Разработка проектной и конструкторской документации

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА

Раздел: Техника

Д.М.Кинзибаев, Старший инженер-исследователь, ООО «Ионные технологии» kinzibaev@procion.ru

И.С. Соколова, Зав. лабораторией, ООО «Ионные технологии» sokolova@procion.ru

И.А.Сурсин, инженер-механик, технический эксперт, sur-sin@mail.ru

Арматуростроение – специализированная отрасль промышленности, взаимосвязанная с нефтяной и газовой промышленностью, энергетикой, машиностроением, строительством и со многими другими отраслями народного хозяйства. На российском рынке в последние годы набирает силу процесс импортозамещения в арматуростроении. Плановая доля импорта в потреблении арматуры с 2014 г по 2020 г снизилась с ≈ 61.3 до 52 %. Важная составляющая импортозамещения это научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) [1 – 4].

Главная задача производителей в данной отрасли – достижение приемлемой цены и высокого качества продукции. Существуют множество технологий упрочнения [5]. Ионное азотирование в зарубежных странах (Германии, Австрии, США, Японии, Болгарии и др.) давно вытеснило такие технологии упрочнения как хромирование, газовое азотирование, цианирование, цементацию. Ионная химико-термическая обработка (ИХТО) уже давно стала основным методом упрочнения металлов, т.к. является экологически чистым процессом, соответствующим философии «белой металлургии», экономически выгодным, универсальным по назначению, простым в использовании и массово применяемым.

Для зарубежных арматуростроительных компаний технология ИХТО не корпоративная тайна, это основа, которую они воспринимают как неотъемлемую часть качества. Ещё в 2010 г. Израильские инженеры ведущего завода HABONIM начали применять обработку ионно-плазменным азотированием при низкой температуре для повышения износостойкости деталей запорного узла шаровых кранов: стальных шаровых пробок и сёдел, а, следовательно, для повышения срока службы всего изделия в целом. Технология низкотемпературной карбонитрации в плазме деталей шаровых кранов на сегодняшний день прописана во всех каталогах израильского производителя [6 – 7].

Ионное азотирование (ИА) – универсальная технология, применяется для упрочнения простых, резьбовых (рис. 1 л, м) и сложноконтурных деталей. Упрочнению могут подвергаться детали из различных сталей, титана и титановых сплавов (рис. 1 н, о, п), чугунов, металлокерамики, порошковых материалов с целью повысить эксплуатационные характеристики. На рисунке 1 представлена часть деталей, упрочняемых методами ИХТО.

Процесс ИА осуществляется в среднем вакууме 100 – 1000 Па под воздействием импульсной плазмы, возникающей между катодом (деталями) и анодом (стенками вакуумной камеры). Молекулы газа Н₂+N₂ или NH₃, (дополнительно Ar, CH₄, С₃Н₈) ионизируются в электромагнитном поле, положительные ионы с высокой кинетической энергией взаимодействуют с поверхностью катода и тем самым нагревают детали, ионы газа диффундируют вглубь поверхности, в процессе химической реакции получаются различные модификации диффузионных покрытий, состоящие из нитридов и карбонитридов, обладающих высокой твёрдостью. Часть азота находится в виде твёрдого раствора в металле, в первую очередь, в межкристаллитном пространстве – в структурно ослабленных местах поверхности, вытесняя в процессе нагрева вредные примеси – сера и фосфор, и, тем самым, обеспечивая стойкость к МКК и СКР, (в т. ч. NACE TM 0177).


а – Шибер	б – Клин, шибер, седло	в – Шаровая пробка, седло

г – Шаровая пробка	д – Шибер, седло	е – Затвор поворотный, седло

ж – Клин	з – Шпиндель	и – Резьбовой фланец

к – Шаровая пробка	л – Фланец	м – Гайка

Н – Шаровая пробка, седло	о – Резьбовой угольник, фланец	п – Резьбовой патрубок

р – Шток	с – Дисковый затвор	т – Цилиндрическая пробка, седло
Рисунок 1 – Вид упрочняемых деталей: а-в – до упрочнения; г-к – во время ИХТО; л-т – после упрочнения

Ионное азотирование осуществляется артелью «Ионные технологии» на разных типах установок. Ниже показан общий вид двухкамерной установки ИОН-100И, которая предназначена для вакуумного отпуска, азотирования, карбонитрирования и оксидирования деталей в импульсном тлеющем электрическом разряде (рис. 2).

Установка состоит из электрической и газо-вакумной частей. Электрическая часть включает автоматизированную систему управления на основе микропроцессорной техники с плазменным генератором, силовыми, исполняющими и предохранительными модулями. Газо-вакуумная часть установки состоит из вакуумных камер, запорно-регулирующей и измерительной аппаратуры, вакуумных насосов, трубопроводов. Корпус камеры является анодом и заземлён.

Рисунок 2 – Вид установки ИОН-100И

Ниже представлены результаты по упрочнению изделий из наиболее используемых в арматуростроении марок сталей: 40ХН, 20Х13, 38Х2МЮА и 12Х18Н10Т.

Таблица 1 – Характеристики азотированного слоя

		Сталь	40ХН	20Х13	38Х2МЮА	12Х18Н10Т¹	12Х18Н10Т²
Поверхностная твердость HV5, кгс			580 – 640	1000 – 1040	1050 – 1100	1000 – 1050	–
Поверхностная микротвердость HV0.1, кгс			580 – 670	1050 – 1100	1100 – 1150	1090 – 1140	1100 – 1150
Глубина слоя, мм	по микроструктуре h_м		0,40	0,17 – 0,18	0,27 – 0,28	0,13 – 0,14	0,010 – 0,015
Глубина слоя, мм	по микротвердости h_с		0,40	0,20	0,30	0,18	0,030
Толщина нитридной зоны, мкм			5 – 10	отсутствует	10 – 12	отсутствует	отсутствует
Хрупкость по шкале ВИАМ			I балл, не хрупкий

¹ – высокотемпературный режим;

²– низкотемпературный режим.

h_м= 0,40 мм h_н.з.= 5 – 10 мкм

3,1.jpg

х50

3,2.jpg

х1000

Рисунок 3 –Микроструктура азотированного слоя на стали 40ХН

h_м= 0,17 – 0,18 мм h_м = 0,13 – 0,14 мм

4,1.jpg

4,2.jpg

Рисунок 4 – Микроструктура азотированного слоя, х100:

а – сталь 20Х13; б – сталь 12Х18Н10Т (высокотемпературный режим)

Надпись: hн.з.=10 – 12 мкм


х100	х500
Рисунок 5 – Микроструктура азотированного слоя стали 38Х2МЮА

6,1.jpg

h_м = 9 – 10 мкм

h_м = 10 – 12 мкм

6,4.jpg

h_м = 9 – 10 мкм

х50

х500

Рисунок 6 – Микроструктура азотированного слоя стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного режима азотирования

Рисунок 7 – Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя

В результате ионного азотирования на деталях формируется равномерно развитый нехрупкий азотированный слой, а на поверхности изделий из низколегированных сталей (типа 40ХН или 38Х2МЮА) формируется высококачественная нитридная зона с повышенной твердостью, которая обеспечивает высокие антикоррозионные и триботехнические свойства.

На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения, превышающей по своим техническим характеристикам другие типы покрытий. Технологии ИХТО позволяют создавать равномерные, бездефектные, упрочнённые слои в широком диапазоне параметров, с неизменно высоким качеством и наилучшими прочностными характеристиками.

Технологии ионной химико-термической обработки вместе с автоматизированным инновационным оборудованием позволяют рационально модифицировать структуру металла в соответствии с перспективными конструкторско-технологическими требованиями, улучшая экологические и экономические нормативы, обеспечивая кратный рост темпа производства и масштабируемость процесса. Эксплуатационный ресурс деталей, упрочнённых методами ИХТО, возрастает в десятки раз, что подтверждается многочисленными производственными испытаниями и широчайшим применением.

Многолетний опыт, компетенции и приоритетные конструкторско-технологические решения позволили нам занять лидирующие позиции в разработке многих проектов «под ключ» в России и за рубежом (www.procion.ru).

Список литературы

1. Колотырин Е. А. Импортозамещение в российском арматуростроении // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/40EVN316.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/40EVN316

2. Карловская К., Мы создаем конкурентную продукцию. Интервью с С. А. Истоминым // Арматуростроение. 2017. Т.107. №2. С. 14 – 22.

Ахметов С. А., Мустафин И. А., Станкевич К. Е., Ханов А. Р., Ганцев А. В. Нефтегазовый комплекс России и мира. Состояние и перспективы развития // [Электронный ресурс] Neftegaz.RU/ 2020. №6. URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/rynok/556001-neftegazovyy-kompleks-rossii-i-mira-sostoyanie-i-... (дата обращения 09.11.2021 г.).

3. С. А. Истомин, Некоторые аспекты импортозамещения трубопроводной арматуры в нефтегазовом комплексе (ЦНИПИ «СТАРК») // Химическая техника. 2014. №11.

4. Анализ рынка запорно-регулирующей арматуры в условиях кризиса 2020 года: падение неизбежно, но не катастрофично // [Электронный ресурс] Вестник арматуростроителя. URL: https://armavest.ru/news/rynok/analiz-rynka-zaporno-reguliruyushchey-armatury-v-usloviyakh-krizisa-2... (дата обращения: 09.11.2021 г.).

5. Степанова Т. Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин / учеб. пособие, 2009. С. 64

6. История внедрений за рубежом // [Электронный ресурс] URL: https://www.procion.ru/vnedrenie_tehnologii_xto/vnedrennoe_oborudovanie/ (дата обращения: 12.11.2021 г.)

7. Каталог продукции HABONIM. Краны шаровые с металлическими седлами. 2017 г. 49 с.

8. Результаты исследовательских работ по теме упрочнения сталей // [Электронный ресурс] URL: https://www.procion.ru/publications/ (дата обращения: 12.11.2021 г.)