Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРАВКИ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ, СОВМЕЩЕННЫЙ С ЗАКАЛКОЙ

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.

Известен способ горячей правки методом термического натяжения. Этот способ применяют для горячей правки полых изделий сравнительно небольшого сечения, который устраняет их эллиптичность, возникающую в процессе термической обработки (см. книгу И.В. Фиргера «Термическая обработка сплавов», Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1982 г., стр.210).

Способ взят за прототип. Правка тонкостенных труб по способу прототипа, совмещенная с термической обработкой заключается в следующем: используют для этой цели оправку с раздвижными секторами. Элементы оправки выполняют из сталей с различными коэффициентами линейного расширения. Перед термической обработкой оправку вставляют внутрь трубы, затем сборку загружают в печь и ведут совместный нагрев, выдержку и охлаждение. В результате различного расширения элементов оправки при нагреве возникает радиальное усилие на раздвижные сектора, спрофилированные по диаметру трубы, которые, разжимаясь, придают трубе правильную форму (см. рис.20, стр.210 прототипа).

При охлаждении радиальное усилие на раздвижные сектора постепенно исчезает по причине различного уменьшения размеров элементов оправки, со временем прямой контакт секторов оправки с внутренней поверхностью трубы нарушается. По завершении охлаждения оправку извлекают из трубы.

Недостатки прототипа.

- правка труб по способу прототипа применима только на операции отжига, для которого характерна небольшая скорость охлаждения, как правило, охлаждение производится с печью. Совместить правку труб с закалкой проблематично, поскольку закалка труб совместно с оправкой может привести к изменению размеров элементов оправки из-за повышенной скорости охлаждения.

- низкая стойкость сложной по конструкции оправки по причине ее многократного высокотемпературного нагрева.

- недостаточная скорость охлаждения при закалке из-за массивности нагретых оправок надежно не обеспечивает получение требуемых механических свойств и твердости тонкостенных труб.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения области применения, снижения материальных, энергетических и других ресурсов при выполнении правки тонкостенных труб в процессе закалки.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении точных геометрических размеров тонкостенных труб в процессе закалки, а также надежного получения требуемого комплекса механических свойств и твердости, заданных ТУ.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе правки стальных тонкостенных труб, совмещенном с термической обработкой, включающего использование оправки с раздвижными секторами, нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение, новым является то, что правку совмещают с закалкой, нагрев трубы производят без оправки, подвергают правке трубы, имеющие разделительную перегородку по внутреннему диаметру, используют для правки две оправки с раздвижными секторами, перемещение раздвижных секторов в радиальном направлении производят посредством давления сжатого воздуха, перед выгрузкой нагретой трубы из печи одевают с зазором на верхнюю часть трубы нагретый на ту же температуру технологический стальной экран цилиндрической формы, снабженный захватом, соединяют экран с трубой с помощью имеющихся на трубе бобышек, выгружают трубу с экраном из печи посредством захвата, опускают трубу на первую оправку и вводят ее внутрь нижней части трубы, фиксируют трубу на первой оправке, установленной неподвижно, подают сжатый воздух на поршень первой оправки, движение которого через систему рычагов обеспечивает перемещение раздвижных секторов первой оправки в радиальном направлении, которые выполнены с возможностью воздействия на нижнюю часть трубы и придают ей правильную форму, удаляют с верхней части трубы технологический стальной экран и перемещением второй оправки фиксируют ее на внутренней поверхности верхней части трубы, подают сжатый воздух на поршень второй оправки, движение которого через систему рычагов обеспечивает перемещение раздвижных секторов второй оправки в радиальном направлении, которые выполнены с возможностью воздействия на верхнюю часть трубы и придают ей правильную форму, ускоряют охлаждение трубы подачей сжатого воздуха на наружную поверхность трубы, по завершении охлаждения трубы, коммутируют подачу сжатого воздуха на поршни первой и второй оправок, движение которых в противоположном направлении через систему рычагов обеспечивает перемещение раздвижных секторов первой и второй оправок по радиусу к центру оправок, в результате раздвижные сектора обеих оправок выходят из прямого контакта с внутренней поверхностью трубы, удаляют из верхней части трубы вторую оправку, снимают трубу с первой неподвижной оправки.

Перемещение раздвижных секторов второй оправки в радиальном направлении можно осуществлять через систему рычагов посредством воздействия на них ручного закручивания.

Способ правки, совмещенный с закалкой по предлагаемому способу, реализуют для обеспечения точных геометрических размеров тонкостенных труб, изготовленных из легированных сталей с достаточно высокой устойчивостью аустенита. Это позволяет производить закалку на мартенсит тонкостенных труб с охлаждением их на воздухе.

Как отмечалось выше, производить правку труб по способу прототипа, когда оправку нагревают под закалку совместно с изделием, проблематично, поскольку при большой массе высоко нагретой оправки, которая находится в тесном контакте с трубой обеспечить скорость охлаждения выше критической и получить после закалки на воздухе мартенситную структуру сложно, а значит, после отпуска надежно не обеспечить высокий комплекс механических свойств трубы, заданный ТУ. Кроме того, для прогрева тонкостенной трубы до температуры закалки совместно с массивной оправкой требуется большое время. Этот факт приводит к росту зерна, что в конечном итоге дополнительно снижает прочностные и пластические свойства изделия.

Предлагаемый же способ правки тонкостенных труб, совмещенный с закалкой, реализуют с помощью «холодной» оправки. Холодная оправка, помещенная внутри трубы и имеющая температуру цеха, способствует увеличению скорости охлаждения изделия после нагрева под закалку, что гарантированно обеспечивает завершенное мартенситное превращение и высокий комплекс механических свойств изделия после отпуска. Обдувка сжатым воздухом наружной поверхности трубы при охлаждении также благотворно влияет на формирование мартенситной структуры стали.

В предлагаемом способе правки используют давление сжатого воздуха на поршень, движение которого передается через систему рычагов на раздвижные сектора оправки, которые получают перемещение в радиальном направлении и придают трубе правильную форму. Для правки труб по предлагаемому способу используют две оправки, так как трубы имеют разделительную перегородку по внутреннему диаметру.

После выгрузки нагретой трубы из печи и перемещения ее вниз в вертикальном направлении, обеспечивают заход первой оправки и ее фиксирование в нижней части трубы с последующим воздействием сжатым воздухом на раздвижные сектора оправки. На эту операцию требуется значительное время, в результате верхняя часть тонкостенной трубы охладится сверх меры, поэтому правка будет малоэффективной, либо вообще невозможной. Для предотвращения подстуживания верхней части тонкостенной трубы и обеспечения эффективности правки используют технологический экран, изготовленный из листовой нержавеющей стали аустенитного класса, выполненный в форме цилиндра и снабженный захватом. Аустенитная сталь обеспечивает долговечность экрана при его многократном нагреве и охлаждении.

Использование экрана заключается в следующем: загружают технологический экран в разогретую до технологической температуры печь, затем загружают в печь тонкостенную трубу, устанавливают ее вертикально. Производят нагрев трубы и выдержку при технологической температуре. Не выгружая трубу из печи, одевают нагретый до той же температуры технологический экран на верхнюю часть трубы с зазором и фиксируют его посредством приваренных к трубе бобышек. Выгружают трубу из печи совместно с экраном. Нагретый экран, который имеет толщину стенки 4 мм, препятствует охлаждению верхней части трубы. После ввода первой оправки внутрь нижней части трубы и включения ее в работу, удаляют технологический экран с верхней части трубы, вводят внутрь верхней части трубы вторую оправку и, воздействуя сжатым воздухом на ее раздвижные сектора, придают этой части трубы, так же как и нижней правильную форму.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Предложенный способ правки тонкостенных труб, совмещенный с закалкой реализуется следующим образом.

Загружают в разогретую до технологической температуры печь с защитной атмосферой технологический экран, затем загружают тонкостенную трубу, имеющую разделительную перегородку по внутреннему диаметру и устанавливают ее в печи с помощью цехового приспособления вертикально. Закрывают печь крышкой. После нагрева трубы и выдержки при технологической температуре крышку печи открывают и с помощью захвата устанавливают технологический цилиндрический экран на верхнюю часть трубы, фиксируют его посредством бобышек, приваренных к наружной поверхности трубы. С помощью захвата на технологическом экране выгружают тонкостенную трубу вместе с экраном из печи, переносят садку в зону неподвижной первой оправки, опускают трубу вертикально и вводят оправку в внутрь нижней части трубы. Фиксируют трубу на первой оправке. Подают сжатый воздух в оправку. Под действием давления воздуха поршень оправки поднимается вверх. Движение поршня через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь в радиальном направлении, придают нижней части трубы правильную форму.

Удаляют технологический экран с верхней части трубы и вводят вторую оправку внутрь верхней части трубы. Подают сжатый воздух во вторую оправку. Под действием давления воздуха поршень оправки поднимается вверх. Движение поршня через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь в радиальном направлении, придают верхней части трубы правильную форму. Затем обдувают наружную поверхность трубы сжатым воздухом, обеспечивая при этом завершенное мартенситное превращение.

После охлаждения трубы до температуры цеха снимают давление сжатого воздуха на поршни оправок. Коммутируют подачу сжатого воздуха, в результате поршни обеих оправок начинают движение в противоположном направлении. Движение поршней через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь по радиусу к центру оправок, выходят из прямого контакта с внутренней цилиндрической поверхностью трубы. Затем удаляют из трубы верхнюю оправку и снимают тонкостенную трубу с нижней неподвижной оправки.

Охлаждают оправки сжатым воздухом до температуры цеха, а затем правку очередной трубы с одновременной закалкой повторяют.

Пример реализации способа правки тонкостенных труб из стали СП-28 совмещенный с закалкой.

Сталь СП-28 содержит в своем составе: углерода 0,26-0,31, хрома 2,8-3,2, ванадия 0,05-0,15, молибдена 0,35-0,50, кремния 0,9-1,2, вольфрама 0,8-1,2, марганца 0,5-,08, никеля 0,9-1,2. Сталь СП-28 мартенситного класса, сложно и высоко легированная, имеет достаточно высокую устойчивость аустенита, претерпевает мартенситное превращение при охлаждении на воздухе изделий небольших сечений, характерных для тонкостенных труб.

Трубу изготовляют из листа толщиной 5,6 мм методом глубокой вытяжки с промежуточными отжигами и финишной операцией ротационного выдавливания. Изготовляют таким образом две трубные заготовки, которые привариваются кольцевыми швами к разделительной перегородке. Окончательные размеры трубы: длина 850 мм, внутренний диаметр 194±0,05 мм, толщина стенки 2,0 мм. К полученной трубе приваривают с обоих концов четыре симметричные бобышки.

Для закалки с одновременной правкой первоначально в печь с защитной атмосферой и технологической температурой 960±10°C загружают технологический экран, а затем тонкостенную трубу, устанавливают ее в печи вертикально. Нагревают и выдерживают трубу с экраном с общим временем 30 минут. Открывают крышку печи и с помощью захвата устанавливают технологический экран на верхнюю часть трубы с зазором, фиксируют его посредством бобышек, приваренных к наружной поверхности трубы. С помощью захвата на технологическом экране выгружают тонкостенную трубу вместе с экраном из печи, переносят садку в зону неподвижной первой оправки, опускают трубу вертикально и вводят оправку внутрь нижней части трубы. Фиксируют трубу на первой оправке. Подают сжатый воздух в оправку. Под действием давления воздуха поршень оправки поднимается вверх. Движение поршня через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь в радиальном направлении, придают нижней части трубы правильную форму.

Удаляют технологический экран с верхней части трубы и вводят вторую оправку внутрь верхней части трубы. Подают сжатый воздух во вторую оправку. Под действием давления воздуха поршень оправки поднимается вверх. Движение поршня через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь в радиальном направлении, придают верхней части трубы правильную форму. Обе оправки снабжены ограничительным кольцом, имеющим внутренний диаметр 194^+0,05 мм, который ограничивает перемещение раздвижных секторов в радиальном направлении. Затем обдувают наружную поверхность трубы сжатым воздухом, обеспечивая при этом завершенное мартенситное превращение.

После охлаждения трубы до температуры цеха снимают давление сжатого воздуха на поршни оправок. Коммутируют подачу сжатого воздуха, в результате поршни обеих оправок начинают движение в противоположном направлении. Движение поршней через систему рычагов передается раздвижным секторам, которые, перемещаясь по радиусу к центру оправок, выходят из прямого контакта с внутренней цилиндрической поверхностью трубы. Затем удаляют из трубы верхнюю оправку и снимают тонкостенную трубу с нижней неподвижной оправки. Охлаждают оправки сжатым воздухом до температуры цеха, а затем правку очередной трубы с одновременной закалкой повторяют.

После закалки трубы подвергают отпуску при температуре 250-300°C в течение двух часов. При низком отпуске, сформированные размеры труб правкой, совмещенной с закалкой, не изменяются. После окончательной термической обработки трубы приобретают высокий комплекс механических свойств, а именно: предел прочности σ_в≥155 кгс/мм², относительное удлинение δ≥7,5% и твердость ≥46,5 HRC.

Таким образом, предложенный способ правки тонкостенных труб, совмещенный с закалкой, обеспечивает не только точные геометрические размеры, но и высокий комплекс механических свойств.