Способ термической обработки изделий из комплексно-легированной стали

Авторы патента:

Пономарев Николай Георгиевич (RU)

Тихонцева Надежда Тахировна (RU)

Грехов Александр Игоревич (RU)

Овчинников Дмитрий Владимирович (RU)

Жукова Светлана Юльевна (RU)

Суворов Александр Вадимович (RU)

Мануйлова Ирина Ивановна (RU)

Софрыгина Ольга Андреевна (RU)

C21D9/08 - полых изделий или труб

C21D1/25 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2564196:

Открытое акционерное общество "Синарский трубный завод" (ОАО "СинТЗ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки малоуглеродистой, комплексно-легированной стали, и может быть использовано для упрочнения труб нефтяного сортамента, например бурильных. Для повышения уровня прочностных свойств в диапазоне групп прочности Д, Е, Л, М, Р по отечественным нормативным документам и/или E, X, G, S по международному стандарту API Spec 5DP/ISO 11961, увеличения производительности процесса, исключения коробления и трещинообразования при охлаждении водой при изготовлении изделий, при термической обработке проводят нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение водой до температуры не более 280°C по длине трубы, включая высаженные концы, и нагрев под отпуск до температуры не более (Ас₁-15)°C.1 табл.

Известен способ термической обработки труб из малоуглеродистой комплексно-легированной стали по схеме: объемный нагрев готового изделия до температуры Ас₃+(50-100)°C, охлаждение в три стадии, где вторая стадия до температуры не ниже 180°C с изотермической выдержкой в интервале температур Мн - 550°C, и отпуск [пат. РФ №2279487, опубл. 10.07.2006].

Недостатком способа является то, что он не позволяет получить высокий уровень прочностных свойств (предел текучести более 655 МПа), и имеет низкую производительность процесса из-за проведения изотермической выдержки при охлаждении, которая обусловлена высокой температурой нагрева Ас₃+(50-100)°C - для исключения возможного коробления и трещинообразования.

Известен также способ термической обработки, включающий первый нагрев до Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение в воде, второй нагрев в межкритический интервал температур (Ас₁-Ас₃), охлаждение в воде и нагрев под отпуск до (550+Ас₁)°C с последующим охлаждением на воздухе [пат. РФ №2096495, опубл. 20.11.1997].

Способ используют для термической обработки бесшовных труб нефтяного сортамента, а также соединительных деталей к ним, стойких к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих H₂S и CO₂.

Недостатком данного способа является низкая производительность процесса термической обработки из-за второго нагрева в межкритический интервал температур (Ас₁-Ас₃) для обеспечения коррозионной стойкости стали. Для труб в обычном исполнении (без требований к коррозионной стойкости) проведение второго нагрева в межкритический интервал температур технологически не требуется и ведет к необоснованному повышению себестоимости продукции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ термической обработки по схеме: нагрев до температуры Ас₃+20-50°C, охлаждение водой в спрейере в три стадии, на первой из которых трубы охлаждают со средней скоростью 60-85°C/с в течение 2-4 с; второй - со средней скоростью 35-50°C/с в течение 6-8 с, на третьей - со средней скоростью 10-15°C/с в течение 10-13 с до температуры 100-150°C, а отпуск осуществляют с выдержкой не менее 30 мин [пат. РФ №2230802, опубл. 20.06.2004].

Недостатком данного способа термической обработки является применение только для труб ограниченного сортамента (с толщиной стенки не более 9 мм). Способ не применим для толстостенных труб и с переменным поперечным сечением по длине, в частности бурильных труб, так как не позволяет обеспечить равнопрочность по толщине поперечного сечения. Кроме того, температура конца охлаждения 100-150°C на третей стадии, приходящейся на область мартенситного превращения для большинства конструкционных сталей, совпадает с температурным интервалом максимальной охлаждающей способности воды - пузырьковое кипение (300-100°C), что вызывает существенные структурные напряжения в металле и, как следствие, коробление и трещинообразование, в особенности бурильных труб, отличающихся утолщением стенки по концам (высаженные концы).

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа термической обработки, повышающего уровень прочностных свойств в диапазоне групп прочности Д, Е, Л, М, Р по отечественным нормативным документам и/или Е, X, G, S по международному стандарту API Spec 5DP/ISO 11961, увеличение производительности процесса и исключение коробления и трещинообразования при охлаждении водой при изготовлении изделий.

Указанный результат достигается тем, что при термической обработке, включающей аустенитизацию, выдержку, охлаждение водой в спрейере и отпуск, проводят нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение водой до температуры не более 280°C по длине трубы, включая высаженные концы, и нагрев под отпуск до температуры не более (Ас₁-15)°C.

Технический результат, обеспечиваемый за счет выбранных температурных параметров термической обработки, определяется следующими факторами.

Нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C применительно к конструкционным сталям позволяет достичь полного превращения горячекатаной крупнозернистой структуры в аустенит с достаточным измельчением зерен и содержанием растворенного углерода, а также обеспечить начало охлаждения при закалке с температуры не ниже, чем Ar₃ (температура начала распада переохлажденного аустенита с образованием феррито-перлитной смеси).

Последующее охлаждение водой (закалка в спрейере) осуществляется со скоростью, достаточной для формирования преимущественно мартенситной структуры металла, до температуры ниже температуры начала мартенситного превращения, то есть охлаждение завершается в области мартенситного превращения и далее независимо от скорости охлаждения переохлажденный аустенит претерпевает мартенситное превращение, что обеспечивает получение требуемой прочности для групп от Д до Р (от E до S по API Spec 5DP/ISO 11961) после термической обработки. Исходя из того, что температура начала мартенситного превращения для большинства конструкционных сталей находится на уровне ~380-330°C при содержании углерода 0,2-0,4 масс.% соответственно, то температура конца охлаждения установлена не более 280°C, что позволяет сократить время, затрачиваемое на охлаждение, тем самым повысить производительность процесса термической обработки и избежать коробления и трещинообразования при охлаждении водой, обусловленных суммированием термических и структурных напряжений в области мартенситного превращения.

Максимальная температура нагрева под отпуск ограничивается величиной (Ас₁-15)°C, так как в условиях массового производства (поточной линии термической обработки) проведение отпуска в субкритическом интервале температур опасно с токи зрения гарантированного отсутствия перегрева стали выше, чем температура обратного фазового превращения Ас₁.

Предлагаемый способ термической обработки был опробован в условиях Синарского трубного завода при изготовлении бурильных труб размерами 60,3×7 мм (толщина высаженных концов 17,4 мм) и 88,9×8 мм (толщина высаженных концов 23,0 мм). Результаты промышленного опробования способа термической обработки бурильных труб в сравнении с прототипом приведены в таблице 1.

Для применяемых хромомарганцевых марок стали 30ХМА, 32ХГМА температура нагрева под аустенитизацию составила 790-830°C в зависимости от значений Ас₃ каждой марки стали и при закалке в спрейере температура конца охлаждения находилась в диапазоне 50-80°C по телу трубы и 180-250°C на высаженных концах.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки труб позволяет изготавливать трубы с получением заданного уровня механических свойств как на теле трубы, так и на высаженной части (в том числе высоких групп прочности М-Р и G-S). Кроме того, в сравнении с прототипом данный способ повышает производительность процесса в поточной линии термической обработки труб в среднем на 26%, а также позволяет исключить коробление и трещинообразование при охлаждении водой, что делает его эффективным в производстве труб нефтяного сортамента.

Таблица 1
Результаты промышленного применения
Способ	Размер и место контроля, мм	Марка стали	Группа прочности	Режим термообработки	Уровень механических свойств	Время, затрачиваемое на цикл термической обработки (закалка + отпуск) одной трубы, час (производительность)
t_ауст, °C	t_{конца охл-ния,} °C	t_отп,°C	σ_в, МПа	σ_т, МПа	δ, %	ψ, %	KCV при 20°C, Дж/см²
Заявляемый	60,3×7	высаженная часть 17,4	30ХМА	Е-Л	810-830	180-206	630	819	743	15,8	66	133	3,87-4,08
	гладкая часть	(Е-Х)	57-80	854	794	18,2	71	168
	88,9×8	высаженная часть 23,0	32ХГМА	М-Р	790-800	234-250	650	980	867	16,6	68	138	3,49-3,87
гладкая часть	(G-S)	50-75	995	881	18,4	72	156
Прототип (пат. №2230802)	60,3×7	высаженная часть 17,4	30ХМА	Е-Л	850	110-127	630	852	732	18,8	67	160	5,2
	гладкая часть	(Е-Х)	20-34	882	786	17,2	70	149
	88,9×8	высаженная часть 23,0	32ХГМА	М-Р	840	132-146	650	957	825	19,5	68	158	5,2
гладкая часть	(G-S)	25-40	967	878	14,5	71	161

Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из комплексно-легированной стали, включающий нагрев, охлаждение водой в спрейере и отпуск, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение осуществляют до температуры не более 280°C по длине трубы, а нагрев под отпуск осуществляют до температуры не более (Ас₁-15)°C.

Изобретение относится к области металлургии, в частности производству труб нефтепромыслового сортамента. Для обеспечения низкой анизотропии предела текучести трубы при приложении к ней различных напряжений, зависящих от среды использования, получают трубу из аустенитного сплава, имеющую предел текучести при растяжении YSLT по меньшей мере 689,1 МПа.

Способ закалки стальной трубы // 2552801

Изобретение относится к области термической обработки. Для предотвращения образования закалочных трещин в стальной трубе осуществляют закалку трубы (1) из средне- или высокоуглеродистой стали или из мартенситной нержавеющей стали, включающую нагрев материала стальной трубы до температуры выше Ас3, охлаждение посредством водяного охлаждения от наружной поверхности стальной трубы, причем концевые участки стальной трубы подвергают воздушному охлаждению, а по меньшей мере часть основного тела, не являющуюся концевыми участками трубы, подвергают водяному охлаждению, обеспечивая содержание мартенсита в материале стальной трубы, за исключением концевых участков, 80% об.

Способ производства металлопродукции из легированных марок стали и сплавов // 2542151

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении труб для энергетического машиностроения и оборудования АЭС. Способ производства металлопродукции из легированных марок стали, например нержавеющих и сплавов, включает выплавку стали, горячую деформацию, термическую обработку в интервале температур от 450 до 950°C с последующим охлаждением в воде или на воздухе, холодную деформацию и термическую обработку в интервале температур от 750 до 950°C с последующим охлаждением в воде или на воздухе.

Оборудование для термической обработки труб // 2540053

Изобретение относится к области прокатного производства, а точнее к оборудованию, предназначенному для термической обработки труб (нормализации, закалки и отпуска) в трубопрокатных и трубосварочных агрегатах.

Способ правки стальных тонкостенных труб, совмещенный с закалкой // 2537981

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при закалке длинномерных, тонкостенных труб из стали СП-28, к которым предъявляются жесткие требования по геометрии внутренней поверхности.

Способ термической обработки зоны сварного соединения бурильных труб (варианты) // 2537633

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении бурильных труб из легированных марок стали с требованиями к работе удара сварного соединения.

Способ изготовления ствола стрелкового оружия // 2525501

Изобретение относится к способу изготовления ствола стрелкового оружия. Способ включает механическую обработку с образованием канала ствола сверлением, затем его развертку.

Способ термомеханической обработки трубы // 2500821

Изобретение относится к области металлургии и нефтяного машиностроения и может быть использовано для изготовления и ремонта насосно-компрессорных труб (НКТ). Для обеспечения высокого комплекса прочностных свойств и мелкозернистой однородной структуры концы труб нагревают до Ас3+(180÷230)°C, затем фиксируют трубу одновременно в двух местах: в матрице и с помощью зажима на расстоянии 500÷4500 мм от высаживаемого конца трубы.

Стенд для закалки валов и трубных деталей // 2499058

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к термической обработке деталей с использованием индукционного нагрева. Для предохранения от окисления и улучшения качества внутренней поверхности детали осуществляют закалку детали с нагрева токами высокой частоты при одновременной подаче охлаждающей жидкости на внутреннюю и наружную поверхности трубных деталей в стенде, который содержит стойку, гидравлический подъемник, приспособление, состоящее из верхнего центра, корпуса и пружины сжатия, нижнего центра, индуктора, узла управления подачи охлаждающей жидкости, при этом в верхнем центре выполнены каналы с определенными сечением и углом для подачи и равномерного распределения охлаждающей жидкости на внутренней поверхности трубной детали.

Высокопрочная бесшовная стальная труба, обладающая очень высокой стойкостью к сульфидному растрескиванию под напряжением для нефтяных скважин и способ ее изготовления // 2493268

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения высокой стойкости труб для нефтяных скважин к сульфидному растрескиванию под напряжением (СРН-стойкость) бесшовная стальная труба содержит, мас.%: от 0,15 до 0,50 С, от 0,1 до 1,0 Si, от 0,3 до 1,0 Mn, 0,015 или менее P, 0,005 или менее S, от 0,01 до 0,1 Al, 0,01 или менее N, от 0,1 до 1,7% Cr, от 0,4 до 1,1% Мо, от 0,01 до 0,12 V, от 0,01 до 0,08 Nb, от 0,0005 до 0,003 В или дополнительно содержит от 0,03 до 1,0 мас.% Cu и имеет микроструктуру, которая содержит 0,40% или более растворенного Mo и фазу отпущенного мартенсита, которая является главной фазой и которая имеет зерна первичного аустенита с размером зерна 8,5 или более и 0,06 мас.% или более диспергированного осадка M2C-типа, имеющего по существу зернистую форму.

Способ упрочнения поверхности стальных изделий // 2563572

Изобретение относится к технологии упрочнения поверхности стали и может быть использовано при ремонте сельскохозяйственной техники. Способ упрочнения поверхности стальных изделий включает цементацию поверхностного слоя стального изделия с использованием плазмы дугового разряда обратной полярности между электродом из углеродсодержащего материала и упрочняемой поверхностью стального изделия с перемещением электрода вдоль упрочняемой поверхности.

Способ закалки стальных деталей // 2562598

Изобретение относится к области металлургии, в частности к вакуумной термической обработке деталей, и может найти применение в машиностроении общего назначения, приборостроении, самолетостроении и космической технике.

Способ термообработки изделий из конструкционных сталей // 2561611

Изобретение относится к области обработки черных металлов, в частности к повышению механических свойств конструкционных сталей. Для повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности изделие подвергают закалке и высокому отпуску, а затем осуществляют последующую обработку изделия путем воздействия на него в течение 35 мин пульсирующим газовым потоком со скоростью от 25 до 30 м/с, частотой колебаний от 600 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 80 до 90 дБ.

Способ создания комбинированного металлокерамического диффузионного поверхностного слоя при производстве деталей и изделий, обладающих уникальными износными и эксплуатационными свойствами полученные методом термохимического синтеза // 2560800

Изобретение относится к области термической обработки стальных деталей. Для обеспечения стойкости, надежности деталей и получения заданных механических свойств осуществляют изотермическую закалку деталей в закалочной среде на водной основе, содержащей частицы размолотых фракций солей минералов с одновременным образованием на поверхности стальной детали керамического диффузионного слоя путем адиабатного изменения кристаллической решетки и структуры стали за счет реакции замещения атомов железа атомами магния и упомянутыми частицами минералов, обладающих способностью диффундировать в поверхностный слой стальной детали.

Способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий // 2560493

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки поверхностного слоя изделий. Способ плазменной термической обработки поверхностного слоя изделий включает нагрев рабочей поверхности изделия аргоновой плазменной дугой прямого действия на токе обратной полярности.

Способ восстановления изделий из низкоуглеродистой перлитной стали после эксплуатации // 2559598

Изобретение относится к технологии термической обработки. Для повышения хладостойкости и снижения коробления изделия осуществляют его восстановительный отпуск при температуре 450±10°С с выдержкой от 3 до 7 часов с последующим охлаждением на воздухе, при этом нагрев изделия в диапазоне температур от 100 до 450°С ведут со скоростью до 50°С/час.2 пр., 2 ил. .

Способ термической обработки магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт с содержанием кобальта 8 вес.% // 2557852

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке магнитотвердых сплавов системы железо-хром-кобальт, используемых при производстве постоянных магнитов.

Способ упрочняющей термической обработки углеродистых инструментальных сталей // 2557841

Изобретение относится к термической обработке углеродистых инструментальных сталей. Способ термической обработки включает закалку сталей с температуры 760-780°C и последующее воздействие на них при комнатной температуре пульсирующего дозвукового воздушного потока частотой 1130-2100 Гц и звуковым давлением 120-140 дБ.

Приспособление нагревательного устройства, нагревательное устройство, устройство для термообработки и способ нагрева // 2557439

Изобретение относится к оборудованию для термообработки кольцеобразной заготовки. Приспособление для поддержки кольцеобразной заготовки для транспортирования и нагрева ее нагревательным устройством содержит центральный узел, вращающийся приводной механизм, расположенный в центральном узле, и опору для заготовки.

Способ восстановления физико-механических свойств внутрикорпусных устройств водо-водяного энергетического реактора ввэр-1000 // 2557386

Изобретение относится к восстановительной термической обработке узлов водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) и направлено на повышение ресурса и обеспечение безопасной эксплуатации реакторов ВВЭР-1000.

Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой // 2564645

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационного упрочнения поверхностей изделий из твердых сплавов, в частности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой. Способ упрочнения поверхности режущего инструмента из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой включает воздействие на поверхность инструмента потоком электронов. Обеспечивают получение поверхностью инструмента заряда 0,1- 0,8 мK/см2, при этом на поверхность инструмента воздействуют потоком электронов с энергией электронов 0,5-1,5 МэВ в течение не менее 10 с. Повышается износостойкость инструмента и срок его службы. 2 табл.