Дослідження структури і властивостей штампових сталей для виготовлення трубного інструменту після проведення зміцнюючої термічної і хіміко-термічної обробки і нанесення зносостійких покрить

Abstract
UKR: Мета. Метою дослідження є використання сучасних видів хіміко-термічної обробки і нанесення наноструктурних зносостійких покрить для зміцнення трубного інструменту для виробництва корозійностійких труб - трубопресового інструменту (голок-оправок і матричних кілець ) і інструменту для холодної роликової прокатки особливотонкостінних труб – опорних планок і роликів. Методика. Для проведення дослідження були виготовлені: - голки-оправки трубопрофільного пресу зусиллям 16 МН у кількості 3 (трьох) штук з сталі 4Х5МФ1С діаметром 50 мм і довжиною 1300 мм і піддані зміцнюючій термічній обробці (ступеневе загартування з 1050 – 1070°С та двократному відпуску при 550 – 570° (1 відпуск) та 530 – 550°С (2 відпуск) в цехових умовах; - матричні кільця трубопрофільного пресу зусиллям 16 МН у кількості 10 (десяти) штук: зі сталі 5Х3В3МФС (ДИ-23): 6 (шість) штук (1 штука діаметром 63,5 мм, 2 штуки діаметром 73,5 мм, 3 штуки діаметром 71,5 мм); зі сталі 4Х5МФ1С 4 (чотири) штуки діаметром 71,5 мм і 73,5 мм і піддані зміцнюючій термічній обробці ( ступеневе загартування з 1080 – 1100°С та двократному відпуску при 550 – 570°С (1 відпуск) та 530 – 550°С (2 відпуск) в цехових умовах; - ролики стану ХПТР у кількості 3 (трьох) штук з сталі 4Х5МФ1С шириною 65 мм під діаметр труби 16 мм і піддані зміцнюючій термічній обробці ( ступеневе загартування з 1070 – 1080°С та двократному відпуску при 550 – 570°С (1 відпуск) та 530 – 550°С (2 відпуск) в цехових умовах; - 6 (шість) опорних планок довжиною 210 мм, шириною 80 мм і висотою 47,42 мм і шириною дорожок 25 мм і 20 мм ( під трубу діаметром 15-22 мм і 23-30 мм відповідно) з сталі 4Х5МФ1С і піддані зміцнюючій термічній обробці ( ступеневе загартування з 1080 – 1100°С та двократному відпуску при 550 – 570°С (1 відпуск) та 530 – 550°С (2 відпуск) в цехових умовах; Для проведення дослідження також з поковок діаметром 250 мм були вирізані зразки-свідки розміром 20×20×20 мм і піддані аналогічній термічній обробці дослідним зразкам інструменту. Найбільш надійну оцінку результатів азотування, карбонітрації, комбінованої обробки з нанесенням зносостійких покрить дають металографічні дослідження, які дають відомості про товщину і будову шару з'єднань і дифузійного шару. Також були проведені електронні дослідження металографічних шліфів ( вихідні шліфи були порізані на тонкі зразки по 5 мм ), приготовлені і піддані вивченню на растровому електронному мікроскопі (РЕМ), висока дозволена здатність (до 60 А) і виняткова глибина різкості якого роблять його майже незамінним для металографічних досліджень. Замір твердості поверхні зразків після азотування, карбонітрації, комбінованої обробки був виконаний за допомогою мікротвердоміра (мікроскопа) - типу ПМТ-3 при навантаженні 100гс НV0,1. Рентгеноструктурний аналіз дослідних зразків інструменту був проведений на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-2.0 в кобальтовому Co-Kα випромінюванні із застосуванням Fe селективно поглинаючого фільтра. Дифраговане випромінювання реєструвалося сцинтиляційним детектором. Результати. Побудовані і досліджені графіки зміни мікротвердості від поверхні до центру зразків після хіміко-термічної і комбінованої обробки, запропонований оптимальний режим іонного азотування, карбонітрації, комбінованої обробок (що підтверджено результатами замірів мікротвердості) для отримання високих експлуатаційних властивостей трубопресового і трубопрокатного інструмента, проведено дослідження структури азотованого, карбонітрованого шару і шару покрить (мікроструктурне і електронне), проведено рентгеноструктурний аналіз дослідних зразків інструменту. Результатом роботи є розробка оптимальних режимів термозміцнення трубного інструмента , які забезпечують його високі експлуатаційні характеристики. В результаті сталь здобуває високу твердість на поверхні HV0,1 860-1150, що не змінюється при нагріванні до 600 – 650°С, високу опірність зношуванню, високі границі витривалості, корозійну стійкість. Наукова новизна. Вперше науково обґрунтовано вибір більш ефективного режиму термозміцнення трубного інструмента (з проведенням мікро і рентгеноструктурних досліджень), що дозволяє його використовувати в реальних умовах виробництва корозійностійких труб на трубних підприємствах «ПрАТ Сентравіс Продакшн Юкрейн», «ТОВ ВО Оскар» та ін. Практична цінність. Удосконалення технології термічної обробки трубного інструмента (загартування з відпуском і послідуючим іонним азотуванням, карбонітрацією, комбінованою обробкою з нанесенням одно і багатошарових покрить замість звичайної технології – загартування з відпуском) дозволить збільшити стійкість інструмента на 30- 40% та знизити витрати по переробці виготовлення корозійностійких труб, а також покращити якість внутрішньої поверхні труб.
RUS: Целью исследования является использование современных видов химико-термической обработки и нанесение наноструктурных износостойких покрытий для упрочнения трубного инструмента для производства коррозионностойких труб – трубопрессового инструмента (игл-оправок и матричных колец) и инструмента для холодной роликовой прокатки особотонкостенных труб – опорных планок и роликов. Методика. Для проведения исследования были изготовлены: - иглы-оправки трубопрофильных прессу усилием 16 МН в количестве 3 (трех) штук с стали 4Х5МФ1С диаметром 50 мм и длиной 1300 мм и подвергнуты упрочняющей термической обработке (ступенчатая закалка с 1050 - 1070°С и двукратном отпуска при 550 - 570°С (1 отпуск) и 530 – 550 °С (2 отпуск) в цеховых условиях; - матричные кольца трубопрофильных прессу усилием 16 МН в количестве 10 (десяти) штук: из стали 5Х3В3МФС (ДИ-23): 6 (шесть) штук (1 штука диаметром 63,5 мм, 2 штуки диаметром 73,5 мм, 3 штуки диаметром 71,5 мм); из стали 4Х5МФ1С 4 (четыре) штуки диаметром 71,5 мм и 73,5 мм и подвергнуты упрочняющей термической обработке (ступенчатая закалка с 1080 - 1100°С и двукратном отпуска при 550 - 570°С (1 отпуск) и 530 - 550°С (2 отпуск) в цеховых условиях; - ролики стана ХПТР в количестве 3 (трех) штук с стали 4Х5МФ1С вместо стали 60С2ХФА шириной 65 мм под диаметр трубы 16 мм и подвергнуты упрочняющей термической обработке (ступенчатая закалка с 1070 - 1080°С и двукратном отпуска при 550 - 570°С (1 отпуск) и 530 – 550 °С (2 отпуск) в цеховых условиях; - 6 (шесть) опорных планок длиной 210 мм, шириной 80 мм и высотой 47,42 мм и шириной дорожек 25 мм и 20 мм (под трубу диаметром 15-22 мм и 23-30 мм соответственно) с стали 4Х5МФ1С вместо стали 60С2ХФА и подвергнуты упрочняющей термической обработке (ступенчатая закалка с 1080 – 1100 °С и двукратном отпуска при 550 - 570°С (1 отпуск) и 530 - 550°С (2 отпуск) в цеховых условиях; Для проведения исследования также из поковок диаметром 250 мм были вырезаны образцы-свидетели размером 20 × 20 × 20 мм и подвергнуты аналогичной термической обработке исследовательским образцам инструмента. Наиболее надежную оценку результатов азотирования, карбонитрации, комбинированной обработки с нанесением износостойких покрытий дают металлографические исследования, дающие сведения о толщине и строении слоя соединений и диффузионного слоя. Также были проведены электронные исследования металлографических шлифов (выходные шлифы были порезаны на тонкие образцы по 5 мм), приготовлены и подвергнуты изучению на растровом электронном микроскопе (РЭМ), высокая разрешенная способность (до 60 А) и исключительная глубина резкости которого делают его почти незаменимым для металлографических исследований. Замер твердости поверхности образцов после азотирования и карбонитрации был выполнен с помощью микротвердомера (микроскопа) - типа ПМТ-3 при нагрузке 100гс НV0,1. Рентгеноструктурный анализ опытных образцов инструмента был произведен на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0 в кобальтовом Co-Kα излучении с применением Fe селективно поглощающего фильтра. Дифрагированное излучение регистрировалось сцинтилляционным детектором. Результаты. Построены и исследованы графики изменения микротвердости от поверхности к центру образцов после химико-термической и комбинированной обработки, предложен оптимальный режим ионного азотирования, карбонитации, комбинированной обработок (что подтверждено результатами замеров микротвердости) для получения высоких эксплуатационных свойств трубопрессового и трубопрокатного инструмента, проведено исследование структуры карбонитрированного слоя и слоя покрытий (микроструктурное и электронное), проведен рентгеноструктурный анализ опытных образцов инструмента. Результатом работы является разработка оптимальных режимов термоупрочнения трубного инструмента, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики. В результате сталь приобретает высокую твердость на поверхности HV0,1 860-1150, не изменяющуюся при нагревании до 600 – 650°С, высокую сопротивляемость износу, высокие пределы выносливости, коррозионную стойкость. Научная новизна. Впервые научно обоснован выбор более эффективного режима термоупрочнения трубного инструмента (с проведением микро и рентгеноструктурных исследований), что позволяет его использовать в реальных условиях производства коррозионностойких труб на трубных предприятиях «ЧАО Сентравис Продакшн Юкрейн», «ООО ПО Оскар» и др. Практическая ценность. Усовершенствование технологии термической обработки трубного инструмента (закалки с отпуском и последующим ионным азотированием, карбонитрацией, комбинированной обработкой с нанесением одно и многослойных покрытий вместо обычной технологии – закалки с отпуском) позволит увеличить стойкость инструмента на 30- 40% и снизить расходы по переработке, а также улучшить качество внутренней поверхности труб.
ENG: Purpose. The aim of the research is to use modern types of chemical-heat treatment and application of nanostructured wear-resistant coatings to strengthen pipe tools for corrosion-resistant pipes - pipe press tool (needle-mandrels and matrix rings) and tool for cold roller rolling of special-thin pipes - support bars and rollers. Methods. For the study were made: - needles-mandrels of a pipe-profile press with a force of 16 MN in the amount of 3 (three) pieces of steel - 4H5МF1S with a diameter of 50 mm and a length of 1300 mm and subjected to hardening heat treatment (step hardening from 1050 - 1070°С and double tempering at 550 - 570° (1 tempering) and 530 - 550°С (2 temperings) in shop conditions; - matrix rings of a pipe-profile press with a force of 16 MN in number of 10 (ten) pieces: from steel 5X3V3MFS (DI-23): 6 (six) pieces (1 piece with a diameter of 63,5 mm, 2 pieces with a diameter of 73.5 mm, 3 pieces with a diameter 71.5 mm); made of steel 4Х5МF1S 4 (four) pieces with a diameter of 71.5 mm and 73.5 mm and subjected to hardening heat treatment (step hardening from 1080 - 1100°С and double tempering at 550 - 570°С (1 tempering) and 530 - 550° C (2 l temperings) in the shop; - rollers of the HPTR mill in the amount of 3 (three) pieces of steel 4Х5МF1S instead of steel 60S2HFA 65 mm wide under the diameter of the pipe 16 mm and subjected to hardening heat treatment (step hardening with 1070 - 1080°С and double tempering at 550 – 570 °С(1 tempering) and 530 – 550 °С (2 temperings) in shop conditions; - 6 (six) support bars 210 mm long, 80 mm wide and 47.42 mm high and track widths 25 mm and 20 mm (under a pipe with a diameter of 15-22 mm and 23-30 mm, respectively) made of steel 4H5MF1S instead of steel 60S2HFA and subjected to hardening heat treatment (step hardening with 1080 - 1100°С and double tempering at 550 - 570°С (1 tempering) and 530 - 550°С (2 temperings) in shop conditions; For the study, also from forgings with a diameter of 250 mm were cut witness samples with a size of 20 × 20 × 20 mm and subjected to a similar heat treatment to experimental samples of the tool. Goal. The aim of the research is to use modern types of chemical-heat treatment and application of nanostructured wear-resistant coatings to strengthen pipe tools for corrosion-resistant pipes - pipe press tool (needle-mandrels and matrix rings) and tool for cold roller rolling of special-thin pipes - support bars and rollers. Electronic studies of metallographic sections (original sections were cut into thin samples of 5 mm), prepared and studied on a scanning electron microscope (REM), high resolution (up to 60 A) and exceptional depth of field which made it almost indispensable for metallographic research. Measurement of the surface hardness of the samples after nitriding, carbonitriding, combined treatment was performed using a microhardness tester (microscope) - type PMT-3 at a load of 100 gs HB0,1. X-ray diffraction analysis of the experimental samples of the instrument was performed on an X-ray diffractometer DRON-2.0 in cobalt Co-Kα radiation using Fe selectively absorbing filter. The diffracted radiation was recorded by a scintillation detector. Results. Graphs of change of microhardness from the surface to the center of samples after chemical-thermal and combined processing are constructed and investigated, the optimum mode of ionic nitriding, carbonitration, combined treatments is offered, carbonated layer and coating layer (microstructural and electronic), X-ray diffraction analysis of prototypes of the tool. The result is the development of optimal modes of thermal strengthening of the pipe tool, which provide its high performance. As a result, the steel acquires high hardness on the surface HV0,1 860-1150, which does not change when heated to 600- 650° C, high wear resistance, high endurance limits, corrosion resistance. Originality. For the first time, the choice of a more efficient mode of heat strengthening of a pipe tool (with micro and X-ray structural studies) has been scientifically substantiated, which allows its use in real conditions of corrosion-resistant pipe production at pipe enterprises PJSC Centravis Production Ukraine, Oscar LLC and others. Practical implications. Improving the technology of heat treatment of pipe tools (hardening with tempering and subsequent ionic nitriding, carbonitriding, combined treatment with single and multilayer coatings instead of the usual technology - tempering with tempering) will increase tool life by 30-40% and reduce processing costs. , as well as improve the quality of the inner surface of the pipes.
Description
В. Столбовий: ORCID: 0000-0001-7734-0642; Л. Кривчик: ORCID 0000-0002-7769-3808; Т. Хохлова: ORCID 0000-0002-6683-4572; В. Пінчук: ORCID 0000-0001-8257-9252; Л. Дейнеко: ORCID 0000-0002-1177-3055
Keywords
голка-оправка, матричне кільце, ролики, опорні планки, пресування, холодна прокатка, термічна обробка, карбонітрація, іонне азотування, комбінована обробка, игла-оправка, матричное кольцо, опорные планки, прессование, термическая обработка, ионное азотирование, комбинированная обработка, needle-mandrel, matrix ring, rollers, support bars, pressing, cold rolling, heat treatment, carbonitration, ionic nitriding, combined treatment, КМТОМ
Citation
Столбовий В. О., Кривчик Л. С., Хохлова Т. С., Пінчук В. Л., Дейнеко Л. М. Дослідження структури і властивостей штампових сталей для виготовлення трубного інструменту після проведення зміцнюючої термічної і хіміко-термічної обробки і нанесення зносостійких покрить. Металургійна та гірничорудна промисловість. 2021. № 2. С. 71–88. DOI: 10.34185/0543-5749.2021-2-71-88.