Разработка технологического процесса термической обработки холоднокатаной трубы

Относительно малое содержание углерода и азота в сталях приводит к тому, что после термической обработки механические свойства повышаются слабо, зато сталь 09Г2С подходит для работы в заданной температуре до -70°С.

 

Для изготовления бесшовных  холоднокатаных труб выбираем марку  стали 09Г2С. Это конструкционная низколегированная сталь для сварных конструкций, применяемая для различных металлоконструкций (трубы, котлы, фланцы и др.), работающих в интервале температур от -70 до +425°С.

 

2.1 Характеристика  стали 09Г2С

 

Сталь 09г2с относится к низколегированным сталям, общее количество легирующих добавок в которых не превышает 2,5% (в отличие от высоколегированных, где этот показатель - свыше 10%).

Основное предназначение этой стали – использование ее для сварных конструкций. Сварка возможна как при подогреве до 100-120°С, с последующей термической  обработкой, так и без подогрева  и обработки. Хорошая свариваемость  стали обеспечивается благодаря  низкому (меньше 0,25%) содержанию углерода. Если углерода больше, то в сварном  шве могут образовываться микропоры  при выгорании углерода и возникать  закалочные структуры, что ухудшает качество шва. Еще одно достоинство  этой марки состоит в том, что  сталь 09г2с не склонна к отпускной  хрупкости, то есть ее вязкость не снижается  после процедуры отпуска. Она  также устойчива к перегреву  и образованию трещин.

При сварке листов 09г2с, толщина  которых не превышает 40 мм, применяют  способ без разделки кромок. Прочность  по всей длине сварного шва обеспечивается переходом легирующих элементов  в металл шва из электрода. При многослойной сварке лучше применять каскадный метод с использованием токов 40-50 А на 1 мм электрода, для предупреждения перегрева стали. Рекомендуемая толщина электрода – 4-5 мм. При сварке более толстых листов лучше использовать многослойную сварку с небольшими временными промежутками перед наложением следующих слоев. При дуговой сварке кромок с разной толщиной большую часть дуги нужно направлять на более толстую кромку и параметры тока выбирать по ней же. Для того, чтобы устранить закалку и повысить твердость шва следует нагреть изделие до 650°С, выдержать при этой температуре (время выдержки зависит от толщины материала, в среднем дается 1 час на каждые 25 мм толщины). После этой процедуры изделие нужно охладить на воздухе или в горячей воде.

Широкое распространение  и популярность стали 09г2с объясняется  тем, что ее высокие механические свойства позволяют экономить приизготовлении строительных конструкций. Более того, такие конструкции имеют меньший вес. Области применения этой марки стали весьма разнообразны. Из нее изготавливаются элементы и детали сварных металлических конструкций, которые могут работать при температурах от -70 °С до +450°С. Используется 09г2с и для производства листовых конструкций в нефтяной и химической промышленности, судостроении и машиностроении. После закалки и отпуска из этого сплава можно изготавливать детали трубопроводной арматуры. Устойчивость к низким температурам позволяет применять трубу 09г2с в условиях крайнего севера для прокладки нефте – и газопроводов.

 

3. Выбор операций термической обработки и определение режимов операций

 

- холодная прокатка.

Прокатка — процесс пластического деформирования тел, между вращающимися приводными валками. Слова "приводными валками" означают, что энергия необходимая для осуществления деформации передается через валки, соединенные с двигателем прокатного стана. Деформируемое тело можно протягивать и через не приводные (холостые) валки, но это будет не процесс прокатки, а процесс волочения.

Проката относится к числу основных способов обработки металлов давлением. Прокаткой получают изделия (прокат) разнообразной формы и размеров. Как и любой другой способ обработки металлов давлением прокатка служит не только для получения нужной формы изделия, но и для формирования у него определенной структуры и свойств.

При холодной прокатке стали с увеличением степени деформации повышаются все характеристики прочности: предел текучести, предел прочности, твердость. Прочность особенно возрастает на начальных стадиях деформации (до 20—30%), при дальнейшем повышении степени деформации интенсивность упрочнения уменьшается. 

При холодной прокатке происходят межзеренные и внутризеренные разрушения, появляются микроскопические трещины, которые с ростом степени деформации увеличиваются, что приводит к понижению  пластичности металла. Наибольшее понижение  пластичности происходит на начальных  стадиях холодной деформации, т. е. когда  резко возрастает упрочнение. По мере роста деформации (до 50—70%) металл становится очень прочным и хрупким. Дальнейшая его прокатка без промежуточного отжига затруднительна. При холодной прокатке форма зерна металла  изменяется в соответствии с общей  схемой деформации; они вытягиваются в направлении прокатки и уменьшаютсвои  размеры по высоте (сжимаются). Металл получает волокнистое строение, что приводит к неодинаковым свойствам его в разных направлениях. Разница в свойствах наклепанного металла, обусловленная волокнистым строением, называется механической анизотропией.

- нормализация, t = 950-1050°С; охлаждение на воздухе.

Нормализация - термообработка, при  которой сталь охлаждается не в печи, как при отжиге, а на воздухе в цехе. Нагревание ведется  до полной перекристаллизации (на 30-50°С выше точки Аc3), в результате сталь приобретает мелкозернистую, однородную структуру. Твердость, прочность стали после нормализации выше, чем после отжига. Ускоренное, по сравнению с отжигом, охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида.

Операция нормализация предназначена  для устранения возможной цементитной  сетки в слое. В результате такого режима на предприятии часто сталкиваются с проблемой короблений поршневых  пальцев, которые ведут к смещению контакта при работе, что недопустимо. Поэтому в технологический процесс  вводится операция правки с последующим  отпуском. В данном случае нормализацией подготавливают сталь для закалки. График нормализации изображен на рис.1.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.1.График нормализации для стали 09Г2С

- закалка t = 760-820°С; охлаждение в воде.

Закалка - это операция термической  обработки, заключающаяся в нагреве  стали на 30-50°С выше критических  точек Ас3 - для доэвтектоидных и  Ас1 - для заэвтектоидных сталей и  выдержке при этой температуре для  завершения фазовых превращений  и последующем охлаждении со скоростью  выше критической.

В зависимости от температуры  нагрева закалка бывает полной и  неполной. При полной закалке сталь  нагревают выше точки Ас3. Полная закалка применяется для доэвтектоидной стали. В этом случае при нагреве  выше точки Ас3 сталь имеет полностью  аустенитную структуру и после резкого охлаждения имеет полностью мартенситную структуру. При неполной закалке полного превращения не будет, и оставшийся в структуре феррит не даст получить высокой твердости и прочности. Поэтому в доэвтектоидной стали неполную закалку не применяют.

Для того, чтобы обеспечить закалку сталей на мартенсит необходимо быстро охлаждать её в области  перлитного превращения. Но если с такой  же скоростью охлаждать её и дальше в области мартенситного превращения, то в детали возникают резкие закалочные напряжения. Поэтому желательно проводить  охлаждение в области мартенситного  превращения по возможности медленнее, но среды с переменной скоростью  охлаждения не существует и поэтому  для разных деталей применяют  различные способы охлаждения, чтобы  получить закаленное состояние с  минимум уровнем внутренних напряжений.

Резкость закалки (получение мартенсита без троостита) зависит от природы  температуры охлаждающей среды. Охлаждение струей воздуха или холодными  металлическими плитами дает закалку  на сорбит. Наиболее распространено охлаждение деталей погружением в воду, щелочные, кислые растворы, масло, расплавленный  свинец и др. При этом получается резкая или умеренная закалка (на мартенсит или троостит). График закалки изображен на рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.2.График закалки для стали 09Г2С

 

- отпуск t=500-600°С; охлаждение на воздухе.

Окончательной операцией  термической обработки является отпуск при 500-600°С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали.

Отпуск стали - это вид  термической обработки, следующий  за закалкой и заключающийся в  нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска  стали - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Состояние закаленных деталей  отличаются очень сильной неравновесностьюструктуры. Это обусловлено повышенной концентрацией  углерода в твердомрастворе, высокой  плотностью дефектов кристаллического строения, а такжевнутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого  закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически  нулевой запас вязкости. Ударные  нагрузки могут вызвать быстрое  разрушение деталей. Кроме того, переход  неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может  происходить с течением времени  самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних  нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Рисунок.3.Микроструктура закаленной стали после отпуска

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок.4.График отпуска для стали 09Г2С

 

4. Методы  контроля режимов термической

обработки и качества изделий

 

Методы контроля режимов  термической обработки и качества изделий.

1. Контроль температурного  режима и состава среды.Температурный режим нагрева и охлаждения строго фиксируется в технологических картах и подлежит контролю при помощи приборов. Эти приборы называются гальванометрами.

2. Металлографический контроль  структуры металлов. Цель металлографического  контроля качества структуры  металла заключается в том,  чтобы выявить не только качественные показатели для приёмки изделии, но в основном охарактеризовать степень точности выполнения заданного технологического процесса, так как определение качества проводится на образце, условно характеризующим партию деталей.

Металлографический контроль определяет и устанавливает степень  нагрева деталей (перегрев, недогрев), определяет степень насыщения поверхности  углеродом, азотом и другими элементами, устанавливает степень охлаждения, устанавливает полноту выполнения заданных процессов.

3. Контроль твёрдости.Контроль твёрдости должен проходить на приборах Бринелля, Роквела и реже на приборах Шора. На приборах Бринелля могут контролироваться отожженные, нормализованные и улучшенные детали. На приборах Роквелла должны испытываться цементируемые и закалённые детали, прошедшие низкотемпературный отпуск. На аппаратах Шора должны испытываться только детали окончательно отшлифованные. На аппарате Викерса производят замер твёрдости изделий, подвергнутых цианированию и азотированию.

4. Магнитный метод контроля.Основан на различной магнитной проницаемости структурных составляющих и фаз стали. Методика испытаний заключается в том, что по эталону определяется магнитная проницаемость металла данной детали из определённой марки.

5. Рентгеноанализ.При помощи рентгеноанализа имеется возможность выявить внутренние пороки, не выявленные при магнитном методе. K числу таких пороков могут относиться трещины, расположенные в глубоких слоях металла, раковины. Рентгеноанализ применяется для выявления дефектов в металле, он применяется также для структурного анализа металла.

 

5. Возможные  виды брака и методы его  устранения

 

Детали, прошедшие ТО, подвергают контролю: внешнему осмотру, контролю твердости. При этом возможно образование  дефектов:

Дефекты возникающие при холодной прокатке труб:

1. Закат. Во время рабочего хода клети металл попадает в зазоры между калибрами, образуя на поверхности рабочего конуса острые боковые выступы. При обратном движении клети выступы вдавливаются калибрами в поверхность рабочего конуса и остаются на прокатанной трубе в виде рванин , называемых закатом. Рванины расположены на поверхности трубы по спирали в соответствии с углом поворота трубы.Чрезмерные зазоры между калибрами необходимо уменьшить и перераспределить, пользуясь способом, изложенным выше. При недостаточной ширине отдельных участков ручья необходимо отыскать места, где металл “закусывает” кромками ручья калибров. Для этого клеть останавливают в исходном положении.
2. Вмятины.Вмятины на поверхности труб возникают чаще всего в предготовом участке ручья и при обратном движении клети на оправке не раскатываются. Причины образования вмятин: большие зазоры между калибрами и крутая развалка в предготовом участке ручья, относительное смещение калибров в горизонтальной плоскости, изъяны на поверхности калибров.

Для устранения вмятин необходимо уменьшить крутизну развалки в предготовом  участке ручья, используя для  этого шлифовальную роторную машинку  СД-8М. Кроме того, следует уменьшить зазоры между калибрами в местах образования вмятин. Смещение калибров относительно друг друга в горизонтальной плоскости (рис. 152) вызывает подрезы на поверхности рабочего конуса в предготовом и калибрующем участках ручья При обратном движении клети они не раскатываются, а остаются на поверхности труб в виде вмятин. В этом случае необходимо восстановить симметрию валков и тщательно закрепить в станине рабочей клети кассеты валковых подшипников.

3. Чрезмерная волнистость. Для холоднокатаных труб промежуточных размеров волнистость, как правило, не служит браковочным признаком. При прокатке труб на готовый размер чрезмерная волнистость мажет быть причиной забракования в том случае, если наружный диаметр и овальность труб имеют отклонения больше допускаемых. Причинами чрезмерной волнистости могут быть износ поверхности калибрующего участка ручья и превращение его из цилиндрического в конический, некачественная обработка зева поворота, неправильная настройка механизма поворота трубы. Чрезмерная волнистость в результате увеличенного износа калибрующего участка наблюдается при повышенном обжатии в предготовом участке ручья. В этом случае калибровкой (и настройкой) инструмента следует предусмотреть минимальное обжатие по диаметру и стенке рабочего конуса в предготовом участке.
4. Раковины.Раковины на внутренней поверхности труб возникают в результате попадания внутрь заготовки инородных тел, чаще всего кусочков металла и окалины. Во время прокатки они вдавливаются в металл, оставляя на поверхности еле заметные (в виде шероховатости) или достаточно глубокие отпечатки. Кусочки металла могут попасть внутрь, заготовки при неполном удалении заусенец. Окалина и осколки металла, скапливаясь на поверхности стержня, в шпинделе патрона заготовки, в промежуточном патроне и полости винта подачи попадают в, заготовку. Инородные тела вносятся внутрь заготовки смазкой.