Analisis Penyebab Retak Berbentuk Cincin pada Pipa Baja Seamless SAE 4140 yang Dipadamkan

Alasan terjadinya retakan berbentuk cincin pada ujung pipa baja seamless SAE 4140 dipelajari melalui pemeriksaan komposisi kimia, uji kekerasan, pengamatan metalografi, mikroskop elektron pemindaian, dan analisis spektrum energi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa retakan berbentuk cincin pada pipa baja seamless SAE 4140 merupakan retakan pendinginan, yang umumnya terjadi pada ujung pipa. Alasan terjadinya retakan pendinginan adalah perbedaan laju pendinginan antara dinding dalam dan luar, dan laju pendinginan dinding luar jauh lebih tinggi daripada laju pendinginan dinding dalam, yang mengakibatkan kegagalan retak yang disebabkan oleh konsentrasi tegangan di dekat posisi dinding dalam. Retakan berbentuk cincin dapat dihilangkan dengan meningkatkan laju pendinginan dinding dalam pipa baja selama pendinginan, meningkatkan keseragaman laju pendinginan antara dinding dalam dan luar, dan mengendalikan suhu setelah pendinginan agar berada dalam kisaran 150 ~200 ℃ untuk mengurangi tegangan pendinginan dengan tempering sendiri.

SAE 4140 adalah baja struktural paduan rendah CrMo, merupakan mutu standar ASTM A519 Amerika, dalam standar nasional 42CrMo berdasarkan peningkatan kandungan Mn; oleh karena itu, pengerasan SAE 4140 telah ditingkatkan lebih lanjut. Pipa baja tanpa sambungan SAE 4140, alih-alih penempaan padat, produksi billet bergulir dari berbagai jenis poros berongga, silinder, selongsong, dan komponen lainnya dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi produksi dan menghemat baja; pipa baja SAE 4140 banyak digunakan dalam peralatan pengeboran sekrup pertambangan ladang minyak dan gas serta peralatan pengeboran lainnya. Perlakuan tempering pipa baja tanpa sambungan SAE 4140 dapat memenuhi persyaratan kekuatan baja dan pencocokan ketangguhan yang berbeda dengan mengoptimalkan proses perlakuan panas. Namun, sering ditemukan mempengaruhi cacat pengiriman produk dalam proses produksi. Makalah ini terutama berfokus pada pipa baja SAE 4140 dalam proses pendinginan di tengah ketebalan dinding ujung pipa, menghasilkan analisis cacat retak berbentuk cincin, dan mengajukan langkah-langkah perbaikan.

1. Bahan dan Metode Uji

Sebuah perusahaan membuat spesifikasi untuk pipa baja seamless SAE 4140 ukuran ∅ 139,7 × 31,75 mm, proses produksi untuk pemanasan billet → penusukan → penggulungan → pengukuran → tempering (waktu perendaman 850 ℃ selama 70 menit pendinginan + pipa berputar di luar pancuran air pendingin +735 ℃ waktu perendaman selama 2 jam tempering) → Deteksi Cacat dan Inspeksi. Setelah perlakuan tempering, inspeksi deteksi cacat mengungkapkan bahwa ada retakan melingkar di tengah ketebalan dinding di ujung pipa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1; retakan melingkar muncul sekitar 21~24 mm dari bagian luar, melingkari keliling pipa, dan sebagian terputus-putus, sementara tidak ada cacat seperti itu yang ditemukan di badan pipa.

Ambil sejumlah sampel pendinginan pipa baja untuk analisis pendinginan dan pengamatan organisasi pendinginan, dan analisis spektral komposisi pipa baja, pada saat yang sama, ambil sampel daya tinggi pada retakan pipa baja yang dikeraskan untuk mengamati mikromorfologi retakan, tingkat ukuran butiran, dan gunakan mikroskop elektron pemindaian dengan spektrometer untuk melihat retakan pada komposisi internal analisis area mikro.

2. Hasil Uji

2.1 Komposisi kimia

Tabel 1 menunjukkan hasil analisis spektral komposisi kimia, dan komposisi unsur-unsur sesuai dengan persyaratan standar ASTM A519.

Tabel 1 Hasil analisis komposisi kimia (fraksi massa, %)

Elemen	C	Ya	M N	P	S	Kr	Mo	Cu	Tidak
Isi	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
Persyaratan ASTM A519	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 Uji Kekerasan Tabung

Pada sampel yang dipadamkan dari uji kekerasan pendinginan ketebalan dinding total, hasil kekerasan ketebalan dinding total, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dapat dilihat pada Gambar 2, dalam 21 ~ 24 mm dari luar kekerasan pendinginan mulai turun secara signifikan, dan dari luar 21 ~ 24 mm adalah tempering suhu tinggi pipa yang ditemukan di wilayah retakan cincin, area di bawah dan di atas ketebalan dinding kekerasan perbedaan ekstrim antara posisi ketebalan dinding wilayah mencapai 5 (HRC) atau lebih. Perbedaan kekerasan antara ketebalan dinding bawah dan atas area ini adalah sekitar 5 (HRC). Organisasi metalografi dalam keadaan padam ditunjukkan pada Gambar. 3. Dari organisasi metalografi pada Gambar. 3; dapat dilihat bahwa organisasi di daerah luar pipa adalah sejumlah kecil ferit + martensit, sedangkan organisasi di dekat permukaan bagian dalam tidak mengalami pendinginan, dengan sejumlah kecil ferit dan bainit, yang menyebabkan kekerasan pendinginan rendah dari permukaan luar pipa ke permukaan bagian dalam pipa pada jarak 21 mm. Tingkat konsistensi retakan cincin yang tinggi di dinding pipa dan posisi perbedaan ekstrem dalam kekerasan pendinginan menunjukkan bahwa retakan cincin kemungkinan besar terjadi dalam proses pendinginan. Konsistensi tinggi antara lokasi retakan cincin dan kekerasan pendinginan yang lebih rendah menunjukkan bahwa retakan cincin mungkin terjadi selama proses pendinginan.

2.3 Hasil metalografi pipa baja ditunjukkan masing-masing pada Gambar 4 dan Gambar 5.

Organisasi matriks pipa baja adalah austenit temper + sejumlah kecil ferit + sejumlah kecil bainit, dengan ukuran butiran 8, yang merupakan organisasi temper rata-rata; retakan meluas sepanjang arah longitudinal, yang termasuk sepanjang retakan kristal, dan kedua sisi retakan memiliki karakteristik khas yang saling terkait; terdapat fenomena dekarburisasi di kedua sisi, dan lapisan oksida abu-abu suhu tinggi dapat diamati pada permukaan retakan. Terdapat dekarburisasi di kedua sisi, dan lapisan oksida abu-abu suhu tinggi dapat diamati pada permukaan retakan, dan tidak ada inklusi non-logam yang dapat dilihat di sekitar retakan.

2.4 Hasil analisis morfologi retakan dan spektrum energi

Setelah rekahan dibuka, mikromorfologi rekahan diamati di bawah mikroskop elektron pemindaian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, yang menunjukkan bahwa rekahan telah mengalami suhu tinggi dan oksidasi suhu tinggi telah terjadi di permukaan. Rekahan terutama di sepanjang rekahan kristal, dengan ukuran butiran berkisar antara 20 hingga 30 μm, dan tidak ditemukan butiran kasar dan cacat organisasi abnormal; analisis spektrum energi menunjukkan bahwa permukaan rekahan terutama terdiri dari besi dan oksidanya, dan tidak terlihat unsur asing abnormal. Analisis spektral menunjukkan bahwa permukaan rekahan terutama terdiri dari besi dan oksidanya, tanpa unsur asing abnormal.

3 Analisis dan Pembahasan

3.1 Analisis cacat retak

Dari sudut pandang mikromorfologi retakan, bukaan retakan lurus; ekornya melengkung dan tajam; jalur perluasan retakan menunjukkan karakteristik retakan sepanjang kristal, dan kedua sisi retakan memiliki karakteristik pengaitan yang khas, yang merupakan karakteristik umum retakan pendinginan. Namun, pemeriksaan metalografi menemukan bahwa terdapat fenomena dekarburisasi pada kedua sisi retakan, yang tidak sejalan dengan karakteristik retakan pendinginan tradisional, dengan mempertimbangkan fakta bahwa suhu tempering pipa baja adalah 735 ℃, dan Ac1 adalah 738 ℃ dalam SAE 4140, yang tidak sejalan dengan karakteristik konvensional retakan pendinginan. Mengingat suhu tempering yang digunakan untuk pipa adalah 735 °C dan Ac1 SAE 4140 adalah 738 °C, yang sangat berdekatan satu sama lain, diasumsikan bahwa dekarburisasi pada kedua sisi retakan terkait dengan tempering suhu tinggi selama tempering (735 °C) dan bukan retakan yang sudah ada sebelum perlakuan panas pada pipa.

3.2 Penyebab Retak

Penyebab retak pendinginan umumnya terkait dengan suhu pemanasan pendinginan, laju pendinginan pendinginan, cacat metalurgi, dan tegangan pendinginan. Dari hasil analisis komposisi, komposisi kimia pipa memenuhi persyaratan mutu baja SAE 4140 dalam standar ASTM A519, dan tidak ditemukan unsur yang melebihi; tidak ditemukan inklusi non-logam di dekat retakan, dan analisis spektrum energi pada fraktur retakan menunjukkan bahwa produk oksidasi abu-abu dalam retakan adalah Fe dan oksidanya, dan tidak terlihat unsur asing yang abnormal, sehingga dapat dikesampingkan bahwa cacat metalurgi menyebabkan retakan annular; mutu ukuran butir pipa adalah Mutu 8, dan mutu ukuran butir adalah Mutu 7, dan mutu ukuran butir adalah Mutu 8, dan mutu ukuran butir adalah Mutu 8. Tingkat mutu butir pipa adalah 8; butirnya halus dan tidak kasar, yang menunjukkan bahwa retak pendinginan tidak ada hubungannya dengan suhu pemanasan pendinginan.

Pembentukan retak pendinginan terkait erat dengan tegangan pendinginan, dibagi menjadi tegangan termal dan organisasi. Tegangan termal disebabkan oleh proses pendinginan pipa baja; lapisan permukaan dan inti dari laju pendinginan pipa baja tidak konsisten, sehingga mengakibatkan kontraksi material dan tegangan internal yang tidak merata; hasilnya adalah lapisan permukaan pipa baja mengalami tegangan tekan dan inti dari tegangan tarik; tegangan jaringan adalah pendinginan organisasi pipa baja ke transformasi martensit, bersama dengan perluasan volume ketidakkonsistenan dalam pembangkitan tegangan internal, organisasi tegangan yang dihasilkan oleh hasilnya adalah lapisan permukaan tegangan tarik, pusat tegangan tarik. Kedua jenis tegangan dalam pipa baja ini ada di bagian yang sama, tetapi peran arahnya berlawanan; efek gabungan dari hasilnya adalah bahwa salah satu dari dua faktor dominan tegangan, peran dominan tegangan termal adalah hasil dari tarikan jantung benda kerja, tekanan permukaan; Peran dominan tegangan jaringan adalah hasil dari tekanan tarik permukaan jantung benda kerja.

Pendinginan pipa baja SAE 4140 menggunakan produksi pendinginan pancuran luar yang berputar, laju pendinginan permukaan luar jauh lebih besar daripada permukaan dalam, logam luar pipa baja semuanya padam, sedangkan logam dalam tidak sepenuhnya padam untuk menghasilkan bagian dari organisasi ferit dan bainit, logam bagian dalam karena logam bagian dalam tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi organisasi martensit, logam bagian dalam pipa baja pasti mengalami tegangan tarik yang dihasilkan oleh perluasan dinding luar martensit, dan pada saat yang sama, karena berbagai jenis organisasi, volume spesifiknya berbeda antara logam bagian dalam dan luar Pada saat yang sama, karena berbagai jenis organisasi, volume khusus lapisan dalam dan luar logam berbeda, dan laju penyusutan tidak sama selama pendinginan, tegangan tarik juga akan dihasilkan pada antarmuka kedua jenis organisasi, dan distribusi tegangan didominasi oleh tegangan termal, dan tegangan tarik yang dihasilkan pada antarmuka kedua jenis organisasi di dalam pipa adalah yang terbesar, menghasilkan cincin retakan pendinginan yang terjadi di area ketebalan dinding pipa yang dekat dengan permukaan bagian dalam (21~24 mm dari permukaan luar); selain itu, ujung pipa baja merupakan bagian yang sensitif terhadap geometri dari keseluruhan pipa, yang rentan terhadap pembentukan tegangan. Selain itu, ujung pipa merupakan bagian yang sensitif terhadap geometri dari keseluruhan pipa, yang rentan terhadap konsentrasi tegangan. Retakan cincin ini biasanya hanya terjadi di ujung pipa, dan retakan seperti itu tidak ditemukan di badan pipa.

Singkatnya, retakan berbentuk cincin pada pipa baja berdinding tebal SAE 4140 yang dipadamkan disebabkan oleh pendinginan yang tidak merata pada dinding dalam dan luar; laju pendinginan dinding luar jauh lebih tinggi daripada dinding dalam; produksi pipa baja berdinding tebal SAE 4140 untuk mengubah metode pendinginan yang ada, tidak dapat digunakan hanya di luar proses pendinginan, perlu memperkuat pendinginan dinding dalam pipa baja, untuk meningkatkan keseragaman laju pendinginan dinding dalam dan luar pipa baja berdinding tebal untuk mengurangi konsentrasi tegangan, menghilangkan retakan cincin. Retakan cincin.

3.3 Langkah-langkah perbaikan

Untuk menghindari retak akibat pendinginan, dalam desain proses pendinginan, semua kondisi yang berkontribusi terhadap perkembangan tegangan tarik pendinginan merupakan faktor pembentukan retak, termasuk suhu pemanasan, proses pendinginan, dan suhu pembuangan. Langkah-langkah proses yang ditingkatkan yang diusulkan meliputi: suhu pendinginan 830-850 ℃; penggunaan nosel internal yang disesuaikan dengan garis tengah pipa, kontrol aliran semprotan internal yang sesuai, peningkatan laju pendinginan lubang bagian dalam untuk memastikan bahwa laju pendinginan dinding bagian dalam dan luar pipa baja berdinding tebal memiliki keseragaman laju pendinginan; kontrol suhu pasca pendinginan 150-200 ℃, penggunaan suhu sisa pipa baja dari self-tempering, mengurangi tegangan pendinginan pada pipa baja.

Penggunaan teknologi yang lebih baik menghasilkan ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm, dan seterusnya, sesuai dengan puluhan spesifikasi pipa baja. Setelah pemeriksaan cacat ultrasonik, produk tersebut memenuhi syarat, tanpa retakan akibat pendinginan cincin.

4. Kesimpulan

(1) Menurut karakteristik makroskopis dan mikroskopis retakan pipa, retakan melingkar pada ujung pipa baja SAE 4140 termasuk kegagalan retak yang disebabkan oleh tegangan pendinginan, yang biasanya terjadi di ujung pipa.

(2) Retakan berbentuk cincin pada pipa baja berdinding tebal SAE 4140 yang dipadamkan disebabkan oleh pendinginan dinding bagian dalam dan luar yang tidak merata. Laju pendinginan dinding luar jauh lebih tinggi daripada dinding bagian dalam. Untuk meningkatkan keseragaman laju pendinginan dinding bagian dalam dan luar pipa baja berdinding tebal, produksi pipa baja berdinding tebal SAE 4140 perlu memperkuat pendinginan dinding bagian dalam.