способ термической обработки крупногабаритных изделий

Формула изобретения

Способ термической обработки крупногабаритных изделий, включающий нагрев изделий до аустенитного состояния, выдержку, стадии охлаждения изделий и отпуск, отличающийся тем, что изделия с толщиной стенки не более 30 мм охлаждают в две стадии, сначала погружением в горячую воду с температурой не менее 80°С или холодную воду с температурой не более 40°С, а на второй стадии - на воздухе; изделия с толщиной стенки более 30 мм охлаждают в три стадии, сначала погружением в горячую воду с температурой не менее 80°С или в холодную воду с температурой не более 40°С, на второй стадии - прерывистым купанием в холодной или горячей воде, а на третьей стадии - прерывистым купанием в горячей или холодной воде и/или на воздухе; при этом на первой стадии охлаждение в горячей воде ведут до температуры поверхности изделия не ниже 180°С, а в холодной воде - до температуры поверхности изделия не ниже 300°С, на второй стадии охлаждение ведут при усредненной температуре по сечению стенки изделия (М_н - 550°С), где М_н - температура начала мартенситного превращения, и продолжительности охлаждения, по крайней мере, до полного превращения аустенита в феррито-бейнитную или бейнитную структуру в соответствии с термокинетической диаграммой распада аустенита марки стали для конкретного изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки крупногабаритных изделий типа соединительных деталей трубопроводов или толстостенных труб большого диаметра из штрипсовых 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, включающий нагрев изделий до аустенитного состояния, выдержку, охлаждение в баке с закалочной средой и отпуск. Охлаждение осуществляют в две стадии. На первой стадии изделие охлаждают в воде с температурой (t_кип.-10°С)-t_кип. или водных растворах солей с температурой (t_кип. -50°С)-t_кип. до приобретения поверхностью изделия температуры 180-550°С. На второй стадии осуществляют охлаждение прерывистым купанием или проводят охлаждение на воздухе (см. а.с. СССР №1576578 по кл. C 21 D 1/56, заявл. 4.05.88, опубл. 7.07.90 «Способ термической обработки крупногабаритных изделий»).

Толщина стенки крупногабаритных изделий, в частности соединительных деталей трубопроводов, меняется от 9 мм до 80 мм. Очевидно, что для получения оптимального структурного состояния металла таких изделий, а именно бейнитной или феррито-бейнитной структуры, необходимо тщательно подбирать параметры обработки в зависимости от толщины стенки изделия, марки стали, типа и температуры закалочной среды. Недостатком способа-прототипа является отсутствие надежных критериев для выбора параметров упрочняющей термообработки изделия. Это приводит к неравномерному протеканию процессов структуро- и карбидообразования и, следовательно, сложности обеспечения удовлетворительного уровня коробления торцов изделий.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение равномерности протекания процессов структуре- и карбидообразования в изделиях с различной толщиной стенки.

Техническим результатом, получаемым при реализации данного изобретения, является снижения коробления торцов изделий.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе термической обработки крупногабаритных изделий, включающем нагрев изделий до аустенитного состояния, выдержку, стадии охлаждения изделий и отпуск, согласно изобретению, изделия с толщиной стенки не более 30 мм охлаждают в две стадии, сначала погружением в горячую воду с температурой не менее 80°С или холодную воду с температурой не более 40°С, а на второй стадии - на воздухе, изделия с толщиной стенки более 30 мм охлаждают в три стадии, сначала погружением в горячую воду с температурой не менее 80°С или в холодную воду с температурой не более 40°С, на второй стадии - прерывистым купанием в холодной или горячей воде, а на третьей стадии - прерывистым купанием в горячей или холодной воде и/или на воздухе, при этом на первой стадии охлаждение в горячей воде ведут до температуры поверхности изделия не ниже 180°С, а в холодной воде - до температуры поверхности изделия не ниже 300°С, на второй стадии охлаждение ведут при усредненной температуре по сечению стенки изделия (М _н - 550°С), где М_н - температура начала мартенситного превращения, и продолжительности охлаждения, по крайней мере, до полного превращения аустенита в феррито-бейнитную или бейнитную структуру в соответствии с термокинетической диаграммой распада аустенита марки стали для конкретного изделия.

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 большого количества 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. Экспериментально установлено, что заявляемые оптимально подобранные температурные интервалы и тип закалочной среды позволяют для каждого диапазона толщины стенки изделия получить феррито-бейнитную или бейнитную структуру металла за счет обеспечения равномерного протекания процессов структуро- и карбидообразования. Это обеспечивает снижение коробления торцов изделий.

При подборе оптимальных параметров обработки учитывалась как температура поверхности изделия, так и усредненная температура по сечению стенки изделия, т.е. температура, приобретаемая стенкой в результате отогрева на воздухе (за счет более нагретых глубинных слоев) после окунания в закалочную среду.

Предлагаемый способ термической обработки крупногабаритных изделий был опробован в промышленных условиях при упрочнении соединительных деталей трубопроводов, а именно штампосварных тройников диаметром 530 мм и 1020 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 /на этой фигуре показано положение мест измерения диаметра торца тройника/.

Фиг.2 Кривые охлаждения по предлагаемому способу:

пунктирная линия - охлаждение по режиму 3 (характеристика режима приведена таблице 1) для штампосварного тройника диаметром 530 мм с толщиной стенки 26 мм из стали марки 10Г2ФБЮ

сплошная линия - охлаждение по режиму 6 (характеристика режима приведена в таблице 1) для штампосварного тройника диаметром 1020 мм с толщиной стенки 40 мм из стали марки 10Г2ФБЮ.

Анализ данных, приведенных в таблицах, показывает, что предлагаемый способ позволяет снизить коробление торцов изделий.

Кроме этого, предлагаемый способ обеспечивает достижение высокого уровня механических свойств изделия и повышает устойчивость металла к разупрочнению при последующих нагревах (например, при отпуске и сварке).

Таблица 1
№ по п/п режима обработки	Тип способа	Схема охлаждения после закалки	Толщина стенки изделия, мм	Механические свойства металла изделия
				Предел текучести, Мпа	Предел прочности, Мпа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость KCV -20 МДж/м2
1	Способ-прототип	Охлаждение в воде с температурой 96°С до температуры поверхности изделия 150°С Купание в воде с температурой 96°С до достижения изделием, поднятым на воздух, температуры 500°С Охлаждение на воздухе	26	610	706	17	0,35
2			40	490	640	19	0,5
3	Заявляемый способ	Охлаждение в горячей воде с температурой 80°С до температуры поверхности изделия 180°С Охлаждение на воздухе с усреднением температуры по сечению стенки до 430°С и выдержкой в течение 80 с. до полного превращения аустенита в бейнит согласно термокинетической диаграме	26	600	710	21	0,75
4		Охлаждение в горячей воде с температурой 80°С до температуры поверхности изделия 180°С Купание (3,5 мин в воде, 1,0 мин на воздухе) в горячей воде с температурой 80°С при усредненной температуре по сечению стенки 550°С в течение 80 с до полного превращения аустенита в бейнит согласно термокинетической диаграмме Охлаждение на воздухе	40	500	620	25	1,2
5		Охлаждение в холодной воде с температурой 30°С до температуры поверхности изделия 300°С Охлаждение на воздухе с усреднением температуры металла по сечению до 450°С и выдержкой в течение 80 с для полного превращения аутенита в бейнит согласно термокинетической диаграмме	26	620	760	20	0,5
6		Охлаждение в холодной воде с температурой 30°С до температуры поверхности изделия 300°С Купание (1,5 мин в воде, 0,5 мин на воздухе) в холодной воде с температурой 30°С при усредненной температуре по сечению стенки 550°С в течение 80 с Охлаждение купанием (1 мин в воде, 0,5 мин на воздухе) в холодной воде с температурой 30°С при усредненной температуре по сечению стенки 300°С и дальнейшее охлаждение на воздухе	40	540	670	23	11,1
Примечание: Температура начала мартенситного превращения для данного состава стали 10Г2ФБЮ (Мн) составляет 420°С

Таблица 2
Режим обработки	Абсолютные размеры диаметра торца тройника после различных режимов обработки, мм
	Сечение 1-1	Сечение 2-2	Сечение 3-3
Изготовление + калибровка торцов, т.е. исходное состояние (числитель - для толщины стенки 26 мм, знаменатель - для толщины стенки 40 мм)	530/1020	530/1020	530/1020
Термообработка по режиму 1, т.е. в соответствии с прототипом	526	533	527
Термообработка по режиму 2 т.е. в соответствии с прототипом	1017	1024	1018
Термообработка по режиму 3	529	530	529
Термообработка по режиму 4	1019	1020	1019
Термообработка по режиму 5	529	531	529
Термообработка по режиму 6	1020	1019	1021