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

Аналіз результатів досліджень маловуглецевих низьколегованих марок сталей говорить про те, що при термічному зміцненні за розробленими технологіями у металі створюється Ф+Б; Ф+П+Б або Б структурний стан, при якому підвищення щільності дефектів випереджає збільшення ступеня пересичення твердого розчину атомами заглиблення. При цьому якась кількість дислокацій залишається слабо закріпленими. Можливість такого структурного стану при швидкостях охолодження металу 18-37^оС/с наочно показана у роботі К.Ф.Стародубова та В.К.Флорова. В обговорюваних дослідженнях це підтверджується відсутністю площадки текучості (для сталей з повним охолодженням) на діаграмі розтягу аж до відпуску при 300^оС, більш низькими абсолютними значеннями умовної границі текучості металу у термозміцненому стані в порівнянні з металом, який відпускався при температурах вище 300^оС.

У зв'язку з тим, що при термозміцненні температура металу не знижується нижче 100^оС, процес виділення вуглецю та азоту відбувається ще на етапі охолодження металу. Підтвердженням цього можуть бути роботи вітчизняних та закордонних вчених, які досліджували за методами внутрішнього тертя та під електронним мікроскопом на просвіт процеси старіння у сталях і сплавах заліза з вмістом вуглецю від 0,007% до 0,2%. Відомо, що при низьких температурах з пересиченого твердого розчину азот виділяється у вигляді Fe₁₆N₂ , який за морфологією та габітусною площиною у роботах F.W.Langer класифікується як початкова форма проміжного карбіду -Fe_2,4С. Ще одним доводом у доказі наявності в досліджуваних сталях проміжного карбіду можуть бути наступні дані. Твердження про відсутність стадії утворення цього карбіду робились дослідниками (наприклад G.Speih, W.C.Leslie) з урахуванням щільності дислокацій у М маловуглецевих сталей, навколо яких знаходяться області, де для позицій заглиблення атомам вуглецю та азоту забезпечується зниження енергії, причому такий зв'язок атомів заглиблення з дислокаціями енергетично більш вигідний, ніж утворення -карбіду. Відомо, що для закріплення дислокацій у М необхідно 0,2 % С. Тому у сталях з більш низьким вмістом вуглецю та структурою М його просто не вистачає для утворення -карбіду. Виходячи з того, що щільність дислокацій у маловуглецевих сталях з Ф+П, Ф+Б або Б структурою більш низька (табл.9), ніж у металі з М структурою, частина атомів заглиблення не буде зв'язана у сегрегації в енергетично вигідних об'ємах навколо дислокацій і може приймати участь в утворенні проміжного карбіду. Охолодження сталі 09Г2С (=8мм) від температури 930^оС в різних холодоагентах дозволило одержати відмінні структурні стани. Підтвердженням багатостадійності процесу перерозподілу вуглецю та азоту у пересиченому Ф при подальшому відпуску є результати робіт С.А.Головіна, в яких показано, що у залізовуглецевих сплавах із вмістом вуглецю 0,007; 0,015 та 0,2% процес деформаційного старіння при температурі металу 100^оС закінчується на стадії формування мікровиділень, які рівноважні лише при даній температурі та розчиняються при її навіть короткочасному підвищенні. А у сплавах, які містять 0,015 та 0,2% вуглецю, при температурі відпуску 200^оС спостерігається етап перерозподілу заглиблених атомів, викликаний зміною типу рівноважних мікровиділень, які блокують дислокації.

термічний зміцнення трубопровід пічний

Таблиця 9 Вплив умов охолодження маловуглецевої низьколегованої сталі 09Г2С (=8 мм) на рівень дефектності кристалічної гратки

Примітка. У чисельнику наведені значення величин для термозміцненого металу, у знаменнику - після термозміцнення та подальшого відпуску 500^оС.

Відомо, що на стадії когерентності частинок вторинної фази з матрицею рівень напруг досягає максимуму при зростанні таких частинок до критичного розміру, після чого відбувається порушення когерентності фаз з утворенням додаткових дислокацій. Такому стану у металу відповідає максимальний рівень границі текучості.

Для металу, термозміцненому у холодній підсоленій воді, у воді з температурою 65-70^оС або при термозміцненні з перерваним охолодженням цей стан припадає на температуру відпуску 400^оС. А ось для досліджуваних у роботі сталей без сильних КУЕ, які піддавались термічному зміцненню у воді з температурою понад 80^оС (метал після термоудару), процес структуроутворення змінюється через більш високий рівень дефектності гратки та, мабуть, типів дефектів. І тому максимум значень границі текучості для таких сталей припадає на температуру відпуску 500^оС. Це пояснюється тим, що найбільш вигідними місцями при перерозподілі заглиблених атомів із пересиченого твердого розчину є дефекти гратки, тому основна частина вуглецю та азоту буде знаходитись у таких областях, а процес карбідоутворення буде утруднений. Відрив атомів вуглецю та утворення карбідних частинок зрушується у бік більш високих температур відпуску, а, відповідно, й стадія повної втрати когерентності частинок із матрицею. Можливість реалізації такого стану при відпуску до 450-480^оС із зміною ступеня стехіометрії цементиту від Fe_ХC до Fe₃C у термозміцнених маловуглецевих сталях підтверджується й роботами В.М.Счастливцева, І.Л.Яковлевої, В.І.Изотова, Г.А.Філіпова та ін. У металі, термозміцненому з перериванням охолодження при t_мет200^оС, рівень дефектності гратки менший і через це атоми заглиблення будуть перерозподілятися під час подальшого відпуску при більш низьких температурах.

У роботі розглядалась також імовірність розпаду залишкового аустеніту (А_зал), який може бути присутній у термозміцненій сталі з Ф+Б або Б структурою та додатково зміцнювати метал після розпаду при відпуску до 500^оС. Але у зв'язку з тим, що закономірність підвищення границі текучості при відпуску термозміцненої сталі зберігається й для Ф+П структури (А_зал відсутній), то цей фактор не є визначальним у виявленій залежності.

У четвертому розділі на підставі аналізу критеріїв оцінки ефективності роботи пічного устаткування показано, що у прохідних печах норми питомої продуктивності більші у порівнянні з камерними та з висувним подом, а питомі витрати газу та електроенергії при експлуатації прохідних печей нижчі, ніж у камерних або з висувним подом. Це дозволило під час підготовки завдання на проектування пічного устаткування для спеціалізованого цеху ВО “Трубодеталь” сформулювати основні вимоги щодо найбільш ефективних теплових схем та конструкцій печей для термічної обробки СДТ усіх типорозмірів. Сортамент деталей цеху було розділено на дві групи. До першої групи було віднесено СДТ діаметром 250-630 мм включно та, виходячи з річного об'єму їх термообробки, запропоновано розробити механізований гартувально-відпускний дворядний штовхальний агрегат. Такий агрегат з розміром поду гартівної печі 2,5х18,4 м із 18 піддонами в одному ряду й було розроблено ВНИПИТеплопроектом. Печі мають по чотири зони автоматичного регулювання теплового режиму. Агрегат укомплектований механізованим гартівним баком, в якому як гартівне середовище використовується вода або водні розчини хлоридів з температурою80⁰С.

До другої групи термозміцнюваних СДТ входили деталі діаметром від 630 до 1420 мм. На підставі аналізу світового досвіду печебудування та з урахуванням досвіду експлуатації печей різних типів на вітчизняних заводах автором було запропоновано, а ВНИПИТеплопроектом (ЛВ) вперше в СНД спроектовано штовхальний гартувально-відпускний агрегат, в якому транспортування СДТ вказаних типорозмірів здійснюється на спеціальних візках, які просуваються на колесах по рейках (проект 20477.01.01 ПЗ). У спроектованій гартівній печі (габарити поду 3,2х16,5 м; S=51 м²) водночас знаходиться п'ять візків (ширина 3,3 м; довжина 3,56м; висота 1,03 м; маса 6200 кг). Максимальна маса садки - 4,6 т. Продуктивність печі: максимальна - 9т/г, середня - 3т/г. Темп штовхання - 30 хвилин. У відпускній печі (3,2х19 м; S=61 м²) кількість візків - шість штук, а у камері охолодження, в якій СДТ після відпуску охолоджуються уповільнено до 300-400^оС, знаходиться чотири візка. У виконаному проекті лінії для термічного зміцнення СДТ великого діаметра поміж гартівною та відпускною печами з обох сторін від напрямних рейок для переміщення візків установлено немеханізовані гартівні баки двох типів. Один, прямокутної форми (а.с. 1073302, пат.України 3592), призначений для охолодження трійників та відводів. Інший бак, циліндричної форми, - для охолодження переходів та днищ (а.с. 1201324). Дослідно-промислові зразки таких охолоджувальних пристроїв було спроектовано за завданням автора СПКБ “Проектнефтегазспецмонтаж” (м.Челябінськ), виготовлено та апробовано на СДТ усіх типорозмірів діаметром до 1220 мм в умовах ВО “Трубодеталь”.

На підставі результатів досліджень металу відводів, виготовлених з труб у трубозгинальному стані фірми “FABRICOM”, було показано необхідність піддавати їх термічній обробці, за яку можна використовувати високий відпуск, нормалізацію або термічне зміцнення з відпуском. Розглянуто способи реалізації режимів термічної обробки та устаткування, яке може бути використано для цього. Аналіз результатів досліджень дозволив запропонувати конструктивно-технологічні параметри секційної газової печі для термообробки таких відводів. У розділі наведено результати досліджень впливу швидкості нагріву виробів на рівень виникаючих у металі напруг та обґрунтовано допустимі швидкості нагріву СДТ у процесі термообробки.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень та дослідно-промислової апробації комплексної технології термічної обробки трубної заготовки в умовах ЗАТ НКМЗ. Основною й найбільш напруженою частиною будь-якої артилерійської гармати є ствол, який являє собою посудину, яка працює під великим внутрішнім тиском, діючим на протязі тисячних часток секунди. Функціональний строк служби гармати вимірюється приблизно такою кількістю пострілів - 10000-15000. У розділі розглянуто фактори, які визначають експлуатаційну стійкість таких виробів.

До загальної характеристики сталей, які використовують у СНД для виробництва трубної заготовки (ГОСТ В 5192-78), слід віднести такі основні фактори, які ускладнюють технологію виготовлення якісної заготовки: сталі відносяться до категорії особливофлокеночутливих, є чутливими до утворення тріщин, при товщинах понад 30-35 мм мають недостатню мартенситну прогартовуваність, містять у структурі А_зал та продукти проміжного перетворення А. Ці сталі схильні до відпускної крихкості 1-го та 2-го роду.

У роботі розглянуто різні методи та устаткування для виготовлення якісної трубної заготовки. Проведено аналіз хімічних складів високоміцних сталей та впливу легуючих елементів на процеси структуроутворення, здатних забезпечити металу після фінішного відпуску 400-500^оС потрібний рівень міцності. Одним з головних факторів, який обумовлює складність розроблюваної технології, було досягнення високого рівня границі пропорціональності (_пц) у металі виробів, які при експлуатації можуть нагріватися до 400^оС. З результатів відомих робіт витікає, що максимальні значення границь пружності та пропорціональності для сталей аналогічного хімічного складу можуть бути одержані при відпуску не вище 350-380^оС. Така залежність нормованих характеристик міцності від температури відпуску характерна для сталей, в яких зміцнення відбувається за рахунок виділень вторинної фази цементитного типу. Але цей температурний інтервал відпуску є найбільш небезпечним з точки зору необоротної відпускної крихкості металу, тому в роботі було запропоновано ряд мір, які сприяють зменшенню окрихчення металу трубної заготовки. Розглянуто перспективні напрямки одержання високоміцної трубної заготовки з більш легованих сталей з вторинним твердненням.

При виконанні роботи дослідження проводились на сталях, базовим хімічним складом яких був склад сталі 0ХН3МФА. Найбільш високий рівень міцності на таких виробах до проведення досліджень досягав _пц=128кгс/мм² та не відповідав нормативним вимогам. На підставі результатів лабораторних та дослідно-промислових досліджень на натурних трубних заготовках зі сталей типу 0ХН3МФА було вперше створено ефективний режим попередньої термічної обробки поковок після чорнової обдирки та висвердлювання каналу стволу, який включає й ПФО металу. Це дозволило суттєво знизити вміст дифузійно-рухливого водню у порівнянні з відомими режимами (табл.10), а також підготувати структуру металу до остаточної термічної обробки. Застосування нових нетрадиційних підходів до створення технології остаточної термічної обробки трубної заготовки дозволило стабільно забезпечити металу потрібний рівень механічних властивостей. Така технологія зміцнювальної термічної обробки створена вперше в Україні й може бути з успіхом використана для широкого сортаменту виробів різного призначення.

Таблиця 10 Вміст водню в сталі 0ХН3МФА після різних обробок

Примітка. Кількість водню у металі оцінювалась за результатами випробувань шести зразків.

Дослідження показали, що для забезпечення у металі трубної заготовки наскрізної мартенситної прогартовуваності потрібна заміна масла на водні охолоджувальні середовища. Це обумовлено наявністю у структурі металу після гартування у масло продуктів проміжного перетворення. Найбільш прийнятним гартівним середовищем можуть бути водні розчини хлоридів, які використовують при температурах 80-110^оС (пат.України 20904А), здатні задовольнити вимоги, які висуваються. У результаті виконаних досліджень було створено комплексну технологію термічної обробки, яка пройшла дослідно-промислову апробацію на трубних заготовках в умовах ЗАТ НКМЗ та дозволила вперше одержати у виробах зі сталей 0ХН3МФА рівень границі пропорціональності 140 кгс/мм² (табл.11). У результаті проведених досліджень запропоновано ряд технологічних рішень, спрямованих на зменшення ступеня падіння ударної в'язкості після відпуску в інтервалі температур необоротної відпускної крихкості, створення у металі підвищеного рівня ДКГ, перебудова яких у процесі подальшого фінішного відпуску дозволить підвищити рівень міцності металу та стійкість до знеміцнювання при підвищених температурах. Створені технічні рішення надали можливість у короткий строк організувати в умовах машинобудівних заводів України виробництво нових виробів, необхідних для забезпечення достатньої обороноздатності країни та виробництва їх на експорт.

Таблиця 11 Комплекс механічних властивостей, одержаних у сталі типу 0ХН3МФА після остаточної термообробки за розробленою технологією

У шостому розділі розглянуто основні характеристики металу інструменту, які визначають його експлуатаційну стійкість: міцність (перш за все, границя пружності), зносотривкість, твердість, жароміцність або теплостійкість (здатність зберігати допустимий рівень твердості, міцності, зносотривкості при експлуатації в області підвищених температур), розпалостійкість та ін. Ефективно впливати на рівень вказаних параметрів, які визначають експлуатаційну стійкість інструменту, а також і на його вартість, можна через різні фактори. Але при виконанні роботи пріоритетними були розробка та використання ефективних режимів термічної обробки литого та кованого інструменту з застосуванням водних гартівних середовищ замість масла, ефективних способів впливу на загартований метал з метою зменшення А_зал у структурі та одержання максимально можливої кількості дисперсних частинок вторинної фази, рівномірно розподіленої в матриці, у тому числі за рахунок застосування нетрадиційних способів впливу на метал у процесі термообробки або їх комбінацій з відомими рішеннями. У практиці інструментальних виробництв країн СНД найбільш характерними є наступні принципіальні схеми виготовлення інструменту гарячого деформування: - виготовлення штампового кубика без гравюри, його термообробка на заданий рівень властивостей, виготовлення гравюри й експлуатація; - виготовлення штампа з гравюрою, його термообробка й експлуатація. У промисловості країн СНД більша частина інструмента гарячого деформування виготовляється з полутеплостійких сталей типу 5ХНМ. У зв'язку з цим основний об'єм досліджень виконувався на штампах, пресових вставках та зразках з цієї сталі.

Дослідження показали, що використання як гартівного середовища (замість масла) водних розчинів хлоридів натрію (пат.України 20904А) при температурі вани 80^оС дозволяє інтенсифікувати процес охолодження інструменту та реалізувати режим гартування з неповним зануренням виробу у холодоагент або за методом купання (пат.України 20902А; 5613). Такий спосіб при гартуванні молотових штампів дозволяє підвищити мартенситну прогартовуваність штампових кубиків й не робити додаткового відпуску хвостовика. Дослідно-промислова апробація розробок в умовах Челябінського ковальсько-пресового, Таганрогського комбайнового заводів, а також ВО “Південний машинобудівний завод” показала, що експлуатаційна стійкість штампового інструменту гарячого деформування збільшується в 1,5…3 рази у порівнянні з традиційним гартуванням у масло.

Одним з найбільш ефективних механізмів підвищення не тільки міцності металу, але й стійкості до знеміцнювання при підвищених температурах, є створення у металі полігонізованої або коміркуватої структури. Виходячи з цього, у роботі було досліджено можливості підвищення щільності дефектів гратки у металі інструмента як у процесі гартування у водні холодоагенти, так і після нього при реалізації багатократних відпусків. Стосовно до першої схеми виготовлення штампового інструменту, коли гартуванню піддається штамповий кубик без гравюри, як холодоагент використовували воду або водні розчини хлоридів з низькою концентрацією солі. Внаслідок різкого підвищення рівня напруг у металі штампових кубиків при стрибкоподібному збільшенні коефіцієнта тепловіддачі при температурі металу 180-160^оС, який загартовується, у структурі утворюється більш високий рівень дефектів, ніж при гартуванні у масло (див.табл.4). Подальший відпуск металу приводить до перебудування цих дефектів у стійкі субструктурні побудови, що набагато підвищує експлуатаційну стійкість штампового інструмента. Відсутність на штамповому кубику гравюри дозволяє металу витримувати виникаючий рівень напруг при термоударі навіть при повному зануренні його у холодоагент. А використання часткового занурення кубика у холодоагент при гартуванні дозволяє підвищити мартенситну прогартовуваність у робочій частині штампа (у порівнянні з маслом) та зменшити виникаючий рівень напруг за рахунок перерозподілу їх у об'ємі металу з високою температурою, який не занурювався у рідину. Таку технологію гартування штампів було апробовано й рекомендовано до промислового використання на Таганрогському комбайновому заводі, а також може бути використано на Лозовському ковальсько-механічному заводі, який має таку технологію виготовлення штампів. У перспективі будь-котрий завод, який має у своєму інструментальному виробництві станки для електроіскрової (електроерозійної) обробки металу з будь-якою твердістю, може використовувати таку технологію. Застовування багаторазових відпусків дає можливість створювати у металі підвищену кількість дисперсних частинок (у порівнянні з однократним відпуском), рівномірно розташованих по об'єму метала, що додатково підвищує границю пружності металу на 15-20 %.

Для штампового інструмента, який виготовляється за другою схемою, котра передбачає гартування штампу з нанесеною гравюрою, розроблено спосіб підвищення рівня дефектності гратки за рахунок охолодження металу з температури відпуску у воді або водних розчинах хлоридів з температурою 90^оС. При такому способі обробки штампи зі структурою М_відп+Б+А_зал піддаються термоудару, в результаті якого підвищується щільність дефектів, рівень напруг, що в цілому дестабілізує А_зал й дозволяє при подальших відпусках створити більш повний його розпад і реалізувати субструктурне зміцнення. Для реалізації створених способів термічної обробки штампового інструмента розроблено й конструктивно-технологічні параметри гартівного пристрою (пат.України 20153А). У роботі розглянуто також особливості відомих різновидів термомеханічних та механіко-термічних технологій зміцнення металів, типи утворюваних дефектів та їх вплив на комплекс властивостей зміцнюваного металу.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведені теоретичне і нові вирішення науково-технічних проблем, що виявляються у встановлених закономірностях процесів структуроутворення, реалізація котрих при термічної обробці за розробленими технологіями дозволяє отримати в металі виробів відповідального призначення раніше недосяжний рівень властивостей. Актуальність розробок пояснюється потребами галузей промисловості України й доцільністю виробництва для експорту цієї металомісткої та дорогої продукції.

2. Результати досліджень становлять науковий та практичний інтерес для України у зв'язку з тим, що роботи виконувались на базі діючих виробництв з урахуванням усього попереднього їх досвіду роботи й дозволили у промислових умовах провести дослідно-промислову апробацію перспективних наукових розробок, а також виконати проектні проробки технології та устаткування для спеціалізованого термічного цеху потужністю 40,0 тис.тон СДТ на рік для Росії та використати розробки для створення аналогічного цеху в України.

3. Підвищення ефективності процесу термічного зміцнення СДТ може бути досягнуто за рахунок використання особливостей високотемпературної аустенітизації, ізотермічної витримки або повільного охолодження металу в області температур мінімальної стійкості А у Ф області з метою одержання потрібного співвідношення структурних фаз, переривання процесу прискореного охолодження металу у воді (t_в80^оС) при температурах, вищих за температури точки Лейдена, використання для термозміцнення товстостінних СДТ водних розчинів хлоридів та проведення багатократних відпусків замість одного відпуску при 550-600^оС.

4. Виявлено, що максимальний рівень границі текучості досліджувані сталі зі структурою Ф+П; Ф+Б; Б мали після термічного зміцнення з повним охолодженням та подальшого відпуску 500^оС (для сталей без сильних КУЕ) та 600^оС (для сталей з V, Nb). Найбільшу кількість в'язкої складової у зламах ударних зразків спостерігали після відпуску термозміцненої сталі 550-600^оС (для сталей без сильних КУЕ) та 650-700^оС (для сталей з V, Nb). Наявність екстремуму на кривій “_т-t_відп” після відпуску характерна лише для сталей, які піддавались повному охолодженню у воді з t_в80^оС. У випадку переривання процесу охолодження металу при температурах 200-250^оС значення границі текучості та ударної в'язкості підвищуються при температурах відпуску 400^оС ( для сталей без КУЕ).

5. Визначення порога холодноламкості за кількістю в'язкої складової у зламах ударних зразків Шарпі зі сталі 09Г2С показало, що у випадку термічного зміцнення у воді з t_в80^оС до повного охолодження металу 50 % в'язкий злам (Т₅₀) після відпуску 500^оС спостерігався після випробування зразків при мінус 10^оС, а після термічного зміцнення з перериванням процесу охолодження при 300^оС й подальшим відпуском 500^оС такий же стан зламу характерний для температури випробування металу мінус 60^оС. Для повністю в'язкого зламу зразків (Т₁₀₀) поріг холодноламкості відповідно припадає на плюс 10^оС та мінус 40^оС. Така різниця (50^оС) у температурах порога холодноламкості для різних способів охолодження металу при термічному зміцненні пояснюється рівнем напруженого стану метала та ступенем дефектності кристалічної гратки.

6. Виконані дослідження дозволили сформулювати теоретичні основи процесу структуроутворення, який відбувається у металі виробів з Ф+П, Ф+Б, Б або Ф+П+Б структурою при термічному зміцненні за розробленою технологією, які полягають у наступному:

- у випадку охолодження металу з однорідного аустенітного стану у воді або водних розчинах хлоридів з температурою 80^оС матриця пересичена атомами заглиблення та ДКГ, при цьому підвищення щільності дефектів випереджає збільшення ступеня пересичення твердого розчину атомами заглиблення; - подальший відпуск термозміцненого з повним охолодженям металу приводить до перерозподілу атомів заглиблення до найбільш вигідних з енергетичної точки зору місць, якими є області поблизу дефектів гратки. Таке місцезнаходження атомів робить неможливим протікання стадії утворення проміжного карбіду у М структурі з-за великої щільності дефектів гратки та відсутності необхідної кількості незв'язаних атомів вуглецю, а у металі з Ф+Б або Б структурою, щільність дефектів у якій на порядок вищий, можуть бути створені умови для виникнення проміжного карбіду;

- при відпуску термозміцненого металу в області температур 300^оС відбувається зростання частинок вторинної фази до критичного розміру, ефективно закріплюючих рухливі дислокації, порушення когерентності зв'язку частинок із матрицею, що проявляється у збільшенні кількості дефектів та рівня мікродеформацій після відпуску. При подальшому підвищенні температури відпуску відбувається зниження рівня залишкових напруг у металі. А у сталях з Ф+Б або Б структурою відбувається й розпад А_зал. У сталях, які піддавались охолодженню у воді з t_в80^оС та відпуску, стадія переходу проміжного карбіду у цементит та втрати когерентного зв'язку карбід-матриця триває до температур відпуску 500^оС (або 600^оС для сталей з V, Nb), а у металі після перерваного охолодження при t_мет200^оС ця стадія порушення когерентності граток завершується при відпуску 350-400^оС; - після порушення когерентності граток карбід-матриця з підвищенням температури відпуску пластинчастий цементит перетворюється у сфероїди та відбувається їх коагуляція, дислокаційна структура перебудовується у коміркувату або у полігонізовану, в колоніях зміцнюючої фази відбувається розпад, що й є причиною підвищення ударної в'язкості та утворення повністю в'язкого зламу зразків.

7. На підставі досліджень було підготовлено технічне завдання на проведення проектних проробок, з урахуванням якого вперше в СНД було виконано проект цеху за розробленою технологією термозміцнення СДТ, з гартувально-відпускним агрегатом для термічної обробки великогабаритних СДТ, в якому вироби транспортуються через піч у проходному режимі по рейках на візках з колесами, та охолоджувальними пристроями, в яких як холодоагент може використовуватись вода або водні розчини хлоридів з t_в80^оС.

8. Для організації раніше не існуючих промислових потужностей з виробництва спецтехніки було проведено дослідження, на підставі яких уперше в Україні розроблено та пройшли дослідно-промислову апробацію в умовах ЗАТ НКМЗ на натурних виробах:

- комплексна термічна обробка спеціальної трубної заготовки довжиною до 7 м, яка включає попередню термообробку заготовки після чорнової механічної обробки поковки (у тому числі й ПФО) та остаточну, здатну забезпечити металу потрібний рівень нормованих властивостей;

- режим багатократних відпусків трубної заготовки після фінішного гартування, здатний забезпечити потрібний рівень _пц 140кгс/см² та зменшити ступінь окрихчення металу в інтервалі температур необоротної відпускної крихкості;

- технологічне, дешеве та екологічно чисте гартівне середовище на водній основі, здатне замінити при термообробці спецвиробів масло, що забезпечує підвищення мартенситної прогартовуваності у металі великих перерізів при зниженні рівня залишкових напруг;

- розроблено та запропоновано для апробації у промислових умовах спосіб гартування трубної заготовки з неповним зануренням металу у холодоагент (при традиційній схемі підвишування або зі зміненою) з метою зниження рівня залишкових напруг та більш рівномірного їх розподілу по довжині, який добре зарекомендував себе при гартуванні штампового інструмента. 9. Розроблені й пройшли промислову апробацію способи зміцнювальної термічної обробки інструмента гарячого деформування (штампів, пресових вставок зі сталі 5ХНМ), в яких замість масла використовуються водні охолоджувальні середовища, а охолодження може здійснюватися також і з неповним зануренням виробу або за методом купання (пат.України 20902А; 5613; 20904А), що у сукупності з розробленими режимами багатократних відпусків дозволило підвищити експлуатаційну стійкість інструмента в 1,5…3 рази у порівнянні з традиційними режимами термообробки, скоротити час та вартість обробки молотових штампів за рахунок усунення додаткового відпуску хвостовика.

10. Теоретично обґрунтовано та запропоновано до апробації у дослідно-промислових умовах нетрадиційне технічне рішення (термоудар з температури відпуску), спрямоване на створення умов для дестабілізації А_зал та формування у загартованому металі підвищеної щільності дефектів гратки, перебудування яких у процесі подальшого відпуску приводить до створення субструктури за типом коміркуватої або полігонізованої, що сприяє підвищенню міцності та теплостійкості металу готових виробів.

Основні положення дисертації опубліковано у наступних роботах

1. Дейнеко Л.Н., Большаков В.И. Термическое упрочнение соединительных деталей магистральных нефтегазопроводов.-Днепропетровск: Gaudeamus, 2000.-117с.

2. Повышение ударной вязкости металла соединительных деталей магистральных трубопроводов / Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Щербаков А.Г.,Губайдулин Р.Г., Теньгаев А.К. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1992.-№ 5.-С.8-10.

3. Дейнеко Л.Н. Большаков В.И.,Таран Ю.Н. Разработка способов повышения эксплуатационной стойкости крупногабаритного инструмента// Металознавство та термічна обробка металів (Придніпровська держ. академ. будівн.та архітек.). Днепропетровск, Gaudeamus -2000.- №2.-С.4-10

4. Дейнеко Л.Н. Исследование свойств металла соединительных деталей нефтегазопроводов в процессе технологических переделов и выбор рационального пути их повышения // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури.-1997.-№2.-С.17-25.

5. Дейнеко Л.Н. Исследование качества металла отводов, изготовленных из труб на трубогибочном стане “Фабриком”/ Сб.научн.тр. Приднепровской гос.академии строительства и архитектуры. Вып.2. Часть 1.Основания и фундаменты. Строительные материалы и изделия.-Днепропетровск:ПГАСиА,1997.-С.55-58.

6. Дейнеко Л.Н. Исследование уровня напряжений, возникающих в металле сварных конструкций при их нагреве под термообработку // Металознавство та термічна обробка металів (Придніпровська держ. академ. будівн.та архітек.).-1998.- №2.-С.28-37.

7. Дейнеко Л.Н. Разработка параметров режима противофлокенной обработки высокопрочных деталей из сталей мартенситного класса // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Днепропетровск, Gaudeamus -2000.-№5.-С.37-43

8. Дейнеко Л.Н. Результаты исследований процессов структурообразования в штрипсовых сталях при термическом упрочнении. / Сб.науч.тр. Строительство, материаловедение, машиностроение (Придніпровська держ. академ. будівн. і архітектури), серия “Стародубовские чтения 2000”.- Вып.10,ч.1. - Днепропетровск, Gaudeamus, 2000. - С.104-106.

9. Разработка технологии термообработки соединительных деталей магистральных трубопроводов / Толстых В.С.,Дробязко В.А.,Большаков В.И.,Дейнеко Л.Н. // Металлургическая и горнорудная промышленность.-1988.-№4.-С.38-40.

10. Выбор охлаждающей среды для термоупрочнения соединительных деталей /Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Куксенко И.В., Ильюшонок В.В., Калиновский С.К.//Металлургическая и горнорудная промышленность.-1989.-№1.-С.36-38

11. Особенности технологии и оборудования для термоупрочнения соединительных деталей магистральных трубопроводов / Большаков В.И.,Дейнеко Л.Н., Толстых В.С.,Дробязко В.А. // Республ. межведомств. н.-т. сб. Проблемы металлургического производства,№101. - Киев:Тэхника,1990.-С.51-55.

12. Охлаждающие устройства для термического упрочнения соединительных деталей / Долженков И.Е.,Дейнеко Л.Н.,Каплан С.Г.,Михайлин Г.К. // Строительство трубопроводов.-1986.-№6.-С.38.

13. Improving metal impact strength in coupling for main pipelines /Bolshakov V., Deineko L.,Sheherbakov A.,Gubaidulin R. // Metal science and heat treatment.-1992.-V.34,5-7.-Р.307-310.

14. Большаков В.И., Дейнеко Л.Н. Некоторые особенности изменения свойств термоупрочненных штрипсовых сталей с феррито-бейнитной структурой при отпуске / Сб. науч. тр. Строительство, материаловедение, машиностроение (Приднеіпровська держ. академія будівництва і архітектури).-Днепропетровск,ПГАСиА,1997.-С.34-40.

15. Анализ сталей и режимов термообработки, используемых при производстве соединительных деталей магистральных трубопроводов / Харахулах В.С., Большаков В.И.,Таран Ю.Н.,Дейнеко Л.Н. // Вісник академії будівництва України.-1997.- Вип.3.-С.73-83.

16. Большаков В.И., Дейнеко Л.Н. Разработка конструктивно-технологических параметров закалочного оборудования и охлаждающих сред на водной основе для термического упрочнения соединительных деталей трубопроводов // Металознавство та термічна обробка металів (Придніпровська держ. академ. будівн. та архітек.).-1999.-№3.-С.20-26.

17. Большаков В.И.,Дейнеко Л.Н. / Разработка режимов термического упрочнения соединительных деталей магистральных нефтегазопроводов // Металознавство та термічна обробка металів (Придніпровська держ. академ.будівн.та архітек.), 1999, № 4.-С.47-54

18. Пат. 3591 України, МКІ С21Д 1/56. Спосіб термічної обробки великогабаритних виробів / В.І.Большаков, Л.М.Дейнеко Л.М., С.К.Калиновскький, І.В.Куксен-ко, В.В.Ил'юшонок (Україна), В.О.Дробязко, В.С.Толстих, Ю.М.Рязанцев (Росія).-Зареєстр.30.06.94; Опубл.27.12.94, Бюл. № 6-1.

19. А.с. 1373735 СССР. МКИ С21Д 1/56. Способ термической обработки изделий / И.Е.Долженков, В.К.Флоров, Л.Н.Дейнеко, С.К.Калиновский, В.А.Дробязко, В.С.Толстых, С.Г.Каплин (СССР). - № 4074822; Заявлено 24.02.86; Опубл.15.02.88.- Бюл. № 6. - С.88.

20. Пат. 20904А України, МКІ С21Д 1/60. Гартувальне середовище / Л.М.Дейнеко, Ю.М.Таран, В.І.Большаков, В.Б.Шабанов, О.І.Боровко, М.М.Коржов, І.Ю.Крі-пак.-Зареєстр.07.10.97; Опубл.27.02.98, Бюл. № 1.

21. Пат. 20902 А України, МКІ С21Д 9/22. Спосіб термічної обробки металовиробів, переважно штампів гарячого деформування / Л.М.Дейнеко, В.І.Большаков, Ю.М.Таран, І.Ю.Кріпак, Н.Д.Шарабан (Україна), В.В.Стежкин, С.М.Баженов, Р.С.Кудрявцев (Росія).-Зареєстр.07.10.97; Опубл.27.02.98, Бюл. № 1.

22. А.с. 1294845 СССР. МКИ С21Д 9/06, 1/56. Способ термической обработки крупногабаритных изделий К.Ф.Стародубов, И.Е.Долженков, Л.Н.Дейнеко, С.К.Калиновский, В.А.Дробязко, В.С.Толстых, С.Г.Каплан, Г.К.Михайлин, В.Д.Нохрин (СССР). - № 3836165; Заявлено 02.01.85; Опубл.07.03.87, Бюл. № 9. - С.113.

23. А.с. 1576578 СССР. МКИ С21Д 1/56. Способ термической обработки крупногабаритных изделий / В.И.Большаков, Л.Н.Дейнеко, В.А.Дробязко, В.С.Толстых, С.К.Калиновский, И.В.Куксенко, В.В.Ильюшонок, Ю.М.Рязанцев (СССР).-№4419461; Заявлено 04.05.88; Опубл.07.07.90, Бюл. № 25. - С.134.

24. А.с. 1650727 СССР. МКИ С21Д 1/64.Устройство для охлаждения изделий / В.И.Большаков, Л.Н.Дейнеко, В.С.Толстых, В.А.Дробязко, М.А.Безуевский, С.К.Калиновский, Ю.А.Винник, Ю.Г.Корнеев, (СССР). - №4498912; Заявлено31.10.88; Опубл.25.05.91, Бюл. № 19. - С.106.

25. Пат. 5613 України, МКІ С21Д 9/22, С21Д 1/161. Спосіб гартування штампа / В.І.Большаков,Л.М.Дейнеко,Р.Л.Блейфер,Л.І.Москаленко (Україна), В.В.Стежкін, С.М.Баженов, Р.С.Кудрявцев, С.Н.Дейнека (Россия). - №4946254/02; Зареєстр. 28.12.94; Опубл.28.12.94, Бюл. № 7-1.

26. Пат. 3592 України, МКІ С21В 1/64. Устаткування для охолодження виробів / В.І.Большаков, Л.М.Дейнеко, С.К.Калиновський.-Зареєстр.30.06.94; Опубл. 27.12.94. - Бюл. № 6-1.

27. Пат. 20153А України, МКІ С21Д 9/08, С21Д 9/50. Охолодний пристрій для гартування металовиробів у водних розчинах солей / Л.М.Дейнеко, Ю.М.Таран, В.І.Большаков, В.С.Нікітченко, Є.Г.Назарець, І.Ю.Кріпак, В.І.Павлов, Н.Д.Шарабан, В.Л.Кумпан Україна), Р.С.Кудрявцев, В.С.Стежкин, С.М.Баженов (Росія).-Зареєстр. 25.12.97; Опубл.25.12.97, Бюл. № 6.

28. Пат. 20154А України, МКІ С21Д 1/56, С21Д 9/06. Спосіб гартування металовиробів / Л.М.Дейнеко, Ю.М.Таран, В.І.Большаков, І.Ю.Кріпак, В.С.Нікітченко, Є.Г.Назарець (Україна), С.М.Баженов, В.В.Стежкин, Р.С.Кудрявцев (Росія).-.Зареєстр.25.12.97; Опубл.25.12.97, Бюл. № 6.

29. Анализ особенностей производства толстолистового штрипса, предназначенного для использования при освоении шельфовых нефтегазовых месторождений / Падалко В.С.,Харахулах В.С.,Большаков В.И.,Таран Ю.Н.,Булянда А.А.,Сахно В.А.,Хангулиев Г.И.,Дейнеко Л.Н. // Металознавство та термічна обробка металів (Придніпровська держ. академ. будівн.та архітек.).-1999.-№3.-С.5-11.

30. Технология термической обработки металлоизделий из пружинной стали с использованием закалочной среды на водной основе/Дейнеко Л.Н., Большаков В.И., Таран Ю.Н., Крепак И.Ю., Коржов Н.Н.// Сборник научни доклади н.-т. конференции с международно участие “Металознание, металолеене и термично обработване”. Ч.1.-Казанлък, България,1996.-С.62-64.

31. Использование в технологиях упрочняющей термообработки охлаждающих сред на водной основе/Дейнеко Л.Н.,Таран Ю.Н,Большаков В.И,Крепак И.Ю., Коржов Н.Н. // Сборник научни доклади н.-т. конференции с международно участие “Металознание, металолеене и термично обработване”. Ч.1.-Казанлък, България, 1996.-С.58-61.

32. Выбор оптимальных режимов упрочняющей термической обработки низколегированных сталей 10ХСНД и 15ГЮТ /Стародубов К.Ф., Лещенко А.Н., Дейнеко Л.Н., Дворядкин Ю.С., Михалев П.М., Левченко Г.В.//Металлургическая и горнорудная промышленность.-1980.-№3.-С.23-24

33. Большаков В.И., Дейнеко Л.Н. Некоторые особенности изменения свойств термоупрочненных сталей с феррито-бейнитной структурой при отпуске. Сообщ.1 / Сб.докл.VП Всесоюзн.конф.по динамике оснований, фундаментов и подземных сооружений. Производство и применение термически упрочненного проката в строительстве. - Днепропетровск, 1989. - С.76-81.

34. Дейнеко Л.Н., Таран Ю.Н., Большаков В.И. Разработка технологии упрочняющей термообработки штампового инструмента с использованием горячих закалочных сред на водной основе // Сб.тез.докл. Восьмого семинара с междунар.участием “Разработка, производство и применение инструментальных сталей и сплавов”. - Киев: ИПМ, 1998. - С.14.

35. Разработка технологии термической обработки сельскохозяйственных машин из стали 65Г с использованием водной закалочной среды / Дейнеко Л.Н., Бутенко В.Г., Ильюшонок В.В., Харченко Б.Г. // Труды 2-го междунар. симпозиума по механике эластомеров.-Днепропетровск:Поліграфіст,1997.-С.337-341.

36. Таран Ю.Н., Большаков В.И., Дейнеко Л.Н. Разработка технологий упрочняющей термообработки инструмента горячего деформирования с использованием водных закалочных сред. / Сб.науч.тр. Строительство, материаловедение, машиностроение (Придніпровська держ. академ. будівн. і архітектури), серия “Проблемы современного материаловедения”. - Днепропетровск: Изд.ПГАСиА, 1995.- С.28-29.

37. Исследование влияния режимов термического упрочнения на механические свойства стали 09Г2С/Большаков В.И., Дейнеко Л.Н., Рычагов В.Н., Ильюшонок В.В. - Там же. - С.127.

АНОТАЦІЇ

Дейнеко Л.М. Розробка наукових основ зміцнювальної термічної обробки сполучних деталей нафтогазопроводів і виробів спеціального призначення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. -Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2000. Дисертацію присвячено розробкам теоретичних основ процесів структуроутворення в маловуглецевих низьколегованих, вуглецевих та легованих сталях у процесі зміцнювальної термічної обробки за розробленими технологіями.

Дослідження дозволили розробити та провести дослідно-промислову апробацію режимів, технологій термічного зміцнення сполучних деталей магістральних трубопроводів діаметром до 1420 мм на тиск до 12,0 МПа, а також конструктивно-технологічні параметри пічного та гартівного обладнання, охолоджувальних середовищ на водній основі, на підставі яких виконано проект спеціалізованого термічного цеху для головного в СНД виробництва СДТ - ВО “Трубодеталь”.

Уперше в Україні розроблено та апробовано комплексну технологію термічної обробки спеціальної трубної заготовки, яка дозволила створити в Україні виробничі потужності з виготовлення спеціальної техніки.

Створено та пройшли дослідно-промислову апробацію нові способи термічної обробки інструмента гарячого деформування, запропоновано для апробації нетрадиційні методи підвищення міцності та теплостійкості металу за рахунок субструктурного зміцнення.

Ключові слова: термічне зміцнення, структуроутворення, механічні властивості, охолоджувальні середовища, сполучні деталі трубопроводів, спеціальна трубна заготовка, інструмент гарячого деформування.

Дейнеко Л.Н. Разработка научных основ упрочняющей термической обработки соединительных деталей нефтегазопроводов и изделий специального назначения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01 -металловедение и термическая обработка металлов. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена разработкам теоретических основ процессов структурообразования в малоуглеродистых низколегированных, углеродистых и легированных сталях в процессе упрочняющей термической обработки по разработанным технологиям. Применительно к соединительным деталям трубопроводов (СДТ), изготовленным из малоуглеродистых низколегированных сталей, установлено, что при ускоренном объемном их охлаждении из однородного аустенитного состояния в структуре создается повышенная плотность дефектов кристаллической решетки, при этом повышение плотности дефектов опережает увеличение степени пересыщения раствора атомами внедрения. Последующий отпуск термоупрочненного металла приводит к перераспределению атомов внедрения к дефектам решетки. Энергетически такая связь дефектов с атомами углерода и азота более выгодна, чем образование частиц вторичной фазы в определенном температурном интервале отпуска. Использование в качестве хладагентов при термическом упрочнении металла воды или водных растворов хлоридов при температуре 80^оС, способных резко изменять коэффициент теплоотдачи в процессе охлаждения при температуре металла 180-160^оС, приводит к повышению плотности дефектов решетки и задерживает процесс перераспределения атомов внедрения в металле (соответственно и стадии карбидообразования) при последующем отпуске до более высоких температур. Именно этим объясняется повышение значений предела текучести малоуглеродистых сталей после термического упрочнения с полным охлаждением в воде с температурой 80^оС при отпуске 500^оС, по сравнению с термоупрочненным металлом (со структурой Ф+Б; Б) в других средах, в которых максимальные значения этой величины достигаются после отпуска 400^оС. Но повышенный уровень дефектов решетки и микродеформаций в металле после такого режима термоупрочнения снижает уровень ударной вязкости и повышает порог хладноломкости. Установлено что прерывание процесса охлаждения СДТ при температуре металла 200^оС уровень ударной вязкости на 30-40 % выше, чем после режима термического упрочнения с полным охлаждением и аналогичным отпуском, а порог хладноломкости (Т₅₀ или Т₁₀₀) находится примерно на 50^оС ниже, чем после полного охлаждения металла. А вот значения прочностных характеристик металла (стали типа 09Г2С; 15ХСНД) после полного охлаждения в таком хладагенте примерно на 10 % выше, чем после режима прерванного охлаждения. Поэтому параметры режима термической обработки изделий должны определяться приоритетностью критериев оценки качества металла готового изделия. Исследования показали, что использование разработанных режимов термического упрочнения при изготовлении СДТ из сталей типа 14-16Г2АФ позволяет обеспечить металлу требуемый нормативными документами уровень механических свойств. В результате выполнения работы созданы эффективные способы упрочняющей термической обработки СДТ, конструктивно-технологические параметры закалочного оборудования и охлаждающие среды на водной основе, что позволило подготовить задание на проектирование специализированного термического цеха для головного предприятия в СНГ - ПО “Трубодеталь”. На основании разработок ВНИПИТеплопроектом (ЛО) выполнен рабочий проект такого цеха производительностью 40,0 тыс.тонн СДТ в год. Результаты исследований могут быть полностью использованы при проектировании аналогичного цеха для Украины. При выполнении работы автором создана комплексная технология термической обработки (предварительная и окончательная) специальной трубной заготовки, необходимая для выпуска специальной техники для Минобороны. На основании исследований впервые в Украине в условиях ЗАО НКМЗ были созданы эффективные режимы противофлокенной обработки изделий из особофлокеночувствительных сталей и технология финишной термической обработки трубной заготовки со специальным режимом многократного отпуска, обеспечивающие в металле ранее не достигаемый уровень прочности. Разработки прошли промышленную апробацию на натурных изделиях в условиях ЗАО НКМЗ. Разработанные закалочные среды на водной основе и новые способы упрочняющей термической обработки инструмента горячего деформирования (штампов, прессовых вставок) позволили повысить эксплуатационную стойкость этого инструмента в 1,5…3 раза по сравнению с традиционными технологиями термообработки. Результаты исследований позволили установить причины повышения прочности металла при охлаждении в горячих водных закалочных средах с резким изменением коэффициента теплоотдачи в области температур изделий 250⁰С, разработать и апробировать в лабораторных условиях новый способ обработки металлоизделий, позволяющий без дополнительных затрат повысить прочность и теплостойкость инструмента горячего деформирования.

Ключевые слова: термическое упрочнение, структурообразование, механические свойства, охлаждающие среды, соединительные детали трубопроводов, специальная трубная заготовка, инструмент горячего деформирования.

Deineko L.M. Scientific principls elaboration of strengthening thermal processing for the oil-gas pipelines and products of special application. -Manuscript Dissertation for the scientific degree of the Doctor of Technical Sciences in speciality 05.16.01.Physical metallurgy and heat treatment of metalls.- National Metallurgical Academy of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2000. Dissertation is devoted to the development of the teoretical foundamentals of process structureformation in lowcarboniferous alloying, carboniferous and alloying steels strengthen thermal process due to the developed technologies.

Researches enabled to develop and conduct experimently-industrial test of regims, technologies of termal strengthen of fittings for construction main pipelines about 1420mm in diametrs, with pressure of about 12,0 MPa and constructive-technological dimensions of furnace and tempering equipment, cooling environments on water basis. Based on above- mentioned technolody the project of the specialzed thermal shop was developed for main producer of such details in CIS-company “Trubodetal”. For the first time in Ukraine the technolody complex for thermal processing of special funnel storage, was developed and tested which allowed to create in Ukraine industrial powers by produsing special engineering equipment. Have been created and tested new method thermal processing tools hot deformation, proposed for testing the nontradition methods of increasly strengthening durability and heat-resistance of metal due to the substructure strengthening.

Key words: thermal strengthen, structureformation, mechanical property, cool environments, fittings for construction main pipelines, special funne storage, tools hot deformation.

Размещено на Allbest.ru