Введение к работе
Актуальность проблемы. Известно, что серебро обладает рядом важных свойств (химической стойкостью, теплопроводностью, износостойкостью, антифрикционными и противозадирными свойствами), обеспечивающих существенное повышение эксплуатационных характеристик деталей с серебряными покрытиями. Это обусловливает широкое применение технологий электрохимического осаждения серебра при изготовлении ответственных деталей пар трения, в частности плавающих элементов (втулок, шайб, колпачков) герметизированных опор буровых долот. От качества 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 (60...80) кгс/мм2. Электроосаждение покрытия проводится в цианистом электролите на постоянном токе. Основы данной технологии были заложены более полувека назад и к настоящему времени значительно устарели. Долгое время при создании серебряных покрытий триботехнического назначения оставались без внимания основные принципы повышения антизадирных свойств поверхностей, в частности правило положительного градиента механических свойств. При изготовлении плавающих элементов опор буровых долот не исследовались вопросы введения в состав электролитов наноструктурирующих добавок, а также осаждения серебряных покрытий на нестационарных режимах. Поэтому в основу настоящей диссертационной работы легли комплексные исследования в области влияния технологических режимов, структуры и состава на эксплуатационные свойства антизадирных серебряных покрытий.
Диссертационная работа выполнялась в ходе реализации проекта «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., госрегистрация № 01200959114).
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 физико-механические и триботехнические свойства серебряно-алмазных покрытий.
Цель диссертационной работы. Повышение качества серебряных покрытий плавающих элементов опор трехшарошечных буровых долот. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
-
Разработать оригинальное технологическое оборудование для электрохимического серебрения деталей машин на асимметричном переменном токе, а также средства и методики контроля качества серебряных покрытий.
-
Разработать градиентное серебряно-алмазное покрытие и исследовать влияние технологических режимов на его свойства.
-
Исследовать влияние состава и структуры градиентных серебряно-алмазных покрытии на их механические и триботехнические свойства.
-
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 трибоматериалов, теории вероятности и математической статистики.
Экспериментальная часть работы содержит исследования проводившиеся на базе федерального ЦКП СамГТУ «Исследование физико-химических свойств веществ и материалов».
Результаты, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований зависимости механических и триботехнических свойств серебряных покрытий (скорость изнашивания, момент трения, микротвердость) от состава, пористости, материала наноструктурирующей добавки, материалов подложки и контртела, а также технологических режимов электроосаждения.
-
Результаты исследования физико-механических (размеры зерен, микротвердость, размеры блоков мозаики, адгезия) и триботехнических свойств (скорость изнашивания, момент трения, температура саморазогрева при трении, несущая способность) градиентных серебряно-алмазных покрытий.
-
Новые методы исследования газонасыщения и прочности сцепления серебряных покрытий с основой, методики определения триботехнических свойств покрытий.
-
Технология, технологическое оборудование и оснастка для серийного нанесения гальванических антифрикционных антизадирных серебряно-алмазных покрытий с положительным градиентом механических свойств на плавающие элементы (втулки, шайбы, колпачки) тяжелонагруженных опор скольжения буровых долот.
-
Результаты опытно-промышленных и промысловых испытаний опытных долот, оснащенных плавающими элементами с градиентными серебряно-алмазными покрытиями.
Научная новизна работы
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 по-
лучения высококачественных серебряных покрытий с положительным градиентом механических свойств.
-
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.
-
Установлен механизм разрушения серебряных покрытий при трении, обусловленный процессом газовыделения между покрытием и основой с последующим разрывом газовых пузырей.
По специальности 05.17.03:
-
Разработаны критерии выбора рациональных технологических режимов для электрохимического осаждения серебряно-алмазных покрытий в бесцианистых электролитах на асимметричном переменном токе.
-
Описаны химические реакции, протекающие в дицианоаргентатном электролите при электрохимическом осаждении серебряных покрытий на асимметричном переменном токе.
Практическая значимость работы:
-
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».
-
Разработаны методы экспресс-контроля газонасыщения деталей с серебряными покрытиями и прочности их сцепления с основой.
-
Разработаны и внедрены в ООО НПО «Спецпокрытие»: высокоэффективная, экологичная технология; новое автоматизированное оборудование; технологическая 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 с применением асимметричного переменного тока внедрены в Научно-образовательном центре «Функциональные наноматериалы и наноструктуры» СамГТУ и в ООО «НПО «Спецпокрытие» (г. Новокуйбышевск), где в настоящее время используются: для повышения износостойкости и противозадирных свойств плавающих элементов опор (колпачков, шайб и втулок) серийных буровых долот ОАО «Волгабурмаш».
Результаты работы использованы при выполнении грантов, хоздоговорных работ, а также в учебном процессе СамГТУ при изучении ряда трибологических дисциплин на лекционных, практических и лабораторных занятиях, что позволило улучшить методическое обеспечение кафедры «Технология машиностроения» и добиться более глубокого понимания студентами новых высокоэффективных технологий нанесения ресурсоповышающих антифрикционных покрытий и методов оценки их качества.
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 «МИКМУС-2009»
(Москва, ИМАШ РАН, 2009); II и III Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2010 и 2011); Российско-балканском инновационном форуме (Белград, Сербия, 2010); Смене Зворыкинского проекта «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума «Селигер - 2010» (проект вошел в число ТОР 150); Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы» к 110-летию со дня рождения одного из основателей российской порошковой металлурнии и ренгенографии металлов профессора Аксенова Геннадия Ивановича (Самара, СГАУ, 2010); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, СамГТУ, 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.), получен диплом за высокий уровень научно-технических разработок); X Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи в ВВЦ (Москва, 2010 г.). Получена золотая медаль «За успехи в научно-техническом творчестве»; Всероссийской выставке «Энергетика» в ВВЦ (Москва, 2010); 9-ой Международной выставке «Промышленный салон» в ВЦ «Экспо-Волга» (Самара, 2010 г.); Всероссийской выставке «Наука. Бизнес. Образование» в ВЦ «Экспо-Волга» (Самара, 2011 г.); Всероссийском конкурсе проектов и разработок в области высоких технологий «IT ПРОРЫВ» (г. Москва, 2010 г.); Молодежном научно-инновационном конкурсе (программа У.М.Н.И.К.) в рамках Всероссийской (инновационной студенческой научной конференции «Металлургия и новые материалы» (г. Самара, 2010г.); 66-ой Международной ярмарке «INTERNATIONAL TECHNICAL FAIR 2010» (Болгария, г. Пловдив 2010 г.); II Международной специализированной выставке «Нанотехнологии» (г. Казань, 2010 г.); 16-ой и 17-ой Международной специализированной выставке «Энергетика-2010» и «Энергетика-2011» (г. Самара, 2010 и 2011 г.); 3-й Международной специализированной выставке «Альтернативная энергетика-2010» в рамках форума «Золотая осень» (г. Москва, 2010 г.); Ганноверской промышленной ярмарке (Германия, выставочный комплекс «Дойче Мессе», 2010 г.); IV Международной специализированной выставке «Нефтедобыча. Нефтепереработка. Химия» (г. Самара, 2010); Петербургской технической ярмарке (получены дипломы в номинациях «Лучший инновационный проект в области наноматериалов и нанотехнологии», «Лучший инновационный проект в области передовых технологий машиностроения и металлургии») (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012 г.г.). Конкурсе инновационных проектов молодых ученых в рамках региональной выставки «Образование, наука, бизнес» (г. Самара, 2011 г.); IV Российском Форуме «Российским инновациям-российский капитал», IX Ярмарка бизнес-ангелов и инноваторов (г. Оренбург, 2011 г.); областной молодежной выставке «Технопарк 2011» и «Технопарк 2012» (г. Новокуйбышевск, 2011, 2012 г.г.); Выставке научных разработок молодых ученых и специалистов (получен диплом за лучший проект, г. Самара, 2012 г.).
Публикации. Материалы диссертации отражены в 22 опубликованных работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 15 статей. Получено 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницу, включая 57 рисунков и 15 таблиц. Перечень литературы включает 126 наименования.
