CC BY
7
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Мольцен С.Н., Шестакова И.В., Кравченко А.В., Симонов Ю.Н. Локальное упрочнение циклически нагруженных деталей индукционной термической обработкой // Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. - 2023. -Т. 25, № 4. - С. 81-91. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.4.08
Please cite this article in English as:
Moltsen S.N., Shestakova I.V., Kravchenko A.V., Simonov Y.N. Local hardening of cyclically loaded parts by induction heat treatment. Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2023, vol. 25, no. 4, pp. 81-91. DOI: 10.15593/2224-9877/2023.4.08
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 25, № 4, 2023 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9877/2023.4.08 УДК 539.3
С.Н. Мольцен2, И.В. Шестакова1, А.В. Кравченко2, Ю.Н. Симонов1
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация 2ЭЛКАМ-Нефтемаш, Пермь, Российская Федерация
ЛОКАЛЬНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИ НАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИНДУКЦИОННОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Рассмотрены вопросы надежности и долговечности циклически нагруженных деталей, впервые внедряемых кампанией АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш» в РФ тонкостенных штанговых скважинных насосов API. Описаны случаи усталостных разрушений деталей при работе в условиях агрессивных сред и циклических нагрузок, свойственных глубинно-насосному погружному оборудованию. Перечислены этапы развития усталостной трещины.
Авторами детально разобраны преимущества индукционной термической обработки по разносторонним аспектам: высокая производительность, быстрота наладки и ввода/вывода на режим, энергетическая эффективность, сравнительно малые капитальные затраты, незначительные термические деформации и экологическая привлекательность, широкая возможность автоматизации и встраивания в технологические цепочки.
Проведен анализ механизмов упрочнения, задействованных при индукционной термической обработке циклически нагруженных деталей. Обоснована эффективность рассматриваемого метода упрочнения, локально реализующего все четыре механизма упрочнения физики прочности, пояснена реализация каждого механизма.
Определены геометрические ограничения для локального упрочнения индукционной термической обработкой, включающие, по меньшей мере, припуск на механическую обработку, статическую и циклическую пластические зоны. Приведены формулы для расчета зон упрочнения, показаны графически на 30-модели.
Для индукционной термической обработки обоснована целевая структура - сорбит или троостит отпуска. Предложены критерии контроля качества: фактическая глубина упрочнения; твердость материала на минимальной глубине упрочнения; достижение целевой микроструктуры, а также приведены методы и техника контроля.
Показано, что применением предложенного режима и параметров индукционной термической обработки циклически нагруженных деталей из 40Х: закалка 900 °С в воду, отпуск 400 °С, достигается целевая микроструктура, соответствующая стабильная твердость, достаточная глубина упрочнения. Приведены результаты контроля по установленным критериям в виде макро- и микроструктур, графика локального распределения микротвердости.
Ключевые слова: индукционная термическая обработка, контроль качества термической обработки, микроструктура, макроструктура, локальное упрочнение, циклическая нагрузка, усталость, упрочнение резьбы, долговечность, надежность, штанговый тонкостенный насос API, трещиностойкость, сталь 40Х, технология машиностроения.
S.N. Moltsen2, I.V. Shestakova1, A.V. Kravchenko2, Y.N. Simonov1
1Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation 2ELKAM-Neftemash, Perm, Russian Federation
LOCAL HARDENING OF CYCLICALLY LOADED PARTS BY INDUCTION HEAT TREATMENT
The issues of reliability and durability of cyclically loaded parts, for the first time manufactured in the Russian Federation by the company of JSC "ELKAM-Neftemash", thin-walled API subsurface pumps, are considered. Authors described cases of fatigue failures of parts during operation in aggressive environments and cyclic loads, typical of downhole pumping submersible equipment. The stages of fatigue crack development are listed.
Authors analyzed in detail the advantages of induction heat treatment in various aspects: high performance, quickness of setup and input-output to the regime, energy efficiency, relatively low capital costs, minor thermal deformations, ecologically friendly, a wide possibility of automation and integration into technological chains.
The analysis of hardening mechanisms involved in induction heat treatment of cyclically loaded parts is carried out. Authors demonstrated the effectiveness of the considered hardening method, which locally implements all four known strengthening mechanisms. The implementation of each mechanism is explained.
Autors defined sizes for local hardening by induction heat treatment, including at least a machining allowance, static and cyclic plastic zones, that shown graphically on a 3D-model. At the paper are given formulas for hardening zones calculation.
For induction heat treatment, the target structure is substantiated - secondary sorbate or tempered troostite. Criteria for quality control are proposed: actual hardening depth; hardness of the material at the minimum depth of hardening; achievement of the target microstructure, as well as the methods and techniques of control.
It is shown that using the proposed mode and parameters of induction heat treatment of cyclically loaded parts from UNS 5140: quenching 900 °C in water, tempering 400 °C, the target microstructure, the corresponding stable hardness, and sufficient hardening depth are achieved. The results of control according to the established criteria in the form of macro- and microstructures, a graph of the local distribution of microhardness are given.
Keywords: induction heat treatment, heat treatment quality control, microstructure, macrostructure, local strengthening, cyclic loading, stress, thread hardening, run life, reliability, API thin wall pump, crack resistance, UNS 5140 steel, engineering technology.
Введение
Знание о неравномерности распределения напряжений по объему деталей дает верное направление поиска наиболее эффективных способов повышения долговечности циклически нагруженных деталей, особенно содержащих резьбы. При этом классическое легирование проката ценными металлами или очищение от вредных примесей и неметаллических включений требует существенных ресурсов. Предпочтительно управлять микроструктурой - свойствами сплавов в концентраторах напряжения, повышая надежность всей конструкции [1-25].
Для конструкций, имеющих значительные концентраторы напряжений, степень использования комплекса свойств материала по объемам и сечениям принципиально различна. Так, вдали от концентраторов напряжений запас прочности достаточен, но локально в местах концентраторов напряжений материал перегружен, ограничивая надежность и долговечность изделия в целом и являясь пресловутым «самым слабым звеном». Например, в присоединительной резьбе напряжения во впадинах витков кратно превосходит номинальные [7], что следует из расчетов [23] и наблюдений реальных случаев разрушений деталей во время работы.
Описанная выше неравномерность действующих напряжений типична для деталей глубинно-насосного оборудования нефтедобывающих сква-
жин, чаще всего имеющих малый радиальный габарит, но значительно протяженных в осевом направлении [6]. Взаимное присоединение таких деталей преимущественно выполняется в виде разборного резьбового соединения, притом, что резьба на концах деталей не только снижает площадь сечения за счет снятия материала резцом (или деформацией накаткой), но и представляет собой существенные концентраторы напряжений [18]. Для предупреждения ослабления присоединительных концов выполняется их высадка с образованием утолщения материала в виде «головы», однако это решение применяется нечасто, пожалуй, только за исключением насосных штанг. В частности, любопытно заметить, что применение высаженных насосно-компрессорных труб для РФ скорее редкость, тогда как за рубежом это норма.
Также нужно отметить, что, как правило [23; 25], в расчетах прочности не учитываются коррозионные повреждения деталей, дополнительно усугубляющие перегрузку материала на присоединительных концах деталей. Например, в [26] показано, что коррозионные повреждения дополнительно способны увеличить напряжения на 29 %.
В настоящей работе предлагается обзор локального упрочнения материала присоединительных концов индукционной термической обработкой (ИТО) типичной для глубинно-насосного оборудования детали «шток насосный». Шток (рис. 1) входит в состав тонкостенных скважинных штанговых насосов [1], изготовляемых в Российской Федера-
ции только компанией «ЭЛКАМ-Нефтемаш» и значительно увеличивающих эффективность добычи нефти.
Рис. 1. Эскиз штока насоса R11. Штриховой линией показаны плоскости типичных разрушений резьбы API LP mod %"-14 по механизму коррозионной усталости
При проведении экспертиз разрушенных штоков насосных было выявлено, что основным механизмом разрушения является коррозионная усталость [5], типичная причина для циклически нагруженных деталей в нефтяном машиностроении, достигающая 75 % причин всех выявляемых разрушений глубинно-насосного оборудования. Необходимо отметить, что подавляющее большинство разрушений происходит по присоединительным резьбовым концам.
Типичный рельеф поверхностей разрушений (рис. 2) циклически нагруженных деталей для случаев развития усталости отличается тем, что поверхность излома окислена до серого цвета, имеет слабо выраженный рельеф, мелкозернистое строение [16]. Разрушение происходит в четыре условных этапа в радиальном направлении [5].
Рис. 2. Рельеф поверхности разрушения штоков; желтыми стрелками показаны ступеньки, ограничивающие фронт усталостных микротрещин, красными - коррозионные каверны
1. Скопление дислокаций в микронеровностях из-за циклического нагружения вызывает зарождение очагов микротрещин, находящихся на свободной поверхности вблизи концентраторов напряжений. Обычно это самый длительный этап.
2. Дальнейшее объединение микротрещин в единый фронт макротрещины, замедленное уста-
лостное продвижение трещины. Знакопеременная
нагрузка формирует сглаженный рельеф излома. Скорость распространения трещины возрастает с увеличением длины трещины.
3. Ускоренное развитие трещины.
4. Одномоментный долом оставшегося живого сечения (поверхность под углом в 45° к оси детали в случае растяжения) [17].
Именно ИТО позволяет достигать высокой поверхностной прочности для затруднения движения дислокаций, их скопления на свободной поверхности, максимально затрудняя тем самым зарождение микротрещин [15]. ИТО сохраняет сердцевину изделия вязкой для обеспечения высокой трещиностойко-сти и сопротивления продвижению потенциальной усталостной трещины [2] даже в условиях действия агрессивных сред, содержащих Н^ [24].
1. Преимущества локального упрочнения
индукционной термической обработкой
В последние 40-50 лет индукционная термическая обработка (ИТО) получила широкое распространение. Главная причина заключается в способности очень быстро создавать высокую интенсивность нагрева в точно определенном месте детали. Это приводит к существенному сокращению цикла термической обработки, высокой производительности при неизменном воспроизводимом качестве. Кроме прочего, ИТО (включая ТВЧ) имеет большую энергетическую эффективность за счет отсутствия промежуточной среды (газовой, солевой и пр.), которую при классической термической обработке приходилось бы разогревать для последующей передачи тепловой энергии обрабатываемым объектам. ИТО является более экологичным способом по сравнению с классическим оборудованием ТО, такими как печи с пламенным нагревом, ванны с расплавами (солей или металлов) и даже систем азотирования и цементации [28].
Преимущества ИТО включают:
• Быстрый нагрев. Разогрев деталей ИТО позволяет достигнуть много больших скоростей нагрева по сравнению с печной обработкой.
• Минимизация обезуглероживания и окали-нообразования. Быстрый нагрев значительно сокращает потери материала на образование окалины по сравнению с обычной печной ТО, а короткое время не позволяет углероду диффундировать к поверхности и окисляться, другими словами -обеспечивает отсутствие обезуглероженного слоя на поверхности.
• Быстрый выход на режим. Из-за термической инерции выход печей и ванн ТО на требуемый температурный режим занимает существенное
время, тогда как ИТО может быть начата значительно быстрее.
• Экономия электроэнергии. Оборудование для ИТО может быть обесточено сразу после применения, поскольку быстро может быть выведено на режим для повторного применения. При выведении детали из индуктора после нагрева оборудование для ИТО практически не поглощает электроэнергию. Печи же на производстве приходится поддерживать на заданных температурах обработки для предупреждения длительного выхода на режим для ТО следующих деталей.
• Высокая производительность. За счет большой скорости нагрева и соответствующего короткого цикла обработки может быть достигнута высокая производительность и снижены затраты. Современное оборудование для ИТО отличается высокой автоматизацией и способностью быть встроенной в производственные линии. Оборудование и рабочее место для ИТО требует значительно меньше площади и отличается лучшими условиями труда.
• Высокие механические свойства. С помощью ИТО может быть достигнуто весьма полезное и труднодостижимое классическими приемами ТО сочетание высокой поверхностной прочности и вязкой сердцевины, обеспечивающими высокую трещиностойкость и эксплуатационную надежность обработанных изделий. Зарождение трещины на свободной поверхности максимально затруднено высокой прочностью, а последующее продвижение - высокой вязкостью материала по фронту возможной трещины.
• Низкие производственные затраты. Существенная экономия электроэнергии может быть достигнута за счет локализации обработки, тогда как отсутствуют затраты на разогрев объемов детали, не требующих упрочнения. Прочие затраты на механическую и финишную обработку деталей, прошедших ИТО, снижены за счет минимизации их температурных деформаций и минимизации припусков под окалину.
• Низкое коробление деталей. Из-за быстрого и локального нагрева общие деформации и коробление деталей минимизировано.
Механизмы упрочнения индукционной термической обработкой
Механизмы повышения прочности, в том числе локальной, выражаемой основными механическими свойствами: предел текучести от, временное сопротивление ов, хорошо исследованы как теоретически, так и экспериментально. Препятствия, которые вводятся в решетку для её деформации и затруднения движения дислокаций, могут
быть классифицированы в соответствии с их геометрическими размерами. Важнейшими для а-железа являются [3; 4; 14]:
• 0-мерные - легирующие атомы замещения и внедрения;
• 1-мерные - дислокации;
• 2-мерные - границы зерен, субзерен, двойников, фаз;
• 3-мерные - частицы второй фазы [26].
При осуществлении индукционной термической обработки стали 40Х локально реализуются все 4 основные механизма упрочнения (табл. 1).
Таблица 1
Локально реализуемые механизмы упрочнения при ИТО
Механизм Описание
0-мерный. Твердорас-творное упрочнение Результирующая структура ИТО имеет минимальное количество феррита либо вовсе его не имеет. Взамен исходного феррита образуется структура, содержащая на порядки большую концентрацию углерода за счет повышения его растворимости и последующей диффузии (перераспределения)
1-мерный. Дислокационное упрочнение Во время закалки при ИТО происходит мар-тенситное превращение, имеющее на порядки большую плотность дислокаций и затрудняющих их движение при деформации
2-мерный. границы зерен, субзерен, двойников, фаз При закалке и последующем отпуске ИТО происходит значительное измельчение субструктуры зерен. Размер элементов субструктуры может быть изменен не несколько порядков и существенно затруднить продвижение дислокаций при деформации. Индукционная обработка с характерной ей высокой скоростью нагрева не позволят укрупниться исходному зерну, а напротив способствует его измельчению за счет малого времени на объединение новых зерен аустенита в пределах одного исходного зерна
3-мерные. Частицы второй фазы Во время отпуска при ИТО, особенно в легированных сталях, происходит выделение и объединение избыточных упрочняющих фаз, в основном карбидов, существенно затрудняющих деформацию
Таким образом, индукционная обработка является весьма эффективным способом упрочнения, задействующим сразу несколько механизмов упрочнения.
2. Материалы и методы исследования
2.1. Сталь для локального упрочнения
индукционной термической обработкой
Интересно отметить, что в РФ углеродистые и низколегированные стали по-прежнему являются основными конструкционными материалами для погружного скважинного оборудования. При этом
условия эксплуатации весьма суровые, сопряженные с циклическими нагрузками в условиях действия агрессивной коррозионной среды. За рубежом для снижения общих затрат (вместо рассмотрения лишь стоимости самого оборудования), включающих спускоподъемные операции, ремонт, простои и пр., используются в основном нержавеющие стали, в первую очередь - мартенситного класса [13] типа 20Х13.
Учитывая вышесказанное, для проведения работ по локальному упрочнению циклически нагруженных деталей индукционной термической обработкой была выбрана наиболее широко распространенная качественная конструкционная низколегированная сталь марки 40Х в виде прутков 022,2 мм производства Омутнинского металлургического завода. Свойства взятого материала, включающие металлургическое качество и структуру, хорошо изучены в предыдущих исследованиях авторов [23-25].
Структура в исходном состоянии представляет собой незамкнутую сетку избыточного феррита по границам зерен бывшего аустенита и вырожденный (или преимущественно зернистый) перлит внутри зерен (рис. 3).
б
Рис. 3. Микроструктура стали 40Х в исходном состоянии: а - х100; б - х1000
Судя по данным справочника Л.Е. Поповой и А. А. Попова [22], такая структура могла сформироваться в стали 40Х в процессе охлаждения со скоростями от 10 до 1 °С/с и, скорее всего, - последующего высокого отпуска. Средний размер зерна бывшего аустенита составляет 30-40 мкм. Такая структура обеспечивает предел прочности около 700 МПа, предел текучести - 500-510 МПа при высоком уровне характеристик пластичности: относительное удлинение 20-21 %, относительное сужение 62-63 %. Ударная вязкость на образцах с острым надрезом составила примерно 50 Дж/см2, что можно считать вполне удовлетворительным. Следует отметить, что уровень прочности оставляет желать лучшего.
2.2. Оборудование для индукционной термической обработки
Для индукционной термической обработки использовался индукционный нагреватель «МИКРОША-3000» производства «Наша электроника», г. Азов. Основные технические характеристики удовлетворяют поставленной задаче ИТО выбранного материала (табл. 2) согласно руководству по эксплуатации.
Средством измерения (СИ) температуры был выбран портативный инфракрасный пирометр АКИП с лазерным наведением, позволяющий точно и безопасно измерить температуру объектов индукционной термической обработки (табл. 3) и обладающий относительной погрешностью измерения в интервале 100.. .1200 °С, равной ± 2 %.
Таблица 2
Основные технические характеристики индукционного нагревателя «МИКРОША-3000»
Параметр Значение
Напряжение и частота электросети, В/Гц 230/50
Диапазон изменения напряжения электросети, В 170-260
Максимальная потребляемая мощность, ВА 3450
Максимальный потребляемый ток, А 15
Диапазон рабочих частот, кГц 20-50
Напряжение на индукторе с рабочей частотой, В 35
Ток индуктора с рабочей частотой, А 240
Индуктивность индуктора (28x7x50 БхКх1), мкГн 0,8
Процент нагрузки, ПН% 80
Охлаждение аппарата Воздушное
Охлаждение индуктора Водяное
Расход охлаждающей жидкости, не менее 0,2 м3/ч
Таблица 3
Средства измерения температуры объектов ИТО
Наименование Тип Метрологические характеристики Заводской номер Дата последней поверки Дата следующей поверки Св-во поверк.
Предел измерения
Пирометр инфракрасный АКИП-9310 -30... 1200 °С 2026003114 21.06.22 20.06.23 С-ВН/21-06-2022/165040541
Таблица 4
Расчет минимальной глубины упрочнения для ИТО
Зоны Измерение Формула [2; 19] Радиус зоны, для штока насосного, мм
Статическая пластическая зона (СПЗ) От свободной поверхности готовой циклически нагруженной детали вглубь 1 ГСПЗ — ^ ' (К ' тах 0,24
1 °0,2
Циклическая пластическая зона (внутри СПЗ) От свободной поверхности готовой циклически нагруженной детали вглубь ГЦПЗ — В ' (Дк ] 1 °0,2 J 2 0,03
Припуск на механическую обработку От поверхности заготовки до предполагаемой будущей поверхности циклически нагруженной детали г - Взг - В прип 2 1,9
Итоговая суммарная минимальная глубина упрочнения для ИТО 2,14 мм
Примечание: гспз и гцпз радиусы статической пластической зоны и циклической пластической зоны соответственно, Ктах — максимальный коэффициент интенсивности напряжений (КИН) в цикле, АК - рабочий КИН, В - коэффициент, равный 0,0075, как это предложено Ёкобори [20]. Взг и Вк - диаметры заготовки и диаметр окончательной детали по концентратору напряжения.
2.3. Определение глубины индукционной термообработки
В результате локального упрочнения индукционной термической обработкой должны быть упрочнены по меньшей мере припуск на механическую обработку, статическая и циклическая пластические зоны (табл. 4, рис. 4) [10; 23].
ЛПрипуск
Рис. 4. Зоны, минимально подлежащие упрочнению ИТО. Слева на эпюре напряжений ЦПЗ показана красным цветом, СПЗ зеленым. Справа показан припуск на мех. обработку на типичной циклически нагруженной детали типа шток насосный
Таким образом, минимальная глубина упрочнения для ИТО составляет 2,14 мм.
2.4. Метод индукционной термообработки
Для гарантированного достижения требуемых состояний и превращений подбор параметров режима ИТО был выполнен консервативно. Температура аустенитизации перед закалкой 900 °С выбрана по верхнему пределу рекомендуемого диапазона [28].
Целевая структура - сорбит или троостит отпуска [7; 8; 12; 25], обладающие наиболее сбалансированным и развитым комплексом свойств, сопротивлением усталости и обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность (табл. 5).
Таблица 5
Режимы ИТО образцов
Услов- Темпе- Темпе- Время Время
ный ратура ратура нагрева нагрева Приме-
номер закалки, отпуска, под за- для от- чание
образца °С °С калку, с пуска, с
3 900 - 150 - Без отпуска
4 900 400 130 45 -
Среда охлаждения после закалки и отпуска (для профилактики отпускной хрупкости) - вода с температурой <20 °С.
Образец усл. №3 выполнен контрольным для проверки прокаливаемости и подтверждения аусте-нитизации упрочняемого объема материала перед закалкой. Отпуск этого образца не проводился.
При осуществлении экспериментов были проведены и другие режимы ИТО, отличающиеся температурами и видами отпуска, включая самоотпуск образцов после закалки охлаждением лишь части аустени-тизированного объема образца. Результаты весьма интересны и объемны, авторами планируется отдельная статья, посвящённая вопросам отпуска при ИТО.
2.5. Контроль качества индукционной термообработки
Критерии контроля качества ИТО, методы контроля и оборудование удобно представить таблично [28] (табл. 6).
3. Результаты
3.1. Макроструктура локального упрочнения ИТО
Макроструктура наглядно демонстрирует получаемые ИТО результаты, и ее контроль может быть рекомендован как один из лучших методов проверки качества ИТО (рис. 5). Полученная макроструктура позволяет сделать вывод, что фактическая глубина упрочнения не меньше минимальной глубины, а в представленных образцах усл. №3 и №4 упрочнение сквозное.
Образец усл. №3 демонстрирует сквозную прокаливаемость, причиной которой может быть только сквозная аустенитизация, достигнутая нагревом ИТО под закалку.
Таблица 6
Критерии контроля качества ИТО, методы и техника контроля
Критерий Метод контроля Оборудование и техника
Фактическая глубина упрочнения не меньше минимальной глубины упрочнения Макроструктура, ГОСТ 10243-75 Продольная разрезка заготовки циклически нагруженной детали, шлифовка осевой плоскости, полировка. 50 % HCl водный раствор, стеклянная тара, индукционная плитка. Время травления 15 минут. Промывка водой с ПАВ
Твердость материала на минимальной глубине упрочнения Контроль микротвердости, ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007 Продольная разрезка заготовки циклически нагруженной детали, шлифовка осевой плоскости, полировка. Подготовка продольных микрошлифов. Микротвердомер ПМТ-3М.
Достижение целевой микроструктуры Контроль микроструктуры, ГОСТ 8233-56 Световой микроскоп Olympus GX-51
б
Рис. 5. Макроструктура образцов: а - образец усл. № 3; б - образец усл. №4; М - мартенсит; Т - троостит; Ф - феррит; П - перлит; Б - бейнит
3.2. Микроструктура локального упрочнения ИТО
Для проведения металлографического анализа использовали световой микроскоп 01утршвХ-51, полученные изображения оценивали с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел 81ЛМ8-700, зав. №ЛРМ 0252.
Микроструктура исследуемого образца усл. №3 представляет собой смесь пакетного мартенсита и небольшой доли бейнита (рис. 6).
Микроструктура исследуемого образца усл. №4 (рис. 7) представляет собой троостит отпуска. Избыточного феррита нет, иными словами, превращение ферритно-перлитной структуры в аусте-нит прошло полностью. Можно отметить незначительный обезуглероженный слой на поверхности.
а б
Рис. 6. Микроструктура образца усл. №3 х1000: а - середина образца; б - периферия
Рис. 7. Микроструктура образца усл. №4 х1000: а - середина образца; б - периферия
Таблица 7
Значения микротвердости образцов
б
а
Номер образца Микротвердость ИУкю на расстоянии от поверхности, мм
0,05 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Обр. №3 738 737 695 737 659 671 671
Обр. № 4 377 367 363
3.3. Микротвердость локального упрочнения ИТО
Измерения микротвердости исследуемых образцов проведены на глубине около 5 мм вдоль оси прутка (рис. 8, табл. 7). Полученные значения микротвердости соответствуют целевой микроструктуре.
Высокие значения твердости образца усл. №3 указывают на мартенсит. Необходимо отметить, что значения микротвердости практически одинаково распределены по сечению образа, что говорит о достижении сквозной прокаливаемости, обусловленной невысокой мощностью примененного индукционного нагревателя.
>
800 700 600 500 400 300 200 100 0
■Обр Обр
10
12
Рис. 8. Линейное изменение микротвердости образцов от плоского торца
Вероятно, мощность распределения тепла (теплопередачи) в образце после достижении точки Кюри превысила подводимую индуктором мощность. В данной работе исследована принципиальная возможность локального упрочнения циклически нагруженных деталей. Очевидно, при применении промышленных установок ИТО большей мощности при сохранении примененной средней частоты токов глубина упрочнения будет убывать. Образец усл. №4 имеет постоянную по сечению твердость и является наиболее желательным.
В настоящий момент авторами проводятся усталостные испытания рассмотренных образцов для определения эффективности проведенного упрочнения и величины повышения надежности. Полученные результаты предполагаются к публикации в отдельной статье.
Заключение
1. При осуществлении индукционной термической обработки циклически нагруженных деталей локально реализуются все четыре основные механизмы упрочнения, что делает этот подход весьма эффективным методом упрочнения.
2. В результате локального упрочнения индукционной термической обработкой должны быть упрочнены по меньшей мере следующие зоны: припуск на механическую обработку, статическая и циклическая пластические зоны, определяемые по известным формулам, также приведенным в настоящем исследовании. Размеры перечисленных зон могут быть на несколько порядков меньше габаритов самих деталей.
3. Предложены критерии контроля качества ИТО. Методы контроля включают измерение фактической глубины упрочнения, твердость материала на минимальной глубине упрочнения, достижение целевой микроструктуры. При этом макроструктура наиболее наглядно демонстрирует получаемые ИТО результаты.
4. Показано, что подбором режимов и параметров ИТО циклически нагруженных деталей из 40Х (закалка 900 °С в воду, отпуск 400 °С, 3 кВт, токи средней частоты 20... 50 кГц) может быть достигнута целевая микроструктура, соответствующая стабильная твердость, достаточная глубина упрочнения.
Библиографический шисок
1. API 11AX13ed Спецификация ШГН, сборочных узлов, компонентов и фиттингов.
2. Георгиев М.Н., Симонов Ю.Н. Трещиностой-кость железоуглеродистых сплавов: монография. -Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2013.
3. Симонов Ю.Н., Георгиев М.Н., Симонов М.Ю. Основы физики и механики разрушения: учебное пособие для вузов. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012.
4. Симонов Ю.Н. Физика прочности и механические испытания металлов. - Пермь: Издательство ПНИПУ, 2017.
5. Штремель М.А. Разрушение: в 2 кн. Кн. 1. Разрушение. моногр. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2015. - 976 с.
6. ГОСТ 31835-2012. Насосы скважинные штанговые. Общие технические требования. - М., 2012.
7. Shigley J.E., Mischke C.R. Mechanical engineering design. - 5th edn. - McGraw-Hill, New York, 1989. - 123 p.
8. Fatigue strength-load cycle relationships for ferrous material GU" LCAN TOKTAS, Department of Mechanical Engineering. - Balikesir University, Balikesir, Turkey. Springer.
9. Справочник металлиста: 9 ред. - Т. 1. Свойства и выбор железа и сталей. - Американское общество металловедов, 1987. - С. 67.
10. Tada H., Paris P.C., Irwin G.R. The stress analysis of cracks handbook. - New York: ASME. 31. NACE, 2000.
11. ГОСТ 31825-2012. Штанги насосные, штоки устьевые и муфты к ним. Технические условия. - М., 2012.
12. Atlas of fatigue curves, Edited by Howard E. Boyer Senior Technical Editor American Society for Metals. -1990. - 534 p.
13. Heidersbach R. (Robert) Metallurgy and corrosion control in oil and gas production. - Published by John Wiley & Sons, Inc., 2011. - 293 p.
Do
14. Симонов Ю.Н., Симонов М.Ю. Физика прочности и механические испытания металлов: курс лекций. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. - 199 с.
15. Materials science and engineering an introduction William D. Callister, Jr. Department of Metallurgical Engineering The University of Utah DAVID G. RETHWISCH Department of Chemical and Biochemical Engineering The University of Iowa. - Wiley, 2014. - 990 p.
16. Фрактография и атлас фрактограмм / пер. с англ. Е.А. Шура; под ред. М.Л. Бернштейна. - М.: Металлургия, 1982.
17. Дефекты и повреждения деталей и конструкций: монография / В.М. Кушнаренко. В.С. Репях, Е.Ю. Чирков, Е.В. Кушнаренко; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ОГУ, 2011. - 402 с.
18. Feargal Peter Brennan, Fatigue and fracture mechanics analysis of threaded connections. - Department of Mechanical Engineering University College London, 1992. - 402 р.
19. Irwin G.R. Plastic zone near a crack and fracture toughness. // Proc. 7th Sagamore Conf. Raquette Lake. -New York, 1960. - P. IV-63.
20. Yokobori T. Fatigue crack propogation as successive stochastic process // Report Research Inst. Strength Fract. Mater. Tohoku Univ. - 1971. - Vol. 6. - P. 18.
21. Никифоров А. Д. Точность и технология изготовления метрических резьб. - М.: Высшая школа, 1963. - 181 c.
22. Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита: Справочник термиста. - 2-е изд., испр. и доп. - М: Металлургия, 1965. - 495 с.
23. Повышение долговечности резьбовых соединений штоков при циклической нагрузке / С.Н. Мольцен, А.В. Кравченко, Ю.Н. Симонов, Р.М. Полежаев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2021. - Т. 23, № 2. - С. 27-35.
24. Анализ и выбор методов испытания сталей на стойкость к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением в H2S-содержаших средах / А.В. Кравченко, С. Н. Мольцен, Ю. Н. Симонов, Р. М. Полежаев, Е. В. Погорелов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2021. - Т. 23, № 2. - С. 43-54.
25. Гарантия качества через контроль критических девиаций микроструктуры / С. Н. Мольцен,
A.В. Кравченко, Ю.Н. Симонов, Р.М. Полежаев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2021. - Т. 23, № 1. - С. 36-45.
26. Мольцен С.Н., Кравченко А.В., Симонов Ю. Н. Влияние коррозионных повреждений на работоспособность штоков тонкостенных штанговых насосов. Моделирование и расчет // Вестник ПНИПУ. Машиностроение. Материаловедение. - 2022. - Т. 24, № 1. -С. 5-14. DOI: 10.15593/2224-9877/2022.1.01
27. Гляйтер Х., Хорнбоген Е. Упрочнение при образовании твердых растворов и дисперсионном твердении // Статическая прочность и механика разрушения сталей: сб. науч. тр. / пер. с нем; под ред. В. Даля,
B. Антона. - М.: Металлургия, 1986. - 566 с.
28. ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, 2014, Editors: Valery Rudnev, George Totten. - ASM International, 2014. - 821 p.
References
1. API 11AX13ed. Spetsifikatsiia ShGN, sboroch-nykh uzlov, komponentov i fittingov [Specification of the NGN, assemblies, components and fittings].
2. Georgiev M.N., Simonov Iu.N. Treshchinostoi-kost' zhelezouglerodistykh splavov: monografiia [Crack resistance of iron-carbon alloys: monograph]. Perm': Iz-datelstvo PNIPU, 2013.
3. Simonov Iu.N., Georgiev M.N., Simonov M.Iu. Osnovy fiziki i mekhaniki razrusheniia: uchebnoe posobie dlia vuzov [Fundamentals of physics and fracture mechanics: textbook for universities]. Perm': Izdatelstvo PNIPU, 2012.
4. Simonov Iu.N. Fizika prochnosti i mekhaniche-skie ispytaniia metallov [Physics of strength and mechanical testing of metals]. Perm': Izdatel'stvo PNI-PU, 2017.
5. Shtremel' M.A. Razrushenie: v 2 knigah. Kniga 1. Raz-rushenie. Monograhfiia [Destruction: in 2 books Book 1: Destruction. monographs]. Moscow: Izdatelskii Dom MISiS, 2015, 976 p.
6. GOST 31835-2012. Nasosy skvazhinnye shtango-vye. Obshchie tekhnicheskie trebovaniia [Downhole rod pumps. General technical requirements]. Moscow, 2012.
7. Shigley J.E., Mischke C.R. Mechanical engineering design. 5nd. McGraw-Hill, New York, 1989, 123 p.
8. Fatigue strength-load cycle relationships for ferrous material GU" LCAN TOKTAS, Department of Mechanical Engineering. Balikesir University, Balikesir, Turkey. Springer.
9. Spravochnik metallista: 9 nd. Vol. 1. Svoistva i vybor zheleza i stalei [Metalworker's Handbook: 9 nd. Vol. 1. Properties and selection of iron and steels]. Amerikanskoe obshchestvo metallovedov, 1987, p. 67.
10. Tada H., Paris P.C., Irwin G.R. The stress analysis of cracks handbook. New York: ASME. 31. NACE, 2000.
11. GOST 31825-2012. Shtangi nasosnye, shtoki ust'evye i mufty k nim. Tekhnicheskie usloviia [Pump rods, wellhead rods and couplings to them. Technical specifications]. Moscow, 2012.
12. Atlas of fatigue curves, Edited by Howard E. Boyer Senior Technical Editor American Society for Metals, 1990, 534 p.
13. Heidersbach R. (Robert) Metallurgy and corro-sion control in oil and gas production. Published by John Wiley & Sons, Inc., 2011, 293 p.
14. Simonov Iu.N., Simonov M.Iu. Fizika proch-nosti i mekhanicheskie ispytaniia metallov: kurs lektsii [Physics of strength and mechanical testing of metals: a course of lectures]. Perm': Izdatelstvo Permskogo natsionalnogo issle-dovatelskogo politekhnicheskogo universiteta, 2020, 199 sp.
15. Materials science and engineering an introduction William D. Callister, Jr. Department of Metallurgical Engineering The University of Utah DAVID G. RETH-WISCH Department of Chemical and Biochemical Engineering The University of Iowa. Wiley, 2014, 1990 p.
16. Fraktografiia i atlas fraktogramm [Fractography and atlas of fractograms]. Ed.. E.A. Shura, M.L. Bernshteina. Moscow: Metallurgiia, 1982.
17. Kushnarenko V.M., Repiakh V.S., Chirkov E.Iu., Kushnarenko E.V. Defekty i povrezhdeniia detalei i kon-struk-tsii: monografiia [Defects and damages of parts and structures: monograph]. Orenburg: OGU, 2011, 402 p.
18. Feargal Peter Brennan. Fatigue and fracture mechanics analysis of threaded connections. Department of Mechanical Engineering University College London, 1992, 402 p.
19. Irwin G.R. Plastic zone near a crack and fracture toughness. Proc. 7th Sagamore Conf. Raquette Lake. New York, 1960, pp. IV-63.
20. Yokobori T. Fatigue crack propogation as successive stochastic process. Report Research Inst. Strength Fract. Mater. Tohoku Univ., 1971, vol. 6, p. 18.
21. Nikiforov A.D. Tochnost' i tekhnologiia izgo-tovle-niia metricheskikh rez'b [Accuracy and manufacturing technology of metric threads]. Moscow: Vysshaia shkola, 1963, 181 p.
22. Popov A.A., Popova L.E. Izotermicheskie i termoki-neticheskie diagrammy raspada pereokhlazhdennogo austenita: Spravochnik termista [Isothermal and thermokinetic diagrams of decomposition of supercooled austenite: A thermologist's handbook]. 2nd. Moscow: Metallurgiia, 1965. 495 p.
23. Mol'tsen S.N., Kravchenko A.V., Simonov Iu.N., Polezhaev R.M. Povyshenie dolgovechnosti rez'bovykh soedi-nenii shtokov pri tsiklicheskoi nagruzke [Increase of durability of threaded rod connections under cyclic loading]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materi-alovedenie, 2021, vol. 23, no. 2, pp. 27-35.
24. Kravchenko A.V., Mol'tsen S.N., Simonov Iu.N., Polezhaev R.M., Pogorelov E.V. Analiz i vybor metodov ispytaniia stalei na stoikost' k sul'fidnomu korrozionnomu rastreskivaniiu pod napriazheniem v H2S-soderzhashchikh sredakh [Analysis and selection of steel testing methods for resistance to stress sulfide corrosion cracking in H2S-containing media]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issle-dovatel'skogo politekhnicheskogo unversiteta. Mashi-nostroenie, materialovedenie, 2021, vol. 23, no. 2, pp. 43-54.
25. Mol'tsen S.N., Kravchenko A.V., Simonov Iu.N., Polezhaev R.M. Garantiia kachestva cherez kontrol' kritich-eskikh deviatsii mikrostruktury [Quality assurance through control of critical microstructure deviations]. Vest-nik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo poli-tekhni-cheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialo-vedenie, 2021, vol. 23, no. 1, pp. 36-45.
26. Mol'tsen S.N., Kravchenko A.V., Simonov Iu.N. Vliianie korrozionnykh povrezhdenii na rabotospo-sobnost' shtokov tonkostennykh shtangovykh nasosov. Mo-delirovanie i raschet [Influence of corrosion damage on serviceability of rods of thin-walled rod pumps. Modeling and calculation]. Vestnik PNIPU. Mashinostroenie. Materialovedenie, 2022, vol. 24, no. 1, pp. 5-14. DOI: 10.15593/2224-9877/2022.1.01
27. Gliaiter Kh., Khornbogen E. Uprochnenie pri ob-razovanii tverdykh rastvorov i dispersionnom tverdenii [Strengthening by solid solution formation and dispercussion solidification]. Staticheskaia prochnost' i mek-hanika razrusheniia stalei: sbornik nauchnyh tudov. Ed. V. Dalia, V. Antona. Moscow: Metallurgiia, 1986, 566 p.
28. ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, 2014, Editors: Valery Rudnev, George Totten. ASM International, 2014, 821 p.
Поступила: 29.07.2023
Одобрена: 02.10.2023
Принята к публикации: 27.10.2023
Об авторах
Мольцен Станислав Николаевич (Пермь, Российская Федерация) - директор по качеству АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш», аспирант кафедры металловедения и термической обработки металлов ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]), член NACE, ORCID: 0000-0002-5269-8119.
Шестакова Илона Вячеславовна (Пермь, Российская Федерация) - студент кафедры металловедения и термической обработки металлов ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
Кравченко Андрей Владимирович (Пермь, Российская Федерация) - начальник ОТК АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш», аспирант кафедры металловедения и термической обработки металлов ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]), член NACE, ORCID: 0000-0003-4308-2977.
Симонов Юрий Николаевич (Пермь, Российская Федерация) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры металловедения и термической обработки металлов ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]).
About the authors
Stanislav N. Moltsen (Perm, Russian Federation) - Head of quality service ELKAM, a postgraduate of Metals and heat treatment department, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky ave., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]), NACE member, ORCID: 0000-0002-5269-8119
Ilona V. Shestakova (Perm, Russian Federation) -Student of of Metals and heat treatment department (29, Komsomolsky ave., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Andrew V. Kravchenko (Perm, Russian Federation) -Deputy of head quality service ELKAM, a postgraduate of Metals and heat treatment department, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky ave., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]), NACE member, ORCID: 0000-0003-4308-2977.
Yuri N. Simonov (Perm, Russian Federation) - Doctor of engineering science, professor, the head of Metals and heat treatment department, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky ave., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Финансирование. Работа выполнена при поддержке АО «ЭЛКАМ-Нефтемаш».
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад всех авторов равноценен.
