Analyse der Ursachen ringförmiger Risse in abgeschreckten nahtlosen Stahlrohren aus SAE 4140

Der Grund für den ringförmigen Riss am Rohrende des nahtlosen Stahlrohrs SAE 4140 wurde durch Untersuchung der chemischen Zusammensetzung, Härteprüfung, metallografische Beobachtung, Rasterelektronenmikroskopie und Energiespektrumanalyse untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der ringförmige Riss des nahtlosen Stahlrohrs SAE 4140 ein Abschreckriss ist, der im Allgemeinen am Rohrende auftritt. Der Grund für den Abschreckriss sind die unterschiedlichen Abkühlungsraten zwischen Innen- und Außenwand. Die Abkühlungsrate der Außenwand ist viel höher als die der Innenwand, was zu Rissversagen aufgrund von Spannungskonzentration nahe der Innenwand führt. Der ringförmige Riss kann beseitigt werden, indem die Abkühlungsrate der Innenwand des Stahlrohrs während des Abschreckens erhöht, die Gleichmäßigkeit der Abkühlungsrate zwischen Innen- und Außenwand verbessert und die Temperatur nach dem Abschrecken auf 150–200 °C gehalten wird, um die Abschreckspannung durch Selbstanlassen zu verringern.

SAE 4140 ist ein niedrig legierter CrMo-Baustahl und entspricht der amerikanischen ASTM A519-Standardgüte. Der nationale Standard 42CrMo basiert auf der Erhöhung des Mn-Gehalts. Daher wurde die Härtbarkeit von SAE 4140 weiter verbessert. SAE 4140 nahtlose Stahlrohre: Anstatt aus massiven Schmiedestücken herzustellen, kann die Herstellung von verschiedenen Arten von Hohlwellen, Zylindern, Hülsen und anderen Teilen aus Walzbarren die Produktionseffizienz erheblich verbessern und Stahl einsparen. SAE 4140-Stahlrohre werden häufig in Bohrwerkzeugen und anderen Bohrgeräten für den Öl- und Gasbergbau verwendet. Die Vergütungsbehandlung von nahtlosen SAE 4140-Stahlrohren kann die Anforderungen an die Anpassung verschiedener Stahlfestigkeiten und Zähigkeiten erfüllen, indem der Wärmebehandlungsprozess optimiert wird. Dennoch wird häufig festgestellt, dass dies zu Produktlieferungsfehlern im Produktionsprozess führt. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf SAE 4140-Stahlrohre im Abschreckprozess in der Mitte der Wandstärke des Rohrendes, führt eine ringförmige Rissdefektanalyse durch und schlägt Verbesserungsmaßnahmen vor.

1. Testmaterialien und Methoden

Ein Unternehmen hat Spezifikationen für nahtlose Stahlrohre der Stahlsorte SAE 4140 mit ∅ 139,7 x 31,75 mm erstellt. Der Produktionsprozess sieht folgende Schritte vor: Erhitzen des Knüppels → Lochen → Walzen → Kalibrieren → Anlassen (850 °C, 70 Minuten Einweichzeit, Abschrecken + Rohr drehend außerhalb der Wasserdusche abkühlen + 735 °C, 2 Stunden Einweichzeit, Anlassen) → Fehlererkennung und -prüfung. Nach der Anlassbehandlung ergab die Fehlererkennung einen ringförmigen Riss in der Mitte der Wandstärke am Rohrende, wie in Abb. 1 dargestellt. Der ringförmige Riss trat etwa 21 bis 24 mm von der Außenseite entfernt auf, verlief kreisförmig um das Rohr und war teilweise unterbrochen, während im Rohrkörper kein derartiger Defekt festgestellt wurde.

Nehmen Sie Proben aus der Charge von abgeschreckten Stahlrohren, um diese zu analysieren und ihre Organisation zu beobachten, und führen Sie eine Spektralanalyse der Zusammensetzung der Stahlrohre durch. Gleichzeitig werden aus den Rissen im gehärteten Stahlrohr Hochleistungsproben entnommen, um die Mikromorphologie und Korngrößenverteilung der Risse zu beobachten. Außerdem werden mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops mit Spektrometer Proben der inneren Zusammensetzung der Risse im Mikrobereich analysiert.

2. Testergebnisse

2.1 Chemische Zusammensetzung

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Spektralanalyse der chemischen Zusammensetzung. Die Zusammensetzung der Elemente entspricht den Anforderungen der Norm ASTM A519.

Tabelle 1 Ergebnisse der Analyse der chemischen Zusammensetzung (Massenanteil, %)

Element	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	Ni
Inhalt	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
ASTM A519-Anforderung	0.38-0.43	0.15-0.35	0.75-1.00	≤ 0,04	≤ 0,04	0.8-1.1	0.15-0.25	≤ 0,35	≤ 0,25

2.2 Rohrhärtbarkeitstest

Beim Abschreckhärtetest der gesamten Wanddicke der abgeschreckten Proben wurden die Ergebnisse der Gesamtwanddickenhärte wie in Abbildung 2 dargestellt ermittelt. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, begann die Abschreckhärte im Bereich von 21 bis 24 mm außerhalb des Rohrs deutlich zu sinken, und im Bereich von 21 bis 24 mm außerhalb des Rohrs wurden Ringrisse festgestellt. Der Härteunterschied zwischen der Wanddicke im Bereich unterhalb und oberhalb der Wanddicke erreichte etwa 5 (HRC). Der Härteunterschied zwischen der unteren und oberen Wanddicke in diesem Bereich beträgt etwa 5 (HRC). Die metallografische Organisation im abgeschreckten Zustand ist in Abbildung 3 dargestellt. Aus der metallografischen Organisation in Abbildung 3: Es ist ersichtlich, dass die Anordnung im Außenbereich des Rohrs eine kleine Menge Ferrit + Martensit ist, während die Anordnung nahe der Innenfläche nicht abgeschreckt ist und eine kleine Menge Ferrit und Bainit aufweist, was zu einer geringen Abschreckhärte von der Außenfläche des Rohrs zur Innenfläche des Rohrs in einem Abstand von 21 mm führt. Der hohe Grad der Konsistenz der Ringrisse in der Rohrwand und die Position des extremen Unterschieds in der Abschreckhärte weisen darauf hin, dass Ringrisse wahrscheinlich beim Abschreckvorgang entstehen. Die hohe Konsistenz zwischen der Position der Ringrisse und der geringeren Abschreckhärte weist darauf hin, dass die Ringrisse möglicherweise beim Abschreckvorgang entstanden sind.

2.3 Die metallografischen Ergebnisse des Stahlrohrs sind in Abb. 4 bzw. Abb. 5 dargestellt.

Die Matrixorganisation des Stahlrohrs besteht aus angelassenem Austenit + einer kleinen Menge Ferrit + einer kleinen Menge Bainit mit einer Korngröße von 8, was einer durchschnittlich angelassenen Organisation entspricht. Die Risse verlaufen in Längsrichtung, was zu kristallinen Rissen gehört, und die beiden Seiten der Risse weisen die typischen Merkmale einer Verzahnung auf. Auf beiden Seiten tritt ein Entkohlungsphänomen auf, und auf der Oberfläche der Risse ist eine graue Hochtemperaturoxidschicht erkennbar. Auf beiden Seiten tritt eine Entkohlung auf, und auf der Rissoberfläche ist eine graue Hochtemperaturoxidschicht erkennbar, und in der Nähe des Risses sind keine nichtmetallischen Einschlüsse zu sehen.

2.4 Ergebnisse der Rissbruchmorphologie und der Energiespektrumanalyse

Nachdem der Bruch geöffnet wurde, wird die Mikromorphologie des Bruchs unter dem Rasterelektronenmikroskop beobachtet, wie in Abb. 6 dargestellt. Daraus lässt sich erkennen, dass der Bruch hohen Temperaturen ausgesetzt war und an der Oberfläche eine Hochtemperaturoxidation stattgefunden hat. Der Bruch verläuft hauptsächlich entlang des Kristallbruchs, wobei die Korngröße zwischen 20 und 30 μm liegt und keine groben Körner oder abnormalen Organisationsdefekte gefunden werden. Die Energiespektrumanalyse zeigt, dass die Oberfläche des Bruchs hauptsächlich aus Eisen und seinen Oxiden besteht und keine abnormalen Fremdelemente zu sehen sind. Die Spektralanalyse zeigt, dass die Bruchoberfläche hauptsächlich aus Eisen und seinen Oxiden besteht und keine abnormalen Fremdelemente aufweist.

3 Analyse und Diskussion

3.1 Analyse von Rissfehlern

Aus der Sicht der Rissmikromorphologie ist die Rissöffnung gerade; das Ende ist gekrümmt und scharf; der Rissausbreitungspfad zeigt die Merkmale einer Rissbildung entlang des Kristalls und die beiden Seiten des Risses weisen typische Verzahnungseigenschaften auf, die die üblichen Merkmale von Abschreckrissen sind. Die metallografische Untersuchung ergab jedoch, dass auf beiden Seiten des Risses Entkohlungsphänomene auftreten, was nicht mit den Merkmalen der herkömmlichen Abschreckrisse übereinstimmt, wenn man berücksichtigt, dass die Anlasstemperatur des Stahlrohrs 735 °C beträgt und Ac1 bei SAE 4140 738 °C beträgt, was nicht mit den herkömmlichen Merkmalen von Abschreckrissen übereinstimmt. Wenn man berücksichtigt, dass die für das Rohr verwendete Anlasstemperatur 735 °C beträgt und die Ac1 von SAE 4140 738 °C beträgt, also beide Werte sehr nahe beieinander liegen, wird angenommen, dass die Entkohlung auf beiden Seiten des Risses mit dem Hochtemperaturanlassen während des Anlassens (735 °C) zusammenhängt und kein Riss ist, der bereits vor der Wärmebehandlung des Rohrs vorhanden war.

3.2 Ursachen für Rissbildung

Die Ursachen für Abschreckrisse hängen im Allgemeinen mit der Abschreckheiztemperatur, der Abschreckkühlrate, metallurgischen Defekten und Abschreckspannungen zusammen. Aus den Ergebnissen der Zusammensetzungsanalyse geht hervor, dass die chemische Zusammensetzung des Rohrs den Anforderungen der Stahlsorte SAE 4140 im ASTM A519-Standard entspricht und keine überzähligen Elemente gefunden wurden; in der Nähe der Risse wurden keine nichtmetallischen Einschlüsse gefunden, und die Energiespektrumanalyse am Rissbruch zeigte, dass die grauen Oxidationsprodukte in den Rissen Fe und seine Oxide waren und keine abnormalen Fremdelemente zu sehen waren, sodass ausgeschlossen werden kann, dass metallurgische Defekte die ringförmigen Risse verursacht haben; die Korngrößenklasse des Rohrs war Klasse 8, und die Korngrößenklasse war Klasse 7, und die Korngröße war Klasse 8, und die Korngröße war Klasse 8. Die Korngrößenstufe des Rohrs ist 8; das Korn ist fein und nicht grob, was darauf hinweist, dass der Abschreckriss nichts mit der Abschreckheiztemperatur zu tun hat.

Die Bildung von Abschreckrissen hängt eng mit den Abschreckspannungen zusammen, die in thermische und organisatorische Spannungen unterteilt werden. Thermische Spannungen entstehen durch den Abkühlungsprozess des Stahlrohrs. Die Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberflächenschicht und des Kerns des Stahlrohrs ist nicht konsistent, was zu einer ungleichmäßigen Kontraktion des Materials und zu inneren Spannungen führt. Dadurch wird die Oberflächenschicht des Stahlrohrs Druckspannungen und der Kern Zugspannungen ausgesetzt. Gewebespannungen entstehen durch die Abschreckung des Stahlrohrs in der Martensitumwandlung, die mit der inkonsistenten Volumenausdehnung einhergeht und innere Spannungen erzeugt. Die durch die Organisation der Spannungen erzeugten Spannungen führen zu Zugspannungen in der Oberflächenschicht und Zugspannungen im Zentrum. Diese beiden Arten von Spannungen im Stahlrohr treten im selben Teil auf, haben jedoch eine entgegengesetzte Richtung. Die kombinierte Wirkung des Ergebnisses besteht darin, dass einer der beiden Spannungsfaktoren, die thermische Spannung, die dominante Rolle spielt, das Ergebnis der Zugspannung im Kern des Werkstücks und des Oberflächendrucks ist. Die dominante Gewebespannung wird das Ergebnis der Zugspannung im Kern des Werkstücks und des Oberflächendrucks ist.

Beim Abschrecken von Stahlrohren des Typs SAE 4140 wird eine rotierende Außendusche verwendet. Die Abkühlungsrate der Außenfläche ist viel größer als die der Innenfläche. Das äußere Metall des Stahlrohrs wird vollständig abgeschreckt, während das innere Metall nicht vollständig abgeschreckt wird, wodurch ein Teil der Ferrit- und Bainit-Organisation entsteht. Das innere Metall kann aufgrund der inneren Metallstruktur nicht vollständig in eine martensitische Organisation umgewandelt werden. Das innere Metall des Stahlrohrs ist zwangsläufig der Zugspannung ausgesetzt, die durch die Ausdehnung der Außenwand des Martensits erzeugt wird. Gleichzeitig ist aufgrund der unterschiedlichen Organisationsarten das spezifische Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren Metall unterschiedlich. Gleichzeitig ist aufgrund der unterschiedlichen Organisationsarten das spezifische Volumen der inneren und äußeren Schichten des Metalls unterschiedlich und die Schrumpfungsrate ist während der Abkühlung nicht gleich. An der Schnittstelle der beiden Organisationsarten wird auch Zugspannung erzeugt. Die Spannungsverteilung wird von den thermischen Spannungen dominiert. Die an der Schnittstelle der beiden Organisationsarten im Rohr erzeugte Zugspannung ist am größten, was zu einem Ring führt. Abschreckrisse treten im Bereich der Wandstärke des Rohrs nahe der Innenfläche auf (21 bis 24 mm von der Außenfläche entfernt); außerdem ist das Ende des Stahlrohrs ein geometrisch empfindlicher Teil des gesamten Rohrs, der anfällig für Spannungserzeugung ist. Darüber hinaus ist das Ende des Rohrs ein geometrisch empfindlicher Teil des gesamten Rohrs, der anfällig für Spannungskonzentrationen ist. Dieser Ringriss tritt normalerweise nur am Ende des Rohrs auf, und solche Risse wurden im Rohrkörper nicht gefunden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ringförmige Risse in abgeschreckten dickwandigen Stahlrohren SAE 4140 durch eine ungleichmäßige Abkühlung der Innen- und Außenwände verursacht werden. Die Abkühlungsrate der Außenwand ist viel höher als die der Innenwand. Bei der Herstellung von dickwandigen Stahlrohren SAE 4140 muss die vorhandene Kühlmethode geändert werden. Der Kühlprozess kann nicht nur von außen verwendet werden. Stattdessen muss die Kühlung der Innenwand des Stahlrohrs verstärkt werden, um die Gleichmäßigkeit der Abkühlungsrate der Innen- und Außenwände des dickwandigen Stahlrohrs zu verbessern und so die Spannungskonzentration zu verringern und Ringrisse zu vermeiden. Ringrisse.

3.3 Verbesserungsmaßnahmen

Um Abschreckrisse zu vermeiden, müssen bei der Gestaltung des Abschreckprozesses alle Bedingungen berücksichtigt werden, die zur Entwicklung von Abschreckzugspannungen beitragen und Faktoren für die Rissbildung sind, darunter Heiztemperatur, Abkühlungsprozess und Entladungstemperatur. Zu den vorgeschlagenen Maßnahmen zur Verbesserung des Prozesses gehören: Abschrecktemperatur von 830–850 °C; Verwendung einer Innendüse, die auf die Mittellinie des Rohrs abgestimmt ist, Steuerung des geeigneten inneren Sprühflusses, Verbesserung der Abkühlungsrate des Innenlochs, um sicherzustellen, dass die Abkühlungsrate der Innen- und Außenwände von dickwandigen Stahlrohren gleichmäßig ist; Steuerung der Nachabschrecktemperatur von 150–200 °C, Verwendung einer selbsthärtenden Resttemperatur des Stahlrohrs, um die Abschreckspannungen im Stahlrohr zu reduzieren.

Durch den Einsatz verbesserter Technologie werden gemäß Dutzenden von Stahlrohrspezifikationen ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm usw. hergestellt. Nach der Ultraschall-Fehlerprüfung sind die Produkte qualifiziert und weisen keine Ringabschreckungsrisse auf.

4. Fazit

(1) Gemäß den makroskopischen und mikroskopischen Eigenschaften von Rohrrissen gehören die ringförmigen Risse an den Rohrenden von SAE 4140-Stahlrohren zu den durch Abschreckspannung verursachten Rissversagen, die üblicherweise an den Rohrenden auftreten.

(2) Ringförmige Risse in abgeschreckten dickwandigen Stahlrohren SAE 4140 werden durch ungleichmäßige Abkühlung der Innen- und Außenwände verursacht. Die Abkühlungsrate der Außenwand ist viel höher als die der Innenwand. Um die Gleichmäßigkeit der Abkühlungsrate der Innen- und Außenwände des dickwandigen Stahlrohrs zu verbessern, muss bei der Herstellung von dickwandigen Stahlrohren SAE 4140 die Kühlung der Innenwand verstärkt werden.