Способ изготовления холоднодеформированных бесшовных труб из титановых сплавов
METHOD FOR MANUFACTURING COLD-WORKED WELDLESS PIPES FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к изготовлению бесшовных холоднодеформированных труб из титановых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий ответственного назначения для гражданской и военной авиации, судостроения, химического машиностроения, строительства, медицины и других отраслей.
Известен способ изготовления холоднодеформированных труб из двухфазных сплавов на основе титана (патент РФ № 2463376, C22F 1/18, В21В 3/00, опубл. 10.10.2012), включающий выплавку слитка, ковку слитка в заготовку промежуточного размера с коэффициентом укова не менее 1,35 и окончанием ковки в α+β-области. Заготовку промежуточного размера подвергают механической обработке с получением «шашки», из которой прессуют трубу. Затем горячепрессованную трубу термообрабатывают при температуре на 30÷40°С ниже температуры полиморфного α↔β-превращения. После этого осуществляют холодную прокатку горячепрессованной трубы, промежуточные операции механической обработки поверхности, травления и термической обработки. В описываемом способе температуру прессования и коэффициент вытяжки при прокатке определяют расчетным путем.
Т
ПП
При определении температуры прессования в способе учтен прирост температуры в результате деформационного разогрева, но не учтено влияние скорости прессования, что снижает точность определения температуры прессования, может привести к прессованию выше температуры  полиморфного α↔β-превращения и сопровождаться необратимым переходом, формированием грубого внутреннего строения и интенсивным ростом зерна. При этом нарушается наследственность фазового состава заготовки, не обеспечивается сохранение исходной микроструктуры в холоднодеформированных трубах и отрицательно сказывается на величине механических свойств холоднодеформированных труб.
Т
Т
ПП
ПП
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ изготовления холоднодеформированных бесшовных труб из титанового сплава типа Ti-3Al-2.5V (патент РФ № 2583566, C22F 1/18, В21В 3/00, В21В 21/00, опубл. 10.05.2016), включающий ковку слитка в цилиндрическую заготовку за несколько переходов с чередованием деформации в β- и (α+β)-областях, финишную ковку с коэффициентом укова не менее 1,3 после нагревов в (α+β)-области, механическую обработку заготовки, прессование при температуре на 50÷90°С ниже температуры  полиморфного α↔β-превращения со степенью деформации 65÷80%. Затем полученную заготовку промежуточного размера механически обрабатывают и прессуют трубу при температуре ( - 50÷90)°С со степенью деформации 55÷95%, осуществляют охлаждение, правку и механическую обработку. Далее горячепрессованную трубу подвергают окислительному отжигу при температуре 700÷740°С, проводят холодную прокатку по меньшей мере в два прохода со степенью деформации 45÷60% при осуществлении промежуточных и конечной термообработок при температуре 690÷750°С. Для получения готовой холоднодеформированной трубы проводят прокатку не менее чем за три прохода со степенью деформации 45÷75% и механическую обработку после каждого прохода прокатки, осуществляют промежуточные термообработки при температуре 650÷750°С и конечную термообработку в вакууме при температуре 370÷600°С.
Т
ПП
Однако указанный в способе диапазон температуры горячего прессования не учитывает в полной мере влияния степени и скорости прессования на деформационный разогрев материала, что может привести к превышению температуры полиморфного α↔β-превращения. При этом происходит нарушение наследственного фазового состава, не обеспечивается сохранение исходной микроструктуры в холоднодеформированных трубах, что отрицательно сказывается на уровне механических свойств готовых труб. Кроме того, проведение окислительного отжига перед холодной прокаткой оказывает отрицательное влияние на микроструктуру материала, требует проведения операции механической обработки труб после каждого прохода холодной прокатки, что существенно увеличивает трудоемкость технологического процесса и затраты на его реализацию, а также ведет к дополнительным потерям дорогостоящего металла труб.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении требуемых механических свойств холоднодеформированных труб из титановых сплавов за счет сохранения микроструктуры исходной заготовки, снижении потерь металла и трудоемкости технологического процесса.
Н
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления холоднодеформированных бесшовных труб из титанового сплавов ПТ-1М и ПТ-7М, включающем механическую обработку горячедеформированной цилиндрической заготовки, прессование заготовки при температуре, не превышающей температуру полиморфного α→β-превращения, последующие механическую обработку, холодную прокатку по меньшей мере в три прохода для ПТ-1М и в два прохода для ПТ-7М при осуществлении промежуточных термических обработок при температуре 670÷790°С и конечную термическую обработку в вакууме, согласно изобретению,перед нагревом на поверхность заготовок наносится защитное покрытие, а прессование осуществляют при температуре Т, которую определяют по зависимости
Т
Т
k
Н
ПП
ПР
=  - ⋅ε⋅υ, (1)
Т
ПП
где  - температура полиморфного превращения, °С;
k
- эмпирический коэффициент, учитывающий влияние деформационного разогрева, °С⋅с/мм;
k
k
Для сплава ПТ-1М коэффициент  = 0,036÷0,12; для сплава ПТ-7М коэффициент  = 0,02÷0,17.
ε - логарифмическая степень деформации;
ПР
υ - скорость перемещения деформирующего инструмента, мм/с,
при этом холодную прокатку осуществляют со степенью деформации от 40 до 44%.
Согласно изобретению, перед циклом нагрева заготовки защищают от газонасыщения поверхности путем нанесения защитного покрытия. При нагреве основным элементом, взаимодействующим с титаном, является кислород (Ерманок, М.З. Прессование титановых сплавов / М.З. Ерманок, Ю.П. Соболев, А.А. Гельман. - М.: «Металлургия». - 1979. - 264 с.). Нагрев в газопламенных печах наряду с более активным окислением вызывает, как правило, наводораживание титана. Газонасыщение снижает качество изделий из титана на различных этапах их изготовления.
Т
k
k
k
Т
k
ПП
ПП
Учитывая, что деформационный разогрев металла в процессе прессования может привести к превышению температуры  полиморфного α→β-превращения, температуру нагрева заготовки под прессование предложено определять по зависимости (1). Эмпирический коэффициент для сплава ПТ-1М коэффициент  = 0,036÷0,12; для сплава ПТ-7М коэффициент  = 0,02÷0,17, учитывающий влияние деформационного разогрева, определен с использованием многофункционального комплекса Gleeble на основании результатов пластометрических исследований, моделирующих реальный процесс горячего прессования титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М. При этом меньшее значение коэффициента  (для сплава ПТ-1М = 0,036; для сплава ПТ-7М = 0,02) определенно для минимально возможной скорости прессования и температуры, близкой к температуре  полиморфного α→β-превращения, а большее значение  (для сплава ПТ-1М = 0,12; для сплава ПТ-7М = 0,17) - для максимально возможной скорости прессования и минимально возможной температуры нагрева (исходя из предельно допустимых нагрузок на существующее оборудование).
ПП
При нагреве заготовок до температуры, превышающей температуру Т полиморфного α→β-превращения, деформация будет проходить в β-области с интенсивным ростом зерна и грубым внутризеренным строением, что приведет к структурным изменениям, которые влияют на механические свойства и снижают пластичность и деформационную способность сплава. При этом не обеспечиваются требуемые эксплуатационные свойства холоднодеформированных труб.
Холодную прокатку осуществляют с оптимальными значениями степени холодной деформации в интервале от 40 до 44%, что обеспечивает постепенное измельчение микроструктуры после каждого прохода, сопровождающееся равномерным изменением механических свойств холоднодеформированных труб и отсутствием поверхностных дефектов. При величине холодной деформации более 44% существенно возрастают нагрузки на деформирующий инструмент, что отрицательно сказывается на точности холоднодеформированных труб, а также повышается вероятность образования внутренних дефектов металла, связанных с его упрочнением в процессе холодной деформации. При величине холодной деформации менее 40% существенно повышается трудоемкость технологического процесса за счет увеличения числа проходов и ухудшается проработка структуры сплавов ПТ-1М и ПТ-7М, что приводит к снижению механических свойств металла готовых труб.
Холодную прокатку осуществляют с применением жидких технологических смазок, что существенно улучшает качество поверхности труб. Проведение термической обработки труб в вакууме на всех этапах цикла холодной прокатки позволяет сохранить полученную при горячей деформации микроструктуру металла труб, предотвратить процесс наводораживания металла и снизить потери металла, связанные с проведением механической обработки поверхности труб.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фотографиями микроструктуры сплавов ПТ-1М и ПТ-7М при увеличении ×100 на разных этапах технологического процесса, где на фиг. 1 показана микроструктура заготовки (а - из сплава ПТ-1М; б - из сплава ПТ-7М), на фиг. 2 - микроструктура горячепрессованных труб готового размера из титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М (а - поперечное сечение ПТ-1М; б - продольное ПТ-1М; в - поперечное сечение ПТ-7М; г - продольное сечение ПТ-7М) и на фиг. 3 - микроструктура готовых холоднодеформированных труб готового размера из титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М (а - поперечное сечение ПТ-1М; б - продольное ПТ-1М; в - поперечное сечение ПТ-7М; г - продольное сечение ПТ-7М).
Предлагаемый способ поясняется на примере изготовления опытно-промышленных партии холоднокатаных труб размерами 25,0×2,0 и 50,0×4,0 мм из титановых α-сплавов ПТ-1М и ПТ-7М с требованиями согласно ТУ 14-3-820-79. Химический состав сплавов ПТ-1М и ПТ-7М приведен в таблице на фиг. 4.
Т
Н
ПР
Технологическая схема, реализуемая в соответствии с предлагаемым техническим решением, предусматривала следующую последовательность операций и режимы их выполнения. Механическая обработка горячедеформированной цилиндрической заготовки → нанесение шликерной обмазки (защитное покрытие) → нагрев заготовки до температуры  → прессование заготовки на прессе предпочтительно усилием 20 МН со скоростью υ с получением горячедеформированных труб → химическая обработка поверхности труб для удаления остатков технологической смазки → операции отделки (правка, подрезка торцов труб) → механическая обработка (обточка-расточка поверхности) горячепрессованных труб → первый проход холодной прокатки для сплава ПТ-1М осуществлялся со степенью деформации от 40 до 44% на стане холодной прокатки труб (далее - ХПТ) ХПТ-90М → химическая обработка → промежуточная термическая обработка в вакууме при нагреве до температуры 670÷690°С с выдержкой 120 мин., охлаждение в муфеле → правка, подрезка концов → второй проход осуществляют со степенью деформации от 40 до 44% на стане ХПТ-55М → химическая обработка → промежуточная термическая обработка в вакууме при нагреве до температуры 670÷690°С для сплава ПТ-1М с выдержкой 120 мин., охлаждение в муфеле → правка, подрезка концов → третий проход осуществляют со степенью деформации от 40 до 44% на размеры готовых труб 25,0×2,0 мм на стане ХПТ-32 → химическая обработка → конечная термическая обработка в вакууме при нагреве до температуры 670÷690°С с выдержкой 120 мин., охлаждение в муфеле → правка, подрезка концов → шлифовка.
Нанесение шликерной обмазки, используемого в качестве защитного покрытия, осуществлялось вручную при помощи моряной кисти. В состав шликерной обмазки входит: порошок эмали ЭВТ-24, молотая бентонитовая глина, жидкое стекло. Подготовленный состав разбавляется водой до получения вязкой консистенции. После нанесения шликерной обмазки заготовки сушились на воздухе в течении 30…60 минут.
Первый проход холодной прокатки для сплава ПТ-7М осуществлялся со степенью деформации от 40 до 44% на стане холодной прокатки труб (далее - ХПТ) ХПТ-90М → химическая обработка → промежуточная термическая обработка в вакууме при нагреве до температуры 730÷760°С с выдержкой 120 мин., охлаждение в муфеле → правка, подрезка концов → второй проход со степенью деформации от 40 до 44% на размеры готовых труб 50,0×4,0 мм на стане ХПТ-55М → химическая обработка → конечная термическая обработка в вакууме при нагреве до температуры 730÷760°С с выдержкой 120 мин., охлаждение в муфеле → правка, подрезка концов → шлифовка.
Технологическая схема II предусматривала изготовление холоднодеформированных труб в соответствии с прототипом.
Изготовление холоднодеформированных труб осуществляли на модернизированных станах ХПТ-90М, ХПТ-55М и ХПТ-32 с подачей жидкой смазки «Castrol Iloform TDN 81» на наружную поверхность труб и жидкой смазки «Castrol Iloform TDN 86» - на внутреннюю поверхность. Изготовление холоднодеформированных труб по схеме II осуществляли на типовых станах ХПТ-90, ХПТ-55 и ХПТ-32 с применением существующей технологической смазки (мыльный порошок и графит в равных соотношениях на внутреннюю поверхность и смесь порошкового графита и машинного масла на наружную поверхность). Точность размеров сечения готовых труб, качество поверхности и механические свойства холоднодеформированных труб из титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М полностью соответствовали требованиям ТУ 14-3-820-79. В таблице на фиг. 5 приведены механические свойства изготовленных труб из титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М.
По технологической схеме I из сплава ПТ-1М было изготовлено 13 труб готовых размеров общей массой 68 кг и длиной 93 м, коэффициент выхода годного составил 88,9%, из сплава ПТ-7М было изготовлено 6 труб готового размера общей массой 79,2 кг и длиной 27 м, коэффициент выхода годного составил 88,5%.
По технологической схеме II было изготовлено также 13 труб готовых размеров из сплава ПТ-1М общей массой 64,3 кг и длиной 91,7 м, коэффициент выхода годного составил 82,1%, и 6 труб готового размера из сплава ПТ-7М общей массой 75,3 кг и длиной 25,2 м. Коэффициент выхода годного составил 81,9%. Кроме того, на этапе проведения холодной деформации труб по предлагаемому способу было обеспечено снижение трудоемкости технологического процесса примерно на 5% и уменьшение затрат на производство до 10%.
Т
Т
ПП
ПП
Температуру горячей деформации рассчитывали по зависимости (1), для чего предварительно методом пробных закалок (Аношкин, Н.Ф. Металлография титановых сплавов / Н.Ф. Аношкин. - М.: Металлургия, 1980. - С. 36-38.) определяли температуру полиморфного превращения  сплавов ПТ-1М и ПТ-7М. Расчеты показали, что при использовании режима горячей деформации, предусмотренного прототипом, температура горячего прессования могла превысить температуру  полиморфного превращения сплавов ПТ-1М и ПТ-7М примерно на 20÷30°С, что привело бы к необратимым последствиям как в изменении фазовой структуры сплава, так и механических свойств готовых труб.
Прессование труб из сплавов ПТ-1М и ПТ-7М при температурах, определенных по зависимости (1), учитывающей влияние деформационного разогрева заготовки в процессе прессования в зависимости от степени и скорости деформации, обеспечивает сохранение микроструктуры исходной заготовки, представленной α-фазовым составом (фиг. 2). Анализ микроструктуры холоднодеформированных труб (фиг. 3) размерами 25,0×2,0 и 50,0×4,0 мм из α-сплавов показал, что в результате проведения термических обработок в вакууме при температуре 670÷690°С для сплава ПТ-1М и 730÷760°С для сплава ПТ-7М получены рекристаллизованные равноосные α-зерна, вытянутые вдоль направления прокатки. Сохранение фазовой структуры металла заготовки в горячепрессованной трубе и затем - в холоднодеформированной со степенью деформации 40÷44% обеспечивает получение требуемых механических свойств и отсутствие дефектов на поверхности холоднодеформированных труб.
Производство бесшовных холоднодеформированных труб из титановых сплавов ПТ-1М и ПТ-7М по предлагаемому способу обеспечило требуемые механические свойства труб, увеличение коэффициента выхода годного с одновременным снижением трудоемкости технологического процесса и затрат на производство.