4_Kril.doc Конструкційна кераміка на основі карбіду кремнію для вузлів тертя і деталей нафтогазового та хімічного обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 25 Криль А.О., Криль Я.А., Дрогомирецький Я.М. Івано-Франківський національний техніч- ний університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, Україна КОНСТРУКЦІЙНА КЕРАМІКА НА ОСНОВІ КАРБІДУ КРЕМНІЮ ДЛЯ ВУЗЛІВ ТЕРТЯ І ДЕТАЛЕЙ НАФТОГАЗОВОГО ТА ХІМІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ Вступ Конструкційну карбідокремнієву кераміку з високим показниками фізико-механічних властивос- тей найчастіше отримують методами гарячого пресування і активованого спікання. Однак недоліками цих методів є висока енергоємність виробництва, висока якість вихідних порошків SiC та обмеження по формі і розмірах виготовлених деталей. Вказані недоліки можна частково усунути методом реакційного спікання, при якому пористу заготовку із суміші порошку карбіду кремнію і вуглецю (нафтовий кокс) просочують розплавленим кремнієм. Як вихідні матеріали використовували порошки карбіду кремнію виробництва Донецького заводу хімічних реактивів (ГОСТ 26327-84). Отримана кераміка володіє хоро- шими фізико-механічними характеристиками у порівнянні з кращими зразками вітчизняних і зарубіжних фірм (табл. 1), а її виробництво методом реакційного спікання є більш продуктивним і відносно малозат- ратним [1, 2]. Таблиця 1 Порівняльна характеристика фізико-механічних властивостей керамічних матеріалів на основі карбіду кремнію Вид матеріалу, фірма і кра- їна виробник Питома маса ρ, г/см³ Коефіцієнт трі- щиностійкості К1с, МПа·м(½) Модуль пружності Е, ГПа Міцність на згин σ, МПа Мікротвердість HV, ГПа Реакційноспечений SiC, ООО “Вириал”, Росія 2,95 - 3,15 3,5 - 4,0 360 - 395 250 - 400 21 - 31 Реакційноспечений SiC, “Carborundum”, США 2,9 - 3,0 3,5 - 4,0 350 - 380 250 - 500 26 - 30 Гарячепресований SiC, “Carborundum”, США 3,05 - 3,2 3,0 - 4,0 410 - 450 550 - 800 30 - 43 Реакційноспечений SiC, ІФНТУНГ 2,9 - 3,0 3,5 - 4,0 350 - 370 350 - 400 26 - 30 Постановка задач Низька зносостійкість вузлів тертя (торцевих ущільнень, підшипників ковзання) вітчизняних відцентрових насосів, які використовуються при видобутку і переробці нафти та газу призводить до пе- редчасної відмови обладнання із-за витоку рідини і веде до зменшення ресурсу роботи. Наприклад, вузли тертя відцентрових насосів складають лише до 8 % маси агрегату, але вони є причиною 80-90 % відмов цілого насосу. Керамічні матеріали на основі реакційноспеченого карбіду кремнію, завдяки унікальному поєднанню властивостей, здатні працювати в умовах інтенсивного гідро- та аэроабразивного зношуван- ня, корозійного та температурного впливу і знаходять застосування у різних вузлах тертя та ущільненнях нафтогазового і хімічного обладнання. Використання карбіду кремнію як матеріалу для підшипників ко- взання і пар тертя ущільнень дозволить підвищити їх роботоздатність та довговічність та суттєво змен- шить затрати на ремонтні роботи [2]. Однією з основних причин відмов нафтогазового обладнання є газоабразивне зношування устат- кування. До такого виду руйнування схильні деталі запірно-регулюючої арматури і аероабразивоструме- неві сопла, які використовуються для проведення антикорозійних робіт – очищення поверхонь нафтога- зопроводів та нафтогазосховищ до необхідної якості і покриття їх антикорозійними покриттями. Сопла призначені для прискорення абразивно-повітряної струмини до надзвукової швидкості. Стальні сопла підлягають швидкому газоабразивному зношуванню, що вимагає їх частої заміни. Сопла з твердих спла- вів відзначаються високими експлуатаційними характеристиками, але дефіцитність і висока вартість ви- хідної сировини обмежує їх широке застосування на практиці. За рахунок використання зносостійких конструкційних керамічних матеріалів, зокрема реакційноспеченого карбіду кремнію можна замінити тверді сплави і підвищити довговічність деталей, які взаємодіють з газоабразивним потоком. Зміст і результати досліджень PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Конструкційна кераміка на основі карбіду кремнію для вузлів тертя і деталей нафтогазового та хімічного обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 26 Дослідження процесів зношування проводилися з реакційноспеченого карбіду кремнію одержа- ного в лабораторії керамічних конструкційних матеріалів ІФНТУНГ, фізико-механічні характеристики якого наведені у табл. 1. Але однією з умов раціонального застосування кераміки у вузлах тертя нафтога- зового обладнання є вияснення закономірностей руйнування при терті і зношуванні цих матеріалів. З ці- єю метою розроблено комплекс досліджень параметрів тертя і зношування керамічного матеріалу на ос- нові карбіду кремнію в умовах сухого тертя ковзання і взаємодії з потоком абразивних частинок. Найменше зношування при терті керамічних матеріалів спостерігається в однойменних парах тертя, а в парах кераміка – сталь відбувається інтенсивне зношування та мікрорізання металу більш твер- дою керамікою, в результаті чого ресурс такої пари тертя є обмежений [3]. Крім того, практично немож- ливо провести випробування в контакті з нетермообробленими (з низькою агрегатною твердістю) мета- левими контртілами через виникнення задирів і, як наслідок, – катастрофічне руйнування контртіла, або руйнування керамічного зразка. У зв’язку з вищевикладеним дослідження реакційноспеченого карбіду кремнію проводили в од- нойменних парах тертя кераміка – кераміка методом витирання канавки за схемою “ролик – нерухомий ролик”. Випробування в умовах сухого тертя ковзання було реалізовано на машині тертя СМЦ-2. При цьому верхній ролик закріплювався нерухомо і саме на цьому зразку витиралась лунка. Об’ємне зношу- вання кераміки розраховували виходячи з ширини зразка, радіусів і хорди лунки. Особлива увага зверталась на шорсткість робочих поверхонь зразків, оскільки цей фактор суттє- во впливає на антифрикційні характеристики кераміки. На попередньо шліфовані бічні і внутрішню ци- ліндричну поверхню керамічного зразка наносилась епоксидна смола ЭП-20, після затвердіння якої ци- ліндрична поверхня ролика шліфувалась до діаметра 50 мм і притиралась алмазними пастами. Шорст- кість робочої поверхні доводили до Ra = 0,32-0,63 мкм. Перед проведенням випробувань поверхні зраз- ків обезжирювали етиловим спиртом. Для уникнення явища викришування керамічні зразки закріплюва- лись на робочому валі машини тертя через спеціальну перехідну втулку. Тертя здійснювали без змащування на повітрі в діапазоні швидкостей ковзання 0,8 - 2,6 м/с і на- вантаженнях 20, 50, 80 H. Шлях тертя змінювався у залежності від режимів випробувань і складав від 1 до 8 км. Дослідження припинялись при досягненні довжини лунки 10 мм. Це робилось для збереження подібності контактно-силових процесів у зоні тертя. На кожній з трьох швидкостей проводили випробу- вання при трьох різних навантаженнях. Для кожного режиму проводили 4 - 5 експериментів, що забезпе- чило відповідну статистичну надійність результатів трибовипробувань та похибку не більшу 1 %. Зносостійкість матеріалу визначали за об’ємом витертої лунки (мм3) як відношення зносу до шляху тертя. Для знаходження об’єму лунки вимірювалась її довжина за допомогою мікроскопу зі збі- льшенням у 60 разів. Обчислення об’єму здійснювалось з використанням макрофункції написаної для системи Excel. Поверхня витертої лунки досліджувалась із застосуванням металографічного аналізу з ви- користанням оптичного та растрового електронного мікроскопу. Під час трибовипробувань записувався момент тертя, через який розраховувався коефіцієнт тертя в досліджуваній парі. Дані трибовипробувань наведені у табл. 2. Таблиця 2 Результати триботехнічних випробувань керамічного матеріалу з реакційноспеченого карбіду кремнію № п/п Швидкість ковзання V, м/с Навантаження N, H Інтенсивність зношування I, мм3/км Коефіцієнт тертя, f 1 0,8 20 5 0,42 2 0,8 50 7 0,32 3 0,8 80 14 0,29 4 1,4 20 6 0,38 5 1,4 50 9 0,22 6 1,4 80 19 0,24 7 2,6 20 8 0,36 8 2,6 50 12 0,18 9 2,6 80 27 0,15 Аналіз результатів випробувань свідчить, що зі збільшенням швидкості ковзання і навантаження коефіцієнт тертя знижується, а інтенсивність зношування зростає, причому швидкість ковзання більш ін- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Конструкційна кераміка на основі карбіду кремнію для вузлів тертя і деталей нафтогазового та хімічного обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 27 тенсивно впливає на цей процес. Таку поведінку кераміки на основі карбіду кремнію можна пояснити тим, що зі збільшенням швидкості ковзання та навантаження в умовах сухого тертя на повітрі характер- ним є підвищення температури в зоні контакту. При цьому частково окислюється кремній з утворенням оксиду SiO2. Утворена при терті плівка оксиду кремнію надійно захищає керамічний матеріал від окис- лення при терті і як результат спостерігається тенденція до поступового зниження коефіцієнта тертя і підвищення інтенсивності зношування реакційноспеченого карбіду кремнію. Відносно малі значення інтенсивності зношування кераміки, очевидно, пов’язані з гладким рель- єфом поверхні SiC. Отриманий результат входить в певне протиріччя з даними наведеними в [3]. Там, бі- льша інтенсивність зношування спостерігалась при низьких значеннях швидкості ковзання і навантажен- ня, але випробовувалась пара тертя SiC – сталь. На триботехнічні характеристики карбіду кремнію впли- ває мікроструктура матеріалу, важливе значення відіграє морфологія зерен і їх розміщення по розмірах, присутність в структурі пор. Дослідження поверхонь зношування і аналіз профілографування дозволя- ють зробити висновок, що основним механізмом зношування реакційноспеченого карбіду кремнію в умовах сухого тертя кераміка – кераміка є крихке механічне руйнування. Поверхня зношування мала од- наковий вигляд мікровикришування при всіх швидкостях ковзання і навантаженнях. Дослідження карбідокремнієвої кераміки в умовах газоабразивного зношування у порівнянні з твердим сплавом ВК8 проводили на відцентровому прискорювачі твердих частин за методикою, перед- баченою ГОСТ 23.201-78 [4]. Як абразив використовували просіяний пісок з розміром зерен dr = 0,4 – 1,0 мм. Маса абразиву – 5 кг. Зношування матеріалів здійснювалось за кутів атаки абразивних частинок 30, 60 і 90°, та швидкості частинок Vп = 76 м/с. Дослідні і еталонні зразки виготовлялися з розмірами 20 × 15 × 4(5) мм, шорсткістю робочої по- верхні Ra = 0,16 – 0,32, без гострих кромок. Еталонні взірці виготовлялися зі сталі 45 у відпаленому ста- ні за ГОСТ 1050-74. Попередньо всі зразки припрацьовувались, після чого проводились основні дослідження. Відомо, що на початковій стадії процес зношування протікає зі змінною інтенсивністю. Припрацювання потрібне для стабілізації інтенсивності процессу зношування. Режими припрацювання були ті ж, що й при основних випробуваннях. Величину зношування досліджуваних і еталонних зразків визначали шляхом зважування на ана- літичній вазі ВЛР-200, з точністю 0,05 мг до і після випробовувань. Результати дослідження зносостійко- сті наведені в табл. 3. Таблиця 3 Відносна зносостійкість ε матеріалів при різних кутах атаки (швидкість потоку 76 м/с, еталонний матеріал – сталь 45) Відносна зносостійкість ε Матеріал α = 30° α = 60° α = 90° Сталь 45 1 1 1 SiC, ІФНТУНГ 20,7 2,04 0,29 ВК8 19,8 11,15 15,65 Встановлено, що за малих кутів дії абразивних частинок (α < 30°) зносостійкість реакційно- спеченого карбіду кремнію більша ніж за таких же аналогічних умов у сплаву ВК8, проте при кутах 60 і 90° твердий сплав показав значно кращий результат. Зношування реакційноспеченого карбіду кремнію в потоці абразивних частинок має вибірковий характер і пояснюється особливостями мікроструктури цьо- го матеріалу. Спочатку відбувається руйнування крихкої міжзернової фази з вільного кремнію, через утворення тріщин. Далі викришуються крупні частинки каркасу карбіду кремнію. Результати проведених досліджень свідчать, що здатність протистояти газоабразивному зношуванню дозволяє рекомендувати карбід кремнію як матеріал для аероабразивоструменевих сопел та вузлів запірно-регулюючої арматури. Висновки 1. Проведено дослідження реакційноспеченого карбіду кремнію в умовах тертя ковзання керамі- ка – кераміка без мастила в широкому діапазоні швидкостей і навантажень. Запропонована схема вити- рання лунки відрізняється високою чутливістю при випробуваннях пар тертя з кераміки і завдяки прос- тоті може ефективно застосовуватися при проведенні досліджень. Встановлено ступінь впливу основних факторів (швидкості ковзання і навантаження) на інтенсивність зношування та коефіцієнт тертя. Із збі- льшенням швидкості ковзання і навантаження коефіцієнт тертя знижується від 0,42 до 0,15, а інтенсив- ність зношування зростає від 5 до 27 мм3/км. Основною причиною зношування є крихке механічне руй- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Конструкційна кераміка на основі карбіду кремнію для вузлів тертя і деталей нафтогазового та хімічного обладнання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 1 28 нування. Результати проведених досліджень свідчать, що застосування карбідокремнієвих матеріалів для високошвидкісних вузлів тертя насосних агрегатів нафтогазової галузі (торцеві ущільнення, підшипники ковзання) є доцільним і перспективним. 2. Досліджено зносостійкість карбіду кремнію одержаного методом реакційного спікання в умо- вах газоабразивного зношування при зміні кута атаки абразивних частинок. Установлено, що за великих кутів атаки (α > 60°) карбід кремнію характеризується меншою зносостійкістю ніж твердий сплав ВК8, проте за малих кутів атаки (α < 60°) SiC показав кращі результати. Таким чином, конструкційну кераміку на основі SiC можна широко застосовувати як зносостійкий матеріал для виготовлення абразивоструме- невих сопел та деталей запірно-регулюючої арматури в нафтогазопромисловому і хімічному обладнанні. Література 1. Гнесин Г.Г. Бескислородные керамические материалы / Г.Г. Гнесин. – К.: Техніка, 1987. – 152 с. 2. Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. – М.: Научтехлитиздат, 2003. – 384 с. 3. Влияние скорости скольжения на износ пары керамика – сталь при трении без смазки / А.М. Ковальченко, И.И. Осипова, Ю.Г. Гогоци и др. // Трение и износ, – 1992. – 13, № 4, – С. 654-663. 4. Клейс И.Р. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия / И.Р. Клейс, Х.Х. Ууэмыйс. – М.: Машиностроение, 1986. – 157 с. Надійшла 26.10.2010 Ч И Т А Й Т Е журнал “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” во всемирной сети I N T E R N E T ! http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.tup.km.ua/science/journals/tribology/ http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com