Влияние химического состава абразива и прочности межслойных границ на ударно-абразивную износостойкость слоистых композиционных материалов

Введение. Детали машин и механизмов, эксплуатируемые в различных условиях, при контакте с абразивными частицами быстро изнашиваются и выходят из строя. Например, при перекачке тяжелых буровых растворов из-за интенсивного изнашивания детали гидравлического блока бурового насоса через 5–10 часов работы необходимо менять. Анализ научных публикаций и опыт эксплуатации буровых насосов указывают на то, что существующие способы повышения износостойкости конструкционных сталей при абразивном и ударно-абразивно воздействии малоэффективны. Поэтому актуальной задачей является повышение этих свойств в результате совершенствования конструкции и технологии изготовления деталей буровых насосов, что позволит снизить затраты на производство их комплектующих, ремонт и обслуживание. Целью данной работы является исследование влияния химического состава абразивных частиц и прочности межслойных границ «износостойкая сталь — резина» на ударноабразивную износостойкость слоистых композиционных материалов. 

Материалы и методы. Слоистые композиционные материалы (СКМ) состояли из износостойкого слоя стали 40Х и резинового слоя бутилкаучука марки БК-1675Н. Ударно-абразивную износостойкость СКМ рассматривали в соответствии с ГОСТ 23.207–79 на специальной установке. В качестве абразивного материала была взята смесь оксида кремния и алюминия. Изучение микроструктуры поверхности СКМ, химического и фазового состава абразивного порошка проводили на оборудовании ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ). Адгезионную прочность межслойных границ СКМ исследовали на разработанной для этой цели установке.

Результаты исследования. В результате исследований СКМ на ударно-абразивный износ выявлено, что их износостойкость в несколько раз выше, чем у сталей, используемых для изготовления деталей, устойчивых к воздействию абразивных частиц. Выявлено, что в процессе изнашивания твердые частицы оксидов алюминия и кремния активно внедряются в поверхность СКМ, увеличивая интенсивность износа, тогда как менее твердые частицы алюминатов магния и кальция при ударе разрушаются и закрепляются в образовавшихся дефектах на поверхности СКМ, незначительно снижая интенсивность износа. Установлено, что при соединении слоев СКМ методом горячей вулканизации под давлением и концентрации меди 25–30 % в спеченной стали П40Х адгезионная прочность повышается до 0,93 МПа.

Обсуждение и заключение. Разработанные СКМ позволяют не только повысить абразивную и ударноабразивную износостойкость, но и в качестве износостойкого слоя использовать более дешевые марки стали. Предложенный способ соединения слоев СКМ из спеченных сталей исключает необходимость в дополнительной механической обработке поверхности и в использовании специальных клеящих составов. Такие СКМ могут использоваться в узлах деталей машин и механизмов, которые эксплуатируют в условиях абразивного и ударно-абразивного износа. 

1. Гусев А.И., Козырев Н.А., Усольцев А.А., Крюков Р.Е., Михно А.Р. Повышение надежности и долговечности деталей горношахтного оборудования, работающего в условиях интенсивного ударно-абразивного износа, путем наплавки. Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2021;(7):199–204.

2. Абдюкова Р.Я., Багаутдинов Н.Я. Анализ причин отказов клапанов буровых насосов. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012;(4):65–70. https://doi.org/10.17122/ntj-oil-2012-4-65-70

3. Гадалов В.Н., Кутепов С.Н., Петренко В.Р., Калинин А.А. Оценка повреждаемости деталей насосов бурового оборудования в режиме их эксплуатации. Известия ТулГУ. Технические науки. 2022;(10):492–499. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-10-492-499

4. Бабаев С.Г., Габибов И.А., Меликов Р.Х. Основы теории надежности нефтепромыслового оборудования. Баку: Азербайджанская государственная нефтяная академия; 2015. 400 с. URL: https://www.anl.az/el_ru/kniqi/2015/Ap2015-51.pdf (дата обращения: 22.05.2024).

5. Братковский Е.В., Шаповалов А.Н., Дема Р.Р. Повышение ударно-абразивной стойкости. Вестник машиностроения. 2019;(3): 64–67.

6. Гадалов В.Н., Губанов О.М., Филонович А.В. Оценка повреждаемости деталей насосов бурового оборудования в режиме их эксплуатации. Справочник. Инженерный журнал. 2023;6(315):22–27. https://doi.org/10.14489/hb.2023.06.pp.022-027

7. Гасанов Б.Г., Сиротин П.В. Порошковые материалы для деталей, работающих в условиях ударноабразивного изнашивания. Металлург. 2011;(3):61–64.

8. Kwiatkowski K, Nachman M. The Abrasive Wear Resistance of the Segmented Linear Polyurethane Elastomers

9. Гасанов Б.Г., Сиротин П.В., Ефимов А.Д. Установка для испытания на ударно-абразивное и ударногидроабразивное изнашивание конструкционных и специальных материалов. Патент РФ, № 2434219. 2011. URL: https://allpatents.ru/patent/2434219.html (дата обращения: 22.05.2024).

10. Гасанов Б.Г., Сиротин П.В. Установка для исследования ударно-абразивного и ударно-гидроабразивного износа. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010;76(11):60–63.

11. Кухарев А.С., Гилаев Г.Г. Состав и параметры буровых растворов, необходимые для разработки месторождений нефти и газа. Охрана окружающей среды при работе с буровым раствором. В: Труды II Международной научно-практической конференции. Краснодар: Издательский Дом — Юг; 2022. С. 56–62.

12. Сиротин П.В., Гасанов Б.Г., Исмаилов М.А. Установка для определения упругих и демпфирующих характеристик порошковых материалов с упруго-диссипативной подложкой. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021;87(6):63–69. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2021-87-6-63-69

13. Сиротин П.В., Исмаилов М.А. Стенд для статических испытаний композиционных многослойных материалов (Варианты). Патент РФ, № 2725530. 2020. URL: https://patents.s3.yandex.net/RU2725530C1_20200702.pdf (дата обращения: 22.05.2024).

14. Гасанов Б.Г., Исмаилов М.А., Харченко Е.В. Повышение адгезионной прочности в межслойных границах порошковых железомедных сплавов с резиной. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение. Материаловедение. 2022;24(4):26–34. https://doi.org/10.15593/2224-9877/2022.4.03

15. Никифорова Н.А., Шерышев М.А. Способы увеличения адгезионной прочности на границе резина — металлокорд. Успехи в химии и химической технологии. 2011;25(3(119)):24–28.