СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА И ДЕТАЛЬ СТУПЕНИ ПОГРУЖНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Российский патент 2004 года по МПК C23C8/24 B22F3/26 

Изобретение относится к порошковой металлургии и способам газовой низкотемпературной химико-термической обработки, а именно способам азотирования металлических материалов на основе железа.

Известен способ повышения коррозионной стойкости порошковых сплавов на основе железа путем азотирования, описанный, например, в литературе “Химико-термическая обработка металлокерамических материалов”, авторы Ворошилин Л.Г. и др. - Минск: Наука и техника, 1972 г., с.274.

Недостатком известного способа является невозможность получения материала с высокими механическими свойствами из-за образования недостаточного слоя азотирования с уменьшенными показателями остаточной пористости.

Известен способ газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов, описанный в патенте RU 2109080 С1, С 23 С 8/24, 20.04.1998, заключающийся в том, что нагревают азотсодержащий газ, затем подвергают его воздействию катализатора, после чего металлическую заготовку выдерживают при повышенной температуре в азотосодержащей газовой смеси, обеспечивая получение материала или детали с соответствующими физико-химическими свойствами.

Указанное техническое решение принято за прототип для заявленного изобретения.

Основным недостатком известного способа является невозможность получения материала при данной технологии обработки с высокими коррозионно-стойкими и антифрикционными свойствами, что ограничивает его использование для производства износостойких деталей, предназначенных для работы в жидких средах с высоким содержанием газа, например, в пластовой жидкости. То есть, в среде с повышенным газовым фактором работа детали происходит в условиях обедненной смазки, что приводит к возникновению полусухого трения и быстрому износу деталей. Указанный недостаток особенно проявляется при использовании материала для изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи жидкости из скважин и может являться одной из причин выхода из строя насоса.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в получении материала на основе сплава железа, преимущественно медьсодержащего, обладающего повышенными коррозионно-стойкими и антифрикционными свойствами со значительно уменьшенным показателем остаточной пористости за счет создания на азотированной поверхности поверхностного объемного слоя окислов меди и слоя продуктов пиролиза, что, в случае использования материала для изготовления основных рабочих органов погружного центробежного насоса, обеспечивает повышение износостойкости и коррозионно-стойкости деталей, а в процессе работы центробежного насоса происходит формирование гидрофобной пленки, обеспечивающей снижение коэффициента трения и гидравлических потерь.

Способ заключается в том, что формируют заготовку из спеченного порошкового материала на основе сплава железа, сформированную заготовку азотируют при повышенной температуре, после чего заготовку погружают в жидкость, содержащую минеральное масло, причем в жидкость погружают заготовку, имеющую температуру не выше температуры азотирования и не ниже температуры пиролитического разложения масла. При формировании спеченную заготовку пропитывают медью или ее сплавом при температуре не ниже температуры плавления меди или ее сплава. Азотируют заготовку при повышенной температуре, при этом нагревают азото- и кислородосодержащую газовую смесь, и подвергают смесь воздействию катализатора, обеспечивающего увеличение скорости реакций окисления водорода и диссоциации молекул газов с образованием атомарного кислорода и азота. После чего заготовку выдерживают в подготовленной газовой смеси при повышенной температуре, достаточной для азотирования поверхностного слоя заготовки. Далее заготовку подвергают окислительному нагреву и погружают в жидкость, содержащую минеральное масло, и выдерживают при температуре не выше температуры азотирования и не ниже температуры, достаточной для пиролитического разложения минерального масла.

Конструкция детали ступени погружного центробежного насоса, обеспечивающая достижение указанного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

Деталь выполнена из спеченного порошкового материала на основе сплава железа, пропитанного сплавом меди, подвергнута воздействию, при повышенной температуре, смеси кислородосодержащего и азотосодержащего газов, предварительно подвергнутой, в нагретом состоянии, воздействию катализатора, обеспечивающего увеличение скорости реакции окисления водорода и диссоциации молекул газов с образованием атомарного кислорода и азота с последующим окислительным нагревом и погружением в жидкость, содержащую минеральное масло.

Кроме того, в частном случае реализации деталь ступени погружного центробежного насоса может быть подвергнута воздействию смеси газов после удаления с ее поверхности слоя, сформированного при спекании и пропитке порошкового материала медью или ее сплавом.

Кроме того, в частном случае реализации детали ступени погружного центробежного насоса остаточная пористость детали после пропитки медью или ее сплавом может находиться в пределах от 5 до 30%.

При этом в частном случае реализации изобретения каждое из заявленных изобретений может отличаться от прототипа следующими совокупностями признаков.

Катализатор является металлом платиновой группы.

Катализатор является окисью алюминия.

Азотсодержащий газ представляет собой аммиак.

Азотсодержащий газ представляет собой закись азота.

Кислородсодержащий газ представляет собой осушенный воздух.

Кислородсодержащий газ представляет собой углекислый газ.

Кислородсодержащий газ представляет собой кислород.

Спеченный порошковый материал может представлять собой композицию на основе меднистой стали, включающую в себя медь, марганец, материал, содержащий спеченные карбонитриды на основе железа, азот и окислы меди.

При взаимодействии со смесью газов деталь или материал нагревают до температуры, находящейся в пределах от 500 до 800°С.

Подают смесь газов в зону реакции с деталью или материалом не позднее, чем через 3 с после взаимодействия катализатора со смесью газов.

Пористая структура заготовки (материала, детали) позволяет молекулам азота и кислорода проникать внутрь заготовки, что обеспечивает воздействие на металл по всей глубине заготовки и значительно повышает эффективность химико-термической обработки. Остаточная пористость менее 5% не обеспечивает получение описанного технического результата, а в случае увеличения пористости выше 30% ухудшаются эксплуатационные свойства детали, в частности, ее коррозионная стойкость. Пропитка заготовки медным сплавом с последующим покрытием поверхности продуктами пиролиза минерального масла приводит к снижению скорости коррозии в ~10-15 раз за счет закрытия пор или уменьшения их размеров, а также за счет создания защитного барьера из меди и масляной пленки в приповерхностном слое. Кроме того, частичное окисление до появления окислов меди, марганца и других составляющих компонентов повышает скорость пиролиза минерального масла в процессе термообработки и способствует образованию на поверхности детали плотного гидрофобного слоя продуктов пиролиза.

Таким образом, пропитка медью или ее сплавом и покрытие масляной пленкой материала обеспечивает значительное увеличение его механической прочности, повышает коррозионную стойкость и антифрикционные свойства заготовки (детали), приводящие к снижению гидравлических и механических потерь, а также улучшает технологический процесс химико-термической обработки материала.

Возможность реализации каждого из заявленных изобретений подтверждается примерами изготовления деталей ступени погружного центробежного насоса.

Пример 1.

Предварительно двухсторонним прессованием формируют из порошкового чугуна части заготовки рабочего колеса ступени погружного центробежного насоса: верхний диск рабочего колеса, нижний диск и лопасти. Затем осуществляют спекание частей заготовки с обеспечением пористости структуры от 10 до 25% и собирают заготовку, закрепляя на ее верхней поверхности пропиточные брикеты из порошка на основе сплава меди, а на соединяемые поверхности наносят мелкодисперсный порошок аналогичного состава. Помещают собранную заготовку в печь и нагревают печь до температуры спекания порошка, составляющей около 1000°С. Температура нагрева, в случае использования порошкового или пропиточного материала другого состава, может отличаться от указанной, но должна быть не ниже температуры плавления пропиточного брикета. Заготовку выдерживают в печи в течение трех часов, при этом происходит диффузионная сварка частей заготовки и инфильтрация легкоплавкого компонента - сплава меди по всему объему заготовки. После этого заготовку подвергают механической обработке для удаления поверхностного слоя, полученного при спекании и формирования необходимых заданных геометрических размеров, обеспечивающих создание на поверхности избыточного слоя меди толщиной от 5 до 30 мм. Полученную деталь подвергают азотированию, для чего подготавливают азото- и кислородосодержащую газовую смесь, нагревая ее и пропуская через катализатор при температуре около 600°С.

В качестве азотосодержащего газа используют аммиак, в качестве кислородосодержащего - осушенный воздух. В качестве катализатора используют металл платиновой группы, например иридий, сдвигающий реакцию окисления водорода в сторону формирования атомарного кислорода и атомарного азота.

Помещают деталь в подготовленную азото- и кислородосодержащую газовую смесь и выдерживают при температуре 650°С в течение 5 ч. Затем подвергают деталь окислительному нагреву при температуре 300-570⁰ до образования поверхностного объемного слоя окислов меди и без специального принудительного охлаждения деталь опускают в ванну с минеральным маслом или со смесью минерального и синтетического масел для охлаждения, закалки и формирования поверхностной пленки из продуктов пиролиза масел.

Пример 2.

Предварительно формируют части заготовки направляющего аппарата ступени погружного центробежного насоса из спеченного металлического порошка на основе чугуна с пористостью структуры 18%, выполненные в виде стакана, верхнего диска, нижнего диска, лопастей и втулки.

Пропитку сплавом меди и механическую обработку заготовки осуществляют по технологии, описанной в примере 1. Пропитку проводят при температуре 1150°С в течение четырех часов.

Затем производят химико-термическую обработку заготовки, раскрытую выше.

В качестве азотосодержащего газа используют закись азота, в качестве кислородосодержащего - углекислый газ. В качестве катализатора используют окись алюминия.

Обработку заготовки проводят при температурном интервале 450-600°С в течение 5,5 ч.

Изобретение относится к порошковой металлургии и способам газовой низкотемпературной химико-термической обработки, в частности к способам азотирования металлических материалов на основе железа. Предложен способ химико-термической обработки материала на основе сплава железа. Из спеченного порошкового материала на основе сплава железа формируют заготовку. Перед азотированием ее пропитывают медью или ее сплавом. Азотирование проводят в нагретой смеси кислородсодержащего и азотсодержащего газов, подвергнутой воздействию катализатора, обеспечивающего увеличение скоростей реакций окисления водорода и диссоциации молекул газов с образованием атомарного кислорода и азота. После азотирования заготовку, имеющую температуру не выше температуры азотирования и не ниже температуры пиролитического разложения минерального масла, погружают в жидкость, содержащую минеральное масло. Описана деталь ступени погружного центробежного насоса, полученная данным способом. Техническим результатом является увеличение механической прочности, коррозионной стойкости и антифрикционных свойств детали. 2 с. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ химико-термической обработки материала на основе сплава железа, включающий азотирование заготовки, сформированной из спеченного порошкового материала на основе сплава железа, отличающийся тем, что перед азотированием заготовку пропитывают медью или ее сплавом до остаточной пористости 5-30%, а после азотирования заготовку, имеющую температуру не выше температуры азотирования и не ниже температуры пиролитического разложения минерального масла, погружают в жидкость, содержащую минеральное масло.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при азотировании заготовки нагревают смесь азотсодержащего и кислородсодержащего газов, подвергают смесь воздействию катализатора, обеспечивающего увеличение скорости реакций окисления водорода и диссоциации молекул газов с образованием атомарного кислорода и азота, и выдерживают заготовку в подготовленной смеси газов при температуре азотирования, достаточной для азотирования поверхностного слоя заготовки.3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что перед погружением в жидкость, содержащую минеральное масло, заготовку подвергают нагреву в среде окислителя с обеспечением окисления меди.4. Способ по любому из пп.2 или 3, отличающийся тем, что воздействие катализатора на смесь газов осуществляют при температуре 400-1000°С.5. Деталь ступени погружного центробежного насоса, выполненная из спеченного порошкового материала на основе сплава железа, пропитанного медью или ее сплавом, отличающаяся тем, что деталь пропитана до остаточной пористости 5-30%, обработана смесью кислородсодержащего и азотсодержащего газов, предварительно нагретой и подвергнутой воздействию катализатора, обеспечивающего увеличение скорости реакций окисления водорода и диссоциации молекул газов с образованием атомарного кислорода и азота, подвергнута окислительному нагреву и выдержке в жидкости, содержащей минеральное масло, при температуре детали не выше температуры азотирования и не ниже температуры пиролитического разложения масла.6. Деталь по п.5, отличающаяся тем, что она обработана смесью газов после удаления с ее поверхности слоя, сформированного при спекании и пропитке порошкового материала медью или ее сплавом.