Сегодня шаровые краны с условными проходами малых диаметров (DN 5–50 мм) широко применяются в системах водоснабжения, отопления и газоснабжения в ЖКХ, на объектах теплоэнергетики и в нефтегазовой промышленности. Объем мирового рынка трубопроводной арматуры малых диаметров достигает 2 млрд долларов. Причем потребность в такой арматуре непрерывно растет из-за увеличения объемов строительства и развития городских коммунальных хозяйств.
В настоящее время в подавляющем большинстве случаев шаровые краны с малыми диаметрами условных проходов изготавливаются из латуни (свинцовосодержащей типа ЛС59–1) методом горячего объемного прессования или литья под давлением при температуре 650–750°С. Для защиты от абразивного износа и коррозии корпусы и штоки кранов никелируются, а шаровые пробки еще дополнительно хромируются и полируются [1]. В качестве материала уплотнительных седел используется фторопласт или специальный каучук (для газовых кранов).
В таблице приведены сравнительные характеристики современных упрочняющих покрытий, наносимых на детали шаровых кранов. Хром гораздо тверже никеля и более стоек к воздействию абразива, присутствующего в транспортируемой по трубопроводу жидкой или газообразной среде. Но хром наносится только на подслой из никеля или меди. В этом случае микротрещины в твердохромовом покрытии заполняются никелем или медью, что значительно улучшает антикоррозионные свойства защитного покрытия. Существующая технология изготовления шаровых кранов из латуни трудоемка и энергозатратна. Кроме того, гальванические процессы никелирования и хромирования экологически опасны. Они требуют дорогостоящей переработки и обезвреживания отработанных растворов и промывочных вод. Недостаточная адгезия гальванических покрытий к основному металлу не обеспечивает надежной защиты деталей от вибрационных и кавитационных нагрузок.
В России шаровые краны из латуни в основном производят на Бологовском и Пензенском арматурных заводах. Но более половины потребности рынка удовлетворяют импортные изделия. Общепризнанным мировым лидером по производству шаровых кранов из латуни является Италия, изготавливающая до 80% кранов, поступающих на мировой рынок. Поэтому исключительно актуальна проблема импортозамещения и создания отечественных конкурентоспособных недорогих шаровых кранов с увеличенными показателями надежности.
Новая технология изготовления шаровых кранов из алюминиевых сплавов с защитным покрытием
ООО «Механика» (г. Москва) разработало и внедряет в промышленность новую технологию изготовления шаровых кранов из высокопрочных алюминиевых сплавов с защитным керамическим наноструктурным покрытием. Детали шаровых кранов изготавливаются из деформируемых высокопрочных алюминиевых сплавов В91, В93, 1975, В95, В96, Никалин АН2ЖМц. Эти сплавы по прочности не уступают латуни. Стоимость высокопрочных алюминиевых сплавов в 1,4 раза ниже стоимости латуней, содержащих дефицитную медь (60%). А с учетом того, что аналогичная деталь из алюминиевого сплава в 3,2 раза легче латунной, экономия на стоимости материала получается четырехкратной. Новая технология изготовления деталей шаровых кранов принципиально отличается от технологии изготовления латунных деталей с гальваническими защитными покрытиями. Она состоит всего из двух операций: прецизионной механообработки в окончательный размер и формирования на поверхности защитного керамического покрытия инновационным методом плазменно электролитического оксидирования (ПЭО) [2].
Алюминиевые сплавы легко и на высоких скоростях обрабатываются резанием. Детали шаровых кранов изготавливаются из алюминиевых прутков на высокоскоростных станках с ЧПУ с высокой точностью (6–7 квалитет) и низкой шероховатостью (Ra 0,40–0,63 мкм). Детали обрабатываются в окончательные размеры. Высокое качество сферической поверхности пробки (поле допуска на размер сферы составляет 12–25 мкм вместо принятых 30–60 мкм, а отклонение от круглости — 10–15 мкм вместо принятых 20–50 мкм) обеспечивает шаровому крану высокие эксплуатационные свойства, в том числе герметичность. Затем проводится операция ПЭО. На корпусах и штоках формируется тонкое керамическое покрытие толщиной 15–20 мкм, а на шаровых пробках — толстые покрытия толщиной 50–70 мкм.
Из-за высокой твердости (HV 800–1500) керамическое ПЭО-покрытие обладает высокой стойкостью к абразивному износу и истиранию. Так как ПЭО-покрытие образуется за счет модификации поверхностного слоя алюминиевой детали, оно обладает прочностью сцепления с металлом на порядок выше прочности сцепления гальванопокрытий с латунью. Поэтому керамическое покрытие выдерживает ударные и термоциклические нагрузки без отслоений, часто встречающихся у гальванопокрытий.
Керамическое покрытие химически инертно и имеет микропоры, размер которых значительно меньше размера пор у гальванических покрытий. Поэтому коррозионная стойкость в агрессивных средах у деталей с керамическим покрытием в 2–3 раза выше, чем у деталей, покрытых никелем или твердым хромом.
Инновационная технология ПЭО нового поколения и ее преимущества
Сутью технологии ПЭО является окисление поверхности алюминиевых деталей до состояния тугоплавких оксидов алюминия под воздействием искровых разрядов (плазмы) в водном растворе электролита. Формируемые при этом керамические покрытия обладают уникальным комплексом защитных свойств, воспроизвести которые другими способами невозможно. Это высокая твердость, высокие адгезионная и когезионная прочность, теплостойкость, диэлектрические свойства (таблица).
Широко известное ПЭО на промышленной частоте 50 Гц под названием МДО не получило значительного распространения в промышленности по причинам низкой производительности процесса, большой энергоемкости и двухслойного строения керамического покрытия. Для получения качественного покрытия при использовании МДО необходимо нарастить слой толщиной 90–130 мкм, для чего требуется 2–3 часа.
При этом 30–40% от общей толщины покрытия будет составлять внешний дефектный слой, который требует удаления (алмазного шлифования), что очень трудоемко и дорого. ПЭО нового поколения, разработанное специалистами ООО «Механика», представляет собой импульсный высоковольтный анодно-катодный процесс оксидирования, проводящийся на частотах 2000–5000 Гц [3]. Управляющий процессом микропроцессор обеспечивает четкое соотношение длительностей и мощностей анодных и катодных импульсов тока. Ультракороткие (15–100 мкс), но достаточно мощные биполярные импульсы тока и напряжения позволяют реализовать высокую скорость нагрева, плавления и охлаждения в электролите микрообъемов материала, что создает условия для образования нанодисперсных оксидно-керамических структур. Размеры образующихся в покрытии кристаллов оксидов алюминия составляют 10–120 нм. Покрытия с такой структурой обладают высокой прочностью и одновременно относительной пластичностью. Плотноупакованные нанокристаллы оксидов лучше сопротивляются макро- и микроразрушениям при динамическом воздействии абразивных частиц, при вибрационных и кавитационных нагрузках.
Использование ультракоротких, но мощных импульсов тока приводит к образованию высокотемпературных твердых фаз оксидов алюминия уже в относительно тонких покрытиях (10–20 мкм), что невозможно при способе МДО. Новая технология ПЭО позволяет в 2–4 раза повысить производительность процесса оксидирования. Тонкие покрытия (10–20 мкм) формируются за 7–10 минут, а толстые (50–70 мкм) — за 25–30 минут. При этом получаются исключительно гладкие (Ra 0,63–0,80 мкм) и плотные керамические покрытия, на которых отсутствует внешний дефектный слой. После формирования покрытия геометрические размеры деталей практически не изменяются (остаются в пределах допусков), так как покрытие растет вглубь металла. После оксидирования шаровая пробка подвергается легкому полированию до достижения шероховатости Ra 0,32–0,40 мкм.
Преимущества шаровых кранов из высокопрочных алюминиевых сплавов с защитным керамическим наноструктурным покрытием
Значительно более высокая стойкость керамического покрытия (по сравнению с гальваническими) к абразивному износу, коррозионному разрушению и кавитационному воздействию обуславливает повышенную надежность новых шаровых кранов и увеличенную наработку на отказ, превышающую 40000 циклов открывания-закрывания. Твердая и гладкая поверхность шаровых пробок препятствует осаждению на ней шлама, механических примесей и возникновению «эффекта схватывания», а повышенная точность и уменьшенная погрешность формы при изготовления сферы снижает усилия при открывании-закрывании, что уменьшает износ уплотнительных седел.
Повышенная термостойкость керамического покрытия позволяет расширить границы рабочих температур у новых шаровых кранов до –50… +160°С. Малый вес новых шаровых кранов облегчает их монтаж и транспортировку. Себестоимость изготовления алюминиевых кранов с защитным керамическим покрытием снижается на 20–40% по сравнению с себестоимостью изготовления стандартных шаровых кранов из латуни с защитными гальваническими покрытиями.
Финская компания Jouka уже изготавливает серийно шаровые краны DN 15–100 мм из деформируемых алюминиевых сплавов. При этом шаровая пробка подвергается анодированию. Однако твердоанодированное покрытие по своим защитным свойствам значительно уступает ПЭО-покрытию (по износостойкости в 4–5 раз, а по коррозионной стойкости в 2–3 раза). Кроме того, технология твердого анодирования использует
экологически вредные электролиты, которые также требуют их глубокого охлаждения, что существенно удорожает процесс нанесения покрытия.
ООО «Механика» активно занимается разработкой и освоением новейшей технологии промышленного производства алюминиевых шаровых кранов. Изготовлены и испытаны опытные образцы кранов DN 50 мм [4]. Кроме того, в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина были проведены сравнительные испытания инновационного ПЭО-покрытия ступеней (основные детали) насосов для добычи нефти в сравнении со стандартным материалом – чугун никелевый («нирезист») — в значительно более жестких условиях эксплуатации (при перекачивании жидкости с песком 10 г/л и свободном газе до 50%). Износостойкость ступеней из алюминиевого сплава с ПЭО-покрытием оказалась в 5 раз выше «нирезиста», а коррозии вообще не было.
Заключение
Созданы легкие, недорогие и надежные алюминиевые шаровые краны с защитным покрытием, отличающиеся высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью, повышенной теплостойкостью.
Разработана экологически безопасная технология производства шаровых кранов из деформируемых высокопрочных алюминиевых сплавов с защитным керамическим наноструктурным покрытием, формируемым инновационным методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО).
Список литературы:
1. Поляков В.И. Латунные шаровые краны. Особенности конструкций. // С.О.К. (Сантехника. Отопление. Кондиционирование.), 2013, № 3.
2. Шатров А.С., Кокарев В.Н. Инновационная технология плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) и создание нового конструкционного материала – топокомпозита. // Арматуростроение, 2010, №2.
3. Шатров А.С. Защитные оксидно-керамические покрытия, формируемые на алюминиевых сплавах методом плазменного электролитического оксидирования. // Коррозия: материалы, защита, 2012, №4.
4. Шатров А. С., Кокарев В.Н. Инновационная недорогая запорно-регулирующая арматура с длительным сроком службы. // Арматуростроение, 2011, № 2.
Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 6 (19) 2014
