Investigation of the Durability of the Ni3Al-Based Alloy Piercing Plug when Piercing 08Х18Н10Т-Ш Steel Bars

Konovalov M.S., Shenogin V.P.

Abstract


The piercing plug with a diameter of the calibrated part of 30 mm for the investigation was prepared from Ni3Al-based cast alloy. The Ni3Al-based alloy piercing plug was tested when piercing 08Х18Н10Т-Ш steel bars by means of the cross-screw piercing mill (CSP-120). The crack was discovered after manufacturing of 15 rough pipes with dimensions of Ø83±0.5хØ38±0.5хL mm and a total weight of 675 kg from 08Х18Н10Т-Ш steel bars with dimensions of Ø85±1х1000±5 mm. It had excluded the possibility of further exploitation of this piercing plug. The cracks and other rolling defects were not detected as a result of the visual measurement control and the ultrasonic inspection of the produced 08Х18Н10Т-Ш steel rough pipes and the analysis of the macrostructure of the samples from these rough pipes. The question of the stability of the Ni3Al-based alloy microstructure when the bars are pierced was considered. Comparison the photographs of the metal sections of the piercing plug before use with the photographs of the metal sections of the piercing plug after use showed that the microstructures consisted of the primary doped compound Ni3Al crystals and the crystallized eutectic around these primary doped compound Ni3Al crystals. The eutectic consisted of the doped intermetallic compound Ni3Al and the Ni-based solid solution. Thus, it is established that the structure of the alloy used as the material of the piercing mandrel is stable when operating under conditions of thermo-mechanical loading.

Keywords


NiAl; piercing plug; NiAl; microstructure; cross-screw piercing

Full Text

Введение Одной из самых актуальных проблем современной трубной промышленности является повышение стойкости прошивных оправок [1]. Это связано с тем, что прошивная оправка является самым ответственным технологическим инструментом прошивных станов, определяющим режим деформации и качество готовых труб [2]. При этом производственный опыт и литературные данные [3-14] показывают, что на стойкость прошивных оправок наиболее сильно влияют материал и способ изготовления оправок. Ранее в работе [15] была исследована микроструктура сплавов с ограничениями по химическому составу, представленными в табл. 1. В работе М. С. Коновалова и В. П. Шеногина при прошивке прутков стали марки 08Х18Н10Т-Ш была испытана оправка из сплава на основе Ni3Al с химическим составом, соответствующим ограничениям по химическому составу № 1 из табл. 1. Таблица 1. Ограничения по химическому составу Ограничения № 1 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 Ограничения № 2 Содержание Химический состав; мас. % Al Mo W Ti Cr Zr C S P Ni Мин. 9,00 2,00 2,00 1,70 4,00 0,15 0,06 Не более Осн. Макс. 10,00 5,00 5,00 2,20 6,00 0,35 0,09 0,005 0,005 В работе М. С. Коновалова и Г. В. Сапожникова было установлено, что микроструктура сплавов с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 состоит из большего количества упрочняющей фазы (легированного интерметаллида Ni3Al), чем сплавов с ограничениями по химическому составу № 1 из табл. 1. Кроме того, в сплавах с ограничениями по химическому составу № 2 в отличие от сплавов с ограничениями по химическому составу № 1 из табл. 1 содержится большее количество углерода и титана, которые способны образовывать карбиды, не растворяющиеся вплоть до 1200 ºC. Такие различия могут указывать на то, что сплавы с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 обладают более высокой жаропрочностью, чем сплавы с ограничениями по химическому составу № 1 из табл. 1. С учетом того, что данные сплавы одной природы (основа Ni3Al), возможно предположить, что оправки из сплавов с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 будут обладать большей стойкостью, чем оправки из сплавов с ограничениями по химическому составу № 1 из табл. 1 (при условии их изготовления одним и тем же методом). Таким образом, в настоящей работе было решено изготовить прошивную оправку с диаметром калибрующей части 30 мм из сплава на основе Ni3Al с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 и провести ее натурные испытания при прошивке прутков стали марки 08Х18Н10Т-Ш на стане поперечно-винтовой прокатки ПВП-120. Также было решено рассмотреть вопрос о стабильности микроструктуры сплава с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 при работе в условиях термомеханического нагружения (при прошивке прутков). Методика проведения экспериментальных работ Химический состав выплавленных слитков определялся при помощи многоканального оптико-эмиссионного спектрометра ДФС-500, анализатора МЕТЭК-200 и рентгенофлуоресцентного спектрометра α-2000. Металлографические исследования протравленных образцов металла оправок 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. Изготовление прошивной оправки Слиток для производства прошивной оправки был получен выплавкой в открытой индукционной печи СЭЛТ-20С/20 электрода с последующим его электрошлаковым переплавом в среде аргона с флюсом на основе плавикового шпата. Для выплавки были использованы шихтовые материалы, представленные в табл. 2. Таблица 2. 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 Таким образом, в результате проведенной выплавки был получен слиток с химическим составом, представленным в табл. 3. Таблица 3. Химический состав слитка Химический состав; мас. % Ni Al Mo W Ti Cr C S P Zr Осн. 9,43 3,49 3,00 1,76 4,79 0,07 0,002 0,005 0,19 Посредством проведения механической обработки на станке торцецентровочном типа 2К52 и станке токарно-винторезном типа 1М63БФ101 из слитка была изготовлена оправка с диаметром калибрующей части 30 мм и поперечные образцы для металлографических исследований. В результате проведенных металлографических исследований с учетом имеющихся данных о растворимости легирующих элементов в никеле [16-18] и интерметаллиде Ni3Al [19] было установлено, что структура металла оправок представляет собой первичные кристаллы легированного Ni3Al (крупные светлые участки на фотографиях шлифов на рис. 1) с закристаллизованной вокруг них эвтектикой, состоящей из твердого раствора на основе никеля и легированного интерметаллида Ni3Al (дисперсные темные и светлые участки, соответственно, на фотографиях шлифов на рис. 1). а б Рис. 1. Фотографии типичной микроструктуры шлифов от полученного слитка при увеличении ´500 Экспериментальные прошивки прутков Прошивка прутков стали марки 08Х18Н10Т-Ш размером Ø85±1´1000±5 мм в передельные трубы размером Ø83±0,5´Ø38±0,5хL мм проводилась на стане ПВП-120. После прошивки 675 кг прутков (15 штук), на оправке была обнаружена трещина, исключающая возможность дальнейшей эксплуатации данной оправки. При анализе микроструктуры поперечного шлифа от отрезанного носика оправки после прошивки прутков стали марки 08Х18Н10Т-Ш были обнаружены поперечные трещины, идущие от поверхности оправки к ее центру. На шлифе наблюдалась структура (рис. 2), состоящая из первичных кристаллов, окруженных эвтектикой, подобная исходной структуре (рис. 1), что свидетельствовало о стабильности микроструктуры сплава с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1 при работе в условиях термомеханического нагружения (при прошивке прутков). При этом размер первичных кристаллов (крупных светлых участков) и светлых участков, входящих в состав эвтектики, больше, чем на шлифах исходного металла. Визуально-измерительный и ультразвуковой контроль полученных труб из стали марки 08Х18Н10Т-Ш и анализ макроструктуры утяжин от них показали отсутствие трещин и иных дефектов прокатки. а б Рис. 2. Типичная микроструктура при увеличении ´500 поперечного шлифа от носика оправки после проведения прошивок Заключение Таким образом, в результате проделанной работы была изготовлена прошивная оправка малого диаметра (с диаметром калибрующей части 30 мм) из сплава на основе Ni3Al с ограничениями по химическому составу № 2 из табл. 1. После прошивки 15 прутков (675 кг) стали марки 08Х18Н10Т-Ш размером Ø85±1´1000±5 мм в передельные трубы размером Ø83±0,5´Ø38±0,5хL мм, на оправке была обнаружена трещина, исключающая возможность дальнейшей эксплуатации данной оправки. Визуально-измерительный и ультразвуковой контроль полученных при проведении экспериментальных прошивок труб из стали марки 08Х18Н10Т-Ш и анализ макроструктуры утяжин от них показали отсутствие трещин и иных дефектов прокатки. При сравнении фотографий шлифов металла оправки до использования в работе (рис. 1) и после (рис. 2) установлено, что микроструктура в обоих случаях состоит из первичных кристаллов легированного интерметаллида Ni3Al с закристаллизованной вокруг них эвтектикой, состоящей из твердого раствора на основе никеля и легированного интерметаллида Ni3Al. Таким образом, был сделан вывод о том, что структура сплава стабильна при работе в условиях термомеханического нагружения.
References References

Коновалов М. С. О выборе материала, конструкции и способа изготовления оправок для прошивки заготовок из коррозионно-стойких сталей // Инновационная наука. - 2015. - № 12. Ч. 2. - С. 70-73.

Коновалов М. С., Шеногин В. П. Исследование стойкости прошивных оправок малого диаметра из сплава на основе Ni3Al // сборник трудов IV Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием. Ижевск : электронное научное издание. ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, 2016. - С. 44-50. - URL: http://sconf.istu.ru/docs/sbornik_2016.pdf (дата обращения: 20.04.2016).

Сазоненко И. О., Земцов В. А., Юрчак А. Н. К вопросу повышения стойкости оправок прошивных станов // Литье и металлургия. - 2012. - № 4 (68). - С. 135-138.

Данилов Ф. А., Глейберг А. З., Балакин В. Г. Горячая прокатка и прессование труб. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1972. - 576 с.

Пат. RU 2446024 С2, кл. В21В25/00, кл. С23С4/04, кл. С23С4/02, 2008 г. Прошивная и прокатная оправка, способ восстановления этой прошивной и прокатной оправки и технологическая линия для восстановления этой прошивной и прокатной оправки.

Вавилкин Н. М., Бухмиров В. В. Прошивная оправка. - М. : МИСиС, 2000. - 128 с.

Шапиро И. А., Хавкин Г. О., Бородский В. М. Повышение эффективности оправок прошивных станов // Сталь. - 2009. - № 9. - С. 75-76.

Повышение износостойкости оправок прошивного стана / Б. А. Романцев, О. К. Матыко, А. В. Гончарук и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2008. - № 11. - С. 16-19.

Patent US 6202463 B1, cl. В21В19/10, cl. В21В25/00, cl. В21В19/04, 2001. Plug and mandrel bar for seamless steel pipe rolling operation for manufacturing seamless steel pipe.

Patent US 5031434 А, cl. В21В25/00, 1991. Plug for manufacturing seamless steel pipe.

Patent US 4466265 A, cl. B22D19/06, 1984. Compound tool for hot-working.

Patent CN 102284777 A, cl. B23K10/02, cl. B23K37/00, 2011. Seamless Steel puncher head surfacing intensive methods.

Пат. RU 2508173 C1, кл. В21В25/00, 2011 г. Способ изготовления инструмента для горячей деформации.

Patent DE 102014000461 A1, cl. В21В25/00, 2015. Innenwerkzeug für die Herstellung nahtloser Stahlrohre.

Коновалов М. С., Сапожников Г. В. Исследование микроструктуры образцов литейных сплавов на основе Ni3Al, кристаллизованных различными методами // Химическая физика и мезоскопия. - 2016. - Т. 18, № 2. - С. 265-271.

Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в 3 т. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. - Т. 1. - М. : Машиностроение, 1996.- 992 с.

Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в 3 т. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. - Т. 2. - М. : Машиностроение, 1997. - 1024 с.

Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в трех томах / под общ. ред. Н. П. Лякишева. - Т. 3. Кн. 1. - М. : Машиностроение, 2001. - 872 с.

Морозова Г. И. Феномен γ'-фазы в жаропрочных никелевых сплавах // Доклады Академии наук. - 1992. - Т. 325, № 6. - С. 1193-1197.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2410-9304-2017-2-39-42

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 Коновалов М.С., Шеногин В.П.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

ISSN 1813-7911