Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИЗНОСОСТОЙКАЯ ТРУБА И СПОСОБ ЕЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ИЗНОСОСТОЙКАЯ ТРУБА И СПОСОБ ЕЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИЗНОСОСТОЙКАЯ ТРУБА И СПОСОБ ЕЕ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к производству труб, в частности к производству труб из низкоуглеродистых сталей, и может быть использовано во всех отраслях техники, где требуется сочетание износостойкости трубы и ее способности выдерживать механические и термодинамические деформации. Сущность изобретения: износостойкая труба содержит внешний и внутренний слои со структурой ледебурита, слой из низкоуглеродистой стали, расположенный в сердцевине трубы между слоями стали с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего износостойкого слоя с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01 0,1 толщины стенки трубы. Труба изготавливается из стальной заготовки путем ее химико-термической обработки, при которой заготовку нагревают в жидкой углеродоводородсодержащей среде, температуру которой поддерживают постоянной. Температура нагрева заготовки лежит в пределах Tл-70°<T<T>c-100<°>C где Tл температура плавления ледебурита; Tз температура заготовки; Tc - температура плавления стали, из которой изготовлена заготовка. Скорость вращения вокруг продольной оси выбирают в пределах об/мин, где D наружный диаметр трубы, мм. 2 с, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2044778
Класс(ы) патента: C21D9/08, C23C8/22
Номер заявки: 92001701/02
Дата подачи заявки: 20.10.1992
Дата публикации: 27.09.1995
Заявитель(и): Ветер В.В.; Самойлов М.И.; Чулков В.П.
Автор(ы): Ветер В.В.; Самойлов М.И.; Чулков В.П.
Патентообладатель(и): Ветер Владимир Владимирович
Описание изобретения: Изобретение относится к производству труб, в частности труб из низкоуглеродистых сталей, и может быть использовано во всех отраслях техники, где требуется сочетание износостойкости трубы и ее способности выдерживать механические и термодинамические деформации.
Трубы из низкоуглеродистых сталей используются практически во всех отраслях техники, так как они хорошо поддаются механической обработке и сравнительно дешевы. Существенный их недостаток низкие износостойкость и коррозеустойчивость, устраняется нанесением защитных покрытий лакокрасочных, пластмассовых, эмалированных, керамических, металлических. Нанесение защитных покрытий известными способами в значительной степени удорожает стоимость изготовления труб и зачастую не приводит к нужным результатам. Так, лакокрасочные покрытия не обладают нужной износостойкостью, эмалированные и керамические очень дорого стоят и не выдерживают механических деформаций, покрытия из пластмасс критичны к высоким температурам, а технологические процессы их производства и нанесения токсичны. Наиболее широкое применение нашли трубы с металлическими защитными покрытиями, и прежде всего оцинкованные.
Общий недостаток труб с описанными защитными покрытиями низкая стойкость к механическим и термодинамическим деформациям, так как при гибке труб, при ударах во время транспортировки или кантования, при термодинамических деформациях защитные покрытия разрушаются.
Известна труба с цинковым покрытием, на которое нанесено вязкое коррозионно-устойчивое покрытие (см. Бакалюк Я.Х. Проскурин Е.В. Трубы с металлическими противокоррозионными покрытиями. М: Металлургия, 1985, стр. 30). Полихлорвинил нанесен на наружную поверхность оцинкованной трубы методом наплавки. Такая труба может подвергаться гибке без нарушения покрытия, кроме того, в случае повреждения трубы (например, царапины) не происходит распространение коррозии под поверхностью покрытия.
Стоимость изготовления этой трубы очень высока (в 5-10 раз дороже стоимости заготовки), отсутствие защиты внутренней поверхности от механических повреждений не позволяет считать такую трубу износостойкой.
Наиболее близким к заявляемому техническим решением является износостойкая труба, описанная в авторском свидетельстве СССР N 591528, МКИ 2 С 23 С 9/00, опубликовано 04.02.78 г. Это труба из низкоуглеродистой стали с внутренним износостойким слоем с ледебуритной структурой. Недостаток такой трубы низкая коррозестойкость, так как наружная поверхность трубы не имеет защитного покрытия. Кроме того, из-за разной толщины внутреннего слоя по периметру эта труба имеет низкую стойкость к термодинамическим деформациям.
Цель изобретения повышение устойчивости трубы к термодинамическим деформациям и повышение коррозестойкости.
Указанные цели достигаются тем, что износостойкая труба, содержащая внутренний износостойкий слой со структурой ледебурита и слой из низкоуглеродистой стали, дополнительно содержит внешний износостойкий слой со структурой ледебурита, а слой из низкоуглеродистой стали расположен в сердцевине трубы между слоями с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего слоев с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01.0,1 толщины стенки трубы.
Заявленная износостойкая труба изготавливается путем химико-термической обработки из цельнотянутых или сварных труб из низкоуглеродистых сталей.
Известен способ химико-термической обработки, защищенный авторским свидетельством СССР N 298698, кл. С 23 С 9/00, C 21 D 7/14, 1971 г. По этому способу стальную заготовку нагревают в углеродосодержащей среде токами высокой частоты до оплавления поверхностного слоя в течение времени, необходимого для образования упрочненного слоя, имеющего ледебуритрую структуру, а затем, на стадии охлаждения, обкатывают роликами для поверхностного упрочнения и улучшения геометрии. Этот способ не может быть использован полностью при изготовлении износостойкой трубы, так как не позволяет получить внутренний износостойкий слой.
Известен способ химико-термической обработки, защищенный авторским свидетельством СССР N 397563, кл. C 23 C 9/00, 1973 г. по которому стальную заготовку с внутренней цилиндрической поверхностью вращают вокруг продольной оси цилиндрической поверхности со скоростью 3000-3500 об/мин, а внутреннюю поверхность разогревают токами высокой частоты в углеродосодержащей среде до температуры оплавления. Этот способ также не может быть использован при изготовлении износостойкой трубы, так как не позволяет получить внутренний износостойкий слой с нужной твердостью и содержанием углерода, и наружный коррозеустойчивый слой.
В качестве прототипа выбран способ по авторскому свидетельству СССР N 397563, кл. C 23 C 9/00, 1973 г. как содержащий наибольшее количество совпадающих признаков.
Целью изобретения является обеспечение возможности изготовления износостойкой трубы с повышенной коррозеустой- чивостью и устойчивостью к механическим и термодинамическим деформациям. Кроме того, в сравнении с прототипом, заявленный способ имеет более низкие энергозатраты.
Указанные цели достигаются тем, что в способе химико-термической обработки трубы, включающем ее нагрев токами высокой частоты в углеродосодержащей среде и вращение вокруг продольной оси, нагрев проводят в жидкой углеродоводородосодержащей среде до достижения в поверхностном слое температуры не менее, чем на 100оС ниже температуры плавления стали, из которой изготовлена труба, но не ниже температуры плавления ледебурита более, чем на 70оС, при этом среднюю температуру углеродоводородосодержащей среды поддерживают постоянной на уровне, при котором на поверхности образуется непрерывный пароуглеродоводородный слой, а выдержку ведут в течение времени, достаточного для образования на поверхности слоев, имеющих ледебуритную структуру толщиной 0,01.0,1 толщины стенки трубы.
Для сохранения волнистости обрабатываемой поверхности скорость вращения трубы должна быть в пределах n (0,5.12) х x103 1/D об/мин, где D наружный диаметр трубы в мм.
На фиг.1 схематично изображена конструкция износостойкой трубы; на фиг.2 структурная схема устройства для изготовления износостойкой трубы по заявленному способу.
Износостойкая труба (фиг.1) содержит внешний 1 и внутренний 2 износостойкие слои с ледебуритной структурой, слой 3 из низкоуглеродистой стали в сердцевине трубы, и слои 4 и 5 с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита. Выполнение внешнего и внутреннего слоев из ледебурита толщиной в пределах от 0,01 до 0,1 толщины стенки трубы повышают коррозестойкость трубы. Слои 4 и 5 играют демпфирующую роль при термодинамических и механических деформациях и повышают устойчивость трубы к этим деформациям.
Труба описанной конструкции изготавливается путем химикотермической обработки стальной цельнотянутой или сварной трубы.
На фиг.2 обозначены: 1 обрабатываемая труба, 2 ванна с жидкой углеродоводородосодержащей средой, 3 привод вращения трубы, включающий двигатель 4 с редуктором, вращающиеся конусы 5 и заднюю бабку 6 с патроном 7, 8 генератор тока высокой частоты, 9 индуктор, 10 привод перемещения индуктора, включающий двигатель 11 с редуктором, вал 12 и суппорт 13, 14 охладитель, 15 накопительный бак, 16 насос, 17, 18 трубопроводы, 19, 20, 21 вентили.
Обрабатываемая труба 1 помещается в ванну 1 с жидкой углеродоводородосодержащей средой и закрепляется между вращающимися конусами 5 привода 3 вращения трубы. Один вращающийся конус 5 установлен в шпиндель на оси редукторов двигателя 4, другой в патроне 7 задней бабки 6. На обрабатываемую трубу 1 надевается круговой индуктор 9, подключенный к генератору 8 тока высокой частоты. Для перемещения индуктора 9 вдоль обрабатываемой трубы 1 генератор 8 установлен на суппорте 13 привода 10. С включением генератора 8 одновременно включаются приводы 3 и 10. Обрабатываемая труба 1 вращается с заданной скоростью и нагревается индуктором 9, который перемещается вдоль обрабатываемой трубы 1 со скоростью, обеспечивающей ее нагрев до заданной температуры. Углеродоводородосодержащая жидкость из ванны 2 через сливное отверстие поступает в охладитель 14 и затем с помощью насоса 16 подается в трубопроводы 17 и 18 из накопительного бака 15. Вентилями 19 и 20 регулируется скорость подачи жидкости в ванну 2. Из трубопровода 17 через полый патрон 7 и полый вращающийся конус 5 жидкость подается вовнутрь трубы 1. Температура жидкости в ванне 2 поддерживается постоянной благодаря наличию охладителя 14 и возможностью управления скоростью обмена жидкости в ванне 2 с помощью вентилей 19, 20, 21.
Сущность протекающих процессов заключается в следующем.
При нагреве токами высокой частоты в жидкой среде на поверхности разогретого металла происходит испарение углеродоводородосодержащей жидкости с термическим разложением ее компонентов, в результате которого образуются активные атомы, адсорбирующиеся поверхностью металла. Так, при смеси углеродов различного состава CnH2n+2 можно предполагать, что вокруг вращающейся поверхности образуется парогазовая рубашка, содержащая СН4, СО, СО2, С, Н2, Н2О, на поверхности металла происходят реакции:
CH4 Fe(C)+2H2
2CO Fe(C)+CO2
CO+H2 Fe(C)+H2O
CO2+H2 Fe(C)+H2O
В результате этих реакций, при наличии активных атомов водорода, происходит лавинообразное насыщение поверхностного слоя углеродом с образованием ледебуритной структуры.
Прочность и монолитность этой структуры будет зависеть от неразрывности парогазовой рубашки, при ее разрыве в результате кипения жидкости или, если парогазовая рубашка не будет сплошной из-за низкой температуры жидкости, прочностные характеристики ледебуритного слоя будут существенно снижаться из-за неравномерности насыщения углеродом. Качество поверхности трубы после химикотермической обработки зависит от скорости вращения. При малой скорости ухудшается внутренняя поверхность трубы из-за неравномерного растекания расплавленного ледебурита, при высокой скорости ухудшается поверхность внешнего слоя из-за срыва с поверхности расплавленного металла. Экспериментально установлено, что геометрические параметры трубы не ухудшаются при скорости вращения, лежащей в пределах
n (0,5-12) х 103 х 1/D, где n число оборотов в минуту; D наружный диаметр трубы в мм.
По заявленному способу были приготовлены и испытаны несколько образцов износостойких труб с внутренним диаметром 27 мм при толщине стенки 2,5 мм и внутренним диаметром 76 мм при толщине стенки 4 мм.
Материал заготовки Ст 3 для трубы ⊘ 27 мм и Ст8 для трубы ⊘ 76 мм. Нагрев осуществляется с помощью установки ИЗГ-200-8. Потребляемая мощность для обработки трубы ⊘ 27 мм составила в среднем 25 кВт, для трубы ⊘ 76 мм 55 кВт.
Результаты испытаний приведены в табл.1.4.
Из приведенных в таблицах данных можно сделать следующие выводы: факторами, влияющими на качество ледебуритного слоя, являются температура обработки, скорость вращения образца, температура электролита. Для трубы ⊘ 76 мм оптимальными будут температура нагрева поверхности 1150оС, скорость вращения около 1100 об/мин, температура электролита 40оС.
Себестоимость изготовления износостойкой трубы с использованием предлагаемой химико-термической обработки ниже себестоимости изготовления трубы по способу-прототипу, так как скорость насыщения углеродом внутреннего слоя по предлагаемому способу на порядок выше и не требуется подготовки трубы к обработке (зачистка от окалины, ржавчины).
Обработанная по заявленному способу труба имеет повышенную коррозестойкость, высокую микротвердость внешней и внутренней поверхностей, не боится ударных нагрузок и устойчива к механическим деформациям типа изгиб (коэффициент расширения более 1,25) и термодинамическим деформациям.
Формула изобретения: 1. Износостойкая труба, содержащая внутренний износостойкий слой со структурой ледебурита и слой из низкоуглеродистой стали, отличающаяся тем, что труба дополнительно содержит внешний износостойкий слой со структурой ледебурита, а слой из низкоуглеродистой стали расположен в сердцевине трубы между слоями стали с монотонно возрастающими в направлении от сердцевины твердостью и содержанием углерода в интервале от величины твердости и содержания углерода в низкоуглеродистой стали до их величины в слое ледебурита, причем толщина внутреннего и внешнего износостойких слоев с твердостью не менее 50 HRC составляет 0,01 0,1 толщины стенки трубы.
2. Способ химико-термической обработки трубы, включающий ее нагрев токами высокой частоты в углеродсодержащей среде и вращение вокруг продольной оси, отличающийся тем, что нагрев проводят в жидкой углеродсодержащей среде до достижения в поверхностном слое температуры не менее чем на 100oС ниже температуры плавления стали, из которой изготовлена труба, но не ниже температуры плавления ледебурита более чем на 70oС, при этом среднюю температуру жидкой углеродводородсодержащей среды поддерживают постоянной на уровне, при котором на поверхности образуется непрерывный пароуглеродводородный слой, а выдержку ведут в течение времени, достаточного для образования на поверхности слоев, имеющих ледебуритную структуру, толщиной 0,01 0,1 толщины стенки трубы.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что частота вращения трубы выбирается в пределах

где D наружный диаметр трубы, мм.