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

Классы МПК:C21D9/08 полых изделий или труб 
C21D5/00 Термообработка литейного чугуна
C21D5/04 белого чугуна 
Автор(ы):, , , , , ,
Патентообладатель(и):Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Приоритеты:
подача заявки:
2000-03-28
публикация патента:

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к термической обработке, и может быть использовано для отжига центробежно-литых труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Способ включает нагрев до температуры отжига 840-870oС, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение. При этом скорость нагрева трубы устанавливают равной 3-40oС/мин, а регламентированное охлаждение ведут со скоростью 0,5-10oС/мин от температуры отжига до достижения температуры 690-730oС, после чего охлаждение завершают на воздухе с произвольной скоростью. Способ позволяет улучшить качество трубы за счет повышения механических свойств и деформируемости. 1 табл.
Рисунок 1

Формула изобретения

Способ термической обработки центробежно-литой трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, включающий нагрев до температуры отжига 840-870oС, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение, отличающийся тем, что скорость нагрева устанавливают равной 3-40oС/мин, регламентированное охлаждение ведут со скоростью 0,5-10oС/мин от температуры отжига до достижения температуры 690-730oС, 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 -1000oC, 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 850-950oC, 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 840-870oC, выдержку при этой температуре в течение 1-2 ч и последующее регламентированное охлаждение, согласно предложению скорость нагрева устанавливают равной 3-40oC/мин, а регламентированное охлаждение ведут со скоростью 0,5-10oC/мин от температуры отжига до достижения температуры 690-730oC, 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 3-40oC/мин исключает образование трещин при суммировании остаточных термических и фазовых напряжений с термическими напряжениями нагрева, подготавливает распад остаточного цементита. Выдержка при температуре отжига 840-870oC 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 690-730oC со скоростью 0,5-10oC/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 40oC/мин приводит к образованию трещин в центробежно-литой трубе и ухудшает ее вязкостные свойства. Снижение скорости нагрева менее 3oC/мин вызывает потерю прочностных свойств и удлиняет цикл термообработки, что нецелесообразно.

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

В случае регламентированного охлаждения со скоростью менее 0,5oC/мин до температуры ниже 690oC 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 10oC/мин до температуры выше 730oC 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 Vн=21,5oC/мин. Нагрев ведут до температуры отжига T0=855oC, при которой трубы 1 выдерживают в течение времени способ термической обработки центробежно-литой трубы из   высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, патент № 2175986 =1,5 ч. По истечении этого периода времени в газовой печи уменьшают подачу топлива и производят регламентированное охлаждение труб со скоростью Vp= 5,25oC/мин от температуры T0=855oC до достижения температуры Tp= 710oC. После достижения температуры Tp=710oC трубы выталкивают из печи, и их охлаждение завершается на воздухе с произвольной скоростью.

После завершения термической обработки трубы из ВЧШГ нагревают до температуры деформирования 950oC и прокатывают на трубопрокатном автомат стане с допустимым относительным обжатием стенки за один проход способ термической обработки центробежно-литой трубы из   высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, патент № 2175986 = 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 способ термической обработки центробежно-литой трубы из   высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, патент № 2175986) 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 3-40oC/мин до 840-870oC, выдержка 1-2 ч, регламентированное охлаждение со скоростью 0,5-10oC/мин до 690-730oC 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.

Класс C21D9/08 полых изделий или труб 

способ изготовления ствола стрелкового оружия -  патент 2525501 (20.08.2014)
способ термомеханической обработки трубы -  патент 2500821 (10.12.2013)
стенд для закалки валов и трубных деталей -  патент 2499058 (20.11.2013)
высокопрочная бесшовная стальная труба, обладающая очень высокой стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением для нефтяных скважин и способ ее изготовления -  патент 2493268 (20.09.2013)
устройство для термоправки одногофровых сильфонов -  патент 2490338 (20.08.2013)
способ термической обработки сварных труб -  патент 2484149 (10.06.2013)
способ термообработки лифтовых труб типа "труба в трубе" -  патент 2479647 (20.04.2013)
способ термической обработки лифтовых труб типа "труба в трубе" -  патент 2478125 (27.03.2013)
нефтегазопромысловая бесшовная труба из мартенситной нержавеющей стали и способ ее изготовления -  патент 2468112 (27.11.2012)
способ термической обработки лифтовых труб малого диаметра типа "труба в трубе" -  патент 2467077 (20.11.2012)

Класс C21D5/00 Термообработка литейного чугуна

способ термической обработки чугуна с шаровидным графитом -  патент 2504597 (20.01.2014)
способ получения бейнитного чугуна при термической обработке -  патент 2490335 (20.08.2013)
способ термической обработки чугунных фрикционных клиньев тележки грузового вагона, закалочное устройство для его осуществления и фрикционный клин из чугуна -  патент 2489499 (10.08.2013)
способ термической обработки чугуна с шаровидным графитом -  патент 2449043 (27.04.2012)
способ обработки чугунных изделий -  патент 2439171 (10.01.2012)
чугун и способ его получения -  патент 2432412 (27.10.2011)
способ поверхностной закалки чугуна и индуктор для его осуществления -  патент 2428487 (10.09.2011)
способ упрочнения лезвий рабочих органов почвообрабатывающих орудий -  патент 2420601 (10.06.2011)
способ получения чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей -  патент 2415949 (10.04.2011)
скользящий компонент компрессора, основание скользящего компонента, спиральный компонент и компрессор -  патент 2387878 (27.04.2010)

Класс C21D5/04 белого чугуна 

Наверх