焼入れSAE4140シームレス鋼管のリング状亀裂の原因分析

SAE 4140 シームレス鋼管の管端にリング状の亀裂が発生する原因を、化学成分試験、硬度試験、金属組織観察、走査型電子顕微鏡、エネルギースペクトル分析によって調査しました。その結果、SAE 4140 シームレス鋼管のリング状の亀裂は焼入れ亀裂であり、通常は管端に発生することがわかりました。焼入れ亀裂が発生する原因は、内壁と外壁の冷却速度が異なり、外壁の冷却速度が内壁の冷却速度よりもはるかに速いため、内壁位置付近で応力が集中して亀裂が発生します。リング状の亀裂は、焼入れ中に鋼管の内壁の冷却速度を高め、内壁と外壁の冷却速度の均一性を高め、焼入れ後の温度を 150 ~200 ℃ に制御して自己焼戻しにより焼入れ応力を低減することで解消できます。

SAE 4140はCrMo低合金構造用鋼で、米国ASTM A519標準グレードであり、国家標準42CrMoに基づいてMn含有量が増加しているため、SAE 4140の焼入れ性がさらに向上しています。SAE 4140シームレス鋼管は、固体鍛造品の代わりに、さまざまなタイプの中空シャフト、シリンダー、スリーブ、およびその他の部品の圧延ビレット生産により、生産効率が大幅に向上し、鋼材を節約できます。SAE 4140鋼管は、石油およびガス田の採掘スクリュー掘削ツールやその他の掘削機器に広く使用されています。SAE 4140シームレス鋼管の焼戻し処理は、熱処理プロセスを最適化することで、さまざまな鋼の強度と靭性のマッチング要件を満たすことができます。それでも、生産プロセスで製品の出荷欠陥に影響を与えることがよくあります。本論文では、主にSAE 4140鋼管の管端部の肉厚中間部の焼入れ過程において発生するリング状亀裂欠陥を分析し、改善策を提案する。

1. 試験材料と方法

ある会社が ∅ 139.7 × 31.75 mm の SAE 4140 鋼級シームレス鋼管の仕様を作成しました。製造プロセスは、ビレット加熱 → ピアシング → 圧延 → サイジング → 焼き戻し (850 ℃ で 70 分間の焼入れ + 管を回転させて外部に水シャワー冷却 + 735 ℃ で 2 時間の焼き戻し) → 探傷検査です。焼き戻し処理後、探傷検査により、図 1 に示すように、管端の壁厚の中央に環状の亀裂があることが判明しました。環状の亀裂は外部から約 21 ～ 24 mm 離れたところに現れ、管の円周を囲み、部分的に不連続でしたが、管本体にはそのような欠陥は見つかりませんでした。

焼入れ鋼管サンプルを採取し、焼入れ分析、焼入れ組織観察、鋼管の組成のスペクトル分析を行うと同時に、焼戻し鋼管の亀裂部から高倍率サンプルを採取し、亀裂部の微細形態、粒径レベルを観察し、走査型電子顕微鏡と分光計で亀裂部の内部組成の微小領域分析を行います。

2. テスト結果

2.1 化学組成

表1は化学組成スペクトル分析結果を示しており、元素の組成はASTM A519規格の要件に準拠しています。

表1 化学組成分析結果（質量分率、%）

要素	Ｃ	シ	ミネソタ	ポ	S	Cr	モ	銅	ニ
コンテンツ	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
ASTM A519 要件	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 チューブの硬化性試験

焼入れサンプルの全肉厚焼入れ硬さ試験の結果は、図2に示すように、全肉厚硬度の結果は、図2に示すように、21〜24 mmの外側から焼入れ硬度が著しく低下し始め、21〜24 mmの外側からは高温焼戻し管のリング状亀裂の領域に見られ、肉厚の下側と上側の領域で硬度の差が極端に大きい位置の肉厚領域が5（HRC）程度に達している。この領域の下部肉厚と上部肉厚の硬度の差は約5（HRC）である。焼入れ状態での金属組織を図3に示す。図3の金属組織より。パイプの外側領域の組織は少量のフェライト+マルテンサイトであるのに対し、内面近くの組織は焼入れされておらず、少量のフェライトとベイナイトであることがわかります。これにより、パイプの外側表面からパイプの内側表面までの距離21 mmで焼入れ硬度が低くなります。パイプ壁のリングクラックの一貫性が高く、焼入れ硬度が極端に異なる位置にあることから、リングクラックは焼入れプロセスで生成される可能性が高いことがわかります。リングクラックの位置と焼入れ硬度の低さとの間の一貫性が高いことから、リングクラックは焼入れプロセス中に生成された可能性があることがわかります。

2.3 鋼管の組織学的結果をそれぞれ図4と図5に示す。

鋼管の母相組織は焼戻しオーステナイト＋少量のフェライト＋少量のベイナイトで、粒径は8で、平均的な焼戻し組織です。亀裂は長手方向に沿って伸び、結晶亀裂に沿っており、亀裂の両側は噛み合うという典型的な特徴があります。両側に脱炭現象があり、亀裂表面には高温の灰色の酸化物層が観察されます。両側に脱炭現象があり、亀裂表面には高温の灰色の酸化物層が観察され、亀裂付近には非金属介在物は見られません。

2.4 亀裂破壊形態とエネルギースペクトル解析結果

破面を開いた後、走査型電子顕微鏡で破面の微細形態を観察すると、図6に示すように、破面が高温にさらされ、表面に高温酸化が発生していることがわかります。破面は主に結晶破面に沿っており、粒径は20〜30μmで、粗大粒子や異常な組織欠陥は見られません。エネルギースペクトル分析によると、破面は主に鉄とその酸化物で構成されており、異常な異元素は見られません。スペクトル分析によると、破面は主に鉄とその酸化物で構成されており、異常な異元素はありません。

3 分析と考察

3.1 亀裂欠陥の解析

亀裂の微細形態から見ると、亀裂の開口部は直線的で、尾部は湾曲して鋭く、亀裂の伸展経路は結晶に沿った亀裂の特徴を示し、亀裂の両側は典型的な噛み合い特徴を有しており、これらは焼入れ亀裂の通常の特徴である。しかし、金属組織学的検査では、亀裂の両側に脱炭現象があり、これは従来の焼入れ亀裂の特徴と一致していないことが判明した。これは、鋼管の焼戻し温度が735℃であり、SAE 4140のAc1が738℃であるという事実を考慮すると、焼入れ亀裂の従来の特徴と一致していない。パイプに使用された焼戻し温度が 735 °C であり、SAE 4140 の Ac1 が 738 °C であり、互いに非常に近いことを考慮すると、亀裂の両側の脱炭は、焼戻し中の高温焼戻し (735 °C) に関連しており、パイプの熱処理前にすでに存在していた亀裂ではないと推測されます。

3.2 ひび割れの原因

焼入れ割れの原因は、一般的に焼入れ加熱温度、焼入れ冷却速度、冶金欠陥、焼入れ応力に関係しています。成分分析の結果、パイプの化学成分はASTM A519規格のSAE 4140鋼種の要件を満たしており、超過元素は見つかりませんでした。亀裂の近くに非金属介在物は見つかりませんでした。亀裂破断時のエネルギースペクトル分析では、亀裂内の灰色の酸化生成物はFeとその酸化物であり、異常な異元素は見られなかったため、冶金欠陥が環状亀裂を引き起こした可能性は排除できます。パイプの粒度等級はグレード8、粒度等級はグレード7、粒度はグレード8、粒度はグレード8でした。パイプの粒度レベルは8で、粒子は微細化されており、粗くないため、焼入れ割れは焼入れ加熱温度とは無関係であることがわかります。

焼入れ割れの発生は焼入れ応力と密接な関係があり、熱応力と組織応力に分けられます。熱応力は鋼管の冷却過程により生じます。鋼管の表面層と中心部の冷却速度が一定でないため、材料の収縮と内部応力が不均一になります。その結果、鋼管の表面層は圧縮応力を受け、中心部は引張応力を受けます。組織応力は、鋼管の組織が焼入れされてマルテンサイト変態し、体積膨張に伴い内部応力が発生します。組織応力によって発生する応力は、表面層の引張応力、中心部の引張応力です。鋼管内のこれら 2 種類の応力は同じ部分に存在しますが、方向と役割が逆になります。その結果の複合効果は、2 つの応力の支配要因の 1 つであり、熱応力が支配的な役割を担うのは、ワークピースの中心部の引張、表面圧力の結果です。組織応力の主な役割は、ワークピースの心臓部の引張圧力と表面の引張の結果です。

SAE 4140 鋼管の焼入れは回転式外シャワー冷却方式を採用しており、外面の冷却速度は内面よりはるかに速く、鋼管の外側の金属はすべて焼入れされるが、内側の金属は完全に焼入れされずにフェライトとベイナイト組織の一部が生成され、内側の金属は完全にマルテンサイト組織に変換できないため、鋼管の内側の金属は必然的にマルテンサイトの外壁の膨張によって発生する引張応力を受け、同時に、組織の種類が異なるため、内側と外側の金属の比容積が異なります。同時に、組織の種類が異なるため、金属の内層と外層の比容積が異なり、冷却中の収縮率も同じではなく、2 種類の組織の界面でも引張応力が発生し、応力の分布は熱応力によって支配され、2 種類の組織の界面で発生する引張応力は、鋼管の内側の鋼管の端部はパイプ全体の中でも形状に敏感な部分であり、応力集中が発生しやすい。このリングクラックは通常、パイプの端部にのみ発生し、パイプ本体にはこのようなクラックは見つかっていない。

要約すると、焼入れされたSAE 4140厚肉鋼管のリング状の亀裂は、内壁と外壁の冷却が不均一なために発生します。外壁の冷却速度は内壁の冷却速度よりもはるかに速いです。SAE 4140厚肉鋼管の製造では、既存の冷却方法を変更し、外側の冷却プロセスのみを使用することはできず、鋼管の内壁の冷却を強化し、厚肉鋼管の内壁と外壁の冷却速度の均一性を高めて応力集中を減らし、リング亀裂を排除する必要があります。リング亀裂。

3.3 改善策

焼入れ割れを回避するために、焼入れプロセスの設計では、加熱温度、冷却プロセス、排出温度など、焼入れ引張応力の発生に寄与するすべての条件が割れの形成要因となります。提案された改善プロセス対策には、焼入れ温度を 830 ～ 850 ℃ にすること、パイプの中心線に合わせた内部ノズルを使用し、適切な内部噴射流を制御して内孔の冷却速度を向上させ、厚肉鋼管の内壁と外壁の冷却速度の均一性を確保すること、焼入れ後の温度を 150 ～ 200 ℃ に制御し、自己焼き戻しの鋼管残留温度を使用して鋼管の焼入れ応力を低減することなどがあります。

改良された技術の使用により、数十種類の鋼管規格に従って、∅158.75 × 34.93 mm、∅139.7 × 31.75 mm、∅254 × 38.1 mm、∅224 × 26 mmなどのサイズが製造されています。超音波探傷検査後、製品は合格となり、リングクエンチングクラックは発生しません。

4. 結論

（１）管の亀裂のマクロ的およびミクロ的特徴によれば、SAE 4140鋼管の管端の環状亀裂は、通常管端で発生する焼入れ応力による亀裂破壊に属します。

（2）焼入れされたSAE 4140厚肉鋼管のリング状の亀裂は、内壁と外壁の冷却の不均一性によって引き起こされます。外壁の冷却速度は内壁よりもはるかに速いです。厚肉鋼管の内壁と外壁の冷却速度の均一性を向上させるには、SAE 4140厚肉鋼管の製造時に内壁の冷却を強化する必要があります。