технология то

Таблица 16 Механические свойства термически и термомеханически упрочненной стержневой арматурной стали по ГОСТ 10884–81

Класс	Температура	Номи-	Механические			Испытания на		Диаметр
арматур-	электрона-	нальные	свойства			изгиб в	хо-	оправки,
ных	грева, ОС	диа–	В,	0,2,	,	лодном	со-	мм
стержней	(не менее)	метры	МПа	МПа	%	стоянии
		стержней	не менее
AT–III	–	10–14	590	440	15	900		3d
		16–40	590	440	14
AT–IV	350	10–14	785	590	10	450		5d
		16–40	785	590	9
AT–V	400	10–14	980	785	8	450		5d
		16–32	980	785	7
AT–VI	450	10–14	1230	980	7	450		5d
		16–32	1180	980	6
AT–VII	500	10–14	1420	1180	6	450		5d
		16–28	1370	1180	5

Для изготовления арматурных стержней этих классов применяют следующие марки сталей (табл.17).

Таблица 17 Состав и механические свойства стержневой арматурной стали, упрочненной термической и термомеханической обработкой по ГОСТ 10884–81 (диамет-

ром 10–28 мм)

Kласс	Mарка стали
AT–IIIc	БСт5сп, БСт5пс
AT–IVC	25Г2С
AT–IVK	10ГС2, 20ХГС2, 08Г2С
AT–V	20ГС, 10ГС2, 20ГС2, 08Г2С
AT–VCK	20ХГС2
AT–VI	20ГС, 20ГС2
AT–VIK	20ХГС2

В обозначении классов арматуры с повышенной стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением добавляется индекс “К”, свариваемой – индекс “С”.

Обычно нагрев арматурных сталей под закалку и отпуск производят непосредственно пропусканием электрического тока на специальных агрегатах, состоящих из нагревательного, закалочного и правильно-отпускного устройства. Такое электро-термическое упрочнение позволяет из арматурной горячекатаной стали Ст5 класса А–II получить арматуру класса АТ–IV. А из стали 35ГС класса А–III получить класс АТ–V. Оптимальная температура нагрева стали Ст5 при скорости нагрева 100 ОС/с составляет 920–950 ОС. Наилучшее сочетание прочно-

Страница

41

сти и пластичности достигается после отпуска при температурах 350–380 ОС. Для стали 35ГС оптимальная температура закалки 880–920 ОС, а отпуска 360–450 ОС. Основным недостатком термического упрочнения арматурных сталей с отдельного нагрева – большие энергозатраты и низкая производительность оборудования. Более перспективна термообработка с использованием тепла прокатного нагрева. При этом сокращается длительность процесса, уменьшается окалинообразование и появляется возможность упрочнения по схеме ВТМО.

Термическое упрочнение арматуры, движущейся со скоростью 12–17 м/с, осуществляют по схеме прерывистого охлаждения от температур прокатки 1080– 1040 ОС до температуры самоотпуска 300–600 ОС, которая зависит от требуемого класса прочности. Охлаждение стержней производят движущимся потоком воды, которая подается под большим давлением в охлаждающие устройства. Причем, поток воды обеспечивает перемещение стержней.

Рис. 22. Схема устройства для охлаждения и гидротранспортирования арматуры. 1 – приемная воронка; 2 – корпус форсунки; 3 – сопло; 4 –камера охлаждения; 5 – стержень

7.2. Технология термического упрочнения фасонных профилей проката

Его производят путем интенсивного охлаждения проката от температур нагрева выше АС3 как с отдельного нагрева, так и с прокатного нагрева сразу после деформации. Для фасонных профилей (уголок, швеллер) из низкоуглеродистых и низколегированных сталей температура закалки составляет 900–1000 ОС, скорость охлаждения должна быть не менее 150 ОС /сек, а температура отпуска 500–650 ОС. При закалке образуется структура мартенситного типа с небольшим количеством игольчатого феррита. А после отпуска – структура сорбитного типа.

Такая обработка позволяет повысить предел текучести низкоуглеродистых и низколегированных сталей, таких как Ст3, Ст3Г, 09Г2, 09Г2Д до уровня 470– 600 МПа при более 16...18%. При этом обеспечивается высокое значение ударной вязкости, которая даже при температуре –70....–80 ОС находится на уровне 0,5–1,5 МДж/м2. При термическом упрочнении с прокатного нагрева используется схема ВТМО. Для этого прокат с температуры конца проката 1050–1100 ОС интенсивно охлаждают таким образом, чтобы после прекращения охлаждения за

Страница

42

счет аккумулированного тепла среднемассовая температура составляла 650–680 ОС. Такая обработка позволяет на фасонном профиле стали Ст3пс получить уро-

вень прочности 500–640 МПа, Т = 400–570 МПа, = 20–30%, а KCU = 0,8–2,2

МДж/м2. Причем порог хладноломкости ниже – 65 ОС.

7.3. Технология термомеханического упрочнения проката для буровых штанг

Буровой инструмент работает в условиях ударно-циклических напряжений, которые приводят к усталостному разрушению. Для изготовления буровых штанг применяют горячекатаную сталь марок У7, 55С2, 28ХГН3М, а также 40Х2АФА, которые поставляются в штангах длинной 6 м. Наиболее эффективно термомеханическое упрочнение этих сталей по схеме ВТМИЗО с распадом деформированного аустенита в перлитной области. ТМО производится по следующей схеме

(рис23).

Рис. 23. Схема опытно-промышленной установки в потоке стана 320 для ускоренного охлаждения проката для буровых штанг:

1 – чистовая клеть; 2 – блок предварительного охлаждения; 3 – приводные ролики; 4 – летучие ножницы; 5 – спрейерное устройство

После выхода из чистовой клети 1 раскат имеет температуру конца прокатки и движется к блоку предварительного охлаждения 2 и охлаждается до 800–850 ОС. Затем раскат режется на мерные длины с помощью летучих ножниц 4. После они охлаждаются в блоке спрейеров 5 до температур 600–650 ОС. Далее штанги охлаждаются на холодильнике стана. Такая обработка обеспечивает для стали 55С2 получение трооститной структуры по всему сечению, тогда как после горячей прокатки структура представляет грубопластинчатый перлит.

Таблица 18 Механические свойства горячекатаной (ГК) и термомеханически упрочненной стали 55С2

Свойства	0,2, МПа	В, МПа	, %	, %	KCV, МДж/м2
ГК	480	760	24	51	0,38
ТУ	830	1160	16	51	0,83

Видно, что уровень свойств горячекатаной стали значительно ниже. Такое упрочнение повышает стойкость штанг в 1,9–3,2 раза.

Страница

43

7.4. Технология термической обработки листового проката

Листовой прокат составляет почти половину от общего количества проката. В зависимости от толщины листовую сталь подразделяют на тонколистовую и толстолистовую (табл.19).

Листовая сталь (тонколистовая и толстолистовая)				Таблица 19.
Тип стали	Толщина	листа,	Ширина листа, мм	Длина листа, мм
	мм
тонколистовая	0,2–3,9		500–4000	1200–5000
			200–2300	рулоны
толстолистовая	4,0–160		–	листы или широкая
				полоса

Обычно листовой прокат используют в состоянии проката, поэтому к листу предъявляются требования по механическим свойствам и в зависимости от категории нормируют предел прочности, предел текучести, удельное удлинение и ударную вязкость до –70 ОС. Так как лист в основном используют для изготовления деталей методом холодной деформации, то к сталям предъявляются требования по штампуемости.

По способности стали к вытяжке их разделяют на несколько групп

(табл.20):

–глубокую;

–нормальную;

–весьма глубокую;

–сложную;

–особо сложную;

–весьма особо сложную.

Таблица 20

Обозначения сталей по способности стали к вытяжке

Тип стали	Свойства стали к вытяжке
Г	глубокая
Н	нормальная
ВГ	весьма глубокая
СВ	сложная
ОСВ	особо сложная
ВОСВ	весьма особо сложная

Страница

44

Так как свойства стали после прокатки могут широко меняться, часто возникает необходимость в термообработке, которая является окончательной, т.е. производится на заключительных стадиях производства листа.

Основные виды термообработки листа следующие:

1)рекристаллизационный отжиг – производится для восстановления пластичности после холодной деформации. Его проводят для холоднокатаного листа, предназначенного для холодной штамповки, а также на промежуточных стадиях прокатки с целью повышения пластичности стали;

2)отжиг – производится для горячекатаных листов, когда их свойства не соответствуют стандарту;

3)нормализация – проводится с целью измельчения зерна и исправления структуры;

4)закалка и высокий отпуск – проводятся в том случае, когда требуются высокие механические свойства листа.

Для термической обработки листа используют следующее оборудование:

1)проходные роликовые печи для закалки и нормализации толстолистовой стали;

2)вертикальные протяжные печи для термообработки тонколистовой стали;

3)горизонтальные протяжные печи для термообработки толстолистовой стали до

6 мм;

4)садочные печи (камерные, с выдвижным подом, колпаковые), в которых термообработка листа производится в рулонах или в пачках.

Кроме того, термические печи и агрегаты могут располагаться непосредственно в потоке прокатных станов. Их достоинство – в использовании тепла прокатного нагрева.

7.5.Термическая обработка листового проката из углеродистых сталей

7.5.1. Тонколистовая сталь

Термическая обработка холоднокатаного листа регулирует конечную структуру и свойства стали. Для разупрочнения листа и повышения штампуемости проводят рекристаллизационный отжиг или нормализацию. Стали используются обычно низкоуглеродистые, кипящие и спокойные. Наилучшая штампуемость обеспечивается при структуре равноосного феррита с зерном 5–7 номера. Структура и свойства холоднокатаной стали зависят не только от режимов отжига, но и от предшествующей пластической деформации, т.е. степени и температуры деформации.

Для производства листа глубокой и особо сложной вытяжки используют следующие режимы:

1) степень обжатия последней клети горячей прокатки должна составлять 15– 20 %; 2) температура конца прокатки должна составлять 920–860 ОС (08кп, 08пс), т.е.

соответствовать аустенитному состоянию, что при охлаждении приводит к образованию ферритного зерна 7–9 номера;

Страница

45

3)охлаждение в интервале температур 750–550 ОС, т.е. после выхода из последней клети, должно быть быстрым, чтобы обеспечить благоприятную форму цементитных включений;

4)температура смотки в рулон должна составлять 550–650 ОС, т.к. при более высоких температурах при замедленном охлаждении рулона возникает крупнозернистый феррит и коалесценция перлита и может даже происходить образование цементитной сетки. При последующей холодной прокатке степень деформации должна составлять 50–60 %.

При рекристаллизационном отжиге, температура которого находится в пределах от 640 ОС до АС1, происходит образование ферритного зерна требуемого балла. Более низкие температуры приводят к измельчению зерна, что ухудшает штампуемость. При отжиге выше АС1, ввиду частичной перекристаллизации, велика опасность появления крупной и разнозернистой структуры. Тонкий лист отжигают при 640–670 ОС, толстый – выше 670 ОС.

Для повышения однородности распределения структуры, при отжиге в ру-

лонах, нагрев производят медленно, т.е. со скоростью 10–50 град/ч. При большой массе рулонов (более 10 т) рекомендуют выдержку при температуре 550 ОС в те-

чение 10–15 ч. Для кипящих сталей температуру нагрева выбирают в пределах 680–700 ОС, для спокойных – 700–720 ОС. Длительность выдержки выбирается из

условий получения необходимого перепада температуры по сечению рулона, который не должен составлять более 20–40 ОС для сталей СВ, ОСВ, ВОСВ; 40–50 ОС для сталей ВГ и Г; и 50–70 ОС для сталей Н и Г.

Скорость охлаждения не оказывает существенного влияния на размеры и форму феррита и цементита, но определяет процессы выделения нитридов и карбидов. Наибольшее изменение растворимости углерода в феррите при 720–400 ОС, а азота – 600–300 ОС. Поэтому для уменьшения склонности к старению скорость охлаждения в указанных интервалах не должна превышать 40 ОС /ч. Типичный режим отжига приведен на следующем рис. 24.

Рис. 24. Типичный режим отжига рулонов из стали 10 в одностопной колпаковой печи: I – нагрев;

II – охлаждение под муфелем; III – охлаждение на воздухе

Страница

46

Значительное уменьшение длительности отжига достигается при отжиге распушенных рулонов, что связано с циркуляцией атмосферы печи внутри рулона и увеличения конвективной части коэффициента теплоотдачи, что позволяет в 2…3 раза сократить длительность отжига при одновременном повышении стабильности структуры и свойств по длине и ширине рулона. После отжига распушенные рулоны перематывают и отправляют на дальнейшую обработку.

Непрерывный отжиг производится в горизонтальных протяжных и вертикальных башенных печах при непрерывном перемещении листа (рис.25). Для ускорения отжига температуру повышают до 720–870 ОС. Общая продолжительность отжига 90–180 с. При нагреве в жидких теплоносителях продолжительность выдержки уменьшается до 15–20 с, но рекристаллизация при быстром нагреве приводит к образованию мелкозернистого феррита, повышению прочностных свойств и снижению штампуемости. Быстрое охлаждение приводит к увеличению склонности к старению. Получение сталей категорий ОСВ, В и ВГ может быть обеспечено отжигом по следующему режиму.

Рис. 25. График режимов термической обработки на агрегате непрерывного отжига для получения листа категорий СВ, ВГ (сталь 08Ю, 08пс) и ОСВ (сталь 08Ю)

Для получения достаточно крупнозернистой структуры при непрерывном отжиге рекомендуют использовать сталь с крупным зерном, использовать также такие степени деформации, которые обеспечивают интенсивный рост аустенитного зерна, а также применять низкоуглеродистые стали (0,05–0,06% С), легированные титаном (до 0,1 %), которые не склонны к старению даже после ускоренного охлаждения после прокатки.

В последнее время широко применяется горячекатаная листовая сталь, для термообработки которой используют те же режимы прокатки, охлаждения и смотки в рулоны. При необходимости сталь подвергают нормализации или отжигу. Листы, толщиной менее 2 мм, укладывают пачками, а более 2 мм – поштучно.

Страница

47

Время нагрева назначают из расчета 1 мин на мм сечения при двустороннем нагреве и 2–4 мин при одностороннем. Температура нагрева при нормализации для кипящих и полуспокойных сталей составляет 930–950 ОС. При содержании углерода более 0,2 % температуру понижают до 910–930 ОС. Температура отжига для этих сталей составляет 840–860 ОС и 820–840 ОС соответственно. Для спокойных сталей температуру нормализации выбирают в пределах 920–940 ОС, а температуру отжига – 830–850 ОС. Охлаждение производят на спокойном воздухе или под вентиляторами. При термообработке травленных листов применяют защитные атмосферы.

7.5.2. Толстолистовая сталь

Её производят в виде листов, рулонов и полосы. В зависимости от назначения она поставляется как в горячекатаном состоянии, так и после смягчающей или упрочняющей термической обработки. Для регулирования механических свойств применяют отжиг, нормализацию, иногда с высоким отпуском, а также закалку с высоким отпуском. Термическую обработку производят обычно в проходных роликовых печах. Для травленных полос применяют защитные атмосферы.

Для повышения пластичности стали толщиной не более 15 мм, предназначенной для холодной штамповки, применяют обычно нормализацию с высоким отпуском. Но закалка с высоким отпуском позволяет уменьшить склонность стали к деформационному и термическому старению и повысить характеристики прочности.

Температуры нормализации и закалки типичных толстолистовых сталей приведены в табл. 21.

		Таблица 21
Температуры нормализации и закалки толстолистовой стали
	Марка стали	Температура, ОС
	08кп, 10кп, 15кп, 08, 10, 15, 15Г,Ст1, Ст2	920–940
	20, 20Г, ВМСт3, Ст3	900–910
	25, 30, 30Г, Ст4, Ст5	860–880
	35, 40, 45, 45Г	820–840
	50, 50Г, 60Г, 70, 70Г	780–820

Охлаждение при закалке производят в закалочных устройствах. Это могут быть прессы, душирующие установки, роликовые закалочные машины. Отпуск производят обычно в проходных печах при температурах 600–700 ОС. Время нагрева определяют из расчета 2–4 мин на мм сечения. Охлаждение производят либо на воздухе, либо водо-воздушной смесью.

Страница

48

7.5.3. Термическая обработка листового проката из легированных сталей

Прокат из легированной стали поставляется как тонколистовым, так и толстолистовым. В зависимости от требуемых механических свойств применяют следующую термообработку: отжиг, нормализацию, нормализацию с высоким отпуском и закалку с высоким отпуском. Для листов из низколегированных сталей в основном используют нормализацию или закалку с высоким отпуском, что позволяет повысить ударную вязкость и в 1,5–2 раза повысить характеристики прочности (табл. 22).

Температуры нагрева из легированных сталей при термообработке					Таблица 22
Марка стали			Температура, ОС
		Отжиг	Нормализация (Н)		Отпуск
			закалка (З)
	низколегированные стали
14ХГС, 17Г1С, 17ГС		–	900–920 (Н)		–
16ГС, 14Г2		–	930–950 (Н,З)		690–710
09Г2, 10ХСНД, 10Г2С1Д		–	940–960 (Н,З)		660–690
	легированные конструкционные стали
38ХА, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х		750–800	840–860 (Н)		690–710
20ХГСА,30ХГСА, 35ХГСА,		750–800	820–840 (Н)		690–710
25ХГФ
	коррозионностойкие	, жаростойкие	и жаропрочные стали
аустенитный класс
08Х22Н6Т,	10Х14Г14Н3,	–	1000–1050 (З)
10Х14АГ13, 20Х20Н14Г2
20Х13Н4Г9, 10Х14Г14Н4Т,		–	1050–1080 (З)
12Х14Г9АН4, 03Х17Н14М3
20Х25Н20С2, 12Х25Н16ТАР		–	1080–1100 (З)
10Х23Н18		–	110–1150 (З)
мартенситный класс
12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13,		840–880	–		–
11Х11Н2ВМФ
ферритный класс
14Х17Н2,	08Х13, 12Х17,	–	760–780		–
08Х17Т, 08Х18Т1, 15Х25Т,
15Х28

Страница

49

Термическую обработку листов до 50 мм производят в проходных печах, листов большей толщины – в камерных. Время нагрева и выдержки назначают исходя из характеристик оборудования. Обычно оно составляет до 2 мин на мм сечения при нормализации и закалке, и до 6 мин на мм сечения при отпуске. Охлаждение при закалке производят в прессах или роликовых закалочных машинах, которые обеспечивают большую равномерность охлаждения. При охлаждении листов из камерных печей используют закалочные баки с водой, перемешиваемой воздухом.

Для отжига листов и рулонов легированных конструкционных сталей используют камерные печи. Охлаждение производят со скоростью 30–60 ОС /ч до 500 ОС, дальше на воздухе. Для предотвращения окисления и обезуглероживания поверхности холоднокатаную и горячекатаную травленную листовую сталь нагревают в защитной атмосфере. После отжига охлаждают в защитной атмосфере до 160–180 ОС, чтобы не допустить образования окалины.

7.5.4. Термообработка листового проката из двухфазных феррито-мартенситных сталей

Применение таких сталей позволяет получать повышенные прочностные характеристики при штампуемости на уровне низкоуглеродистых сталей при относительном удлинении на уровне 20–30%. Двухфазную структуру, состоящую из зерен феррита, окруженных участками мартенсита или бейнита в количестве 5–15 %, получают при нагреве до межкритического интервала температур, т.е. до 750– 780 ОС с быстрым охлаждением со скоростью 210 ОС /с. Легирующие элементы повышают устойчивость аустенита, способствуя получению двухфазной структуры. Хорошая штампуемость этих сталей обеспечивается наличием феррита. После изготовления деталей методами штамповки производят кратковременный отпуск при температуре 200–400 ОС, который часто совмещают с нагревом для сушки после нанесения лакокрасочного покрытия.

Термообработку этих сталей обычно осуществляют в агрегатах непрерывного отжига, т.к. при обработке в рулонах невозможно обеспечить высокую скорость охлаждения. Конкретные температуры выбирают из расчета значений критических точек. Иногда используют перестаривающий отпуск, который повышает предел текучести стали. Феррито-мартенситные стали используют обычно в автомобильной промышленности для изготовления дисков колес, дверных крепежных деталей и т.д., когда необходимо уменьшить массу детали за счет повышения прочности детали (табл. 23).

Таблица 23 Двухфазные (мартенситно-ферритные) стали, обеспечивающие повышенные характеристики прочности ( Т=350–450 МПа, В=600–1000 МПа, при штампуемости на уровне низколегированных сталей ( =20–30 %, Т/ В=0,5–0,63))

С,%	Mn,%	Si,%	Cr,%	V,%	Mo,%
0,06–0,13	1,0–2,0	0,25–1,5	0,5	или 0,1	или 0,1–0,4

Страница

50

7.5.5. Термообработка листов с прокатного нагрева

Она обладает существенными технико-экономическими преимуществами, т.е. использование тепла прокатного нагрева облегчает правку листа, уменьшает потери металла в окалину. Для листов из углеродистых и низколегированных сталей применяют следующие виды термической обработки (рис. 26).

Рис. 26. Способы термической обработки из низкоуглеродистой стали с прокатного нагрева (Ст3сп, толщина листов 40 мм): 1 – нормализация с использованием тепла прокатного нагрева; 2,3 – одинарная и двойная упрочняющие термические обработки; 4 – охлаждение на воздухе

1 – производится после принудительного охлаждения листов до 600–650 ОС с последующим охлаждением на воздухе до 550 ОС и передачей листов к печам для нормализации; 2 – одинарная термообработка заключается в ускоренном регулируемом охлажде-

нии листов до 650–700 ОС, что подавляет рекристаллизацию и сохраняет мелкозернистую структуру; 3 – вторая упрочняющая термообработка выполняется путем ускоренного охлаж-

дения до 600–400 ОС с последующим ускоренным отпуском при температуре до 680 ОС. Такая обработка позволяет получить после отпуска мелкие зерна феррита с равномерно распределенными дисперсными карбидами. Охлаждение производят водой с помощью душирующих устройств.

7.6.Технология термической обработки труб

Вотличие от других видов металлоконструкций, для труб характерно наличие развитой поверхности, что характеризует наибольшее отношение площади поверхности к массе. Сортамент труб очень разнообразен.

Страница

51

По способу производства трубы делятся на литые, бесшовные, сварные, а по назначению делятся на:

–трубы для нефте- и газодобывающей промышленности;

–трубы для теплоэнергетики;

–трубы для магистральных нефте- и газопроводов;

–трубы для производства подшипников;

–трубы для химической промышленности;

–трубы для строительства.

Условия эксплуатации труб позволяют сформулировать основные требования к материалу. Для нефтегазовых трубопроводов важен интервал рабочих температур, который лежит в пределах – 60...200 ОС, знакопеременные нагрузки, коррозия под напряжением. Для северных месторождений требуется высокая хладостойкость материала.

Трубы для теплоэнергетики должны работать до 100 тысяч часов при температуре до 600 ОС и при давлениях до 25 МПа. Для этих сталей главное требование – повышенная длительная прочность.

Для труб, применяемых в химической промышленности, важное требование

– коррозионная стойкость и отсутствие межкристаллитной коррозии. Трубы изготавливают из углеродистых и легированных сталей.

7.6.1. Особенности термической обработки труб

Вид термической обработки труб определяется способом их производства, составом стали и условиями эксплуатации. Трубы подвергаются отпуску, нормализации с отпуском и закалке с отпуском.

Цели термообработки труб следующие:

1)обеспечение необходимого комплекса свойств;

2)подготовка необходимой структуры для термообработки труб;

3)выравнивание структуры и свойств металлосварных и литых труб. Термическая обработка может быть как завершающей, для бесшовных и

сварных труб, так и промежуточной, для передельных труб. Кроме того, она может быть объемной и локальной. Трубы характеризуются развитой поверхностью при относительно небольшой массе, поэтому для вычисления продолжительности нагрева труб вводят коэффициент формы, который представляет отношение толщины стенки к диаметру трубы. Поэтому при тепловых расчётах вычисляют сначала коффициент формы по графику на рис. 27, затем с помощью номограммы на рис. 28 определяют удельную продолжительность нагрева труб в печах различного типа.

Страница

52

Рис. 27. График для расчета коэффициента формы трубы (К) в зависимости от отношения толщины стенки к диаметру

S/D

Рис. 28. Номограмма для определения удельной продолжительности нагрева труб

Большое значение при термообработки имеет правильный выбор охлаждающих устройств. Равномерность охлаждения по периметру трубы обеспечивают за счет симметричного и равномерного подвода охлаждающей cреды и вращением трубы вдоль продольной оси. По конструкции различают охлаждающие устройства радиальные, тангенциальные и тангенциально-осевые. Наибольшее распространение получили радиальные охлаждающие устройства (рис.29).

Страница

53

Рис. 29. Радиальный многосопловый спрейер

7.6.2. Технология термообработки труб для добычи нефти и газа

Различают три основных вида таких труб:

–бурильные;

–обсадные;

–насосно-компрессорные.

Материалы для этих труб должны обладать высокой прочностью, пластичностью, сопротивлением хрупкому и усталостному разрушению и хладостойкостью. В зависимости от прочностных свойств трубы подразделяют на группы

(табл.24).

Механические свойства бурильных труб по ГОСТ 631–75 (не менее)							Таблица 24
Группа	Д	К	Е	Л	М	Р		Т
прочности
В, Мпа	637	686	735	784	882	980		990
Т, Мпа	372	490	539	637	735	882		980
5, %	16	12	12	12	12	12		12
10, %	12	10	10	10	10	10		10
KCV,	362	392	392	392	392	294		294
кДж/м2

Замена толстостенных труб низких групп прочности на тонкостенные высоких групп прочности приводит к возможности более глубокого бурения. Обычно трубы для добычи нефти изготавливают бесшовными диаметром 33...425 мм с толщиной стенки 3,5...16,5 мм. Для обсадных и насосно–компрессорных труб предусмотрены следующие группы прочности.

Страница

54

Таблица 25 Механические свойства обсадных и насосно–компрессорных труб по ГОСТ 632– 80, 633–80 (не менее)

Группа	Д	Е	Л	М	Р	Т
прочности
В, МПа	655	689	784	882	980	990
Т, МПа	379–552	539–758	655–862	758–965	930–1137	1034–1241
5, %	14,3	13	12,3	10,8	9,5	8,5

Трубы групп Е, Л, М, т.е. с Т = 500–750 МПа получают с использованием термической обработки. Обычно используют стали 32Г2 или 32Г2С, которые при необходимости легируют V, Mo, Cr. Такие стали содержат не более 0,35 % С и до 1,45 % Мn. Термическая обработка таких труб обычно производится на непрерывных линиях. Для выбора температуры нормализации и закалки необходимо учитывать как группу прочности, так и толщину стенки трубы. Для сталей 32Г2 рекомендованы следующие значения температур нагрева под закалку и отпуск труб.

Таблица 26 Температурный интервал нагрева под закалку и отпуск обсадных труб, ОС

Группа		Температура	нагрева	Температура нагрева под
прочности		под закалку		отпуск
	Толщина стенки трубы 8–10 мм
Е		860–890		640–670
Л		860–890		600–630
М		860–890		570–600
	Толщина стенки трубы больше 11 мм
Е		880–910		620–650
Л		880–910		600–630
М		880–910		540–570

7.6.3. Технология термообработки труб для магистральных газо– и нефтепроводов

Обычно используют спиральношовные трубы большого диаметра (820–1220 мм) с толщиной стенки 8...12,5 мм. Для производства труб используют стали 17Г1С и 17Г2Ф. Температуры нагрева под закалку для 17Г2Ф составляет 895–925 ОС, для 17Г1С – 900–940 ОС. Охлаждение после нагрева производят в спрейерном устройстве, которое обеспечивает скорость охлаждения до 45 ОС /сек в интервале температур 800–400 ОС, отпуск производят при температурах 700–730 ОС для 17Г2Ф и 600–640 ОС для 17Г1С. После указанной термической обработки обеспечивается следующий уровень свойств (табл.27).

Страница

55

Механические свойства труб								Таблица 27
Марка	Размер		Основной металл				Сварное
стали	труб						соединение
	DхS,	В,	Т,	5,	,	KCU–50,	В,		KCU–50,
	мм	МПа	МПа	МПа	%	МДж/м2	МПа		МДж/м2
17Г1С	820х9	549–764	353–647	14,5–30,3	36–64	0,39–0,69	559–735		0,37–0,4
17Г2Ф	820х9	647–921	442–647	15,0–30,0	22–59	0,35–0,74	627–814		0,46–0,93
17Г1с	1020х9	666–804	411–725	10,0–30,0	31–68	0,27–0,72	588–784		0,39–0,83
17Г2ф	1020х9	627–931	392–647	14,0–31,0	30–64	0,24–0,83	608–833		0,41–0,81

7.6.4. Технология термообработки труб для теплоэнергетики

Для этих труб наиболее важной характеристикой является длительная прочность. Выбор марки стали и режимы термической обработки определяются назначением трубы. В энергетическом машиностроении применяют горячекатаные бесшовные трубы, холоднокатаные и холоднотянутые трубы диаметром от 10 2 до 465 60 мм. Эти трубы изготавливают из сталей перлитного, ферритного и аустенитного классов. Трубы из сталей 20 и 15ГС подвергают нормализации. Стали 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф – нормализации с отпуском. Длительная прочность определяется стабильностью структурного состояния, полученного после термообработки. Стали, содержащие Cr и Mo, чувствительны к скорости охлаждения при нормализации, т.к. при охлаждении возможно выделение карбидов и дисперсионное твердение при отпуске. Температура аустенитизации этих сталей не должна превышать 980–1000 ОС, а отпуск быть не ниже, чем 720–730 ОС. Температура эксплуатации таких сталей обычно на 100 ОС ниже температуры отпуска.

7.6.5.Термомеханическая обработка труб

Сцелью повышения прочности и пластичности проката разработаны методы термомеханической обработки (ТМО). На низколегированных сталях использование ТМО позволяет в 2 раза повысить прочностные свойства. ВТМО горячекатаных труб диаметром 114–168 мм осуществляется путем установки между раскатным и калибровочным станом закалочного устройства и печи для отпуска. После раскатки трубы с деформацией около 20 %, производят закалку в спрейерном устройстве, которое устанавливают на выходе раскатного стана, т.е. за очагом деформации производится одновременное двухстороннее охлаждение снаружи и изнутри, при интенсивном поступательном и вращательном движении трубы. Механические свойства готовых труб определяются степенью деформации и температурой отпуска.

Механико-термическая обработка, т.е. совмещение механической с последующей термической обработкой, приводит к значительному повышению всего комплекса свойств паронагревательных труб. Для стали 12Х1МФ предложено по-

Страница

56

сле нормализации и отпуска подвергать ее пластической деформации на 10–15 % при 20 или 500 ОС с последующим отжигом для получения полигонизованной структуры. Такая обработка приводит к повышению прочности при некотором снижении пластичности. Влияние МТО на длительную прочность представлено в табл.28.

Таблица 28 Влияние МТО на время до разрушения и длительную прочность стали 12Х1МФ

Нагрузка, МПа	Время до разруше-	, %	, %
	ния, часов
15,6	2003/8352	12,0/13,7	64/19,5
17,6	950/2727	25,0/9,0	64/19,5
19,6	425/1643	38,0/13,0	72/31,0
21,6	109/913	22,5/10,0	82/42,0
23,6	51/270	23,5/13,0	78/59,5

Числитель в таблице – после нормализации, а знаменатель – после МТО

7.6.6. Локальная термомеханическая обработка

Производится для сварных швов магистральных газо- и нефтепроводов. Технология локальной ТМО предполагает нагрев сварных соединений до температур 950–1050 ОС, деформацию на 20–25 % до толщины стенки трубы, закалку и отпуск с помощью индукционных установок при температурах 650–700 ОС, длительностью около 5 мин. Применение ЛТМО позволяет снизить порог хладноломкости.

7.6.7.Контроль качества труб

Всоответствии со стандартом производят испытания на статическое растяжение, при нормальных и пониженных температурах – на изгиб, определяют твердость и ударную вязкость. Требование по микроструктуре ограничивает размер зерна аустенита в котельных коррозионностойких трубах и размер карбидных частиц в горячекатаных трубах из шарикоподшипниковых сталей. В макроструктуре готовых труб не должно быть трещин, флокенов, усадочной рыхлости. Трубы из шарикоподшипниковых сталей подвергают контролю на включения, карбидную ликвацию и карбидную сетку. Аустенитные стали подвергают контролю

на -фазу. Наличие трещин контролируют УЗК. Для труб, работающих под давлением, проводят гидравлические испытания.

7.7. Технология термообработки проволоки

Проволока – это сталь с круглым или фасонным профилем диаметром до 16 мм, которая поставляется в мотках при диаметре до 10 мм или в бунтах при диаметре до 16 мм.

Страница

57

По назначению проволоку делят на:

–пружинную;

–канатную;

–арматурную;

–вязальную;

–игольную;

–подшипниковую.

По величине диаметра делят на:

–особо толстую (>8 мм);

–толстая (6–8 мм);

–средняя (1,6–6 мм);

–тонкая (0,4–1,5 мм);

–тончайшая (0,1–0,4 мм);

–микронная (<0,1 мм).

Значительная часть выпускается с защитным покрытием. В общем объеме преобладающую долю занимает проволока обыкновенного качества из низкоуглеродистых сталей. Для большинства видов нормируются механические свойства в состоянии поставки. Для отдельных видов проволоки предусмотрено деление на классы и категории поставки. Для проволоки важное значение имеет качество поверхности. Не допускаются любые дефекты по размерам на половину предельного отклонения по диаметру.

Проволоку получают волочением и термообработкой (обычно это рекристаллизационный отжиг с упрочняющей термической обработкой). Наилучшими характеристиками обладает проволока со структурой тонкопластинчатого сорбита.

Глава 8. Термическая обработка на машиностроительных заводах

8.1. Особенности технологии термообработки заготовок из конструкционных сталей

Значительная часть деталей изготавливается из листового и сортового проката, который предварительно обработан на металлургических заводах и позволяет проводить обработку давлением и резанием без дополнительной термообработки. Но многие детали изготавливают методами ковки, холодной деформации и литьем, что повышает коэффициент использования металла, а во многих случаях и качество деталей.

На машиностроительных заводах применяют следующие виды термической обработки:

1)предварительная, для улучшения технологичности стали. После придания формы проводят окончательную термообработку.

2)предварительная, с целью повышения свойств, т.е. устранение дефектов в структуре в литой и деформированной стали.

3)окончательная термообработка – это улучшение или нормализация.

Страница

58

8.2. Предварительная термообработка для улучшения обрабатываемости резанием

Обрабатываемость резанием характеризуется производительностью резания, усилием резания, качеством полученной поверхности, стойкостью инструмента, видом образующейся стружки и зависит от свойств и структуры обрабатываемого материала. Обычно обрабатываемость оценивают по твердости стали, но этого не достаточно, т.к. обрабатываемость существенно зависит от структуры и субструктуры. Поэтому режимы предварительной термообработки назначают исходя из состава стали и условий резания.

Поковки из низкоуглеродистых сталей хорошо обрабатываются в нормализованном состоянии и после ковки не требуют термообработки. При большом объеме механической обработки поковки из сталей, содержащих до 0,2 %С, рекомендуют подвергнуть нормализации с ускоренным охлаждением. При этом металл несколько упрочняется, что устраняет налипание металла на инструмент и облегчает условия резания.

Поковки из цементуемых сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 14ХГНМ, 25ХГМ подвергают изотермическому отжигу или нормализации. Установлено, что наилучшая обрабатываемость резанием достигается при однородной феррито–перлитной структуре с определенным соотношением твердости структурных составляющих, т.е. твердость феррита должна составлять 1400–2000 МПа, а твердость перлита не более 3000 МПа. Если твердость выше этих пределов, то увеличивается износ инструмента, а если ниже – снижается чистота поверхности.

Не допускается наличие в структуре продуктов промежуточного превращения с твердостью выше 3500 МПа. Такую структуру обеспечивает изотермический отжиг по следующему режиму (рис.30).

Рис. 30. График изотермического отжига поковок в толкательном агрегате

Такая обработка обеспечивает оптимальную обрабатываемость. Температура аустенитизации составляет 870–920 ОС в зависимости от марки, выдержка около 1 ч. Завышение температуры аустенитизации повышает устойчивость аустени-

Страница

59

та и не позволяет получить распад по перлитной ступени при изотермической выдержке. Охлаждение от температуры аустенитизации должно быть ускоренным, обычно обдувом горячего воздуха, т.к. при замедленном охлаждении возникает полосчатая феррито–перлитная структура. Кроме того, при замедленном охлаждении увеличивается разность между твердостью феррита и перлита. Изотермическая выдержка производится при температурах 620–660 ОС. Длительность должна быть достаточной для завершения распада аустенита и начала коагуляции карбидов, т.е. для среднелегированных сталей 12Х2Н4, 12ХН3А около 4 ч, а для сталей типа 20ХГНМ около 2 ч.

Ввиду трудоемкости такой режим используют для деталей с большим объемом резания (шестерни, шлицевые валы). Также рекомендуется проводить изотермический отжиг для поковок из углеродистых сталей в сечениях до 12 мм, а поковок из легированных сталей – до 40 мм. Для поковок из цементуемых сталей широко применяют нормализацию, хотя структура и свойства по сечению при нормализации менее однородны, но обеспечивается приемлемая обрабатываемость. Для сталей с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (12ХН3А, 20ХГТ) после нормализации проводят отпуск при температурах 600– 700 ОС, причем твердость не должна превышать 240 НВ.

Поковки из углеродистых и низколегированных сталей, содержащих 0,3–0,6 %С, типа 40, 45, 40Х, 40ХН для улучшения обрабатываемости подвергают полному отжигу или нормализации. Для легированных сталей иногда дополнительно проводят отпуск. Твердость не должна превышать 230 НВ для углеродистых сталей и 240–250 НВ для легированных. При больших объемах резания также может применяться изотермический отжиг. Поковки из инструментальных и подшипниковых сталей подвергают отжигу на зернистый перлит.

Для высоколегированных сталей отжиг с медленным охлаждением в печи не дает полного распада аустенита в перлитной области и нужной твердости. Поэтому применяют более сложную обработку с нагревом до 950 ОС для сталей с Мо и V или 850 ОС для сталей с Сr и Ni с охлаждением в печи до температуры 300 ОС с последующим отпуском при 600–700 ОС. Для крупных заготовок такой отжиг проводят дважды, причем температура нагрева при втором отжиге на 30–50 ОС ниже.

8.3. Предварительная термообработка для повышенной обрабатываемости холодным пластическим деформированием

Выполнение холодной объемной штамповки требует гомогенности и однородности структуры стали. Часто используют низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали с небольшим содержанием легирующих элементов.

Для повышения штампуемости сталей типа 40Х, 40ХН, 35ХГНМ большое значение имеет сфероидизация карбидов, которые трудно получить в этих сталях, т.к. требуется сложная длительная предварительная термообработка, а использование этих сталей с пластинчатыми структурами резко снижает стойкость инструмента и предельные возможные деформации. Предварительная обработка дав-

Страница

60