EA037998B1

EA037998B1 - Alloyed material for obtaining wear-resistant and corrosion-resistant parts

Info

Publication number: EA037998B1
Application number: EA202000092A
Authority: EA
Inventors: Физули Расул оглы Расулов; Ариф Тапдыг оглы Мамедов
Original assignee: Физули Расул оглы Расулов
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2021-06-22
Also published as: EA202000092A1

Abstract

The invention relates to metallurgy, in particular to foundry, and can be used for manufacturing wear-resistant and corrosion-resistant parts for oil industry. The invention solves the problem of creating a composite coating on the working surface of cast iron castings directly in the process of pouring liquid metal into a mold. The contact of liquid metal (cast iron grade GG15) with a mold wall pre-coated with special coating creates a working layer of the following composition on the casting surface, wt.%: carbon 1-1.8; silicon 0.3-0.5; manganese 0.1-0.2; nickel 40-60; chrome 9.4-15; iron - the balance. The layer obtained on the working surface of the part can significantly increase its hardness and wear resistance, as well as corrosion resistance in comparison with the prototype.

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейному производству, и может быть использовано при изготовлении фонтанных арматур, корпусов задвижек и дисков нефтяной промышленности.The invention relates to the field of metallurgy, namely to foundry, and can be used in the manufacture of Christmas trees, valve bodies and disks of the oil industry.

В качестве аналога изобретения можно привести серый чугун марки СЧ 20, из которого изготовляют корпуса задвижек и детали диска в нефтяной промышленности. Серый чугун марки СЧ20 имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 3,3-3,5; кремний 1,4-2,4; марганец 0,7-1,0; железо - остальное [1].As an analogue of the invention, gray cast iron of the SCh 20 brand can be cited, from which valve bodies and disk parts are made in the oil industry. Gray cast iron grade SCh20 has the following chemical composition, wt%: carbon 3.3-3.5; silicon 1.4-2.4; manganese 0.7-1.0; iron - the rest [1].

Детали, получаемые из этого чугуна, имеют твердость не более НВ 230, прочность при растяжении 400 МПа, однако износостойкость и коррозионностойкость корпуса задвижки и дисков, изготовленных из серого чугуна СЧ20, невысокие, поэтому детали быстро выходят из строя, по этой причине происходит утечка в нефтепроводах.The parts obtained from this cast iron have a hardness of no more than HB 230, tensile strength of 400 MPa, however, the wear resistance and corrosion resistance of the valve body and discs made of gray cast iron SCH20 are low, therefore the parts quickly fail, for this reason a leakage occurs in oil pipelines.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является литейная сталь марки 20ХГСЛ, которая имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,15-0,25; кремний 0,600,80; марганец 1,0-1,3; хром 0,60-0,90; железо - остальное (прототип) [2].The closest in technical essence to the claimed invention is casting steel grade 20HGSL, which has the following chemical composition, wt%: carbon 0.15-0.25; silicon 0.600.80; manganese 1.0-1.3; chromium 0.60-0.90; iron - the rest (prototype) [2].

Однако недостатки, характерные для аналога, можно отнести и к прототипу. Вместе с тем в связи с распределением таких легирующих элементов, как кремний и марганец, в объеме материала, литейные свойства стали становятся низкими и стоимость материала относительно возрастает.However, the disadvantages typical of the analog can be attributed to the prototype. At the same time, due to the distribution of such alloying elements as silicon and manganese in the bulk of the material, the casting properties of steel become low and the cost of the material relatively increases.

Задачей изобретения является повышение износостойкости, коррозионностойкости и срока эксплуатации деталей, используемых в нефтяной промышленности, путем легирования их рабочих поверхностей. Для решения этой задачи производится легирование рабочей поверхности деталей, используемых в нефтяной промышленности, путем использования порошков хромоникелевого сплава непосредственно в процессе получения соответствующей отливки. При этом производится смешивание порошка марки ПГ-ХН80СР3 с жидким стеклом в количестве 5-6 мас.%, полученная пористая порошковая паста наносится на рабочие поверхности литейной формы и ее стержня, затем литейную форму сушат и заливают жидким металлом. После заливки в литейную форму жидкий металл взаимодействует с ее стенкой, на которую нанесена пористая паста. Задача изобретения решается тем, что в процессе литья жидкого металла в литейную форму происходит взаимосвязь между жидким металлом и заранее нанесенным порошковым покрытием литейной формы, в результате достигается легирование рабочей поверхности отливки такими элементами, как никель и хром.The objective of the invention is to increase the wear resistance, corrosion resistance and service life of parts used in the oil industry by alloying their working surfaces. To solve this problem, the working surface of the parts used in the oil industry is alloyed by using chromium-nickel alloy powders directly in the process of obtaining the corresponding casting. In this case, the powder of the PG-KhN80SR3 brand is mixed with liquid glass in an amount of 5-6 wt%, the resulting porous powder paste is applied to the working surfaces of the casting mold and its core, then the casting mold is dried and poured with liquid metal. After pouring into a casting mold, liquid metal interacts with its wall, on which a porous paste is applied. The problem of the invention is solved by the fact that in the process of casting liquid metal into a casting mold, there is an interconnection between the liquid metal and the previously applied powder coating of the casting mold, as a result, alloying of the working surface of the casting with elements such as nickel and chromium is achieved.

Рабочая часть получаемой детали, состоящая из углерода, марганца, железа (остальное), от прототипа отличается количеством элементов в следующем соотношении, мас.%: углерод 1-1,8; кремний 0,20,5; марганец 0,1-0,2; никель 40-60; хром 9,4-15, железо - остальное.The working part of the obtained part, consisting of carbon, manganese, iron (the rest), differs from the prototype in the number of elements in the following ratio, wt%: carbon 1-1.8; silicon 0.20.5; manganese 0.1-0.2; nickel 40-60; chromium 9.4-15, iron - the rest.

В таблице приведено влияние указанных элементов на твердость, износостойкость и коррозионностойкость рабочей поверхности диска, полученной по заявляемому изобретению.The table shows the effect of these elements on the hardness, wear resistance and corrosion resistance of the working surface of the disk, obtained according to the claimed invention.

Химический состав и свойства деталей, на которых образовалась рабочая поверхность по заявленному изобретению и прототипуChemical composition and properties of parts on which the working surface was formed according to the claimed invention and the prototype

№ п/п P / p No. Количество элементов, мае %, Number of elements, May%, Интенсивность изнашивания ,mkm/ km Wear rate, mkm / km Твердость НВ Hardness HB Скорость коррозии, г/м²ч₁ Corrosion Rate, g / m ² h ₁ С WITH Si Si Мп Mp Ni Ni Сг Cr Fe Fe 1. one. 0,9 0.9 0,3 0.3 0,09 0.09 39 39 9,0 9.0 осталь ное the rest 150 150 205 205 30 thirty 2. 2. 1,0 1.0 0,3 0.3 0,1 0.1 40 40 9,4 9.4 - - 140 140 250 250 0,2 0.2 3. 3. 1,0 1.0 0,3 0.3 0,15 0.15 50 fifty 9,4 9.4 - - 145 145 245 245 0,17 0.17 4. 4. 1,0 1.0 0,3 0.3 0,2 0.2 60 60 9,4 9.4 - - 148 148 243 243 0,10 0.10 5. five. 1,0 1.0 0,3 0.3 0,22 0.22 61 61 9,0 9.0 - - 152 152 193 193 32 32 6. 6. 1,8 1.8 0,5 0.5 0,09 0.09 39 39 16 sixteen - - 151 151 225 225 20 twenty 7. 7. 1,8 1.8 0,5 0.5 0,1 0.1 40 40 15 fifteen - - 125 125 275 275 0,22 0.22 8. eight. 1,8 1.8 0,5 0.5 0,15 0.15 50 fifty 15 fifteen - - 120 120 280 280 0,18 0.18 9. nine. 1,8 1.8 0,5 0.5 0,2 0.2 60 60 15 fifteen - - 130 130 270 270 0,19 0.19 10. 10. 1,8 1.8 0,5 0.5 0,22 0.22 61 61 16 sixteen - - 151 151 220 220 22 22 11. протот ип 11. prototype ip 0,15- 0,25 0.15- 0.25 0,60- 0,80 0.60- 0.80 1,0- 1,3 1.0- 1,3 - - - - 150 150 215 215 20 twenty

Из таблицы видно, что в случае отклонения от заявленной границы содержания углерода, кремня, марганца, никеля и хрома на рабочей поверхности материала снижается твердость и коррозионностойткость, а интенсивность изнашивания значительно повышается. Это, в свою очередь, снижает износостойкость и коррозионную стойкость рабочей поверхности детали, в результате чего происходит утечка на нефтепроводе. При выходе содержания марганца, никеля и хрома за заявленные их низкие значения повышается количество в структуре рабочей поверхности остаточного аустенита, который приводит к снижению ее твердости и коррозионной стойкости, а также повышению интенсивности изнашивания. При наличии количества этих элементов больше, чем заявленный верхний предел (марганец 0,20 %, никель 60% и хром 15%), образуются поры на рабочей поверхности, количество остаточного аустенита еще больше увеличивается, в результате чего снижается твердость и коррозионностойкость, а также повыша- 1 037998 ется интенсивность изнашивания поверхности материала. Следовательно, при этом износостойкость рабочей поверхности снижается, в результате чего интенсифицируется утечка жидкости в нефтепроводах.It can be seen from the table that in case of deviation from the declared limit of the content of carbon, silicon, manganese, nickel and chromium on the working surface of the material, the hardness and corrosion resistance decrease, and the wear rate increases significantly. This, in turn, reduces the wear resistance and corrosion resistance of the working surface of the part, resulting in a leak in the oil pipeline. When the content of manganese, nickel and chromium goes beyond their declared low values, the amount of residual austenite in the structure of the working surface increases, which leads to a decrease in its hardness and corrosion resistance, as well as to an increase in the wear rate. If the amount of these elements is greater than the declared upper limit (manganese 0.20%, nickel 60% and chromium 15%), pores form on the working surface, the amount of retained austenite increases even more, resulting in a decrease in hardness and corrosion resistance, as well as the intensity of material surface wear increases. Consequently, in this case, the wear resistance of the working surface decreases, as a result of which the leakage of liquid in oil pipelines intensifies.

Таким образом, высокая твердость и износостойкость, а также на низкая интенсивность изнашивания по сравнению с прототипом достигается только при заявленном интервале марганца, никеля и хрома.Thus, high hardness and wear resistance, as well as a low wear rate in comparison with the prototype, is achieved only with the stated range of manganese, nickel and chromium.

При заявленном количестве никеля и хрома в структуре рабочего слоя (толщина слоя составляет до 5 мм) на фоне сравнительно пластичной матрицы (на основе никеля) формируются дисперсные карбиды хрома. Эти многочисленные дисперсные карбиды, равномерно распределяясь в матрице, хорошо сцепляются в вязкой никелевой матрице. При работе детали в процессе трения эти карбиды совместно с пластической матрицей оказывают высокое сопротивление разрушению. В результате износостойкость рабочего слоя детали по сравнению с прототипом достаточно возрастает.With the declared amount of nickel and chromium in the structure of the working layer (the layer thickness is up to 5 mm), dispersed chromium carbides are formed against the background of a relatively plastic matrix (based on nickel). These numerous dispersed carbides, evenly distributed in the matrix, adhere well in a viscous nickel matrix. When the part is working in the process of friction, these carbides, together with a plastic matrix, offer high resistance to fracture. As a result, the wear resistance of the working layer of the part in comparison with the prototype increases sufficiently.

Вместе с тем к аустенитообразующим элементам, т.е. действующим аналогично никелю, относятся углерод и марганец. В этих сплавах из-за наличия высокого содержания углерода могут образоваться специальные карбиды, преимущественно типа M₃₃C₆. Однако наличие в матрице покрытия высокого содержания никеля сильно уменьшает растворимость углерода в аустените при высокой температуре. Следовательно, уменьшение растворимости углерода в аустените тормозит выделение карбидов по границам зерен. Это явление не приводит к охрупчиванию стали и появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен - очень опасного, называемого межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией (МКК).At the same time, to the austenite-forming elements, i.e. acting similarly to nickel include carbon and manganese. In these alloys, due to the high carbon content, special carbides, predominantly of the type M ₃₃ C _6, can form. However, the presence of a high nickel content in the coating matrix greatly reduces the solubility of carbon in austenite at high temperatures. Consequently, a decrease in the solubility of carbon in austenite inhibits the precipitation of carbides along the grain boundaries. This phenomenon does not lead to embrittlement of steel and the appearance of a special type of corrosion destruction along grain boundaries - a very dangerous one, called intergranular (intercrystalline) corrosion (ICC).

Таким образом, ввод в состав дополнительных элементов (никель и хром) при дополнительном соотношении заявленных элементов позволяет достичь решения задачи изобретения, то есть повысить твердость и коррозионную стойкость, а следовательно снизить интенсивность изнашивания материала.Thus, the introduction of additional elements (nickel and chromium) into the composition with an additional ratio of the claimed elements makes it possible to achieve a solution to the problem of the invention, that is, to increase the hardness and corrosion resistance, and therefore to reduce the wear rate of the material.

ЛитератураLiterature

1. Гуляев А.П. Металловедение, Учебник для вузов, Металлургия, 1986, 544 с. (аналог).1. Gulyaev A.P. Metallurgy, Textbook for universities, Metallurgy, 1986, 544 p. (analogue).

2. Рахманов С.Р., Мамедов А.Т., Беспалько А.Н., Тополалов В.А., Азимов А.А. Машиностроительные материалы. Монография НМАУ и АзТУ, Баку Сабах, 2017, 410 с. (прототип).2. Rakhmanov S.R., Mamedov A.T., Bespalko A.N., Topolalov V.A., Azimov A.A. Engineering materials. Monograph of NMAU and AzTU, Baku Sabakh, 2017, 410 p. (prototype).

Claims

CLAIM

An alloyed material for obtaining wear-resistant and corrosion-resistant parts, containing carbon, silicon, manganese and iron, characterized in that nickel and chromium are additionally introduced into its composition at the following ratio of elements, wt%:

Carbon - 1-1.8

Silicon - 0.3-0.5

Manganese - 0.1-0.2

Nickel - 40-60

Chromium - 9.4-15

Iron - the rest