Способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий в условиях высокого внутреннего давления и механического износа внутренней поверхности. Задача, решаемая изобретением - повышение конструктивной прочности труб за счет создания регламентированного распределения механических свойств по поперечному сечению трубы. Способ включает закалку и отпуск с индукционным нагревом, который проводят при переменной температуре по толщине стенки трубы с отрицательным градиентом температуры от наружной поверхности к внутренней поверхности. При этом температура отпуска по толщине стенки трубы изменяется от 600 до 200^oC. 3 табл.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, работающих в условиях высокого внутреннего давления и механического износа внутренней поверхности.

Известен способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, включающий закалку и отпуск с нагревом в печи. Для обеспечения требуемого уровня характеристик пластической, ударной вязкости и вязкости разрушения отпуск проводят при температуре 500-650^oC. При этом получают одинаковый уровень механических свойств материала по толщине стенки трубы [1] Однако данный способ упрочняющей термической обработки не обеспечивает высокого уровня конструктивной прочности труб из-за низкой поперечной прочности и малого сопротивления механическому износу внутренней поверхности.

Известен способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, включающий закалку и отпуск с индукционным нагревом. Для обеспечения требуемого уровня характеристик пластичности, ударной вязкости и вязкости разрушения отпуск проводят при температуре 500-650^oC. При этом получают одинаковый уровень механических свойств материала по толщине стенки трубы [2] Недостатком данного способа упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий является низкая конструктивная прочность труб из-за низкой поперечной прочности и малого сопротивления механическому износу внутренней поверхности, что связано с малыми значениями характеристик прочности материала, уровня остаточных сжимающих напряжений и низкой твердостью внутренней поверхности.

Наиболее близким к заявленному изобретению является известный способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, включающий закалку и отпуск при переменной температуре по толщине стенки трубы с отрицательным градиентом температуры от наружной поверхности к внутренней [3] Задачей изобретения является повышение конструктивной прочности труб за счет создания регламентированного распределения механических свойств по поперечному сечению трубы.

Задача решается за счет того, что, согласно способу упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, включающему закалку и отпуск при переменной температуре по толщине стенки трубы с отрицательным градиентом температуры от наружной поверхности к внутренней поверхности, температуру отпуска по толщине стенки трубы изменяется от 600^oC до 200^oC.

Переменную температуру отпуска по толщине стенки трубы получают градиентным индукционным нагревом и(или) регламентированным охлаждением с внутренней поверхности трубы в процессе отпуска.

Проведение отпуска согласно заявляемому способу формирует переменный комплекс механических свойств по толщине стенки трубы с возрастающим упрочнением от наружной поверхности к внутренней. Такое распределение механических свойств позволяет без опасности хрупкого разрушения трубы реализовать более высокие характеристики прочности и твердость близлежащих к внутренней поверхности слоев материала. Кроме того, такой отпуск приводит к увеличению уровня остаточных сжимающих напряжений вследствие резкого объемного изменения материала по толщине стенки трубы, связанного с распадом мартенсита при отпуске.

Проведение отпуска поверхностных слоев внутренней поверхности трубы при температуре ниже 200^oC недопустимо вследствие опасности хрупкого разрушения трубы, а температура отпуска выше 600^oC вызывает падение прочностных характеристик близлежащих к наружной поверхности слоев материала трубы ниже допустимого уровня.

Пример осуществления способа. Исследование заявляемого и известного способов упрочняющей термической обработки проводили на трубных заготовках с наружным диаметром 37 мм, внутренним 15 мм длиной 300 мм из стали 38ХНЗМФАШ. Закалку и отпуск с индукционным нагревом осуществляли на лабораторной установке с частотой вращения заготовки 140 об/мин и осевой подачей 240 мм/мин. Для индукционного нагрева использовали нагреватель ТВЧ ЛЗ-67. Закалку проводили при температуре 950^oC. Отпуск заготовок по известному способу проводили при температурах: 500, 550 и 600^oC. Кроме того, для получения корреляционной зависимости твердости от температуры отпуска и определения механических свойств материала при пониженных температурах отпуска часть заготовок отпускали при температурах 200, 300, 400 и 450^oC. Остальную часть заготовок подвергали отпуску согласно заявляемому способу. Разную температуру отпуска по толщине стенки заготовки (с температурой наружной поверхности 600^oC и температурой внутренней поверхности 200^oC) обеспечивали регламентированным охлаждением водой с внутренней поверхности при отпуске. Для чего предварительно методом подбора был найден расход воды в спрейере (9 л/мин), обеспечивающий такой перепад температуры от наружной поверхности к внутренней. О температуре отпуска на внутренней поверхности и по толщине стенки заготовки судим по твердости и по полученной корреляционной зависимости твердости от температуры отпуска.

Из упрочненных заготовок изготавливали образцы и проводили стандартные механические испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84), ударную вязкость (ГОСТ В 5192-78) и вязкость разрушения (РТМЗ-1419-80). Кроме того, определяли распределение твердости и остаточных напряжений по поперечному сечению заготовок и проводили испытания на прочность внутренним давлением. Для испытаний на прочность внутренним давлением использовали трубчатые модельные образцы с отношением наружного диаметра к внутреннему равным 2, 1.

Результаты исследований сведены в таблицы 1, 2, 3.

Из приведенных результатов следует, что обработка по заявляемому способу обеспечивает переменный комплекс механических свойств по толщине стенки заготовки с возрастающим упрочнением от наружной поверхности к внутренней и значительным повышением характеристик прочности и твердости близлежащих к внутренней поверхности слоев материала (табл. 1), а также позволяет получить более высокий уровень остаточных сжимающих напряжений (табл. 2). Повышенные характеристики прочности и повышенный уровень остаточных сжимающих напряжений обеспечивает более высокую поперечную прочность труб (табл. 3), а высокая твердость обеспечит более высокое сопротивление механическому износу внутренней поверхности.

Таким образом, заявляемый способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий повышает конструктивную прочность труб.

Формула изобретения

Способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий, включающий закалку и отпуск при переменной температуре по толщине стенки трубы с отрицательным градиентом температуры от наружной поверхности к внутренней, отличающийся тем, что температуру отпуска по толщине стенки изменяют от 600 до 200^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3