Шихта на основе нержавеющей стали

Изобретение предусматривает создание специально разработанной шихты на основе нержавеющей стали, предназначенной для производства ответственных деталей методом порошковой металлургии с использованием технологии 3D-печати струйным нанесением связующего вещества, а затем спеканием в защитной среде водорода. Проект может применяться для изготовления ступеней электроцентробежных насосов (ЭЦН), используемых в добыче и транспортировке нефти. Такой подход позволяет получать детали высокой удельной плотности (до 97–98%) и обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами, включая повышенную точность, сложность формы и снижение материалоемкости.

• Диоксид кремния (SiO₂) вводится в качестве основной добавки, которая влияет на реологию (текучесть) шихты. Пониженное количество диоксида кремния приводит к анизотропии насыпной плотности и текучести по объёму шихты. Как следствие, это приводит к дефектам при печати или невозможности печати по технологии струйного нанесения связующего. Повышение количества диоксида кремния более 0,03% по массе приводит к образованию агломератов, которые уходят в отсев на финишном просеивании, непосредственно перед печатью на принтере. Это говорит о переизбытке диоксида кремния.
• Графен как углеродная добавка снижает температуру плавления благодаря образованию эвтектики с железом и активизирует процесс залечивания крупной пористости в процессе спекания. Пористость спечённого материала с добавлением графена снижается на 15%, а твёрдость повышается на 10%. При меньших количествах не удаётся получить равномерного распределения частиц в объёме шихты, что приводит к анизотропии свойств. Известно, что повышение количества углерода в спечённом материале приводит к повышению склонности к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением (СКРН) в условиях эксплуатации.
• Никель (Ni) нанопорошок никеля вводится для повышения плотности и коррозионной стойкости материала. Добавление менее 1% не даёт ощутимого эффекта в повышении коррозионной стойкости. Эта микродобавка в заданных пределах (1,0 – 1,5 %) увеличивает плотность спечённого изделия на 2%. Повышение концентрации наноразмерных частиц никеля более 1,5% увеличивает неравномерность распределения лёгких элементов (диоксида кремния и графена) в шихте. Этот эффект не удаётся устранить увеличением времени смешивания, так как ухудшается текучесть шихты и образуются агломераты.
• Медь (Cu) добавляется в качестве легкоплавкого элемента. В процессе спекания, медь переходит в жидкую фазу и играет роль в заполнении пор и повышении физико-механических свойств (прочность, способность к деформационной обработке, электропроводность и т.д.) за счет эффекта смачивания. Оставаясь зажатой в пространстве пор, медь уменьшает площадь соприкосновения спечённой детали с агрессивной средой. Повышение количества меди более 5% начинает снижать коррозионную стойкость конечного изделия в кислотах.
• Порошок нержавеющей стали: как основа шихты, должен иметь форму частиц в соответствии с ГОСТ 25849-83: сферическая (Imax/Imin от 1,0 до 1,2) не менее 60%, округлая (Imax/Imin от 1,2 до 2,0) не более 35%, другая форма (Imax/Imin более 2,0) не более 5% (см. Фиг.1).

При этом с повышением температуры спекания происходит образование металлического контакта между частицами, что вызывает рост плотности. Для создания металлического контакта между частицами требуются восстановительная водородная среда или вакуум.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения были подготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению. Для изготовления образцов использовались диоксид кремния Ковелос R902 по ТУ 2168-002-14344269-09, графен по ТУ 23.99.14-029-93978201-2022, нанопорошок никеля по ТУ 1791-003-36280340-2008, порошок меди ПМС-М3 по ТУ 1793-094-00194429-2013, сферический порошок нержавеющей стали марки AISI 316L (45мкм) для 3Д-печати. Компоненты тщательно перемешивались, а затем дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001г и смешивались всухую в двуконусном смесителе с мелющими телами, партиями по 50 кг в течение 6 часов.

Для равномерного перемешивания диоксида кремния и графена в массе шихты, эти компоненты в объёме общего содержания сначала перемешивались в порошке нержавеющей стали объёмом 500г и только затем добавлялись к общей массе шихты, где происходило окончательное перемешивание.

Готовую смесь просеивали через сито 63мкм. Из приготовленной шихты на 3Д-принтере MBJ M500Max (производства компании EasyMFG, КНР) напечатали образцы деталей ступеней насосов ЭЦН 2А габарита.

Процесс печати производился по инструкции завода-изготовителя принтера с использованием водно-полимерного связующего.

Сушка образцов для устранения воды (основы связующего) производилась в камерной печи в течение 12 часов при температуре 160⁰C при низком вакууме.

После этого детали спекали по классической технологии порошковой металлургии в толкательной печи СТН-2.45.1,6/13,5 (Россия) в атмосфере азото-водородной смеси в течение 18 часов со ступенчатым нагревом. Следов связующего в готовых деталях не было обнаружено, ввиду его полного сгорания и диффузии остатков вглубь материала.

Результаты испытаний спечённых образцов и достигаемые эксплуатационные и производственные характеристики с применением заявляемой шихты на основе нержавеющей стали приведены в таблицах 1и 2.

Разработанным техническим решением, представленным в заявляемом изобретении, обеспечивается повышение плотности и снижение материалоёмкости изделий, при сохранении их коррозионной стойкости. Также обеспечивается возможность получения сложных геометрических форм лопаток двойной кривизны, что позволяет создавать изделия сложной формы без использования сложных технологических процессов.