СПОСОБ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ ИЗ МАЛОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Российский патент 1997 года по МПК C23C8/32 

Изобретение относится к области химико-термической обработки металла стальных изделий, преимущественно к ХТО внутренней поверхности стальных труб, работающих в условиях абразивного изнашивания.

Известен способ газовой нитроцементации стальных изделий (а.с. СССР N 3963446, C 23 C 9/04, 1973, БИ N 36), при котором осуществляют нагрев изделий при температуре (870 910)±10^oC в эндотермической атмосфере с добавками 3,5±0,2% городского газа и 3,0±0,2% аммиака.

К недостаткам способа относится высокая длительность процесса химико-термической обработки изделий и низкая производительность процесса обработки, обусловленные низкой температурой процесса нитроцементации и низкой диффузией углерода в сталь при данной температуре процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ химико-термической обработки изделий, в частности, газовой цементации /1/ с использованием в период нагрева в интервале 650 800^oC в качестве газа разбавителя атмосферы азотного типа с добавлением 3 9% аммиака. Последующий нагрев и выдержку осуществляют до температуры 930^oC в атмосфере газа-разбавителя с добавками углеводородных газов.

Недостатками способ являются низкая производительность процесса, обусловленная длительностью цементации при данной температуре, повышенная кривизна изделий в процессе обработки и недостаточно высокая износостойкость упрочняемой поверхности изделий.

Техническая задача, решаемая предполагаемым изобретением, заключается в повышении износостойкости и качества изделий и сокращении длительности процесса обработки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе химико-термической обработки внутренней поверхности стальной трубы преимущественно из малоуглеродистых сталей, включающем нагрев изделия, диффузионное насыщение в атмосфере с добавлением аммиака, закалку и низкотемпературный отпуск, согласно изобретению обработку трубы производят в вертикальном положении, диффузионное насыщение осуществляют при температуре 980 1150^oC в атмосфере неразбавленного природного газа с добавлением 10 -20% аммиака, а перед закалкой проводят медленное охлаждение трубы вместе с печью до температуры 780 -850^oC. Кроме того, химико-термическую обработку трубы осуществляют в подвешенном состоянии и с приложением растягивающих осевых усилий.

Предлагаемое техническое решение содержит новые существенные признаки:
проведение процесса химико-термической обработки стальных труб в вертикальном положении, в частности, в подвешенном состоянии и с приложением к трубе дополнительных растягивающих осевых усилий, исключает кривизну труб в процессе их нагрева и охлаждения при закалке, что повышает качество изделий;
диффузионное насыщение (нитроцементацию) металла осуществляют в атмосфере неразбавленного природного газа, что увеличивает скорость диффузии углерода в сталь и значительно сокращает длительность процесса нитроцементации изделий и повышает производительность обработки;
процесс диффузионного насыщения осуществляют при температуре 980 - 1150^oC, что увеличивает скорость диффузии углерода в сталь и тем самым сокращает длительность процесса и повышает производительность обработки изделий;
добавление в карбюратор газообразного аммиака в пределах 10 20% способствует образованию в структуре металла карбонитридного подслоя, что предотвращает "схватывание" изделий, работающих в условиях трения без смазки, за счет повышения коэффициента трения сопрягаемых изделий, тем самым повышает долговечность изделий в процессе его эксплуатации;
закалка образовавшегося высокоуглеродистого поверхностного слоя изделий с температуры 780 850^oC способствует образованию в нем закалочных структур и предотвращает появление трещин в обрабатываемом слое в процессе его закалки, что повышает износостойкость, долговечность и качество изделий.

Именно указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить износостойкость металла, качество и долговечность изделий в процессе эксплуатации, а также сократить длительность и увеличить производительность процесса химико-термической обработки.

Сущность предлагаемого способа химико-термической обработки металла внутренней поверхности стальных труб заключается в следующем. Стальную трубу из малоуглеродистой стали размещают на специальном устройстве в вертикальном положении, преимущественно в подвешенном состоянии и помещают в электропечь. При необходимости к трубе прикладывают дополнительно растягивающие осевые усилия для сохранения при дальнейшей обработке прямолинейности изделия.

Во внутреннее пространство трубы с помощью специальной газоподводящей системы подают газовую смесь, состоящую из неразбавленного природного газа с добавкой 10 20% газообразного аммиака и нагревают ее до температуры 980 - 1150^oC.

При добавке к природному газу менее 10% аммиака в структуре упрочняемого металла не образуется карбонитридного подслоя, что снижает износостойкость и долговечность изделия в процессе его эксплуатации.

При добавке к природному газу более 20% аммиака в структуре упрочняемого металла появляются поры, обусловленные избытком атомарного азота в структуре металла, превышающим предел его растворимости в стали, что снижает качество и износостойкость металла.

Нагрев трубы в процессе нитроцементации до температуры ниже 980^oC снижает скорость диффузии углерода в сталь, что приводит к повышению длительности процесса нитроцементации и снижению производительности обработки изделий.

Нагрев трубы до температуры выше 1150^oC приводит к расплавлению металла упрочняемой поверхности и к образованию эвтектической структуры, что снижает качество изделия и ухудшает прочностные свойства металла.

При нагреве трубы до данной температуры природный газ и аммиак диссоциирует внутри трубы на атомарный углерод, атомарный азот и водород. Атомарный углерод и атомарный азот диффундируют в металл обрабатываемой поверхности трубы, а водород и отработанный газ отводят из трубы с противоположного ее конца наружу и утилизируют.

При насыщении металла внутренней поверхности трубы на заданную глубину и достижении необходимой концентрации углерода и азота в металле осуществляют охлаждение трубы вместе с печью до температуры 780 850^oC, а затем проводят закалку путем окунания трубы в бак с водой или другой охлаждающей жидкостью с последующим низкотемпературным отпуском при температуре 150-200^oC.

Закалка с температуры ниже 780^oC приводит к образованию менее износостойких составляющих структуры нитроцементованного слоя, что снижает долговечность изделия в процессе его эксплуатации.

Закалка с температуры выше 850^oC приводит к образованию трещин в высокоуглеродистом нитроцементованном слое, что снижает качество и долговечность трубы. Поэтому для предотвращения образования трещин в слое высокоуглеродистого сплава, склонного к самозакаливанию на воздухе при определенных условиях, проводят медленное охлаждение трубы вместе с печью в интервале температур 1150 850^oC.

В условиях АО "УралНИТИ" по предлагаемой технологии была изготовлена опытная партия износостойких цилиндров штанговых глубинных насосов из труб размером 57,0•6,5 мм. Одновременно были изготовлены и испытаны опытные образцы труб размером 57,0•6,5 мм, изготовленные по способу-прототипу.

Для изготовления износостойких цилиндров штанговых глубинных насосов использовали стальные трубы диаметром 57,0 мм с толщиной стенки 6,5 мм, длиной 5,0 6,0 метров из малоуглеродистой стали марки Ст. 22 ГЮ. В качестве природного газа использовали сжиженный пропан-бутан в баллонах емкостью 20 литров.

Диффузионное насыщение (нитроцементацию) стальных труб осуществляем в следующей последовательности: стальную трубу подвешивали в вертикальном положении на специальном устройстве за приваренный к ее концам кронштейн, устанавливали в шахтную электропечь и нагревали до температуры 920 - 1200^o. Кроме того, к нижнему концу части труб садки подвешивали дополнительный груз массой 15 20 кг для создания растягивающих осевых усилий и сохранения прямолинейности изделий.

Через специальное устройство в трубу подавали газовую смесь пропана-бутана и газообразного аммиака от отдельных баллонов с сжиженным пропан-бутаном и аммиаком. Расход бутан-пропана и аммиака контролировали с помощью стеклянных ротометров РС-3, отградуированных на расходы данных газов. Продукты отработанного газа отводили с противоположного (верхнего) конца трубы и сжигали.

После нагрева трубы до заданной температуры и выдержке ее при этой температуре (см. табл.) прекращали нагрев трубы, выключали подачу газа в трубу и производили охлаждение трубы вместе с печью до температуры закалки.

Затем с помощью мостового крана производили быстрое охлаждение трубы (закалку) с температуры 700 950^oC до температуры 150 200^oC путем окунания ее в вертикальном положении и в подвешенном состоянии в бак с водой и осуществляли последующий низкотемпературный отпуск металла изделия.

Режимы процесса ХТО:
Температура нагрева трубы 930 1200^oC
Температура закалки 700 950^oC
Расход пропан-бутана 15 л/мин
Расход аммиака 1,2 3,3 л/мин
Из упрочненных труб были изготовлены образцы для дальнейшего исследования.

Толщину нитроцементованного слоя трубы определяли на микрошлифах с помощью металлографического микроскопа Neophot-21 при 50 и 100-кратном увеличении с точностью до 0,10 мм.

Опытная партия износостойких труб была испытана на абразивное изнашивание на специальной установке, имитирующей износ металла при трении скольжения без смазки.

Износостойкость упрочненного металла, а следовательно, долговечность труб изучали на образцах длиной 1,0 м путем определения потери их веса через каждый час непрерывного их испытания на истирание.

Относительную износостойкость упрочненного металла внутренней поверхности трубы определяли как отношение потери веса (износа) образца, изготовленного по способу-прототипу, к потере веса (износу) образца, упрочненного по заданному режиму процесса ХТО.

Кривизну трубы после ХТО определяли с помощью металлической линейки длиной 1 метр и щупа.

Трещины в металле нитроцементованного слоя определяли визуально и на макрошлифах с помощью металлографического микроскопа Neophot-21 при 100- кратном увеличении.

Качество внутренней поверхности трубы после нитроцементации определяли визуально.

Результаты сравнительных испытаний труб после ХТО приведены в таблице.

Результаты сравнительных испытаний обработанных труб показали (см. таблицу), что в сравнении с образцами, изготовленными по способу-прототипу, трубы, упрочненные по предлагаемому способу, имеют меньшую кривизну (образцы 7 9), обладают более высокой (в 2,3 раза) износостойкостью (образцы 2, 5, 8) при трении скольжения без смазки, кроме того, при упрочнении стальных труб по предлагаемому способу значительно сокращается продолжительность процесса химико-термической обработки (образцы 1 3).

Из таблицы видно, что оптимальное сочетание свойств: относительная износостойкость металла, долговечность изделия, качество слоя и снижение длительности процесса ХТО получены при осуществлении процесса химико-термической обработки труб в вертикальном положении в подвешенном состоянии и с приложением растягивающих осевых усилий при нагреве металла трубы до температуры 980 1150^oC (образец N2) в атмосфере неразбавленного аммиака в количестве 10 20% по объему газовой смеси (образец 5) и при закалке образующегося высокоуглеродистого сплава с температуры 780 850^oC (образец 8) с последующим его низкотемпературным отпуском с температуры 150 - 200^oC.

Таким образом, предлагаемый способ химико-термической обработки металла внутренней поверхности стальных труб в сравнении с прототипом позволяет:
повысить более чем в 2 раза износостойкость металла абразивному износу при трении скольжения без смазки;
повысить качество изделий за счет снижения кривизны труб;
сократить длительность процесса ХТО;
снизить эксплуатационные расходы за счет увеличения срока службы труб.

Предлагаемый способ может быть использован при производстве износостойких труб, работающих в условиях абразивного изнашивания, например, при транспортировании по трубопроводам абразивных твердых материалов (песок, щебень, зола, гравийно-песчаные смеси и др.) в различных отраслях промышленности, а также при упрочнении стальных изделий, подверженных интенсивному износу, например, цилиндров штанговых глубинных насосов.

Изобретение относится к области химико-термической обработки стальных изделий, преимущественно к ХТО внутренней поверхности стальных труб, работающих в условиях абразивного изнашивания. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности стальной трубы, преимущественно из малоуглеродистых сталей, включает нагрев изделий в вертикальном положении, диффузионное насыщение внутренней поверхности при температуре 980 - 1150 ^oC в атмосфере неразбавленного природного газа с добавлением 10 - 20% аммиака, медленное охлаждение трубы вместе с печью до температуры 780 - 850^oC, закалку и низкотемпературный отпуск. Кроме того, обработку изделий проводят в подвешенном состоянии, а также с приложением к ним растягивающих осевых усилий. 2 з.п. ф-лы. 1 табл.

1. Способ химико-термической обработки внутренней поверхности трубы из малоуглеродистой стали, включающий нагрев, диффузионное насыщение в атмосфере, содержащей природный газ, и закалку, отличающийся тем, что при обработке трубу располагают вертикально, диффузионное насыщение осуществляют при 980 - 1150^oС а атмосфере природного газа с добавлением 10 20% аммиака, перед закалкой проводят охлаждение трубы вместе с печью до 780 850^oС, а после закалки низкотемпературный отпуск. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при обработке трубу подвешивают. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработку трубы проводят с приложением растягивающих осевых усилий.