Обеспечение триботехнических свойств деталей нефтегазового бурового оборудования, в частности цилиндровых втулок буровых насосов, является актуальной научной и практической задачей, успешное решение которой позволит повысить долговечность, снизить простои и затраты на ремонт, уменьшить количество запасных частей, в тоже время требует комплексного исследования по следующим основным направлениям (рис. 1):
повышение механических и триботехнических свойств материалов, включающее оптимальный выбор пары трения, применение современных термических, химико-термических и физико-технических упрочняющих обработок, покрытий и т. п.;
улучшение антифрикционных свойств подвижного сопряжения (снижение коэффициента трения, увеличение площади опорной поверхности, обеспечение макро- и микрогеометрии, обеспечение требуемой точности и др.);
использование современных смазок, обоснованных схем их подачи и удержания в зоне трения.
Одним из перспективных путей решения последнего из перечисленных направлений является разработка технологических методов формирования на поверхности подвижных сопряжений регулярных микрорельефов.
В настоящее время, благодаря разработкам школы профессора Шнейдера Ю. Г. и его учеников, широкое применение получили методы образования регулярных микрорельефов холодным пластическим деформированием вибрирующими или профильными роликами. Они позволяют получить микрорельефы различной конфигурации в зависимости от конкретных условий эксплуатации детали [1].
В то же время, холодным пластически деформированием весьма затруднительно получить микрорельеф на высокопрочном материале (например, на закаленной стали). Кроме того, наибольшая степень деформационного упрочнения приходится на впадины микрорельефа, в то время как несущие выступы оказываются менее упрочненными, что ограничивает долговечность самого микрорельефа.
Рис. 1. Методы обеспечения триботехнических свойств деталей машин
Данную проблему можно решить применением импульсных высокоэнергетических технологий, в частности, импульсного электромеханического упрочнения (ИЭМУ) [2, 3].
ИЭМУ является одним из направлений развития, разработанной проф. Б.М Аскинази, технологии электромеханической обработки (ЭМО) [4]. ИЭМУ основано на преобразовании структуры поверхностного слоя стальных изделий комплексным термо-деформационным воздействием импульсов электрического тока высокой плотности (108–109 А/м2) при напряжении (2–5 В) в зоне контакта деформирующего электрод-инструмента с обрабатываемой поверхностью. В результате высокоскоростного нагрева локального объема поверхности до температур порядка 1500К с одновременной пластической деформацией и быстрым последующим теплоотводом в основной объем материала и охлаждающую среду на поверхности стальных изделий формируется высокопрочная наноразмерная структура высокодисперсного мартенсита — белый слой.
При этом на поверхности создается регулярная структура из отдельных фрагментов белого слоя, каждый из которых образован в течение одного полупериода прохождения электрического тока (рис. 2). Форма, размеры и взаимное расположение фрагментов белого слоя зависит от режимов ИЭМУ и определяет конкретный вид регулярной структуры (относительную площадь упрочнения, размеры фрагментов белого слоя и расстояния между ними, форму выступов и впадин регулярного микрорельефа).
Рис. 2. Фрагменты белого слоя на поверхности стали 45, образованные в результате ИЭМУ
При изолированном расположении фрагментов белого слоя образуется ячеистая регулярная структура, которая может быть трансформирована в регулярный микрорельеф в процессе приработки пары трения за счет более высокого износа неупрочненных зон. Однако в этом случае, в зоне трения оказываются продукты износа, которые могут оказать абразивное воздействие и, как следствие, привести к снижению износостойкости.
Разработан метод формирования регулярного микрорельефа, в котором используется свойство чрезвычайно низкой травимости белого слоя [5]. Поэтому, в процессе химического или электрохимического травления неупрочненных зон формируются, так называемые, масляные карманы. Полученный микрорельеф отличается высокой долговечностью, так как наиболее прочными являются несущие выступы микрорельефа, образованные фрагментами белого слоя (рис. 3).
Испытания на изнашивание образцов из стали 45 в условиях граничного трения показали, что износостойкость образцов с регулярным микрорельефом в два раза выше, чем закаленных ТВЧ и в 4,5–5 раз выше, чем нормализованных (рис. 4).
Рис. 3. Схема образования регулярного микрорельефа в результате травления полученной ИЭМУ ячеистой регулярной структуры
Рис. 4 Линейный износ образцов из стали 45 в условиях граничного трения
Таким образом, ИЭМУ является эффективным методом обеспечения триботехнических свойств деталей, работающих в условиях граничного трения, что довольно часто встречается в работе динамического оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Сформированная на поверхности стальных изделий регулярная ячеистая структура трансформируется в регулярный микрорельеф, отличающийся высокой прочностью и долговечностью несущих выступов. Возможность в широких пределах управлять параметрами ИЭМУ обеспечивает получение регулярных структур различных видов в зависимости от условий эксплуатации.
Литература:
- Шнейдер, Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом / Ю. Г. Шнейдер. — Л.: Машиностроение, 1982. — 248 с.
- Маловечко, Г. В. Формирование регулярной структуры поверхностного слоя металла при электромеханической обработке / Г. В. Маловечко, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина // Вестник машиностроения. — 1989. — № 5. — С. 51–53.
- Багмутов, В. П. Импульсное электромеханическое упрочнение стальных изделий с образованием регулярной дискретной структуры поверхностного слоя / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев // Вестник машиностроения. — 1996. — № 2. — С. 38–39.
- Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой / Б. М. Аскинази. — М.: Машиностроение, 1977. — 184 с.
- Патент 2203173 РФ, МПК 7 В 24 В 39/00. Способ комбинированного упрочнения поверхности деталей / С. Н. Паршев, Н. Ю. Полозенко; ВолгГТУ. — 2003.
