Способ термической обработки изделий

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам термообработки металлических изделий, работающих в условиях повышенного давления. Цель изобретения - повышение конструктивной прочности изделий. Способ включает в себя закалку, низкий отпуск и дополнительный нагрев с последующим охлаждением, при этом дополнительному нагреву подвергают внутреннюю поверхность изделий на глубину, зависящую от величины дефекта при механической обработке и толщины наклепанного слоя. 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в аппаратуре высокого давления в химической, газовой и нефтяной промышленностях.

Известен также способ термической обработки металлических изделий, включающий закалку, низкий отпуск, дополнительный скоростной нагрев поверхности до температуры А_r1 30-400^oС на глубину, определяемую из соотношения КС_макс ) и последующее охлаждение (авт. св. СССР N 1235977, С 21 D 1/78, 1986).

Недостаток известного способа неудовлетворительная конструктивная прочность изделий, обусловленная следующим: 1. Для предотвращения хрупкого разрушения металлических изделий слой, обладающий повышенной пластичностью, должен располагаться в области наиболее напряженной. В известном способе не рассматривается распределение напряжений в теле изделий. В приведенном примере способа (стержень, работающий на растяжение) расположение пластичного поверхностного слоя не соответствует области максимальных напряжений, находящихся в центре образца и вызывающих его разрушение.

2. Пластический слой, нейтрализуя очаги хрупкого разрушения, обладает низкой прочностью.

Цель изобретения повышение конструктивной прочности изделий, работающих при высоком давлении.

Теоретическое обоснование предложенного способа состоит в следующем.

Известно, что при работе материала в области упругой деформации распределение напряжений в стенке нагруженного внутренним давлением сосуда таково, что наиболее нагруженным слоем является внутренний, на поверхности которого действуют максимальные растягивающие окружные и сжимающие радиальные напряжения. Существующие способы повышения конструктивной прочности изделий, pаботающих при высоком давлении, например автофреттаж, направлены на повышение прочностных свойств применяемых материалов. Однако, одновременно с повышением прочности пластичность материала снижается. Разноименность напряженного состояния и низкие пластические свойства материалов являются причинами преждевременного разрушения сосудов при их нагружении давлением. Повышению прочности вследствие наклепа поверхностного слоя сосудов способствует и механическая обработка растачивание, шлифовка и т.д. что в свою очередь снижает пластические свойства и повышает склонность материала к хрупкому разрушению.

В случае работы материала сосуда высокого давления в области пластической деформации окружные растягивающие напряжения уменьшаются и в зависимости от деформационной способности материала во внутренних слоях сосуда могут быть сжимающими. В том случае, если материал обладает высокой пластичностью и окружные напряжения во внутреннем слое сжимающие, материал внутреннего слоя находится в состоянии сжатия от действия как окружных, так и радиальных напряжений. В этом случае сосуды могут выдерживать давление, превосходящее предел текучести материала. Однако, поскольку при повышении пластичности одновременно снижается предел текучести материала, увеличением пластичности существенного повышения конструктивной прочности добиться невозможно.

Исходя из изложенного, для повышения конструктивной прочности изделий, работающих при высоком давлении, необходимо создание такой структуры материала, чтобы при высокой прочности основной массы материала изделий его внутренний, наиболее напряженный слой был пластичным для снижения как окружных напряжений растяжения, так и склонности материала к хрупкому разрушению.

Для достижения поставленной цели дополнительному скоростному нагреву подвергают внутреннюю поверхность изделий, работающую при высоком давлении, на глубину, определяемую соотношением: Δ = Δ₁+K(Δ₂+Δ₃), где Δ₁ критическая величина оценки возможности хрупкого разрешения, равная 0,2 0,4 мм [7] Δ₂ величина дефекта при механической обработке, мм; Δ₃ толщина слоя, находящегося под дефектом, наклепанного при механической обработке, мм; К коэффициент, учитывающий снижение характеристик пластичности в тангенциальном направлении металлических заготовок по сравнению с продольным направлением. К 1 2.

Значения характеристик пластичности внутреннего слоя зависят от конкретных требований к конструкции изделия, однако наибольшая пластичность может достигать значений полностью отпущенного материала для сталей и закаленного для сплавов, упрочняемых дисперсионным твердением.

Предложенный способ был опробован на сосудах высокого давления. Испытания проводились с нитридом бора в качестве среды, передающей давление. Размеры сосудов: внутренний диаметр 12,5 мм, наружный 70 мм, высота 50 мм. Материал сосудов Ст. 35ХГС. Все сосуды были закалена в масле от 880^oС и отпущены при 250^oС. Отпуск внутреннего слоя проводился на установке ТВЧ при 700^oС с охлаждением воздухом. Контроль величины отпущенного слоя проводился с помощью твердомера на торцах изделий. При испытаниях давление создавалось поршнем из твердого сплава ВК-6. Результаты испытаний представлены в таблице.

Результаты испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что создание пластичного слоя на внутренней поверхности изделий, работающих при высоком давлении, повышает их конструктивную прочность. Чрезмерное увеличение толщины пластичного слоя не способствует полному использованию прочностных свойств материала.

Формула изобретения

Способ термической обработки изделий, преимущественно полых, работающих в условиях внутреннего давления, включающий закалку, низкий отпуск, дополнительный скоростной нагрев и последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения конструктивной прочности изделий, дополнительному нагреву подвергают внутреннюю поверхность изделий на глубину Δ, определяемую из соотношения Δ = Δ₁+ K(Δ₂+ Δ₃) где Δ₁ критическая величина оценки возможности хрупкого разрушения, равная 0,2-0,4 мм;
Δ₂ величина дефекта при механической обработке, мм;
Δ₃ толщина слоя, наклепанного при механической обработке, мм;
K коэффициент, учитывающий снижение характеристик пластичности в тангенциальных направлениях металлических заготовок по сравнению с продольным направлением (1 2).

РИСУНКИ

Рисунок 1