Том 26 № 3 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 24 ТЕХНОЛОГИЯ Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований) Кирилл Барабошкин 1, a, *, Руслан Адигамов 1, b, Владимир Юсупов 2, c, Ирина Кожевникова 3, d, Антонина Карлина 1, e, * 1 АО «Северсталь менеджмент», ул. Мира, 30, г. Череповец, 162608, Россия 2 Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Ленинский проспект, 49, г. Москва, 119334, Россия 3 Череповецкий государственный университет, пр. Луначарского, 5, г. Череповец, Вологодская обл., 162600, Россия a https://orcid.org/0009-0004-9054-3523, ka.baraboshkin@severstal.com; b https://orcid.org/0009-0006-7620-5872, rradigamov@severstal.com; c https://orcid.org/0000-0002-0640-2217, vsyusupov@mail.ru; d https://orcid.org/0000-0003-0810-2143, iakozhevnikova@chsu.ru; e https://orcid.org/0000-0003-3287-3298, ai.karlina@severstal.com Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 24–51 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-24-51 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение В настоящее время буровые компании начали экспериментировать с трубами нового типа, называемыми «обсадными трубами», для бурения скважин [1–12]. Причина такого преобразования ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 679.7.022.4 История статьи: Поступила: 15 марта 2024 Рецензирование: 14 мая 2024 Принята к печати: 05 июня 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Сталь Феррит Перлит Контролируемая прокатка Термомеханическая прокатка Ударная вязкость Обсадные трубы Стандарты АННОТАЦИЯ Введение. Современная нефтегазовая промышленность нуждается в разработке материалов высокой прочности для обсадных труб. Изменения в технологиях производства стального проката являются одной из актуальных задач. Снижение себестоимости обсадных труб из высококачественной стали становится серьезной задачей для нефтегазовой промышленности. Многофазные микроструктуры, содержащие игольчатый феррит или фазу с преобладанием игольчатого феррита, обладают хорошими комплексными свойствами в сталях HSLA. В настоящей статье основное внимание уделяется результатам, полученным с использованием современных методов термомеханической прокатки. Результаты и обсуждение. В данной работе проведен анализ характеристик технологий термомеханической прокатки и их влияния на микроструктуру стального проката для обсадных труб. Показано, что прогнозирование механических свойств на основе микроструктурных характеристик стали усложняется из-за большого количества задействованных параметров. Для этого необходима оптимальная микроструктура стали. Удовлетворительная микроструктура зависит от нескольких факторов, таких как химический состав, обработка горячей деформацией и ускоренное охлаждение. Легирующие элементы оказывают комплексное влияние на свойства стали, и обычно в состав стали вводят легирующие добавки. С металлургической точки зрения выбор легирующих элементов и металлургический процесс могут сильно повлиять на полученную микроструктуру. Заключение. В настоящем обзоре сообщается о наиболее репрезентативном исследовании, касающемся технологий термомеханической прокатки и микроструктурного фактора в сталях для обсадных труб. Обзор включает в себя сводку наиболее важных переменных процесса, свойств материалов, нормативных правил, а также характеристик микроструктуры и механических свойств металла для производства обсадных труб. Предполагается, что этот обзор поможет читателям с разным опытом, от неспециалистов по обработке металлов давлением или материаловедов до специалистов различных промышленных приложений и исследователей. Для цитирования: Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований) / К.А. Барабошкин, Р.Р. Адигамов, В.С. Юсупов, И.А. Кожевникова, А.И. Карлина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 24–51. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-24-51. ______ *Адрес для переписки Карлина Антонина Игоревна, к.т.н., ведущий эксперт АО «Северсталь менеджмент», Ул. Мира, 30, 162608, г. Череповец, Россия Тел.: +7 950 120-19-50, e-mail: ai.karlina@severstal.com заключается в том, что обсадные трубы обеспечивают лучшую эффективность бурения, чем решения прошлого поколения, и имеют много других преимуществ [13–21]. Обсадная труба, опускаемая с поверхности для крепления стенок буровой скважины, представлена на рис. 1. Процесс вращательного бурения с колонной и извлечением гидравлически расширяемого долота [22–29] снижает эффективность бурения и увеличивает непроизводительное время (НПВ) высококапиталоемкой отрасли, стимулируя ис-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 25 TECHNOLOGY Рис. 1. Конструкция скважины из обсадных труб Fig. 1. Well casing design кать новые технологии для развития нефтяной промышленности. Обсадная колонна во время бурения (CwD) – это метод бурения, который, как было доказано, устраняет многие проблемы, возникающие при бурении. В этом методе бурение и обсадку ствола скважины осуществляют одновременно, что повышает эффективность бурения за счет снижения НПВ [1–5, 30–36]. Российские нефтяные компании сообщили об использовании выдвижных долот при бурении с обсадной колонной в 1920 году. Позже, в 1930-х годах, операторы США использовали эксплуатационные насосно-компрессорные трубы для бурения в открытом стволе или для заканчивания без забоя, при этом для бурения использовалось долото с плоским лезвием [37–42]. Материалами, которые лучше всего соответствуют требованиям нефтегазовой промышленности, являются стали HSLA. Цель работы заключается в оценке влияния технологий термомеханической обработки на микроструктуру и механические свойства высокопрочных сталей на основе анализа ряда исследований, проведенных различными методами металлографии, и испытаний механических свойств с учетом влияния рекристаллизации, микроструктурных составляющих и микрофаз. Указанный анализ необходим для установления взаимосвязи микроструктуры и технологий термомеханической обработки при производстве обсадных труб. Задачи работы заключаются в изучении влияния Nb в промышленных сталях и выявлении наиболее эффективных методик его определения при низком процентном содержании, а также в исследовании различных моделей термомеханической контролируемой прокатки (ТМКП) и их эффективности. Результаты исследований различных авторов и их обсуждение Химический состав микролегированных сталей В 1936 году было обнаружено, что микролегирующие добавки металлического ниобия могут упрочнять «мягкие» стали, хотя основной механизм упрочнения в то время не мог быть идентифицирован. Стали, содержащие небольшое количество ванадия или титана, были доступны уже давно. Быстрое развитие и использование микролегированных сталей было инициировано признанием преимуществ добавления небольшого количества ниобия в стали C-Mn [13–21]. Это произошло в 1958 году с первым успешным производством стали, обработанной ниобием, компанией Great Lakes Steel Corporation в США [22–28, 43– 46]. Этому развитию способствовали различные факторы, в том числе относительная доступность по стоимости феррониобия в конце 1950-х годов и открытие в то время очень крупных месторождений руд, содержащих ниобий, в Бразилии и Канаде, что гарантировало стабильность будущих поставок и цен. Было хорошо известно преимущество эффектов измельчения зерна за счет выделения микролегированных элементов в присутствии N и C [13–16, 29–39, 46]. В ранних сталях (до 1980 года) использовалось воздушное охлаждение листа и высокие температуры смотки полосы. Как отмечалось [1–3, 46], это были стали с феррито-перлитной структурой с прочностью до ~ 420 МПа. Наиболее очевидным фактором, влияющим на прочность, было измельчение зерна.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 26 ТЕХНОЛОГИЯ Выделение карбидов и нитридов происходит на трех стадиях обработки микролегированных сталей. Частицы первого типа образуются во время жидкой фазы, во время или после затвердевания на границе жидкость / твердое тело и в дельта-феррите [14]. Частицы второго типа осаждаются в аустените во время горячей деформации, такой как контролируемая прокатка, по мере снижения температуры [14]. Частицы третьего типа образуются во время или после фазового превращения аустенита в феррит, зарождаясь на границе раздела аустенит/феррит и в феррите [13–17]. Электронно-микроскопические изображения пленок (рис. 2) показали, что эти частицы, имеющие размеры до 150 нм, в основном располагаются в виде лент вдоль границ аустенитных зерен или в бывших междендритных областях [47, 48]. Рис. 2. ПЭМ-микрофотографии извлечения преимущественно частиц TiN: а – вероятно, частицы образовались во время затвердевания; б – частицы NbC, выросшие на сердцевине из TiN [48] Fig. 2. TEM micrographs of extraction of predominantly TiN particles: а – probably particles formed during solidifi cation; б – particles of NbC grown on the TiN core [48] a б В работе [49] использовались различные методы отслеживания выделения микросплавов после моделирования различных условий термомеханической контролируемой прокатки аустенита в термомеханическом симуляторе Gleeble. Атомно-зондовая томография (APT), сканирующая просвечивающая электронная микроскопия в сканирующем электронном микроскопе, оснащенном сфокусированным ионным пучком (STEM-on-FIB), и измерения удельного электрического сопротивления предоставили дополнительную информацию о состоянии частиц и коррелировали друг с другом. Было продемонстрировано, что точные измерения удельного электросопротивления в стали могут контролировать общий расход растворенных микросплавов (Nb) во время горячей обработки. Полученные результаты были дополнены измерениями APT стальной матрицы. Частицы, которые образовались во время охлаждения или изотермической выдержки, можно было отличить от частиц, вызванных деформацией, путем подтверждения измерений STEM с результатами APT, поскольку APT специально позволяла получить подробную информацию о химическом составе частиц, а также о распределении элементов (рис. 3, 4). Позже обнаружили, что Nb может замедлять рекристаллизацию аустенита [48], что было связано с введением управляемой прокатки и термомеханической управляемой обработки [49, 50]. Влияние содержания микролегирования (масс. %) на рекристаллизацию аустенита показано на рис. 5. Содержание C, использовавшееся в сталях HSLA до 1980 года, составляло 0,07–0,12 %. Между тем обычно использовалось до 2 % содержания Mn вместе с различными добавками и комбинациями V, Nb и Ti (макс. 0,1 %) [46, 52– 55]. Уменьшение содержания С могло бы улучшить свариваемость, сохранив прочность, и она
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 27 TECHNOLOGY а б в г д е Рис. 3. Высокоугловая дифракция в темном поле (HADDF)-STEM изображений, содержащих частицы, присутствующие после закалки от 1200 °C и 950 °C: а – границы зерен с частицами TiN; б – большие (примерно 80 нм) кубовидные частицы, которые EDS идентифицировала как TiN, обогощенные Nb; в – однородно распределены внутри зерна частицы TiN меньшего размера (< 15 нм); г – TiN с зародышами Nb; д – TiN с зародышами Nb большего размера; е – частицы, обогащенные Nb или TiNb (или Ti) (C, N) [49] Fig. 3. High-angle diff raction in a dark fi eld (HADDF)-STEM images containing particles present after quenching from 1,200 °C and 950 °C: а – grain boundaries with TiN particles; б – large (approximately 80 nm) cuboid particles, which EDS identifi ed as TiN enriched with Nb; в – smaller TiN particles (< 15 nm); г – TiN with Nb nuclei; д – TiN with larger Nb nuclei are uniformly distributed inside the grain; е – particles enriched with Nb or TiNb (or Ti) (C, N) [49] Рис. 4. Кинетика выделения частиц микролегированной Nb-Ti стали, а также последовательность выделения в типичной стали при термомеханической контролируемой прокатке [47] Fig. 4. Kinetics of particle separation microalloyed Nb-Ti steel, as well as the sequence of separation in typical steel during thermomechanical controlled rolling [47]
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 28 ТЕХНОЛОГИЯ а б в г Рис. 5. Рекристаллизация аустенита в зависимости от содержания ниобия (а), ванадия (б), алюминия (в) и титана (г) [51] Fig. 5. Recrystallization of austenite depending on the content of niobium (а), vanadium (б), aluminum (в) and titanium (г) [51] была такой же, как у мягких сталей, но основная проблема снижения содержания С заключалась в том, что пластичность и ударная вязкость были не такими хорошими, как у закаленных и отпущенных сталей [14]. За счет введения в состав стали микролегирующих элементов можно контролировать критические температуры превращения аустенита с целью достижения конечных механических свойств [1, 2, 13, 14, 46, 47, 53– 55]. Этими критическими температурами являются следующие: температура укрупнения зерна при повторном нагреве, температура рекристаллизации при горячей прокатке и температура превращения при охлаждении [1, 2, 14, 46, 53, 54]. Основные эффекты от микролегирующих элементов приведены в таблице [53]. Углерод в стали необходим для получения требуемой прочности стали, при этом упрочнение обеспечивается за счет формирования в структуре стали перлита. Марганец применяют для упрочнения твердого раствора и получения требуемой прочности стали. Известно, что наличие марганца в стали приводит к смещению γ→α-превращения в область более низких температур, что приводит к измельчению зерна, формированию феррита с повышенной плотностью дислокаций и, как следствие, к повышению предела текучести стали. Для ограничения значений предела текучести в рулонном прокате и гарантированного получения требуемых значений предела текучести в основном металле труб после трубного передела,
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 29 TECHNOLOGY Принцип действия микролегирующих элементов [53] Operating principle of microalloying elements [53] Элемент / Element Вес.% / Weight.% Эффект / Eff ect С < 0,25 Упрочнение Mn 0,5…2,0 Замедляет распад аустенита при ускоренном охлаждении. Снижает температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению Si 0,1…0,5 Раскислитель в расплавленной стали. Упрочнение твердого раствора. Стабилизирует аустенит Аl < 0,02 Раскислитель Nb 0,02…0,06 Очень сильно упрочняет феррит в виде карбидов/нитридов ниобия Тi 0…0,06 Контроль зерна аустенита нитридами титана. Сильный упрочнитель феррита V 0…0,10 Сильный упрочнитель феррита карбонитридами ванадия N < 0,012 Вредная примесь Мо 0…0,3 Способствует образованию бейнита. Повышает прочность феррита Ni 0…0,5 Увеличивает вязкость разрушения Cu 0…0,55 Улучшает коррозионную стойкость Cr 0…1,25 В присутствии меди повышает стойкость к атмосферной коррозии B 0,0005 Повышает прокаливаемость S <0,05 Вредная примесь P <0,012 Вредная примесь а также для обеспечения удовлетворительной свариваемости содержание марганца ограничено 1,0–1,5 %. Кремний применяют для упрочнения твердого раствора и обеспечения требуемой прочности стали, а также добавка кремния необходима для раскисления стали при выплавке. В соответствии с этим минимальное содержание кремния в стали должно быть не менее 0,15 %. При высоком содержании кремния повышается количество силикатных включений, что приводит к ухудшению ударной вязкости. Таким образом, максимальное значение содержания кремния ограничено 0,80 % для предотвращения охрупчивания стали. Добавка алюминия необходима для раскисления и модифицирования стали. При этом минимальное достаточное содержание алюминия 0,02 %. При содержании алюминия более 0,06 % происходит снижение работы удара. Хром, никель, медь вводят в сталь для увеличения прочностных свойств, а также для стабилизации структуры при нагреве металла под прокатку и уменьшения размера зерна при черновой прокатке. Кроме того, при предельных концентрациях не более 0,08 % эти элементы в стали положительно влияют на стойкость труб к коррозии. Титан в стали необходим для связывания азота в нитриды TiN, сдерживающие рост зерна при нагреве стали, что способствует измельчению зерна. Содержание азота в стали ограничивают значением 0,012 %, так как наличие свободного азота в твердом растворе α-фазы оказывает негативное влияние на работу удара при испытании на ударный изгиб. Сера и фосфор являются вредными примесями, их содержание ограничивают значениями не более 0,005 % и не более 0,012 % соответственно для обеспечения высоких значений работы удара при испытании на ударный изгиб. Содержание ванадия, ниобия и молибдена ограничивают требуемыми механическими свойствами. Кальций является неизбежной технологической примесью. При увеличении содержания кальция в горячекатаной полосе образуются коррозионно-активные неметаллические включения первого рода, что отрицательно сказывается на механических свойствах проката и коррозионной стойкости стали. Выделения TiN и Nb (C, N) эффективно снижают рост аустенитного зерна [14, 46]. Частицы VN, NbCN и TiC стабильны при температуре
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1