CC BY
20УДК 669.018/541.126
ТЕРМООБРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ НАСОСОВ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
HEAT TREATMENT OF WEAR RESISTANT STEELS FOR DRILLING RIG PUMPS
С. M. Никифорова, M. A. Филиппов, Г. H Плотников, А. С. Жилин, С. В. Беликов
S. M. Nikiforova, M. A. Filippov, G. N. Plotnikov, A. S. Zhilin, S. V. Belikov
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»; ОАО « Урал-•машзавод », г. Екатеринбург
Ключевые слова: сталь; термическая обработка; закалка; износостойкость; износ Key words : steel; heat treatment; quenching; wear,resistance; wear; mud pump; austenite; martensite;
deformation; hardening
Цилиндровые втулки являются ответственным, тяжело нагруженным узлом бурового насоса, испытывающего при эксплуатации циклические нагрузки при повышенном переменном давлении в сочетании с интенсивным абразивным воздействием промывочной жидкости, представляющей собой глинистый раствор на водной основе с плотностью до 2000 кг/м3 и содержанием частиц с микротвердостью свыше 12 ООО МПа до 3 % по объему. Сложный характер нагружения обусловливает быстрый выход втулок из строя вследствие гидроабразивного изнашивания и появления недопустимо больших зазоров в узле трения «втулка — поршень». Поэтому выбор технологичного материала для изготовления втулок с высокой эксплуатационной стойкостью остается актуальной проблемой при производстве конкурентно-способных буровых насосов.
Применение вариантов различных классов материалов цилиндровых втулок и технологий их изготовления показало, что углеродистая сталь 60 с закалкой ТВЧ, износостойкие хромистые чугуны типа ЧХ20М не обладают достаточной стойкостью или неприемлемы вследствие хрупкости. Использование химико-термической обработки (цементации и ионного азотирования) и покрытий (хромирование) оказалось неэффективным по технологическим или экономическим соображениям.
В связи с необходимостью выбора износостойких материалов, рациональной технологии производства цилиндровых втулок буровых насосов, а также аналогичных по условиям работы деталей цель работы состояла в изучении влияния температуры нагрева под закалку образцов из высокоуглеродистых сталей перлитного (150ХНМЛ) и мартенситно-карбидного классов (Х12МФЛ) на достижение максимальной износостойкости в сочетании с конструктивной прочностью. Варьирование температуры закалки и последующего отпуска стали Х12МФЛ позволяет также получить минимальные изменения размеров изделий из этой стали при термообработке [1].
Из литых трубных заготовок сталей перлитного (150ХНМЛ) и ледебуритного (Х12МФЛ) классов после нормализации и отпуска были изготовлены образцы размером 10 х 10 х 25 мм для изучения микроструктуры и испытаний на абразивное изнашивание.
116
Нефть и газ
№ 4, 2015
Температуру нагрева образцов под закалку изменяли в широком диапазоне (850-^1170 °С). Выдержка при температуре нагрева составляла 30 м, охлаждение — в масле.
Оценка износостойкости образцов производилась с помощью методики изнашивания по закрепленному образцу, реализованной на специальной установке. Образцы с площадью рабочей части 10x10 мм совершали возвратно-поступательное движение по шлифовальной бумаге 14А32МН481 (ГОСТ 6456-82) на корундовой основе. Нагрузка на образец составляла 10 кг (удельная нагрузка 1 МПа).
Абразивная износостойкость определялась по результатам двух параллельных испытаний, сравнение результатов производили через относительные единицы:
АМэ £ =-,
ЛМо
где £ — относительная износостойкость, АМэ — потеря массы образца-эталона валковой стали 9Х5МФС после закалки от 900 °С и низкого отпуска (0,4100 г) [1], АМо — потеря массы испытуемого образца, которая составляла менее 1 % на пути трения 30 м [2].
Фазовый анализ поверхности образцов после изнашивания определяли методом рентгеноструктурного анализа, упрочнение рабочей поверхности оценивали по приросту микротвердости при нагрузке 0,49 Н.
Исходная структура образцов стали 150ХНМЛ с твердостью около 300 НУ состоит из небольшого количества неравномерно распределенных участков карбидной эвтектики (ледебурита) (в среднем около 5 %), вторичного цементита по границам и внутри зерен и продуктов диффузионного распада аустенита. Образцы стали Х12МФЛ имеют ячеисто-дендритную структуру с размером ячеек 20-30 мкм, состоящую из аустенит-но-карбидной эвтектики в количестве около 25 %, образовавшейся по границам первичных кристаллов аустенита, продуктов диффузионного распада аустенита и вторичных карбидов внутри ячеек (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура стали XI2МФЛ после закалки от разных температур:
а — 1170 °С, б^1000°С
Температура нагрева под закалку оказывает существенное влияние на структуру обеих сталей. При температуре нагрева 850 °С в структуре образцов стали 150XHMJI наряду с мартенситом сохраняется избыточный цементит в виде сетки по границам и пластин внутри зерен (рис. 2). В результате повышения температуры нагрева до 1 000 °С структура стали 150XHMJI представлена мелкоигольчатым мартенситом с равномерно распределенными карбидами и раздробленной карбидной сеткой, при температуре выше 1000 °С заметно увеличивается размер кристаллов мартенсита; мартенсит становится крупноигольчатым. С увеличением температуры аустенитизации наблюдается закономерное увеличение размера зерна (см. рис. 2), особенно заметное после нагрева стали 150XHMJI при температурах выше 1 000 °С в связи с тем, что при этих температурах происходит интенсивное растворение сетки вторичного цементита. По данным [3], температура нагрева 1 050 °С превышает точку Асш стали 150XHMJI.
Металлографическая картина изменения структуры в результате повышения температуры закалки в стали Х12МФЛ значительно отличается от стали 150ХНМЛ, так как
№ 4, 2015
Нефть и газ
117
все структурные изменения происходят внутри ячеек - наблюдается уменьшение количества вторичных карбидов и появление участков остаточного аустенита, в то время как размер ячеек, окруженных эвтектикой, остается неизменным.
Рис. 2. Микроструктура стали 150ХМНЛ после закалки от разных температур:
а — 1170 °С, б—1000 °С
Повышение температуры нагрева под закалку вызывает постепенное растворение вторичных карбидов М3С в стали 150ХНМЛ и М7С3 в стали Х12МФЛ, и это приводит к увеличению количества остаточного аустенита в стали 150ХНМЛ от 0 до 25 % при = 900 °С и 1 170 °С соответственно и в стали Х12МФЛ — от 0 до 70 % при тех же температурах аустенитизации.
Прогрессирующее по мере повышения растворение вторичных карбидов и насыщение твердого раствора углеродом и хромом стали 150ХНМЛ обусловливают снижение твердости НЯС, сначала незначительное, а вследствие увеличения количества остаточного аустенита после нагрева выше 1 100 °С — уменьшение твердости от 53 НЯС (при гзак = 1 100 °С) до 42 НЯС (при гзак = 1 170 °С) (рис. 3).
Величина твердости зависит от соотношения двух основных, противоположно действующих факторов: увеличения количества остаточного аустенита, снижающего твердость, с одной стороны и роста концентрации углерода в мартенсите, повышающего твердость, с другой стороны. Начиная с температур аустенитизации 1 000 °С для стали 150ХНМЛ, первый фактор превалирует, что вызывает снижение твердости сталей после закалки. Качественно аналогичное изменение фазового состава по мере повышения температуры нагрева под закалку обнаружено и в стали Х12МФЛ, уменьшение твердости в которой составило от 59 НЯС (при Хзак = 1 100 °С) до 49 НЯС при температуре нагрева под закалку 1 170 °С (см. рис. 3).
Рис. 3. Диаграмма изменения твердости сталей после закалки отразных температур: 1 — 900 °С; 2 — 1 000 °С; 3 — 1 050 °С; 4 — 1 170 °С
118
Нефть и газ % 4, 2015
Насыщение аустенита углеродом и легирующими элементами приводит к повышению устойчивости переохлажденного аустенита, снижению критической скорости закалки и, как следствие, увеличению прокаливаемости.
Результаты испытаний образцов сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ на абразивное изнашивание после закалки от различных температур представлены на рис. 4.
■ 150ХНМЛ Х12МСЫ
3,5
11
Рис. 4. Диаграмма изменения износостойкости сталей после закалки отразных температур: 1 — 900 °С; 2 — 1 ООО °С; 3 — 1 050 °С; 4 — 1 170°С
В противоположность твердости, износостойкость сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ возрастает при повышении температуры нагрева под закалку, в особенности, начиная с 1100 °С (см. рис. 4).
Отмеченные особенности влияния на износостойкость сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ подтверждают литературные данные о положительной роли метастабильного остаточного аустенита по отношению к деформационному мартенситному превращению в обеспечении высокой абразивной износостойкости [1]. Рентгеноструктурный анализ показал, что после закалки от температуры 1 170 °С количество остаточного аустенита в исследуемых сталях уменьшается в результате испытаний на изнашивание до 10-15 %. Рост износостойкости обусловлен увеличением количества деформационного а-мартенсита с высоким содержанием углерода на поверхности износа по мере повышения и увеличения способности остаточного аустенита к фрикционному упрочнению. Более значительное увеличение износостойкости с повышением температуры аустенитизации происходит у стали Х12МФЛ, в которой превращается в мартенсит до 50 % остаточного аустенита, и сохраняется большее количество карбидов.
Наибольшая износостойкость сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ обеспечивается после закалки от 1170 С. Данные рис. 4 указывают на то, что существует корреляция между максимальными значениями относительной износостойкости и микротвердости рабочей поверхности обеих сталей после изнашивания. В связи с этим для оценки сопротивления изнашиванию целесообразно использовать величину эффективной микротвердости (НУЭфф), которая складывается из исходной микротвердости (НУ0) и прироста микротвердости (АНУ) на поверхности изнашивания [4]. Роль НУЭфф в обеспечении износостойкости видна на примере закаленных сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ: после закалки от 1 170 °С они имеет минимальную исходную твердость, однако обладают наибольшим сопротивлением абразивному изнашиванию (см. рис. 4). Это связано с высокой способностью метастабильного остаточного аустенита к деформационному упрочнению, которое определяется по приросту микротвердости рабочей поверхности образцов, достигающему ~ 500 НУ50 [5]. Твердость и износостойкость после высокотем-
№ 4, 2015
Нефть и газ
119
пературной закалки сохраняются в стали Х12МФЛ до температуры отпуска 550 °С, в то время как после закалки от нормальной температуры заметное разупрочнение начинается при отпуске при температуре 500 °С.
С позиций синергетического полхода метастабильный аустенит в наибольшей степени, среди других структурных составляющих, обладает свойствами динамических структур: адаптацией, самовоспроизведением, изменчивостью, отбором наиболее устойчивой структуры, способностью к упрочнению [6].
Таким образом, в результате всех изученных режимов закалки от температур 850-1 170 иС в масло сталь мартенситно-карбидного класса Х12МФЛ превосходит сталь перлитного класса 150ХНМЛ по износостойкости при абразивном изнашивании. Мартенситно-карбидная структура сталей 150ХНМЛ и Х12МФЛ, полученная при закалке от нормальных температур (900-1 000 иС), обеспечивает высокую твердость (61-64 HRC), однако при этом не достигается максимальная износостойкость в условиях абразивного изнашивания.
Повышение температуры закалки сталей 150ХНМЛ и Х12МЛ до 1 170 °С вызывает прогрессирующее снижение исходной твердости (до 42 и 49 HRC соответственно) в связи с растворением части карбидов и увеличением количества остаточного аустенита (до 25 и 70 % соответственно), однако это сопровождается ростом износостойкости при абразивном изнашивании, особенно большим в стали Х12МФЛ, что связано с сохранением в этой стали после закалки от высоких температур эвтектических карбидов.
Остаточный аустенит, получаемый в результате высокотемпературной закалки (от 1 100-1 170 иС), в сталях 150XHMJI и Х12МФЛ метастабилен и превращается в значительной степени в процессе абразивного изнашивания в углеродистый мартенсит деформации, что придает сталям максимальную износостойкость вследствие обеспечения высокой способности к фрикционному упрочнению рабочей поверхности.
Авторы выражают благодарность коллегам В. С. Палееву и Н. Е. Гаранову за активное участие в работе.
Список литературы
1. Филиппов М. А., Гервасьев М. А., Худорожкова Ю. В., Легчило В. В. Влияние температуры закалки на фазовый состав, структуру и износостойкость стали 150ХНМ // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. -2013. -№ 11. - С. 14-16.
2. Гервасьев М. А., Худорожкова Ю. В., Филиппов М. А. Структура и износостойкость валковых сталей с 5 % хрома//МиТОМ. -2010. -№ 10. - С. 16-20.
3. Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544с.
4. Коршунов Л. Г. Изнашивание металлов при трении // Металловедение и термическая обработка стали / Под ред. М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта. -М.: Металлургия, 1991. - Т. 1, кн. 2. - С. 387-413.
5. Филиппов М. А., Литвинов В. С., Немировский Ю. Р. Стали с метастабильным аустенитом. - М.: Металлургия, 1988.-257 с.
6. Иванова В. С. Синергетика в металловедении // МиТОМ. - 2005. - № 2. - С. 12-19.
Сведения об авторах
Никифорова Светлана Михайловна, аспирант кафедры «Металловедение», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, тел. 8(343)3754808
Филиппов Михаил Александрович, д. т. н., профессор кафедры «Металловедение», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, тел. 8(343)3754808
Плотников Георгий Николаевич, ведущий специалист ОАО «Уралмашзавод», г. Екатеринбург
Жилин Александр Сергеевич, к. т. н., доцент кафедры «Металловедение», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург, тел. 8(343)3754808
Беликов Сергей Владимирович, к. т. н., доцент кафедры «Термообработка и физика металлов», Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. П. Ельцина, г. Екатеринбург, тел. 8(343)3754808
Information about the authors Nikiforova S. M., postgraduate of the chair «Metallurgy», the Ural Federal University named after Boris Eltsin, the first president of Russia, Yekaterinburg, phone: 8(343)3754808
Filippov M. A., Doctor of Engineering, professor of the chair «Metallurgy», the Ural Federal University named after Boris Eltsin, the first president of Russia, Yekaterinburg, phone: 8(343)3 754808
Plothikov G. M, leading specialist of OJSC «Uralmash-zavod», Yekaterinburg
Zhilin A. S., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Metallurgy», the Ural Federal University named after Boris Eltsin, the first president of Russia, Yekaterinburg phone: 8(343)3754808
Belikov S. V., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Heat treatment and metal physics», the Ural Federal University named after Boris Eltsin, the first president of Russia, Yekaterinburg, phone: 8(343)3754808
120
Нефть и газ-№ 4, 2015
