Россия
Ижевск, Удмуртская республика, Россия
УДК 621.789 Изменение структуры, упрочнение, повышение вязкости, отпуск и т.д. прочими способами (кроме перечисленных в 621.78/.787, например термомеханической и механотермической обработкой, регулируемым ускореннным охлаждением металла с прокатного нагрева (сорбитизация), охлаждением в магнитном поле, посредством вибрации (в частности, ультразвуковыми колебаниями) и т.д.)
Рассмотрена возможность изготовления трубных заготовок с повышенным комплексом свойств методом высокотемпературной термомеханической обработки винтовым обжатием на гладкой оправке. Выполнены исследования точности изготовления трубных заготовок и микроструктуры. Определено, что предложенная технология позволяет получать изделия с повышенными точностными и механическими характеристиками.
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, УПРОЧНЕНИЕ, ТРУБНЫЕ ЗАГОТОВКИ, СТАЛЬ 38Х2МЮА
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Трубная продукция является основной потребностью таких стратегических секторов, как нефтегазовый комплекс, энергетика и машиностроение. От качества, надежности и экономической эффективности трубных заготовок напрямую зависят бесперебойность работы этих отраслей, безопасность эксплуатации и конечная стоимость выпускаемой продукции.
Современные технические и эксплуатационные требования к трубам постоянно ужесточаются. Необходимость работы под высоким давлением, в агрессивных средах, при экстремальных температурах или в условиях Арктики предъявляет высочайшие требования к материалу, геометрической точности и физико-механическим свойствам исходной заготовки. Таким образом, именно этап производства трубной заготовки является критически важным для формирования конечных потребительских характеристик трубы.
Производство трубных заготовок представляет собой сложный технологический процесс, выбор которого зависит от требуемых размеров, точности, свойств материала и конечного назначения трубы. Все многообразие методов можно классифицировать по нескольким основным технологическим схемам (табл. 1).
Таблица 1 – Сравнение основных технологических схем [1]
|
Технология |
Тип трубы |
Диапазон |
Ключевые |
Основные недостатки |
|
Центробежное литье |
Бесшовная |
Большие, |
Высокая |
Ограниченная длина, шероховатость |
|
Прессование |
Бесшовная |
Различные, |
Труднодефор- мируемые сплавы, точность |
Высокая |
|
Непрерывная прокатка |
Бесшовная |
Средние |
Высочайшая |
Сложность настройки |
|
Пилигримовая прокатка |
Бесшовная |
Большие, |
Крупногабаритные трубы |
Низкая |
|
Электросварка |
Сварная |
Средние, |
Экономичность, скорость |
Наличие сварного шва |
Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) винтовым обжатием (ВО) позволяет решить ряд недостатков, присущих другим методам и является одной из наиболее эффективных технологий интенсивной пластической деформации. Первоначально разработанный для получения объемных мелкозернистых материалов в виде прутков, метод был адаптирован для производства трубных заготовок с уникальным комплексом механических свойств [2].
ВО является разновидностью поперечно-винтовой прокатки, но отличается от неё кинематикой процесса. На практике используются две схемы обработки цилиндрических заготовок методом винтового обжатия [2, 3]:
- обжатие заготовки с винтовым протягиванием через деформирующие ролики;
- винтовое обжатие при помощи вращающейся деформирующейся головки с роликами с подпоркой заготовки;
Обе эти схемы имеют общие признаки:
- заготовка деформируется в трех неприводных гладких деформирующих роликах;
- процесс обработки непрерывен за счет поступательного движения заготовки через индуктор, деформирующий узел и спрейер;
- величина усилия натяжения или подача заготовки регулируется углом разворота роликов;
- процесс деформации на водоохлаждаемой оправке с гребнем (рис. 1), установленном на расстоянии 0,2...0,3 длины калибрующей части от заборного конуса деформирующих роликов.
S – подача, мм/об; 1 – заготовка; 2 – индуктор; 3 – ролик; 4 – оправка; 5 – наружный спрейер;
6 – внутренний спрейер; 7 – гребень оправки; 8 – зазоры
Рисунок 1 – Схема ВТМО ВО трубной заготовки
Сущность процесса заключается в том, что заготовку нагревают токами высокой частоты до температуры аустенизации, деформируют ее в трех неприводных гладких роликах до заданного размера путем принудительного перемещения протягиванием. Процесс расширяет технологические возможности и повышает качество внутренней поверхности труб при упрочнении и калибровке без применения дополнительных средств зачистки [4].
В связи с этим, целью работы является разработка технологического процесса производства трубных заготовок методом ВТМО ВО с обеспечением повышенного комплекса свойств.
2 Материалы и методы
В качестве материала для получения трубных бесшовных изделий использовался прокат сортовой горячекатанный круглый ГОСТ 2590-2006 из жаропрочной релаксационностойкой стали 38Х2МЮА. Химический состав используемой стали определялся на эмиссионном оптическом спектрометре «Belec Compact Port».
Для обработки проката круглого сечения с целью получения бесшовной трубы с повышенным комплексом свойств был разработан технологический процесс на основе данных [5-9], состоящий из следующих операций: отрезная, токарная, глубокое сверление, ВТМО ВО, отпуск, отрезная, контроль.
На этапе отрезной операции производилась обрезка проката на мерные заготовки. Затем прутки подвергались глубокому сверлению канала диаметром 12 мм, после чего производились токарные работы для подготовки заготовки к ВТМО ВО. После этого выполнялась высокотемпературная термомеханическая обработка винтовым обжатием по режимам, представленным в табл. 2, в процессе которой заготовка подвергалась горячей пластической деформации с последующей закалкой в спрейерном устройстве. После ВТМО ВО трубы подвергались отпуску при температуре 480-520 ℃ с выдержкой 1 ч. Затем, на этапе отрезной операции, удалялся участок трубы, к которой производилось закрепление тянущего устройства установки ВО. На этапе контрольной операции выполнялась проверка соответствия размеров, а также параметров формы и поверхностей требованиям к трубной заготовке.
Таблица 2 – Режимы ВТМО ВО и размеры образца
|
Dн, мм |
dн, мм |
Dк, мм |
dк, мм |
Режимы ВТМО |
||||
|
λ, % |
S, мм/об |
Тдеф, °С |
Тнагр, °С |
Vохл, ℃/с |
||||
|
25,0 |
12,0 |
22,0 |
10,0 |
22,5 |
5,0 |
960-980 |
980-1000 |
70-100 |
|
Dн, dн – начальные наружный и внутренний диаметры соответственно; Dк, dк – конечные наружный и внутренний диаметры соответственно; λ – степень обжатия; S – продольная подача заготовки; Тдеф – температура заготовки при деформации; Тнагр – температура нагрева поверхности заготовки в индукторе; Vохл – скорость охлаждения в спрейерном устройстве |
||||||||
Для оценки свойств получаемых трубных заготовок были выполнены лабораторные исследования по определению точностных показателей, твердости и микроструктуры стали.
Исследования отклонений формы и профиля поверхностей, разностенности трубной заготовки после ВТМО ВО выполнялось с использованием системы «Talycenta system» фирмы «Taylor Hobson». Определение твердости образцов выполнялось на комбинированном твердомере МЕТ-УДА с ультразвуковым датчиком. Для оценки микроструктуры стали до и после обработки винтовым обжатием подготавливались образцы в соответствии с ГОСТ 5640-2020. Микрошлифы травились 4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты. Снимки микроструктуры были получены на оптическом микроскопе Neophot-21, анализ выполнялся в соответствии с ГОСТ 5639-82 и ГОСТ 8233-56.
3 Результаты исследований
Таблица 3 – Фактический и нормативный состав стали 38Х2МЮА, %
|
Состав |
C |
Si |
Mn |
Ni |
Cr |
Cu |
Al |
Mo |
S |
P |
|
Факт. |
0,45 |
0,43 |
0,37 |
0,03 |
1,45 |
0,223 |
0,97 |
0.20 |
0,013 |
0,016 |
|
ГОСТ |
0,35-0,42 |
0,20-0,45 |
0,30-0,60 |
< 0,3 |
1,35-1,65 |
< 0,3 |
0,70-1,10 |
0,15-0,25 |
< 0,025 |
< 0,025 |
Исследования точности размеров изделий после ВТМО ВО показали, что среднее значение наружного диаметра составило 21,92 мм, а диаметра канала – 10,07 мм. Непрямолинейность оси канала не превысила 0,1 мм на длине 300 мм. Разностенность в среднем составила не более 0,2 мм.
Твердость образцов, вырезанных из полученных трубных изделий, составила в среднем по пяти повторным измерениям в разных точках 56-58 HRC после закалки и 35-38 HRC после отпуска.
В ходе металлографических исследований были получены снимки микроструктуры, представленные на рис. 2.
а) б)
Рисунок 2 – Микроструктура стали 38Х2МЮА после ВТМО ВО
при увеличении (а) х100, (б) х1000
Согласно данным по изотермическому распаду аустенита для стали 38Х2МЮА, при скорости охлаждения в пределе 100 ℃/с, формируется мартенситная структура, которая наблюдается на рис. 2. Оценка размера зерна по эталонам, приведенным в ГОСТ 5639-82, при увеличении х100 (рис. 2, а) показала соответствие 8-му баллу. Исследование размера игл мартенсита по ГОСТ 8233-56 при увеличении х1000 (рис. 2, б) показало соответствие 7-му баллу.
4 Обсуждение и заключение
Сравнение состава фактического и определенного нормативным документом показало, что используемый при исследованиях материал является сталью 38Х2МЮА. Отклонение по углероду может объясняться как погрешностью прибора, так и отклонениями при плавке.
Согласно ГОСТ 32678-2014 для бесшовных холоднодеформированных труб определено три класса точности изготовления: обычная, повышенная и высокая. Сравнение полученных при исследованиях результатов с требованиями нормативного документа показало, что по наружному диаметру труба после ВТМО ВО соответствует повышенному классу точности и подпадает под 10 квалитет, толщина стенки и разностенность – высокому классу точности. Диаметр канала обеспечивается в пределах 11 квалитета. Непрямолинейность оси канала также соответствует требованиям стандарта.
Выбранная скорость охлаждения при закалке обеспечила твердость образцов на уровне 58 HRC после закалки, что на 3-4 единицы выше, чем при закалке с нагревом в печи [10, 11]. Однако, при ВТМО ВО возможно получение твердости в достаточно широком диапазоне за счет регулирования расхода жидкости в спрейерном устройстве и последующего отпуска [12].
Исследования микроструктуры показали, что закалка стали 38Х2МЮА в напряженном состоянии при ВТМО ВО позволяет значительно снизить размер зерна по сравнению с объемной закалкой в печи. Закалка при винтовом обжатии в режиме высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивает размер зерна в пределах 8-го балла (средний диаметр зерна 0,022 мм), а при печной закалке – в пределах 5-го балла (средний диаметр зерна 0,062 мм). Также особенности структуры оказывают значительное влияние на механические свойства материала. Согласно исследованиям [2] после ВТМО ВО наблюдается повышение прочностных, пластических и эксплуатационных характеристик сталей. В среднем, предел прочности, условный предел текучести, относительное удлинение для сталей после высокотемпературной термомеханической обработки винтовым обжатием на 8-12 % выше аналогичных показателей для стали после термообработки с печным нагревом.
1. Килов, А. С. Производство заготовок. Трубы / А.С. Килов, Р.Ш. Мансуров. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2007. – 350 с.
2. Contribution to improving of machine parts mechanical properties by thermomechanical hardening / V. B. Dementyev, Z. Sagova, A. I. Korshunov [et al.] // MM Science Journal. – 2024. – Vol. 2024, No. 5. – P. 7800-7804. – DOI:https://doi.org/10.17973/mmsj.2024_11_2024058.
3. Дудырев, М.Д. Компьютерное моделирование способа винтовой прокатки с осевым натяжением / М.Д. Дудырев, А.С. Будников // Наука, технологии, образование: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей V Международной научно-практической конференции, 25 апреля 2025 г. – Пенза, 2025. – С. 20-27.
4. Липанов, А. М. К вопросу применения полых пальцев в траках военно - гусеничных машин / А. М. Липанов, В. Б. Дементьев, А. Д. Засыпкин // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. – 2022. – № 4(124). – С. 86-91.
5. Development and computer simulation of a new technology for forming and strengthening screw fittings / S. Lezhnev, E. Panin, A. Tolkushkin [et al.] // Journal of Chemical Technology and Metallurgy. – 2023. – Vol. 58. – No. 5. – P. 955-960.
6. Uranga, P. Thermomechanical Processing of Steels / P. Uranga, H.M. Rodriguez-Ibabe // Metals. – 2020. – No. 10(5). – P. 641. – https://doi.org/10.3390/met10050641
7. Томило, В.А. Утилизация бывших в употреблении труб холодной прокаткой / В.А. То-мило, С.В. Пилипенко, А.В. Дудан // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. - № 8. – С. 118-125.
8. Прокатка труб из стали марки 08Х18Н10Т на ТПА 70-270 с двухвалковым станом для прошивки и раскатки / А.Р. Шамилов, А.В. Король, Е.Н. Обыденнов [и др.] // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». – 2024. – Т. 24. – № 2. – С. 49-60. – DOI: 10.145291met240206.
9. Яцун, Е.И. Исследование процесса глубокого сверления нержавеющей стали / Е.И. Яцун, О.С. Зубкова, С.Н. Могилев // Известия Юго-Западного государственного университета. – 2021. – Т. 25. - № 4. – С. 19-28. – https://doi.org/10.21869/2223-1560-2021-25-4-19-28
10. Влияние режима термической обработки высококачественной легированной стали на структуру, механические, акустические и магнитные характеристики. Часть 1. Объемная закал-ка и отпуск/ Н.В. Абабков, А.А. Пашков, М.В. Пимонов // Вестник Кузбасского государственно-го технического университета. – 2024. – № 4. – С.58-69. – DOIhttps://doi.org/10.26730/1999-4125-2024-4-58-69
11. Исследование микротвердости бинарных термодиффузионных систем сталь-покрытие / А.И. Блесман, Д.А. Полонянкин, Д.В. Постников, Е.А. Рогачев // Динамика систем, механизмов и машин. – 2014. – №3. – С. 52-54.
12. Макаров, С. С. Математическое моделирование процесса охлаждения металлических изделий при термомеханической обработке / С. С. Макаров // Динамика технических систем "ДТС-2025" : cборник трудов XIX международной научно-технической конференции, Ростов-на-Дону, 09–10 апреля 2025 года. – Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2025. – С. 48-53.
