Известно, что серебро обладает рядом важных свойств (химической стойкостью, теплопроводностью, износостойкостью, антифрикционными и проти-возадирными свойствами), обеспечивающих существенное повышение эксплуатационных характеристик деталей с серебряными покрытиями. Это обусловливает широкое применение технологий электрохимического осаждения серебра при изготовлении опор шарошечных буровых долот. Герметизированные опоры шарошек представляют собой совокупность подшипников скольжения, содержащие плавающие элементы (втулки, шайбы, колпачки). Условия работы опор буровых долот весьма напряженные: частота вращения шарошек — 135 об/минвнешнее гидростатическое давление — до 200 атм.- осевая нагрузка на долото — до 20 тонн и вышесреднее статическое давление в опоре долота -35МПамаксимальное статическое давление в опоре долота — до 75 МПавиды изнашивания и поверхностного разрушения материалов в опоре — абразивное изнашивание, контактная усталость, усталостное изнашиваниемаксимальная температура в зоне трения — до 200°Сплавающие элементы — втулка, шайба, колпачок — изготавливаются из бериллиевой бронзы БрБ2 и покрываются антифрикционным серебряным покрытием толщиной 20 мкмсредняя наработка на отказ долота — 50 часовсредняя проходка долота — 200 м.
От эксплуатационных характеристик серебряных покрытий зависит работоспособность буровых долот стоимостью сотни тысяч рублей, а также их конкурентоспособность на отечественном и международном рынках. Опыт бурения нефтяных и газовых скважин показывает, что надежность опор отечественных долот заметно ниже, чем у долот производства США, Германии, Китая, поэтому настоящая диссертационная работа, посвященная созданию и внедрению высококачественных антизадирных серебряно-алмазных покрытий для повышения ресурса опор скольжения буровых долот, является своевременной и актуальной.
Традиционно в отечественном долотостроении в опорах буровых долот используют покрытие М2. Ср-Су (99.2−98,8) 20−30 ГОСТ 9.306−85 твердостью у.
60.80)кгс/мм. Электроосаждение покрытия проводится в цианистом электролите на постоянном токе. При использовании серебряных покрытий для опор скольжения возникают технологические и эксплуатационные дефекты: низкая пластичностьнедостаточная адгезиянизкая стойкость к задирам и износувысокая пористостьнеравномерность покрытия и образование дендритов при нанесениегазонасыщение покрытия и основы.
В основу настоящей диссертационной работы легли комплексные исследования в области влияния технологических режимов, структуры и состава на эксплуатационные свойства антизадирных серебряных покрытий.
Тема диссертационной работы поддерживается грантом «Исследования и разработка технологий создания наноструктурированных упрочняющих и специальных покрытий методом электрохимического осаждения, обладающих повышенной износостойкостью» (Государственный контракт № 02.740.11.0104 от 15 июня 2009 г.).
Объект исследований. Градиентные антизадирные серебряно-алмазные покрытия, полученные на асимметричном переменном токе в бесцианистом электролите.
Предмет исследований. Закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов на механические и триботехнические свойства серебряно-алмазных покрытий.
Цель диссертационной работы. Повышение эксплуатационных свойств серебряных покрытий плавающих элементов опор трехшарошечных буровых долот. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Разработать оригинальное технологическое оборудование для электрохимического серебрения деталей машин на асимметричном переменном токе, а также средства и методики контроля качества серебряных покрытий.
2. Разработать градиентное серебряно-алмазное покрытие и исследовать влияние технологических режимов на его свойства.
3. Исследовать влияние состава и структуры градиентных серебряно-алмазных покрытии на их механические и триботехнические свойства.
4. Разработать и внедрить в производство технологический процесс нанесения градиентных серебряно-алмазных покрытий на плавающие элементы опор скольжения трехшарошечных буровых долот и оценить эффективность применения новых покрытий.
Методы исследований. Проведенные в работе исследования базируются на основных законах и положениях материаловедения, электрохимии, теории совместимости трибометариалов, теории вероятности и математической статистики.
Результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты исследований зависимости механических и триботехнических свойств серебряных покрытий от состава, пористости, наноструктурирующей добавки, материаллов подложки и контртела, а также технологических режимов электроосаждения.
3. Новые методы исследования газонасыщения и прочности сцепления серебряных покрытий с основой, методики определения триботехнических свойств покрытий.
4. Технология, технологическое оборудование для серийного нанесения гальванических антифрикционных антизадирных серебряно-алмазных покрытий на плавающие элементы опор скольжения буровых долот.
5. Результаты опытно-промышленных и промысловых испытаний долот, оснащенных плавающими элементами с серебряно-алмазными покрытиями.
Научная новизна работы, заключается в следующем. По специальности 05.16.09:
1. Установлены закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов электроосаждения серебряных покрытий на их физико-механические и триботехнические свойства. На основе выявленных связей разработан метод получения серебряных покрытий с положительным градиентом механических свойств.
2. Исследованы физико-механические и триботехнические свойства градиентных серебряно-алмазных покрытий. Установлено, что положительный градиент механических свойств в покрытии обеспечивает повышение эксплуатационных свойств деталей тяжелонагруженных опор скольжения.
3. Установлен механизм разрушения серебряных покрытий при трении, обусловленный процессом газовыделения между покрытием и основой с последующим разрывом газовых пузырей.
По специальности 05.17.03:
4. Разработаны критерии выбора рациональных технологических режимов для электрохимического осаждения серебряно-алмазных покрытий в бесцианистых электролитах на асимметричном переменном токе.
5. Описаны химические реакции, протекающие в дицианоаргентатном электролите при электрохимическом осаждении серебряных покрытий на асимметричном переменном токе.
Практическая ценность.
1. Разработано градиентное антизадирное, антифрикционное серебряно-алмазное покрытие, позволившее повысить эксплуатационные характеристики опор скольжения трехшарошечных буровых долот. Покрытия нашли применение при изготовлении серийных долот в ОАО «Волгабурмаш».
2. Разработаны методы экспресс-контроля газонасыщения деталей с серебряными покрытиями и прочности их сцепления с основой.
3. Разработаны и внедрены в ООО «Спецпокрытие»: высокоэффективная, экологичная технологияновое автоматизированное оборудованиетехнологическая оснастка для электрохимического осаждения градиентных серебряно-алмазных покрытий на тяжелогагруженные элементы опор скольжения буровых долот.
Реализация результатов.
Разработанные технология и технологическое оборудование для нанесения антифрикционных серебряно-алмазных покрытий на детали узлов трения внедрены в ООО «НПО «Спецпокрытие», где в настоящее время используются: для повышения противоизностных свойств плавающих элементов опор серийных буровых долот ОАО «Волгабурмаш». Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ.
Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: XXI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИК-МУС-2009» (Москва, ИМАШ РАН, 2009) — II, III и IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2010,2011,2012)-Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы» (Самара, СГАУ, 2010) — Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011) — III Международная конференция «Математическая физика и ее приложения» (Самара, СамГТУ, 2012).
Образцы деталей машин с новыми антифрикционными серебряно-алмазными покрытиями были представлены на следующих выставках и конкурсах: 54-ой Международной ярмарке техники и технических достижений «Technical Fair-2010» (Сербия, г. Белград, 2010 г.) — X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (Москва, 2010 г.) — Всероссийской выставке «Энергетика» (Москва, 2010) — 9 и 10-ой Международной выставке «Промышленный салон» (Самара, 2010,2011 г.) — Всероссийском конкурсе проектов и разработок в области высоких технологий «1Т ПРОРЫВ» (г.Москва, 2010 г.) — Молодежном научно-инновационном конкурсе (программа У.М.Н.И.К., г. Самара, 2010 г.) — 66-ой Международной ярмарке «INTERNATIONAL TECHNICAL FAIR 2010» (Болгария, г. Пловдив 2010 г.) — II Международной специализированной выставке «Нанотехнологии» (г. Казань, 2010 г.) — 16 и 17-ой Международной специализированной выставке «Энергетика-2010» и «Энергетика-2011» (г. Самара, 2010, 2011 г.) — Петербургской технической ярмарке (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012 г.) — IV Российском Форуме «Российским инновациям-российский капитал», IX Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011 г.).
Вывод.
Начальник ИЛ.
А.С. Бурцев.
Ведущий инженер-технолог.
Ведущий инженер
Инженер-исследовател.
