Розробка наукових основ зміцнювальної термічної обробки сполучних деталей нафтогазопроводів і виробів спеціального призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

УДК.621.78.08:621.784.6.06

Автореферат

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗРОБКА НАУКОВИХ ОСНОВ ЗМІЦНЮВАЛЬНОЇ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СПОЛУЧНИХ ДЕТАЛЕЙ НАФТОГАЗОПРОВОДІВ І ВИРОБІВ СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

ДЕЙНЕКО Леонід Миколайович

Дніпропетровськ - 2000.

Дисертація є рукописом.

Робота виконана у Національній металургійній академії України і у Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, БОЛЬШАКОВ Володимир Іванович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри матеріалознавства і обробки матеріалів, ректор

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор УЗЛОВ Іван Герасимович, інститут чорної металургії НАН України, завідувач відділу

- доктор технічних наук, професор МЕШКОВ Юрій Якович, інститут металофізики НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, професор Д^,ЯЧЕНКО Світлана Степанівна, Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Професор кафедри матеріалознавства

Провідна установа - Інститут проблем матеріалознавства ім.І.М.Францевича НАН України,м.Київ

Захист дисертації відбудеться “27” червня 2000 р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 при Національній металургійній академії України за адресою: 49635, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці академії за адресою: 49635, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4

Автореферат розісланий “27” травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Комаров О.М.

ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Ця кваліфікаційна робота спрямована на розв'язання важливих державних проблем, які дістали особливої актуальності після набуття Україною державної незалежності.

До таких проблем, реалізованих при виконанні роботи, відносяться:

а) розробка теоретичних основ процесів структуроутворення, які відбуваються у маловуглецевих низьколегованих сталях із ферито-перлітною (Ф+П), ферито-бейнітною (Ф+Б) або бейнітною (Б) структурою при термічной обробці; технологій термічного зміцнення; охолоджувальних середовищ на водній основі та конструктивно-технологічних параметрів пічного й гартівного обладнання, здатних забезпечити потрібний рівень нормованих властивостей металу сполучних деталей (трійників, відводів, переходів, днищ) магістральних трубопроводів діаметром до 1420 мм та товщиною стінки до 60 мм й вище, які експлуатуються при тисках до 12,0 МПа. Такі розробки необхідні для створення сучасних спеціалізованих термічних потужностей для виготовлення цих виробів на підприємствах України та Росії.

б) дослідження, розробка та апробація комплексної технології термічної обробки спеціальної трубної заготовки, призначеної для забезпечення металу нормованого рівня властивостей, котрий раніше не досягався на цих виробах із сталей, які застосовуються. Відсутність в Україні спеціалізованих потужностей та технологій виробництва спеціальної трубної заготовки призвела до потреби після набуття державної незалежності у стислі строки розробити комплексну технологію виготовлення такої заготовки стосовно до умов промислового підприємства України, провести дослідно-промислову апробацію розробок, які забезпечують нормований рівень властивостей металу заготовки. в) дослідження та розробка теоретичних основ, режимів і технологій термічної обробки великогабаритних виробів з вуглецевих та легованих сталей (на прикладі інструмента гарячого деформування), які включають й нетрадиційні схеми термодеформаційного діяння на оброблюваний метал, охолоджувальні середовища на водній основі та гартівні пристрої для реалізації розроблених технологічних схем. Інструментальне виробництво, особливо виготовлення великогабаритного інструмента гарячого деформування (молотові штампи, пресові вставки), являє собою один з важливих об'єктів будь-якої галузі промисловості, яка витрачає велику кількість легованих сталей та відчуває потребу у створенні нових або оптимізації існуючих технологій термообробки інструмента з метою підвищення його експлуатаційної стійкості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробка даних для створення технології та устаткування спеціалізованого термічного цеху для термічного зміцнення сполучних деталей трубопроводів (СДТ) виконувались за завданням Міннафтогазстрою СРСР для головного підприємства з виготовлення СДТ - ВО “Трубодеталь”, м.Челябінськ (НДОКР № Д.Р. 81022233; 01860021694; 01880008229; ИА 01004501Р). Після набуття Україною державної незалежності та утвердження “Комплексной программы обеспечению трубами нефтяной и газовой промышленности Украины” робота виконувалась у рамках теми “Создание и освоение в Украине новых мощностей для полного удовлетворения потребности в фитингах и соединительных деталях”, яка фінансувалась Міністерством промисловості України (№ Д.Р. 0194U030558). Розробка комплексної технології виготовлення спеціальної трубної заготовки здійснювалась у рамках першочергових НДОКР по створенню в Україні артилерійсько-стрілецького озброєння (АСО) при виконанні теми “Изготовление заготовок для многослойных стволов и проведение их испытаний”, яку виконував НДІ спеціальних технологій на базі ЗАТ НКМЗ за завданням Державного центру з АСО. Дослідження по підвищенню експлуатаційної стійкості інструмента проводились автором у рамках науково-технічної програми 4.07.08 “Ресурсо- и энергосберегающие технологии изготовления инструмента и оснастки из экономнолегированных сталей, порошковых, керамических и композиционных материалов и использование его в машино- и приборостроении” Міністерства України з науки та технологій (№ Д.Р. 0194U021268), програми Міносвіти “Экологично чистая энергетика и ресурсосберегающие технологии” з фінансуванням із бюджетних коштів (№ Д.Р. 098U004470), в також за рахунок госпдоговірних робіт з підприємствами Росії та України. Автор був відповідальним виконавцем або керівником НДОКР.

Мета і задачі дослідження. Розробити теоретичні основи процесів структуроутворення, які забезпечують металу готових виробів оптимальний рівень нормованих характеристик та створити промислові технології зміцнювальної термічної обробки сполучних деталей магістральних нафтогазопроводів усіх типорозмірів з маловуглецевих низьколегованих сталей, підготувати дані для проектування пічного та гартівного устаткування спеціалізованих термічних цехів, які плануються до спорудження в Україні та на базі головного підприємства для випуску СДТ у Росії. Розробити та апробувати у виробничих умовах концепцію комплексної технології термічної обробки спеціальної трубної заготовки та великогабаритних металовиробів з вуглецевих і легованих сталей на прикладі інструмента гарячого деформування.

Для досягнення поставленої мети при виконанні роботи були розв'язані наступні задачі:

-виявлені основні закономірності процесів структуроутворення, які відбуваються у маловуглецевих низьколегованих сталях при термічному зміцненні за розробленою технологією та подальшому відпуску;

-встановлено закономірності у зміні фізико-механічних властивостей маловуглецевих низьколегованих сталей з Ф+П, Ф+Б або Б структурою, що характерні для металу, який піддавали термічному зміцненню за розробленою технологією з подальшим відпуском, обумовлені особливостями процесу структуроутворення;

-розроблено й апробовано в умовах головного підприємства в СНД режими та технологію термічного зміцнення деталей магістральних нафтогазопроводів діаметром до 1420 мм з маловуглецевих низьколегованих сталей, охолоджувальні середовища на водній основі та конструктивно-технологічні параметри гартівного обладнання для реалізації розробок;

-вперше в Україні розроблено й апробовано режими та технології комплексної термічної обробки (попередньої та остаточної) спеціальної трубної заготовки відповідального призначення з флокеночутливих сталей;

-розроблено й апробовано на заводах України та Росії режими та технології термічної обробки великогабаритних виробів з вуглецевих і легованих сталей (на прикладі інструмента гарячого деформування), охолоджувальні середовища на водній основі та гартівне обладнання для їх реалізації;

-запропоновано новий нетрадиційний спосіб підвищення щільності дефектів кристалічної гратки (ДКГ) металу з будь-якою структурою та встановлено закономірності процесів структуроутворення, які відбуваються у такому металі при подальшому відпуску та забезпечують йому підвищення міцності та теплостійкості.

Об^,єкт дослідження- закономірності процесів структуроутворення, реалізація котрих при термічній обробці згідно розроблених технологій дозволяє отримати в металі виробів раніше недосяжний рівень властивостей.

Предмет дослідження- оптимальні параметри режимів термообробки, забезпечуючи єфективну реалізацію найбільш універсальних механізмів підвищення якості металу виробів поза одержання пересиченого твердого розчину; подрібнення зеренної структури; дисперсійного твердення; субструктурного зміцнення, збільшення прогартовуваності. Взаємозв^,язок між структурою, властивостями металу та параметрами розроблених технологій термообробки деталей.

Методи дослідження- мікро- та субструктуру металу досліджували методами світової, електронної (на просвіт) мікроскопії та рентгеноструктурним методом. Рівень фізико-механічних властивостей одержували методом випробування зразків з дослідного металу на розрив, удар та заміром твердості, а рівень залишкових напружень у металі після термообробки замірювали методами рентгеноструктурним та кілець Френча. Експлуатаційну стійкість виробів визначали методом промислових випробувань до повного їх зносу.

Наукова новизна одержаних результатів:

-сформульовані теоретичні уявлення про закономірності процесів структуро-утворення, притаманних маловуглецевим низьколегованим сталям з Ф+П, Ф+Б або Б структурою, одержаною при термічному зміцненні з подальшим відпуском за розробленою технологією, які дозволяють підвищити міцність (границю текучості) з максимумом при температурах відпуску 500⁰С. А для сталей, термозміцнених з перериванням процесу охолодження при температурі металу 200⁰С, підвищення ударної в^,язкості, кількості в^,язкої складової у зламах зразків і значень границі текучості відбувається при температурі відпуску400⁰С;

-створені наукові основи ефективних параметрів режимів термічного зміцнення великогабаритних металовиробів (типу сполучних деталей трубопроводів) з маловуглецевих низьколегованих сталей, які дозволяють управляти кількісним складом структурних складових, рівнем мікродеформацій та дефектністю кристалічної гратки оброблюваного металу (а.с. 1373735; 1294845; пат.України 3591);

-вперше в Україні розроблені наукові основи процесів структуроутворення в особливо флокеночутливих сталях мартенситного класу при термічній обробці, яка включає попередню термообробку з високотемпературною аустенітизацією, поєднану з ефективною протифлокенною обробкою (ПФО), остаточну термообробку на заданий рівень властивостей із спеціальним режимом відпуску, що забезпечують одержання у металі заготовки рівня границі пружності 140кгс\мм², котрий раніше не досягався на спецвиробах із сталей, які застосовуються;

-установлено загальну закономірність та причини зміни властивостей міцності сталей з різною структурою при реалізації спеціального режиму відпуску, яка обумовлює підвищення границь пружності, текучості оброблюваного металу за рахунок особливостей процесу карбідоутворення;

-науково обґрунтовані засоби підвищення мартенситної прогартованності великогабаритних виробів, зменшення у структурі металу кількості остатнього аустеніта, мікродеформацій та дефектності кристалічної гратки у загартованому металі при використанні розроблених температурно-концентраційних параметрів охолоджувальних середовищ на основі води з температурою 80⁰С, що дозволяє реалізувати режим випарного охолодження металу при стабільних параметрах процесу термічного зміцнення виробів;

-сформульовано теоретичне уявлення про доцільність використання нетрадиційного термодеформаційного діяння, здатного підвищувати рівень міцності та теплостійкості металу з будь-якою структурою за рахунок збільшення кількості дефектів гратки та їх перебудови при подальшому відпуску.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони дозволили:

-розробити комплексний технологічний процес зміцнювальної термічної обробки сполучних деталей магістральних трубопроводів усіх типорозмірів, охолоджувальні середовища на водній основі, гартівне обладнання та апробувати розробки в умовах головного підприємства в СНД з випуску цих виробів - ВО “Трубодеталь” (м.Челябінськ), які забезпечують деталям потрібний рівень властивостей при зменшенні на 15-20 % їх металомісткості;

-створити на базі ВО “Трубодеталь” термічну ділянку для термозміцнення у водних охолоджувальних середовищах сполучних деталей трубопроводів, технологія обробки яких розроблена на підставі досліджень;

-розробити і видати технічне завдання на проектування спеціалізованого термічного цеху для ВО “Трубодеталь” з річною програмою 40,0 тис.тон СДТ діаметром до 1420 мм, в якому сформульовані основні вимоги до технології термічної обробки деталей, пічного та гартівного обладнання. На підставі цих розробок Ленінградським відділенням (ЛВ) ВНИПИТеплопроект та ГИПростанкомом (м.Челябінськ) було виконано робочий проект термічного цеху (номер проекту 1120477.01.01);

-підготувати дані, необхідні для проектування аналогічного спеціалізованого термічного цеху в Україні;

-створити й апробувати в промислових умовах (ЗАТ НКМЗ) на серійних виробах комплексну технологію термічної обробки (попередню та остаточну) спеціальної трубної заготовки з потрібним рівнем нормованих характеристик, що дозволило збудувати в Україні промислові потужності для виготовлення спеціальної техніки;

-розробити й апробувати у промислових умовах машинобудівних заводів Росії та України на серійному інструменті гарячого деформування із сталі 5ХНМ технологію гартування з використанням водних охолоджувальних середовищ, яка дозволяє підвищити експлуатаційну стійкість інструмента в 1,5…3 рази у порівнянні з традиційним гартуванням у масло;

-розробити та запропонувати до промислової апробації спосіб нетрадиційної термодеформаційної обробки металовиробів з різною структурою, який дозволяє за допомогою зміцнювальної термічної обробки створити підвищену щільність дефектів у гратці та їх перебудову при подальших відпусках, що забезпечує додаткове підвищення характеристик міцності оброблюваного металу.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Досліджено вплив технологічних переділів на комплекс властивостей металу готових СДТ; розроблені теоретичні основи процесів структуроутворення, які відбуваються у металі, а на їх підставі - параметри промислових режимів і технології термічного зміцнення деталей з маловуглецевих сталей, конструктивно-технологічні параметри гартівного обладнання та охолоджувальні середовища на водній основі. Запропоновані конструктивно-технологічні параметри пічного обладнання, розроблено і видано завдання на проектування пічного та гартівного обладнання з метою реалізації розробленої технології термічного зміцнення СДТ для цеху потужністю 40,0 тис.тон на рік ВО “Трубодеталь”. Розроблені параметри комплексної технології термічної обробки спеціальної трубної заготовки та здійснена їх апробація на натурних виробах в умовах ЗАТ НКМЗ. Запропоновані нові способи термічної обробки штампів гарячого деформування та здійснені їх промислові апробації в умовах заводів України та Росії. Вперше виявлена закономірність в зміні властивостей сталей з різним структурним станом після теплової обробки з різкою зміною коефіцієнта тепловіддачі при охолодженні в рідких середовищах та обгрунтована доцільність промислового використання такого методу зміцнення металів. В публікаціях у співавторстві особисто здобувачем були виконані теоретичні дослідження [1;2;8-47;звіти НДОКР №Д.Р.81022233; 01860021694; 01880008229;ИА01004501Р], повністю експериментальна частина визначення впливу режимів обробки на властивості металу виробів та обробка їх результатів, розроблені параметри режимів, підготовлене і видане завдання на проектування пічного та гартівного обладнання для нового термічного цеху. Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи повідомлені та обговорені на Всесоюзній н.-т. конференції “Новые материалы и технологии термической обработки металлов”, Київ,1985; VI Всесоюзном совещании по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов, Тула,1985; Республіканській н.-т. конференції “Разработка ресурсосберегающих технологий, эффективных технологий производства строительных материалов и конструкций и ведения строительно-монтажных работ”, Дніпропетровськ,1988; VII Всесоюзній конференції з динаміки підвалин, фундаментів та підземних споруд, Дніпропетровськ,1989; 1-й Міжнародній н.-т. конференції “Материалы для конструкций ХХ века”, Дніпропетровськ,1992; 1-му Міжнародному семінарі “МЕТАЛЛ-ВОДОРОД-92”, Донецьк,1992; семінарі “Проблемы современного материаловедения”, Дніпропетровськ,1995,1996; Міжнародній конференції “Проблемы современного материаловедения”, Дніпропетровськ,1997,2000; міському н.-т. семінарі з проблем сучасного матеріалознавства, 1999; засіданнях кафедр технології металів; матеріалознавства і обробки матеріалів ПДАБА, металознавства; термічної обробки металів НМетАУ, Дніпропетровськ, 1999,2000

Публикації. За темою дисертації опубліковано: 48 статей, одержано 4 а.с. СРСР, 7 патентів України на винахід.

Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку літератури та додатків, викладених на 279 сторінках друкованого тексту, які містять 56 рисунків, 43 таблиці та 5 додатків. Список літератури містить 390 найменувань.

Дисертація являє собою узагальнення наукових результатів, які одержані автором при виконанні НДОКР у Національній металургійній академії України, НДІ спеціальних технологій і Придніпровській державній академії будівництва та архітектури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Рішення про створення спеціалізованого виробництва СДТ приймались неодноразово (остання постанова РМ СРСР № 32 від 24.01.79). Після набуття Україною державної незалежності було затверджено програму, спрямовану на створення спеціалізованого виробництва потужністю 40,0 тис.тон СДТ на рік для забезпечення потреб власних галузей та для експорту цієї металомісткої та дорогої продукції. На підставі проведених досліджень автором було розроблено технічне завдання та здійснено “ВНИПИТеплопроектом” (ЛВ) та “ГИПростанком” (Челябінське від.) проектну проробку технології та устаткування (на рівні робочих креслень) спеціалізованого цеху продуктивністю 40,0 тис.тон СДТ на рік для ВО “Трубодеталь”.

За завданням ДКНТ СРСР на стадіі виконання технічного завдання на проектування термічного цеху Госкомизобретений та ВЦПУ здійснили позавідомчу експертизу технічного рівня, патентоздатності та патентної чистоти розробки “Технология, закалочное и печное оборудование, охлаждающие среды для термического упрочнения соединительных деталей магистральных трубопроводов”. Результати експертизи підтвердили вірність обраного напрямку досліджень і актуальність проблеми.

В зв'язку з відсутністю в Україні промислових потужностей для виробництва АСО, в тому числі й трубної заготовки для систем великого калібру, після набуття державної незалежності треба було за короткий строк розробити параметри технології її виробництва. Найбільш складним елементом такої технології є термічна обробка трубної заготовки. В Україні таких технологій термічної обробки виробів з легованих сталей до початку проведення досліджень не було. Виконані дослідження дозволили вперше розробити параметри комплексної технології термічної обробки (попередньої та остаточної) та здійснити їх дослідно-промислову апробацію на базі ЗАТ НКМЗ, що надало можливість у короткі строки створити промислові потужності для виробництва потрібних спеціальних виробів.

Гострий дефіцит легуючих елементів, які використовують для виробництва якісних інструментальних сталей, низька експлуатаційна стійкість такого металомісткого та дорогого виробу, яким є інструмент гарячого деформування, зумовили напрямок досліджень по створенню нових ефективних технологій зміцнювальної термічної обробки металовиробів відповідального призначення з вуглецевих і легованих сталей.

У першому розділі розглянуто фактори, які обумовлюють вибір сталей для виготовлення СДТ. До них належать: рівень міцності, пластичності, в'язкості, зварюваність, технологічна схема формоутворення деталей та режим фінішної термічної обробки готових деталей. На світовому ринку споживачі СДТ ставлять до металу готових деталей жорсткі вимоги щодо основних характеристик, які можна сформулювати так: товщина стінки до 100 мм й вище; границя текучості для металу будь-якої товщини не менша за 450 Н/мм²; границя міцності не менша за 590 Н/мм²; ударна в'язкість на зразках Шарпі (KCV) при мінус 40^оС не менша за 60 Дж/см²; добра зварюваність (С_екв0,45). В роботі проведено аналіз нормативних документів (перспективних і діючих) та рівня нормованих характеристик металу готових СДТ і труб в країнах СНД та Україні за останні 10-15 років, з якого виходить, що максимальний нормований рівень міцності металу СДТ за технічними умовами України відповідає класу міцності Х60 (за АРІ), а за СНиП 2.05.06-85 установлений на рівні Х80 (відповідна _т448МПа, _в531МПа та _т554МПа, _в655МПа) при вуглецевому еквіваленті 0,46. Провідними світовими виробниками та споживачами цієї продукції використовуються сталі, які забезпечують металові труб класи міцності Х80-Х100, а СДТ Х70-Х80, при цьому з метою поліпшення зварюваності металу в умовах монтажу значення вуглецевого еквівалента (С_екв) безперервно зменшуються. Так, наприклад, для труб великого діаметру з товщиною стінки понад 25 мм і класом міцності металу Х70 (_т482МПа) вже потрібні сталі з С_екв=0,34.

В країнах СНД сполучні деталі, переважно, виготовляються зі сталей типу 09Г2С, 17ГС, 10-15ХСНД, а як перспективні рекомендовані 10ХСНД, 15Г2АФЮ, 16Г2АФ. Ці сталі у гарячекатаному та нормалізованому станах мають Ф+П структуру. Для забезпечення рівня границі текучості 448 МПа (Х65) метал готових СДТ з товщиною стінки понад 20-26 мм повинен мати Ф+Б або Б структуру, що можливо забезпечити при використанні комплексно легованих сталей або за рахунок зміцнювальної термообробки готових виробів. В роботі розглянуто також особливості легування та термообробки виробів з понаднизьковуглецевих бейнітних сталей (ПНВБ-сталі) та з маловуглецевих сталей мартенситного класу (типу 07Х3ГНМЮА або 08Х2Г2ФА), які у великих перерізах можуть забезпечити клас міцності Х80-Х100.

У другому розділі проаналізовано технології виробництва товстолистового прокату з конструкційних сталей для зварних конструкцій, які використовують на провідних металургійних підприємствах СНД та далекого зарубіжжя. Показано, що найбільші виробники штрипсу в Японії, ФРН, США, Італії та в інших країнах уже на протязі останніх 10-15 років з успіхом використовують більш ефективне (у порівнянні з вітчизняним) устаткування, технології одержання якісного рідкого металу та термодеформаційної обробки, що дозволило суттєво підвищити якість продукції. Одним з ефективних способів одержання якісного рідкого металу є використання системи двостадійної обробки штрипсових сталей з уживанням систем “ковш-піч”, що дає можливість робити повну очистку металу (дегазація, розкислення, десульфурація, виведення неметалевих включень і т.д.). Використання деформації слябів після безперервного розливання та перекристалізації металу тонких слябів дозволяє вже на початковому етапі виробництва товстого листа докорінно впливати на якість готового штрипсу. Іншим напрямком, здатним підвищити якість товстолистового прокату, є розробка та використання нових технологічних схем термодеформаційної обробки. Ще у 60-х роках вітчизняні та закордонні вчені приділяли велику увагу питанням суміщення процесів деформації металу з його перекристалізацією в різних технологічних схемах. Такі ідеї знайшли втілення в удосконалених технологіях, які в технічній літературі більш відомі як процеси SHT (Sumitomo high touhness process) та TMCR (Thermo-mechanical controlled rolling). У роботі проведено аналіз таких технологій та сформульовано їх основні особливості. Аналіз досліджень показує, що проблема підвищення рівня механічних характеристик металу для товстостінних труб, обичайок або СДТ багато в чому визначається наявністю технологій та устаткування для прискореного охолодження та нагріву метала на різних етапах його переробки. Для металургійних заводів України, які виробляють товстолистовий прокат, це питання потребує вирішення на сучасному рівні розвитку техніки. У зв'язку з тим, що для реалізації таких процесів (типу SHT та TMCR) на металургійних заводах України умови відсутні, для підвищення якості зварних металовиробів з товстолистового прокату можливе використання зміцнювальної термічної обробки з відокремленого нагріву. Проробка за завданням Металургпрома можливих варіантів створення технології виробництва товстостінних (40-50 мм) труб або обичайок великого діаметра, з подальшою їх об'ємною зміцнювальною термічною обробкою, показала, що в умовах машинобудівних підприємств України можливо організувати їх випуск на існуючих промислових потужностях при наявності замовлень.

При виробництві штампо- та вальцювальнозварних СДТ великого діаметра з товстолистового прокату відомими закордонними виробниками листова заготовка перед формоутворенням піддається одно- або двократному нагрівам до температур 900-940^оС, тимчасом як у країнах СНД технічними умовами передбачено проводити нагрів заготовок до 1100-1150^оС. Такий високотемпературний нагрів листових заготовок робить недоцільним використання для виробництва СДТ металу, який виготовлений за технологією контрольованої прокатки, або інших процесів типу SHT. У світовій практиці при виробництві відповідальних металовиробів використовують подвійну перекристалізацію металу: спочатку високотемпературну аустенітизацію для максимально можливого розчинення частинок карбонітридів з подальшим прискореним охолодженням, а фінішну термообробку проводять з традиційних температур аустенітизації (t_а ) або з міжкритичної області.

Традиційними режимами термічної обробки зварних металовиробів є високий відпуск або нормалізація, а для деталей, виготовлених зі сталей з дисперсійним твердненням (тобто для сталей з Nb,V,Ti та ін.) - нормалізація з подальшим високим відпуском. Але у зв'язку із збільшенням діаметра магістральних трубопроводів до 1420 мм (товщина стінки СДТ збільшується до 60-80 мм), підвищенням експлуатаційного тиску до 10-12 МПа та вимог до рівня нормованих характеристик механічних властивостей, при зменшенні вмісту вуглецю для покращення зварюваності (С_екв<0,4), ефективним способом підвищення комплексу властивостей металу готових СДТ є їх об'ємна зміцнювальна термічна обробка з подальшим відпуском. Ця технологія за енерговитратами аналогічна традиційній нормалізації з відпуском, а за ступенем підвищення рівня механічних властивостей суттєво ефективніша.

Одним з варіантів підвищення характеристик міцності товстолистового прокату або виробів з нього є використання підвищених температур аустенітизації при термічному зміцненні металу з відокремленого нагріву. Це дозволяє підвищити бейнітну прогартовуваність маловуглецевих низьколегованих сталей без збільшення швидкості їх охолодження. Доцільність розвитку цього напрямку підтверджується роботами цілого ряду дослідників (Вуда, Паркера, Закея та ін.), в яких показується, що підвищення температури аустенітизації при термообробці приводить не тільки до збільшення границі текучості, але й в'язкості руйнування, яку оцінюють по значеннях коефіцієнта інтенсивності руйнування (К_1С). При розробці способів фінішного термічного зміцнення СДТ (а.с.1373735) зважали на особливості хімічного складу сталей та кінетику зростання аустенітного зерна, охолоджувальних середовищ та параметрів технології. Наступним технологічним варіантом впливу на рівень міцності оброблюваного металу СДТ та можливість заміни перлиту на бейніт є використання особливостей процесу теплообміну при термозміцненні металу у водних розчинах хлоридів (інтенсифікація охолодження у високотемпературній області). Переривання прискореного охолодження металу при температурах 200^оС дозволяє зменшити рівень залишкових напруг в оброблюваному металі та жолоблення торців деталей (а.с.1576578; пат.України 3591).

У третьому розділі зроблено аналіз найбільш розповсюджених у промисловості охолоджувальних середовищ та наведені фактори, які обумовлюють вибір охолоджуючих середовищ для термозміцнення СДТ.

На підставі проведених досліджень охолоджувальним середовищем для об'ємного охолодження СДТ при їх термічному зміцненні в умовах головного підприємства з випуску цих виробів у СНД - ВО “Трубодеталь” було вибрано технічну воду з температурою 90^оС та водні розчини хлоридів з температурою >60^оС (а.с.1294845, пат.України 20904А), які пройшли дослідно-промислову апробацію на СДТ усіх типорозмірів. При термічному зміцненні СДТ у воді в залежності від потрібного рівня низькотемпературної в'язкості та порогу холодноламкості металу можливо здійснювати об'ємне охолодження деталей до температури гартівного середовища або переривати процес охолодження при температурі металу 250-300^оС, тобто вищої за температуру зміни криз кипіння (точки Лейдена). Такий вибір режимів охолодження деталей пояснюється особливостями процесу зміни коефіцієнту тепловіддачі (), які характерні для води з температурою 80^оС або водних розчинів хлоридів з низькою концентрацією солі. Цим холодоагентам притаманна тривала стадія плівкового кипіння та різке збільшення при досягненні металом температури точки Лейдена 200-180^оС. Через таку особливість теплообміну при термічному зміцненні сталей в цих холодоагентах у металі виникає підвищений рівень залишкових напруг та ДКГ, що обумовлює підвищення міцності, порога холодноламкості та зниження значень низькотемпературної в'язкості оброблюваного металу. Застосування перерваного при t_мет=250-300^оС охолодження дозволяє зменшити поріг холодноламкості та підвищити рівень ударної в'язкості металу при мінімальному жолобленні торців деталей (табл.1).

При термічному зміцненні СДТ з 30мм використовуються водні розчини хлоридів, швидкість охолодження металу в яких займає проміжне положення між інтенсивністю охолодження у холодній воді та у маслі.

Таблиця 1 Механічні властивості сталі 09Г2С (14 мм) та 14Г2АФ (40 мм) після термічного зміцнення за різними режимами

Примітки: 1. У чисельнику наведені значення для сталі 09Г2С (t_а =930^оС), у знаменнику - для сталі 14Г2АФ (t_а = 950^оС). 2. Температура відпуску для 09Г2С - 500^оС (1 година), для 14Г2АФ - 610^оС (1 година). У табл.2 наведені дані з впливу температури аустенітизації на механічні властивості металу відводів зі сталі 09Г2С (безшовна трубна заготовка виробництва Японії) діаметром 530 мм. Гарячевитягнуті через ріг відводи нагрівались до різних температур та охолоджувались у воді з температурою 90^оС до повного охолодження з подальшим відпуском 600^оС (одна година).

Таблиця 2 Механічні властивості відводів діаметром 530 мм (9-11 мм) зі сталі 09Г2С після термозміцнення за різними режимами

Примітка. Для значень ударної в'язкості у чисельнику наведені мінімальні та максимальні значення величин, у знаменнику - середні з 7-10 значень.

Після термічного зміцнення від 930^оС метал має дрібнозернисту (з 10-11 номером зерна) Ф+П структуру, найбільш високий рівень ударної в'язкості при мінімальному розкиді значень. Аустенітизація при 1050^оС приводить до одержання Б структури з більш високим рівнем міцності, але при цьому відбувається різке зниження рівня ударної в'язкості при максимальному розкиді значень. Ця температура аустенітизації для сталі 09Г2С характеризується найбільшою різнозернистістю аустеніту (А), відповідно і Б, який одержують після прискореного охолодження металу. Після термозміцнення від 1100^оС метал відводів має максимальні значення характеристик міцності при прийнятному рівні пластичності та в'язкості. Мінімальні значення ударної в'язкості, одержані при випробуваннях, перевищують вимоги нормативних документів. У табл.3 наведені значення механічних властивостей сталі 09Г2С (=11 мм) з Б структурою після різних режимів термозміцнення де видно, що після термічного зміцнення від 1100^оС та відпуску від 500^оС й вище ця сталь має комплекс властивостей, які сповна задовольняють вимоги технічних умов, розроблених для України Державним трубним інститутом, а після відпуску 500-550^оС - і найбільш високим вимогам, нормованим СНиП 2.05.06-85, щодо міцності Х80. Сталі з сильними карбідоутворюючими елементами (КУЕ) мають більш дрібну зеренну структуру після всіх режимів обробки, тому й рівень ударної в'язкості у них більш високий (див.табл.1). Структура, яка утворюється в металі товстостінних деталей (Ф+П, Ф+Б, Ф+П+Б або Б) після термозміцнення, пересичена вуглецем і азотом, які виділяються в процесі подальшого відпуску.

Таблиця 3 Значення механічних властивостей сталі 09Г2С (Японія) після різних режимів термозміцнення

Рівень значень ударної в'язкості термозміцненого металу визначається температурою відпуску (ступенем розпаду одержаних структур, рівнем мікродеформацій, розміром частинок вторинної фази, їх кількістю, місцем знаходження і т.д.). Але максимальні значення ударної в'язкості у термозміцненому металі одержані після відпуску 500^оС і вище, а найбільшу кількість в'язкої складової у зламах ударних зразків після випробувань при низьких температурах було відзначено після відпуску 550-600^оС (для сталей, які не містять сильні КУЕ). А для сталей типу 14-16Г2АФ найбільш високий рівень ударної в'язкості при досліджуваних температурах випробувань спостерігався після відпуску 600-700^оС. При цьому було підтверджено раніше встановлену автором загальну закономірність у зміні комплексу механічних властивостей сталей з Ф+Б структурою, які піддавались термічному зміцненню з повним охолодженням, - наявність мінімальних значень границі текучості у зміцненому стані та його зростання з максимумом при температурах відпуску 500^оС (досліджувались інтервали в 100^оС). Для термозміцнених сталей, мікролегованих сильними КУЕ, максимум значень границі текучості спостерігається після відпуску при температурах 580-650^оС. Ця закономірність характерна як для сталей з Ф+П (або Ф+Б), так і з Б структурою. Для сталей, термозміцнених з перериванням процесу охолодження при температурі 200^оС, підвищення ударної в'язкості, кількості в'язкої складової у зламах зразків і значень границі текучості відбувається при температурі відпуску 400^оС. Для СДТ діаметром вище 1020 мм з товщиною стінки понад 40 мм було розроблено спосіб термічного зміцнення (а.с.1373735), який сприяє досягненню однорідного структурного стану по перерізу та дозволяє забезпечувати потрібне співвідношення фаз у структурі металу. При цьому утворюваний Ф залишається пересиченим атомами заглиблення, що надає можливість одержувати дисперсні частинки вторинної фази при подальшому відпуску термічно зміцнених сталей.

Для сталей з мартенситною (М) структурою після гартування у масло та відпуску такої залежності значень границі текучості від температури відпуску немає (табл.4). З даних табл.4 добре видно, що сталь одного складу й товщини, загартована з однієї температури аустенітизації, має суттєво більш високий рівень міцності після гартування у киплячій воді у порівнянні з загартованою у масло.

Таблиця 4 Механічні властивості сталі 08Г2С з мартенситною структурою (натурні зразки діаметром 6 мм) після різних режимів обробки

Примітка. Витримка при відпуску в усіх режимах 30 хвилин.

Іншою важливою особливістю маловуглецевих сталей із структурою М є те, що сталь 08Г2С після гартування у воді (t_в90^оС) та подальшого відпуску 300^оС має більш високий рівень границі текучості у порівнянні з загартованим станом. При підвищенні температури відпуску понад 300^оС значення границі текучості (як і міцності) знижуються. Після гартування у масло цієї сталі та відпуску така залежність не спостерігається. Це обумовлено унікальною здатністю води з температурою 90^оС або водних розчинів хлоридів різко підвищувати коефіцієнт тепловіддачі в області температур охолоджуваного металу 200-160^оС. Такий термоудар приводить до виникнення в охолоджуваному металі додаткових ДКГ, що й проявляється в більш високому рівні міцності у порівнянні з металом, загартованим у масло. Дослідження ударної в'язкості та кількості в'язкої складової у зламах ударних зразків показали, що поріг холодноламкості у металу, термозміцненого з повним охолодженням, суттєво нижчий у порівнянні з цим же металом, який піддавали аналогічній термообробці, але з перериванням процесу охолодження при > 200-250^оС (табл.1;5). Результати досліджень показали, що при реалізації в процесі термічного зміцнення перерваного охолодження рівень ударної в'язкості для всіх досліджуваних марок сталей був вищий у порівнянні з режимом, в якому метал охолоджувався повністю. Через це при виконанні роботи зусилля було спрямовано на створення стабільної технології термічного зміцнення з охолодженням СДТ у воді або водних розчинах хлоридів з температурою понад 80^оС з автоматичним перериванням процесу охолодження при досягненні оптимальної температури оброблюваного металу.

Таблиця 5 Ударна в'язкість (МДж/м²) та кількість в'язкої складової у зламах зразків зі сталі 09Г2С (Японія) в залежності від режиму термічної обробки та температури випробування

Примітки: 1. Температура відпуску для всіх обробок 500^оС. 2. У чисельнику наведені значення ударної в'язкості, одержані на зразках Шарпі; у знаменнику-кількість в'язкої складової у зламі, %.

У практиці зміцнювальної термічної обробки сталей традиційним фінішним режимом є однократний відпуск на заданий рівень твердості, міцності або пластичності та в'язкості металу (в залежності від пріоритету нормованих характеристик). Дослідження автора, виконані на сталях різних класів із різною структурою, показали (табл.4;6), що заміна однократного відпуску багатократними дозволяє одержувати більш високий рівень міцності в металі. З даних табл.4;6 видно, що границя текучості (а для металу трубної спецзаготовки й границя пружності) досліджуваних сталей має більш високий рівень значень після термічного зміцнення з подальшими багатократними відпусками.

Таблиця 6 Механічні властивості сталі 08Г2С з ферито-бейнітною структурою після різних режимів термообробки

Це говорить про те, що такий режим термічної обробки сталей з будь-якою структурою (пересиченою вуглецем та азотом) більш доцільний у порівнянні з режимами, які використовують однократний відпуск. Після аналізу результатів досліджень було запропоновано використовувати в технологіях з багатократними відпусками ефект термоудару при охолодженні металу з температури відпуску у воді або водних розчинах солей з температурою 90^оС з метою підвищення рівня дефектності металу, а за рахунок подальших відпусків здійснювати перерозподіл атомів заглиблення та створення субструктурних побудов у такому металу(табл.7).

Таблиця 7 Механічні властивості сталі 08Г2С (зразки діаметром 6 мм) після різних обробок

Примітки: 1. П - охолодження на повітрі. 2. КВ - охолодження металу у киплячій воді. Витримка під час відпуску - 30 хвилин.

При цьому приріст характеристик міцності металу після відпуску з термоударом (або ще й подальшим відпуском) пояснюється утворенням додаткової кількості ДКГ та їх взаємодією з атомами заглиблення або введенням нових дефектів та їх перебудовою. Результати експериментів на сталях різних класів показали, що, крім підвищення характеристик міцності металу, який піддавали такій термодеформаційній обробці з температури відпуску, відбувається і значне підвищення стійкості металу до знеміцнювання при підвищених температурах.

Таким чином, дослідження показали, що забезпечити рівень нормованих властивостей металу готових сполучних деталей, виготовлених за існуючою технологією зі сталей 10-15ХСНД, 14-16Г2АФ, 09Г2С, 17ГС, можливо при реалізації розробленої зміцнювальної термічної обробки з подальшим відпуском, яка включає застосування різних технологічних прийомів, спрямованих на підвищення пріоритетних характеристик металу. Це підтвердила промислова апробація розробок на натурних виробах усіх типорозмірів в умовах головного підприємства в СНД - ВО “Трубодеталь”. Під час термічного зміцнення за розробленою технологією та остаточного відпуску металу СДТ при температурах 500-650^оС (в залежності від марки сталі) реалізуються наступні механізми зміцнення: подрібнення зеренної структури; одержання пересиченого твердого розчину; часткова або повна заміна П на Б; дисперсійне тверднення; субструктурне зміцнення.

Відомо, що максимальна розчинність вуглецю у Ф під час прискореного охолодження з однорідного аустенітного стану при переохолодженні маловуглецевих сталей до 550-500^оС досягає 0,06 % С, а при подальшому переохолодженні зменшується. Вміст вуглецю у Ф на границі з цементитом (при Ф+П перетворенні) не перевищує 0,005 %. Тому переохолодження виробів з доевтектоїдних сталей доцільно проводити нижче 500^оС для запобігання виділенню з пересиченого Ф частинок вторинної фази на стадії термічного зміцнення. Це обумовлено тим, що вуглець та азот можуть виділятися з пересиченої матриці й при кімнатній температурі. У відповідності до ГОСТ 19282-73 у досліджуваних сталях вміст азоту передбачений у наступних концентраціях: для сталей 14-16Г2АФ - 0,015-0,025 %; 10-15ХСНД - 0,008 %. З літературних джерел відомо, що процеси старіння у маловуглецевих сталях відбуваються вже при вмісті азоту 0,002 %. І хоча в сталях типу 16Г2АФ присутній ванадій, який може ефективно зв'язувати азот, цей процес затримується прискореним охолодженням, і матриця залишається пересиченою вуглецем та азотом. З аналізу діаграм розчинності вуглецю та азоту у Ф маловуглецевих сталей витікає, що для запобігання виділенню частинок вторинної фази на стадії прискореного охолодження доцільно метал переохолоджувати до температур 250-300^оС. Подальший відпуск приводить до виділення заглиблених атомів з пересиченого Ф, що знижує рівень твердості структурних складових металу.

Температура закінчення прискореного охолодження металу при термозміцненні визначає й закономірності процесів структуроутворення, які відбуваються при подальшому відпуску СДТ. Так з робіт Вл.Дадека відомо, що якщо прискорене охолодження маловуглецевих сталей переривати при температурі 200^оС, то вуглець із твердого розчину буде виділятися у вигляді цементиту з орторомбічною граткою. Якщо ж переохолодження здійснювати до температур 200^оС, то при наступному нагріванні сталі до 200^оС вуглець виділяється з Ф у вигляді платинок -карбіду (Fe_2,4C), когерентних до матриці. При нагріванні до більш високих температур відпуску нестабільний карбід з гексагональною граткою перетворюється на пластинчастий орторомбічний цементит. При виборі режиму охолодження СДТ зважали й на явище термоудару, притаманне воді та водним розчинам солей з температурою >80^оС, яке призводить до підвищення у металі щільності ДКГ. Особливості процесів, які відбуваються у досліджуваному металі, наочно видно з результатів рентгеноструктурного аналізу сталі 09Г2С, яку піддавали термозміцненню та подальшому відпуску до 700^оС з інтервалом у 100^оС (табл.8). Аналогічні результати було одержано й для інших досліджуваних у роботі сталей, оброблених за однією зі створених технологій.

З даних табл.8 виходить, що найбільш високий рівень мікродеформацій та щільності ДКГ характерний для металу, який піддавався термічному зміцненню з повним охолодженням та відпуску 300^оС. Підвищення температури відпуску приводить до зменшення значень цих параметрів, а після відпуску 500^оС вони знов зростають. У той же час й значення границі текучості досягають максимального рівня після відпуску 500^оС.

Таблиця 8 Результати рентгеноструктурного дослідження сталі 09Г2С (14 мм) після різних режимів термічної обробки

Примітка. У чисельнику наведені значення для металу, термозміцненого з повним охолодженням, у знаменнику - після перерваного охолодження при t_мет=350^оС.

Така залежність значень границі текучості від температури відпуску характерна лише для сталей без сильних КУЕ, які піддавали при термозміцненні охолодженню до температур середовища (100 ^оС). Для сталей з V, Nb максимум границі текучості спостерігається після відпуску 550-600^оС. Подальше підвищення температури відпуску приводить до зниження значень границі текучості, але навіть після відпуску 600-650^оС його абсолютні значення вищі, ніж у термозміцненому стані. А ось у випадку реалізації режиму термозміцнення із перериванням охолодження у воді з температурою t_в80^оС при температурі металу 250-300^оС яскраво вираженого максимуму значень границі текучості в області температур відпуску 500^оС (або 550^оС для сталей з V, Nb) не спостерігається, хоча значення границі текучості після температур відпуску 400-600^оС вищі, ніж після термічного зміцнення. Аналогічним чином змінюється й рівень мікродеформацій, а щільність дефектів після відпуску 500^оС нижча, ніж після 400^оС. Але при цьому рівень мікродеформацій після відпуску 300^оС вищий у порівнянні з термозміцненим станом, що пов^,язане з виділенням вуглецю з матриці й утворенням карбідів на цій стадії відпуску. Це підтверджують також дані рентгеноструктурного аналізу про проходження стадії втрати когерентності граток карбід-матриця в інтервалі температур 300-400^оС. Більш низький рівень цих параметрів тонкої структури у порівнянні з режимом повного охолодження може бути підтвержденням відсутності стадії утворення проміжного карбіду пі...