Ж наука — производству
Н Н.ЗАКИРОВ
Тюыенский Государственный Нефтегазовый Университет
(2) где
_ кТ 4 ~ 6/7//
»
к — постоянная Больцмана, Дж/кал;
Т — температура Кельвина;
ц — динамическая вязкость электролита, кг/м.с;
/?,/ 104 — радиус потенциал определяющего иона;
К -107 — средний радиус частиц порошка, м;
5 Ю4 — толщина диффузионного слоя, м.
При горизонтальном расположении катода относительная скорость переноса частиц определяется скоростью седиментации. При вертикальном распо-
11/2003
Надёжность работы буровых шарошечных долот обусловлена не только влиянием эксплуатационных факторов, но и конструкторско-технологическими решениями.
Среди разнообразных методов упрочнения рабочих поверхностей деталей машин в долотостроении наиболее широко используют цементацию шарошек и лап, а также наплавку твердыми сплавами фрезерованного вооружения и трущихся поверхностей.
Сравнение эффективности цементации, цианирования и азотирования легированных сталей приведено в работе [1]. Показано, что в ряде случаев жидкостное азотирование хроммолибденовой стали значительно эффективней повышает предел выносливости, чем цементация или цианирование.
Вместе с тем, использование таких технологий, как цианирование, азотирование, карбонитрирова-
ние, поверхностно-пластическое деформирование, нанесение ионно-плазменных или композиционных покрытий может привести к существенному повышению эксплуатационных показателей буровых долот.
Технология осаждения композиционных гальванических покрытий с дисперсной фазой (карбиды, нитриды, оксиды, сульфиды и т.д.) успешно применяется для повышения износостойкости и снижения трения в узлах различных машин, механизмов, аппаратов. В настоящее время в основу разработки технологических процессов осаждения композиционных покрытий заложена количественная теория процесса
[2], которая позволяет рассчитать и получить на катоде покрытие с требуемым количеством порошка
[3].
Г С *кГ?Э 1 • Г -Г п
Рт 3 (1)
где Су — начальная концентрация порошка в ванне, %;
С„, — массовая концентрация порошка, кг/м*;
р5 — удельный вес дисперсной фазы, кг/м>;
Су — требуемое количество порошка в покрытии % об.;
— катодная плотность тока, А/мг;
11 — выход металла по току, %;
э — электрохимический эквивалент, кг/А — ч;
рт — плотность матрицы покрытия, кг/м3;
В — относительная скорость переноса частиц порошка на катод м/с.
наука — производству £
ложении катода относительная скорость определяется скоростью электрофореза.
В работе [4] показано, что одним из обязательных условий нормальной работы пары трения является обеспечение положительного градиента механических свойств по глубине. При этом условии обеспечивается внешнее трение, так как все деформации сосредотачиваются в тонком поверхностном слое. Положительный градиент механических свойств обеспечивается, если адгезионная связь менее прочна, чем в нижележащих слоях материала. В этом случае трение локализуется в тонких слоях смазочного материала, а сопротивление оттеснению в нижележащих слоях остается весьма значительным. Введение смазок погашает силы молекулярного взаимодействия между трущимися поверхностями, уменьшает прочность поверхностного слоя за счёт адсорбционного эффекта Ребиндера. Применение высоких скоростей скольжения приводит к размягчению тонких поверхностных слоев материалов под влиянием температуры. Нанесение тонких приработочных покрытий из малопрочных материалов также способствует установлению положительного градиента механических свойств и хорошо обеспечивает условия внешнего трения.
Технология производства долот типа ATM компании «Хьюз» предусматривает нанесение на опору долота серебряного покрытия, а на внутреннюю трущуюся поверхность шарошки — наплавку из медного сплава. Технология производства долот МАХ также предусматривает нанесение антифрикционного покрытия на опору долота. В других вариантах (долото АТИ ) используется наплавка цапфы твёрдым износостойким сплавом и нанесение покрытия на внутреннюю поверхность шарошки, которое включает в себя порошки твердых смазок. Очевидно, твёрдое смазочное покрытие — это покрытие на основе меди, так как согласно поставленной цели покрытие должно хорошо отводить тепло в тело шарошки. В долотах типа АТХ используют серебряное покрытие, которое наносят на опорные поверхности упорного подшипника с целью увеличения теплоотвода с опоры долота.
Нанесение композиционных гальванических покрытий на трущиеся поверхности деталей машин для снижения трения и износа известно давно. Примеры практического использования композиционных покрытий, и в частности, на основе меди как приработочных, содержащих в матрице порошки твёрдых смазок, приведены в работе [5].
Разработке технологии нанесения самосмазывающихся композиционных гальванических покрытий с повышенными, прочностными свойствами и исследованию их физико-механических свойств посвящен ряд работ. В работе [6] приведены сведения о разработке технологии нанесения медного твердосмазоч-ного покрытия, содержащего в матрице дисульфид молибдена и упрочняющую дисперсную фазу — оксид алюминия, на опору долота Ш215,9МС-ГАУ-НМ. Концентрационные соотношения порошков в ванне б — 20 г/л. Специальные катионные добавки в электролит стабилизируют процесс и повышают воспроизводимость результатов по количеству дисперсной фазы в покрытиях. Технология предусматривает нанесение покрытия Cu-MoSy-AljO, через никелевый подслой на опору долота. Никелевый подслой толщиной 2 — 3 мкм наносят из электролита состава:
NiCl2— 200 г/л, HCl — 200 мл/л. В начале процесса осуществляют травление из этого электролита, затем меняют полярность и осаждают никелевый подслой. После промывки холодной водой наносят композиционное покрытие с содержанием дисперсной фазы 4 — 6 % об.
На рис. 1 показана установка для нанесения композиционного покрытия.
Шарошку 1 устанавливают в металлический стакан 2. Затем устанавливают на растяжках 3 электродвигатель 4, соединенный через муфту 5 с медным анодом 6. Медный анод выполнен в виде лопатки, которая при вращении перемешивает суспензию. Постоянный ток подается на анод через ламель 7, выполненную из бериллиевой бронзы. При включенном минимальном токе в полость шарошки заливают через воронку заранее приготовленную суспензию. Затем ток увеличивают до рабочего значения, покрытия получают из электролита состава (г/л): CuS04 — 200-
250; H2SO< — 50-70 при температуре 20-23°С и плотности тока 6-8 А/дмг. Число оборотов мешалки 50-60 об/мин.
Данная технология нанесения антифрикционных покрытий на внутренние трущиеся поверхности шарошки была использована при изготовлении опытной партии долот, испытания которых проводили в Сургутском УБР-3 на кусте 612 Восточно-Елового месторождения ОАО НК «Сургутнефтегаз». Результаты испытаний показали, что стойкость опоры опытных долот возросла по сравнению с серийными.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., Машиностроение, 1990.
2. Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М., Машиностроение, 1981.
3. Закиров H.H., Бородин И.Н. Определение концентрации порошков в ванне для получения композиционных покрытий. М., Зашита металлов,1990, Т.26, №3.
4. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М., Машиностроение, 1968.
5. Бородин И.Н. Упрочнение деталей композиционными покрытиями. М., Машиностроение,1982.
6. Закиров H.H. Разработка самосмазывающихся покрытий для опоры шарошечного долота // Тезисы докладов международной конференции/ Тюмень, 1996.
Рис.1.
Схема установки для нанесения композиционного покрытия:
1 — шарошка;
2 — металлический стакан;
3 — растяжки;
4 — электродвигатель;
5 — муфта;
6 — анод-мешал-ка;
7 — пружинная ламель;
8 — источник постоянного тока
3-VWV\MM'
11 2003
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.