Порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа

Порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа

Реферат

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым коррозионно-стойким материалам на основе железа, используемым для изготовления узлов трения, работающих в агрессивных средах, например, в нефтедобывающей, химической промышленности.

Известен антифрикционный коррозионно-стойкий материал - легированный чугун типа нирезист (Машиностроение: Энциклопедия. М.: Машиностроение, 2001). Недостатком этого материала является низкая коррозионная стойкость.

Наиболее близким к заявляемому является порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа, содержащий 0,1-0,3% углерода, 10-15% никеля, 2-3% молибдена, 16-20% хрома, 15-30% меди (патент РФ №2302477, C22C 33/02, опубл. 10.07.2007).

Недостатком этого материала являются его низкие триботехнические свойства в условиях водной смазки, что ограничивает область его применения.

Настоящее изобретение решает задачу повышения триботехнических свойств порошковых нержавеющих сталей в условиях водной смазки.

Поставленная задача достигается тем, что порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа содержит хром, никель, молибден, углерод и медь при следующем соотношении, мас.%:

Хром	7-15
Никель	4-9
Молибден	до 1,8
Углерод	до 2,0
Медь	15-25
Железо	остальное

Медь в материал вводят методом инфильтрации.

Возможность осуществления изобретения может быть показана на примере получения материалов Х12Н9М1,5Д20-пр, 100Х12Н9М1,5Д20-пр, 200Х12Н9М1,5Д20-пр, Х8Н6М1Д20-пр, 100Х8Н6М1Д20-пр и 200Х8Н6М1Д20-пр с оптимальным содержанием компонентов в заявляемых пределах.

Для получения материала порошки исходных компонентов смешивают с сухой смазкой, полученную смесь прессуют при давлении 400-600 МПа. Пористость образцов после прессования составляет 15-18%.

Спекание проводят в восстановительной атмосфере или вакууме при температуре 1150±10°С, совмещая с инфильтрацией медью.

Триботехнические испытания проводили по схеме втулка - ступица на стенде в условиях односторонней нагрузки на вал. Одностороннюю нагрузку на радиальную пару, работающую в режиме водной смазки (5-7 л/ч), задавали сменными грузиками массой от 10 до 200 Н, скорость вращения двигателя составляла 2910 об/мин. Время испытаний при каждой нагрузке 60 мин. Скорость износа определяли путем замера изменения массы втулки. В процессе испытаний фиксировали изменение момента на валу двигателя, исходя из полученных значений рассчитывали коэффициент трения в разные периоды времени. За максимальную нагрузку принято значение, при котором наблюдается катастрофический износ пары.

Коррозионные испытания материалов проводили в соответствии с ГОСТ 9.506-87 весовым методом при температурах от 20±2°С до 80±3°С в статических (без перемешивания раствора) и динамических (перемешивание раствора с помощью магнитной мешалки) условиях в следующих средах:

1) среда NACE (водный раствор 5% NaCl + 3% HCl) в соответствии с ASTM B117-97;

2) синтетическая пластовая вода (состав по ГОСТ 9.506-87, в г/л: CaCl₂·6H₂O 34; MgCl₂·6H₂O 17; NaCl 163; CuSO₄·2H₂O 0,14) с добавлением 20 г/л H₂S.

В таблице 1 приведены триботехнические свойства заявляемого материала, а также прототипа и аналога в условиях смазки водой, в таблицах 2 и 3 - скорость коррозии в различных водных средах.

Согласно данным триботехнических испытаний (таблица 1) новое соотношение компонентов дает возможность повысить нагрузку на пару трения и позволяет обеспечить работоспособность пар трения в широком диапазоне нагрузок (до 200 Н) при сохранении коррозионной стойкости материалов.

Как следует из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, предлагаемые материалы имеют скорость коррозии в неперемешиваемой (статические условия) солянокислой среде ниже аналога, в перемешиваемой (динамические условия) ниже аналога и прототипа. Скорость коррозии в синтетической пластовой жидкости, содержащей сервоводород, ниже аналога и на уровне прототипа.

Кроме того, снижение содержания дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, приведет к снижению стоимости заявляемого материала.

Таблица 1
Скорость износа и средний конечный коэффициент трения пар трения в условиях водной смазки
Материал пары трения	Нагрузка, Н	Коэффициент трения	Скорость износа V, мг/ч
0 мин	30 мин	60 мин
Нирезист (аналог)	30	-	-	-	15,00
50	0,51	0,27	0,19	1460,0
Х18Н12М2,5Д25-пр (прототип)	5	Схватывание
Х12Н9М1,5Д20-пр	30	0,93	0,70	0,61	10,00
50	0,66	0,56	0,50	31,85
80	0,60	0,44	0,38	43,20
100	0,55	0,39	0,38	76,15
130	0,49	0,34	0,37	104,15
160	0,53	0,46	0,44	166,10
100Х12Н9М1.5Д20-пр	30	0.66	0.35	0.28	4.10
50	0.33	0.15	0.18	14.00
80	0.54	0.41	0.34	14.60
100	0.57	0.32	0.33	26.40
130	0.57	0.32	0.31	34.50
160	0.50	0.46	0.40	62.45
200	0.54	0.40	0.45	82.95
200Х12Н9М1,5Д20-пр	30	0,61	0,55	0,57	4,50
50	0,50	0,49	0,48	12,55
80	0,50	0,50	0,49	26,15
100	0,49	0,36	0,38	35,20
130	0,39	0,44	0,46	39,25
160	0,44	0,46	0,49	44,10
200	0,43	0,40	0,43	52,65
Х8Н6М1Д20-пр	30	0,89	0,52	0,44	14,9
50	0,56	0,32	0,36	112,2
80	0,61	0,39	0,38	211,85
100	0,61	0,44	0,30	263,75
130	0,49	0,36	0,35	291,15
160	0,55	0,35	0,31	322,75
100Х8Н6М1Д20-пр	30	0.73	0.49	0.34	0
50	0.70	0.38	0.35	4.15
80	0.53	0.25	0.22	12.35
100	0.48	0.25	0.23	19.15
130	0.51	0.22	0.16	34.05
160	0.57	0.39	0.35	126.00
200Х8Н6М1Д20-пр	30	0,74	0,44	0,36	13,55
50	0,69	0,48	0,41	45,9
80	0,49	0,44	0,34	65,25
100	0,49	0,39	0,34	103,45
130	0,49	0,45	0,41	132,5
160	0,53	0,37	0,36	154,05

Таблица 2
Скорость коррозии материалов в водном растворе 5% NaCl + 3% HCl
Марка материала	Скорость коррозии, г/м2·ч
Статические условия	Динамические условия
20±2°С	80±3°С	20±2°С	80±3°С
Нирезист (аналог) ПК20Х11Н8М1,5Д20-пр (прототип)	0,2	3,5	1,9	9,5
0,14	1,3	1,68	8,7
Х12Н9М1,5Д20-пр	-	-	0,19	5,30
100Х12Н9М1,5Д20-пр	0,10	3,16	0,25	6,18
200Х12Н9М1,5Д20-пр	0,12	3,21	0,32	6,21
Х8Н6М1Д20-пр	0,03	1,17	0,15	3,45
100Х8Н6М1Д20-пр	0,01	0,22	0,10	1,43
200Х8Н6М1Д20-пр	0,01	0,23	0,10	1,37

Таблица 3
Скорость коррозии материалов в синтетической пластовой воде с добавкой 20 мг/л H2S при 20°С в динамических условиях
Марка материала	Скорость коррозии, г/м2·ч
Нирезист (аналог)	0,23
ПК20Х18Н12М2Д25-пр (прототип)	0,16
Х12Н9М1,5Д20-пр	0,14
100Х12Н9М1,5Д20-пр	0,14
200Х12Н9М1,5Д20-пр	-
Х8Н6М1Д20-пр	0,16
100Х8Н6М1Д20-пр	0,16
200Х8Н6М1Д20-пр	-

Порошковый коррозионно-стойкий материал на основе железа, содержащий хром, никель, молибден, углерод и введенную методом инфильтрации медь, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:

хром	7-15
никель	4-9
молибден	до 1,8
углерод	до 2,0
медь	15-25
железо	остальное