Способ изготовления насосных штанг

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления насосных штанг и других длинномерных изделий из сортового проката низкоуглеродистых экономнолегированных сталей, преимущественно бейнитного и мартенситного класса. Для получения однородной структуры и мелкого зерна, высоких и однородных механических свойств, а также коррозионной стойкости по всей длине и сечению штанг способ включает в себя горячую высадку, электроконтактный нагрев всей штанги до температуры Ас₃+(50-250)°С со скоростью 10-200°С/сек и натяжением с усилием 0,1-0,5 кгс/мм², охлаждение с этой температуры на воздухе до температуры цеха, а также нагрев под отпуск до 250-700°С со скоростью 10-200°С/сек с выдержкой 1-15 мин и натяжением 0,5-2 кгс/мм². 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления насосных штанг и других длинномерных изделий из сортового проката низкоуглеродистых экономнолегированных сталей преимущественно бейнитного и мартенситного классов.

Известен способ [1] изготовления насосной штанги, включающий, между операцией горячей высадки головок по ее концам и завершающей механической их обработки, нагрев штанги до 500÷700°С и выдержку при этой температуре с последующей (непосредственно после нее или при дополнительном нагреве до 500-700°С) правкой растяжением штанги.

В указанном способе наблюдается неравномерность прогрева штанг как по сечению, так и по длине в установленном времени нахождения их в печи. Низкая скорость нагрева и его неравномерность приводит к разноструктурности, разнозернистости стали штанг и в свою очередь к существенному разбросу прочностных и пластических свойств.

Известен способ производства буровых штанг [2], включающий, между операциями высадки бурта и окончательной механической обработкой, термическую обработку - закалку и отпуск при электроконтактном нагреве до температур соответственно 720÷1020°С и 380÷570°С с одновременным деформируемым растяжением штанг с усилием: при нагреве под закалку - 1÷1,2 кгс/мм², при отпуске - 2÷2,4 кгс/мм², обеспечивающим суммарное удлинение штанг не более 5%.

Данный способ применим в основном для буровых штанг из сталей типа 55С2, т.е. с повышенным содержанием углерода, требующих при закалке, для достижения высокой прочности, быстрого охлаждения (в воде, масле) и обеспечивающих при нагреве возможность деформируемого растяжения с указанными весьма большими усилиями без искажения геометрии штанг по их сечению.

Отсутствует регламентация по скорости нагрева. Так, при относительно низкой скорости его до весьма высоких температур интенсивность процесса роста аустенитного зерна увеличивается, что приводит к снижению пластических свойств стали буровых штанг. При этом могут усилиться процессы окисления и обезуглероживания их поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ изготовления насосных штанг [3], включающий высадку головок на горизонтально-ковочной машине по концам мерных горячекалиброванных прутков, электроконтактный нагрев под отпуск при температуре 480-500°С с выдержкой 15÷20 мин и последующим подстуживанием на воздухе до температуры 180÷200°С, правку растяжением с усилием (0,3÷0,5) σ_0,2 при этой температуре с выдержкой в напряженном состоянии 50-70 сек и механическую обработку головок: упрочнение штанги на участке галтели с прилегающим участком 300÷500 мм, путем обкатки профильными роликами, обеспечивающими контактные напряжения (0,7÷0,8) σ_0,2 при осевой подаче 8÷9 м/мин за счет разворота обкатывающих роликов.

В основном, данный способ используют для штанг из низкоуглеродистых сталей с относительно дорогими легирующими добавками, а также для компенсации снижения механических свойств в переходной зоне (полученной в штанге после горячей штамповки) посредством дополнительной операции обкатки ее роликами.

Операцию горячей высадки головок на концах таких прутков производят при нагреве концов до 1200÷1250°С, приводящей к значительному изменению исходной микроструктуры в зонах нагрева, прежде всего, укрупнению ее зернистости. На участках штанг, прилегающих к высаженным головкам, получается целая гамма структур - от феррито-перлитной до бейнита, что приводит к значительному разбросу механических свойств, снижению ударной вязкости, коррозионной стойкости, а следовательно, и выносливости штанг.

Нагрев до 480÷500°С с выдержкой 15÷20 мин не полностью снимает напряжения в штанге после горячей штамповки и не в полной мере оказывает действие на устранение весьма опасной переходной структурной зоны, на измельчение зерна, микроструктуры, а также на улучшение исходной микроструктуры прутков в состоянии поставки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение в готовых изделиях глубинных насосных штанг мелкозернистого (8÷10 балла) бейнита однородной структуры по длине и сечению штанг, высоких и равномерных прочностных свойств, а также исключение дополнительной операции обкатки.

Для достижения технического результата в способе изготовления насосных штанг, включающем горячую высадку головок по концам мерных горячекалиброванных прутков, отпуск штанги при электроконтактном нагреве, подстуживание и горячую правку, механическую обработку головок, после высадки осуществляют электроконтактный нагрев всей штанги до температуры Ас₃+(50÷250°С) со скоростью 10÷200°С/сек и натяжением с усилием 0,1-0,5 кгс/мм² и с этой температуры производят охлаждение на воздухе до температуры цеха, нагрев под отпуск ведут до температуры 250÷700°С со скоростью 10÷200°С/сек с выдержкой 1÷15 мин и натяжением 0,5÷2 кгс/мм².

Высокая скорость нагрева обеспечивает получение мелкого зерна аустенита, поскольку при таких условиях скорость зарождения центров кристаллизации новых зерен опережает скорость их роста.

Так как повышение скорости нагрева сдвигает структурные превращения в область более высоких температур, ускоряется процесс растворения карбидной и нитридных фаз, а сама физическая специфика способа электроконтактного нагрева позволяет обеспечить протекание этих процессов одновременно по всему сечению нагреваемого изделия, что положительно сказывается на получении равномерной мелкозернистой структуры аустенита во всем его объеме, а при дальнейшем охлаждении - однородной мелкозернистой структуры бейнита и, следовательно, равномерных и высоких физико-механических свойств.

Отпадает необходимость проведения операции дополнительного механического упрочнения штанг обкаткой.

При быстром нагреве под отпуск превращения (выделение углерода из твердого раствора, диффузионное превращение аустенита в гетерогенную смесь, полное снятие внутренних напряжений) сдвигаются в область высоких температур и, в результате, значительно ускоряются. Однако при этом исключается опасность роста зерна, т.е. открывается возможность за счет сокращения продолжительности времени отпуска предотвратить развитие собирательной рекристаллизации. Увеличение скорости нагрева, кроме того, снижает влияние предварительной степени деформации на величину зерна и способствует получению более мелкозернистой и однородной структуры [4].

Усилие натяжения штанг при нагреве необходимо для сохранения их прямолинейности, точности определения температуры нагрева по тепловому расширению и способствует продольной ориентации зерен микроструктуры вдоль длины штанг.

Предлагаемый диапазон температур и скорость нагрева открывают возможность использования способа для широкого круга низко- и среднеуглеродистых сталей бейнитного и мартенситного классов.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявленный способ отличается от известного применением, перед отпуском изделия после локальной операции горячего деформирования, полной аустенизации без выдержки и применением регламентированного и ускоренного нагрева при аустенизации и отпуске, а также сокращенной до минимума выдержки при отпуске, позволяющих получить равномерную мелкозернистую микроструктуру по всему объему изделия и обеспечивающих повышение уровня прочностных и пластических свойств, ударной вязкости, коррозионной стойкости при экономных энергозатратах.

Таким образом, заявленный способ соответствует условиям патентоспособности «новизна».

В способах, приведенных в других источниках информации, указанный технический результат не достигается.

Пример

Две партии горячекалиброванных прутков ⊘20 мм, длиною 1 м из сталей 20Н2М и 20ХГНМ с исходной структурой бейнита (с зернистостью 5-6 балла) были обработаны в ООО «Компания «ИжТехМаш» по известной действующей технологии и предлагаемому способу изготовления штанг.

Предварительно на всех прутках были высажены головки. При этом конец каждого прутка закладывали в щелевую газовую печь на длину ≈400 мм и нагревали до ковочной температуры 1200-1250°С, после чего нагретый конец прутка подвергали высадке на горизонтально-ковочной машине, где формировали головку штанги за 5 переходов, затем охлаждали ее на воздухе до температуры цеха (20°С).

После высадки головок и их охлаждения одну часть [1] штанг каждой марки стали подавали в контакты установки электроконтактного нагрева (ЭКН) и, по известной действующей технологии, нагревали до 500°С со скоростью 20°С/сек и выдержкой 15 мин, затем на стеллаж для подстуживания до 180-200°С (за расчетное время - 15 мин). При этой температуре штанги поочередно квадратной частью головки помещали в захваты машины растяжения и подвергали вытяжке с усилием (0,3÷0,5)σ_0,2 и выдержкой в напряженном состоянии 70 сек. При этом давление на штоке гидроцилиндра составляло (10,8÷11,9)Тс, а напряжение растяжения 380-400 МПа.

Другую часть [2] штанг с высаженными головками также подавали на установку электроконтактного нагрева, где нагревали (по предлагаемому способу) до 950°С со скоростью 20°С/сек и растяжением 0,1 кгс/мм², после чего сразу охлаждали на воздухе до температуры цеха (≈20°С). Затем снова нагревали на установке электроконтактного нагрева до 500°С с той же скоростью, выдержкой 15 мин и натяжением 0,5 кгс/мм². После чего штанги подстуживали до 180-200°С и, по известной технологии, подвергали горячей правке вытяжкой.

Готовые штанги из сталей 20Н2М и 20ХГНМ обеих частей партий [1] и [2] подвергали контролю по геометрическим характеристикам и по дефектам поверхности, не показавшим отклонений от норм, установленных ГОСТ 13877-96.

Результаты проверки качества микроструктуры и механических свойств штанг представлены в табл.

По указанной технологии дополнительно была обработана партия штанг из низкоуглеродистой стали марки 15Х2ГМФ, также показавшая возможность получения механических свойств на уровне класса D ГОСТ 13877-96 и ГОСТ Р51161-2002:

σ_в=870÷920 МПа; σ_т=700÷740 МПа; σ₅=14÷18%; ψ=62÷66%.

Опробование предлагаемого способа (2) на опытных укороченных прутках из низкоуглеродистых экономнолегированных сталей бейнитного класса обеспечило получение равномерной мелкозернистой структуры по всему телу штанги и более высокий уровень механических свойств (табл.) по сравнению с получаемыми посредством способа-прототипа (1).

Структура, механические свойства опытных насосных штанг ⊘20 мм, обработанных предлагаемым (2) и известным (1) способами термообработки при их изготовлении
№ способа	Марка стали	Микроструктура	Средний уровень механических свойств
		Середина длины штанги	Переходная зона
Вид1	Балл зерна	Вид	Балл зерна	σв, МПа	σт, МПа	δ5, %	ψ, %	≤Нв
1	20Н2М	Б	6	Ф+П+Б	5-6	620	412	25	60	180
2	20Н2М	Б	7-8	Б	7-8	685	470	26	62	195
1	20ХГНМ	Б	6-7	Ф+П+Б	6	910	790	16	60	270
2	20ХГНМ	Б	8-9	Б	8-9	1004	850	18	63	295
Примечание: Ф - феррит, П - перлит, Б - бейнит

1. Ас. №2048538 С21D 1/78.

2. Ac. №2134305 С21D 7/13, 8/00.

3. Патент № RU 2270871 C1, C21D 8/00 (2006/.1), C21D 7/13 (2006.01) дата регистрации 17 января 2005.

4. В.Н.Иванов, К.А.Осипов. «Возврат и рекристаллизация в металлах при быстром нагреве». М.: изд. «Наука», 1964.

Способ изготовления насосных штанг, включающий горячую высадку головок по концам мерных горячекалиброванных прутков, отпуск штанги при электроконтактном нагреве, подстуживание, горячую правку, механическую обработку головок, отличающийся тем, что после высадки осуществляют электроконтактный нагрев всей штанги со скоростью 10-200°С/с и натяжением с усилием 0,1-0,5 кгс/мм² до температуры Ас₃+(50-250)°С, с которой производят охлаждение на воздухе, а нагрев под отпуск ведут до температуры 250-700°С со скоростью 10-200°С/с, натяжением с усилием 0,5-2 кгс/мм² и выдержкой 1-15 мин.