Способ термической обработки изделий из комплексно-легированной стали

Способ термической обработки изделий из комплексно-легированной стали

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу обработки малоуглеродистой, комплексно-легированной стали, и может быть использовано для упрочнения труб нефтяного сортамента, например бурильных.

Известен способ термической обработки труб из малоуглеродистой комплексно-легированной стали по схеме: объемный нагрев готового изделия до температуры Ас₃+(50-100)°C, охлаждение в три стадии, где вторая стадия до температуры не ниже 180°C с изотермической выдержкой в интервале температур Мн - 550°C, и отпуск [пат. РФ №2279487, опубл. 10.07.2006].

Недостатком способа является то, что он не позволяет получить высокий уровень прочностных свойств (предел текучести более 655 МПа), и имеет низкую производительность процесса из-за проведения изотермической выдержки при охлаждении, которая обусловлена высокой температурой нагрева Ас₃+(50-100)°C - для исключения возможного коробления и трещинообразования.

Известен также способ термической обработки, включающий первый нагрев до Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение в воде, второй нагрев в межкритический интервал температур (Ас₁-Ас₃), охлаждение в воде и нагрев под отпуск до (550+Ас₁)°C с последующим охлаждением на воздухе [пат. РФ №2096495, опубл. 20.11.1997].

Способ используют для термической обработки бесшовных труб нефтяного сортамента, а также соединительных деталей к ним, стойких к коррозионному растрескиванию в средах, содержащих H₂S и CO₂.

Недостатком данного способа является низкая производительность процесса термической обработки из-за второго нагрева в межкритический интервал температур (Ас₁-Ас₃) для обеспечения коррозионной стойкости стали. Для труб в обычном исполнении (без требований к коррозионной стойкости) проведение второго нагрева в межкритический интервал температур технологически не требуется и ведет к необоснованному повышению себестоимости продукции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ термической обработки по схеме: нагрев до температуры Ас₃+20-50°C, охлаждение водой в спрейере в три стадии, на первой из которых трубы охлаждают со средней скоростью 60-85°C/с в течение 2-4 с; второй - со средней скоростью 35-50°C/с в течение 6-8 с, на третьей - со средней скоростью 10-15°C/с в течение 10-13 с до температуры 100-150°C, а отпуск осуществляют с выдержкой не менее 30 мин [пат. РФ №2230802, опубл. 20.06.2004].

Недостатком данного способа термической обработки является применение только для труб ограниченного сортамента (с толщиной стенки не более 9 мм). Способ не применим для толстостенных труб и с переменным поперечным сечением по длине, в частности бурильных труб, так как не позволяет обеспечить равнопрочность по толщине поперечного сечения. Кроме того, температура конца охлаждения 100-150°C на третей стадии, приходящейся на область мартенситного превращения для большинства конструкционных сталей, совпадает с температурным интервалом максимальной охлаждающей способности воды - пузырьковое кипение (300-100°C), что вызывает существенные структурные напряжения в металле и, как следствие, коробление и трещинообразование, в особенности бурильных труб, отличающихся утолщением стенки по концам (высаженные концы).

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа термической обработки, повышающего уровень прочностных свойств в диапазоне групп прочности Д, Е, Л, М, Р по отечественным нормативным документам и/или Е, X, G, S по международному стандарту API Spec 5DP/ISO 11961, увеличение производительности процесса и исключение коробления и трещинообразования при охлаждении водой при изготовлении изделий.

Указанный результат достигается тем, что при термической обработке, включающей аустенитизацию, выдержку, охлаждение водой в спрейере и отпуск, проводят нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение водой до температуры не более 280°C по длине трубы, включая высаженные концы, и нагрев под отпуск до температуры не более (Ас₁-15)°C.

Технический результат, обеспечиваемый за счет выбранных температурных параметров термической обработки, определяется следующими факторами.

Нагрев под аустенитизацию до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C применительно к конструкционным сталям позволяет достичь полного превращения горячекатаной крупнозернистой структуры в аустенит с достаточным измельчением зерен и содержанием растворенного углерода, а также обеспечить начало охлаждения при закалке с температуры не ниже, чем Ar₃ (температура начала распада переохлажденного аустенита с образованием феррито-перлитной смеси).

Последующее охлаждение водой (закалка в спрейере) осуществляется со скоростью, достаточной для формирования преимущественно мартенситной структуры металла, до температуры ниже температуры начала мартенситного превращения, то есть охлаждение завершается в области мартенситного превращения и далее независимо от скорости охлаждения переохлажденный аустенит претерпевает мартенситное превращение, что обеспечивает получение требуемой прочности для групп от Д до Р (от E до S по API Spec 5DP/ISO 11961) после термической обработки. Исходя из того, что температура начала мартенситного превращения для большинства конструкционных сталей находится на уровне ~380-330°C при содержании углерода 0,2-0,4 масс.% соответственно, то температура конца охлаждения установлена не более 280°C, что позволяет сократить время, затрачиваемое на охлаждение, тем самым повысить производительность процесса термической обработки и избежать коробления и трещинообразования при охлаждении водой, обусловленных суммированием термических и структурных напряжений в области мартенситного превращения.

Максимальная температура нагрева под отпуск ограничивается величиной (Ас₁-15)°C, так как в условиях массового производства (поточной линии термической обработки) проведение отпуска в субкритическом интервале температур опасно с токи зрения гарантированного отсутствия перегрева стали выше, чем температура обратного фазового превращения Ас₁.

Предлагаемый способ термической обработки был опробован в условиях Синарского трубного завода при изготовлении бурильных труб размерами 60,3×7 мм (толщина высаженных концов 17,4 мм) и 88,9×8 мм (толщина высаженных концов 23,0 мм). Результаты промышленного опробования способа термической обработки бурильных труб в сравнении с прототипом приведены в таблице 1.

Для применяемых хромомарганцевых марок стали 30ХМА, 32ХГМА температура нагрева под аустенитизацию составила 790-830°C в зависимости от значений Ас₃ каждой марки стали и при закалке в спрейере температура конца охлаждения находилась в диапазоне 50-80°C по телу трубы и 180-250°C на высаженных концах.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки труб позволяет изготавливать трубы с получением заданного уровня механических свойств как на теле трубы, так и на высаженной части (в том числе высоких групп прочности М-Р и G-S). Кроме того, в сравнении с прототипом данный способ повышает производительность процесса в поточной линии термической обработки труб в среднем на 26%, а также позволяет исключить коробление и трещинообразование при охлаждении водой, что делает его эффективным в производстве труб нефтяного сортамента.

Таблица 1
Результаты промышленного применения
Способ	Размер и место контроля, мм	Марка стали	Группа прочности	Режим термообработки	Уровень механических свойств	Время, затрачиваемое на цикл термической обработки (закалка + отпуск) одной трубы, час (производительность)
tауст, °C	tконца охл-ния, °C	tотп,°C	σв, МПа	σт, МПа	δ, %	ψ, %	KCV при 20°C, Дж/см2
Заявляемый	60,3×7	высаженная часть 17,4	30ХМА	Е-Л	810-830	180-206	630	819	743	15,8	66	133	3,87-4,08
гладкая часть	(Е-Х)	57-80	854	794	18,2	71	168
88,9×8	высаженная часть 23,0	32ХГМА	М-Р	790-800	234-250	650	980	867	16,6	68	138	3,49-3,87
гладкая часть	(G-S)	50-75	995	881	18,4	72	156
Прототип (пат. №2230802)	60,3×7	высаженная часть 17,4	30ХМА	Е-Л	850	110-127	630	852	732	18,8	67	160	5,2
гладкая часть	(Е-Х)	20-34	882	786	17,2	70	149
88,9×8	высаженная часть 23,0	32ХГМА	М-Р	840	132-146	650	957	825	19,5	68	158	5,2
гладкая часть	(G-S)	25-40	967	878	14,5	71	161

Способ термической обработки труб нефтяного сортамента из комплексно-легированной стали, включающий нагрев, охлаждение водой в спрейере и отпуск, отличающийся тем, что нагрев ведут до температуры Ас₃-(Ас₃+50)°C, охлаждение осуществляют до температуры не более 280°C по длине трубы, а нагрев под отпуск осуществляют до температуры не более (Ас₁-15)°C.