способ термической обработки крупногабаритных изделий

Формула изобретения

1. Способ термической обработки крупногабаритных изделий, включающий нагрев, выдержку, охлаждение в несколько стадий и отпуск, причем охлаждение на первой стадии ведут погружением в закалочную среду, после чего осуществляют отогрев изделий, а охлаждение на последней стадии ведут на воздухе, отличающийся тем, что охлаждение на первой стадии ведут до температуры поверхности металла не ниже 180°С в циркулирующей закалочной среде, после отогрева изделий проводят их изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение при температуре металла, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения области структурного превращения аустенита в бейнит, по крайней мере, на 2/3 протяженности этой области, после чего охлаждение ведут до температуры металла не ниже 200°С со скоростью, предотвращающей для данной марки стали выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора, причем отогрев изделий ведут до температуры не выше температуры, при которой проводят изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отогрев изделий, изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение и охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения ведут путем купания в спокойной или циркулирующей закалочной среде, причем скорость циркуляции среды в течение купания сохраняют постоянной или замедляют к концу купания.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что скорость циркуляции закалочной среды регулируют посредством изменения мощности двигателя, создающего направленный поток среды, причем охлаждение на первой стадии ведут при максимальной мощности двигателя, отогрев - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности, изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение - при мощности двигателя 0,1÷0,9 от максимальной мощности, а охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки крупногабаритных изделий типа соединительных деталей трубопроводов или толстостенных труб большого диаметра из малоуглеродистых и низколегированных сталей.

Известен способ упрочняющей термической обработки труб путем их нагрева в проходных секционных печах до заданной температуры и охлаждения диспергированной водой или водовоздушной смесью при их выходе из печи в спрейерах с последующим отпуском в проходных секционных печах при температуре 550÷650°С (см. Термическое упрочнение проката / под ред. К.Ф.Стародубова, М., «Металлургия», 1970, с.170).

Недостатком этого способа является невозможность получения металла с требуемой бейнитной или феррито-бейнитной структурой для изделий толщиной от 25-30 мм и выше из-за ограниченной скорости охлаждения металла. Кроме того, соединительные детали трубопроводов, имеющие разнообразную форму, невозможно, подобно трубам, нагреть в секционных печах и охладить в спрейерах в проходном режиме, когда транспортировка осуществляется косовалковыми рольгангами с одновременным вращением изделий.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому эффекту и выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки крупногабаритных изделий из низко-, средне- и высокоуглеродистых легированных и высоколегированных сталей, включающий нагрев, выдержку и охлаждение в три стадии и отпуск. На первой стадии изделие охлаждают погружением в воду до температуры поверхности изделия 150°С. На второй стадии производят отогрев изделия, т.е. выдерживают его на воздухе до разогрева поверхности металла до 500÷550°С, а затем повторно погружают в воду и т.д., т.е. производят купание до тех пор, пока температура поднятого на воздух изделия не будет составлять 350÷400°С. Затем проводят охлаждение в масле, на воздухе, прерывистым купанием (см. Обзорную информацию ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ / серия ХМ-9. Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы. Прогрессивные методы термической и химико-термической обработки в химическом машиностроении., М., 1982, с.5).

Ускоренное охлаждение в воде до температуры поверхности изделия 150°С на первой стадии охлаждения приводит к возникновению градиента температур по сечению стенки изделия, что вызывает высокий уровень термических напряжений, способный привести не только к короблению деталей, но даже к образованию микротрещин в металле. Кроме того, осуществление режима купания изделия, контролируемого только по температуре, приобретаемой изделием после купания, приводит к невозможности обеспечения равномерного протекания процессов структуро- и карбидообразования.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является отсутствие надежных критериев для выбора параметров упрочняющей термообработки изделия. Это не позволяет обеспечить высокий уровень механических свойств, снизить уровень остаточных напряжений и коробления торцов изделий.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение равномерности протекания процессов структуро- и карбидообразования в изделиях для обеспечения высокого уровня механических свойств, снижения уровня остаточных напряжений в металле и коробления торцов изделий.

Техническим результатом, получаемым при реализации данного изобретения, является оптимизация параметров обработки.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе термической обработки крупногабаритных изделий, включающем нагрев, выдержку, охлаждение в несколько стадий и отпуск, при котором охлаждение на первой стадии ведут погружением в закалочную среду, после чего осуществляют отогрев изделий, а охлаждение на последней стадии ведут на воздухе, согласно изобретению охлаждение на первой стадии ведут до температуры поверхности металла не ниже 180°С в циркулирующей закалочной среде, после отогрева изделий проводят их изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение при температуре металла, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения области структурного превращения аустенита в бейнит, по крайней мере, на 2/3 протяженности этой области, после чего охлаждение ведут до температуры металла не ниже 200°С со скоростью, предотвращающей для данной марки стали выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора, причем отогрев изделий ведут до температуры не выше температуры, при которой проводят изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение.

Отогрев изделий, изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение и охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения могут быть проведены путем купания в спокойной или циркулирующей закалочной среде, причем скорость циркуляции среды в течение купания может быть сохранена постоянной или замедлена к концу купания.

Скорость циркуляции закалочной среды может быть изменена посредством изменения мощности двигателя, создающего направленный поток среды, причем охлаждение на первой стадии может быть проведено при максимальной мощности двигателя, отогрев - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности, изотермическая выдержка и/или замедленное охлаждение - при мощности двигателя 0,1÷0,9 от максимальной мощности, а охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.

Способ может быть осуществлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован при проведении термообработки металлоизделий, т.е. является промышленно применимым.

Для получения в металле готовых изделий большого количества дисперсных частиц вторичной фазы (карбидов, карбонитритов), равномерно распределенных в матрице, необходимо ускоренно охлаждать изделие из однородного аустенитного состояния со скоростью, достаточной для предотвращения выделения растворенных атомов внедрения (углерода и азота) из твердого раствора. При этом важную роль в создании пересыщенного твердого раствора, в котором подавлен процесс выделения углерода и азота на стадии охлаждения, играет температура конца ускоренного охлаждения. Это связано с тем, что указанные элементы даже при пониженных температурах металла имеют значительную диффузионную способность. Интенсивная циркуляция закалочной среды на первой стадии охлаждения позволяет эффективно управлять скоростью охлаждения изделия и провести выравнивание температурного поля металла по сечению стенки изделия до момента вхождения кривой охлаждения в область бейнитного распада аустенита. Это, в свою очередь, обеспечивает пересечение этой области кривой охлаждения, по крайней мере, на 2/3 ее протяженности (в соответствии с термокинетической диаграммой для конкретной марки стали). Экспериментально установлено, что заявляемые оптимально подобранные температурные интервалы и параметры циркуляции закалочной среды позволяют получить феррито-бейнитную или бейнитную структуру металла за счет обеспечения равномерного протекания процессов структуро- и карбидообразования. Это обеспечивает достижение высокого уровня механических свойств металла изделий, снижает уровень остаточных напряжений и коробление торцов изделий.

Предлагаемый способ термической обработки крупногабаритных изделий был опробован в промышленных условиях при упрочнении соединительных деталей трубопроводов, а именно штампосварных тройников диаметром 1020 мм с толщиной стенки 28 мм, изготовленных из стали 10Г2ФБЮ. В идентичных условиях был опробован способ-прототип.

Термообрабатываемые изделия нагревали в печи до 950÷980°С, выдерживали при этой температуре и затем осуществляли охлаждение. Характеристики охлаждения и полученные свойства металла представлены в таблице 1.

Измерения для определения степени коробления тройника были проведены после различных режимов (характеристики режимов приведены в таблице 1) обработки. Результаты измерения для определения степени коробления изделий по заявленному способу и способу-прототипу приведены в таблице 2.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг.1. Вид спереди (со стороны торца) на соединительную деталь трубопровода - тройник /показано положение мест измерения диаметра торца тройника/.

Фиг.2 Кривая охлаждения по предлагаемому способу: охлаждение по режиму 2 (характеристика режима приведена таблице 1) для штампосварного тройника диаметром 1020 мм с толщиной стенки 28 мм из стали марки 10Г2ФБЮ (латинскими цифрами обозначены стадии охлаждения).

Анализ данных, приведенных в таблицах, показывает, что предлагаемый способ позволяет повысить по сравнению с прототипом комплекс механических свойств изделий, снизить уровень остаточных напряжений в металле и коробление торцов изделий.

Данный способ позволяет также повысить устойчивость металла к разупрочнению при последующих нагревах (например, при отпуске и сварке).