Расплавы, 2021, № 6, стр. 582-591

ВВЕДЕНИЕ

Легированный никелем и медью жаропрочный аустенитный чугун “нирезист” (Ni-Resist) разработан в средине 20 века, и в настоящее время известны более 30 марок этого вида чугуна [1]. Его главные качества – износостойкость, формоустойчивость при повышенных температурах, коррозионно- и хладостойкость. С равным основанием “нирезист” иногда называют специальным сплавом. В частности, из этого чугуна производят крыльчатки насосов для откачки агрессивных жидкостей и суспензий из нефтяных скважин, поэтому основной причиной выхода из строя этих деталей (ресурс работы 10–15 дней) является абразивный износ.

Несмотря на заявляемую износостойкость этого чугуна, ее можно значительно увеличить различными видами обработки поверхности, например, лазерным оплавлением с аморфизацией или нанесением тонкого покрытия из нитрида титана. Конкурирующим методом поверхностного упрочнения деталей машин, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках, является термодиффузионное борирование, значительно увеличивающее износостойкость, поверхностную твердость и усталостную прочность деталей. Разработке различных вариантов технологии борирования посвящены работы [2–8], исследованию химических и электрохимических процессов борирования – [8, 9], исследованию функциональных свойств и износостойкости боридных покрытий посвящены работы [10–15].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Было проведено исследование борирования чугуна “нирезист” с содержанием легирующих компонентов (мас. %), установленным химическим анализом: С – 3.0; Ni – 15.2; Cu – 7.6; Si – 2.0; Cr – 1.0; Mn – 1.0. Микрофотография шлифа образца этого чугуна представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Фото участка микрошлифа исходного образца чугуна “нирезист”.

Графит в этом чугуне находится в микропластинчатой форме хаотичной ориентации, никель – в твердом растворе с железом, весь хром находится в мелкодисперсных включениях легированного цементита [Fe(Cr)]₃C.

Целями настоящей работы являются:

– определение оптимальных режимов процесса электролизного борирования чугуна “нирезист”, обеспечивающих получение наиболее качественного неотслаивающегося покрытия;

– исследование структуры, микротвердости и фазового состава боридного слоя;

– борирование крыльчатки нефтяного насоса по оптимальному режиму.

Работа состояла из следующих этапов:

1. Изучение кинетики электролизного насыщения поверхности бором при 800, 850, 900°C и временах выдержки 2 и 3 часа.

2. Металлографические исследования: измерение толщины, структуры и микро-твердости покрытия.

3. Микрорентгеноспектральный анализ покрытия для определения распределения легирующих элементов в покрытии и прилегающем к нему объеме.

4. Борирование крыльчатки нефтяного насоса по оптимальному режиму.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В начале работы была изучена зависимость толщины боридного слоя (Ɩ, мкм) на чугуне “нирезист” от температуры, времени выдержки 2 и 3 ч при плотности тока 40 мА/см². Эти результаты представлены в графической форме на рис. 2.

Рис. 2.

Зависимость толщины боридного слоя (Ɩ) на чугуне “нирезист” от температуры и времени: 1 – 2 часа; 2 – 3 часа.

Из этих экспериментальных данных и микроскопического осмотра поверхности борированных образцов мы установили, что наилучшие результаты по качеству покрытия обеспечивает оптимальный режим борирования при температуре 850°С, плотности тока 40 мА/см², режимы реверсирования – катодный импульс 1.5 с, анодный 0.4 с, время электролиза – 2 ч, что подтверждает результаты работ [16, 17]. При 800°С толщина покрытия слишком мала, а при 900°С покрытие слишком толстое и отслаивается от основы, что также согласуется с данными работ [16, 17] по другим маркам сталей.

Результаты металлографического исследования борированных образцов

На рис. 3 представлена фотография поперечного шлифа образца чугуна “нирезист”, борированного при 850°C, 2 ч. Покрытие толщиной 60 ± 5 мкм сплошное, микротвердость внешнего слоя 16.2 ГПа, что меньше справочной величины для борида FeB (19.2 ± 0.5). Микротвердость промежуточного слоя 12.4 ГПа, что также меньше справочной величины для борида Fe₂B (17.0 ± 0.5) [7, 9]. Микротвердость основы 2.2 ГПа. Из представленных данных металлографического анализа невозможно уверенно идентифицировать фазовый состав боридного покрытия, поэтому мы продолжили исследовать покрытия другими методами.

Рис. 3.

Структура боридного покрытия на чугуне “Ni-Resist”: микротвердость H_V50, ГПа: внешний слой – 16.2; промежуточный слой – 12.4; основа – 2.2.

Рентгенофазовый (XRD) анализ

Дифрактограмма образца боридного покрытия на чугуне “нирезист” приведена на рис. 4.

Рис. 4.

Дифрактограмма боридного покрытия на чугуне “нирезист”.

Из анализа дифрактограммы следует, что внешний слой покрытия состоит из фазы FeB, с мелкими включениями меди, углерода и карбида Fe₃C. Состав фаз промежуточного слоя остается неопределенным.

Поэтому мы предприняли дальнейшее исследование структуры боридного покрытия более информативным методом сканирующего микрорентгеновского анализа (SEM).

На рис. 5 представлены SEM-карты распределения элементов по площади шлифа.

Рис. 5.

Карты распределения элементов по поверхности шлифа борированного образца из чугуна “нирезист”.

Из анализа карт распределения элементов можно утверждать:

а) темные совпадающие пятна на картах распределения хрома, железа и марганца в объеме чугуна можно идентифицировать как включения феррохрома с примесью марганца, не полностью растворившегося в объеме чугуна во время его плавления;

б) хром и марганец в боридном покрытии присутствуют как малые примеси в составе боридных фаз;

в) в процессе диффузии бор оттесняет кремний, никель и медь перед собой вглубь основы, в результате чего они локализованы в промежуточном слое покрытия.

На рис. 6 представлены точки в области внешнего слоя покрытия, среднего слоя и включений, в которых выполнен количественный анализ концентраций наиболее значимых компонентов чугуна.

Рис. 6.

Карты распределения элементов по поверхности шлифа борированного образца. Номера указывают места точечного элементного анализа.

В таблице 1 представлены концентрации элементов (мас. %) в точках, обозначенных на рис. 6.

Таблица 1.  

Результаты качественного анализа шлифа борированного образца из высоконикелевого чугуна, (мас. %)

Основа
№ точки	B	Si	Cr	Mn	Fe	Ni	Cu	C	Σ проч. примеси	фаза	x в MexEl
1	0.00	1.87	1.17	1.16	68.58	17.09	8.12	1.55	0.46	Основа	–
2	0.00	1.99	1.60	1.24	71.22	15.51	6.59	1.38	0.51	Основа	–
3	0.00	1.90	21.38	2.75	65.08	1.52	0.17	6.70	0.50	[Fe(Cr,Mn)]3C	2.9
Внешний слой
4	16.2	0.09	1.56	1.14	74.37	5.95	0.19	0.00	0.50	[Fe(Ni)]B	0.99
5	16.5	0.11	1.60	1.10	73.95	6.02	0.20	0.00	0.49	[Fe(Ni)]B	0.97
6	16.3	0.08	1.55	1.09	74.15	6.10	0.21	0.00	0.52	[Fe(Ni)]B	0.98
Промежуточный слой
7	8.84	0.09	1.80	1.35	80.62	6.27	0.45	0.00	0.58	[Fe(Ni)]2B	1.97
8	9.01	0.13	1.82	1.40	80.03	6.51	0.50	0.00	0.60	[Fe(Ni)]2B	1.93
9	8.85	0.10	1.78	1.34	80.86	6.06	0.42	0.00	0.59	[Fe(Ni)]2B	1.97
Включения в промежуточный слой
10	0.00	12.48	0.24	0.61	15.20	58.29	12.63	0.00	0.55	[Ni(Fe)]xSiy	–
11	0.00	12.69	0.25	0.71	16.50	57.90	11.36	0.00	0.59	[Ni(Fe)]xSiy	–
12	0.00	12.55	0.22	0.68	16.38	58.61	10.96	0.00	0.60	[Ni(Fe)]xSiy	–
13	0.00	13.37	0.25	0.36	14.95	60.04	10.45	0.00	0.58	[Ni(Fe)]xSiy	–
14	0.00	2.68	0.25	0.23	6.20	14.18	75.86	0.00	0.60	Cu(Ni)	–

По совокупности результатов исследований структуры и состава боридного покрытия на чугуне “нирезист” можно сделать следующие выводы:

а) оптимальная толщина покрытия во избежание сколов не должна превышать 65 ± ± 5 мкм;

б) покрытие состоит из двух фазовых слоев столбчатой структуры, что типично для боридных покрытий на сталях [6, 8, 16, 17];

в) пониженная микротвердость фазовых слоев FeB и Fe₂B, указанная в подписи к рис. 3 и тексте комментария, связана с легированием этих боридов никелем;

г) редкие включения графита микронных размеров распределяются в наружном фазовом слое FeB покрытия между клиньями боридов, соответственно не происходит концентрирование углерода между покрытием и основой в виде отдельного фазового слоя, что является причиной сколов покрытия при механических нагрузках борированной детали в процессе эксплуатации [6, 8];

д) светлые включения в промежуточном слое между основой и покрытием вероятно являются легированными силицидами [Ni(Fe,Cu)]_xSi_y и твердым раствором кремния в сплаве CuNi (точка 14 на рис. 6). Эти включения не ухудшают качество сцепления покрытия с основой.

Борирование опытных деталей

Детали нефтяного насоса из нирезистного чугуна борировали по установленному оптимальному режиму при температуре 850°C в течение 2 ч. Фотография образцов представлена на рис. 7. Получено равномерное покрытие без сколов.

Рис. 7.

Детали нефтяного насоса, борированные при 850°С в течение 2 часов.

Поскольку состав и вязкость суспензии, вызывающей абразивный износ, переменны и неизвестны точно, было невозможно моделировать условия работы деталей, соответственно мы не могли исследовать износостойкость покрытий в лабораторных условиях. Поэтому испытания борированных деталей нефтяного насоса были проведены в реальных условиях эксплуатации в серийной нефтяной скважине. К сожалению, испытания были прерваны после 4 суток работы из-за аварии на скважине, поэтому мы не смогли извлечь опытные детали и изучить состояние покрытий и степень их износа. Однако известно, что по величине микротвердости покрытия можно в первом приближении судить о его износостойкости [6, 9, 11–15]. Поскольку микротвердость боридного покрытия на чугуне “нирезист” почти в 8 раз выше, чем микротвердость его основы, можно предполагать повышение абразивной стойкости детали как минимум в 5–6 раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучена кинетика формирования электролизных боридных покрытий на чугуне “нирезист” состава (С – 3.0; Ni – 15.2; Cu – 7.6; Si – 2.0; Cr – 1.0; Mn – 1.0) в расплаве CaCl₂ + 3 мас. % B₂O₃, при температурах 800, 850 и 900°C и времени выдержки 2 и 3 часа. Установлено, что оптимальная толщина покрытия 65 ± 5 мкм (без сколов) получается при 850^оС, плотности тока 40 мА/см² и времени экспозиции 2 часа.

Проведены металлографические, рентгенофазовые (XRD), микрорентгено-спектральные (SEM) исследования полученных покрытий. Определены их микротвердость, фазовый состав и оптимальная толщина. Установлено, что микротвердость поверхностного боридного слоя в 6 раз выше, чем у основы.

По установленному оптимальному режиму (850°С, 2 ч) выполнено борирование реальных деталей нефтяного насоса из чугуна “нирезист”. Их испытания в реальных условиях эксплуатации показали, что стойкость к абразивному износу увеличилась, а коррозионная стойкость нет. Коррозионную стойкость боридного покрытия можно улучшить при помощи физических методов аморфизации поверхности.

Исследование выполнено с использованием приборных возможностей ЦКП “Состав вещества” ИВТЭ УрО РАН. Авторы благодарны Б.Д. Антонову за рентгенофазовый анализ покрытий, и А.А. Панкратову за проведение микрорентгеноспектрального (SEM) анализа.