Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов 

Упрочняющая химико-термическая обработка (ХТО) — это процесс диф фузионного насыщения поверхностного слоя металлических деталей актив­ными элементами, обеспечивающими получение определенных физико-механи­ческих свойств для повышения твердости, усталостной прочности, износо­стойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости. К химико-термическим методам упрочнения, получившим широкое распространение, относятся цемен­тация, азотирование, нитроцементация, борирование, диффузионное хромиро­вание, цинкование,  сульфидирование.

Цементация — процесс науглероживания поверхностного слоя стальных деталей, нагретых до температуры свыше 900—940° С, что опреде­ляет наибольшую скорость протекания процесса. В зависимости от состояния науглероживающей среды (карбюризатора) различают цементацию в твердом карбюризаторе, цементацию в жидкой среде и газовую цементацию стали.

В качестве твердой науглероживающей среды используют древесно-уголь-ные карбюризаторы, в качестве жидкой среды — расплавленные соли (75— 80% Na₂C0₃, 10—15% .NaCl и 8—12% SiC) и газовой среды — газы, содержа­щие метан СН₄, окись углерода СО, углеводородные газы С₆Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀ и др.     Глубина  цементации  зависит  от  температуры  и продолжительности

процесса.

Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют при 900—940° С со средней скоростью 0,08—0,1 мм/ч. Недостаток цементации в твердом карбюри­заторе заключается в длительности процесса.

Цементация в жидком карбюризаторе выполняется при температуре 840— 860° С и средней скорости диффузии углерода 0,2—0,4 мм/ч. Преимуществами процесса цементации в жидком карбюризаторе являются: равномерность на­грева, более низкая температура, способствующая уменьшению деформаций детали, а также более мелкое зерно цементированного слоя.

Газовая цементация выполняется при температуре, близкой к 1000° С со скоростью 0,8—1,2'мм/ч, что позволяет в некоторых случаях при исполь­зовании индукционного нагрева ТВЧ сократить продолжительность опе­рации до  1  ч.

Собственно цементация не решает вопроса упрочнения детали. Для дости­жения указанного эффекта необходима последующая термическая обработка — закалка и отпуск. Закалка непосредственно после цементации сокращает про­должительность и удешевляет процесс упрочнения, а также уменьшает терми­ческую деформацию детали.

Детали после цементации и последующей закалки имеют повышенную твердость (HRC 58—62) и прочность поверхностного слоя. На рис. 6.5 пока­зана зависимость изменения твердости в глубь поверхностного цементирован­ного слоя после закалки и отпуска.

Цементация повышает усталостную прочность деталей, благодаря увели­чению твердости, прочности цементированного слоя и образованию в нем вну­тренних   напряжений   сжатия,   которые   снижают   влияние   концентраторов

напряжений.

Цементации подвергаются многие детали бурового и нефтегазопромысло-вого оборудования — турбобура, втулочно-роликовых цепей, буровых до­лот и др.

Азотирование (предложено русским ученым Н. П. Чижевским) — один из процессов химико-термической обработки, при котором поверхностные

слои стальных и чугунных деталей насыщаются азотом. Азотирование повы­шает твердость и износостойкость, усталостную прочность и увеличивает сопро­тивление коррозии. Процесс осуществляется при нагреве деталей в аммиаке. На рис. 6.6 показано изменение твердости в глубь поверхностного слоя азоти­рованной стали.

Обычно азотированию подвергают стали, легированные хромом, молибде­ном и вольфрамом, так как соединения этих элементов с азотом (нитриды) обла­дают весьма высокой твердостью и износостойкостью. Нитриды блокируют цислокации, имеющиеся в металле, и повышают его прочность. Как правило, сначала выполняется закалка, а затем азотирование в муфельных печах при температуре 480—650° С в течение 2—3 сут.

Детали двигателей внутреннего сгорания (гильзы блока), глубинных нефтяных насосов (стальные втулки), подвергнутые азотированию, имеют резко увеличенный ресурс.

При нитроцементации (цианировании) происходит одновремен­ное насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом. Нитроцемен-гация повышает твердость и прочность деталей. Известна нитроцементация в твердых, жидких и газовых средах. Процесс выполняется при низких (540— 560° С) и высоких (800—830° С) температурах. Применяют в основном жидкие и газовые среды. Так, используются следующие составы:

1)       жидкие — расплав цианистых и нейтральных солей (например, 8—12% NaCN, 30-40%  NaCl, 40-50%  ВаС0₃ и 1—2%  ВаС1₂);

2)       газовые (табл. 6.7).

Нитроцементация деталей заканчивается закалкой в масле и отпуском. Продолжительность нитроцементации в жидких средах в несколько раз меньше огродолжительности цементации.

Твердость поверхности после нитроцементации HRC 64—66. Этот метод упрочнения увеличивает износостойкость деталей. Например, нитроцемента­ция зубчатых колес, изготовленных ив углеродистой стали, повышает их изно-5остойкость в 1,5—2 раза по сравнению с закалкой.

Борирование — насыщение поверхностного слоя стальных деталей 5ором, что повышает его твердость и износостойкость. Известно борирование 3 твердой и жг ткой средах. В первом случае используется порошок ферробора

или аморфного бора; детали нагреваются до температуры 950—1050° С и выдер­живаются при этой температуре в течение 4—20 ч. Во втором случае бориро-вание может быть безэлектролизным или электролизным. При безэлектролиз­ном способе в ванну, состоящую из расплавленных хлористых солей, вводят порошок ферробора или карбида бора и помещают детали с последующей выдержкой при температуре 950—1000° С. При электролизном процессе, полу­чившем наибольшее распространение, борирование осуществляется в резуль­тате электролиза расплавленной буры; при этом изделие является катодом, а графитовый или угольный стержень — анодом. Борирование целесообразно применять при упрочнении цилиндровых втулок и штоков буровых насосов, деталей турбобура и т. д.

Диффузионное хромирование — процесс насыщения хро­мом поверхности деталей, нагретых до температуры 1000° С. Оно резко повы­шает твердость и коррозионную стойкость металла деталей (рис. 6.7).

Диффузионное износостойкое хромирование и борирование  увеличивают

долговечность   деталей,   работающих  в  условиях абразивного   изнашивания,   в 8—10 раз.

Цинкование — процесс насыщения цинком поверхности деталей, которые погружают в расплавлен­ный цинк или помещают в порошок цинка, обработан­ный соляной кислотой. В результате поверхность дета­лей приобретает антикоррозионные и антифрикционные свойства. Процесс широко применяется в нефтепромысло­вой   практике.

Сул ьфидирование — это термодиффузионное насыщение серой поверхности стальных и чугунных дета­лей. При этом способе образуется поверхностный слой сернистого железа, обладающий повышенной износостой­костью, и уменьшается коэффициент трения, а следо­вательно,   и  износ.  Процесс   осуществляется   в  ваннах с расплавленными серосодержащими солями или в газовых средах. Его можно применять для обработки деталей нефтегазопромыслового оборудо­вания, так как при зтом способе облегчаются и доводочные операции.