Способ изготовления холоднодеформированных труб переменного сечения

 

Использование: для изготовления высокопрочных труб холодной деформацией с изменением физической структуры металлов. Цель - повышение прочности, пластичности, однородности механических свойств, характеристик точности и улучшения свариваемости. Для изготовления труб переменного сечения используют заготовку из специальных низкоуглеродистых сталей ( содержание углерода < 0,15 % ), закаливающихся на воздухе, обеспечивающих мартенситную структуру и коэффициент деформационного упрочнения в пределах - 1,05 - 1,15. Трубу закаливают на воздухе и подвергают однопроходной холодной деформации со степенью деформации в интервале 0 - 45 %. Переменное сечение обеспечивается за счет принудительного взаимного перемещения оправки и калибров. Применяемые специальные стали обеспечивают высокую прочность при высокой пластичности ( предел текучести 800 Н/мм², удлинение > 8 % ), хорошую свариваемось. Низкий коэффициент деформационного упрочнения обеспечивает равномерность механических свойств по длине трубы. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, в частности к способам изготовления тонкостенных высокопрочных труб холодной деформацией, включающим изменение физической структуры металлов, и может быть использовано при изготовлении термоупрочненных высокопрочных свариваемых труб переменного сечения (цилиндрических труб с переменной толщиной стенки и конических труб с постоянной или переменной толщиной стенки) для облегченных высоконагруженных сварных или паяных конструкций, например для рам и вилок велосипедов и мотоциклов, инвалидных колясок, стрел, ферм грузоподъемных машин.

Известен способ изготовления труб переменного сечения холодной прокаткой на станах периодической прокатки [1] при котором заготовку из среднеуглеродистой стали прокатывают на конической оправке. В процессе деформации оправку перемещают относительно калибров. При этом изменяется кольцевой зазор между оправкой и калибрами, что изменяет толщину и диаметр трубы.

Известен способ изготовления труб переменного сечения волочением на короткой оправке [2] при котором заготовку протягивают через матрицу, имеющую несколько участков с разными диаметрами. В процессе деформации оправка, имеющая несколько участков с разными диаметрами, перемещается относительно матрицы. В результате очаг деформации перемещается от одного участка матрицы к другому, поэтому формируется труба с переменной толщиной и диаметром.

Недостатки указанных способов невозможность получения прочности труб выше σ_0,2 600-800 Н/мм², а также высокая неоднородность механических свойств из-за различной величины деформации по длине трубы. Это затрудняет использование подобных труб в машиностроении (ухудшаются штампуемость, возможность гибки, сварки и пр.).

Наиболее близким к заявляемому является способ [3] по которому для обеспечения переменного сечения заготовку прокатывают на пильгерстане за несколько проходов на неподвижной оправке. Во время возвратно-поступательного движения валков происходит их перемещение относительно оправки. С целью упрочнения и повышения однородности механических свойств для снятия наклепа перед последним проходом холодной деформации выполняют закалку в жидкие среды (вода или масло) и отпуск. Прокатку в последнем проходе выполняют с постоянной величиной обжатия по длине заготовки, равной 10-30% Недостатки указанного способа: закалка производится охлаждением в жидкие среды, что вызывает значительное коробление. Это снижает точность готовой трубы; холодная деформация закаленных в жидкие среды среднеуглеродистых сталей повышает прочностные характеристики и значительно снижает характеристики пластичности и вязкости, что затрудняет, а в ряде случаев делает невозможной последующие гибку, сварку, и пр. Для повышения пластичности необходимо выполнять отпуск; для осуществления закалки в жидкую среду необходимо закалочное и правильное оборудование.

Цель изобретения повышение прочности, пластичности и улучшение свариваемости труб, повышение точности геометрических параметров труб, повышение однородности механических свойств по длине труб.

Указанная цель достигается тем, что способ изготовления труб переменного сечения включает холодную деформацию трубной заготовки из стали с содержанием углерода до 0,15% легированной сочетанием элементов (например хромом и марганцем), обеспечивающим при закалке охлаждением на воздухе получение структуры низкоуглеродистого мартенсита. Указанные стали после закалки на структуру низкоуглеродистого мартенсита имеют коэффициент деформационного упрочнения (σ_в/ σ_0,2) в пределах 1,05-1,15. Трубные заготовки из этих сталей закаливают охлаждением на воздухе для получения структуры низкоуглеродистого мартенсита. При этом обеспечивается высокая прочность и пластичность. Низкоуглеродистый мартенсит обладает высокой плотностью дислокаций 10¹⁰-10¹¹ см^-2, не полностью закрепленных карбидными выделениями и атмосферами атомов внедрения, что позволяет выполнять холодную деформацию до 45% Высокая плотность незакрепленных дислокаций обеспечивает их свободное движение на стадии легкого и множественного скольжения, следовательно, низкий коэффициент деформационного упрочнения. При увеличении содержания углерода выше 0,15% в структуре стали появляются избыточные карбиды, которые препятствуют движению дислокаций и, следовательно, снижают способность стали к релаксации напряжений, снижают пластичность и ухудшают свариваемость. Высокая подвижность незакрепленных дислокаций обеспечивает релаксацию напряжений, вызванных наклепом, следовательно, гарантируется необходимая пластичность при высокой прочности. Легирование хромом и марганцем, а также низкое содержание углерода обеспечивают высокую прокаливаемость на воздухе, поэтому при закалке напряжения значительно (в 5-15 раз) ниже напряжений, возникающих при закалке в воду или в масло по способу [3] что повышает точность готовых труб. После закалки трубные заготовки подвергают однопроходной холодной деформации волочением на короткой оправке или прокаткой на конической оправке на пильгерстанах. В процессе деформации оправка совершает осевое возвратно-поступательное движение относительно калибров. При этом изменяется кольцевой зазор между оправкой и калибром, что обеспечивает изменение поперечного сечения трубы. Низкий коэффициент деформационного упрочнения дает возможность деформацию осуществлять переменной по длине трубы. Разница в механических свойствах участков деформированных с разной степенью деформации не превышает 10-15% Таким образом, повышение прочности, пластичности и точности труб обеспечивается совокупностью выбора стали, закалкой на воздухе и холодной деформацией закаленной трубы. Высокая пластичность до и после деформации, хорошая свариваемость обеспечиваются низким содержанием углерода. Повышение прочности труб переменного сечения достигается принудительным перемещением оправки, закалкой на воздухе перед последним проходом холодной деформации и однородностью деформации, обусловленным малым разбросом механических свойств по длине трубы и малым коэффициентом деформационного упрочнения. Повышение однородности механических свойств достигается за счет низкого коэффициента деформационного упрочнения.

Сопоставление существенных признаков прототипа и предлагаемого решения показывают, что предлагаемый способ обладает новизной по следующим признакам: в прототипе применяются среднеуглеродистые стали типа 30ХМА. В заявляемом решении используют специальные низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,15% легированные таким образом, чтобы при закалке на воздухе сталь имела структуру низкоуглеродистого мартенсита и коэффициент деформационного упрочнения (σ_в/ σ_0,2) в пределах 1,05-1,15; в прототипе холодную деформацию осуществляют на неподвижной оправке. Перемещение калибров изменяет сечение трубы. В заявляемом решении переменное сечение формируется за счет взаимного перемещения оправки и калибров; в прототипе холодную деформацию осуществляют за несколько проходов, в последнем проходе степень деформации постоянна по длине трубы и составляет 10-30% В заявляемом решении деформацию осуществляют за один проход с переменной или постоянной по длине трубы степенью деформации в интервале 0-45% в прототипе перед последним проходом упрочнение осуществляют закалкой в жидкие закалочные среды и для снятия напряжений выполняют отпуск. В заявляемом решении упрочнение осуществляют перед холодной деформацией закалкой на воздухе.

Соответствие заявляемого решения критерию "изобретательский уровень" подтверждается отсутствием в научно-технической и патентной информации сведений об изготовлении труб переменного сечения из закаливающихся на воздухе высокопрочных низкоуглеродистых сталей мартенситного класса.

П р и м е р. Предложенным способом из стали 07ХЗГНМЮА по ТУ 14-1-4230-87 изготовлена труба-заготовка размером 32 x 1 мм. Химический состав использованных сталей приведен в табл. 1. Трубу-заготовку нагревали при температуре 910^оС, выдержка при нагреве 5-7 мин, охлаждение на воздухе. Затем из нее волочением на короткой оправке изготовлена цилиндрическая труба диаметром 28 мм с переменной толщиной стенки 1,0 и 0,7 мм. В процессе волочения для изменения толщины оправку подавали в направлении волоки и выдвигали обратно при помощи клинового механизма. Аналогично на пильгерстане ХПТ-32 изготовлены коническая трубы с размерами 24 х 14 х 450 мм с постоянной толщиной стенки 1,0 мм из стали 07ХЗГНМЮА по заявленному способу и труба из стали 30ХМА по способу прототипа. Результаты изготовления труб приведены в табл. 2.

Заявленное изобретение по сравнению с прототипом обладает рядом преимуществ:
холодную деформацию осуществляют за один проход, что повышает производительность процесса;
холодную деформацию выполняют в широком интервале деформаций (0-45%), что расширяет технологические возможности процесса;
упрочнение осуществляют закалкой на воздухе, это в отличие от прототипа значительно в 5-15 раз (уменьшает коробление и, следовательно, повышает точность готовых труб). Кроме того, нет закалки в масло, следовательно, нет операции промывки;
применение специальных низкоуглеродистых сталей мартенситного класса, в отличие от среднеуглеродистых, применяемых в прототипе, обеспечивает высокую прокаливаемость на воздухе и, следовательно, высокую прочность при высокой пластичности, высокую технологичность при сварке и пайке.

однородность механических свойств обеспечивается за счет низкого коэффициента деформационного упрочнения. Поэтому участки труб, деформированные с разной степенью деформации, имеют незначительное расхождение механических свойств. При степени деформации 40-45% увеличение предела текучести не превышает 20% Для стали, использованной в прототипе, аналогичная деформация вызывает прирост предела текучести на 35-40% Это вызывает необходимость в прототипе деформации после упрочнения выполнять равномерно по всей длине трубы.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫХ ТРУБ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ, включающий холодную деформацию термообработанной трубной заготовки в трубу переменного сечения, отличающийся тем, что используют закаленную на воздухе трубную заготовку из стали с содержанием углерода до 0,15%, легированную элементами, обеспечивающими при закалке структуру низкоуглеродного мартенсита и коэффициент деформационного упрочнения σ_в/σ_0,2 в пределах 1,05 - 1,15 и осуществляют ее холодную деформацию на принудительно перемещаемой оправке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодную деформацию осуществляют с переменной по длине трубы степенью деформации в интервале 0 - 45%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2