Термическая обработка стали для оправки повышенной стойкости

Задача обеспечения необходимой работоспособности металлоизделий является приоритетным направлением современной науки и одной из важнейших задач различных отраслей промышленности. Эксплуатационные показатели конструкционных материалов, предназначенных для изготовления высоконагруженных теплостойких металлоизделий, формируются на всех стадиях металлургического передела: от выбора шихтовых материалов для выплавки металла до получения готовых деталей [1].

Основными потребителями бесшовных труб являются нефте- и газодобывающие отрасли, а также оборонная промышленность. Это накладывает на данные изделия особые требования к безотказности в работе. Надежность металлоизделий зависит от условий эксплуатации [2], природы материала и режима его технологической обработки и, в значительной мере, обусловливается структурой и свойствами применяемых материалов [3] и обеспечивается оптимизацией режимов технологических процессов [4]. В связи с этим задача выбора марки стали и разработки технологиче- ского цикла изготовления оправок повышенной стойкости к физическим и механическим воздействиям в процессе прошивки и поперечно-винтовой прокатки бесшовных труб, с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик, является весьма актуальной.

При изготовлении труб центр круглой заготовки, нагретой до температуры операции прошивки примерно 1200 °С, прошивается в прошивном стане, в результате получается полая трубная заготовка, называемая «полой гильзой». Рабочим инструментом для прошивки отверстия в трубной заготовке является оправка, которая устанавливается на переднем конце стержня.

В ходе эксплуатации оправка подвергается воздействию высоких температур и высоких контактных давлений, что снижает возможность многократного использования в прошивном стане оправки одного и того же диаметра, значительно сокращая сроки эксплуатации данного инструмента. Кроме того, агрессивные условия работы, являясь типичными для всех прошивных станов, обусловливают появление проблемы стойкости оправок. Поэтому с целью обеспечения бесперебойной работы трубного производства предприятие вынуждено поддерживать запас большого числа оправок.

На износостойкость прошивных оправок оказывает влияние целый ряд факторов – свойства прокатного инструмента и прошиваемого материала (марка стали, твердость, режимы термообработки инструмента и др.); температурные условия работы, распределение температуры по объему инструмента; режим деформации (вытяжка, обжатие перед носком оправки, время прошивки и др.).

Под воздействием циклического температурного воздействия, характеризующегося многократным нагревом и охлаждением оправок, образуются разгарные трещины. В процессе работы по мере увеличения количества прокатанных труб, развитие трещин продолжается, они окисляются вследствие взаимодействия с агрессивной средой смазки и проникают вглубь металла, что в конечном итоге может привести к образованию глубоких трещин, выкрашиванию частиц металла и, как следствие, выходу оправки из строя [5]. Прошивные оправки, как правило, изготавливаются из штамповых сталей, которые должны отвечать высоким техническим требованиям и иметь определенный комплекс свойств: высокую теплоемкость, жаропрочность, термостойкость (разгаро-стойкость), вязкость, износо- и окалино-стойкость, теплопроводность, прокаливае-мость и низкую слипаемость [6].

Поэтому целью данной работы является обосновать выбор марки стали, обеспечивающей наилучшее сочетание цены и качества для производства оправок и, на основе изучения влияния режимов ее термической обработки на микроструктуру и механические свойства, выбрать оптимальный режим.

В работе на основании выполнения сопоставления свойств сталей 4Х5МФ1С, 4Х5В2ФС и 5ХНМ выбрана для производства оправок оптимальная с точки зрения наилучшего сочетания цены и качества сталь карбидного класса марки 4Х5МФ1С. Данная сталь широко используется для из- готовления пресс-форм литья под давлением цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов, молотовых и прессовых вставок (сечением до 200-250 мм) при горячем деформировании конструкционных сталей, для изготовления инструмента для высадки заготовок из легированных конструкционных и жаропрочных материалов на горизонтально-ковочных машинах.

Исходным материалом служил кованый стальной пруток круглого сечения (диаметр 60 мм), который с помощью плазменной резки разделялся на штучные заготовки длиной 130 мм. Кованый пруток хорошо подходит для инструментальной стали, так как такой полуфабрикат обладает мелкозернистым и равномерным распределением легирующих элементов по всему объему металла, обеспечивая равновесность и мелкозернистость конечной структуры. Для улучшения условий вторичного захвата и уменьшения разностен-ности с одного торца заготовки операцией сверления в холодном состоянии выполнялось углубление диаметром 12 мм и глубиной 7-8 мм для зацентровки. При этом несоосность заготовки и зацентро-вочного углубления не превышала 0,15 мм.

Термическая обработка данной стали по стандартному режиму, включающая закалку от 1020°С в масле и отпуск при 580°С в масле, обеспечивает изделию [6] достаточную высокую вязкость (39Дж/см2) и износостойкость при сохранении высокой твердости (47-50 HRC). Такое сочетание комплекса механических характеристик позволяет расширить интервал применимости данной стали не только для изготовления инструмента, но и для использования ее как конструкционную, для изготовления высоконагруженных жаростойких деталей машин.

При протравливании поверхности образцов для выявления микроструктуры использовались азотная кислота 5 см3, соляная кислота 50 см3 и дистиллированная вода 50 см3. Исследованию подвергались образцы призматической формы с размерами 10х10х55, которые подвергались закалке от 1070°С в масло и различным ре- жимам отпуска: 230, 550, 600, 650, 700, 750 °С, выдержка при отпуске 3 часа. Испытания на растяжение проводились на образцах №7 тип II по ГОСТ 1497; на ударную вязкость на образцах с U– образным концентратором (тип 8 с высотой рабочего сечения 5 мм) при положительных (+20 ºС) температурах по ГОСТ 9454; с микроструктурным анализом, измерением твердости по методу Роквелла.

Установлено, что в интервале температур отпуска 230-550оС твердость практически не изменяется (54,2-52,9 HRC).

Начиная с температуры отпуска с 600оС, происходит резкое снижение твердости. При отпуске 600оС твердость равна 47 HRC, при отпуске 750оС – 24,3 HRC. Неизменность высокой твердости стали 4Х5МФ1С до 550оС связано с ее высокой теплостойкостью. Твердость стали формируется при растворении легирующих элементов в аустените в процессе операции закалки, что приводит к тому, что образующийся после закалки легированный мартенсит имеет высокую стойкость против отпуска. Это обосновывает то, что в интервале температур отпуска 230-550оС сталь 4Х5МФ1С имеет постоянную и высокую твердость.

Повышение температуры отпуска выше 550оС приводит к тому, что из-за выделений карбидной фазы (карбиды типа Ме23С и Ме6С), перехода от одного типа карбидов к другому, их коагуляции, а также снижения внутренних (закалочных) напряжений значение уровня твердости стали снижается. После закалки структура стали состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Отпуск на 230оС не выявил значительных изменений в структуре. Основной структурной составляющей остается мартенсит, однако в результате нагрева до 230оС травимость микрошлифов незначительно увеличивается, что, может быть связано с частичным уменьшением закалочных напряжений.

После отпуска на 550оС наблюдается существенное повышение травимости образцов. Матрица имеет грубо игольчатую структуру. Вероятно, при данной температуре отпуска выявление характера струк- туры мартенсита происходит более четко. Кроме того, следует отметить появление в структуре визуально наблюдаемых карбидных дисперсных частиц после данного отпуска.

Повышение температуры отпуска до 600оС приводит к уменьшению степени игольчатости матрицы и к увеличению количества карбидной фазы. Отпуск на 650оС активирует процессы рекристаллизации матрицы, игольчатость не выявляется. Структура состоит из дисперсной феррит-карбидной смеси (троостосорбит отпуска).

Дальнейшее повышение температуры отпуска до 750 оС приводит к интенсификации процессов выделения и коагуляции карбидной фазы, образуя сорбит отпуска. Это обуславливается тем, что при температуре не выше 600оС, для стали 4Х5МФ1С отпуск является низким. В данном температурном интервале реализуется первое и второе превращение при отпуске. Микроструктура состоит из мартенсита с твердостью 52–55 НRC. Сталь 4Х5МФ1С в таком структурном состоянии имеет максимальные значения прочностных и минимальные пластических характеристик, что ограничивает возможность ее использования в качестве конструкционного материала.

Следующее повышение температуры отпуска от 600 до 700 оС обусловливает монотонное увеличению пластичности и вязкости стали, но снижение ее прочности.

Механические характеристики образцов при температурах отпуска 650 и 700оС при этом существенно отличаются от образцов, отпущенных при 600оС.

По сравнению с отпуском на 600 оС, после отпуска на 650 оС относительное сужение ψ практически не изменилось (14,7–14,9%), в то время как относительное удлинение и ударная вязкость повысились с 5,6 до 7,9% и с 11 до 14.8 Дж/см2, соответственно.

Анализ металлографических исследований и полученных механических характеристик выявил оптимальное сочетание прочности и пластичности у стали 4Х5МФ1С при термической обработке, включающей в себя закалку от 1070 оС и отпуск в интервале температур 650-700 оС. В этом случае выбор температуры отпуска обусловлен требуемой категорией прочно- сти металлоизделия.

Использование же в качестве конструкционного материала отпущенной при температуре 600 оС стали 4Х5МФ1С не целесообразно в виду наличия в структуре, унаследованной от мартенсита закалки, игольчатости и низкой ударной вязкости.

Выводы

Сравнения свойств сталей марок 4Х5МФ1С, 4Х5В2ФС и 5ХНМ для производства оправок с точки зрения обеспече- ния наилучшего сочетания цены и качества показало преимущество стали 4Х5МФ1С.

На основании анализа структуры и ме- ханических характеристик предложен оптимальный режим термической обработки стали 4Х5МФ1С: закалка от 1070 оС в масло и отпуск в течение 2-х часов при температуре 650-700 оС, позволяющий рекомендовать ее к использованию в качестве теплостойкого конструкционного материала для высоконагруженных металлоизделий с пределом текучести σ0.2 от 750 до 1000 МПа.