Способ термической обработки изделий

 

Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов с помощью концентрированных источников энергии и может быть использовано в черной металлургии и машиностроении при производстве труб и цилиндрических оболочек. В способе термической обработки, включающем создание в теле трубы локально термообработанных слоев в виде спиральных полос, последние создают из отдельных пятен, термообработанных импульсным излучением ОКГ с плотностью потока энергии 103- 105 Вт/см2, имеющих диаметр, в 2,5-90 раз больший толщины стенки трубы, с расстояниями между пятнами 1-8 их диаметров. Локально термообработанные барьерные слои в виде спиральных полос создают также стыковкой отдельных пятен, обработанных импульсным излучением СЖГ. Возможно выполнение локально термообработанных барьерных слоев в виде спиральных полос во взаимно противоположных направлениях. З з. п. ф-лы, 4 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 21 D 1/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4841473/02 (22) 19.06.90 (46) 15.12.92. Бюл. N. 46 (71) Днепропетровский государственный университет им, 300-летия воссоединения

Украины с Россией (72) В, Г. Хейфец, Н. И. Ободан, В. В. Сергеев и Д. 3. Невойса (56) Патент США М 4001054, кл. 148-150, 1977.

Авторское свидетельство СССР

N 1056643, кл. С 21 О 9/08, 1982. (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов с помощью концентрированных источников энергии и может быть использовано в черной металИзобретение относится к металлургии, в частности к локальной термообработке, и может быть использовано при производстве труб и цилиндрических оболочек для противодействия катастрофическим разрушениям.

Предлагаемый способ применим преимущественно ко всем тонкостенным трубам большого диаметра и цилиндрическим оболочкам, в которых обеспечивается отношение толщины стенки к диаметру в пределах 1:30-1:200.

Известен способ изготовления металлической трубы, включающий создание в теле трубы закаленных "продольных участков в форме колец" с повышенным пределом текучести, названные участки могут создаваться при предварительном наугле„„Я „„1781309 А1 лургии и машиностроении при производстве. труб и цилиндрических оболочек. В способе термической обработки, включающем создание в теле трубы локально термообработанных слоев в виде спиральных полос, последние создают из отдельных пятен, термообработанных импульсным излучением ОКГ с плотностью потока энергии 10—

10 Вт/см2, имеющих-диаметр, в 2,5 — 90 раз больший толщины стенки трубы, с расстояниями между пятнами 1 — 8 их диаметров, Локально термообработанные барьерные слои в виде спиральных полос создают также стыковкой отдельных пятен, обработанных импульсным излучением ОХ1 ..

Возможно выполнение локально термообработанных барьерных слоев в виде спиральных полос во взаимно противоположных направлениях. 3 з. и. ф-лы, 4 табл. роживании металла, После закалки участки рекомендуется подвергать отпуску; Как один из технологических вариантов предусмотрено создание термообработанных участков в виде спиралей.

Рассмотренный способ. имеет следующий недостаток: невозможность затормозить распространение катастрофической трещины посредством управления ее траекторией.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термической обработки металлических труб, включающий создание в теле трубы ло-. кально термообработанных спиральных полос, которые выполняют под углом 30 — 70 к образующей трубы и шириной в 2,5-5 раз большей толщины стенки с расстоянием

1781309

40

55 между полосами, в 50-100 раз большим, чем толщина стенки трубы. Создание локально термообработанных спиральных полос осуществляют как путем закалки неупрочненного металла, так и путем термического разупрочнения в объемноупрочненном металле труб. Недостатками данного способа являются недостаточная эффективность торможения лавинной трещины, обусловленная широкой переходной зоной термической обработки, характеризуемой низкопрочными промежуточными структурами, низкая технологичность и производительность, невозможность использования для сталей контрольной прокатки вследст- 15 вие разупрочнения на границе зоны термообработки, ухудшения прочностных и пластических характеристик металла, Целью изобретения является повышение эффективности противодействия катастрофическим разрушейиям, повышение производительностй и экономичности способа.

Это достигается reM, что в способе термйческой обработкй труб и цилиндрических оболочек, включающем создание в теле тру.бы локально термообработанных барьерных слоев в спиральных полос, последние создают из отдельных пятен, термообработанных импульсным излучением ОКГ с плотностью потока энергии 10 — 10 Вт/см, 3 5 г имеющих диаметр в 2,5-90,0 раз больший толщины стенки трубы с расстояниями между пятнами 1-8 их диаметров.

Локально термообработанные барьерные слои в виде спиральных полос создают также стыковкой отдельных пятен, обработанных импульсным излучением ОКГ.

Для обеспечения эффективности торможения лавинной трещины локально термообработанные барьерные слои в виде спиральных полос выполняют во взаимно противоположных направлениях, Ха границах пятен, локально термообработанных импульсным излучением ОКГ, формируется поле интенсивных сжимающих напряжений. Механизм образования йапряжений основан на том, что удельный объем основной структуры закалки — мартенсита больше, чем у ферритно-перлитных структур и других структурных составляющих. При возникновении локально закаленного пятна в общем объеме металла этой разницы в удельных объемах достаточно для появления на границах слоя остаточных сжимающих напряжений, достигающих предела текучести. Возможность их возникновения обусловлена еще и тем, что мартенситное превращейие "йройcЪбдит при относительно низких температурах, когда ввиду малой пластичности металла релаксация напряжений затруднена. Взаимодействие трещины с такими полями сжимающих напряжений вызывает изменение траектории ее движения.

При локальном термическом воздействии около термообработанного участка возникает разупрочненная зона. В случае индукционной закалки ширина разупрочненной эоны может достигать ширины закаленного слоя, а при обработке импульсным излучением ОКà — до 5% ширины термообработанного участка. При взаимодействии быстрой трещины с участком индукционной термообработки, трещина изменяет траекторию под воздействием сжимающих напряжений и движется внутри переходной разупрочненной зоны. При взаимодействии быстрой трещины с участком, образованным термической обработкой импульсным излучением ОКГ, трещина движется по матричному металлу, т.к. переходная зона очень узка, Такое распространение катастрофической трещины ведет к существенным затратам энергии и вызы вает остановку трещины.

Из теории упругости и сопротивления материалов известно, что цилиндры с отношением толщины стенки к диаметру менее чем 1;20 можно считать оболочками с плосконапряженным состоянием, Исходя из этого моделирование способа проводили на плоских образцах с центральным надрезом и одноосным нагружением, в которых обеспечивали плосконапряженное состояние.

Локально термообработанные барьерные слои на образцах создавали из отдельных пятен, обработанных импульсным излучением ОКГ. При этом на границах слоев возникали остаточные напряжения, способные достигать предела текучести.

Пределы плотности потока энергии 10— з

10 Вт/см определяли на основе экспериментов и результатов металлографического анализа. Плоские образцы из сталей 45 и

17Г1С подвергали термообработке импульсным излучением ОКГ типа ТЛ-5М и УЛГ—

2.01 с плотностью потока энергии от 10

Вт/см до 10 Вт/см . Металлографический анализ проводился на микроскопе "Неофот""32" (ГДР). Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Таким образом, плотность потока менее

103 Вт/см не обеспечивает структурные превращения в стали, т,к. не достигается температура фазового перехода, плотность потока более 10 Вт/см вызывает не только структурные превращения, но и плавление поверхности и разрушение стали, Кроме того, кратковременность импульсного излуче1781309 ния ОКГ и обусловленная этим узкая пере- Посредством внутреннего осесимметричноходная зона дают возможность применения ro взрыва трубы были подвергнуты раэрузаявляемого метода на стали контролируе- шению. Подробная методика эксперимента мой прокатки, в частности при производст- описана ниже. Результаты испытания покаве труб и оболочек из сталей типа Х-70, 5 зали,что на всех трубах происходит остаХ вЂ” 80, 09Г2ФБ. новка трещины на первом ряду пятен, после

Диаметры отдельных пятен, обработан- изменения ею траектории и прохождения ных импульсным излучением ОКГ, в 2,5-90,0 . 300 — 400 м. раз большие толщины стенки определяли с Расстояния между пятнами 1-8 их диапомощью модельных экспериментов с фо- 10 метров определялись по результатам экспетоупругим покрытием, в качестве которого риментов с учетом данных, полученных использовали эпоксидную смолу. методом математического моделирования.

На плоские образцы с базой 400 мм и Известно, что на расстоянии четырех диатолщиной 2 мм импульсным излучением метров оттермообработанного пятна велиОКГ с плотностью потока энергии 4 х 10 15 чинасжимающихнапряженийуменьшается з г

Вт/см наносили пятна с диаметром от рав- в два раза. К вопросу об управлении кинетиного толщине образца до в 120 раз больше- кой трещины. Если пятна расположить на го (2-240 мм). Образцы закрепляли в расстоянии1-8диаметров друготдруга,то зажимах поляризационной установки ППУ вЂ” вследствие суммирования величина сжима7. Перпендикулярно оси нагружения нано- 20 ющих напряжений в матричном металле сили надрез с радиусом скругления в между термообработанными пятнами оставершине 0,2 мм. Расстояние от вершины нется практически постоянной. Корректнадреза до термообработанного пятна со- ность математического моделирования ставляло 5 мм. Картина напряжений изуча- подтверждается результатами эксперименлась при скрещенных поляроидах, что,25 тов.Наплоскиеобразцыизстали45импульдавало возможность выявить поля напряже- сным излучением ОКГс плотностью энергии ний в виде просветлений различной интен- 4 х 10 Вт/см наносили пятна диаметром 5 сивности на общем темном фоне. и20мм,расположенныевряднаразличных

Результаты экспериментов приведены в расстояниях друг от друга. Образцы с нанетабл. 2. 30 сенным фотоупругим покрытием из эпокПри увеличении соотношения диаметра сидной смолы подвергались растяжению на пятна к толщине образца. от 1,0:1,0 до поляризационной установке ППУ-7. Карти2,5:1,0 возрастает асимметрия розетки на распределения сжимающих напряжений напряжений в вершине трещины, атаку- изучалась при скрещенных поляроидах, что ющей термообработанное пятно. При со- 35 давало воэможность выявить поля напряжеотношении 2,5:1,0 и более лепесток ний в виде просветлений на общем темном розетки напряжений, направленный к фоне. Результаты экспериментов представпятну, образованному воздействием ОКГ, лены в табл. 3. полностью исчезает, а ось розетки напряже- Эксперименты подтвердили, что равноний проходит параллельно касательной к 40 мерное поле сжимающих напряжений межпятну. ду пятнами сохраняется вплоть до

Термообработанныепятнасдиаметром, расстояния, равного 8 диаметрам пятна. C до 90 раз большим толщины образца, целе- увеличением этого расстояния величина сообразно наносить при обработке тонко- сжимающих напряжений уменьшается, грастенныхоболочек. Эксперименты показали, 45 ница поля напряжений искажается. что приувеличенииотношениядиаметраот- Количество рядов пятен, термообрадельного термообработанного пятна к тол- ботанных импульсным излучением ОКГ, щине образца более чем 90:1 изменяется определялось, исходя из "результатов дихарактер распределения напряжения в обра- намических испытаний плоских образцов из ботанном образце. Внутри термообработан- 50 стали 45 с базой 200 мм на магнитно-имного пятна возникает поле растягивающих пульсной разрывной машине при нагрузке напряжений, которое может служить зоной 3750 Н со скоростью разрушения до 1000 зарождения и последующего роста трещи- м/с, что соответствует скоростям лавинного ны. хрупкого разрушения металла.

На три трубы из стали 45 размерами 55 На образцы наносили барьерные слои

800х87х4мм импульсным излучением ОКГ иэ четырех рядов пятен, термообработанс плотностью энергии 4 х 10 Вт/см нано- ных импульсным излучением ОКГ с плотно3 2 сили по три ряда пятен диаметром 30 мм стью энергии 4 х 10 Вт/GM, имеющих (отношение диаметра пятна к толщине стен- диаметр 5 и 7 мм и расположенных на раски 7,5:1) с расстояниями между ними 30 мм. стояниях 15, 30 и 50 мм друг от друга. Ре1781309 зультаты экспериментов представлены в табл.4.

В первой серии экспериментов торможение трещины на 46-ти образцах происходило до первого ряда пятен, на 4-х образцах трещина прорвалась за первый ряд, изменила траекторию и остановилась. Во второй серии экспериментов на 44-х образцах остановка трещины произошла до первого ряда пятен, на 5- и — до второго ряда, на одном образце трещина прорвалась за второй ряд, изменила траекторию и остановилась. Аналогичные результаты получены и в третьей серии экспериментов, Описанный эффект остановки трещины вызван тем, что увеличение числа рядов пятен повышает вероятность встфечй вершины трещины с термообработанной зоной и гарантирует поворот трещины вдоль слоя с последующей остановкой.

В случае создания спиральных термообработанных полос со взаимно противоположными направлениями спиралей каждую половину витка спирали перекрещиваются, Возникшая трещина, атаковав спиральный слой, сворачивает вдоль него и приближается к скрещению спиралей, с этого момента у нее имеются три возможности дальнейшего движения.

Трещина разветвится, пойдет одновременно по двум спиралям, замкнется в конце полувитка и отделит разрушенную часть трубы..

Трещина притормозится, а затем свернет по спирали противоположного направления, изменив направление движения на значительный угол, Трещина продолжает двигаться по той же спирали; как в случае однонаправленного барьерного слоя.

Первая возможность характеризуется полной остановкой трещины, вторая — значительными дополнительными энергозатратами, необходимыми для изменения траектории.

Для подтверждения результатов, полученных на плоских образцах и моделирования явлений катастрофического разрушения в трубах большого диаметра, были проведены эксперименты по взаимодействию трещины с барьерными слоями в виде спиральных полос методом осесимметричного взрыва труб малого диаметра;

Для эксперимента применили горячекатаные трубы 800 х 87 х 4 мм из стали 45, использованной по аналогии с предыдущими экспериментами на плоских образцах, Трубы испытывали внутренним взрывом взрывчатого вещества (ВВ) предварительно нанося концентратор по образующей трубы. Результаты испытаний оценивали, изучая траекторию трещины после разрушения, По каждому из испытываемых вариантов локальной термообработки было

5 подготовлено 4 трубы.

По первому варианту на трубах импульсным излучением ОКГ ТЛ-5М с плотностью потока энергии 4 х 10 Вт/см создали з г барьерные слои в виде спиральной полосы

10 в 3 ряда из отдельных термообработанных пятен диаметром 12 мм и расстояниями между пятнами 36 мм, По второму варианту на трубах импульсным излучением ОКГ ТЛ-5М с плотностью

15 потока энергии 4 х 10 Вт/см создали барьерный слой в виде спиральной полосы из состыкованных пятен диаметром 20 мм.

Аналогично выполняли термообработанные барьерные слои в виде спиральных

20 полос со взаимно противоположными направлениями по обоим вариантам.

Испытания труб осуществлялись посредством внутреннего (осесимметричного) взрыва с регламентированной скоростью

25 разрушения.

На трубы наносили надрез-концентратор длиной 80 мм на расстоянии 80 — 90 мм от торца. Глубина надреза — 2,5 мм, угол надреза 30, На концах трубы ставились

30 картонные заглушки, в которые коаксиально трубе вводился цилиндрический заряд

В В. Длина заряда — 820 мм, диаметр — 18 мм.

Электродетонатор вводили в цилиндр с зарядом со стороны надреза в трубе. Для это35 го, чтобы приблизить условия разрушения опытной трубы к условиям, возникающим при разрушении реальной трубы, между концентратором напряжений и ближним торцом надевали стальное кольцо толщиной

40 10 мм и шириной 20 мм, т.к. вследствие большой протяженности, например, газопровода, труба, в которой началось разрушение, является как бы закрепленной соседними участками.

45 Из литературы известно, что максимальные скорости движения трещины при хрупком разрушении стали достигают 2000 м/с. Для испытания труб в экспериментальных условиях ВВ подбирали таким образом, 50 чтобы скорость детонации (а значит, и скорость трещины в трубе) соответствовала скоростям лавинного хрупкого разрушения.

Из всех имеющихся ВВ этому условию полностью удовлетворяло только ВВ (25 g

55 гексагена и 75 соды), обладающее скоростями детонации от 1500 до 2300 м/с в зависимости от диаметра пиропатрона, температуры и плотности упаковки ВВ. При диаметре пиропатрона 18 мм, температуре

+20 С и плотности упаковки 1,0 скорость

1781309

10

20

30

45

55 детонации составляла 1500-1600 м/с. Трубу подвешивали в специальной камере и взрывали. —: При разрушении труб с барьерными слоями в виде спиральных полос, созданными из 3-х рядов отдельных пятен, во всех случаях трещина сворачивала вдоль барьерного слоя и останавливалась, пройдя путь

300 — 400 мм.

При разрушении труб с барьерными слоями в виде спиральных полос, созданными стыковкой термообработанных пятен, во всех 4-х случаях трещина сворачивала вдоль барьерного слоя и останавливалась, пройдя путь 300 — 500 мм.

При разрушении труб с барьерными слоями, созданными из 3-х рядов отдельных пятен, выполненными в виде спиральных полос со взаимно противоположными направлениями, трещина сворачивала вдоль барьерного слоя, дойдя до скрещения спиралей, разветвлялась одновременно по правому и левому витку, замыкалась и останавливалась, отсекая разрушенную часть трубы от целой, Аналогично происходило разрушение труб с барьерными слоями в виде спиральных полос, созданными стыковкой отдельных пятен, Эксперименты показали эффективность разработанных способов для управления быстрой трещиной и торможения хрупкого разрушения, Способ может быть реализован следующим образом, Пример 1, Пакет из шести ОКГ типа

ТЛ вЂ” 5M, установленных в шахматном порядке, располагают параллельно образующей трубы диаметром 1020 мм, Одновременным импульсом всех ОКГ с плотностью энергии

2 х 10 Вт/см каждого на поверхности тру5 2 бы создают шесть пятен диаметром 40 мм с расстояниями между ними 280 мм. Придавая трубе поступательно-вращательное движение косорасположенными роликами под действием ОКГ подводят необработанный участок. В это время происходит зарядка накопителей ОКГ. Процесс термообработки повторяют. В результате зона термической обработки представляет собой барьерный слой в виде спиральной полосы, состоящей из отдельных пятен, обработанных импульсным излучением ОКГ.

Пример 2. Пакет из шести ОКГ типа

УЛà — 2.01. расположенных в линию, устанавливают под углом 30 — 70 к образующей трубы диаметром 1020. Одновременным им- пульсом всех ОКГ с плотностью энергии

5х 10 Вт/см каждого на поверхноститру3 2 бы создают участок барьерного слоя из шести состыкованных пятен диаметром 30 мм, Трубе придают постуйательно-вращательное движение косорасположенными роликами, В это время происходит зарядка накопителей О КГ. Под действием О КГ подводят необработанный участок и повторяют процесс. Таким образом, барьерный слой представляет собой спиральную полосу, состоящую из состыкованных между собой термообрэботэнных импульсным излучением ОКГ пятен.

Пример 3. Пакет из шести ОКГ типа

ТЛ вЂ” 5М, установленных в шахматном порядке, располагают параллельно образующей трубы диаметром 1020, Одновременным импульсом всех ОКГ с плотностью энергии

2 х 10 Вт/см каждого на поверхности создают шесть пятен диаметром 40 мм с расстояниями между ними 280 мм. Придавая трубе поступательно-вращательное движение косорасположенными роликами, под действие ОКГ подводят необработанный участок. В то время заряжаются накопители

ОКГ. Повторяют термообработку. Получают спиральную полосу, состоящую из отдельных термообрэботанных пятен, Затем создают вторую спиральную полосу в противоположном направлении, перекрещивающуюся с первой через каждую половину витка.

Предлагаемый способ термической обработки труб и цилиндрических оболочек гораздо более экономичный, чем известные.

По имеющимся данным суммарная мощность предлагаемого пакета из шести

ОКГ составит порядка 150 — 170 кВт. Это в 20 раз меньше, чем потребляемая мощность участка индукционной термообработки стана 2520 Волжского трубного завода, на котором выпускались опытные партии труб с индукционной локальной спиральной термообработкой.

Капитальные вложения на установку лазерной термообработки вместе с механизмом перемещения. трубы составляют

450-550 тыс.руб„что в 5 раз меньше затрат на уже упомянутый участок индукционной локальной термообработки, Формула изобретения

1, Способ термической обработки изделий, преимущественно труб и цилиндрических оболочек, включающий создание в материале изделия барьерных слоев в виде спиральных полос, направленных под углом

30-70 к образующей изделия и с расстоянием между полосами в 50-100 раз большими, чем толщина стенки изделия, термическим упрочнением от источника энергии, отл ича ющи йсятем,что,с целью увеличения срока службы иэделия пу1781309

2. Способ по и. 1, о тл ич а ю щи и с я тем, что спиральные полосы создают с расТаблица 1

Изменение микроструктуры сталей 45 и 17ПС в зависимости от плотности потока энергии действующего излучения ОКГ

Микроструктура Микроструктура стали 45 стали 17Г1С

Ширина пе-. реходной зоныв к диаметру пятна

Рабочее вещество

Опыт

Плотность потока энергии, Вт/см

Перлит, ферритная прослойка

Мартенсит, остаточный аустенит

Мартенсит

Перлит, феррит

1,5

Неодимовое стекло

103

Мартенсит, феррит

Мартенсит, феррит

Мартенсит

2,0

2,5

105

Мартенсит

3,0

Шлаковый слой, пористый металл

105

Толстый слой шлака. пористый металл

Появление кратеа

3,5

107

Рубин

Появление кратера

4,5

Таблица 2

Изменение угла между.ocbe розетки напряжений и радиусом термообработанного пятна в зависимости от возрастания отношения диаметра пятна к толщине стенки тем торможения трещин в его материале и повышения и роизводительности процесса, спиральные полосы создают отдельными пятнами лазерного излучения с плотностью энергии 103-10 Вт/см диа5 2 метром пятен в 2,5-90 раз большими толщины изделия. стоянием между пятнами, составляющими

1-8 их диаметра.

3. Способ по и. 1, о тл и ча ю щи и с я тем, что спиральные полосы создают сты5 ковкой отдельных пятен, 4. Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что каждую последующую спиральную полосу создают во взаимно противоположном направлении.

1781309

Продолжение табл. 2

Таблица 3

Изменение распределения поля сжимающих напряжений между пятнами в зависимости от расстояний между пятнами

Характеристика поля сжимающих напряжений между пятнами

Расстояние между пятнами, Диаметр пятна, мм

Опыт

Равномерное с практически прямой границей

10

20

20

200

2

4

6

11

12

13

14

5

5 .5

140 .

180

Отношение расстояния между пятнами к диамет пятна

4

7

2

6

Неравномерное с выраженными минимумами

Поле неравномерное, минимумы более выражены

Равномерное с практической прямой границей

Неравномерное с выраженными минимумами

Поле неравномерное, миним .мы более вы ажены

1781309

Таблица 4

Результаты элементов по определению количества рядов термообработанных пятен

Составитель А. Кулемин

Техред М,Моргентал

Корректор М. Шмакова

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4256 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5