Износостойкая труба и способ ее химико-термической обработки

 

Использование: изобретение относится к производству труб, в частности к производству труб из низкоуглеродистых сталей, и может быть использовано во всех отраслях техники, где требуется сочетание износостойкости трубы и ее способности выдерживать механические и термодинамические деформации. Сущность изобретения: износостойкая труба содержит внешний и внутренний слои со структурой ледебурита, слой из низкоуглеродистой стали, расположенный в сердцевине трубы между слоями стали с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего износостойкого слоя с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01 0,1 толщины стенки трубы. Труба изготавливается из стальной заготовки путем ее химико-термической обработки, при которой заготовку нагревают в жидкой углеродоводородсодержащей среде, температуру которой поддерживают постоянной. Температура нагрева заготовки лежит в пределах T_л-70°<T<T-100°C где T_л температура плавления ледебурита; T_з температура заготовки; T_c - температура плавления стали, из которой изготовлена заготовка. Скорость вращения вокруг продольной оси выбирают в пределах об/мин, где D наружный диаметр трубы, мм. 2 с, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к производству труб, в частности труб из низкоуглеродистых сталей, и может быть использовано во всех отраслях техники, где требуется сочетание износостойкости трубы и ее способности выдерживать механические и термодинамические деформации.

Трубы из низкоуглеродистых сталей используются практически во всех отраслях техники, так как они хорошо поддаются механической обработке и сравнительно дешевы. Существенный их недостаток низкие износостойкость и коррозеустойчивость, устраняется нанесением защитных покрытий лакокрасочных, пластмассовых, эмалированных, керамических, металлических. Нанесение защитных покрытий известными способами в значительной степени удорожает стоимость изготовления труб и зачастую не приводит к нужным результатам. Так, лакокрасочные покрытия не обладают нужной износостойкостью, эмалированные и керамические очень дорого стоят и не выдерживают механических деформаций, покрытия из пластмасс критичны к высоким температурам, а технологические процессы их производства и нанесения токсичны. Наиболее широкое применение нашли трубы с металлическими защитными покрытиями, и прежде всего оцинкованные.

Общий недостаток труб с описанными защитными покрытиями низкая стойкость к механическим и термодинамическим деформациям, так как при гибке труб, при ударах во время транспортировки или кантования, при термодинамических деформациях защитные покрытия разрушаются.

Известна труба с цинковым покрытием, на которое нанесено вязкое коррозионно-устойчивое покрытие (см. Бакалюк Я.Х. Проскурин Е.В. Трубы с металлическими противокоррозионными покрытиями. М: Металлургия, 1985, стр. 30). Полихлорвинил нанесен на наружную поверхность оцинкованной трубы методом наплавки. Такая труба может подвергаться гибке без нарушения покрытия, кроме того, в случае повреждения трубы (например, царапины) не происходит распространение коррозии под поверхностью покрытия.

Стоимость изготовления этой трубы очень высока (в 5-10 раз дороже стоимости заготовки), отсутствие защиты внутренней поверхности от механических повреждений не позволяет считать такую трубу износостойкой.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является износостойкая труба, описанная в авторском свидетельстве СССР N 591528, МКИ 2 С 23 С 9/00, опубликовано 04.02.78 г. Это труба из низкоуглеродистой стали с внутренним износостойким слоем с ледебуритной структурой. Недостаток такой трубы низкая коррозестойкость, так как наружная поверхность трубы не имеет защитного покрытия. Кроме того, из-за разной толщины внутреннего слоя по периметру эта труба имеет низкую стойкость к термодинамическим деформациям.

Цель изобретения повышение устойчивости трубы к термодинамическим деформациям и повышение коррозестойкости.

Указанные цели достигаются тем, что износостойкая труба, содержащая внутренний износостойкий слой со структурой ледебурита и слой из низкоуглеродистой стали, дополнительно содержит внешний износостойкий слой со структурой ледебурита, а слой из низкоуглеродистой стали расположен в сердцевине трубы между слоями с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего слоев с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01.0,1 толщины стенки трубы.

Заявленная износостойкая труба изготавливается путем химико-термической обработки из цельнотянутых или сварных труб из низкоуглеродистых сталей.

Известен способ химико-термической обработки, защищенный авторским свидетельством СССР N 298698, кл. С 23 С 9/00, C 21 D 7/14, 1971 г. По этому способу стальную заготовку нагревают в углеродосодержащей среде токами высокой частоты до оплавления поверхностного слоя в течение времени, необходимого для образования упрочненного слоя, имеющего ледебуритрую структуру, а затем, на стадии охлаждения, обкатывают роликами для поверхностного упрочнения и улучшения геометрии. Этот способ не может быть использован полностью при изготовлении износостойкой трубы, так как не позволяет получить внутренний износостойкий слой.

Известен способ химико-термической обработки, защищенный авторским свидетельством СССР N 397563, кл. C 23 C 9/00, 1973 г. по которому стальную заготовку с внутренней цилиндрической поверхностью вращают вокруг продольной оси цилиндрической поверхности со скоростью 3000-3500 об/мин, а внутреннюю поверхность разогревают токами высокой частоты в углеродосодержащей среде до температуры оплавления. Этот способ также не может быть использован при изготовлении износостойкой трубы, так как не позволяет получить внутренний износостойкий слой с нужной твердостью и содержанием углерода, и наружный коррозеустойчивый слой.

В качестве прототипа выбран способ по авторскому свидетельству СССР N 397563, кл. C 23 C 9/00, 1973 г. как содержащий наибольшее количество совпадающих признаков.

Целью изобретения является обеспечение возможности изготовления износостойкой трубы с повышенной коррозеустой- чивостью и устойчивостью к механическим и термодинамическим деформациям. Кроме того, в сравнении с прототипом, заявленный способ имеет более низкие энергозатраты.

Указанные цели достигаются тем, что в способе химико-термической обработки трубы, включающем ее нагрев токами высокой частоты в углеродосодержащей среде и вращение вокруг продольной оси, нагрев проводят в жидкой углеродоводородосодержащей среде до достижения в поверхностном слое температуры не менее, чем на 100^оС ниже температуры плавления стали, из которой изготовлена труба, но не ниже температуры плавления ледебурита более, чем на 70^оС, при этом среднюю температуру углеродоводородосодержащей среды поддерживают постоянной на уровне, при котором на поверхности образуется непрерывный пароуглеродоводородный слой, а выдержку ведут в течение времени, достаточного для образования на поверхности слоев, имеющих ледебуритную структуру толщиной 0,01.0,1 толщины стенки трубы.

Для сохранения волнистости обрабатываемой поверхности скорость вращения трубы должна быть в пределах n (0,5.12) х x10³ 1/D об/мин, где D наружный диаметр трубы в мм.

На фиг.1 схематично изображена конструкция износостойкой трубы; на фиг.2 структурная схема устройства для изготовления износостойкой трубы по заявленному способу.

Износостойкая труба (фиг.1) содержит внешний 1 и внутренний 2 износостойкие слои с ледебуритной структурой, слой 3 из низкоуглеродистой стали в сердцевине трубы, и слои 4 и 5 с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита. Выполнение внешнего и внутреннего слоев из ледебурита толщиной в пределах от 0,01 до 0,1 толщины стенки трубы повышают коррозестойкость трубы. Слои 4 и 5 играют демпфирующую роль при термодинамических и механических деформациях и повышают устойчивость трубы к этим деформациям.

Труба описанной конструкции изготавливается путем химикотермической обработки стальной цельнотянутой или сварной трубы.

На фиг.2 обозначены: 1 обрабатываемая труба, 2 ванна с жидкой углеродоводородосодержащей средой, 3 привод вращения трубы, включающий двигатель 4 с редуктором, вращающиеся конусы 5 и заднюю бабку 6 с патроном 7, 8 генератор тока высокой частоты, 9 индуктор, 10 привод перемещения индуктора, включающий двигатель 11 с редуктором, вал 12 и суппорт 13, 14 охладитель, 15 накопительный бак, 16 насос, 17, 18 трубопроводы, 19, 20, 21 вентили.

Обрабатываемая труба 1 помещается в ванну 1 с жидкой углеродоводородосодержащей средой и закрепляется между вращающимися конусами 5 привода 3 вращения трубы. Один вращающийся конус 5 установлен в шпиндель на оси редукторов двигателя 4, другой в патроне 7 задней бабки 6. На обрабатываемую трубу 1 надевается круговой индуктор 9, подключенный к генератору 8 тока высокой частоты. Для перемещения индуктора 9 вдоль обрабатываемой трубы 1 генератор 8 установлен на суппорте 13 привода 10. С включением генератора 8 одновременно включаются приводы 3 и 10. Обрабатываемая труба 1 вращается с заданной скоростью и нагревается индуктором 9, который перемещается вдоль обрабатываемой трубы 1 со скоростью, обеспечивающей ее нагрев до заданной температуры. Углеродоводородосодержащая жидкость из ванны 2 через сливное отверстие поступает в охладитель 14 и затем с помощью насоса 16 подается в трубопроводы 17 и 18 из накопительного бака 15. Вентилями 19 и 20 регулируется скорость подачи жидкости в ванну 2. Из трубопровода 17 через полый патрон 7 и полый вращающийся конус 5 жидкость подается вовнутрь трубы 1. Температура жидкости в ванне 2 поддерживается постоянной благодаря наличию охладителя 14 и возможностью управления скоростью обмена жидкости в ванне 2 с помощью вентилей 19, 20, 21.

Сущность протекающих процессов заключается в следующем.

При нагреве токами высокой частоты в жидкой среде на поверхности разогретого металла происходит испарение углеродоводородосодержащей жидкости с термическим разложением ее компонентов, в результате которого образуются активные атомы, адсорбирующиеся поверхностью металла. Так, при смеси углеродов различного состава C_nH_2n+2 можно предполагать, что вокруг вращающейся поверхности образуется парогазовая рубашка, содержащая СН₄, СО, СО₂, С, Н₂, Н₂О, на поверхности металла происходят реакции: CH₄ Fe(C)+2H₂ 2CO Fe(C)+CO₂ CO+H₂ Fe(C)+H₂O CO₂+H₂ Fe(C)+H₂O В результате этих реакций, при наличии активных атомов водорода, происходит лавинообразное насыщение поверхностного слоя углеродом с образованием ледебуритной структуры.

Прочность и монолитность этой структуры будет зависеть от неразрывности парогазовой рубашки, при ее разрыве в результате кипения жидкости или, если парогазовая рубашка не будет сплошной из-за низкой температуры жидкости, прочностные характеристики ледебуритного слоя будут существенно снижаться из-за неравномерности насыщения углеродом. Качество поверхности трубы после химикотермической обработки зависит от скорости вращения. При малой скорости ухудшается внутренняя поверхность трубы из-за неравномерного растекания расплавленного ледебурита, при высокой скорости ухудшается поверхность внешнего слоя из-за срыва с поверхности расплавленного металла. Экспериментально установлено, что геометрические параметры трубы не ухудшаются при скорости вращения, лежащей в пределах n (0,5-12) х 10³ х 1/D, где n число оборотов в минуту; D наружный диаметр трубы в мм.

По заявленному способу были приготовлены и испытаны несколько образцов износостойких труб с внутренним диаметром 27 мм при толщине стенки 2,5 мм и внутренним диаметром 76 мм при толщине стенки 4 мм.

Материал заготовки Ст 3 для трубы ⊘ 27 мм и Ст8 для трубы ⊘ 76 мм. Нагрев осуществляется с помощью установки ИЗГ-200-8. Потребляемая мощность для обработки трубы ⊘ 27 мм составила в среднем 25 кВт, для трубы ⊘ 76 мм 55 кВт.

Результаты испытаний приведены в табл.1.4.

Из приведенных в таблицах данных можно сделать следующие выводы: факторами, влияющими на качество ледебуритного слоя, являются температура обработки, скорость вращения образца, температура электролита. Для трубы ⊘ 76 мм оптимальными будут температура нагрева поверхности 1150^оС, скорость вращения около 1100 об/мин, температура электролита 40^оС.

Себестоимость изготовления износостойкой трубы с использованием предлагаемой химико-термической обработки ниже себестоимости изготовления трубы по способу-прототипу, так как скорость насыщения углеродом внутреннего слоя по предлагаемому способу на порядок выше и не требуется подготовки трубы к обработке (зачистка от окалины, ржавчины).

Обработанная по заявленному способу труба имеет повышенную коррозестойкость, высокую микротвердость внешней и внутренней поверхностей, не боится ударных нагрузок и устойчива к механическим деформациям типа изгиб (коэффициент расширения более 1,25) и термодинамическим деформациям.

Формула изобретения

1. Износостойкая труба, содержащая внутренний износостойкий слой со структурой ледебурита и слой из низкоуглеродистой стали, отличающаяся тем, что труба дополнительно содержит внешний износостойкий слой со структурой ледебурита, а слой из низкоуглеродистой стали расположен в сердцевине трубы между слоями стали с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего износостойких слоев с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01 0,1 толщины стенки трубы.

2. Способ химико-термической обработки трубы, включающий ее нагрев токами высокой частоты в углеродсодержащей среде и вращение вокруг продольной оси, отличающийся тем, что нагрев проводят в жидкой углеродсодержащей среде до достижения в поверхностном слое температуры не менее чем на 100^oС ниже температуры плавления стали, из которой изготовлена труба, но не ниже температуры плавления ледебурита более чем на 70^oС, при этом среднюю температуру жидкой углеродводородсодержащей среды поддерживают постоянной на уровне, при котором на поверхности образуется непрерывный пароуглеродводородный слой, а выдержку ведут в течение времени, достаточного для образования на поверхности слоев, имеющих ледебуритную структуру, толщиной 0,01 0,1 толщины стенки трубы.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что частота вращения трубы выбирается в пределах где D наружный диаметр трубы, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4