УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Соколова И. С. – Пермский национальный политехнический университет; ООО «Ионные технологии»; ion@procion.ru
Кинзибаев Д. М. – Пермский национальный политехнический университет; старший инженер-исследователь, ООО «Ионные технологии»
Оборин А. В. – дипломированный инженер; Пермский национальный политехнический университет; заведующая лабораторией; директор, ООО «Ионные технологии»
Сурсин И. А. – дипломированный инженер; Ижевский государственный технический университет; инженер-механик, технический эксперт; sur-sin@mail.ru

Работоспособность изделий насосно-компрессорной (НКТ) и гидравлической техники зависит от свойств поверхности деталей, а именно устойчивости к коррозии, износу, перепадам температур. Упрочнение поверхности деталей НКТ возможно методом ионного азотирования.

Как известно [1-2], ионное азотирование (ИА) применимо для всех видов сталей и сплавов, которые используются в изготовлении узлов насосов. Наиболее часто используемые стали в производстве деталей НКТ – это высоколегированные коррозионностойкие стали, обеспечивающие изделиям высокие прочностные характеристики и термостойкость [3]. Так же широкое распространение получил биметалл в качестве материала азотируемого цилиндра плунжерного насоса нефтедобывающей промышленности. Наружную часть цилиндра, обечайку, изготавливают из углеродистой стали, а для внутренней части используют легированную сталь [4].

ООО «Ионные технологии» обладает большим опытом по упрочнению широкой номенклатуры деталей (см. рис. 1), используемых в высокотехнологичном насосно-компрессорном оборудовании, гидравлических насосах высокого давления (125 МПа и более), гидравлических системах летательных аппаратов и моторах, центробежных и винтовых насосах и др.

Технология ионного азотирования внедрена на многих отечественных предприятиях отрасли: ПАО «Авиационная корпорация «Рубин», г. Москва, ООО «Завод «Синергия», г. Пермь; ООО «Инпромгидравлик» г.Пермь; ООО «Краснодарский машиностроительный завод», г. Краснодар; ООО «Технология», г. Воткинск; АО «Шахтинский завод «Гидропривод», г. Шахты; ООО «Завод «Омскгидропривод», г. Омск, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа», г. Казань и многих других предприятиях [5].

        
Плунжер насоса для гидроразрыва пласта              Плунжер для ручного аварийно -спасательного инструмента

       
Корпус насоса                                                             Крышка, аппарат направляющий, колесо рабочее

       
Шток компрессора                                                     Ротор

       
Блок цилиндров                                                          Плунжер


       
Блок цилиндров                                                         Вставка – секция насоса

Рисунок 1. Вид деталей в процессе и после упрочнения методом ионного азотирования

Благодаря большому производственному опыту и работе с предприятиями, выпускающими насосно-компрессорную и гидравлическую технику, удалось собрать большую базу данных по результатам азотирования деталей.

Ниже приведены обобщенные данные металлографических исследований сталей, из которых изготавливают детали НКТ: 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 20Х13, 12Х18Н10Т.

В таблице 1 приведены характеристики азотированного слоя. Определено, что азотированный слой на всех образцах не хрупкий, согласно шкале ВИАМ отпечаток соответствует I баллу (рис. 2).

Таблица 1 – Характеристики азотированного слоя 

		Сталь	38Х2МЮА	30Х3ВА	20Х13	12Х18Н10Т
Поверхностная твердость HV 5, кгс/мм2			1120 – 1200	830 – 875	965 – 1050	1070 – 1120
Поверхностная микротвердость HV 0.1, кгс/мм2			1145 – 1200	850 – 910	975 – 1090	1145 – 1200
Глубина слоя, мм	по микроструктуре		0,21 – 0,22	0,28 – 0,29	0,17 – 0,18	0,075 – 0,080
	по микротвердости		0,35	0,30	0,22	0,11
Толщина нитридной зоны, мкм			7 – 8	7 – 8	отсутствует
Хрупкость по шкале ВИАМ			I балл, не хрупкий

   
         а                       б                      в                     г

Рис. 2.  Отпечаток хрупкости, HV30, х100: а – сталь 38Х2МЮА; б – сталь 30Х3ВА, в – сталь 20Х13; г – сталь 12Х18Н10Т

В результате упрочнения деталей методом ионного азотирования на поверхности формируется диффузионный слой (рис. 3а, 4б) и высококачественная нитридная зона 7 – 8 мкм (рис. 3б, 4б) на конструкционных сталях. Наблюдается равномерное снижение микротвердости от поверхности к сердцевине металла. Твердость поверхности деталей на стали 38Х2МЮА при нагрузке 49,05 H (5 кгс) увеличилась в 3,8 раз и составляет 1120 – 1200 HV5. Твердость на стали 30Х3ВА при нагрузке 49,05 H (5 кгс) 830 – 875 HV5.

    

h_м = 0,21 – 0,22 мм                                                  h_нз = 7 – 8 мкм

Рисунок 3. Микроструктура азотированного слоя стали 38Х2МЮА: а – х50; б – х1000

     

h_м = 0,28 – 0,29 мм                                                 h_н.з. = 7 – 8 мкм

Рисунок 4. Микроструктура азотированного слоя стали 30Х3ВА: а – х50; б – х1000   

На нержавеющих сталях 20Х13 и 12Х18Н10Т слой формируется иначе (рис. 5). Диффузионный слой выявляется четкой темной зоной при травлении (рис. 4), нитридная зона отсутствует. Необходимо отметить, что распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя имеет специфичный характер: высокая микротвердость по всей глубине и резкое снижение к сердцевине металла. Микротвердость сердцевины 20Х13 и 12Х18Н10Т равны 220 HV0,1 и 255 HV0,1, твердость упрочненного слоя ~1032 HV0,1 и ~1172 HV0,1 соответственно. Наблюдается увеличение твердости в 4,5 раза, что позволяет обеспечить высокие эксплуатационные характеристики изделий.

     

h_м = 0,17 – 0,18 мм                                                h_м = 0,075 – 0,080 мм

Рисунок 5. Микроструктура азотированного слоя, х100: а – сталь 20Х13; б – сталь 12Х18Н10Т

На рисунке 6 представлен общий график распределения микротвердости по глубине азотированного слоя на сталях 38Х2МЮА, 20Х13, 12Х18Н10Т и 30Х3ВА. На диаграмме точками обозначены значения, где микротвердость равна сердцевине детали, т. е. заканчивается азотированный слой.

Рисунок 6. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя на сталях 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 20Х13 и 12Х18Н10Т

Преимущество технологии ионного азотирования в том, что на деталях образуется модифицированный слой за счет диффузии азота в глубь металла. В процессе ионной химико-термической обработки (ХТО) формируются новые структурные составляющие на поверхности металла, благодаря этому упрочненный слой имеет высокую адгезию и почти исключается возможность его отслоения, в то время как при напылении или иных видов покрытий, слой образуется путем нанесения на деталь упрочняющего материала, что существенно снижает адгезионные свойства.

Совместно с предприятием ПАО «Авиационная корпорация «Рубин» (г. Москва) проведен сравнительный анализ влияния различных методов упрочнения, в частности технологий ионного и газового азотирования, на изменение размеров и формы деталей, применяемых в гидравлических системах летательных аппаратов. Определено, что использование технологий ионного азотирования позволило снизить радиальное биение ответственных изделий в три раза. После проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ компания внедрила автоматизированную установку ионного ХТО в свое производство.

Заключение

Показаны характеристики азотированного слоя на сталях 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 20Х13 и 12Х18Н10Т, которые часто используются в изготовлении деталей насосно-компрессорной и гидравлической техники. После упрочнения наблюдается увеличение поверхностной твёрдости от 2.5 до 4.5 раз, в зависимости от используемого материала. Модифицирование поверхности методом ионного азотирования позволяет улучшить эксплуатационные свойства поверхности с минимальным изменением размеров.

Технологии ионной ХТО находят широкое применение в качестве основного метода упрочнения изделий насосно-компрессорной и гидравлической техники.

Список литературы:

1. Оборин А.В., Богданов В.В. Прогрессивная технология упрочнения ответственных изделий нефтегазовой отрасли. Краткая история. Настоящий момент. Перспективы // Экспозиция Нефть Газ. 2018. №7 (67). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/progressivnaya-tehnologiya-uprochneniya-otvetstvennyh-izdeliy-neft... (дата обращения: 26.04.2023).

2. Прохоров, А. П. Перспективы развития процессов химико-термического упрочнения легированных сталей (обзорная информация) / А. П. Прохоров, А. А. Баранова // Тенденции развития науки и образования. – 2021. – № 70-2. – С. 78-85. – DOI 10.18411/lj-02-2021-59.

3. Виды стали, используемые при изготовлении химических насосов URL: https://bazamts.ru/informaciya/stat_i/obzor_marok_stali_ispol_zuemyh_v_izgotovlenii_himicheskih_nasosov/ (дата обращения: 24.04.2023).

4. Влияние режимов обработки на структуру и свойства биметаллической трубы с лейнером из стали 12Х18Н10Т / О. В. Силина, С. П. Ковко, Е. А. Мышкина, М. Н. Босяков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 53-60. – DOI 10.15593/2224-9877/2023.1.06.

5. История внедрений. URL: https://www.procion.ru/vnedrenie_tehnologii_xto/vnedrennoe_oborudovanie/ (дата обращения: 20.04.2023).