ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к трубному производству, а именно к изготовлению труб большого диаметра из титановых сплавов.
При изготовлении деталей из сплавов на основе титана большую роль играет технологический процесс удаления окалины, которая образуется при горячей деформации и термической обработке в печах с воздушной атмосферой. В связи с высокой активностью титан и его сплавы в той или иней мере взаимодействуют с газами, входящими в состав атмосферы, а также с продуктами сгорания топлива. В процессе длительных нагревов заготовок и деталей из титановых сплавов в атмосфере воздуха происходит не только образование окалины, но и диффузия кислорода вглубь металла, при этом под окалиной образуется хрупкий газонасыщенный слой металла, который значительно снижает пластичность и работоспособность деталей. Газонасыщенный слой называется альфированным слоем, т.е. слоем, в котором преимущественно образованы твердые растворы кислорода и азота. Наличие альфированного слоя резко снижает технологическую пластичность титана и титановых сплавов. Металл, имеющий альфированный слой, крайне чувствителен при обработке давлением к изменению напряженно-деформированного состояния с увеличением напряжений и деформаций растяжения. Поскольку, практически, при всех методах деформации действуют растягивающие напряжения, при нагреве под горячую обработку титана и титановых сплавов следует избегать образования альфированного слоя, т.к. его выявление и удаление вызывают большие трудности, в то время как его влияние на эксплуатационные параметры изделий из титановых сплавов весьма существенно. При производстве крупногабаритных труб большого диаметра из титановых сплавов используются слитки больших масс, которые требуют продолжительного времени нагрева, в результате чего происходит обширное газонасыщение поверхности слитка. В процессе поперечно-винтовой прошивки под действием растягивающих и сжимающих напряжений в альфированном слое возникают трещины, которые под воздействием попавших в них воды и деформации развиваются вглубь тела гильз. Для зачистки дефектов с поверхности готовых труб требуется механическое удаление дефектных слоев металла, толщина которых при производстве труб большого диаметра достигает значительной величины, что приводит к значительным потерям дорогостоящих титановых сплавов. Кроме того, длительные нагревы заготовок из титановых сплавов приводят к интенсивному насыщению поверхности водородом, что негативно отражается на пластических свойствах изделий. Известные решения не позволяют минимизировать негативное влияние газонасыщения поверхности на качество горячекатаных труб и эффективность их производства.
Известна трубная заготовка, используемая в способе производства горячекатаных труб из титановых α- и (α+β)-сплавов, включающем получение механически обработанной заготовки, сверление центрального отверстия в заготовке, ее нагрев до температуры выше температуры полиморфного превращения, прошивку на косовалковом прошивном стане, прокатку на пилигримовом стане, охлаждение в воде и механическую обработку (Патент РФ 2094141, публ. 27.10.1997).
Недостатком известного решения является пониженный выход годного вследствие необходимости удаления образующихся поверхностных дефектов, а также повышенное содержание водорода на готовом изделии, требующее дополнительной операции - дегазации в вакуумных печах, что влечет за собой выполнение вспомогательных технологических операций по подготовке поверхности к дегазации -повышение трудозатрат, появление безвозвратных отходов. Кроме того, трубы, изготовленные из данной заготовки, имеют относительно невысокие механические свойства из-за недостаточной проработки структуры.
Известна трубная заготовка, применяемая в способе производства передельных труб размером 426×34×10500±250 мм на ТПУ 8-16″ с пилигримовыми станами из титанового сплава Gr29 (патент №2523404, публ. 20.07.2014 - прототип).
Недостатком прототипа является применение смазки в виде смеси графита с поваренной солью, которую задают перед прошивкой в центральное отверстие заготовки, потому что при температурах нагрева свыше 1000°C эффективность использования данной смазки значительно снижается, т.е. она отрывается от поверхности металла и удаляется из очага деформации, что приводит к адгезии основного металла на рабочую поверхность инструмента, появлению дефектных участков различной глубины на внутренней поверхности горячекатаной трубы.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является сокращение потерь металла при производстве труб большого диаметра из титановых сплавов при улучшении их качества.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является уменьшение толщины снимаемого слоя при обточке готовых труб.
Указанный технический результат достигается тем, что трубная заготовка из титановых сплавов, предназначенная для изготовления горячекатаных крупногабаритных труб горячей прокаткой, выполнена в виде цилиндра с центральным отверстием, согласно полезной модели на ее наружную поверхность нанесено защитное покрытие на основе алюминия толщиной 0,1÷0,4 мм, а на поверхность центрального отверстия дополнительно нанесено технологическое покрытие на основе стеклоэмали толщиной 0,05÷0,2 мм.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Для изготовления трубной заготовки используется слиток, выплавленный вакуумным дуговым переплавом и за несколько переходов деформированный в цилиндрическую заготовку. Для проработки литой структуры и стабильного получения требуемого мелкого размера зерна на горячекатаных трубах осуществляется подготовка структуры в заготовке, поэтому ковка слитка выполнена с регламентированным уковом.
С целью удаления деформационных дефектов все поверхности кованой заготовки должны быть механически обработаны. Для проведения последующей операции прошивки в механически обработанной заготовке просверлено центральное отверстие. На наружную поверхность механически обработанной кованой заготовки методом газотермической металлизации нанесено защитное покрытие толщиной 0,1÷0,4 мм.
3
2
3
В качестве технологического инструмента при металлизации заготовок служит алюминиевая проволока. Высокие защитные свойства данного покрытия объясняются возникновением при операции технологического нагрева интерметаллидного слоя на основе TiAl и образованием при окислении защитной оксидной пленки из γ - AlO с плотной упаковкой ионов кислорода. Диффузионные процессы образования интерметаллидных покрытий способствуют релаксации напряжений. Повышение скорости нагрева интенсифицирует диффузию. В процессе нагрева фронт диффузии проходит от титана к алюминию, при достижении температуры рекристаллизации титана фронт меняет направление. После термообработки прочность сцепления покрытия увеличивается до 60…65 МПа. Низкая теплопроводность покрываемого титанового сплава положительно влияет на прочность сцепления. Продолжительность срока службы покрытия при температуре 1200°C достигает 150 час.
Дополнительно на поверхность центрального отверстия трубной заготовки нанесено технологическое покрытие на основе стеклоэмали. Для лучшего сцепления и удержания покрытия на поверхности отверстия трубной заготовки и ее работы, покрытие наносят на холодную поверхность с последующей сушкой на воздухе до выполнения операции нагрева.
Кроме защитных свойств от окисления поверхности покрытие толщиной 0,05÷0,2 мм демпфирует ударную нагрузку при захвате металла инструментом при последующих операциях деформирования, в частности, прокатными валками. В процессе деформирования устраняются сколы и отслоения покрытия и, как следствие, загрязнение инструмента и оборудования.
Таким образом, применение заявляемой полезной модели позволяет:
- получать как готовые холоднокатаные трубы из передельной горячекатаной трубы, так и горячедеформированные готовые трубы с регламентируемыми требованиями по качеству поверхности, механическим свойствам, содержанию водорода на готовой трубе;
- уменьшить размер зерна готовых труб, что положительно влияет на результаты технологических испытаний и испытаний механических свойств;
- снизить уровень потерь за счет уменьшения величины снимаемого газонасыщенного слоя металла при механической обработке наружной и внутренней поверхностях, как готовой горячекатаной трубы, так и передельной под последующую холодную прокатку холоднокатаных труб.