/ 43 1 (64), 2012 Researches on influence of high-speed heating tem- perature, regimes of cooling and temperature of abate- ment on structure and mechanical properties of pipe steel 32G2 are carried out. Recommendations on the regimes of high-speed thermal processing of steel 32G2 which can be used at manufacturing of seamless pipes are given. А. И. гордИеНко, ФТИ НАН Беларуси, о. М. кИрИлеНко, оАо «БМЗ», И. И. вегерА, ФТИ НАН Беларуси, д. А. СеМеНов, оАо «БМЗ» УДК 669 исследоВание Влияния реЖимоВ скоростной термической обработки на структуру и механические сВойстВа трубной стали 32г2 Введение. Постоянное развитие нефтяной и га- зовой промышленности приводит к повышению требований к механическим и эксплуатационным свойствам обсадных, насосно-компрессорных и бу- рильных труб . В настоящее время актуальными остаются вопросы получения труб категорий прочности Х80-Х100 с пределом прочности 650– 850 МПа и выше при сохранении требуемых ха- рактеристик вязкости, пластичности и сваривае- мости . Для достижения требуемого уровня свойств во многих странах мира проводятся исследования, направленные на совершенствование химического состава трубных сталей, режимов их прокатки и термической обработки . Необходимо отметить, что в настоящее время основной упрочняющей термической обработкой для данной категории сталей является печная закалка и отпуск . Темпера- тура нагрева под закалку и отпуск выбирается в зависимости от химического состава сталей и исходя из необходимого уровня механических свойств регламентированного действующими меж- дународными и отечественными стандартами . В последние годы для термообработки труб- ных сталей начали использовать скоростные мето- ды нагрева, такие, как индукционный нагрев и на- грев токами высокой частоты [1, 2] . Данные мето- ды по сравнению с печным нагревом более эконо- мичны, менее трудоемки, при их применении со- кращается длительность процесса термообработ- ки, исключается обезуглероживание и окисление поверхности, снижаются затраты . По качеству упрочнения они не уступают, а в ряде случаев и превосходят процессы печной термообработки . Однако темпы расширения области применения скоростных методов нагрева сдерживаются про- блемами выбора оптимальных режимов термооб- работки, рационального конструирования нагрева- тельных и охлаждающих устройств . В [3] были рассмотрены вопросы выбора опти- мальных режимов термической обработки труб- ной стали 32Г2 в условиях печного нагрева . Ос- новная цель настоящего исследования заключа- лась в определении оптимальных режимов ско- ростной термической обработки трубной стали 32Г2, для этого необходимо было изучить кинети- ку фазовых и структурных превращений и харак- тер изменения механических свойств в зависимо- сти от температуры нагрева и условий охлажде- ния . Исследование влияния режимов скоростного нагрева и охлаждения на структуру и механиче- ские свойства стали 32Г2 В качестве объекта исследования была выбра- на трубная сталь 32Г2, имеющая следующий хи- мический состав: C – 0,31%; Si – 0,277; Mn – 1,295; Cr – 0,076; Cu – 0,2272; Mo – 0,022; V – 0,0042; Al – 0,0302; Ni – 0,1134; P – 0,0141; S – 0,0117% . Стали данного класса, такие, как 30Г2, 35Г2С, 37Г2С, 40Г и др ., широко используются в настоя- щее время в промышленности [2, 4] . Образцы для исследований размером 10×10× 100 мм вырезали из горячекатаных бесшовных труб в продольном направлении и подвергали тер- мической обработке . Скоростная термообработка образцов проводилась с применением специаль- ной установки электроконтактного нагрева, позво- ляющей моделировать скорости нагрева в преде- лах 1–1000 °С/с и скорости охлаждения в интерва- ле 1–400 °С/с . Линейность нагрева обеспечивалась при помощи тиристорного регулятора РН-250, включенного в первичную обмотку трансформато- ра ОСУ-40 . Регистрацию температуры осущест- 44 / 1 (64), 2012 вляли ХА-термопарами, зачеканенными в каждый нагреваемый образец, в комплекте с быстродей- ствующим пирометром КСП-4 . Отключение на- грева и сброс образцов в закалочную среду осу- ществляли автоматически по мере достижения за- данной температуры или после определенной вы- держки при заданной температуре . Нагрев образ- цов проводили по следующим режимам: нагрев до температур 800–1000 °С, закалка в воде и отпуск при температурах 450–650 °С в течение 2 ч; нор- мализация при температурах 750–900 °С . Из тер- мически обработанных образцов изготавливали образцы для механических испытаний на разрыв . Разрыв образцов проводили на машине ZD 10/90 . Скорость нагружения составляла 10 мм/мин . По- сле разрыва определяли предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и сужение . Микроструктуру сталей изучали с использовани- ем оптического микроскопа при увеличениях до 2000 . Испытание на ударную вязкость при комнат- ной и пониженной температуре проводили на ма- ятниковом копре PSWO-30 . В исходном состоянии микроструктура стали 32Г2 после горячей прокатки представляет собой феррито-перлитную смесь с размерами перлитных зерен 15–20 мкм и выделениями феррита по грани- цам . Механические свойства стали 32Г2 после горя- чей прокатки находились на уровне: σв = 672 МПа; σ0,2 = 428 МПа; d = 21%; y = 65% . После скорост- ного нагрева Vн = 50оС/с до температуры 750 °С и закалки в воде были получены следующие меха- нические свойства стали 32Г2: σв = 1550 МПа; σ0,2 = 1490 МПа; d = 1%; y = 5% (рис . 1) . Дальней- шее повышение температуры нагрева до 850 °С при- водит к плавному росту временного сопротивле- ния на разрыв, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения закаленной стали до σв = 1620 МПа; σ0,2 = 1540 МПа; d = 2,5%; y = 8% . Максимальные прочностные и пластиче- ские свойства стали 32Г2 (σв= 1870 МПа; σ0,2 = 1790 МПа; d = 4,5%; y = 20%) были получены по- сле закалки с температуры 950 °С . Необходимо от- метить, что данный уровень свойств сопоставим со свойствами, полученными после печной закал- ки с температуры 850 °С . Кроме того, было уста- новлено, что все процессы, связанные с протека- нием фазовых и структурных превращений в ста- ли 32Г2 и формированием определенного уровня свойств в условиях скоростного нагрева, смеща- ются на 50–100 °С вверх по температурной шкале . На рис . 2 показано изменение твердости стали 32Г2 в зависимости от температуры скоростного нагрева и последующего охлаждения в воде . По- сле закалки с температуры нагрева 750 °С твер- дость стали составляет 41 HRC, в дальнейшем с ростом температуры она линейно возрастает . Максимальная твердость 52 HRC достигается по- сле закалки с температуры 950 °С, при этом в струк- туре стали формируется мартенсит . В том случае если после скоростного нагрева с температур 750–900 °С образцы стали 32Г2 ох- лаждали на воздухе, то механические свойства во всем температурном интервале незначительно уве- личивались с ростом температуры в следующих диапазонах: σв = 650–720 МПа; σ0,2 = 430–500 МПа; d = 24–27%; y = 64–67% . Сравнивая свойства, по- лученные после нормализации со скоростного на- грева, было установлено, что прочностные свой- ства стали увеличиваются на 50–80 МПа, а пла- стические свойства – на 3–5% по сравнению со свойствами после печной нормализации . Данное обстоятельство, по-видимому, связано с получени- ем более мелкой зеренной структуры стали за счет сокращения времени пребывания материала при Рис . 1 . Механические свойства стали 32Г2 после скорост- ного нагрева . Скоростной нагрев Vн= 50 °С/с, охлаждение в воде (сплошная линия); охлаждение на воздухе (штрихо- вая линия) Рис . 2 . Влияние температуры скоростной закалки на твер- дость стали 32Г2 / 45 1 (64), 2012 высоких температурах . Микроструктура стали по- сле нормализации со скоростного нагрева суще- ственно не отличалась от полученной после печ- ного нагрева и представляла собой феррито-пер- литную смесь . Исследование влияния режимов отпуска на структуру и механические свойства закаленной со скоростного нагрева стали 32Г2 Образцы стали 32Г2 для исследований нагре- вали со скоростью 50 °С/с до температуры 900 °С, закаливали в воде, а затем подвергали отпуску при температурах 450–650 °С в течение 2 ч . Испыта- ния на растяжение образцов стали 32Г2 после ско- ростной термообработки показаны на рис . 3 . Уста- новлено, что после скоростной закалки с 900 °С и отпуска при температуре 450 °С механические свойства стали 32Г2 находятся на уровне: σв = 1090 МПа; σ0,2 = 1040 МПа; d = 16%; y = 66% . С повышением температуры отпуска до 500 °С прочностные характеристики плавно снижаются до σв = 995 МПа; σ0,2 = 920 МПа, а пластические не изменяются и остаются на прежнем уровне . После отпуска при температуре 600 °С предел прочности и предел текучести снижаются до σв = 770 МПа, σ0,2 = 665 МПа, пластические свойства повышаются до d = 22%, y = 70% . В дальнейшем при повышении температуры отпуска до 650 °С прочностные характеристики стали линейно сни- жаются до σв = 690 МПа; σ0,2 = 585 МПа, а пласти- ческие характеристики увеличиваются до макси- мального значения d = 23%; y = 71,3% . Таким об- а б в г Рис . 4 . Микроструктура стали 32Г2 скоростного нагрева и отпуска . Скоростной нагрев (Vн = 500С/с) 900 °С, охлаждение вода, отпуск 2 ч, охлаждение воздух: а – 450 °С; б – 500; в – 550; г – 600 °С Рис . 3 . Механические свойства стали 32Г2 после скоростно- го нагрева и отпуска . Режимы термообработки: скоростной нагрев 900 °С (Vн = 50 °С/с), охлаждение вода, отпуск 2 ч, ох- лаждение воздух 46 / 1 (64), 2012 разом, показано, что после закалки стали 32Г2 со скоростного нагрева и отпуска механические свой- ства стали повышаются по сравнению с печным нагревом . После скоростного нагрева до 900 °С с после- дующим охлаждением в воде и отпуском при 450 °С микроструктура стали 32Г2 представляет собой отпущенный мартенсит с выделениями мел- кодисперсных частиц цементита (рис . 4, а) . Кроме того, необходимо отметить, что в результате крат- ковременного пребывания стали в области зака- лочных температур в условиях скоростного нагре- ва полной гомогенизации стали не происходит, по- этому в структуре стали отмечаются участки с не полностью протекшими фазовыми превращения- ми . Данные участки в структуре особенно четко проявляются на бывших границах зерен аустени- та . При повышении температуры отпуска в струк- туре стали происходит дальнейший распад мар- тенсита с выделением карбидной фазы и ее коагу- ляция (рис . 4, б, в) . После отпуска при температу- ре выше 600 °С формируется ферритная структура с равномерно распределенными в ней мелкоди- сперсными частицами цементита (рис . 4, г) . С целью гомогенизации структуры стали 32Г2 образцы нагревали со скоростью 50 °С/с до темпе- ратуры 950–1000 °С, закаливали в воде, а затем подвергали отпуску при температурах 600–650 °С в течение 2 ч . Результаты исследований показали, что после закалки стали с температуры 950 °С и отпуска 600 и 625 °С процессы фазовых превра- щений и перераспределения углерода проходят бо- лее полно (рис . 5, а, б) . При этом свойства стали остаются на уровне: σв = 730–770 МПа; σ0,2 = 630– 660 МПа; d = 22–23%; y = 70–71% для температур отпуска 600 и 625 °С соответственно . Дальнейшее повышение температуры закалки до 1000 °С приводит к более полной гомогениза- ции структуры стали, однако ее свойства несколько снижаются: σв = 720–750 МПа; σ0,2 = 600–630 МПа; d = 20–22%; y = 69–70% для температур отпуска 600 и 625 °С соответственно (рис . 6, а, б) . В связи с этим были сделаны выводы о том, что оптималь- ная температура скоростного нагрева под закалку а б Рис . 5 . Микроструктура стали 32Г2 скоростного нагрева и отпуска . Скоростной нагрев (Vн = 50 °С/с) 950 °С, охлаждение вода, отпуск 2 ч, охлаждение воздух: а – 600 °С; б – 625 °С а б Рис . 6 . Микроструктура стали 32Г2 скоростного нагрева и отпуска . Скоростной нагрев (Vн = 50 °С/с) 1000 °С, охлаждение вода, отпуск 2 ч, охлаждение воздух: а – 600 °С; б – 625 °С / 47 1 (64), 2012 находится в интервале 920–950 °С . Кроме того, для получения гомогенной структуры стали реко- мендуется делать изотермические выдержки при закалочной температуре . Для этих целей в про- мышленных индукционных установках применя- ют индуктора-термостаты [2] . Рекомендации по режимам термообработки и механическим свойствам обсадных и насосно- компрессорных труб, изготовленных из стали 32Г2 По результатам проведенных исследований были сделаны рекомендации по режимам скорост- ной термической обработки стали 32Г2 для раз- личных групп прочности труб в соответствии с действующей нормативной документацией . Ре- комендуемые режимы термической обработки и механические свойства, которые они обеспечи- вают для их достижения (по ГОСТ 633-80), приве- дены в таблице . Температура нагрева для всех групп прочности составляла 920–950 °С, скорость нагрева 20–50 °С/с, охлаждение в воде, отпуск 2 ч . Выводы. Проведены исследования по влиянию температуры скоростного нагрева, режимов ох- лаждения и температуры отпуска на структуру и механические свойства трубной стали 32Г2 . По- казано, что применение скоростного нагрева для термообработки стали 32Г2 позволяет получить более высокие свойства по сравнению с аналогич- ной печной термической обработкой при сокраще- нии времени нагрева, исключении окисления, уга- ра и обезуглероживания металла . Даны рекоменда- ции по режимам скоростной термической обработ- ки для стали 32Г2, которые могут использовать при изготовлении бесшовных труб в соответствии с действующими отечественными и международ- ными стандартами . Литература 1 . Заявка на изобретение РФ 2006101482/02 . Способ термической обработки труб . 2 . Заявка на изобретение 2007103426/02 . Способ производства бесшовных горячекатаных обсадных хладостойких труб . 3 . И в а ш к о В . В ., К и р и л е н к о О . М ., В е г е р а И . И ., С е м е н о в Д . А . Исследование влияния режимов терми- ческой обработки на структуру и механические свойства горячекатаных труб, изготовленных из стали 32Г2 // Литье и метал- лургия . 2011 . № 4 . С . 108–114 . 4 . Т у х б а т у л л и н Ф . Г ., Г а л л и у л и н З . Т . и др . Низколегированные стали для магистральных газопроводов и их сопротивление разрушению М .: ООО «ИРЦ Газпром», 2001 . Режимы скоростной термической обработки, механические свойства стали 32Г2 и классы прочности по ГОСТ 633-80 Темпера- тура отпуска Предел проч- ности, МПа Предел теку- чести, МПа Относи- тельное удлине ние/ сужение KCV-60, Дж/см2 Доля вязкой состав- ляющей В,% Класс прочности по ГОСТ 633-80 450 1090 1045 16 / 65 41 42 Р 500 1000 930 16 / 65 65 56 Р 550 860 745 18 / 67 62 60 М 600 770 665 21 / 71 138 60 Л 625 730 630 22 / 71 120 60 Е 650 690 580 23 / 72 128 65 К