СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК C21D9/08 C21D1/74 C21D1/70 

Изобретение относится к термической обработке в воздушной среде изделий с внутренней полостью, например, труб, профилей и других. Способ может найти применение при нагреве под пластическую деформацию черных и цветных металлов и сплавов. При наличии кислорода и других газовых окислителей (Н₂О, СО₂, SO₂) при высоких температурах всегда имеются условия для окисления металлов. Основные методы защиты металлов от окисления при нагреве включают термообработку в инертных газах (азот, аргон и др.), восстановительных средах (СО, Н₂ и др.), а также использование защитных технологических покрытий (стеклоэмали и др.). вакуума, которые значительно усложняют и удорожают процесс термообработки. Известен патент 2242522, Способ нормализации груб в проходных роликовых печах. Трубы нагревают до заданной температуры при скорости ее перемещения в печи, которая зависит от диаметра трубы, толщины ее стенки, размеров печи и температуры. Две последние зоны печи имеют температуру равную заданной. Процесс нормализации труб происходит на воздухе с образованием окалины на внутренней и наружной поверхностях труб. В настоящее время известно, что при определенных условиях возможно проводить безокислительную термообработку металлов в воздушной среде (1.Пилягин М.В., Янилкин В.В., Саиткулов В.Г. Безокислительный нагрев металлов в воздушной среде, ж. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева №3, 2010, с. 54-60). Металлический муфель с расположенным в нем образце при высоких температурах образуют гальваническую пару. Наружная стенка муфеля окисляется, а металлический образец восстанавливается. Это обусловлено разной работой выхода электронов образца металла и муфеля. Если есть контакт между ними, цепь переноса электронов и ионов уже существует, если нет непосредственного контакта между образцом и муфелем нужно организовать условия выхода электронов в газовую среду. Для этого нужна высокая температура и ограниченное пространство, чтобы чувствовать потенциалы друг друга. Для этого важным является расстояние между образцом и муфелем. Каждый металл имеет свою температуру начала восстановления его окислов.

Известно устройство для термообработки, включающее трубчатый муфель и соосно установленную внутри с зазором медную трубку ([2] Пилягин М.В, Тагиров Л.Р. Восстановление меди из оксидов при нагревании в воздухе. Письма в ЖТФ, 2023, том 49, выпуск 9). При температурах ниже 615°С поверхность образцов металлической меди окисляется, при более высоких температурах оксиды восстанавливаются до металлического состояния. Это обусловлено тем, что муфель из железа имеет боле низкий потенциал -0.440 V для и - 0.037 V для , по сравнению с +0.337 V для Здесь работает гальваническая пара муфель и медная трубка. Наружная поверхность муфеля окисляется, а медная трубка восстанавливается. Однако данный способ трудно приспособить для труб больших размеров.

Наиболее полно составы и эффективность защиты покрытий от окисления приведены в справочном пособии [3] С.С. Солнцева «Защитные покрытия металлов при нагреве. М: 2009». Так один из составов покрытия содержит в масс. %: SiO₂ - 20; каолина - 20, окиси хрома - 18, буры - 0.75, эти компоненты смешивают с этиловым спиртом и добавляют еще некоторые (см. стр. 47). В этом составе и других часто используют буру. Однако наличие щелочных металлов (N₂O, K₂О) является нежелательным из-за химической и реакционной активности расплава к металлу (стр. 122).

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является патент [4] 2428488, мпк C21D 1/74, 26.01.2010 «Способ безокислительного нагрева термообрабатываемых металлических изделий в воздушной среде в муфеле и устройство для его осуществления». Способ включает нагрев металлических изделий в муфеле открытого с одного конца. Изделие располагают в муфеле с зазором, обеспечивающим взаимное влияние электрических потенциалов материала муфеля и изделия. Гальванический элемент образуется как при контакте муфеля и образца, так и малых зазорах между ними. При наличии контакта между ними гальванический элемент в газовой среде работает более эффективно. Способ прост в реализации и позволяет получать на поверхности обрабатываемых деталей более плотные бездефектные тонкие пленки, препятствующие дальнейшему окислению металлов. Однако как применить неизвестное ранее явление восстановления окислов металла в воздушной среде к изделиям больших размеров с внутренней полостью, это большой вопрос?

Решаемая техническая задача-разработка способа термообработки на воздухе металлических изделий с внутренней полостью, труб, профилей и других для повышения качества изделий.

Решаемая техническая задача в способе термообработки на воздухе металлических изделий с внутренней полостью, например труб, профилей и других, которые размещают в нагревательной печи, нагрев ведут при заданной температуре и времени термообработки и охлаждают, достигается тем, что во внутреннюю полость изделия размещают полый вкладыш из кварца, керамики или фарфора с зазором относительно внутренней поверхности изделия, и ведут термообработку с получением защитных окисных пленок, без образования окалины на внутренней поверхности изделия или с защитным покрытием от окисления на наружной поверхности изделия с получением защитных окисных пленок на наружной и внутренней поверхностях изделия без окалин, при этом используют для защитного покрытия композицию содержащую масс. %:

Каолиновую глину 25-50;

Кварцевый песок 25-45;

Борная кислота 5-25,

Вода не менее 250 мл на 1 кг смеси этих компонентов.

На фиг. 1 представлена схема расположения термообрабатываемого отрезка трубы с полым вкладышем в нагревательной печи.

На фиг. 2 отрезок трубы с вкладышем и защитным покрытием на наружной поверхности. Способ термообработки на воздухе металлических изделий с внутренней полостью реализуется следующим образом. В нагревательную печь 1, нагретую до 900°С, помещают отрезок трубы 2 из стали 20 размером 29/3мм и L=400 мм, а внутрь нее устанавливают вкладыш 3 из кварца размером 22/2 с L=300 мм. Зазор 6 между вкладышем и трубой составил 1 мм (фиг. 1). Величина зазора зависит от температуры термообработки, разности потенциалов РВЭ гальванической пары. В экспериментах величина зазора σ=1-4 мм. В процессе нагрева идет окисление наружной 4 и 5 внутренней поверхностей трубы 2, а начиная с 670°С на внутренней поверхности 5 трубы 1 начинают восстанавливаться окислы железа. Механизм восстановления окислов металла при нагреве на воздухе приведен в работах [1,2]. На наружной поверхности трубы при высоких температурах (>570°С) образуется окалина, содержащая закись железа FeO (вюстит), примыкающая к поверхности железа, далее Fe₃O₄ и затем F₂O₃. Соотношение толщин этих оксидов 100:10:1 ([5] Калин Б.А. Физическое материаловедение. Т.2. Основы материаловедения. Учебник МИФИ, раздел 7.2.8. 2007 г.). Окислы железа имеют меньшее значение работы выхода электронов (РВЭ), FO=3.85 эВ, тогда как железо имеет РВЭ 4.4-4.71. Образуется гальваническая пара железо - окисел железа. Наружная поверхность 4 трубы будет окисляться с образованием окалины, а внутренняя поверхность 5 трубы будет восстанавливаться. Процесс протекает до выравнивания потенциалов. В нашем случае время термообработки составило 1 час, а охлаждение проводилось на воздухе вне печи. Мессбауэровская спектроскопия на конверсионных электронах показала, что внутренняя поверхность трубы после термообработки представляет собой сплошную ровную пленку из окислов Fe3O4=Fe2O3+FeO без образования окалины. Наличие гематита в пленке повышает ее коррозионную стойкость, так как он обладает меньшей электропроводностью, чем остальные окислы железа, удельное объемное сопротивление при N=843 К составляет 62.4 ом⋅м. На наружной поверхности трубы, после опавшей окалины при охлаждении, также образовалась защитная пленка от коррозии. Предлагаемый способ термообработки металлических изделий на воздухе не меняет саму схему термообработки на воздухе, а нужно лишь создать ограниченное пространство в зоне окислительно-восстановительных процессов, путем применения вкладыша. Поэтому данный способ безокислительного нагрева найдет применение. Для реализации способа термообработки с защитным покрытием 6 на наружной поверхности 4 трубы 2 (фиг.2) необходимо приготовить композицию состава, масс. %: коалиновая глина 25-50,кварцевой песок мелкозернистый с размером зерна 0,1-0,25 мм 25-45,борная кислота 5-25 и перемешать. Вода добавляется не менее 250 мл на 1 кг смеси. Для нанесения распылением требуется большее количество воды, которое находится экспериментальным путем. Широкий диапазон содержания компонентов в композиции позволяет выбрать оптимальный состав. С защитным покрытием испытывались образцы трубок из стали20, размером 29/3 мм с Ь=400 мм с вкладышем из кварца с размером 22/2 мм с L=300 мм и зазором 6=1 мм.; медная трубка размером 15/1 мм с L=38mm с кварцевым вкладышем 10/2 мм. Покрытия на образцы наносились кистью, толщина покрытия после термообработки составляла 1-1, 2 мм. Предварительная сушка покрытий проводилась естественным путем. Образцы с защитным покрытием обрабатывались в печи при 900°С в течении 1 часа и охлаждались вне печи на воздухе. В процессе охлаждения покрытия не отваливаются, которые после охлаждения удаляют водой. При нагреве в начальный период термообработки защитное покрытие воздухопроницаемое (удаление воды), металл будет окислятся до образования стеклообразного состояния при плавлении оксида бора 480°С. С повышением температуры нагрева окислы кремния и алюминия переходят в класс полупроводников, при этом оксид бора является полупроводником и имеет наименьшую работу выхода электрона РВЭ=3,1-4,4 эВ по сравнению с обрабатываемыми металлами. При высоких температурах данные окислы являются эмитерами- источниками электронов, которые и восстанавливают образовавшие окислы металлов до тонких защитных пленок или до металла. Восстанавливают окислы металлов оксиды бора уже при 1000°С. Образцы из стали 20, меди и никеля с защитным покрытием и вкладышем после термообработки были без окалин на внутренней и внешней поверхностях, а содержали очень тонкие защитные окисные пленки соответствующих металлов. Защитная композиция от окисления предназначена для применения до температуры 1300°С.

Изобретение относится к способам термообработки на воздухе металлических изделий с внутренней полостью, например труб, профилей и других. Способ термообработки металлической трубы включает размещение трубы в нагревательной печи, нагрев при заданных температуре и времени термообработки и охлаждение на воздухе вне печи, при этом во внутренней полости трубы размещают полый вкладыш из кварца, керамики или фарфора с зазором относительно внутренней поверхности трубы и проводят термообработку с получением окисных защитных пленок и без образования окалины на внутренней поверхности трубы. В варианте способа во внутренней полости трубы размещают полый вкладыш из кварца, керамики или фарфора с зазором относительно внутренней поверхности трубы, наносят композицию для защитного покрытия на наружную поверхность трубы и проводят термообработку с получением окисных защитных пленок и без образования окалины на наружной и внутренней поверхностях трубы, при этом используют для защитного покрытия композицию, содержащую, мас.%: каолиновая глина 50-25, кварцевый песок 25-45, борная кислота 5-25, вода - не менее 250 мл на 1 кг смеси. Технический результат заключается в простоте при реализации способа и получении на поверхности обрабатываемых деталей более плотных бездефектных тонких окисных пленок, препятствующих дальнейшему окислению металлов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ термообработки металлической трубы, которую размещают в нагревательной печи, нагрев проводят при заданных температуре и времени термообработки и охлаждают на воздухе вне печи, отличающийся тем, что во внутренней полости трубы размещают полый вкладыш из кварца, керамики или фарфора с зазором относительно внутренней поверхности трубы и проводят термообработку с получением окисных защитных пленок и без образования окалины на внутренней поверхности трубы.

2. Способ термообработки металлической трубы, которую размещают в нагревательной печи, нагрев проводят при заданных температуре и времени термообработки и охлаждают на воздухе вне печи, отличающийся тем, что во внутренней полости трубы размещают полый вкладыш из кварца, керамики или фарфора с зазором относительно внутренней поверхности трубы, наносят композицию для защитного покрытия на наружную поверхность трубы и проводят термообработку с получением окисных защитных пленок и без образования окалины на наружной и внутренней поверхностях трубы, при этом используют для защитного покрытия композицию, содержащую, мас. %:

каолиновая глина 50-25 кварцевый песок 25-45 борная кислота 5-25 вода не менее 250 мл на 1 кг смеси