Обзор
Карбид вольфрама с черным покрытием относится к порошковому карбиду вольфрама (WC), металлургически обработанному в различные геометрические формы деталей с добавлением антикоррозийного слоя. Черный внешний вид - это результат преобразования оксидного слоя в покрытие, повышающее срок службы в маслянистых средах. Распространенные геометрические формы включают стержни, пластины, подшипники и втулки, используемые в нефтегазовом бурении, горнодобывающей, обрабатывающей и других отраслях промышленности с экстремальными условиями эксплуатации, требующими твердости, прочности и химической стойкости, превышающих обычные металлы и сплавы.
Состав
Состав карбида вольфрама по весу составляет:
| Элемент | Вес % | Роль |
|---|---|---|
| Вольфрам (W) | 88-97% обычно | Главный компонент, обеспечивающий твердость и прочность |
| Углерод (C) | 3-12% | Соединяется с W, образуя очень твердую керамику WC |
| Кобальт (Co) | 3-12% | Связующий металл, способствующий повышению прочности |
| Карбиды тантала/титана | 1-2% | Ингибиторы роста зерна |
Толщина коррозионностойкого слоя черного оксидного покрытия на внешней поверхности составляет всего ~1-10 микрон, поэтому основной состав остается WC в кобальтовой матрице.
Производственный процесс
Компоненты из карбида вольфрама с черным покрытием изготавливаются в следующей последовательности этапов процесса порошковой металлургии:
- Смесь порошков элементарных W и C с кобальтовым связующим и ингибиторами роста зерна
- Компактирование порошков в "зеленую" форму с помощью холодного/горячего изостатического прессования
- Термообработка для инициирования образования WC и установления геометрии
- Шлифование деталей с соблюдением окончательных допусков размеров
- Детали с запатентованным химическим составом ванны, вызывающие оксидный слой конверсионного покрытия
- Внешняя отделка черным оксидом + заделка пор/дефектов поверхности с помощью погружной ванны
Последовательность нанесения покрытия создает плотное черное покрытие, устойчивое к коррозии в жидкостях с pH от 4 до 9.
Механические свойства
| Параметр | Спецификация | Метод испытания |
|---|---|---|
| Твердость | 88-93 HRA (~1600 Vickers) | ASTM E18 |
| Плотность | 13,5-15,1 г/см3 | ASTM B311 |
| Прочность при поперечном разрыве | 550-650 МПа | ASTM B406 |
| Вязкость разрушения | 7-12 МПа√м | ASTM B771 |
| Модуль Юнга | 530-700 ГПа | ASTM E111 |
Сверхвысокая твердость, приближающаяся к 1500 единиц по Виккерсу, и высокая плотность обеспечивают превосходную износостойкость при высоких нагрузках. Кобальтовая связующая фаза упрочняет хрупкие частицы WC. Благодаря этим свойствам карбид вольфрама с черным покрытием подходит для замены инструментальной стали, нержавеющей стали и материалов подшипникового класса в горнодобывающей промышленности, бурении, механической обработке и других сложных условиях.
Химическая стойкость
Карбид вольфрама с черным покрытием, разработанный для нефтепромысловых скважинных инструментов и бурового оборудования, обеспечивает коррозионную стойкость при погружении в воду или воздействии окружающей среды:
- Кислая нефть и природный газ с H2S и рассолы, содержащие хлориды/сульфаты
- Кислоты: карбоновая (H2CO3), лимонная (C6H8O7), уксусная (CH3COOH)
- Щелочи/основания: Гидроксид натрия (NaOH), гидроксид калия (KOH), гидроксид кальция [Ca(OH)2].
- Органические кислоты: Муравьиная (HCO2H), Молочная (C3H6O3), Олеиновая (C18H34O2) и растворы аминов.
- Углеводородные масла, смазки, трансмиссионные жидкости
Такая химическая стойкость обеспечивает превосходную долговечность в агрессивных скважинных средах с жидкостями, содержащими соли, органические кислоты, H2S, CO2 и другие виды, которые быстро разрушают обычную сталь.
Типы компонентов
Различные геометрии компонентов из карбида вольфрама с черным покрытием удовлетворяют потребности горнодобывающей, материалообрабатывающей и нефтехимической промышленности:
| Тип | Описание | Ключевые атрибуты |
|---|---|---|
| Подшипники и втулки | Замена металлических подшипников в грязевых двигателях, инструментах для наклонно-направленного бурения | Выдерживают давление бурового раствора >20 000 фунтов на квадратный дюйм при минимальном трении |
| Рукава | Встраивание датчиков направленности в буровые узлы | Защита электроники от абразивных частиц породы в буровом растворе |
| Форсунки | Сопла для струйной резки водой/абразивом под высоким давлением | Устойчивость к эрозии для точной резки с минимальной конусностью |
| Пластины | Износостойкие плиты футеровки с болтами внутри шаровых мельниц | В мельницах для измельчения минералов металлическая футеровка превосходит металлическую в 10 раз |
| Фильеры для волочения проволоки | Экструзия вольфрамовой, стальной, титановой проволоки для изготовления нитей | Равномерный диаметр проволоки, протягиваемой на высоких скоростях без износа матрицы и дефектов |
Уникальное сочетание сверхтвердости, прочности и повышенной химической стойкости позволяет карбиду вольфрама с черным покрытием служить в сложных условиях эксплуатации нефтегазового оборудования при экстремальных давлениях, скоростях и температурах в течение длительного срока службы оборудования.
Стандарты качества
Международные стандарты качества для подачи порошка карбида вольфрама, механических свойств и поставки технических компонентов:
| Стандарт | Область применения | Охватываемые параметры |
|---|---|---|
| ISO 4499 | Порошки цементированных карбидов | Химический состав, размер частиц, критерии чистоты |
| ASTM B693 | Степени и спецификации для продуктов WC | Стойкость к истиранию, микроструктура, пороговые значения химических и физических свойств |
| ASTM E112 | Определение среднего размера зерна | Количество зерен на мм2 или номер размера зерен ASTM от 1 до 8, где большее количество означает меньшее количество зерен |
| API Spec 7-1 | Оборудование для роторного бурения | Твердость пластин, геометрия подшипников, номинальные значения давления и скорости |
Они помогают подтвердить коррозионную и абразивную стойкость, необходимую для нефтепромыслового инструмента, работающего с многофазными потоками, содержащими шлам, H2S, CO2 и агрессивные стимулирующие скважину жидкости на больших интервалах.
Преимущества перед другими материалами
По сравнению с альтернативными вариантами, карбид вольфрама с черным покрытием обеспечивает высокую производительность:
- В 10 раз выше эрозионная стойкость закаленной нержавеющей стали 440C
- Срок службы в 4 раза больше, чем у обычного карбида вольфрама без антикоррозийного покрытия
- Возможность многократного использования компонентов после повторного нанесения покрытия
- 5-кратная экономия средств по сравнению с композитами с алмазным напылением
- Повышенная надежность по сравнению с хрупкой керамикой, подверженной термическим/механическим нагрузкам
- Меньший вес по сравнению с бескобальтовыми карбидами вольфрама упрощает интеграцию конструкции
Поэтому правильно нанесенное черное покрытие из карбида вольфрама оптимально сочетает в себе износостойкость, химическую совместимость, вес и экономичность для нефтяной, газовой, горнодобывающей промышленности и других самых суровых условий эксплуатации промышленного оборудования.
Анализ затрат
| Параметр | Части унитаза с черным покрытием | Эквивалентные стальные детали |
|---|---|---|
| Стоимость материала | $125/кг | $15/кг |
| Продолжительность жизни | 5000-8000 часов | 1000 часов |
| Стоимость часа | $0.02 | $0.02 |
Несмотря на более высокие затраты на материалы, гораздо больший срок службы карбида вольфрама с черным покрытием до замены позволяет снизить общую стоимость владения в непрерывных операционных процессах, что легко оправдывает первоначальную надбавку к цене.
Поставщики
Ведущие производители и плакировщики карбида вольфрама с черным покрытием включают:
| Компания | Расположение | Возможности продукта |
|---|---|---|
| проектирование вакуумных печей | Германия | Подшипники, втулки, пластины, механические уплотнения, прототипы |
| Вольфрамовая служба Среднего Запада | США | Пластины, прутки, проволочные формы, вырезанные для печати |
| Linegroup Precision | Китай | Наборы форсунок, кольца, дроссельные трубки |
| Zhuzhou Jatc Industrial | Китай | Износостойкие плиты, футеровки, экраны |
| Kennametal | США | Индексируемые твердосплавные вставки, вытяжные штампы |
Индивидуальное инженерное сотрудничество на этапах проектирования обеспечивает надлежащее применение карбида вольфрама с черным покрытием с учетом всех рабочих нагрузок, давления, химического состава жидкости, точек трения для обеспечения максимального срока службы оборудования в горных машинах или скважинных буровых инструментах, работающих с высококоррозионными потоками.
Вопросы и ответы
Какой диапазон твердости должен иметь карбид вольфрама с черным покрытием для бурения скважин на нефтяных месторождениях?
88-92,5 HRA (~1500-1600 единиц по Виккерсу) обеспечивает оптимальное сочетание абразивной стойкости без чрезмерной хрупкости. Это позволяет выдерживать как высокие сжимающие нагрузки от давления на стенки скважины, так и сдвиговые напряжения от потоков бурового раствора, несущих шлам, скользящий по поверхности, без образования трещин.
Будет ли карбид вольфрама с черным покрытием ржаветь или корродировать в воде или во влажной среде?
Нет - защитный оксидный слой разработан таким образом, чтобы противостоять окислению или другой водной коррозии даже при кислом или слабоосновном pH, демонстрируя лучшие показатели, чем голый карбид. Правильная интеграция элементов динамического уплотнения предотвращает попадание влаги в интерфейсы, предотвращая окрашивание ржавчины или электрохимические реакции.
Покрытие со временем стирается или изнашивается?
Черное покрытие толщиной ~1-10 микрон постепенно разрушается, но проходят годы, прежде чем обнажается основная часть твердого сплава. В этот момент деталь можно отправить обратно для повторного нанесения покрытия и снова ввести в эксплуатацию. Таким образом, это возобновляемое износостойкое покрытие.
Можно ли обрабатывать или шлифовать детали из твердого сплава с черным покрытием до жестких допусков или это повредит покрытие?
Для сохранения коррозионной стойкости следует избегать чрезмерного механического удаления, нарушающего глубину покрытия. Возможна прецизионная шлифовка и полировка, но при этом должна оставаться толщина покрытия не менее 2 микрон для типичных применений в нефтяной отрасли. Электроэрозионная обработка до получения чистой формы перед нанесением покрытия рекомендуется вместо любых дополнительных этапов обработки.
Резюме
Карбид вольфрама с черным покрытием относится к сверхтвердому, плотному карбиду вольфрама в кобальтовой матрице, металлургически обработанному в подшипники, втулки, пластины, сопла и другие геометрии, оптимизированные для оборудования, подверженного экстремальным давлениям, скоростям и коррозионным химикатам, особенно в бурении нефтяных/газовых скважин и горнодобывающей промышленности. Специальная последовательность конверсионного покрытия создает черный внешний оксидный слой, обеспечивающий значительно улучшенную коррозионную стойкость даже в горячих кислотах, щелочах, хлоридах, H2S и CO2, которые быстро разрушают обычные инструментальные стали. Предлагая оптимальное сочетание твердости свыше 1500 единиц по Виккерсу, прочности свыше 550 МПа и химической стойкости, карбид вольфрама с черным покрытием служит возобновляемым, экономически эффективным материалом, превосходящим альтернативные варианты в 5-10 раз в самых суровых условиях промышленной эксплуатации.
