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 79 ТЕХНОЛОГИЯ Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М Юлия Карлина 1, a, *, Владимир Конюхов 2, b, Татьяна Опарина 2, c 1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия 2 Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия a https://orcid.org/0000-0001-6519-561X, jul.karlina@gmail.com; b https://orcid.org/0000-0001-9137-9404, konyukhov_vyu@mail.ru; c https://orcid.org/0000-0002-9062-6554, martusina2@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 79–93 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-79-93 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 622.691 История статьи: Поступила: 09 июня 2024 Рецензирование: 17 июня 2024 Принята к печати: 28 июня 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Послесварочная термообработка Отжиг для снятия напряжений Отпуск, нормализация, термообработка Сварное соединение Неоднородная микроструктура Твердость Свойства Контактно-стыковая сварка АННОТАЦИЯ Введение. Cr-Mo-стали используются при высоких температурах и давлениях, в том числе в критических компонентах современных сверхкритических и ультрасверхкритических тепловых электростанций. Благодаря уникальной способности выдерживать высокие температуры и давления эти стали также используются в критически важных компонентах ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Неоднородность микроструктуры и механических свойств по всему сварному соединению является решающим фактором, приводящим к снижению его работоспособности и преждевременному выходу из строя. Послесварочная термообработка является основным методом улучшения механических свойств. Однако механизм эволюции механических свойств, связанных с неоднородной микроструктурой, после термообработки остается неясным, что затрудняет проектирование процесса термообработки и комплексную оценку его эффекта. Цель работы: провести оценку возможности контактно-стыкового способа сварки труб из стали 15Х5М, подобрать технологические параметры при контактно-стыковой сварке труб с получением высоких показателей механических свойств. Методы исследования. Эксперименты выполнялись на контактно-стыковой машине МСО-201Н. Были проведены механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Технологические параметры контактно-стыковой сварки оплавлением труб, изменяемые в ходе наших исследований, показывают, что давление осадки и припуск на искрение влияют на конечные прочностные свойства сварного стыка. По результатам металлографических исследований можно отметить особенности эволюции микроструктуры. Заметное снижение содержания первичного огрубевшего феррита наблюдается в структуре сварного шва после отпускной термообработки. Применение послесварочной термообработки позволило уменьшить твердость в сварном стыке до уровня нормативных требований. Представленные результаты. Влияние термообработки на механические свойства анализируется на основе сравнения режимов термообработки отпуска для снятия напряжений и нормализации с отпуском с точки зрения повышения механических свойств при испытаниях на растяжение. Результаты показывают, что после отпускной термообработки эволюция механических свойств в каждой подзоне сварного соединения является последовательной, т. е. твердость и прочность на разрыв уменьшаются, а ударная вязкость увеличивается. Примечательно, что наиболее существенное повышение вязкости наблюдается в зоне сварного шва, прежде всего за счет значительного уменьшения присутствия доэвтектоидного феррита. Для цитирования: Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 79–93. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-79-93. ______ *Адрес для переписки Карлина Юлия Игоревна, к.т.н., научный сотрудник Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, 129337, г. Москва, Россия Тел.: +7 914 879-85-05, e-mail: jul.karlina@gmail.com Введение Для эксплуатации электростанции при повышенной температуре и давлении существенно возрастает потребность в материале с высокой длительной прочностью, высокой теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью [1–8]. Многочисленные важные компоненты теплоэлектростанций, например паропроводы, котлы, теплообменники и другие, работают при повышенных температурах и высоких давлениях. Следовательно, эти компоненты должны быть устойчивы к ползучести и коррозии на протяжении всего срока службы 30–40 лет. За последние полвека рабочая температура пара
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 80 ТЕХНОЛОГИЯ в котле выросла с 450 до 568 °С, а давление – примерно в шесть раз, до 25 МПа, что увеличивает мощность котла. Оборудование, используемое для изготовления котла, состоит из коллектора и труб различной конструкции. Для таких компонентов, как сосуды под давлением, требуется низкая температура воды и пара. Сосуды под давлением в основном подвергаются воздействию пара и воды от котла, а также дымовых газов от экономайзеров, стенок печи, подогревателей и пароперегревателей. Компоненты в основном изготавливаются из стальных трубок небольшого диаметра. Повышение теплового КПД электростанций за счет увеличения рабочей температуры и давления пара, поступающего в турбину, привело к разработке новейшей категории жаропрочных сталей. Наиболее часто используемыми материалами на электростанциях, работающих при высоких температурах и высоком давлении, являются ферритная/мартенситная сталь с повышенной стойкостью к ползучести, суперсплавы на основе никеля и аустенитная нержавеющая сталь [1–5]. Потенциальными материалами-кандидатами для ультрасверхкритических электростанций являются сплавы на основе Ni, такие как сплав инокель 617, сплав 625 и сплав 740 [3, 4]. Эти сплавы на основе Ni обладают превосходной коррозионной стойкостью, хорошей стойкостью к окислению и высоким пределом ползучести при температуре 650 °C. Однако поскольку Ni, Cr и Mo являются ключевыми легирующими элементами в этих сплавах, то сплавы на основе Ni дорогостоящие [5–9]. Кроме того, они технически сложны в изготовлении. В середине 1960-х годов стали с содержанием 12 % CrMoV были разработаны для изготовления тонкостенных и толстостенных компонентов электростанций. Рабочая температура таких компонентов составляла 565 °С. Предел ползучести сталей с содержанием 12 % CrMoV был получен путем упрочнения твердого раствора и дисперсионного упрочнения. В современных котлах используются хромомолибденовые стали 5Cr-1Mo, 9Cr-1Mo, модифицированные стали 9Cr-1Mo с Nb, V, W или 12Cr, обладающие лучшими термическими и механическими свойствами по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями серии 300. Отечественные аналоги – сталь 15Х5М и ее модификации 15Х5МФ и 12Х8ВФ [10, 11]. Хром (Cr), вольфрам (W) и молибден (Mo) являются основными легирующими элементами, присутствующими в стали и обеспечивающими лучшее сопротивление ползучести при повышенных температуре и давлении. Прочность хромомолибденовых сталей обусловлена высокой плотностью дислокаций. Материалы размягчаются по мере уменьшения плотности дислокаций – например, когда дислокации движутся, встречаются и аннигилируют друг друга. Стали с содержанием Cr от 2–13 % сохраняют плотность дислокаций при высоких температурах и, следовательно, прочность, поскольку микроструктура замедляет движение дислокаций. Дислокациям трудно пересечь границы зерен, а карбиды и выделения по границам зерен относительно неподвижны и вызывают закрепление дислокаций, как показано в работах [2–5]. Ползучесть – это термически активируемый процесс. Его определяют как медленную нестационарную деформацию материала под действием постоянной нагрузки. Требования к высокой рабочей температуре и давлению, предъявляемые к современному энергоблоку, приводят к разработке ферритных и мартенситных сталей с повышенной стойкостью к высокотемпературной ползучести (CSEF). Для атомных и тепловых электростанций ферритные стали с повышенной прочностью ползучести (CSEF) считаются лучшим материалом по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью из-за ее низкого коэффициента теплового расширения, хорошей теплопроводности и высокой прочности при ползучести. Ползучесть возникает вследствие длительного воздействия на материал постоянного приложенного напряжения ниже предела текучести материала. Необходимо знать механические свойства стали, включая снижение модуля Юнга, предел текучести и снижение предела прочности при различных уровнях напряжения и повышенных температурах. Чтобы выявить механические свойства при повышенных температурах, необходимо установить взаимосвязи «напряжение – деформация». В настоящее время для изменения механических свойств при высоких температурах используются испытания как в установившемся состоянии, так и в переходном. При этом зависящие от температу-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 81 TECHNOLOGY ры физические механизмы, такие как объемная диффузия, дислокации скольжения и переползания, являются реакцией на явления ползучести в кристаллическом материале. Сварка плавлением (ручная дуговая, в защитных газах, под слоем флюса) – это обычно используемый процесс сварки стали 15Х5М и ее модификаций 15Х5МФ и 12Х8ВФ, который включает в себя интенсивное тепловложение и его рассеивание за счет теплопроводности в основной металл [6–9]. Предварительный нагрев при сварке теплоустойчивых сталей, склонных к закалке, помогает обеспечить качество сварного шва и снижает вероятность образования трещин. Перед сваркой труб или пластин из стали толщиной до 20 мм и более в цехах или на местах, как правило, используется предварительный нагрев до 300…450 °С [11–18]. За процессом сварки обычно следует индукционная термообработка с целью замены грубой микроструктуры, связанной с подводом большого количества тепла во время операции соединения, более мелкими зернами предварительного аустенита и мелкими ферритными фазами. Это связано с тем, что микроструктура, прилегающая к зоне сплавления, при быстром охлаждении трансформируется в такие твердые фазы, как мартенсит и бейнит. Эти твердые фазы приводят к низкой ударной вязкости и высоким показателям твердости материала из-за содержания значительного количества остаточных напряжений. Таким образом, для сварных швов труб необходим дополнительный цикл послесварочной термообработки, чтобы восстановить механические свойства и снизить вероятность хрупкого разрушения в зоне соединения. Наиболее широко используемым режимом послесварочной обработки является цикл нормализации. Нормализующая обработка позволяет значительно улучшить характеристики выравнивания сварного шва, однако параметры процесса включают в себя максимальную температуру нагрева, скорость нагрева, время выдержки и начальную температуру водяного охлаждения. Помимо нормализующей обработки для повышения ударной вязкости трубопровода проводят вторичную нормализацию, закалку и отпуск, закалку и другие термомеханические обработки [4, 12–19]. Хотя сварка сталей с высоким содержанием хрома стала хорошо известным методом, который широко используется в традиционной энергетике, характеристики сварных швов сталей с высоким содержанием Cr и Cr-Mo по-прежнему часто считаются фактором, ограничивающим срок службы при высоких температурах. Фактически высокий процент отказов в энергетике, как сообщается, связан со сваркой [4–9]. Более того, несмотря на обширный опыт сварки сталей с высоким содержанием хрома, многие сертифицированные процедуры сварки были разработаны для конкретных применений, а условия окружающей среды новых применений могут сильно повлиять на сварной шов. В работе [19] проведен анализ на основе мирового опыта отказов по причине неправильного способа термообработки теплоустойчивых сталей после сварки. Делается вывод, что повреждение ползучести и наблюдаемые механизмы растрескивания возникли в результате высокой степени механического напряжения, испытываемого разрушенной трубой в зоне термического влияния (ЗТВ), непосредственно прилегающей к сварному шву трубы [20]. Одним из решений этой проблемы является разработка нового материала, микроструктура в ЗТВ которого аналогична микроструктуре основного металла. Это было достигнуто, например, за счет добавления бора [5–7]. Для достижения хорошего качества сварных соединений используются несколько эффектов: оптимизация процедуры и параметров сварки, разработка подходящего присадочного металла и применение послесварочной термообработки. В настоящее время проводятся исследования по разработке новых процессов сварки (лазерной, электронно-лучевой, сварки трением) для улучшения характеристик стали 15Х5М и ее модификаций 15Х5МФ и 12Х8ВФ; это является перспективным направлением [6–9, 12–33]. Например [22], стыковая сварка магнитноимпульсной дугой (MIAB) – метод соединения, который заменяет традиционные методы сварки, такие как контактная сварка, сварка трением, оплавление и стыковая сварка. Это твердотельный процесс, при котором вращающаяся дуга нагревает торцы трубок, после чего следует процесс ковки, завершающий соединение заготовок. Плотность магнитного потока и ток взаимодействуют, создавая силу Лоренца, которая заставляет дугу двигаться вдоль прилегающих
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 82 ТЕХНОЛОГИЯ поверхностей. Установлено, что этот процесс обеспечивает высокую прочность на разрыв и бездефектные сварные швы в черных материалах, и по этой причине он преимущественно используется в автомобильной промышленности для соединения металлических труб. Кроме того, эту процедуру соединения можно применять при изготовлении котлов, теплообменников, печных трубопроводов в нефтехимической промышленности и при производстве других критически важных для безопасности деталей машин высокого давления. Применяя сварку (MIAB), можно за 10...15 с выполнять соединения труб наружным диаметром от 75 до 450 мм и толщиной стенки до 10…35 мм [22]. Однако, как считают многие исследователи [1, 5, 8, 9, 15], работники электростанций могут медлить с внедрением новых материалов и новых методов сварки по ряду причин, включая разработку новых отраслевых норм и стандартов [11], а также уверенность в долговременной работе уже смонтированных сварных узлов в машинах и механизмах. В то же время хорошо известный способ – контактно-стыковая сварка труб оплавлением – широко применяется в котлостроении, трубопроводном строительстве и производстве нефтяного оборудования. В зависимости от сечения и материала трубы выбирается непрерывная или оплавляющая сварка с предварительным подогревом. В данной статье представлены результаты исследований по контактно-стыковой сварке оплавлением труб из стали 15Х5М. Цель работы: провести оценку возможности контактностыкового способа сварки труб из стали 15Х5М и подобрать технологические параметры контактно-стыковой сварки труб с получением высоких показателей механических свойств. Материалы и методы исследований Базовым материалом, использованным в данном исследовании, была бесшовная труба наружным диаметром 25 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Материалом труб служила сталь 15Х5М (табл. 1), поставляемая в нормализованном и отпущенном состоянии в соответствии с ГОСТ 550–75. При анализе химического состава материалов труб использовались следующие средства измерений и испытательное оборудование: спектрометр рентгеновский СРМ-25 и экспрессанализатор на углерод АН-7529. Механические свойства в состоянии поставки представлены в табл. 2. Для определения механических свойств стали из образца труб было отобрано три пробы в соответствии с отраслевыми нормативами [11]. Для сварки использовали машину контактной стыковой сварки МСО-201Н, сила сварочного тока составляла 7400…8000 А. Процесс контактной сварки труб показан на рис. 1. В ходе проведения исследований рассматривали образцы после сварки и после дополнительной термообработки. Режимы термообработки образцов сваренных труб: температура нормализации 950…1000 °С, отпуска – 780…800 °С. Термообработка проводилась на индукционной установке МГЗ-102 с частотой тока 2500 Гц в кольцевом разъёмном одновитковом индукторе с внутренним диаметром 40 мм и шириной 30 мм. Режимы отпуска (температура 500…600 °С) подбирались экспериментальным путем за счет изменения силы тока в диапазоне 25…30 А и регулировки напряжения возбуждения генератора 180…200 В, при этом мощность составляла 5…6 кВт. В режиме проведения нормализации (850…1000 °С) сила тока была в диапазоне 50…60 А, напряжение возбуждения генератора 350…370 В, мощность составляла Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав труб для сварки Chemical composition of pipes for welding Марка стали / Steel grade Содержание элементов, % / Elemental content, % C Si Mn Сr Mo Ni S Р 15Х5М по ГОСТ 20072–74 / 0.15C-5Cr-Mo According to GOST 20072-74 < 0,15 < 0,5 < 0,5 4,5…6,0 0,45…0,60 << 0,6 < 0,025 < 0,030 По факту / In fact 0,1 0,35 0,22 5,51 0,52 0,35 0,012 0,012
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1