способ термической обработки центробежно-литой трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Формула изобретения

Способ термической обработки центробежно-литой трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, включающий нагрев до температуры отжига 840-870^oС, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение, отличающийся тем, что скорость нагрева устанавливают равной 3-40^oС/мин, регламентированное охлаждение ведут со скоростью 0,5-10^oС/мин от температуры отжига до достижения температуры 690-730^oС, после чего охлаждение завершают на воздухе с произвольной скоростью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к термической обработке, и может быть использовано для отжига центробежно-литых труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).

Центробежно-литые трубы из ВЧШГ, приближаясь по прочности к трубам из низколегированной стали, превосходят их в 5-7 раз по долговечности при работе в контакте с агрессивными средами (нефтепродукты, пластовые воды, морская вода и др. ). Тем не менее применение этих труб ограничено из-за недостаточной пластичности, ударной вязкости и деформируемости.

Известны способы термической обработки отливок из ВЧШГ, согласно которым осуществляют их нагрев до температуры 850 -1000^oC, выдержку при этой температуре в течение 0,5-6 ч и последующее замедленное охлаждение с печью [1, 2] .

Недостатки известных способов состоят в том, что они не обеспечивают повышения пластичности, ударной вязкости и деформируемости отливки. Это ухудшает качество труб из ВЧШГ и делает их не пригодными для последующей горячей прокатки.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ термической обработки литых изделий из ВЧШГ, включающий нагрев до температуры 850-950^oC, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение [3] - прототип.

Недостатки известного способа состоят в том, что он не учитывает особенностей структуры центробежно-литой трубы из ВЧШГ. Поэтому после термической обработки центробежно-литая труба имеет низкие механические свойства (пластичность, ударную вязкость) и не пригодна к последующей горячей прокатке вследствие недостаточной деформируемости. Это ухудшает качество центробежно-литой трубы из ВЧШГ.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в улучшении качества трубы за счет повышения механических свойств и деформируемости.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе термической обработки центробежно-литой трубы из ВЧШГ, включающем нагрев до температуры отжига 840-870^oC, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение, согласно предложению скорость нагрева устанавливают равной 3-40^oC/мин, а регламентированное охлаждение ведут со скоростью 0,5-10^oC/мин от температуры отжига до достижения температуры 690-730^oC, после чего охлаждение завершают на воздухе с произвольной скоростью.

Информация о возможности горячей прокатки центробежно-литых труб из ВЧШГ в патентной и научно-технической литературе нами не обнаружена. Это свидетельствует о новизне и изобретательском уровне предложенного технического решения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Структура центробежно-литой трубы из ВЧШГ представляет из себя металлическую матрицу с включениями графита шаровидной формы. Поэтому механические свойства и деформируемость трубы из ВЧШГ определяются фазовым составом металлической матрицы, размерами и морфологией зерен микроструктуры.

После центробежной отливки в трубе из ВЧШГ присутствуют остаточные термические и фазовые напряжения. Отливка имеет неравномерные микроструктуру и графитизацию, содержит остаточный (структурно свободный) цементит. Обусловлено это тем, что в поверхностных слоях трубы, где скорость охлаждения была выше, образуется больше цементита, а следовательно, степень графитизации меньше, чем в средней по толщине стенки части.

Для обеспечения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости и деформируемости, при термической обработке трубы из ВЧШГ необходимо сформировать в ней перлитно-ферритную металлическую матрицу с оптимальным соотношением количества фаз, с зернистым перлитом, равномерной степенью графитизации и оптимальными размерами зерен микроструктуры.

Нагрев центробежно-литой трубы из ВЧШГ со скоростью 3-40^oC/мин исключает образование трещин при суммировании остаточных термических и фазовых напряжений с термическими напряжениями нагрева, подготавливает распад остаточного цементита. Выдержка при температуре отжига 840-870^oC в течение 1-2 ч позволяет за счет распада цементита выровнять степень графитизации по сечению трубы, полностью снять остаточные литейные напряжения, гомогенизировать микроструктуру.

Решающее значение имеет регламентированное охлаждение. При охлаждении до температуры 690-730^oC со скоростью 0,5-10^oC/мин формируется оптимальное соотношение количества и размер зерен микроструктуры зернистого перлита и феррита, при котором труба из ВЧШГ приобретает высокую прочность, пластичность, ударную вязкость и деформируемость.

Экспериментально установлено, что нагрев со скоростью более 40^oC/мин приводит к образованию трещин в центробежно-литой трубе и ухудшает ее вязкостные свойства. Снижение скорости нагрева менее 3^oC/мин вызывает потерю прочностных свойств и удлиняет цикл термообработки, что нецелесообразно.

При температуре нагрева ниже 840^oC и времени выдержки менее 1 ч ухудшаются показатели пластичности, ударной вязкости и деформируемости. Увеличение этой температуры выше 870^oC и времени выдержки более 2 ч приводит к разупрочнению трубы и ухудшению деформируемости.

В случае регламентированного охлаждения со скоростью менее 0,5^oC/мин до температуры ниже 690^oC происходит нарушение оптимального соотношения количества фаз в сторону увеличения ферритной составляющей. Это ведет к потере прочности и ухудшению деформируемости из-за разной пластичности фаз. Охлаждение со скоростью более 10^oC/мин до температуры выше 730^oC приводит к переупрочнению трубы из ВЧШГ, потере пластичности и ухудшению деформируемости.

Примеры реализации способа

В вагранке производят выплавку и модифицирование доэвтектического ВЧШГ следующего состава, мас.%:

C - 3,7

Si - 2,1

Mn - 0,1

Mg - 0,04

Fe + примеси - Остальное

Из расплава ВЧШГ на горизонтальной центробежной машине производят отливку труб с внешним диаметром 300 мм и толщиной стенки 7,2 мм. После завершения кристаллизации, охлаждения и инспекции годные центробежно-литые трубы помещают в газовую печь и нагревают со скоростью V_н=21,5^oC/мин. Нагрев ведут до температуры отжига T₀=855^oC, при которой трубы 1 выдерживают в течение времени =1,5 ч. По истечении этого периода времени в газовой печи уменьшают подачу топлива и производят регламентированное охлаждение труб со скоростью V_p= 5,25^oC/мин от температуры T₀=855^oC до достижения температуры T_p= 710^oC. После достижения температуры T_p=710^oC трубы выталкивают из печи, и их охлаждение завершается на воздухе с произвольной скоростью.

После завершения термической обработки трубы из ВЧШГ нагревают до температуры деформирования 950^oC и прокатывают на трубопрокатном автомат стане с допустимым относительным обжатием стенки за один проход = 35%.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Из таблицы следует, что при реализации предложенного способа (варианты N 2-4) достигается повышение механических свойств и деформируемости (допустимого относительного обжатия за проход ) труб. Следовательно, улучшается их качество. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты N 1 и 5) комплекс механических свойств, деформируемость и качество труб ухудшаются. После термической обработки по способу-прототипу (вариант N 6) механические свойства низкие, центробежно-литые трубы не поддаются горячей прокатке из-за образования трещин и разрушений.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что после термообработки по режиму: нагрев со скоростью 3-40^oC/мин до 840-870^oC, выдержка 1-2 ч, регламентированное охлаждение со скоростью 0,5-10^oC/мин до 690-730^oC и далее с произвольной скоростью, в центробежно-литой трубе формируется перлитно-ферритная матрица, не содержащая остаточного цементита. Микроструктура матрицы гомогенна, фазы имеют оптимальную морфологию и находятся в оптимальном соотношении. Это обеспечивает повышение механических свойств и деформируемости центробежно-литых труб, улучшает их качество.

За базовый объект принят способ-прототип. Реализация предложенного способа позволит повысить рентабельность производства центробежно-литых труб из ВЧШГ на 27-30%

Источники информации

1. Чугун: Справочное издание /Под ред. А.Д.Шермана и А.А Жукова. М.: Металлургия, 1991, с. 292-293.

2. М. А. Тылкин. Справочник термиста ремонтной службы. М.: Металлургия, 1981, с. 259.

3. О.В. Травин, Н.Т.Травина. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989, с. 186-187 - прототип.