Особливості виготовлення і сучасні технології зміцнення

трубного інструменту для виробництва корозійностійких труб

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ		АНОТАЦІЯ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ		УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 2

Особливості зношування трубного інструменту для пресування і холодного прокатування корозійностійких труб

Завдання дослідження зносостійкості інструменту полягає у встановленні залежностей зношування від чинників, що характеризують якість поверхні інструменту. Ці залежності дають змогу оптимізувати технологію виготовлення, умови експлуатації інструменту, поліпшувати і прогнозувати його працездатність.

Особливістю виробництва труб пресуванням з корозійностійких і високолегованих сталей є низька стійкість пресового інструменту (табл. 1).

Таблиця 1

Стійкість пресового інструменту

Інструмент	Стійкість для труб із
	вуглецевих сталей	неіржавних сталей	сплавів і високо-легованих сталей
Матричні кільця і вставки	300–500	До 5–7	До 5
Трубні оправки (голки)	300–500	50–80	20–50
Внутрішні втулки контейнери	2000–3000	400–600	До 300
Штемпельні головки	5000–10000	2500–5000	1000–2000

Трубопресовий інструмент піддається інтенсивному зношуванню. За умовами експлуатації прес-голки і матриці належать до важконавантаженого інструменту, оскільки контактують з металом, що пресується. Процес пресування відбувається за високих температур, тисків та інтенсивного тертя.

Основною причиною інтенсивного зношування трубопресового інструменту є перегрівання, внаслідок якого знижується міцність, що призводить до деформування. Зокрема, зношування матриці настає тоді, коли її температура під час пресування перевищує температуру відпускання, що може призвести до її пластичного деформування.

Умови експлуатації інструменту дуже впливають на його стійкість. Здебільшого процес пресування не є плавним, ударні навантаження на інструмент вимагають від матеріалу інструменту високих меж ударної в'язкості, що важко поєднувати з його великою твердістю. Ударні навантаження знижують стійкість пресового інструменту. Різке зняття тиску, якого можна уникнути, призводить до поломки інструменту. Тривале перебування інструменту в зоні високих температур (850°С для міді і 1100°С для сталі) різко знижує його стійкість. Тому під час проєктування необхідно домагатися зменшення часу пресування, а іноді передбачати зміну інструменту після кожного пресування.

Внаслідок зношування матриць і прес-голок інструмент є змінним і передбачає вдосконалення цих конструкцій, використання сучасних засобів зміцнення, щоб збільшити продуктивність і зменшити витрати пресового інструменту.

Отже, матеріал пресового інструменту повинен мати високу теплостійкість; в'язкість; розгаростійкість; зносостійкість; високу теплопровідність. Переважно використовують сталі мартенситного класу, леговані хромом, вольфрамом, нікелем, молібденом.

Для виготовлення голок-оправок трубопрофільних пресів і матричних кілець збірних матриць найчастіше використовують вториннотвердні сталі 4Х5МФ1С і 5Х3В3МФС (ДИ-23) (ДСТУ 3953-2000), AISI 4140 (USA) і AISI H11 (USA), які піддають термічному обробленню.

Хімічний склад сталей наведено в табл. 2 і 3.

Таблиця 2

Хімічний склад сталі 4Х5МФ1С, % за масою (ДСТУ 3953-2000),

AISI 4140 (USA)

C	Si	Mn	Cr	V	Mo	Ni	Cu	S			P
						Не більше
0,32	0,90	0,20	4,50	0,30	1,20	0,35	0,30		0,30	0,03
0,40	1,20	0,50	5,50	0,50	1,50

Таблиця 3

Хімічний склад сталі 5Х3В3МФС, % за масою (ДСТУ 3953-2000),

AISI H11 (USA)

C	Si	W	Mn	Cr	V	Mo	Ni	Cu	S	P
							Не більше
0,45-0,55	0,8-1,1	2,8-3,3	0,15-0,45	2,5-3,5	0,3-0,5	1,2-1,5	0,35	0,30	0,03	0,03

Основним дефектом, що призводить до виходу з ладу всіх деталей прокатного інструменту, є викришування металу на робочій поверхні. Причина – недостатня контактна міцність, що є наслідком зниженої твердості.

Основною причиною виходу роликів з ладу є зношування струмка (80%), рідше ‒ викришування і відколи цапф (рис. 14).

Рис. 14. Знос струмка роликів і викришування,відколи цапф роликів

Основні види дефектів інструменту для холодного прокатування наведено в табл. 4.

Основною причиною виходу з ладу опорних планок є віспоподібне зношування робочих доріжок (рис. 15).

Віспоподібне зношування – це процес інтенсивного руйнування поверхонь за тертя коченням, зумовлений пластичним деформуванням, з внутрішніми напругами, особливими явищами втоми металів, який супроводжується утворенням мікротріщин, тріщин, одиночних і групових впадин на поверхні тертя.

Основними причинами віспоподібного зношування опорних планок є значні питомі тиски, які виникають під дією зусилля, що передається під час кочення цапф роликів по робочій поверхні планок, які сягають величини 1900 – 2800 МПа (залежно від типорозміру стану) а також залишкові напруження 1-го роду. Залишкові напруження утворюються, по-перше, як результат механічного оброблення поверхні шліфуванням, по-друге, внаслідок динамічного деформування металу поверхневих шарів.

Таблиця 4

Види дефектів і причини виходу з ладу прокатного інструменту

Вид інструменту	Вид дефекту	Причина появи дефекту
Ролики	1. Зношування цапф роликів 2. Зношування (викришування) металу на робочій поверхні («струмки») роликів 3. Руйнування цапф роликів	1. Наслідок зниженої твердості цапф і опорних планок 2. Низька контактна зносостійкість внаслідок зниженої твердості металу роликів. 3. Занадто низька твердість металу роликов (54–56 HRC).
Оправки	1. Грубі риски на поверхні готової, але непрацюючої оправки. 2. Локальне кільцеве зношування на довжині ~10 мм («сідло»). 3. Поздовжні риски з вм’ятинами після роботи оправки 4. Кривизна, що перевищує допуск (0,2 мм). 5. Викришування поверхні	1. Залишки рихтувального інструменту, що з’явилися в процесі гарячого правлення 2. Локальне розігрівання поверхні оправки під час прослизання по ній трубної заготованки 3. Залишки абразивних часток, що потрапляють у оливу. 4. Сильне поведення під час загартування. Температура оправки, яка витягнута з оливи, не більше ніж 100–120°С (треба 250–300°С). 5. Недостатня контактна витривалість як результат зниженої твердості металу
Опорні планки	1. Зниження робочого профілю 2. Викришування металу на робочій поверхні («доріжці кочення»)	1. Значне зношення металу внаслідок залишків зневуглецьованого шару і зниженої твердості. 2. Знижена контактна витривалість як результат зниженої твердості металу.

Рис. 15. Віспоподібне зношування на робочій доріжці опорної планки, що розвивається на глибину до 0,2 – 0,4 мм, х4

Отже, руйнування поверхневих шарів зумовлено явищами втоми металу, яка розвивається в площинах дії дотичних напружень. Утворені віспоподібні впадини є осередками подальшого руйнування, впадини зливаються в групи, що призводить до ще більшого руйнування поверхневих шарів. Результати мікроструктурних досліджень свідчать про наявність ділянок трооститу в місцях руйнування за віспоподібного зношування, що підтверджується вимірюванням мікротвердості (НV_0,05 380 – 440 за твердості основної мартенситної структури опорної планки НV_0,05 645). Підвищення стійкості опорних планок призводить до економії виробництва. Заміна опорних планок у міру виходу їх з ладу пов’язана із зупиненням стана на 10 – 20 хвилин.

У роликів концентратором напруг є дільниця переходу цапфа ‒ тіло ролика і реборди. Тут найчастіше і відбувається руйнування роликів. Зношення роликів відбувається по струмку. Ролики можуть бути перешліфовані для прокатування труб більшого розміру. Оправки руйнуються внаслідок знакозмінних навантажень – утворюються поздовжні та поперечні тріщини. Зношення призводить до утворення шийки на обтискній дільниці. Шийка може бути наслідком недостатньої твердості металу оправки. Ролики і оправки можуть виходити з ладу і як результат налипання на них металу. Метал, який налипає, видаляють шліфуванням повстяними кругами з абразивною суспензією. Причинами виходу роликів і оправок з ладу може бути порушення режиму прокатування, невідповідність калібрування оправок і опорних планок, неякісне змащування, неправильне налаштування стана.

Ролики, опорні планки і оправки виготовляють у цехових умовах зі сталі 60С2ХФА (ДСТУ 8429:2015), AISI 5160 (USA).

Твердість поверхні після термічного оброблення має бути в межах 50 – 56 НRC. Хімічний склад сталі наведено в табл. 5.

Таблиця 5

Хімічний склад сталі 60С2ХФА, % за масою (ДСТУ 8429:2015),

AISI 5160 (USA)

C	Si	Mn	Cr	V	Ni	Cu	S		P
					Не більше
0,56	1,4	0,4	0,9	0,1	0,25	0,2	0,025	0,025
0,64	1,8	0,7	1,2	0,2

Використання для роликів і опорних планок замість сталі 60С2ХФА штампової сталі 4Х5МФ1С дає змогу підвищити експлуатаційну стійкість інструменту, зносостійкість і твердість.

Рис. 16. Металографічний оптичний мікроскоп Axiovert 200 MAT

Рис. 17. Растровий електронний мікроскоп РЭМ-106И

Рис. 18. Мікротвердомер ПМТ-3М

Рис. 19. Машина EAZYDUR для випробування на розтяг

Рис. 20. Спектрометр для визначення хімічного складу зразків сталей 4Х5МФ1С і 5Х3В3МФС

Попередня тема

На початок

Наступна тема