Исследование стойкости прошивных оправок малого диаметра из сплава на основе Ni3Al

Изготовлены слитки сплава на основе Ni3Al путем охлаждения расплава в керамической, металлической изложницах, в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Исследована микроструктура образцов от выплавленных слитков. Определен оптимальный способ получения заготовок прошивных оправок при проведении исходной открытой индукционной плавки. Изготовлены прошивные оправки малого диаметра (27 и 30 мм) из сплава на основе Ni3Al. Проведены натурные испытания прошивных оправок при прошивке прутков из сталей марок 12ХН2Р и 08Х18Н10Т-Ш на стане ПВП-120. Рассмотрен вопрос о стабильности микроструктуры сплава на основе Ni3Al при работе в условиях термомеханического нагружения (при прошивке прутков).

Цель данной работы заключалась в исследовании стойкости прошивных оправок из сплава на основе интерметаллида Ni3Al.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
- изготовить образцы из слитков сплава на основе Ni3Al, кристаллизованных различными методами при проведении исходной выплавки в открытой индукционной печи;
- исследовать микроструктуру образцов литейных сплавов на основе Ni3Al, кристаллизованных различными методами;
- определить оптимальный способ получения заготовок прошивных оправок из сплава на основе Ni3Al при проведении исходной выплавки в открытой индукционной печи;
- изготовить прошивные оправки малого диаметра (до 30 мм) из слитков сплава на основе Ni3Al, полученных оптимальным способом при проведении исходной выплавки в открытой индукционной печи;
- провести натурные испытания оправок, изготовленных из сплава на основе Ni3Al, при прошивке прутков из сталей марок 12ХН2Р и 08Х18Н10Т-Ш на стане поперечно-винтовой прокатки ПВП-120;
- рассмотреть вопрос о стабильности микроструктуры сплава на основе Ni3Al при работе в условиях термомеханического нагружения (при прошивке прутков).

В настоящее время производство бесшовных горячекатаных труб по средствам прошивки потенциально является самым экономически выгодным способом производства труб из сплошных заготовок легированных и высоколегированных (например, коррозионно-стойких) сталей.

Самым ответственным технологическим инструментом прошивных станов, определяющим режим деформации и качество готовых труб, является прошивная оправка.

Повышение стойкости прошивных оправок (что равносильно снижению затрат на инструмент и брак готовой продукции) является актуальной проблемой современной трубной промышленности.

Особый интерес по использованию в качестве материала прошивных оправок вызывают сплавы на основе Ni₃Al в силу их жаропрочности и экономичного состава.

Химический состав выплавленных слитков определялся при помощи многоканального оптико-эмиссионного спектрометра ДФС-500, анализатора МЕТЭК-200 и рентгено-флуоресцентного спектрометра α-2000. Металлографические исследования протравленных образцов металла проводились на инвертированном металлографическом микроскопе Альтами-МЕТ, в качестве травителя использовался реактив Марбле. Визуальный и измерительный контроль полученных труб проводился в соответствии с РД 34.10.130-96. Ультразвуковая дефектоскопия горячекатаных труб проводилась дефектоскопом УД2-140 по ГОСТ 17410-78. Для выявления макроструктуры отрезанных утяжин труб использовался раствор, состоящий из 50 % HCl и 50 % H₂O₂.

Слитки выплавлялись с использованием шихтовых материалов, представленных в таблице 1 при соблюдении ограничений по химическому составу, представленных в таблице 2.

 

Таблица 1

Основные шихтовые материалы

Материал	Марка	НД
Никель	Н1	ГОСТ 849-97
Хром	ЭРХ-0	ТУ 14-5-76-76
Вольфрам	ШВЧ	ТУ 48-19-57-91
Молибден	МШ-1	ТУ 48-19-73-86
Алюминий	А0	ГОСТ 6008-90
Титан	ВТ1-0	ГОСТ 19807-91
Цирконий	Э100	ТУ 95-166-83
Силикокальций	СК20	ГОСТ 4762-71
Кальций	Гранулы	ТУ 083.5.314-94
Древесный уголь	А	ГОСТ 7657-84

 

Таблица 2

Ограничения по химическому составу для слитков

Содержание	Химический состав; мас. %
	Al	Mo	W	Ti	Cr	Zr	C	S	P	Ni
Мин.	7,50	8,50	1,20	1,00	4,50	0,15	Не более			Осн.
Макс.	8,50	9,50	1,70	1,50	5,50	0,35	0,02	0,005	0,005

 

Отработана технология изготовления слитков сплава на основе Ni₃Al с исходной выплавкой в открытой индукционной печи, исследована микроструктура образцов литейного сплава на основе Ni₃Al, кристаллизованного различными методами (посредствам охлаждения расплава в керамической, металлической изложницах, в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе).

При охлаждении расплавов в стальных и керамических изложницах, а также в водоохлаждаемом кристаллизаторе затвердевание проходит по одному и тому же механизму: образование первичных кристаллов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al → кристаллизация эвтектики (легированный интерметаллид Ni₃Al и твердый раствор на основе Ni).

Охлаждение расплава исследуемого состава в стальной и керамической изложницах приводит к образованию трещин в поперечном направлении от поверхности слитков. Образование трещин при охлаждении в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе не наблюдалось.

На основании полученных результатов, определен оптимальный способ получения заготовок прошивных оправок при проведении исходной открытой индукционной выплавки, заключающийся в выплавке в открытой индукционной печи электродов с последующим электрошлаковым переплавом в среде аргона.

Изготовлены прошивные оправки из сплава на основе Ni₃Al с диаметрами калибрующей части 27 мм и 30 мм.

В результате прошивки 356 прутков стали марки 12ХН2Р размером Ø65^±1х1085^±5 мм в передельные трубы размером Ø58^±0.5хØ28^±0.5хL мм форма и геометрические размеры оправки с диаметром калибрующей части 27 мм не претерпели изменений.

В результате прошивки 12 прутков стали марки 08Х18Н10Т-Ш размером Ø85^±1х1000^±5 мм в передельные трубы размером Ø83^±0.5хØ38^±0.5хL мм оправка с диаметром калибрующей части 30 мм уменьшилась в длину на 5 мм, кроме того была обнаружена сетка разгара на раскатной части с ярко выраженной поперечной трещиной, что и явилось причиной прекращения эксплуатации данной оправки.

Визуально-измерительный и ультразвуковой контроль всех полученных при проведении экспериментальных прошивок труб и анализ макроструктуры утяжин от них показали отсутствие трещин и иных дефектов прокатки.

При сравнении фотографий шлифов металла оправки с диаметром калибрующей части 30 мм до использования в работе и после установлено, что микроструктура осталась без изменений, что свидетельствует о ее стабильности при работе в условиях термомеханического нагружения (при прошивке прутков).

Таким образом, проведенные исследования позволяют рекомендовать оправки, изготовленные из установленного сплава на основе интерметаллида Ni₃Al по разработанному оптимальному способу, для прошивки прутков из легированной и высоколегированной стали при отсутствии возможности обеспечения внутреннего охлаждения прошивной оправки (например, водой).

1. Сазоненко И. О., Земцов В. А., Юрчак А. Н. К вопросу повышения стойкости оправок прошивных станов // Литье и металлургия 4(68). 2012. С. 135-138.
2. Вавилкин Н. М., Бухмиров В. В. Прошивная оправка. М. : МИСиС, 2000. 128 с.
3. Шапиро И. А., Хавкин Г. О., Бородский В. М. Повышение эффективности оправок прошивных станов // Сталь, 2009. №9. С. 75-76.
4. Патент RU 2508173 C1, кл. В21В25/00, 2011 г. Способ изготовления инструмента для горячей деформации.
5. Патент DE 102014000461 A1, кл. В21В25/00, 2015 г. Innenwerkzeug für die Herstellung nahtloser Stahlrohre.
6. Патент US 7506526 B2, кл. B21B19/04, 2009 г. Seamless tube piercing/rolling plug, and seamless tube producing method using same.
7. Патент RU 2496590 C1, кл. B21B19/04, 2012 г. Технологический инструмент косовалкового прошивного стана.

Ni3Al-based alloy ingots have been produced by cooling of the melt into ceramic mold, into metal mold, into a water-cooled mold. Microstructure of the samples of the ingots has been investigated. The technology for the preparation of ingots from Ni3Al-based alloys in an open induction furnace has been developed. The small diameter piercing plugs of Ni3Al-based alloy have been produced. Production testing of the Ni3Al-based alloy piercing plugs have been conducted. Rods of 12KhN2R-stell and rods of 08Kh18N10T-Sh-stell on the screw insertion mill type PVP-120 were sewn. The question of the stability of the Ni3Al-based alloy microstructure stability under the influence of thermomechanical stress in piercing was considered.