RU2277593C1

RU2277593C1 - Large-size article heat treatment process

Info

Publication number: RU2277593C1
Application number: RU2004134968/02A
Authority: RU
Inventors: Лев Александрович Недоспасов (RU); Лев Александрович Недоспасов; Александр Александрович Помазан (RU); Александр Александрович Помазан; Константин Витальевич Лежнин (RU); Константин Витальевич Лежнин; Алексей Васильевич Пуйко (RU); Алексей Васильевич Пуйко; Сергей Александрович Немцев (RU); Сергей Александрович Немцев; занцев Юрий Михайлович Р (RU); Юрий Михайлович Рязанцев; Любовь Александровна Щавлева (RU); Любовь Александровна Щавлева; Сергей Константинович Мокшин (RU); Сергей Константинович Мокшин; Олег Георгиевич Бухарин (RU); Олег Георгиевич Бухарин; Леонид Николаевич Дейнеко (UA); Леонид Николаевич Дейнеко
Original assignee: Открытое акционерное общество "ТРУБОДЕТАЛЬ"
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-10
Also published as: RU2004134968A

Abstract

FIELD: heat treatment of large size articles such as connection parts of pipelines or thick-wall large-diameter tubes of low carbon steels.

SUBSTANCE: process comprises steps of hating, soaking, cooling for several stages and tempering. First-stage cooling is realized by immersing article into circulating quenching fluid for cooling it till temperature of metal surface not lower than 180°C. Then articles are warmed and subjected to isothermal soaking and(or) slow cooling at metal temperature providing crossing of cooling curve of zone of structural conversion of austenite to beinite at least along 2/3 of said zone length. After that articles are cooled till metal temperature not lower than 200°C at rate preventing for given kind of steel separation of embedded atoms of super-saturated solid solution. Articles are warmed till temperature that is no higher than temperature of isothermal soaking and (or) slow cooling. Last-stage cooling is realized in air. Warming of articles, isothermal soaking and (or) slow cooling and cooling after isothermal soaking and (or) slow cooling may be realized by bathing in stagnant or in circulating quenching fluid. Circulation speed of quenching fluid during bathing may be constant or it may be slowed to end of bathing process. Circulation speed of quenching fluid may be varied due to controlling power of motor creating directed flow of quenching fluid. First -stage cooling may be realized at maximum power of motor. Warming may be realized at motor power consisting of 0.1 - 0.7 of maximum power value. Isothermal soaking and(or) slow cooling may be realized at motor power consisting of 0.1 -0.9 of its maximum power. Cooling after isothermal soaking and (or) slow cooling may be performed at motor power consisting of 0.1 - 0.7 of its maximum power.

EFFECT: possibility for providing optimal parameters of heat treatment process.

3 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области упрочняющей термической обработки крупногабаритных изделий типа соединительных деталей трубопроводов или толстостенных труб большого диаметра из малоуглеродистых и низколегированных сталей.The invention relates to the field of hardening heat treatment of large products such as connecting parts of pipelines or thick-walled pipes of large diameter from low-carbon and low alloy steels.

Известен способ упрочняющей термической обработки труб путем их нагрева в проходных секционных печах до заданной температуры и охлаждения диспергированной водой или водовоздушной смесью при их выходе из печи в спрейерах с последующим отпуском в проходных секционных печах при температуре 550÷650°С (см. Термическое упрочнение проката / под ред. К.Ф.Стародубова, М., «Металлургия», 1970, с.170).A known method of hardening heat treatment of pipes by heating them in continuous sectional furnaces to a predetermined temperature and cooling with dispersed water or a water-air mixture when they exit the furnace in sprayers, followed by tempering in continuous sectional furnaces at a temperature of 550 ÷ 650 ° C (see. Thermal hardening of rolled products / edited by K.F. Starodubov, M., Metallurgy, 1970, p. 170).

Недостатком этого способа является невозможность получения металла с требуемой бейнитной или феррито-бейнитной структурой для изделий толщиной от 25-30 мм и выше из-за ограниченной скорости охлаждения металла. Кроме того, соединительные детали трубопроводов, имеющие разнообразную форму, невозможно, подобно трубам, нагреть в секционных печах и охладить в спрейерах в проходном режиме, когда транспортировка осуществляется косовалковыми рольгангами с одновременным вращением изделий.The disadvantage of this method is the inability to obtain metal with the desired bainitic or ferritic-bainitic structure for products with a thickness of 25-30 mm and above due to the limited cooling rate of the metal. In addition, the connecting parts of pipelines, having a different shape, cannot, like pipes, be heated in sectional furnaces and cooled in sprayers in a continuous mode, when transportation is carried out by roving rolls with simultaneous rotation of the products.

Наиболее близким по технической сущности, достигаемому эффекту и выбранным в качестве прототипа является способ термической обработки крупногабаритных изделий из низко-, средне- и высокоуглеродистых легированных и высоколегированных сталей, включающий нагрев, выдержку и охлаждение в три стадии и отпуск. На первой стадии изделие охлаждают погружением в воду до температуры поверхности изделия 150°С. На второй стадии производят отогрев изделия, т.е. выдерживают его на воздухе до разогрева поверхности металла до 500÷550°С, а затем повторно погружают в воду и т.д., т.е. производят купание до тех пор, пока температура поднятого на воздух изделия не будет составлять 350÷400°С. Затем проводят охлаждение в масле, на воздухе, прерывистым купанием (см. Обзорную информацию ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ / серия ХМ-9. Технология химического и нефтяного машиностроения и новые материалы. Прогрессивные методы термической и химико-термической обработки в химическом машиностроении., М., 1982, с.5).The closest in technical essence, the achieved effect and selected as a prototype is a method of heat treatment of large-sized products from low-, medium- and high-carbon alloyed and high alloy steels, including heating, aging and cooling in three stages and tempering. In the first stage, the product is cooled by immersion in water to a surface temperature of the product of 150 ° C. In the second stage, the product is heated, i.e. they withstand it in air until the metal surface is heated to 500 ÷ 550 ° C, and then re-immersed in water, etc., i.e. make bathing until the temperature of the product lifted into the air is 350 ÷ 400 ° C. Then cooling is carried out in oil, in the air, by intermittent bathing (see Overview TsINTIHIMNEFTEMASH / XM-9 series. Chemical and petroleum engineering technology and new materials. Progressive methods of thermal and chemical-thermal treatment in chemical engineering., M., 1982, p.5).

Ускоренное охлаждение в воде до температуры поверхности изделия 150°С на первой стадии охлаждения приводит к возникновению градиента температур по сечению стенки изделия, что вызывает высокий уровень термических напряжений, способный привести не только к короблению деталей, но даже к образованию микротрещин в металле. Кроме того, осуществление режима купания изделия, контролируемого только по температуре, приобретаемой изделием после купания, приводит к невозможности обеспечения равномерного протекания процессов структуро- и карбидообразования.Accelerated cooling in water to a surface temperature of 150 ° C at the first cooling stage leads to a temperature gradient over the cross section of the product wall, which causes a high level of thermal stresses that can lead not only to warpage of parts, but even to the formation of microcracks in the metal. In addition, the implementation of the bathing regime of the product, controlled only by the temperature acquired by the product after bathing, makes it impossible to ensure a uniform course of structure formation and carbide formation.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является отсутствие надежных критериев для выбора параметров упрочняющей термообработки изделия. Это не позволяет обеспечить высокий уровень механических свойств, снизить уровень остаточных напряжений и коробления торцов изделий.Thus, the disadvantage of the prototype method is the lack of reliable criteria for choosing the parameters of hardening heat treatment of the product. This does not allow to ensure a high level of mechanical properties, to reduce the level of residual stresses and warpage of the ends of the products.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение равномерности протекания процессов структуро- и карбидообразования в изделиях для обеспечения высокого уровня механических свойств, снижения уровня остаточных напряжений в металле и коробления торцов изделий.The objective of the present invention is to ensure the uniformity of the processes of structure and carbide formation in products to ensure a high level of mechanical properties, reduce the level of residual stresses in the metal and warpage of the ends of the products.

Техническим результатом, получаемым при реализации данного изобретения, является оптимизация параметров обработки.The technical result obtained by the implementation of this invention is the optimization of processing parameters.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе термической обработки крупногабаритных изделий, включающем нагрев, выдержку, охлаждение в несколько стадий и отпуск, при котором охлаждение на первой стадии ведут погружением в закалочную среду, после чего осуществляют отогрев изделий, а охлаждение на последней стадии ведут на воздухе, согласно изобретению охлаждение на первой стадии ведут до температуры поверхности металла не ниже 180°С в циркулирующей закалочной среде, после отогрева изделий проводят их изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение при температуре металла, обеспечивающей пересечение кривой охлаждения области структурного превращения аустенита в бейнит, по крайней мере, на 2/3 протяженности этой области, после чего охлаждение ведут до температуры металла не ниже 200°С со скоростью, предотвращающей для данной марки стали выделение атомов внедрения из пересыщенного твердого раствора, причем отогрев изделий ведут до температуры не выше температуры, при которой проводят изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение.This problem is solved due to the fact that in the known method of heat treatment of large-sized products, including heating, aging, cooling in several stages and tempering, in which the cooling in the first stage is carried out by immersion in the quenching medium, after which the products are heated and the cooling in the last the stages are conducted in air, according to the invention, the cooling in the first stage is carried out to a metal surface temperature of at least 180 ° C in a circulating quenching medium, after heating the products, they are isothermal holding and / or delayed cooling at a metal temperature that ensures that the cooling curve intersects the region of structural transformation of austenite into bainite by at least 2/3 of the length of this region, after which cooling is carried out to a metal temperature of at least 200 ° C with a speed that prevents This brand was the release of interstitial atoms from a supersaturated solid solution, and the products are heated to a temperature not higher than the temperature at which isothermal exposure and / or delayed cooling are carried out.

Отогрев изделий, изотермическую выдержку и/или замедленное охлаждение и охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения могут быть проведены путем купания в спокойной или циркулирующей закалочной среде, причем скорость циркуляции среды в течение купания может быть сохранена постоянной или замедлена к концу купания.Heating of the products, isothermal aging and / or delayed cooling and cooling after isothermal aging and / or delayed cooling can be carried out by bathing in a calm or circulating quenching medium, and the circulation speed of the medium during bathing can be kept constant or slowed down to the end of bathing.

Скорость циркуляции закалочной среды может быть изменена посредством изменения мощности двигателя, создающего направленный поток среды, причем охлаждение на первой стадии может быть проведено при максимальной мощности двигателя, отогрев - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности, изотермическая выдержка и/или замедленное охлаждение - при мощности двигателя 0,1÷0,9 от максимальной мощности, а охлаждение после изотермической выдержки и/или замедленного охлаждения - при мощности двигателя 0,1÷0,7 от максимальной мощности.The circulation rate of the quenching medium can be changed by changing the power of the engine, creating a directed flow of the medium, moreover, cooling in the first stage can be carried out at maximum engine power, heating at engine power of 0.1 ÷ 0.7 of maximum power, isothermal exposure and / or delayed cooling - at an engine power of 0.1 ÷ 0.9 of the maximum power, and cooling after isothermal exposure and / or delayed cooling - at an engine power of 0.1 ÷ 0.7 of the maximum power.

Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый способ неизвестен и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям новизна и изобретательский уровень.Studies conducted on the sources of patent and scientific and technical information have shown that the claimed method is unknown and does not follow explicitly from the studied prior art, i.e. meets the criteria of novelty and inventive step.

Способ может быть осуществлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован при проведении термообработки металлоизделий, т.е. является промышленно применимым.The method can be carried out at any enterprise specializing in this industry, because this requires well-known materials and standard equipment, and is widely used in the heat treatment of metal products, i.e. is industrially applicable.

Для получения в металле готовых изделий большого количества дисперсных частиц вторичной фазы (карбидов, карбонитритов), равномерно распределенных в матрице, необходимо ускоренно охлаждать изделие из однородного аустенитного состояния со скоростью, достаточной для предотвращения выделения растворенных атомов внедрения (углерода и азота) из твердого раствора. При этом важную роль в создании пересыщенного твердого раствора, в котором подавлен процесс выделения углерода и азота на стадии охлаждения, играет температура конца ускоренного охлаждения. Это связано с тем, что указанные элементы даже при пониженных температурах металла имеют значительную диффузионную способность. Интенсивная циркуляция закалочной среды на первой стадии охлаждения позволяет эффективно управлять скоростью охлаждения изделия и провести выравнивание температурного поля металла по сечению стенки изделия до момента вхождения кривой охлаждения в область бейнитного распада аустенита. Это, в свою очередь, обеспечивает пересечение этой области кривой охлаждения, по крайней мере, на 2/3 ее протяженности (в соответствии с термокинетической диаграммой для конкретной марки стали). Экспериментально установлено, что заявляемые оптимально подобранные температурные интервалы и параметры циркуляции закалочной среды позволяют получить феррито-бейнитную или бейнитную структуру металла за счет обеспечения равномерного протекания процессов структуро- и карбидообразования. Это обеспечивает достижение высокого уровня механических свойств металла изделий, снижает уровень остаточных напряжений и коробление торцов изделий.To obtain a large number of dispersed particles of the secondary phase (carbides, carbonitrites) uniformly distributed in the matrix in the finished metal, it is necessary to rapidly cool the product from a uniform austenitic state at a rate sufficient to prevent the release of dissolved interstitial atoms (carbon and nitrogen) from the solid solution. In this case, the temperature of the end of accelerated cooling plays an important role in creating a supersaturated solid solution in which the process of carbon and nitrogen evolution is suppressed. This is due to the fact that these elements, even at low metal temperatures, have significant diffusion ability. Intensive circulation of the quenching medium at the first stage of cooling allows you to effectively control the cooling rate of the product and align the temperature field of the metal along the cross section of the product wall until the cooling curve enters the region of bainitic decomposition of austenite. This, in turn, ensures that this region of the cooling curve intersects at least 2/3 of its length (in accordance with the thermokinetic diagram for a particular steel grade). It was experimentally established that the claimed optimally selected temperature ranges and circulation parameters of the quenching medium make it possible to obtain a ferrite-bainitic or bainitic metal structure due to the uniform occurrence of structure formation and carbide formation processes. This ensures the achievement of a high level of mechanical properties of metal products, reduces the level of residual stresses and warpage of the ends of the products.

Предлагаемый способ термической обработки крупногабаритных изделий был опробован в промышленных условиях при упрочнении соединительных деталей трубопроводов, а именно штампосварных тройников диаметром 1020 мм с толщиной стенки 28 мм, изготовленных из стали 10Г2ФБЮ. В идентичных условиях был опробован способ-прототип.The proposed method of heat treatment of large-sized products was tested under industrial conditions when hardening the connecting parts of pipelines, namely die-welded tees with a diameter of 1020 mm and a wall thickness of 28 mm, made of steel 10G2FBYu. In identical conditions, the prototype method was tested.

Термообрабатываемые изделия нагревали в печи до 950÷980°С, выдерживали при этой температуре и затем осуществляли охлаждение. Характеристики охлаждения и полученные свойства металла представлены в таблице 1.The heat-treating products were heated in an oven to 950–980 ° C, kept at this temperature, and then cooled. The cooling characteristics and the obtained metal properties are presented in table 1.

Измерения для определения степени коробления тройника были проведены после различных режимов (характеристики режимов приведены в таблице 1) обработки. Результаты измерения для определения степени коробления изделий по заявленному способу и способу-прототипу приведены в таблице 2.Measurements to determine the degree of warpage of the tee were carried out after various modes (characteristics of the modes are given in table 1) processing. The measurement results to determine the degree of warpage of the products according to the claimed method and the prototype method are shown in table 2.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, in which:

Фиг.1. Вид спереди (со стороны торца) на соединительную деталь трубопровода - тройник /показано положение мест измерения диаметра торца тройника/.Figure 1. Front view (from the end side) of the pipe connecting piece - tee / shows the position of the measuring points of the tee end diameter /.

Фиг.2 Кривая охлаждения по предлагаемому способу: охлаждение по режиму 2 (характеристика режима приведена таблице 1) для штампосварного тройника диаметром 1020 мм с толщиной стенки 28 мм из стали марки 10Г2ФБЮ (латинскими цифрами обозначены стадии охлаждения).Figure 2 Cooling curve according to the proposed method: cooling according to mode 2 (mode characteristics are given in table 1) for a die-welded tee with a diameter of 1020 mm and a wall thickness of 28 mm made of steel grade 10G2FBU (the cooling stages are indicated in Latin numbers).

Анализ данных, приведенных в таблицах, показывает, что предлагаемый способ позволяет повысить по сравнению с прототипом комплекс механических свойств изделий, снизить уровень остаточных напряжений в металле и коробление торцов изделий.Analysis of the data given in the tables shows that the proposed method allows to increase the complex of mechanical properties of products in comparison with the prototype, reduce the level of residual stresses in the metal and warpage of the ends of the products.

Данный способ позволяет также повысить устойчивость металла к разупрочнению при последующих нагревах (например, при отпуске и сварке).This method also allows to increase the resistance of the metal to softening during subsequent heating (for example, during tempering and welding).

Claims

1. The method of heat treatment of large-sized products, including heating, aging, cooling in several stages and tempering, moreover, cooling in the first stage is carried out by immersion in a quenching medium, after which the products are heated, and cooling in the last stage is carried out in air, characterized in that cooling in the first stage is carried out to a metal surface temperature of at least 180 ° C in a circulating quenching medium, after heating the products, they are isothermally held and / or delayed cooling at a metal temperature providing the intersection of the cooling curve of the region of structural transformation of austenite into bainite, at least 2/3 of the length of this region, after which cooling is carried out to a metal temperature of at least 200 ° C with a speed that prevents the release of implant atoms from a supersaturated solid solution, and the products are heated to a temperature not higher than the temperature at which isothermal holding and / or delayed cooling is carried out.

2. The method according to claim 1, characterized in that the products are heated, isothermal exposure and / or delayed cooling and cooling after isothermal exposure and / or delayed cooling are carried out by bathing in a calm or circulating quenching medium, and the circulation speed of the medium during bathing is maintained constant or slow down towards the end of swimming.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the circulation rate of the quenching medium is controlled by changing the power of the engine, creating a directed flow of the medium, moreover, cooling in the first stage is carried out at maximum engine power, heating - with engine power of 0.1 ÷ 0 , 7 from maximum power, isothermal exposure and / or delayed cooling - with engine power 0.1 ÷ 0.9 of maximum power, and cooling after isothermal exposure and / or delayed cooling - with engine power 0.1 ÷ 0.7 from maximum power.