close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Способ безокислительной термической обработки стальных длинномерных труб с хромовым покрытием внутренней поверхности..pdf

код для вставкиСкачать
Технология производства систем и комплексов
УДК 623.4
СПОСОБ БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ДЛИННОМЕРНЫХ ТРУБ
С ХРОМОВЫМ ПОКРЫТИЕМ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
А.Ю. Александров, Р.П. Воронин
Разработан способ термической обработки профилированных труб диаметра
12,7 мм высоконагруженного изделия, направленный на получение качественного технического результата при минимально возможной себестоимости, что достигается
за счет применения разнородных безокислительных сред, обеспечения равномерного
нагрева изделий, обеспечения перепада температур в рабочем пространстве не более
± 5°С. Реализация способа представлена на примере технологического процесса получения труб диаметра 12,7 мм, выпускаемых на предприятии ОАО «Завод
им. В.А. Дегтярева» (г. Ковров). В результате внедрения способа выход годных изделий
увеличился на 30%, достигаемый экономический эффект составляет не менее 3 млн
рублей в год.
Ключевые слова: способ, труба, изделие, технология, термообработка, покрытие.
В современном машиностроении по-прежнему актуальной является
задача обеспечения качественной термической обработки стальных хромированных труб, направленной на стабилизацию покрытия.
В частности, на предприятии ОАО «Завод им. В.А. Дегтярева»
(г. Ковров) существовала проблема высокого процента брака труб диаметром 12,7 мм по сколам хрома преимущественно в выходной части после
проведения испытаний воздействием высокого давления.
Труба изготавливается из стали мартенситного класса
25Х3М3НБЦА-Ш. В соответствии с нормативной документацией [1] первоначально заготовку трубы подвергают термической обработке, которая
надежно обеспечивает требуемый комплекс механических свойств, удовлетворительную обрабатываемость резанием и деформируемость в холодном состоянии. Режимы термической обработки и заданный комплекс механических свойств стали 25Х3М3НБЦА-Ш представлены в табл. 1 и 2 соответственно.
Таблица 1
Режимы термической обработки заготовки трубы из стали
25Х3М3НБЦА-Ш
Режим термической обработки
Закалка
Первый отпуск
Второй отпуск
Среда
Среда
Среда
T,°C
T,°C
T,°C
охлаждения
охлаждения
охлаждения
1040…1060
Вода
630…645
Вода
600…620
Воздух
67
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2
Таблица 2
Комплекс механических свойств стали 25Х3М3НБЦА-Ш
Механические свойства
Ударная вязкость KCV , Дж/см2
Условный предел текучести,
МПа (кгс/мм2)
882 (90)
( кг ⋅ см/см 2 ) при
температуре, °C
+20
-60
Не менее
49 (5,0)
29,4 (3,0)
Относительное
сужение, %
55
После механической обработки наружной поверхности заготовки
трубы, глубокого сверления и развертывания получают гладкую внутреннюю часть трубы требуемого качества. Получение профилированной части
канала трубы достигается методом пластической деформации с применением оправки на радиально-ковочной машине SHK-17. После изготовления патронника на поверхность канала трубы осаждают блестящий гальванический хром в установке скоростного хромирования УСХТ-12,7, спроектированной ЦНИИМ (г. Санкт-Петербург). Согласно ТУ толщина хромового покрытия должна находиться в пределах 0,09-0,180 мм по нарезам и
0,135…0,205 мм по полям.
Применение хромирования при изготовлении труб обусловлено высоким сопротивлением хрома механическому износу и высокой эрозионной стойкостью. Эта особенность хрома в условиях воздействия нагретых
пороховых газов практически исключает диаметральный износ хромированного канала трубы до момента появления сколов покрытия. Хром имеет
высокую разгаростойкость и препятствует образованию поверхностных
трещин в стали при многократных теплосменах.
Блестящий хром отличается высоким значением микротвердости
порядка 1000 HV. Поэтому для снижения твердости, а значит и хрупкости
хрома после покрытия, повышения адгезии к основе и, в конечном итоге,
уменьшения сколообразования покрытия при стрельбе, применяют вакуумный стабилизирующий отпуск при температуре 500…540 °С. После отпуска твердость хрома снижается до 550…700 HV.
Нормативными документами на изделие предусмотрено проведение
испытаний на прочность трубы воздействием высоким давлением. При
воздействии канал трубы подвергается давлению 402…411 MПа; при
обычных условиях создается давление 314…324 MПа.
После воздействия двумя циклами нагружения трубу обмеряют
диаметрами, осматривают визуально и проверяют на дефектоскопе. Именно после испытаний циклами высоким давлением зафиксирован высокий
процент труб, отошедших в брак по сколу хрома, значения которого представлены на рис. 1.
68
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2
Таблица 3
Результаты оценки осыпаемости хромового покрытия трубы
диаметром 12,7 мм
Масса образМасса образМасса обОсыпаеца после
Часть трубы ца до сжатия, разца после
мость хроудаления пог
сжатия, г
ма, %
крытия, г
Выходная
35,1195
35,1091
35,0969
46,01
Средняя
34,8902
34,8866
34,8781
29,75
Входная
34,8977
34,8942
34,8857
29,16
Наибольшее значение осыпаемости зафиксировано в выходной
части пуансона из трубы, осыпаемость в средней и входной частях пуансона значительно ниже и имеет примерно одинаковые значения.
Учитывая результаты оценки осыпаемости хрома, для решения
задачи уменьшения сколообразования хрома в канале трубы были определены следующие направления исследований:
1) оценка влияния плавки материала на скол хрома;
2) оценка влияния режимов стабилизирующего отпуска на сколообразование хрома;
3) оценка влияния способности термического оборудования, применяемого для стабилизации хромового покрытия, обеспечить заданные
технологические параметры.
Для оценки влияния плавки материала на скол хрома была обобщена информация паспортных данных труб, результаты представлены в
табл. 4.
Таблица 4
Влияние плавки стали на скол хрома при испытании труб
воздействием высокого давления
Результаты испытаний
Количество
№ плавки испытаний,
шт.
4К9557
4К9781
4К9789
4К9831
175
373
71
35
Годен
Допущен
Брак
шт.
%
шт.
%
шт.
%
87
149
39
6
49,7
39,9
54,9
17
44
127
20
21
25,1
34
28,2
60
43
97
12
8
24,6
26
16,9
22,9
Проведенные исследования подтвердили, что химический состав
плавок 4К9557, 4К9781, 4К9789, 4К9831 соответствовал заданным требованиям [1]. При этом процент бракованных труб, изготовленных из разных плавок, имеет примерно одинаковые значения.
70
Технология производства систем и комплексов
Дополнительно с целью подтверждения или опровержения наличия зависимости процента брака по сколу хрома от плавки стали был
проведен анализ результатов испытаний труб воздействием высоким
давлением с учетом садок стабилизирующего отпуска и плавок стали.
Результаты анализа обобщены в виде диаграммы, представленной на
рис. 2, где видно, что трубы, изготовленные из одной и той же плавки
стали, но проходящие термическую обработку в разных садках, характеризуются различным процентом брака. Например, процент бракованных
труб, изготовленных из плавки стали 4К9789, находится в диапазоне
16…72 %, в результате чего можно сделать вывод об отсутствии зависимости скола хрома от плавки стали.
Рис. 2. Результаты испытаний труб воздействием высокого
давления по садкам стабилизирующего отпуска и плавкам стали
В то же время различие процента брака в зависимости от номера
садки (рис. 2) подтверждает необходимость исследования влияния режимов стабилизирующего отпуска на скол хрома.
Операцию вакуумного стабилизирующего отпуска труб выполняют
в печи СШВ15.6/7 по следующим технологическим параметрам:
− количество трубных заготовок в садке – 20 штук;
− температура нагрева – 500…540 °С;
− время выдержки при технологической температуре – 5 часов;
71
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2
− способ охлаждения – с печью;
− температура выгрузки садки из печи – не выше 200 °С.
Проведенные исследования показали, что в различных садках стабилизирующего отпуска, выполненных при номинально одинаковых режимах термической обработки, имеются значительные колебания по сколу
хрома в выходной части труб.
В то же время трубы одной партии хромирования, прошедшие термическую обработку в разных садках стабилизирующего отпуска, имеют
резко различные результаты испытаний при воздействии высоким давлением.
В результате можно предположить наличие нестабильности технологических параметров вакуумного стабилизирующего отпуска, изменение
которых существенно сказывается на сколе хрома после проведения испытаний воздействием высоким давлением.
Одним из таких технологических параметров является температура
стабилизирующего отпуска, изменение которой влияет, кроме твердости и
хрупкости, на адгезию хрома к основе [3].
Учитывая преимущественный скол хрома в выходной части труб,
принято решение опробовать двухзонную стабилизацию хромового покрытия, а именно: при неизменном времени выдержки повысить технологическую температуру стабилизирующего отпуска в выходной части труб.
Для определения оптимальной технологической температуры стабилизирующего отпуска проведена экспериментальная термическая обработка пяти партий труб в вакуумной печи СШВ15.6/7 с последующим испытанием воздействием высоким давлением и оценкой скола хрома. Результаты испытаний представлены в табл. 5.
Как видно из табл. 5, наименьшие значения брака по сколу хрома
зафиксированы при реализации двухзонной термической обработки с температурой входной части пуансона 530…540 °С, выходной части –
560…580 °С.
Способность оборудования обеспечивать требования, заданные
технологическим процессом, является одним из важнейших факторов изготовления качественной продукции. При этом немаловажную роль играет
точность приборов и способа измерения технологических параметров,
обеспечивающих функции контроля и управления реализацией технологического процесса.
Поэтому были проведены исследования возможности вакуумной
печи СШВ15.6/7, имеющей две зоны нагрева, стабильно обеспечивать заданную температуру нагрева на операции стабилизирующего отпуска.
Конструкция печи такова, что контроль температуры нагрева труб выполняется косвенным методом, так как спай рабочих термопар расположен
между нагревателями и садкой. Находясь вблизи источника излучения, а
излучение является единственным способом передачи тепла в вакууме, по72
Технология производства систем и комплексов
казания регулирующих приборов кардинально отличаются от температуры
нагрева труб, что негативным образом сказывается на управляемости процесса и получении качественного результата. Поэтому была введена временная поправка выхода садки на технологический режим. Тем не менее,
при этом выбирается весь технологический интервал ±20 °С.
Таблица 5
Зависимость скола хрома при испытаниях труб воздействием
высокого давления от режимов стабилизирующего отпуска
Температура стабилизирующего отпуска, °С
500…540 (без контрольной трубы)
530…540 (с контрольной трубой)
540…545 (с контрольной трубой)
входная часть–
500…520
выходная часть–
560…580
(с контрольной трубой)
входная часть –
530…540
выходная часть–
560…580
(с контрольной трубой)
Колво
испы
пытанных
труб
Результаты испытаний воздействием
высоким давлением
допущено
без
сколы по
сверх
брак
сколов
эталону
эталона
шт.
%
шт.
%
шт.
%
шт.
%
706
46
6,5
262
37,1
259
36,7
139
19,7
128
29
22,7
42
32,8
41
32,0
16
12,5
126
21
16,7
48
38,1
48
38,1
9
7,1
203
36
17,7
57
28,1
102
50,2
8
3,9
377
72
19,1
101
26,8
192
51,5
12
3,1
Для обеспечения двухзонного нагрева и повышения точности измерения температуры в процессе проведения экспериментов вместе с садкой
в печь загружалась контрольная труба, в стенке которой установлены 3
термопары. Размещались термопары в выходной, средней и входной частях трубы на расстоянии 165 мм от входного среза, 55 и 500 мм от выходного среза.
Контрольная труба была расположена в середине садки, свободные
концы термопар, установленных во входной и выходной частях трубы,
подключались к регулирующему прибору «Диск-250», а концы термопары
от средней части – к прибору «Варта-702».
В результате повышения температуры стабилизирующего отпуска в
выходной части трубы с 500…540 до 560…580 °С и ужесточения контроля
температуры нагрева удалось сократить среднестатистический брак по
сколам хрома в выходной части с 19,7 до 3,1 %.
73
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2
В итоге проведенных работ разработан технологический процесс
вакуумного двухзонного стабилизирующего отпуска хромового покрытия
труб со следующими параметрами:
1) температура отпуска входной части трубы на длине 300 мм от
входного среза 520…540 0С;
2) температура отпуска выходной части трубы на длине 300 мм от
выходного среза 560…580 0С;
3) температура отпуска средней части трубы на длине 480 мм от
выходного среза 530…580 0С;
4) продолжительность отпуска не менее 5 часов;
5) применение контрольной трубы с термопарами.
Несмотря на существенное снижение брака, разработанная технология вакуумного двухзонного стабилизирующего отпуска, реализуемая в
существующих шахтных печах с открытой футеровкой, имеет свои недостатки:
- значительный разбег технологической температуры особенно в
средней части садки;
- неудобство реализации по причине применения контрольной трубы;
- чрезмерную длительность технологического цикла термической
обработки (примерно 48 ч);
- низкую производительность процесса;
- неустранимый брак труб по сколу хрома 3…3,5 %.
Для устранения обозначенных недостатков разработана новая
конструкция вакуумной шахтной печи, а также скорректирован технологический процесс стабилизирующего отпуска труб (имеется патент на
способ и его реализацию), а именно:
1) температура отпуска входной части трубы на длине 300 мм от
входного среза 535±5 °С;
2) температура отпуска выходной части трубы на длине 300 мм от
выходного среза 575±5 °С;
3) температура отпуска средней части трубы на длине 480 мм от
выходного среза 550±5 °С;
4) продолжительность выдержки садки при заданных технологических параметрах 6 часов.
В результате внедрения технологического процесса брак по сколам
хрома сокращен до 1 %. Процент брака определен испытаниями воздействием высокого давления партии труб в количестве 1600 шт.
Однако с внедрением представленной технологии стабилизирующего отпуска микротвердость хромового покрытия в средней части труб
снизилась до 500…570 HV, в выходной части – до 410…490 HV относительно требуемых КД 550-700 HV. Несмотря на это, результаты испытаний
продемонстрировали повышение ресурса труб.
74
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2
3) регулирование температуры по зонам нагрева с применением
прибора «Варта-702» в комплекте с кабельными термопарами;
4) термическая обработка труб осуществляется в герметичном контейнере, крышка которого имеет водяное охлаждение;
5) приспособление с трубами соединяют с крышкой для исключения нагрузки на дно контейнера, помещают садку в контейнер, который
герметизируется посредством резиновой прокладки, вакуумируют контейнер и загружают в печь, предварительно нагретую до технологической
температуры;
6) по завершении технологической выдержки контейнер выгружают
из печи и охлаждают в колодце;
7) в освобожденную печь загружают очередной подготовленный
контейнер с трубами, тем самым увеличивается производительность печи в
2 раза за счет сокращения времени выхода садки на режим, так как она загружается в разогретую печь;
8) передача тепла контейнеру с садкой производится как за счет излучения, так и за счет конвекционных потоков воздуха;
9) конструкция печи обеспечивает регулирование температуры по
зонам с точностью ±5 °С.
Заключение
1. Разработанные и представленные в настоящей статье технические и технологические решения практически исключают скол покрытия и
способствуют повышению ресурса труб.
2. Снижение уровня микротвердости электролитического хрома
ниже требований КД не приводит к уменьшению ресурса труб.
3. Разработанный технологический процесс вакуумной стабилизации и оборудование для его реализации внедрены на предприятии ОАО
«Завод им. В.А. Дегтярева» (г. Ковров).
4. Экономический эффект от снижения брака по сколу хромового
покрытия и уменьшения себестоимости стабилизирующего отпуска труб
составляет не менее 3 млн. рублей в год.
Список литературы
1. ТУ 3-1551-88. Заготовки из стали марки 25Х3МЗНБЦА-Ш.
2. ОСТ 3-6762-2000.
3. Некоторые физико-механические свойства электролитического
хрома: техническая информация/ ЦНИИМ; рук. Фрумер Л.А.; отв. исполн.
Прожогин А.А., Ермоленко А.А. СПб., 1955. 21 с.
Александров Александр Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав.кафедрой, aleksandrov_kgta@mail.ru,, Россия, Ковров, Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева,
76
Технология производства систем и комплексов
Воронин Роман Павлович, канд. техн. наук, начальник бюро, voronin_rp@zid.ru,
Россия, Ковров, ОАО «Завод имени В.А.Дегтярева»
METHOD OF NONOXIDIZING THERMAL HANDLINGS OF STEEL LENGTHY
PIPES C CHROMIC COVERING OF THE INTERNAL SURFACE
A.Yu. Alexandrov, R.P. Voronin
The method of heat treatment of the pro-thinned-out pipes of diameter of 12,7 mm of
the high-loaded product directed to receipt of high-quality technical result in case of minimum possible cost value that is reached due to application of diverse nonoxidizing environments, ensuring uniform heating of products, ensuring difference of temperatures in working
space no more than ±5 ºC is developed. Realization of a method is presented on the example
of technological procedure of receiving of the tubes of diameter of 12,7 mm which are exhausted at the of «V. A. Degtyarev Plant» (Kovrov).As a result of implementation of a method
an exit of effective articles increased by 30 %, the reached economic effect makes at least 3
million rubles a year.
Key words: method, pipe, product, technology, heat treatment, covering.
Alexandrov Alexander Yuryevich, doctor of technical science, professor, head of the
chair, aleksandrov_kgta@mail.ru, Russia, Kovrov, Kovrov State Technological Academy of
V.A. Degtyarev,
Voronin Roman Pavlovich, candidate of technical sciences, chief of bureau, voronin rp@zid.ru, Russia, Kovrov, OPC «V.A. Degtyarev Plant»
77
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа