Специалисты Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) повысили износостойкость хромоникелевой нержавеющей стали. В быту этот материал называется нержавейкой, но из него создаются не только знакомые всем кастрюли и ложки с вилками, но и различные детали оборудования нефтеперерабатывающей промышленности. Для нефтяников нержавейка интересна своими высокими антикоррозионными характеристиками, что очень важно в условиях эксплуатации под землей. Нержавейка стала бы еще более подходящим материалом для отрасли, если бы можно было повысить ее стойкость к гидроабразивному износу, то есть к воздействию твердых частиц, движущихся с потоком жидкости. Новосибирские ученые методом электронно-лучевой наплавки на промышленном ускорителе ЭЛВ-8 ИЯФ СО РАН нанесли на нержавеющую сталь слой из смеси порошков бора и железа (боридов). Последующие тесты на гидроабразивный износ, проводившиеся в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ СО РАН), показали, что такая улучшенная нержавейка обладает в два раза большей износостойкостью и коррозионной стойкостью, чем обычная. Результаты опубликованы в журнале «Металлургия» и являются частью большого цикла исследований, посвященных получению стали с улучшенными характеристиками для использования в экстремальных эксплуатационных условиях.
«Специалисты нефтеперерабатывающей отрасли используют в работе оборудование, детали которого создаются из хромоникелевой аустенитной стали, потому что этот материал обладает несколькими важными свойствами, – прокомментировала доцент кафедры материаловедения в машиностроении НГТУ НЭТИ кандидат технических наук Евдокия Бушуева. – Он коррозионностойкий, а это очень важно, так как под землей нефтеперерабатывающее оборудование работает в условиях химически-агрессивной среды, например, на него могут воздействовать грунтовые воды, растворы электролитов, сопутствующие газы. Еще одна важная характеристика нержавейки – ее технологичность. Детали такого оборудования обычно имеют сложную форму, поэтому материал, из которого они создаются, должен обладать пластичностью. И третий, немаловажный момент, нержавеющая сталь относительно недорогая».
Несмотря на все эти преимущества у нержавеющей стали есть один недостаток, она обладает низкой износостойкостью. Износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению и истиранию его поверхностного слоя в условиях трения. Износ может быть разным, но если говорить про нефтепереработку, то чаще всего подразумевается абразивный износ.
«Нержавеющая сталь достаточно пластичная, поэтому ей сложно сопротивляться потоку воды с частичками твердого абразива, – добавила Евдокия Бушуева. – Абразив действует как миллион ножей, которые вонзаются в поверхность. Сначала появляются задиры, царапины, трещины, а учитывая то, что в это же время на материал действует агрессивная среда, то и антикоррозионная стойкость нержавейки сильно снижается. В итоге вместо положенных тысяч часов такое оборудование отрабатывает всего сотни. Естественно, перед промышленниками, а значит и перед учеными, встала задача – увеличить время эксплуатации нефтедобывающего оборудования».
Один из способов сделать классическую нержавеющую сталь более износостойкой – укрепить ее поверхностный слой. Специалисты НГТУ НЭТИ выбрали для этого материал на основе боридов хрома и железа, а методом создания упрочняющего слоя – электронно-лучевую наплавку на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-8 ИЯФ СО РАН. Данный ускоритель имеет статус уникальной научной установки (УНУ Стенд ЭЛВ-6) и входит в национальный перечень объектов исследовательской инфраструктуры Российской Федерации.
«Промышленный ускоритель генерирует мощный непрерывный электронный пучок, которым мы обрабатываем поверхность материала, в данном случае нержавеющей стали, вместе с помещённым на ее поверхность модифицирующим порошком, – объяснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский. – Среди других методов упрочнения, например, таких как плазменное напыление, лазерная, электродуговая наплавка, наш обладает рядом преимуществ. Мы можем создавать на материале более толстый поверхностный слой, чем при лазерной наплавке, лишённый пористости и слабого сцепления с основой, характерных для плазменного напыления. Если лазерная наплавка работает с толщиной не более десятка микрон, то у нас получается слой в несколько миллиметров, лишённый пор. Немаловажно, что мы обеспечиваем его металлургическую адгезию, то есть сцепление наплавленного слоя с основой не хуже, чем прочность самого металла основы. В жестких условиях эксплуатации важно, чтобы даже очень прочный сам по себе слой не отделялся от основы. У промышленного ускорителя высокая производительность: средняя скорость обработки материала составляет 2 м2/ч, а это хороший показатель. Важно отметить и то, что мы работаем в атмосфере, а не в вакууме. Методы, которые предполагают обработку в вакуумной камере, технологически сложнее и занимают больше времени. Мощность нашего источника электронов на один-два порядка больше, чем, например, у лазеров. Кроме того, коэффициент поглощения пучка материалом у нас составляет 90%, то есть почти вся энергия пучка переходит в материал, в отличие от лазеров, где поглощается всего 10%».
Получив образцы нержавеющей стали с упрочненным поверхностным слоем, специалисты провели цикл экспериментов, в которых воссоздали экстремальные условия работы нефтедобывающего оборудования.
Топография поверхностей материалов, изношенных гидроабразивной струей при угле атаки 90° Е.Бушуева«Поскольку мы ориентировались на нефтедобывающую промышленность, то один из тестов был на гидроабразивное изнашивание, который мы проводили на установке Института гидродинамики, – прокомментировала Евдокия Бушуева. – Мы воздействовали на образец мощным потоком воды с частицами оксида алюминия, просто песком с воздухом, специально создавая максимально экстремальные условия. Результаты получились неплохие: гидроабразивный износ упрочненной нержавеющей стали в два раза меньше, чем у обычной. Еще один результат связан и с антикоррозийной стойкостью. Мы испытали наше покрытие в коррозионной среде, воссоздав условия воздействия аварийных растворов. Когда происходит заклинивание нефтедобывающего оборудования, например, в него попала порода, и механизм не может провернуться, используют растворы с агрессивными кислотами: плавиковой, серной, соляной, азотной. Такая ядреная смесь очень быстро растворяет породу, но и материал оборудования тоже может разъесть. Наш образец и тут оказался в два раза более коррозионностойким в сравнении с нержавеющей сталью».
Как отмечают специалисты, полученные результаты являются частью большой работы по созданию упрочняющих покрытий.