способ термической обработки трубчатых изделий
Классы МПК: | C21D8/10 при изготовлении полых изделий B21C37/08 изготовление труб сваркой или пайкой швов |
Автор(ы): | Недоспасов Лев Александрович (RU), Помазан Александр Александрович (RU), Лежнин Константин Витальевич (RU), Пуйко Алексей Васильевич (RU), Немцев Сергей Александрович (RU), Рязанцев Юрий Михайлович (RU), Щавлева Любовь Александровна (RU), Мокшин Сергей Константинович (RU), Бухарин Олег Георгиевич (RU), Дейнеко Леонид Николаевич (UA), Величко Александр Григорьевич (UA), Кимстач Татьяна Владимировна (UA), Большаков Владимир Иванович (UA) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Трубодеталь" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-11-30 публикация патента:
10.07.2006 |
Изобретение относится к области термической обработки сварных крупногабаритных изделий типа соединительных деталей трубопроводов или толстостенных труб большого диаметра из малоуглеродистой комплексно-легированной стали. Технический результат: оптимизация параметров обработки. Трубчатое изделие получают путем сварки из отформованных листовых заготовок. Листовую заготовку для проведения операции горячей формовки нагревают до Ас3+(80-190)°С, а окончательный объемный нагрев готового сварного изделия ведут до Ас3+(50-100)°С, затем охлаждают и проводят отпуск. До проведения окончательного объемного нагрева готового изделия дополнительно осуществляют его предварительный объемный нагрев до температуры Ас3+(80-190)°С. После предварительного объемного нагрева охлаждение ведут на воздухе или ускоренное охлаждение до температуры металла Мн-600°С с последующим охлаждением на воздухе. Охлаждение после предварительного объемного и/или окончательного объемного нагрева может быть проведено в три стадии, на первой из которых охлаждают со скоростью, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения с линией начала структурного превращения аустенита в феррит термокинетической диаграммы, на второй стадии охлаждают с меньшей скоростью или проводят изотермическую выдержку в интервале температур Мн-550°С до завершения распада аустенита в соответствии с термокинетической диаграммой, на третьей стадии охлаждают со скоростью, предотвращающей выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора до температуры не ниже 180°С, после чего при осуществлении предварительного объемного нагрева изделие садят в печь для окончательного объемного нагрева, а при осуществлении только окончательного объемного нагрева изделие продолжают охлаждать со скоростью не более 3°С/с. До проведения предварительного и/или окончательного объемного нагрева изделия может быть осуществлен дополнительный локальный нагрев до температуры Ас3+(80-190)°С и ускоренное охлаждение металла сварного шва и прилегающей зоны шириной не более пяти толщин стенки изделия в каждую сторону от центра сварного шва до температуры металла не ниже 450°С, со скоростью, обеспечивающей получение феррито-бейнитной или бейнитной структуры металла. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.
Формула изобретения
1. Способ термической обработки трубчатых изделий, полученных путем сварки из отформованных листовых заготовок, включающий объемный нагрев изделия выше Ас3, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что нагрев листовых заготовок для операции горячей формовки этих заготовок ведут до температуры Ас3 +(80-190)°С, а окончательный объемный нагрев готового сварного изделия ведут до температуры Ас3+(50-100)°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что до проведения окончательного объемного нагрева готового сварного изделия дополнительно осуществляют его предварительный объемный нагрев до температуры Ас3 +(80-190)°С.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после предварительного объемного нагрева осуществляют охлаждение на воздухе или ускоренное охлаждение до температуры металла М н-600°С с последующим охлаждением на воздухе.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что охлаждение после предварительного объемного и/или окончательного объемного нагрева ведут в три стадии, на первой из которых охлаждают со скоростью, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения с линией начала структурного превращения аустенита в феррит термокинетической диаграммы, на второй стадии охлаждают с меньшей скоростью или проводят изотермическую выдержку в интервале температур М н-550°С до завершения распада аустенита в соответствии с термокинетической диаграммой, на третьей стадии охлаждают со скоростью, предотвращающей выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора до температуры не ниже 180°С, после чего при осуществлении предварительного объемного нагрева изделие садят в печь для окончательного объемного нагрева, а при осуществлении только окончательного объемного нагрева изделие продолжают охлаждать со скоростью не более 3°С/с.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что до проведения предварительного и/или окончательного объемного нагрева изделия осуществляют дополнительный локальный нагрев до температуры Ас3+(80-190)°С и ускоренное охлаждение металла сварного шва и прилегающей зоны шириной не более пяти толщин стенки изделия в каждую сторону от центра сварного шва до температуры металла не ниже 450°С, со скоростью, обеспечивающей получение феррито-бейнитной или бейнитной структуры металла.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки сварных крупногабаритных изделий типа соединительных деталей трубопроводов или толстостенных труб большого диаметра из малоуглеродистой комплексно-легированной стали.
Известен способ термической обработки сварных труб, включающий нормализацию шва и околошовного пространства с использованием локального нагрева токами высокой частоты и отпуск (см. а.с. СССР №802384 по кл. С 21 D 9/08, заявл. 18.09.78, опубл. 07.02.81 "Способ термической обработки сварных труб").
Указанный способ локального нагрева сварного соединения не позволяет получить высокие механические свойства изделия из-за разницы температур нагретых и не нагретых зон и возникающих вследствие этого остаточных напряжений большой величины, которые могут приводить к короблению изделий и появлению закалочных трещин.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому эффекту и выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки трубчатых изделий, полученных путем сварки из отформованных листовых заготовок, включающий первый объемный нагрев выше Ас3÷(Ас3+50)°С, охлаждение в водяном спрейере, второй объемный нагрев в межкритическом интервале температур (Ас1÷Ас3)°С, охлаждение в водяном спрейере и высокий отпуск при температуре (550÷Ac1)°С с последующим охлаждением на воздухе (см. п. РФ №2096495 по кл. С 21 D 9/08, заявл. 15.12.96, опубл. 20.11.97 "Способ термической обработки труб").
Недостатком этого способа является недостаточно высокая температура аустенизации при объемном нагреве. Это не позволяет в полной мере использовать для повышения комплекса механических свойств металла легирующие элементы за счет их перевода из связанного состояния в твердый раствор. Кроме этого, охлаждение в спрейере возможно применить при термообработке симметричных прямолинейных цилиндрических изделий типа труб. Для соединительных деталей сложной геометрической формы (тройников, переходов и т.п.) такой способ является неосуществимым или сложным и неэффективным. Следует добавить также, что скорость охлаждения, которую обеспечивает водяной спрейер, недостаточна для получения в металле толстостенных соединительных деталей трубопроводов (толщина стенки достигает 80 мм) требуемого структурного состояния (феррито-бейнитного или бейнитного), т.е. не обеспечивается достижение высоких показателей конструкционной надежности изделий, прошедших термообработку в соответствии с этим способом.
Задачей настоящего изобретения является повышение конструкционной надежности толстостенных изделий из малоуглеродистых комплексно-легированных сталей, содержащих сильные карбидо- и карбонитридообразующие элементы, а именно повышение прочности при обеспечении высоких значений показателей пластичности и ударной вязкости.
Техническим результатом, получаемым при реализации данного изобретения, является оптимизация параметров обработки.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе термической обработки трубчатых изделий, полученных путем сварки из отформованных листовых заготовок, включающем объемный нагрев сварного изделия выше Ас3 , охлаждение и отпуск, согласно изобретению нагрев листовых заготовок, осуществляемый для проведения операции горячей формовки этих заготовок, ведут до температуры Ас3+(80÷190°С), а окончательный объемный нагрев готового сварного изделия ведут до температуры Ас3+(50÷100°С).
До проведения окончательного объемного нагрева готового сварного изделия дополнительно может быть осуществлен его предварительный объемный нагрев до температуры Ас3+(80÷190°С), т.е. предварительная нормализация.
Охлаждение после предварительного объемного нагрева может быть осуществлено на воздухе или путем ускоренного охлаждение до температуры металла Мн÷600°С с последующим охлаждением на воздухе.
Охлаждение после предварительного объемного и/или окончательного объемного нагрева может быть проведено в три стадии, на первой из которых охлаждают со скоростью, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения с линией начала структурного превращения аустенита в феррит термокинетической диаграммы, на второй стадии охлаждают с меньшей скоростью или проводят изотермическую выдержку в интервале температур М н÷550°С до завершения распада аустенита в соответствии с термокинетической диаграммой, на третьей стадии охлаждают со скоростью, предотвращающей выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора до температуры не ниже 180°С, после чего при осуществлении предварительного объемного нагрева изделие садят в печь для окончательного объемного нагрева, а при осуществлении только окончательного объемного нагрева изделие продолжают охлаждать со скоростью не более 3°С/с.
До проведения окончательного объемного нагрева изделия может быть осуществлен дополнительный локальный нагрев до температуры Ас3+(80÷190)°С и ускоренное охлаждение металла сварного шва и прилегающей зоны шириной не более пяти толщин стенки изделия в каждую сторону от центра сварного шва до температуры металла не ниже 450°С, со скоростью, обеспечивающей получение феррито-бейнитной или бейнитной структуры металла.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ не известен 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 изготовлении труб и соединительных деталей к ним, т.е. является промышленно применимым.
Экспериментально установлено, что осуществление нагрева в указанном диапазоне перед формованием (штамповкой или вальцовкой) листовой заготовки из малоуглеродистой комплексно-легированной стали, содержащей сильные карбидо- и карбонитридообразующие элементы (ванадий, ниобий, титан), обеспечивает максимально возможное растворение частиц вторичной фазы (карбидов, карбонитридов), при которой не происходит аномального роста аустенитного зерна. Такой нагрев позволяет частично провести процесс рекристаллизации и получить однородное измельченное зерно еще на стадии формования листовой заготовки.
Проведение после сварки изделия его объемного нагрева в заявленном диапазоне температур и охлаждение по указанной схеме позволяет получить полную перекристаллизацию и дополнительное измельчение зерна стали. В результате чего повышается прочность при обеспечении высоких значений показателей пластичности и ударной вязкости.
Проведение до предварительного и/или окончательного объемного нагрева изделия дополнительного локального нагрева сварного шва и прилегающей зоны улучшает механические свойства металла шва за счет преобразования литой микроструктуры стали в зоне шва в равномерную феррито-перлитную или феррито-бейнитную с мелкими зернами.
Предлагаемый способ термической обработки трубчатых изделий был опробован в промышленных условиях при упрочнении соединительных деталей трубопроводов, а именно штампосварного отвода диаметром 1020 мм с толщиной стенки 28 мм, изготовленных из стали 10Г2ФБ. В идентичных условиях был опробован способ-прототип.
Стальные листы, предназначенные для изготовления отвода, которые предполагалось подвергнуть термообработке в соответствии со способом-прототипом, после нарезки нагревали до стандартной температуры 930-950°С нагрева под штамповку. После штамповки эти листы также охлаждали на воздухе, проводили на них разделку кромок, сборку и сварку изделий.
В соответствии с заявляемым способом стальные листы, предназначенные для изготовления отвода, подвергали нарезке на листовые заготовки, нагреву этих заготовок до температуры 980-1000°С под штамповку, выдержке 20 мин, штамповке, охлаждению на воздухе, разделке кромок, сборке и сварке изделий. После сварки отвод охлаждали на воздухе.
Далее отводы подвергали либо объемному нагреву в камерной термической печи, либо локальному нагреву индукторами. После этого проводили отпуск в печи с выкатным подом. Характеристики нагрева и охлаждения при объемном, локальном нагреве и отпуске и полученные свойства металла представлены в таблице 1.
Критические точки для стали 10Г2ФБ (исследуемой плавки):
Ас3=890°С
Ас1 =730°С
Мн=425°С
Дополнительное улучшение комплекса механических свойств основного металла и металла шва обеспечивает проведение отпуска путем поэтапного нагрева до температуры ниже Ac1. Нагрев при таком отпуске ведут, по крайней мере, в два этапа, после каждого из которых проводят изотермическую выдержку и охлаждение в хладагенте [воде с температурой не менее 80°С, водных растворах NaCl (3-26% раствор), NaOH (10-50% раствор), бишофите с плотностью 1,1-1,32 кг/м3] до стадии прекращения кипения.
Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что предлагаемый способ позволяет повысить по сравнению с прототипом прочность при обеспечении высоких значений показателей пластичности и ударной вязкости.
Класс C21D8/10 при изготовлении полых изделий
Класс B21C37/08 изготовление труб сваркой или пайкой швов