Применение наноструктурированных покрытий в опорах скольжения буровых долот Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ В ОПОРАХ СКОЛЬЖЕНИЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ

© 2010 И.Д. Ибатуллин, М.В. Ненашев, С.Ю. Ганигин, А.С. Чеботаев, К.П. Якунин, Т.А. Шашкина, А.Р. Галлямов, С.А. Белокоровкин

Самарский государственный технический университет

Поступила в редакцию 31.03.2010

В статье приведены результаты испытаний наноструктурированных серебряно-алмазных и хром-алмазных покрытий. Установлено, что на износостойкость серебряных покрытий существенное влияние оказывает материалы подложки и контртела. Показано, что износостойкость покрытий в опорах буровых долот определяется запасом пластичности наносимого материала.

Ключевые слова: наноструктурированные покрытия, буровое долото, износостойкость

Серебряно-алмазные покрытия. Известно, что при создании тяжелонагруженных опор скольжения на трущиеся поверхности в качестве твердой антифрикционной смазки (в дополнение к консистентной смазке) рекомендуется наносить покрытия из пластичных металлов, среди которых наибольший проти-возадирный эффект обеспечивается серебряными покрытиями. В ООО «НПО «Спецпокрытие» разработана новая технология и оборудование для нанесения на поверхности трения наноструктурированных серебряных покрытий в нецианистых электролитах, содержащих ультрадисперсные алмазы (УДА) с размерами частиц <10 нм. Осаждение покрытий выполняется на асимметричном переменном токе, при этом управлением частотой тока и коэффициентом асимметрии удается в широких пределах управлять свойствами получаемых серебряных осадков. Уникальные свойства серебряно-алмазных покрытий обусловлены способностью поверхностно-активных наноалмазов образовывать кластеры

Ненашев Максим Владимирович, доктор технических наук, проректор по научной работе. E-mail: max71@mail.ru

Ибатуллин Ильдар Дугласович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения». E-mail: tribo@rambler.ru Ганигин Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология твердых химических веществ». E-mail: grail@rambler.ru Чеботаев Александр Сегеевич, аспирант Якунин Константин Петрович, аспирант Балашов Евгений Сергеевич, аспирант Шашкина Тамара Александровна, аспирантка Галлямов Альберт Рафисович, аспирант Белокоровкин Сергей Александрович, аспирант

«алмазное ядро - серебряная оболочка» и осаждаться в таком виде на поверхности при электрохимическом восстановлении. При этом содержание частиц наноалмазов в покрытии весьма незначительно (до 1,0 мас. %). Применение УДА позволяет получать плотные мелкокристаллические молочно матовые и полублестящие серебряные покрытия, обладающие высокой износостойкостью.

Известно, что триботехнические свойства антифрикционных покрытий в существенной мере зависят от материалов основы и контртела. Исследования серебряных покрытий в лаборатории наноструктурированных покрытий и в исследовательской лаборатории ОАО «Волгабурмаш» показали следующее.

1. Пластичное серебряно-алмазное покрытие (I ^«60 кгс/мм2), полученное в дициано-аргентатном электролите на асимметричном токе до 40% превышает по износостойкости покрытия, полученные на цианистом электролите.

2. При использовании в качестве основного металла под серебрение закаленных стальных материалов с медной подложкой (1-2 мкм) удается до 2-х раз повысить износостойкость серебряных покрытий (рис. 1). Эксперименты, проведенные в ОАО «Волгабурмаш», показали что весовой износ посеребренных стальных плавающих шайб (сталь 40Х, ИЯС 45-50) за час наработки при давлении 30МПа составил 28 мг, при этом износ штатных шайб (основной металл - бериллиевая бронза БрБ2) составил 55 мг.

3. Исследования фрикционной совместимости различных материалов, работающих в паре с серебряными покрытиями, показали,

что высокие триботехнические результаты достигаются при использовании в качестве сопряженного материала детонационных твердосплавных покрытий. Проведенные в лаборатории наноструктурированных покрытий исследования противоизносных свойств пары «детонационное покрытие ВК12 - серебряное покрытие» показали (рис. 2), что в данной паре по сравнению с парой трения «сталь 40Х (ИЯС45)-серебро» наблюдается

существенное повышение износостойкости (до 5 раз), критической нагрузки (до 2,5 раз), нагрузки схватывания серебряных покрытий (до 2-х раз), а также снижение момента трения (до 2-х раз) и уменьшение температуры саморазогрева пары трения. Полученные результаты позволяют рекомендовать указанные пары трения для применения в тяжелонагруженных опорах скольжения.

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

□ Момент трения, Н*м

О

<с о

I X ш о

к £

ю со

Ё ° £

ш О

ш О

го-Аю^

I

о

ш

80 70 60 50 40 30 20 10 0

о <с о

£ £ ¡2 £

□ Температура саморазогрева, гр С

к ш

ш О

ю со

ш О

З-Ьй;« Го-Аю^

25 20 15 10 5 0

□ Скорость изнашивания, мкм/ч

о 3 та

<с

ш о X о ш 5 .

н ^

го н ю

н 3 .0 а. го 1_ с

^ о

о с аз

к Ш

ш О

X о чг

ю со

ш О

го-£ ю <и

Рис. 1. Результаты триботехнических испытаний серебряно-алмазных покрытий

а)

Рис. 2. Результаты испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой пар трения «сталь 40Х - серебряное покрытие» (а), «твердосплавное детонационное покрытие -серебряное покрытие» (б) и соответствующие им изображения поверхности трения (в, г).

На рисунке (в) видны следы схватывания

Для оценки конкурентных преимуществ серебряно-алмазных покрытий по сравнению с наилучшими отечественными и зарубежными образцами был проведен сравнительный анализ механических свойств и энергетических параметров повреждаемости материалов покрытий. Исследования показали, что среди исследованных серебряных покрытий наиболее высокий запас пластичности (по величине критической накопленной энергии и структурно-чувствительному коэффициенту) наблюдается у серебряных покрытий долот компании Brush Wellman Inc (США) и у покрытия с УДА (рис. 3). Наиболее твердое и хрупкое серебряное покрытие выявлено на штатных элементах опор ОАО «Волгабурмаш».

Страница 1 из 2

018 2 И„ 8-• S г s 012 1 S- |о ш 60 40 S S.& R-^ 8 S-

18

02

010

8

60

0:33:20 0:41:40 0:50:00

б)

в)

Начальные значения энергии активации пластической деформ ации

О. ш

1 * О) х

_120

Ц00 О80 ЛбО S40 =320 0

PowerGraph - с тв

плавом по сергбру.рэ:

Блок 1: 26.02.2010 11:14:43 100 Hz 1:07:19,36 403936

0:00:00 0:08:20 0:16:40 0:25:00

Время От: 0 s До: 3300 s Точки: 1-330001

Штатное Серебряное Серебряное

серебряное покрытие опор покрытие с УДА

покрытие долот США

ОАО"ВБМ"

Материалы опор буровых долот

а

Критические значения энергии активации пластической деформ ации

О

* §

ф о

3 2

й * О.

ш

ш ° I к

н ар

з £

о

=Е ш з ?

о <

к ср ю ш ср

<и _ О 1=

^ >

ГО о

т £

ГО ~

С £

£ 55

Материалы опор буровых долот

б

Накопленная энергия при разрушении

Штатное серебряное покрытие ОАО"ВБМ"

Серебряное покрытие опор долот США Материалы опор буровых долот

Серебряное покрытие с УДА

в

Рис. 3. Сравнительный анализ энергетических характеристик материалов опор буровых долот: а) начальные значения энергии активации пластической деформации; б) критические значения энергии активации пластической деформации; в) критическая накопленная энергия

Из практики бурения известно, что серебряные покрытия на американских долотах служит до 2 раз дольше, чем аналогичные покрытия на отечественных опорах. Этот факт не может быть объяснен повышенной твердостью или содержанием легирующих элементов. Исследования показали, что покрытия на долотах США имеют на 30% меньшую микротвердость и не содержат упрочняющих добавок (сурьмы и др.). При усталостном изнашивании эффект повышения ресурса материалов может быть обусловлен более высокими значениями критической энергии пластической деформации и запаса пластичности, характеризующих способность материала претерпевать значительные пластические деформации без разрушения. Близкие к американским серебряным покрытиям свойства проявили покрытия с УДА, что позволяет рекомендовать применение композиционных серебряно-алмазных покрытий в опорах отечественных буровых долот.

Хром-алмазные покрытия. Одна из проблем современного долотостроения связана с использованием на радиальных и осевых подшипниках опор твердой наплавки 81е1Ш 160. Данный материал имеет склонность к растрескиванию и выкрашиванию при циклических нагрузках. В качестве альтернативы

наплавке предложено нанесение хром-алмазных покрытий на цапфы буровых долот. Известно, что для повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей узлов трения традиционно применяются 2 типа покрытий: блестящие и матовые. Блестящие покрытия - более твердые (до 1000 кгс/мм2 и выше), лучше сопротивляются абразивному изнашиванию, на поверхности имеется сеть мелких трещин шириной около 100 нм, удерживающих смазку на поверхности, но достаточно хрупкие (выкрашиваются при воздействии циклических нагрузок). Матовые покрытия -менее твердые (600 кгс/мм2), беспористые, за счет более высокой пластичности покрытия хорошо сопротивляются контактной усталости, обеспечивают хорошую защиту от коррозионного воздействия среды, но недостаточно стойки к абразивному изнашиванию. Поэтому решение о выборе конкретного вида покрытия, обеспечивающего максимальную долговечность узла трения требует проведения сравнительного анализа триботехнических свойств покрытий при испытаниях, в которых реализуются механизмы повреждаемости, близкие к тем, которые реализуются при эксплуатации.

Триботехнические испытания проводили на стенде, созданном в лаборатории

наноструктурированных покрытий СамГТУ. Для испытаний были подготовлены цилиндрические образцы, которые по геометрическим характеристикам, материалу и термообработке имитировали цапфы буровых долот, изготавливаемых в ОАО «Волгабурмаш», покрытые двумя видами хром-алмазных покрытий - блестящим, (микротрещиноватым) и матовым. Трение проводилось по схеме «диск-колодка» в среде штатной смазки ХВЬ при давлении, реализуемом в зоне контакта - 30 МПа. Частота вращения - 370 мин-1. Результаты испытаний приведены на рис. 4.

Сравнительный анализ покрытий по износостойкости

40

Линейны й износ, 20-f мкм

0

-а

R Г^

□ Блестящее пкрытие

□ Матовое покрытие

0,72 69072 точек

9:10 100 Hz 0:10:34,56 634Е6 точек

в)

Рис. 4. Сравнительный анализ тиботехниче-ских свойств хром-алмазных покрытий: а, б - эпюры силы трения и нормальной нагрузки при форсированных испытаниях (смазка JBL, контртело - шар из твердого сплава ВК-16); в - сопоставление линейных износов матового и блестящего покрытия

Исследования показали, что в заданных режимах испытаний более высокими трибо-техническими свойствами обладают матовые покрытия, которые при трении обеспечивают более высокую износостойкость (в 2,2 раза), меньшую силу трения (на 25%), лучшую при-рабатываемость (время приработки снижается почти вдвое) по сравнению с блестящими осадками хрома. В связи с полученными результатами обработку цапф на секциях буровых долот рекомендуется выполнять по технологии нанесения матовых покрытий.

Работа проводилась при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям.

б)

APPLICATION OF NANOSTRUCTURED COVERINGS IN SLIDING

BASES OF DRILLING BITS

© 2010 I.D. Ibatullin, M.V. Nenashev, S.Yu. Ganigin, A.S. Chebotaev, K.P. Yakunin, T.A. Shashkina, A.R. Gallyamov, S.A. Belokorovkin

Samara State Technical University

In article results of tests of nanostructured silver-diamond and chrome-diamond coverings are resulted. It is established, that on wear resistance of silver coverings essential influence renders materials of a substrate and a counterbody. It is shown, that wear resistance of coverings in bases of drilling bits is defined by reserve of applied material plasticity.

Key words: nanostructured coverings, drilling bit, wear resistance

Maxim Nenashev, Doctor of Technical Sciences, Deputy Rector on Scientific Work. E-mail: max71@mail.ru Ildar Ibatullin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Technology of Machine Building". E-mail: tribo@rambler.ru

Sergey Ganigin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department "Technology of Firm Chemical Substances". E-mail: grail@rambler.ru Alexander Chebotaev, Post-graduate Student Konstantin Yakunin, Post-graduate Student Evgeniy Balashov, Post-graduate Student Tamara Shashkina, Post-graduate Student Albert Gallyamov, Post-graduate Student Sergey Belokorovkin, Post-graduate Student