Способ изготовления прецизионных биметаллических длинномерных цилиндрических изделий типа труб

Способ изготовления прецизионных биметаллических длинномерных цилиндрических изделий типа труб

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам изготовления биметаллических цилиндрических длинномерных изделий типа труб с повышенными требованиями к прямолинейности, постоянству внутреннего диаметра по всей длине и к износостойкости изделия, в частности, корпусов цилиндров погружных плунжерных насосов, предназначенных для эксплуатации в условиях воздействия агрессивной среды, с большим содержанием абразива, повышенных температур, давлений, больших динамических нагрузок.

В настоящее время нашли применение плунжерные насосы, корпуса цилиндров которых выполнены биметаллическими. Такие корпуса цилиндров имеют преимущества перед монолитными корпусами благодаря тому, что при большой длине (4000 мм и более) обладают достаточной жесткостью, прямолинейностью и постоянством внутреннего диаметра по всей длине, имеют износостойкие рабочие поверхности. К тому же, изготовление только внутреннего покрытия биметаллического изделия из материала с высокими эксплуатационными характеристиками позволяет экономить дорогостоящие материалы.

Так известен способ изготовления биметаллических труб, согласно которому производят установку с зазором внутри оболочки тонкостенной трубной заготовки, нагрев наружной оболочки, горячую деформацию с одновременным охлаждением внутренней трубной заготовки и последующее редуцирование до совпадения сопрягаемых поверхностей оболочки и трубной заготовки с образованием зазора между наружной поверхностью трубной заготовки и внутренней поверхностью оболочки (авт. свид. РФ №1332675, кл. В 23 К 20/04 от 1984 г.).

Недостатком этого способа является наличие регламентированного зазора в конструкции биметаллической трубы, приводящего к снижению жесткости и прочности изделия, что не позволяет использовать такое изделие в качестве корпуса цилиндра плунжерного насоса большой длины, работающего в сложных скважинных условиях, при больших динамических нагрузках. При этом наличие зазора значительно снижает качество упрочнения рабочих поверхностей биметаллического изделия при проведении последующего высокотемпературного упрочнения, например, азотированием. Кроме того, рекомендуемые в этом способе режимы не позволяют получить внутреннее покрытие биметаллического изделия со стабильной толщиной и обеспечить его строгую прямолинейность, т.к. использование режима горячей деформации с одновременным охлаждением внутренней трубы приведет к неоднородному температурному воздействию в разных точках сопрягаемых поверхностей, выполненных из металлов с разными механическими свойствами.

Известен другой способ изготовления биметаллических изделий типа труб большой длины, в котором частично устранены недостатки способа по авт. свид. №1332675. Данный способ заключается в том, что изготовленные из металлов с разными механическими свойствами (пределом упругости) тонкостенную трубу и оболочку собирают вместе, для чего соосно размещают тонкостенную трубу в оболочке с зазором и соединяют их по сопрягаемым поверхностям путем пластического деформирования той детали, которая изготовлена из металла с меньшим пределом упругости (см. патент РФ №2095179, кл. В 21 D 39/04 от 1996 г.). При пластическом деформировании детали с меньшим пределом упругости, например, тонкостенной трубы, другая деталь - оболочка, имеющая больший предел упругости, испытывает упругую деформацию. После снятия нагрузки с тонкостенной трубы оболочка принимает свои первоначальные размеры и прилегает к сопрягаемой поверхности тонкостенной трубы, обеспечивая тем самым жесткость конструкции длинномерной биметаллической трубы.

Хотя в известном способе изготовления биметаллических изделий соединение внутренней тонкостенной трубы и оболочки ведут с учетом механических свойств разных металлов, из которых изготовлены детали биметаллического изделия, однако проводимое для придания износостойкости рабочей поверхности ее последующее упрочнение, например, азотированием при температуре более 550°С приводит к разной деформации внутренней тонкостенной трубы и оболочки биметаллического изделия из-за разных коэффициентов объемного расширения. Это приводит к искривлению биметаллического изделия, поэтому становятся непостоянными диаметральные размеры по длине изделия, что делает невозможным использование изготовленного по данному способу биметаллического изделия в качестве прецизионного изделия большой длины, например, корпуса цилиндра плунжерного насоса, к которому предъявляются повышенные требования по прямолинейности, постоянству внутреннего диаметра.

Известен еще один 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 деформирования не менее 8%, при этом перед размещением тонкостенной трубы в оболочке производят ее физико-химическое упрочнение высокотемпературным методом, например, либо азотированием, либо анодированием, либо фосфатированием, либо цементированием, при температуре нагрева до 600°С как по внутренней, так и по наружной поверхности, при этом упрочнение ведут на глубину не менее 0,1 мм с достижением твердости не менее 800 HV. В результате получается биметаллическое изделие с качественным соединением 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.

Однако и этот способ не обеспечивает изготовление прецизионных длинномерных биметаллических изделий типа труб, поскольку проводимое упрочнение внутренней тонкостенной трубы при температуре 600°С приводит к внутренним напряжениям и, как следствие, - к изменению геометрических размеров биметаллического изделия.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления биметаллических цилиндрических изделий типа труб большой длины, 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 их холодного деформирования посредством радиальной ковки на дорне при степени деформирования 5÷90% и с одновременным наружным охлаждением. В процессе холодного пластического деформирования происходит одновременно упрочнение внутреннего покрытия биметаллической трубы, а чистовую обработку рабочей поверхности изделия обеспечивают в процессе радиальной ковки на дорне (см. патент РФ №2171164, кл. В 23 К 20/00 от 2000 г).

В этом известном способе изготовления биметаллических изделий большой длины обеспечивается жесткость конструкции, строгая прямолинейность и стабильность внутреннего диаметра по всей длине, при этом обеспечивается антикоррозионная защита рабочих поверхностей.

Однако этот способ изготовления биметаллического изделия не обеспечивает высокую эксплуатационную надежность, поскольку рабочие поверхности, хотя и защищены от коррозии, но имеют низкие прочностные характеристики. Проведенное в процессе пластического деформирования упрочнение внутреннего покрытия из антикоррозионного и/или антифрикционного сплава металлов биметаллического изделия не обеспечивает поверхностную прочность рабочей поверхности изделия, не повышает ее износостойкость в достаточной степени, требуемой для работы такого изделия длительное время в агрессивной среде, например, содержащей абразив. Образующиеся на рабочей поверхности из пластичного антикоррозионного и/или антифрикционного сплава металлов риски от абразива приводят к снижению качества чистовой обработки рабочей поверхности. Как следствие - ухудшаются эксплуатационные характеристики биметаллического изделия, а именно: нарушается герметичность пары плунжер-цилиндр плунжерного насоса, что делает насос неработоспособным.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эксплуатационной надежности биметаллического изделия в условиях работы в агрессивной среде, содержащей морскую воду, флюиды большой обводненности, абразивы, при больших динамических и/или пульсирующих нагрузках длительное время, путем придания рабочим поверхностям биметаллического изделия, наряду с высокими антикоррозионными и/или антифрикционными характеристиками, высоких износостойких характеристик против абразивного износа за счет исключения высокотемпературных режимов на всех этапах изготовления прецизионного биметаллического цилиндрического изделия типа трубы большой длины при обеспечении жесткости конструкции, прямолинейности и постоянства внутреннего диаметра по всей длине.

Дополнительно решается задача снижения трудоемкости способа и повышения технологичности процесса изготовления изделия.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе изготовления прецизионных биметаллических длинномерных цилиндрических изделий типа труб, включающем установку с зазором внутрь оболочки заготовки из антикоррозионного и/или антифрикционного сплава металлов по всей длине оболочки, последующее соединение оболочки и заготовки по сопрягаемым поверхностям путем их холодного деформирования посредством радиальной ковки на дорне с одновременным наружным охлаждением, упрочнение и чистовую обработку рабочей поверхности биметаллического изделия, новым является то, что холодное деформирование оболочки и заготовки радиальной ковкой ведут при степени деформирования 3÷50%, при этом в очаг деформирования в процессе ковки подают жидкую смазку, а после соединения оболочки и внутренней заготовки проводят поверхностное упрочнение рабочей поверхности сформированного биметаллического изделия методом низкотемпературного гальванического хромирования путем непрерывного прокачивания хромсодержащего электролита через внутреннюю полость биметаллического цилиндрического изделия, при этом питающее напряжение для гальванического хромирования подводят к цилиндрическому аноду, установленному по оси цилиндрического изделия на всю его длину, и к токоподводящим клеммам, которые устанавливают на наружной поверхности оболочки биметаллического изделия равномерно по всей его длине на расстоянии 500÷800 мм в зависимости от типоразмера биметаллического изделия, хромирование ведут до образования минимальной толщины слоя хрома не менее 0,1 мм, затем проводят чистовую обработку хромированной рабочей поверхности из антикоррозионного и/или антифрикционного материала биметаллического изделия хонингованием до образования чистоты обработки 8-9 кл. (0,4Ra) шероховатости, поверхностной твердости 950÷1100 HV и толщины слоя хрома не менее 0,08 мм.

В качестве антикоррозионного и/или антифрикционного материала используют латунь или монель-металл.

Хромирование ведут при температуре 50÷70°С.

В качестве анода используют стержень из меди со свинцовым защитным покрытием.

Для хромирования биметаллического изделия диаметром 32 мм токоподводящие клеммы на оболочке устанавливают на расстоянии 800 мм друг от друга, а для хромирования биметаллического изделия диаметром 57 мм токоподводящие клеммы на оболочке устанавливают на расстоянии 500 мм друг от друга.

Благодаря тому, что в процессе изготовления биметаллического цилиндрического изделия типа трубы соединение по сопрягаемым поверхностям двух деталей с разными механическими свойствами (пределом упругости, коэффициентом объемного расширения, а также коэффициентом электропроводности) ведут холодным деформированием в процессе радиальной ковки на дорне при смазке в очаге деформирования, а также благодаря тому, что придание рабочим поверхностям биметаллического изделия антикоррозионных и износостойких характеристик ведут низкотемпературным методом, полностью исключается негативное высокотемпературное воздействие на биметалличекое изделие, приводящее к большим внутренним напряжениям в соединяемых между собой оболочке и внутреннем покрытии. При этом появилась возможность снизить величину степени деформирования до 3÷50%, поскольку для упрочнения внутреннего покрытия биметаллического изделия проводится поверхностное упрочнение рабочей поверхности низкотемпературным методом. Благодаря тому, что подложка под хром имеет высокие антикоррозионные свойства, адгезия хрома лучше, чем для стали, поэтому поверхностное упрочняющее покрытие рабочей поверхности биметаллического изделия будет более качественным. В результате обеспечивается получение прецизионных биметаллических цилиндрических изделий типа трубы большой длины (3700÷5000 мм) с обеспечением строгой прямолинейности, постоянства внутреннего диаметра по всей длине, жесткости конструкции, при этом рабочие поверхности биметаллического изделия имеют высокие антикоррозионные и/или антифрикционные и износостойкие характеристики против абразивного износа.

Формирование биметаллического изделия с внутренним покрытием из материала с антикоррозионными и/или антифрикционными свойствами, позволяет выполнить внутреннее покрытие изделия (его рабочие поверхности) из сплава металлов, преимущественно, из латуни или монель-металла, обладающего самыми высокими известными антикоррозионными и/или антифрикционными свойствами (например, коэффициент трения латуни меньше коэффициента трения стали в 1,5 раза).

Благодаря тому, что поверхностное упрочнение рабочей поверхности из материала с антикоррозионными и/или антифрикционными свойствами ведут низкотемпературным методом - гальваническим хромированием, полностью исключается в процессе упрочнения рабочих поверхностей изменение геометрических параметров биметаллического изделия, что неизбежно проявляется при других видах поверхностного упрочнения (высокотемпературным фосфатированием, анодированием, цементированием и т.п.). При низкотемпературном режиме упрочнения не оказывается негативного воздействия на соединенные по сопрягаемым поверхностям деталей с разными механическими свойствами (оболочка стальная, внутреннее покрытие из латуни). Поскольку подложка под хром не корродирует, то и хромовое покрытие не будет вспучиваться и шелушиться.

Благодаря тому, что для гальванического хромирования анод размещают строго по оси внутренней полости цилиндрического биметаллического изделия, а другие токоподводящие клеммы для подачи напряжения закрепляют на наружной поверхности биметаллического изделия - его оболочке, при этом токоподводящие клеммы устанавливают равномерно по всей длине длинномерного изделия на предлагаемом расстоянии друг от друга в зависимости от типоразмера изделия, обеспечивается, во-первых, качественное прилипание хрома на рабочую поверхность по всей длине и по всей внутренней поверхности, т.к. разность потенциалов между токоподводящими клеммами и анодом, установленным строго по оси внутренней полости цилиндрического изделия, обеспечивает требуемую толщину покрытия из хрома, во-вторых, обеспечивается более равномерное распределение покрытия из хрома на упрочняемую внутреннюю поверхность, с наименьшими отклонениями максимальной толщины слоя в зоне расположения токоподводящей клеммы и минимальной толщины слоя хрома в зоне между токоподводящими клеммами. Это объясняется, по-видимому, следующим. Установка клемм для подвода питающего напряжения на наружной поверхности биметаллического изделия - на стальной оболочке, наличие миниамального воздушного зазора, который неизбежно будет сохраняться между оболочкой и внутренним покрытием после их соединения деформированием в процессе ковки, и выполнение внутреннего покрытия с более высокой электропроводностью, чем наружная оболочка, позволяет распределить ток более равномерно на длине биметаллического изделия, уменьшить величину тока в анодно-катодном пространстве и тем самым снизить скорость прилипания хрома в зоне расположения токоподводящих клемм и уменьшить тем самым толщину слоя хрома в этой зоне. Предложенное размещение токоподводящих клемм на оболочке в зависимости от типоразмера (диаметра) биметаллической трубы обеспечивает равномерность оседания хрома по длине изделия.

Хотя предложенное размещение токоподводящих клемм снаружи оболочки, а также наличие воздушного зазора и между сопрягаемыми деталями несколько снижает скорость нанесения упрочняющего покрытия из хрома на латунь или монель-металл, однако замедление процесса хромирования обеспечивает более равномерное оседание хрома, при минимальной разнице между неровностями по длине изделия, что позволяет сократить время для последующей чистовой механической обработки рабочих поверхностей для получения прецизионного изделия, снижает трудоемкость изготовления и повышает технологичность способа изготовления биметаллического изделия.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготовить прецизионное длинномерное биметаллическое изделие, в котором рабочие поверхности из твердохромированной латуни (монель-металла) обеспечат высокие антикоррозионные и износостойкие характеристики против абразивного износа, что повышает эксплуатационную надежность биметаллического изделия в агрессивной среде длительное время и даже в случае нарушения поверхностного упрочняющего покрытия, поскольку рабочая поверхность, выполненная из антикоррозионного и/или антифрикционного сплава металлов, обеспечит антикоррозионную защиту изделия.

Предлагаемый способ в производственных условиях осуществляется следующим образом:

- берут пустотелую оболочку в виде длинной трубы из стали,

- берут тонкостенную трубную заготовку из латуни (монель-металла); в качестве заготовки можно использовать листовой материал в виде прямоугольного листа (полосы) или в виде ленты,

- устанавливают трубную заготовку внутрь оболочки соосно с зазором ≈0,5 мм; в случае листового материала укладывают лист однослойно, ленту укладывают в виде многовитковой спирали с частичным нахлестом витков друг на друга, размер заготовки выбирается, исходя из возможности ее преобразования в замкнутый контур при холодном деформировании,

- производят холодное деформирование оболочки и заготовки радиальной ковкой на дорне, в очаг деформирования подают жидкую смазку, одновременно охлаждают наружную поверхность оболочки,

- деформирование деталей ведут при степени деформирования 3÷50% до соединения оболочки и заготовки по сопрягаемым поверхностям,

- затем по наружной поверхности сформированного биметаллического изделия - на оболочке из стали - устанавливают токоподводящие клеммы на расстоянии 500÷800 мм друг от друга в зависимости от типоразмера биметаллической трубы, а по оси трубы устанавливают на всю длину изделия анод из меди со свинцовым защитным покрытием,

- прокачивают непрерывно через внутреннюю полость биметаллической трубы стандартный хромсодержащий электролит при температуре 50÷70°↓С,

- подключают анод и клеммы к источнику питающего напряжения и в течение первых 40 с подают ток 5000 А, после чего до окончания процесса хромирования поддерживают рабочий ток 2500 А,

- процесс гальванического хромирования ведут до образования минимальной толщины слоя хрома не менее 0,1 мм на сторону,

- после чего проводят чистовую обработку хромированной рабочей поверхности хонингованием до образования чистоты обработки 8-9 кл. (0,4 Ra) шероховатости, до образования поверхностной твердости хромового покрытия 950÷1100 HV и минимальной толщины хрома не менее 0,08 мм на сторону по всей длине изделия.

Пример конкретного осуществления.

Для изготовления корпуса цилиндра плунжерного насоса брали оболочку в виде длинной трубы длиной 4000 мм с наружным диаметром 60,0 мм, внутренним диаметром 48,0 мм из стали Ст 45. В качестве внутреннего покрытия брали трубную заготовку из латуни длиной 4000 мм, толщиной 1,0 мм, с наружным диаметром 47,0 мм, внутренним диаметром 45,0 мм. Установили трубную заготовку соосно в оболочке с радиальным зазором ≈0,5 мм. В качестве заготовки может быть использован листовой материал, который, согнув, устанавливают внутрь оболочки с зазором ≈0,5 мм в один слой по всей длине оболочки. Далее проводили холодную пластическую деформацию оболочки и заготовки на дорне, имеющем форму конуса, методом радиальной ковки на радиально-ковочной машине бойками GM 50 со степенью деформации 25%.

Режимы деформирования:

- скорость вращения деталей 30 об/мин.

- скорость подачи деталей изделия в бойки 0,4 м/мин.

В процессе ковки в зону деформирования постоянно подавали жидкую смазку - масло ИГП-18 - для снижения трения между сопрягаемыми поверхностями оболочки и заготовки.

Деформацию осуществляли до соединения оболочки и внутренней заготовки из латуни по сопрягаемым поверхностям, при этом производили охлаждение наружной поверхности оболочки водой.

После деформирования получили биметаллическую трубу со следующими параметрами: толщина оболочки из стали - 5,7 мм, внутреннее покрытие из латуни - 0,8 мм, длина биметаллической трубы 4700 мм.

Затем по оси сформированной биметаллической трубы установили на всю длину изделия анод из меди со свинцовым покрытием в виде стержня диаметром 18 мм, длиной 4700 мм. На наружной поверхности стальной оболочки закрепили 6 токоподводящих клемм на расстоянии 800 мм друг от друга. Анод подключили к положительному полюсу источника питающего напряжения, к отрицательному полюсу подключили клеммы. По торцам биметаллической трубы установили герметичные пробки с отверстиями, в которые вставлены шланги для подвода и отвода электролита от гидросистемы.

Гальваническое хромирование внутреннего покрытия изделия из латуни вели в низкотемпературном проточном стандартном хромсодержащем электролите, содержащем хромовый ангидрид 250 г/л и серную кислоту 2,5 г/л. Прокачивали электролит во внутренней полости трубы с постоянной скоростью, поддерживали температуру электролита 58°С. В течение первых 40 с подавали ток 5000 А, после чего установили рабочий ток в 2500 А. Продолжительность процесса хромирования латуни составила 3,5 часа. Процесс хромирования латунного покрытия прекратили при образовании минимальной толщины хрома 0,12 мм на сторону трубной заготовки. Хромирование латуни в предложенных режимах обеспечивает образование слоя хрома минимальной толщиной, необходимой для упрочнения рабочей поверхности.

После упрочнения антикоррозионного покрытия биметаллической трубы проводили чистовую механическую обработку хромового покрытия хонингованием, для чего использовали хон с зернистостью абразива, обеспечивающего чистоту обработки 8-9 кл. (0,4Ra) шероховатости. Для снятия неровностей в поверхностном упрочняющем слое и получения покрытия толщиной слоя не менее 0,08 мм провели 40 двойных ходов/мин, хонинговальной головкой.

В результате получили твердо-хромированное поверхностное покрытие рабочей поверхности из антикоррозионного материала длинномерной биметаллической трубы.

Исследования полученной биметаллической трубы показали, что:

- внутренний диаметр стабилен по всей длине (отклонения±0,01 мм/м),

- жесткость биметаллической трубы обеспечивается,

- толщина внутреннего покрытия из антикоррозионного материала практически постоянна на протяжении всей длины изделия (отклонения ±0,01 мм),

- внутреннее покрытие однородно и имеет требуемую чистоту обработки 8-9 кл. (0,4 Ra) шероховатости,

- твердость упрочняющего слоя составила 1000 HV,

- эксплуатационная надежность биметаллического изделия повышается в 2 раза,

- процесс изготовления прецизионного изделия более технологичен.

1. Способ изготовления прецизионных биметаллических длинномерных цилиндрических изделий типа труб, включающий установку с зазором внутрь оболочки заготовки из антикоррозионного и/или антифрикционного материала по всей длине оболочки, последующее соединение оболочки и заготовки по сопрягаемым поверхностям путем их холодного деформирования посредством радиальной ковки на дорне с одновременным наружным охлаждением, упрочнение и чистовую обработку рабочей поверхности биметаллического изделия, отличающийся тем, что холодное деформирование оболочки и заготовки радиальной ковкой ведут при степени деформирования 3-50%, при этом в очаг деформирования в процессе ковки подают жидкую смазку, а после соединения оболочки и внутренней заготовки проводят поверхностное упрочнение рабочей поверхности сформированного биметаллического изделия методом низкотемпературного гальванического хромирования путем непрерывного прокачивания хромсодержащего электролита через внутреннюю полость биметаллического цилиндрического изделия, при этом питающее напряжение для гальванического хромирования подводят к цилиндрическому аноду, установленному по оси цилиндрического изделия на всю его длину, и к токоподводящим клеммам, которые устанавливают на наружной поверхности оболочки биметаллического изделия равномерно по всей его длине на расстоянии 500-800 мм в зависимости от типоразмера биметаллического изделия, хромирование ведут до образования минимальной толщины слоя хрома не менее 0,1 мм, затем проводят чистовую обработку хромированной рабочей поверхности из антикоррозионного и/или антифрикционного материала биметаллического изделия хонингованием до образования чистоты обработки 8-9 кл. шероховатости, поверхностной твердости 950-1100 HV и толщины слоя хрома не менее 0,08 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве антикоррозионного и/или антифрикционного материала используют латунь или монель-металл.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что хромирование ведут при температуре 50-70°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве анода используют стержень из меди со свинцовым защитным покрытием.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для хромирования биметаллического изделия диаметром 32 мм токоподводящие клеммы на оболочке устанавливают на расстоянии 800 мм друг от друга.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для хромирования биметаллического изделия диаметром 57 мм токоподводящие клеммы на оболочке устанавливают на расстоянии 500 мм друг от друга.