de.wedoany.com-Bericht: Experten der Nowosibirsker Staatlichen Technischen Universität (NSTU) und des Budker-Instituts für Kernphysik der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (BINP SB RAS) ist es in Zusammenarbeit gelungen, die Verschleißfestigkeit von Chrom-Nickel-Edelstahl (im Alltag als „Edelstahl“ bekannt) zu verdoppeln. Dieses Material wird nicht nur für die Herstellung von allseits bekannten Töpfen, Pfannen, Tellern und Besteck verwendet, sondern auch für verschiedene Ausrüstungsteile in der Erdölverarbeitungsindustrie. Für Erdölarbeiter ist Edelstahl aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit sehr beliebt – was in unterirdischen Arbeitsumgebungen besonders wichtig ist. Wenn es gelingt, die Beständigkeit von Edelstahl gegen hydroabrasiven Verschleiß (d.h. den Widerstand gegen den Aufprall von festen Partikeln, die in einer Flüssigkeit strömen) weiter zu erhöhen, wäre er für diese Branche noch besser geeignet.
Die Wissenschaftler aus Nowosibirsk nutzten den industriellen Elektronenbeschleuniger ELV-8 des Instituts für Kernphysik und trugen mittels Elektronenstrahl-Auftragschweißen eine Beschichtung aus einer Mischung von Bor- und Eisenpulver (Boride) auf die Edelstahloberfläche auf. Anschließende Tests auf hydroabrasiven Verschleiß am Lawrentjew-Institut für Hydrodynamik der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften (IHIL SB RAS) zeigten, dass die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit dieses verbesserten Edelstahls doppelt so hoch ist wie die von gewöhnlichem Edelstahl. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Metallurgie“ veröffentlicht und sind Teil eines großen Forschungsprojekts zur Gewinnung von Hochleistungs-Edelstahl für extreme Betriebsbedingungen.
Jewdokija Buschujewa, außerordentliche Professorin am Lehrstuhl für Werkstoffkunde im Maschinenbau der Nowosibirsker Staatlichen Technischen Universität und Kandidatin der technischen Wissenschaften, kommentierte: „Experten der Erdölverarbeitungsindustrie verwenden Ausrüstungsteile aus Chrom-Nickel-Austenit-Edelstahl, da dieses Material mehrere wichtige Eigenschaften besitzt. Erstens ist es korrosionsbeständig, was sehr wichtig ist, da unterirdische Erdölverarbeitungsanlagen einer chemisch aggressiven Umgebung ausgesetzt sind, z. B. durch Grundwasser, Elektrolytlösungen und Begleitgase. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Edelstahl ist seine gute Verarbeitbarkeit. Die Teile solcher Anlagen haben oft komplexe Formen, daher muss das Herstellungsmaterial plastisch verformbar sein. Drittens, und das ist ebenso wichtig, ist Edelstahl relativ preiswert.“
Trotz vieler Vorteile hat Edelstahl auch einen Nachteil: eine geringe Verschleißfestigkeit. Die Verschleißfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, der Zerstörung und Abnutzung seiner Oberfläche unter Reibungsbedingungen zu widerstehen. Es gibt verschiedene Formen des Verschleißes, aber für die Erdölverarbeitungsindustrie ist meist der abrasive Verschleiß relevant.
Buschujewa fügte hinzu: „Edelstahl ist ausreichend plastisch, daher kann er dem Aufprall eines Wasserstrahls, der feste abrasive Partikel enthält, nur schwer widerstehen. Das Abrasiv wirkt wie unzählige Messer, die in die Oberfläche eindringen. Zuerst entstehen Kratzer, Riefen und Risse. Da das Material gleichzeitig einer korrosiven Umgebung ausgesetzt ist, sinkt auch die Korrosionsbeständigkeit des Edelstahls drastisch. Letztendlich verkürzt sich die Betriebszeit solcher Anlagen von den erforderlichen tausenden Stunden auf nur wenige hundert Stunden. Daher besteht die Aufgabe für die Industrie – und folglich auch für die Wissenschaft – darin, die Lebensdauer von Erdölförderanlagen zu verlängern.“
Eine Methode, klassischen Edelstahl verschleißfester zu machen, ist die Verstärkung seiner Oberflächenschicht. Die Experten der Nowosibirsker Staatlichen Technischen Universität wählten ein Material auf Basis von Chrom- und Eisenboriden als Verstärkungsschicht und stellten diese durch Elektronenstrahl-Auftragschweißen am industriellen Elektronenbeschleuniger ELV-8 des Instituts für Kernphysik her. Dieser Beschleuniger hat den Status einer einzigartigen wissenschaftlichen Anlage (Prüfstand ELV-6) und ist im nationalen Register der russischen Forschungsinfrastruktur der Russischen Föderation eingetragen.
Michail Gorkowski, leitender Wissenschaftler am Institut für Kernphysik, erklärte: „Der industrielle Beschleuniger erzeugt einen leistungsstarken, kontinuierlichen Elektronenstrahl, mit dem wir die Materialoberfläche (in diesem Fall Edelstahl) zusammen mit dem darauf aufgebrachten Modifikationspulver bearbeiten. Im Vergleich zu anderen Verstärkungsmethoden wie Plasmaspritzen, Laserauftragschweißen oder Lichtbogenauftragschweißen bietet unsere Methode eine Reihe von Vorteilen. Wir können auf dem Material dickere Schichten erzeugen als beim Laserauftragschweißen, und diese Schichten sind porenfrei und weisen nicht die für das Plasmaspritzen typischen Probleme der schwachen Haftung mit dem Grundwerkstoff auf. Die Dicke der Schichten beim Laserauftragschweißen beträgt nicht mehr als einige zehn Mikrometer, während wir mehrere Millimeter dicke, porenfreie Beschichtungen erhalten können. Ebenso wichtig ist, dass wir eine metallurgische Bindung der Beschichtung sicherstellen, d.h. die Haftfestigkeit der aufgetragenen Schicht mit dem Grundwerkstoff ist nicht geringer als die Festigkeit des Grundmetalls selbst. Unter rauen Betriebsbedingungen nützt eine sehr feste Beschichtung wenig, wenn sie sich leicht vom Grundwerkstoff löst. Der industrielle Beschleuniger ist produktiv: Die durchschnittliche Bearbeitungsgeschwindigkeit des Materials beträgt 2 m²/h, was ein guter Wert ist. Außerdem ist zu beachten, dass wir in der Atmosphäre arbeiten, nicht im Vakuum. Verfahren, die in einer Vakuumkammer durchgeführt werden müssen, sind technologisch aufwändiger und zeitintensiver. Die Leistung unserer Elektronenquelle ist ein bis zwei Größenordnungen höher als die eines Lasers. Darüber hinaus beträgt der Absorptionskoeffizient des Elektronenstrahls in unserem Material 90 %, d.h. fast die gesamte Strahlenergie wird in Wärme im Material umgewandelt, während die Absorption von Laserstrahlung nur 10 % beträgt.“
Nach der Herstellung der Edelstahlproben mit verstärkter Oberflächenschicht führten die Experten eine Reihe von Experimenten durch, die die extremen Arbeitsbedingungen von Erdölförderanlagen simulierten.
Buschujewa kommentierte: „Da wir auf die Erdölförderindustrie ausgerichtet sind, war einer der Tests der Test auf hydroabrasiven Verschleiß, den wir auf der Anlage des Instituts für Hydrodynamik durchgeführt haben. Wir haben die Proben mit einem starken Wasserstrahl (der Aluminiumoxidpartikel, also Sand mit Luft, enthielt) beaufschlagt und bewusst möglichst extreme Bedingungen geschaffen. Die Ergebnisse waren recht gut: Der hydroabrasive Verschleiß des verstärkten Edelstahls war halb so hoch wie der von gewöhnlichem Edelstahl. Ein weiteres Ergebnis betrifft die Korrosionsbeständigkeit. Wir haben die Beschichtung in einer korrosiven Umgebung getestet, die die Bedingungen des Einflusses von Notfalllösungen simulierte. Wenn es bei Erdölförderanlagen zu einem Festfressen kommt (z. B. wenn Gestein eindringt und die Mechanik blockiert), werden Lösungen mit stark korrosiven Säuren wie Flusssäure, Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure usw. verwendet. Diese hochwirksamen Mischungen lösen Gestein schnell auf, können aber auch das Anlagenmaterial angreifen. In dieser Hinsicht war die Korrosionsbeständigkeit unserer Proben ebenfalls doppelt so hoch wie die von gewöhnlichem Edelstahl.“
Die Experten weisen darauf hin, dass die erzielten Forschungsergebnisse Teil einer größeren Arbeit zur Entwicklung verstärkender Beschichtungen sind.
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