является развитие других методов модификации металлической поверхности с минимальным или низким термическим воздействием, в частности, методов ионной имплантации [7], электроискрового легирования [5], микродугового оксидирования [6], технологии минеральных покрытий [4].

Защита материалов от износа и коррозии, снижение трения пар материалов путем нанесения защитных покрытий или же модификации поверхности является одним из важных направлений развития материаловедения, успешное продвижение которого позволяет значительно уменьшить расход металлов, повысить качество и долговечность работы оборудования, существенно увеличить производительность труда, сэкономить материальные, трудовые и энергетические ресурсы. Каждый из методов защиты материалов от износа по разным причинам имеет свою нишу с учетом условий работы, нагрузки, состояния окружающей среды, возможности замены и технического обслуживания [4].

Разработанная в НПО «Геоэнергетика» оригинальная технология

создания модифицированных минеральных слоев представляет собой

комплексную технологию формирования поверхностей пар трения

механических систем, основанную на использовании особого класса

материалов модификаторов - минералов природного происхождения [10].

Использование минеральных слоев (минеральных покрытий) на различных

6

деталях - узлах подшипников скольжения, шейках валов, деталях зубчатых зацеплений в редукторах, роликах прокатного оборудования - показало прекрасные эксплуатационные характеристики [4, 11-12]. Практика показала, что применение минеральных покрытий на узлах, агрегатах, деталях, сокращает энергопотребление и повышает энергоэффективность производства за счет увеличения срока службы деталей и повышения эффективности их работы [13]. Анализ опыта использования минеральных покрытий на некоторых предприятиях России показал не только значительную экономию средств и ресурсов, но и возможность обретения предприятиями решающего конкурентного преимущества при работе деталей в условиях агрессивной среды [4].

Многие эксплуатационные испытания показали, что детали с минеральными слоями хорошо работают, во многих случаях демонстрируя преимущество над многими существующими в настоящее время защитными покрытиями [4]:

- в морской воде, соляном тумане, сероводороде, абразивной пыли, при повышенной влажности, в присутствии различных кислот и другой агрессивной среде;

- при высокой температуре (до 900 0С) и термоциклических нагрузках в широком диапазоне температур.

Учитывая достоинства технологии, минеральные покрытия были созданы на металлических деталях, которые успешно функционируют в составе [4]:

- спецтехники морского флота;

- плавучей атомной электростанции «Академик Ломоносов»;

- Камчатской (Мутновской) геотермальной станции;

- ТЭЦ ОАО «Мосэнерго»;

- нескольких металлургических комбинатов.

Однако до настоящего времени варианты теоретического объяснения эффектов, возникающих при модификации поверхности металлов ультрадисперсными частицами минералов природного происхождения, пока носят характер предположений. Зачастую также отсутствует достоверная информация о свойствах модифицированных слоев на поверхности различных металлов.

Степень разработанности проблемы

Прикладные исследования по развитию технологии минеральных покрытий и результатам ее применения в разное время проводились по следующим направлениям [11]:

- исследования свойств минеральных материалов;

- исследование свойств покрытий из минеральных материалов и технологии их формирования;

- исследование параметров и характеристик деталей, узлов и механизмов с минеральными покрытиями.

Кратко охарактеризуем технологию и опишем ее основные процессные шаги. Суть технологии заключается в создании модифицированного поверхностного слоя, обычно толщиной 5 - 30 мкм, путем его пластического деформирования с помощью ультразвукового и механического воздействий, активирующих вхождение ультрадисперсных частиц минералов в объем металла, а также процессов, пока охраняемых в режиме ноу-хау [14].

Базовая процедура модификации поверхности металла по технологии минеральных покрытий состоит из четырех этапов [14]: электроискровая обработка поверхности; текстурирование поверхности; внедрение ультрадисперсных частиц в поверхностный слой при помощи ультразвуковой установки; использование шариковых и роликовых накаток при обработке поверхности. В результате формируется поверхностный слой, имеющий

высокие антифрикционные, износостойкие, противозадирные свойства [4].

8

Базовая технология служит основой для дальнейшей разработки маршрутных и рабочих технологий, в том числе являющихся ноу-хау, для получения необходимых характеристик поверхностных слоев [14].

При практическом применении также важно, что технология не меняет геометрические размеры деталей, минеральные слои могут быть созданы локально, все технологические операции проводятся на воздухе при комнатной температуре, локальный нагрев не превышает 80 0С [4, 13].

Здесь нужно подчеркнуть, что в работах [15-17] нами было установлено, что технология минеральных покрытий не создает покрытия как такового, а создает модифицированный слой глубиной до 30-50 мкм. Учитывая, что термин «минеральное покрытие» является достаточно распространенным и устоявшимся, мы решили использовать его, подразумевая под этим термином поверхностный слой металлического образца или детали, обогащенный частицами минералов.

Очевидно, что за исключением технологических процессов, охраняемых в режиме ноу-хау, технология минеральных покрытий является комбинацией нескольких известных технологических методов упрочнения поверхности: электроискровой обработки, ультразвуковой обработки, пластической деформации (накатки). Сочетание этих методов обработки поверхности в одном технологическом цикле приводит к изменению физического и структурного состояния поверхностного слоя, изменению его физических параметров. Другой частью технологии являются смеси минералов ультрадисперсного помола, частицы которых внедряются в приповерхностное пространство при помощи некоторых из этих методов. Смеси минералов (состав и степень помола), используемые для различных случаев, в настоящее время также охраняются в режиме ноу-хау.

Кратко охарактеризуем указанные выше элементы технологии минеральных покрытий.

1. Электроискровая обработка поверхности

Механизм воздействия представляет собой совокупность процессов контактного переноса материала электрода, эрозионного и термохимического процессов. Сущность процесса электроискрвого легирования состоит в разрушении материала анода при искровом разряде и переносе его на упрочняемую поверхность - катод. При импульсном воздействии тока, локальном нагреве и переносе материала происходит образование сопутствующих химических соединений, новых фаз материала, оксидов и пр. Доминирование одного из вышеперечисленных процессов зависит от режимов обработки и материала легирующего электрода [5]. В зависимости от задачи, для материала анода могут быть использованы графит, сталь, хром-марганец, карбиды вольфрама и титана.

2. Изменение структуры и свойств металлической поверхности при помощи ультразвуковой обработки.

Технически метод представляет собой совокупность устройств по передаче ультразвуковых колебаний рабочему инструменту (обычно индентору). Физически состояние поверхностного слоя детали определяется как результат двух конкурирующих процессов: упрочнения (наклепа) и разупрочнения, происходящего из-за развития микродефектов в поверхностном слое. Применение ультразвуковой обработки приводит к возрастанию поверхностной твердости на 10-30%, создает возможность повышения твердости таких крупных и массивных деталей, как валы прокатного стана, авиационные лопатки, штампы [7]

3. Пластическое деформирование поверхности при помощи ударно-импульсной упрочняющей обработки (накатки).

Одним из способов воздействия на поверхность металла в технологии минеральных покрытий является использование метода виброударных накаток, являющегося одним из способов ударно-импульсного механического воздействия на поверхность [6]. При этом воздействии

индентор деформирует микронеровности обрабатываемой поверхности.

10

Величина воздействия ограничивается величиной силы, которую можно приложить от инструмента (в связи с тем, что это усилие в качестве реакции целиком передается на механизмы станка). Силы сцепления материала покрытия с материалом основы здесь получаются ниже, чем при ультразвуковой обработке. Подобный метод формирования покрытия можно использовать в случаях, когда силы сцепления покрытия с основой не являются критичными и в случаях, когда под действием рабочего давления в паре трения происходит дополнительное упрочнение материала покрытия.

Для одновременного образования микрорельефа (ямок/углублений) индентор может дополнительно оказывать воздействие вдоль своей оси и вдавливаться в поверхность более или менее перпендикулярно ей. Такое воздействие может осуществляться с помощью электромагнитных приводов, пьезоэлектрических приводов и рычажных систем. Материал вдавливающего индентора - твердые сплавы на основе карбида вольфрама или карбида титана. В результате получается беспорядочное распределение ямок/углублений, которые заполняются измельченными минералами.

В совокупности создается эффект объемного сжатия основного металла и минерала в зоне пластической деформации, и, как следствие этого, упрочнение данного объема.

Режимы формирования покрытий, инструмент и приспособления выбираются, ориентируясь на физико-механические свойства поверхности металла, требуемые конечные характеристики покрытия, параметры режимов работы машин и механизмов.

В совокупности, такая «холодная» обработка создает тонкий слой с включенными в металл минералами, образует микроструктуру с произвольным распределением внедренных частиц. Эффект внедрения частиц зависит от условий внедрения (вида обработки), и параметров образца

Исследование минеральных материалов

В настоящее время используются около 80-ти видов минеральных материалов для создания многофункциональных минеральных покрытий [11, 13, 18].

Таблица 1. Основные виды минеральных материалов, используемых при создании покрытий [11, 18]

Наименование веществ Количество

разновидностей

Серпентиниты Mg6[Si4O1o](OH)8 28

Ряд SiO2 18

Ряд АЬОз 10

Жадеит NaAlSi2O6 4

Графит 2

Алмазы 3

Слюды, например KMg3AlSi3O10(OH)2 4

Циркон 7г^Ю4] 2

Бадделеит 7г02 1

Эвдиалит 1

Оливин Mg1,8Fe0,2[SiO4] 3

Ряд форстерита Mg2SiO4 4

Комбинированные вещества 10

Фундаментальной базой прикладных исследований по использованию минеральных материалов для создания покрытий являются работы по кристаллохимии и кристаллографии д.г.-м.н. В.В. Зуева, д.т.н. Ю.В. Холопова, к.т.н. С.Ю. Лазарева [11-13, 18-19]. Виды используемых материалов определяют по составу и количеству примесей, структурно-фазовому состоянию входящих в смеси компонентов и другим признакам.

Представление о составе пород минеральных материалов, применяемых в технологии минеральных покрытий, можно получить на примере серпентинита, добавляемого в смеси минералов для получения низкого коэффициента трения при трении металла о металл без смазки.

Таблица 2. Вещественный состав серпентинитов [11, 19]

Наименование Химическая формула Содержание, масс %

Серпентин Mg6[Si4Olo](OH)8 60-80

Магнетит FeзO4 5-20

Хлориты (М& Fe2+, Fe3+)[Al Si2Ol6](OH)8 0-10

Слюды AB2-з [T4Olo](OH,F)2 (A=K, Na, Ca и др. В=А1, Mg, Fe T=Si, Al) 0-10

Форстерит Mg4[SiO4] 0-5

Диопсид Ca Mg ^ O6] 0-5

Авгит Ca (Mg, Fe, Л1) [Si, Al)2 O6] 0-5

Амфиболы A2-3 Бз [(Si, Al)4 Oll]2 (OH)2 (A=Mg, Fe2+, Са или Na, В=М^ Fe2+, Fe3+, или Al) 0-5

Гидроталькит Mg6Al2 (ОН)1б [С03]4Н20 0-12

Карбонаты СаСО, CaMg(COз)2 и др. 0-12

Полевые шпаты (ортоклаз) КЛ^Ою] 0-9

Сульфиты (халькоперит) CuFeS2 0-2

Оливин (Mg, Fe)2[SiO4] 0-3

Пироксен ДБ ^Об] (А=и, Са, Mg или Fe2+, В=М^ Fe3+ или А1 0-3

Прочие смеси Асбест, платина, золото, редкоземельные металлы и т.д. 0-5

Серпентиниты (класс слоистых силикатов) имеют ряд кристаллических модификаций, незначительно отличающихся друг от друга: антигорит, лизардит, лизардит-Т, хризотил-асбест, клинохризотил и другие. Все модификации используются для изменения параметров поверхности металлических деталей. За последние 15 лет выполнены работы по исследованию параметров минералов, оптимизации их состава и свойств для решения конкретных триботехнических задач [12, 19, 20].

Необходимо отметить, что классификация природных минеральных материалов, используемых для улучшения параметров поверхности деталей, узлов и механизмов, пока не устоялась и ждет своего исследователя, владеющего системным подходом и имеющего доступ к информации о составах смесей.

Исследование свойств покрытий

Исследование свойств покрытий из минеральных материалов и

технологии их формирования были начаты с момента создания базовых

процессных шагов технологии минеральных покрытий. Своего пика

количество публикаций с исследованием минеральных покрытий достигло к

середине 2000-х годов и связано с исследовательскими работами профессора,

д.т.н. Ю.В. Холопова, к.т.н. С.Ю. Лазарева, профессора, д. геол.-минерал. н.

В.В. Зуева, профессора, д.т.н. В.Н. Половинкина, профессора, д.т.н. В.П.

Алехина и других исследователей работавших с минеральными покрытиями

и ультразвуковым воздействием на поверхность материала [3, 11-13, 19-20].

Большинство работ посвящено прикладным исследованиям свойств и

14

параметров покрытий конкретных деталей и механизмов, в частности, узлов управления турбин для геотермальных станций [21], подшипников, работающих на водяной смазке [11], деталей двигателей внутреннего сгорания [13], деталей турбин [22], зубчатых колес [23] и других. Были исследованы механизмы износа конкретных деталей с минеральными покрытиями, изменения коэффициента трения деталей, величины адгезионных чисел ряда материалов с минеральным покрытием [13], стойкость покрытий в некоторых агрессивных средах [21] и т.д. Специфика минеральных материалов привела некоторых исследователей (С.Ю. Лазарев, Ю.В. Холопов, например работы [11-13, 20, 24]) к предложению нового подхода при описании некоторых свойств материалов на основе энергетических параметров. Так для оценки триботехнических свойств вещества был сформулирован ряд критериев и введены энергетические параметры, такие как энергоплотность вещества, удельная объемная энергия пластической деформации, коэффициент дефектности вещества и другие параметры [11-13], которые были использованы, в том числе, для создания авторами теории безызносности [24].

Однако до настоящего времени, вопросы теоретического объяснения эффектов, возникающих при легировании металлов ультрадисперсными частицами минералов природного происхождения, пока носят характер предположений. Возможно, что причиной изменения свойств минералов при измельчении является проявление одного или нескольких эффектов [11], в частности:

- увеличение удельной поверхности, повышение поверхностной активности частиц малого размера;

- переход вещества в новую модификацию;

- аморфизация кристаллических веществ;

- дегидратация и гидратация.

Например, измерение удельной поверхности измельченного кварца в зависимости от времени измельчения дало следующий результат, таблица 3.

Таблица 3 [25]

Время измельчения 1 2 5 10 15 20 25 60

Удельная 24,5- 60,0- 112,6- 209,5- 240,0- 266,0- 279,0- 317,0-

поверхность, 28,0 81,0 117,0 239,0 278,5 285,0 334,0 436,0

м2/г

Очевидно, что увеличение удельной поверхности приводит к росту интенсивности взаимодействия с окружающими объект другими поверхностями, в частности, увеличивается величина адгезионных сил при формировании покрытий.

При измельчении вещество может переходить в другое фазовое состояние, сохраняя свой химический состав, таблица 4.

Таблица 4 [26]

Исходный минерал Время истирания, ч Образование новых фаз по данным рентгенографического анализа

Исландский шпат СаС03 6 Не обнаружено

24 Арагонит (СаС03) в небольшом количестве

48 Арагонит в большом количестве

Синтетический СёС03 5 Не обнаружено

22 СёО (образец пожелтел)

Родохрозит МпС03 19 Гаусманит Мп3О4

42 Только браунит Мп2О3

Смитсонит 7пС03 23 Преимущественно 7пО

Доломит 24 Деградация структуры

Динамическое давление при измельчении также может приводить к аморфизации поверхностного слоя дисперсных частиц. Например, в таблице 5, приводятся данные по влиянию среды на объем аморфизированной фазы.

Таблица 5 [27].

Среда измельчения

Воздух Воздух +1,2% воды Воздух+80% воды

Удельная поверхность м2/г Содержание аморфной фазы, % Удельная поверхность м2/г Содержание аморфной фазы, % Удельная поверхность м2/г Содержание аморфной фазы, %

9,4 6,2 9,4 3,1 9,4 3,1

18,8 100 18,8 9,4 18,8 9,4

- - 50,0 50,0 50,0 28,1

- - - - 140,6 92,2

В работе [13] подчеркивается, что если даже в кварце можно при измельчении получить аморфизованные слои, то при переработке и измельчении минералов с более сложной структурой вполне вероятным является изменение структуры этих минералов.

Известным примером дегидратации при измельчении минеральных веществ является потеря воды при сухом измельчении гипса [28]. В процессе измельчения в мельнице он теряет кристаллизационную воду, обволакивает мелющие тела и стопорит измельчение.

Процесс гидратации обычно происходит при измельчении некоторых минеральных веществ в воде. В таблице 6 представлено изменение содержания воды в слюдах на примере мусковита и флогопита [13, 28].

Таблица 6. Гидратация слюд при измельчении в воде [13]

Время измельчения, мин. 0 (исходный) 10 15 30

Материал Количество Н20, удаленной при 105 0С, %

Мусковит 0,07 2,49 6,73 6,79

Флогопит 0,04 2,26 3,26 4,67

Также можно выделить особенности природных материалов, которые, возможно, способствуют достижению уникальных параметров поверхности, модифицированной минералами [13, 24]:

- минералы сформировались под воздействием высоких давлений и температур, которые недостижимы при промышленном получении;

- минералы получают из горных пород, содержащих значительное количество примесей, которые в ряде случаев могут быть полезными и улучшать свойства природного материала;

- минералы содержат до сотни различных атомов различных веществ в одной молекуле, при этом атомы могут быть объединены в группы, которые могут менять свои аллотропические состояния при различном воздействии на поверхность образца или детали.

Однако, несмотря на имеющийся задел выполненных научных работ по

исследованию свойств деталей, подвергнутых воздействию технологии

минеральных покрытий, оказалось, что микроструктура модифицированного

минералами слоя так и не была исследована. До недавнего времени было

неизвестно, что же все-таки представляет металлическая поверхность после

18

применения процессов технологии минеральных покрытий: это покрытие или модифицированный слой? Исследователи, инженеры и менеджеры оперировали устоявшимся термином «минеральное покрытие» не давая пояснение, что же оно собой представляет.

Также нужно отметить, что к экспериментальным данным, опубликованных во многих статьях, имеется много вопросов, остающихся без ответа из-за отсутствия важных деталей, что приводит к тому, что часть экспериментов невозможно повторить и корректно интерпретировать, а также использовать при расчетах. Ситуация усложняется тем, что существует проблема корректности измерения физико-механических свойств тонких покрытий и тонких модифицированных слоев [29], возникающая из-за наличия факторов, приводящих к методическим ошибкам для некоторых методов измерения износостойкости, твердости, модуля упругости и т.д.

Расчетные модели и сущностные причины, лежащие в их основе, могут быть проверены, в том числе на основе качественных экспериментальных данных. В настоящее время, попытки расчетов и построения моделей (даже качественных) поверхности с ультрадисперсными частицами минералов природного происхождения по молекулярно-механической теории или на основе упомянутого выше энергетического подхода дают значения, на порядки величины отличающиеся от экспериментальных [30-31]. На наш взгляд, проблема, в том числе в корректности результатов измерений, в дальнейшем используемых при расчетах по любой из моделей.

В частности, износостойкость, наряду с другими триботехническими

параметрами является одной из важнейших интегральных характеристик

поверхности. Относительно небольшая величина покрытия или

модифицированного слоя (в нашем случае от единиц микрон до нескольких

десятков микрон) создают сложности корректного измерения некоторых

физико-механических свойств покрытий или слоев. Традиционно контактные

методы измерения параметров предполагают внедрение индентора вглубь

19

материала от поверхности. Отклик на физическое воздействие в месте контакта будет зависеть от величины упругого деформирования, пластического оттеснения материала, микрорезания, схватывания пленок или поверхностей. Наиболее значительными факторами, вносящими искажение при регистрации отклика, являются шероховатость поверхности, остаточные напряжения и влияние подложки. Влияние подложки или объема основного металла состоит в том, что для системы «модифицированный слой -основной металл» регистрируемый отклик материала при измерении зависит и от свойств слоя и от свойств объема металла. Одним из способов, лишенным некоторых указанных выше недостатков, является метод склерометрии [32]. Учитывая достоинства метода [30, 32], часть измерений была нами выполнена с использованием сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D» [29, 32]. Этот прибор позволяет исследовать механические свойства поверхностей методом склерометрии и проводить испытания на износ [32].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сказочкин, Александр Викторович, 2018 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Гулбрандсен, Т. Х. Энергоэффективность и энергетический менеджмент : учебно-методическое пособие / Т. Х. Гулбрандсен, Л. П. Падалко, В. Л. Червинский. - Минск : БГАТУ. 2010. - 240 с.

2. Национальное богатство и национальный продукт. Книга III. К новому качеству экономического роста и справедливому распределению благ / коллектив авторов под редакцией В. Н.Черковца — М.: Экономический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова. 2016. - 272 с.

3. Половинкин В.Н. Нанотехнологии в судостроении. СПб.:ФГУП ГНЦ «ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова». 2009. - 132 с.

4. Балаш П.В., Кислов С.В., Сказочкин А.В. Малое инновационное предприятие: возможности развития технологии и масштабирования бизнеса / «Инновации», 2015, №12, с.95-105

5. Зенин Б.С. Современные технологии поверхностного упрочнения и нанесения покрытий: учебное пособие /Б.С. Зенин, А.И. Слосман; Томский политехнический университет. -2-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.-120 с.

6. Радченко М.В. Защитные и упрочняющие покрытия. - Барнаул: АлтГТУ, 2010.-130 с.

7. Сорокин, В.М. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин // В.М. Сорокин, А.С. Курников / Курс лекций по дисциплине «Основы триботехники и технология упрочнения деталей» - Н. Новгород. Издательство ФГОУ ВПО ВГАВТ. 2006. - 296 с.

8. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: пер. с англ./ под ред. А.М. Сухотина. -Л.: Химия. 1989. - 456 с.

9. A.A. Ильин, Б.А. Колачев, И.С. Полькин Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. - 520 с

10.Кислов С.В, Кислов В.Г., Лазарев С.Ю. «Способ формирования комбинированного минерального поверхностного слоя на металлических деталях, защищающего их от воздействия агрессивных сред и с заданными триботехническими свойствами». Патент на

97

изобретение №2421548 от 20.06.2011 г., заявка 2009142259/02, дата подачи 18.11.2009 г.

11.Грушев В.В., Лазарев С.Ю. Промышленное применение минеральных покрытий и ультразвуковой обработки - Чита: ЗабГУ. 2012. - 144 с.

12.Холопов Ю.В. Машиностроение: ультразвук: УЗС, БУФО, ГЕО / проф. Ю.В. Холопов. - СПб: ООО «Типография «Береста». 2008. - 328 с.

13. Лазарев С. Ю. Машины с аномально низким трением. - СПб.: Изд-во Военно-морской академии им. адм. Н. Г. Кузнецова. 2004. - 162 с.

14.Skazochkin A.V., Useinov A.S., Kislov S.V. Surface hardening of titanium alloy by minerals / Letters on Materials / 2018, №8(1), pp. 81-87. DOI: 10.22226/2410-3535-2018-1-81-87. Электронный доступ:

https://lettersonmaterials.com/Upload/Journals/2502/81 -874.pdf

15.Kislov S.V., Kislov V.G., Skazochkin A.V., Bondarenko G.G., Tikhonov A.N. Effective mineral coatings for hardening the surface of metallic materials / Russian Metallurgy (Metally), 2015, №7, с. 558 - 564. DOI: 10.1134/S0036029515070095.

Кислов С.В., Кислов В.Г., Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Тихонов А.Н. Эффективные минеральные покрытия для упрочнения поверхности металлических материалов / Металлы, 2015, №4, с.56-63

16.Кислов С.В., Балаш П.В., Кислов В.Г., Сказочкин А.В. Исследование некоторых трибологических параметров металлической поверхности, модифицированной минералами / журнал «Насосы. Турбины. Системы», 2016, №4, с.35-45.

17.Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Тихонов А.Н. О некоторых свойствах и практике применения минеральных покрытий / Сборник материалов Всероссийской научной конференции «Новые материалы. Приборы. Технологии», 9 декабря 2016 года, Москва, МИЭМ НИУ «Высшая школа экономики».-М.-МИЭМ НИУ ВШЭ. 2017, с.12-15

18.Зуев В.В. Остовно-электронная кристаллохимия как основа объяснения конституции и свойств минералов. СПб: ООО «АНТТ-Принт». 2012. -199 с.

19.Зуев В.В. Конституция, свойства минералов и строение Земли. - СПб.: Наука. 2005. - 402 с.

20. Лазарев С.Ю., Токманев С.Б., Хмелевская В.Б. К вопросу о критериях выбора природных минеральных материалов и других веществ для покрытий разного назначения / Металлообработка, 2006, №3(33), с.29-35

21.Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю., Кислов В.Г. Опыт освоения технологий минеральных покрытий и мощного ультразвука на Калужском турбинном заводе / Металлообработка, 2003, №1(13), с.44-46

22.Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю., Митрофанов Е.А. Экспериментальные исследования влияния минеральных покрытий и безабразивной ультразвуковой финишной обработки на снижение коэффициентов трения деталей и механизмов крупных турбин / Металлообработка, 2002. - №6, с.39-42

23.Хмелевская В.Б., Лазарев С.Ю., Алексеев С.Б., Козлов Ф.В., Порозов В.А. Исследование свойств минеральных покрытий на зубчатых колесах / Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Материалы 9-й практической конференции 10-13.04.2007, Санкт-Петербург, изд-во СПб Политехнического университета. 2007, ч.2, с.290-299.

24.Зуев В.В., Лазарев С.Ю. Новые энергетические подходы к описанию физико-химических свойств минералов и других твердых тел / Металлообработка, 2002, №4(10), с.31-34

25.Юсупов Т.С., Голосов С.И., Гусев Г.М. и др. Деструкция некоторых сульфидов и окислов в процессе тонкого измельчения и механической активации / Труды 9-го Международного конгресса по обогащению. Прага, 1970, с.22-26

26.Jamson I.C., Goldsmith J.G. Some reactions produced in Carbonates by Grinding / American Mineralogist, 1960, v.45, p.818-824

27.Молчанов В.И., Юсупов Т.С. Физические и химические свойства тонкодиспергированных минералов. М.: Недра. 1981, 160 с.

28.Кляровский В.М., Гусев Г.М., Архипенко Д.К., и др. Опыт моделирования процесса выветривания слюд. - В кН. Количественный анализ минералов и горных пород физическими методами. -Новосибирск. 1965. с.63-74

29.Усейнов А., Кравчук К., Львова Н. Измерение износостойких сверхтонких наноструктурированных покрытий / Наноиндустрия, 2011, №4, с. 46-50

30.Усейнов С., Соловьев В., Гоголинский К., Усейнов А., Львова Н. Измерение механических свойств материалов с нанометровым пространственным разрешением / Наноиндустрия, 2010, №2, с.30-35

31. Усейнов А., Кравчук К, Масленников И. Индентирование: измерение твердости и трещиностойкости покрытий /Наноиндустрия, 2013, №7(45), с.48-56

32.Усейнов А., Усейнов С. Измерение механических свойств методом царапания / Наноиндустрия, 2010, №6, с.28-32

33. Лазарев С.Ю. Компрессоры с аномально низким трением / Металлообработка, 2002, №5, с.37-44

34.Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю. О некоторых результатах повышения эксплуатационных параметров станочного оборудования при использовании ультразвука и минеральных покрытий пар трения / Металлообработка, 2002, №2, с.43-47

35.Лазарев С.Ю., Зуев В.В., Холин А.Н., Повышение надежности оборудования горнорудных предприятий за счет геоактивации пар трения / Обогащение руд, 2000, №4, с.39-42

36.Лазарев С.Ю. К вопросу о критериях качества защитных пленок и покрытий / Металлообработка, 2001, №2, с.22-26

37.Лазарев С.Ю., Кислов В.Г., Холопов Ю.В., Опыт применения технологии БУФО и минеральных покрытий в продукции Калужского турбинного завода / Станочный парк, 2004, №10, с.12-23

38.M. Woydt and N. Kelling Testing the tribological properties of lubricants and materials for the system "piston ring/ cylinder liner" outside of engines / Industrial Lubrication&Tribology, Vol. 55, No. 5, 2003, p. 213-222

39.B. Loffelbein, M. Woydt and K.-H. Habig Sliding friction and wear of ceramics in neutral, acid and basic aqueous solutions WEAR, Vol. 162-164, 1993, pp. 220-228

40.Булах А.Г. Общая минералогия. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2002. - 364 с.

41.Должанский П.Р., Доброхотов С.Э. Повышение эксплуатационной надежности рабочих лопаток последних ступеней турбин Т-250/300-240 //Надежность и безопасность энергетики, 2008, №1, с.56-59. Электронный доступ: [http://www.sigma08.ru/images/jurnal.pdf]

42.Поваров O.A., Станиша Б., Рыженков В.А. Исследование эрозионного износа рабочих лопаток паровых турбин // Теплоэнергетика, 1988, №4, с.66-69.

43.Рыженков В.А. Состояние проблемы и пути повышения износостойкости энергетического оборудования ТЭС // Теплоэнергетика. - 2000. - № 6, с. 20-25

44.Кислов С.В, Кислов В.Г., Иванчишина Т.К. «Установка для нанесения комбинированного минерального покрытия». Патент на полезную модель № 84280 от 10.07.2009 г.

45.Zhou W., Wang Z. Scanning microscopy for nanotechnology. New York: Springer, 2006. 522 p.

46.Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия для материаловедения. М.: «Техносфера», 2006 , 255 с.

47.Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В. Основы материаловедения (под ред. Г.Г.Бондаренко). - М : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 760с.

48.Кислов С.В., Балаш П.В., Кислов В.Г., Сказочкин А.В. Минеральные многофункциональные покрытия - новый вид защитных покрытий для конструкционных материалов / Коррозия территории «Нефтегаз», 2016 №3, с.80-84

49.Kislov S.V., Kislov V.G., Balasch P.V., Skazochkin A.V., Bondarenko G.G.and Tikhonov A.N. Wear resistance of a metal surface modified with minerals / Materials Science and Engineering / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 110 (2016). DOI: 10.1088/1757101

899Х/110/1/012048. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/110/1/012096/pdf, (дата обращения: 02.06.2018).

50.Bondarenko G., Kislov S., Skazochkin A., Kislov V., Balash P., Tikhonov A. New Mineral Coverings: Technology, Opportunities, Commercialization / 9-th International Conference "New Electrical and Electronic Technologies and their Industrial Implementation", Zakopane, Poland, June 23-26, 2015, p.99

51.Kislov S.V., Kislov V.G., Balasch P.V., Skazochkin A.V., Bondarenko G.G., Kulagin V.P., Tikhonov A.N. Mineral coating: technology features, commercialization opportunities / Сборник трудов XIII Российско-Китайского Симпозиума "Новые материалы и технологии". Под общей редакцией академика РАН К.А.Солнцева. В 2-х томах, М.: Интерконтакт Наука, 2015, с.296-299.

52.Кислов С.В., Кислов В.Г., Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Тихонов А.Н. Новая технология повышения износостойкости металлической поверхности и возможности ее использования на предприятиях аэрокосмической отрасли / В сборнике: Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России. Сборник докладов II Международной научно-технической конференции (посвящается 85-летию со дня основания ФГУП «ВИАМ» - ведущего материаловедческого центра страны), 2017. С.26-38.

53.3D-эффект при измерении шероховатости поверхности / журнал «Твердый сплав», электронный доступ: [http://tverdysplav.ru/3d-effekt-pri-izmerenii-sherohovatosti-poverhnosti/]

54.Scholz C., Spaltmann D., Woydt M. Slip-rolling resistance of thin films and high toughness steel substrates under high Hertzian contact pressures. WEAR, 2011, Vol. 270, Issues 7-8, p. 506-514.

55.Кислов С.В., Балаш П.В., Кислов В.Г., Сказочкин А.В. Использование минеральных покрытий для повышения износостойкости хромсодержащих коррозионно-стойких сталей / Химическая техника, 2016, №8, с.20-30

56.Маталин A.A. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985.- 496 с.

57.Похмурский В.И. Коррозионная усталость металлов. - М.: Металлургия, 1985. -207 с.

58.Прокофьев А.А. Технологическое повышение коррозионной стойкости резьб насосно-компрессорных труб: автореф. дис. канд. технических наук, Московский государственный индустриальный университет. -Москва, 2013. - 24 с.

59.Сароян А.Е., Субботин М.А. Эксплуатация колонн насосно-компрессорных труб. - М.: Недра, 1985.-217 с.

60. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.

61.Кислов С.В., Кислов В.Г., Балаш П.В., Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Тихонов А.Н. Повышение износостойкости резьбового соединения стальных насосно-компрессорных труб при нанесении минерального покрытия / Нефтегазовое дело, 2015, №4, с.216-230.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ от 15.01.2016 г.

«О РЕЗУЛЬТАТАХ ИСПЫТАНИЙ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

НА ОБРАЗЦАХ ИМИТ1Т"П'1'

г. Калуга

,ЛЮ

/Кислое С.В./

А.Г./

еоэнергетика»

ОАО «Пензтяжпромарматура»

В соответствии с Договором №ПТПА 1508/370 от 24.08.2015 г. на ОАО «ПТПА» были изготовлены:

1. Образцы-имитаторы уплотнительных поверхностей арматуры.

2. Образцы-имитаторы для проведения испытаний на 2-х угловой изгиб и стойкость в камере повышенной влажности.

Внешний вид образцов:

1. Образцы представляют собой цилиндрические детали с центральным отверстием и с нанесением на одну из торцевых поверхностей исследуемого минерального покрытия - для определения износостойкости и коэффициента трения.

2. Образцы представляют собой плоские детали:

2.1 Размерами 220x50 мм - образец для определения пластичности.

2.2 Размерами 150x100 - образец для определения коррозионной стойкости.

Материал образцов: сталь 20X13, сталь 20, сталь 45Х. наплавки.

ООО «НПО «Геоэнергетика» провело работы по нанесению комбинированных минеральных покрытий на образцах имитаторах (деталях пар трения) по чертежам заказчика.

В соответствии с Договором и программе испытаний ОАО «ПТПА» на образцах с минеральным покрытием проведены следующие испытания:

1. Испытание на износостойкость.

Испытания проводились на стенде возвратно-поступательного перемещения. Триботехнические испытания показали значительное повышение износостойкости образцов с минеральным покрытием (в 4-5 раз, 500-600%) по сравнению с износостойкостью исходных образцов. На протяжении испытаний образцы с минеральным покрытием прирабатывались, понижая шероховатость. После завершения испытаний приработанная поверхность имела шероховатость Яа 0,1.

2. Определение фрикционных свойств.

В ходе приработки образцов поверхности трения показывали склонность к выглаживанию. В ходе испытаний образцов с минеральным покрытием наблюдалось снижение коэффициента трения по сравнению с коэффициентом трения на образцах без минерального покрытия с Яа 0,6 до Яа 0,3.

3. Испытания противозадирных свойств.

В результате испытаний на стенде образцы с минеральным покрытием показали отсутствие задиров и признаков схватывания. В процессе приработки наблюдалось выглаживание образцов с понижением шероховатости до Яа 0,1 (зеркально-гладкая поверхность).

4. Испытание на пластичность.

Испытание на пластичность проводилось в специальной оснастке по ГОСТ Р 9.317-2010, п.5.2. Образец с минеральным покрытием выдержал испытание на пластичность (2-х угловой изгиб) с прогибом 0,5 мм. Трещины и расслоения не обнаружены. Соответствует указанному выше ГОСТ.

5. Испытание на коррозионную стойкость.

Испытания проводились в камере с повышенной влажностью с автоматическим поддержанием установленного режима температуры (40±3)°С и относительной влажности окружающего воздуха (97±3)%. При испытаниях контролировался внешний вид минерального покрытия до начала испытаний, после испытаний продолжительностью 130 часов и после испытаний продолжительностью 650 часов. Перед проведением испытаний на воздействие повышенной влажности воздуха проведена проверка внешнего вида образцов наружным осмотром.

В соответствии с протоколом испытаний №21-52 НПО «Старт» после 130 часов проведена проверка внешнего вида наружным осмотром. На всех образцах коррозии не обнаружено. Испытание было продолжено до 650 часов, после испытания проведена проверка внешнего вида наружным осмотром. На всех образцах следы коррозии, вздутия, трещин и расслоений не обнаружены.

Несмотря на то, что шероховатость не являлась основным параметром, контроль шероховатости осуществлялся профилометром на всех образцах до и после нанесения

2

минерального покрытия. Значения шероховатости (Яа) образцов с минеральным покрытием находилось в пределах (1,66-3,93). После триботехнических испытаний на износостойкость наблюдалось выглаживание образцов с понижением шероховатости доЯа 0,1.

Выводы

1. Триботехнические испытания показали значительное повышение износостойкости образцов с минеральным покрытием (в 4-5 раз, 500-600%) по сравнению с износостойкостью исходных образцов.

На протяжении испытаний образцы с минеральным покрытием прирабатывались, понижая шероховатость до Яа 0,1 •

2. В результате испытаний на стенде образцы с минеральным покрытием показали отсутствие признаков схватывания.

3. Образец с минеральным покрытием выдержал испытание на пластичность (2-х угловой изгиб) с прогибом 0,5 мм. Трещины и расслоения не обнаружены. Соответствует ГОСТ Р 9.317-2010, п.5.2.

4. После 650 часов испытаний на коррозионную стойкость в камере повышенной влажности следов коррозии, вздутия, трещин и расслоения на всех образцах не обнаружено (НПО «Старт», протокол испытаний №¡21-52).

5. По результатам испытаний сделан вывод о возможности использования минеральных покрытий на различных деталях запорной арматуры, в частности на запорном узле затвора фонтанной арматуры (давление среды 42 МПа, удельное давление на детали узла затвора 88 МПа).

6. Рекомендовано ознакомить инженерно-технический состав ОАО «ПТПА» с результатами настоящих испытаний для определения объектов применения технологии минеральных покрытий с целью повышения конкурентоспособности и надежности работы изделий ОАО «ПТПА».

от ООО «НПО «Гсоэнергетика»

Технический директор

/Кислов В. Г./

от ОАО «Пензтяжгшомарматура»

Главэдй'рарщик

_/ Ерофеев А.Д. /

Заместитель генерального директора по разв1}тикги инновациям

/ Сказочкин А. В./

Руководитель ГРТ

./Данилов В.Н./ 3

Управление по капитальному ремонту скважин и повышению нефтеотдачи пластов

структурное

ул -Л куеЗЯ1 ;:.Qf : , 'Сург/Т. л;< ;ь> >\'3!-'.к,'':>:.*.'< :Г VtOir a л : h.-'r- -./:.'! ',1-: , U* 1> ж, ц.:<> .: ' i

*;п. ;;t',t"i'i ¿м ; с- jvj.r. v- 4f-2r-;\:

07 июня

17

09-02-30-1315

АКТ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

№ 129 Дата составления: «07» июня 2017 г.

Эксплуатационных испытаний гильзы с антифрикционным минеральным покрытием производства ООО «ТМП-Тюмепь».

Основание: программа проведения эксплуатационных испытаний гильзы в составе насоса ,Г\У8-400.

Составлен комиссией в составе:

Члены комиссии: Заместитель начальника управления по производству УКРСиПНП

С 11,10.2016г. по 05.06.2017г. в составе бурового насоса J WS-400 осуществлялась опытно-промышленная эксплуатация гильзы с антифрикционным минеральным покрытием, нанесенным по технологии ООО «ТМП-Тю.чень».

По состоянию на 05.06.2017г. наработка гильзы с минеральным покрытием составила 1277 часов,гильза снята с эксплуатации по причине падения давления в результате износа. Аналогичные гильзы без минерального покрытия начинают показывать падение давления после 150 часов эксплуатации, и приходят в полную негодность при наработке 250-270 часов. Таким образом, результатом опытной промышленной эксплуатации в период с 11.10.2016 по 05.06.2017г. является обеспечение антифрикционным минеральным покрытием увеличения ресурса гильзы более, чем в 5 раз. Учитывая выше изложенное приняты решения:

1. Признать успешными результаты опытно-промышленных испытаний гильзы насоса с минеральным покрытием.

2. Учитывая пятикратное увеличение ресурса, рекомендовать установить гильзы с минеральным покрытием во всех используемых в подразделении буровых насосах.

3. Расширить перечень деталей для опытной промышленной эксплуатации. Согласован, с ООО «ТМП-Тюмень» чертежи деталей, подлежащих нанесению минерального покрытия.

Первый экземпляр - ООО «ТМП-Тюмснь».

Второй экземпляр - ОАО «Сургутнефтегаз», УКРСиПНП.

Член

ОАО «Сургутнефтегаз» Багров И.И.

11ачапьник участка по ремонту оборудования УКРСиПНП ОАО «Сургутнефтегаз» Пащенко И.В.