담금질 SAE 4140 원활강관의 링형균열 원인 분석

SAE 4140 원활강관의 파이프 끝단에서 링형 균열이 발생한 이유는 화학 성분 시험, 경도 시험, 금속 조직 관찰, 주사 전자 현미경 및 에너지 스펙트럼 분석을 통해 연구되었습니다. 결과에 따르면 SAE 4140 원활강관의 링형 균열은 일반적으로 파이프 끝에서 발생하는 담금질 균열입니다. 담금질 균열의 원인은 내벽과 외벽 사이의 냉각 속도가 다르기 때문이며 외벽 냉각 속도가 내벽 냉각 속도보다 훨씬 높아 내벽 위치 근처의 응력 집중으로 인해 균열이 발생합니다. 링형 균열은 담금질 시 강관 내벽의 냉각 속도를 높이고 내벽과 외벽 사이의 냉각 속도 균일성을 개선하고 담금질 후 온도를 150~200℃ 이내로 제어하여 자체 템퍼링으로 담금질 응력을 줄임으로써 제거할 수 있습니다.

SAE 4140은 CrMo 저합금 구조강으로, 미국 ASTM A519 표준 등급이며, 국가 표준 42CrMo에서 Mn 함량 증가를 기반으로 합니다. 따라서 SAE 4140 경화성이 더욱 향상되었습니다. SAE 4140 원활 강관은 솔리드 단조품 대신 다양한 유형의 중공 샤프트, 실린더, 슬리브 및 기타 부품의 압연 빌릿 생산으로 생산 효율성을 크게 개선하고 강철을 절약할 수 있습니다. SAE 4140 강관은 석유 및 가스 광산 나사 드릴링 도구 및 기타 드릴링 장비에 널리 사용됩니다. SAE 4140 원활 강관 템퍼링 처리로 열처리 공정을 최적화하여 다양한 강철 강도 및 인성 일치 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그래도 생산 공정에서 제품 납품 결함에 영향을 미치는 것으로 종종 발견됩니다. 이 논문은 주로 파이프 끝의 벽 두께 중간에서 담금질 공정에서 SAE 4140 강관에 초점을 맞추고 링 모양의 균열 결함 분석을 생성하고 개선 조치를 제시합니다.

1. 시험재료 및 방법

한 회사가 ∅ 139.7 × 31.75 mm SAE 4140 강종 원활강관에 대한 규격을 작성하였는데, 생산 공정은 빌렛 가열 → 피어싱 → 압연 → 사이징 → 템퍼링(850℃ 침지 시간 70분 담금질 + 파이프 회전 외부 수냉 냉각 + 735℃ 침지 시간 2시간 템퍼링) → 결함 탐지 및 검사입니다. 템퍼링 처리 후 결함 탐지 검사에서 그림 1과 같이 파이프 끝의 벽 두께 중간에 고리 모양의 균열이 있는 것으로 나타났습니다. 고리 모양의 균열은 외부에서 약 21~24 mm 떨어진 곳에 나타났으며, 파이프의 원주를 돌았고, 부분적으로 불연속적이었지만 파이프 본체에는 그러한 결함이 발견되지 않았습니다.

강관 담금질 시료를 일괄 채취하여 담금질 분석 및 담금질 조직 관찰, 강관 성분의 분광 분석 등을 실시하는 동시에, 템퍼링 강관 균열 부위에서 고배율 시료를 채취하여 균열 미세형태, 입자크기 등을 관찰하고, 분광기가 장착된 주사전자현미경으로 균열 부위의 내부 성분을 미세면적으로 분석한다.

2. 테스트 결과

2.1 화학성분

표 1은 화학성분 스펙트럼 분석 결과를 보여주며, 원소의 조성은 ASTM A519 규격의 요구 사항에 부합합니다.

표 1 화학성분 분석 결과 (질량분율, %)

요소	씨	시	망	피	에스	Cr	모	구리	니
콘텐츠	0.39	0.20	0.82	0.01	0.005	0.94	0.18	0.05	0.02
ASTM A519 요구 사항	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 튜브 경화성 시험

담금질된 전체 벽 두께 담금질 경도 시험의 샘플에서, 전체 벽 두께 경도 결과는 그림 2와 같이, 그림 2에서 볼 수 있으며, 담금질 외부에서 21 ~ 24 mm에서 경도가 크게 떨어지기 시작했고, 21 ~ 24 mm 외부에서 파이프의 고온 템퍼링이 링 균열 영역에서 발견되었으며, 벽 두께 아래와 위의 영역의 경도는 벽 두께 영역의 위치 사이의 극심한 차이가 5(HRC) 정도에 도달했습니다. 이 영역의 하단과 상단 벽 두께 사이의 경도 차이는 약 5(HRC)입니다. 담금질 상태의 금속 조직은 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3의 금속 조직에서; 파이프의 바깥쪽 영역의 조직은 소량의 페라이트+마르텐사이트인 반면, 안쪽 표면 근처의 조직은 담금질되지 않고 소량의 페라이트와 베이나이트가 존재하여 파이프 바깥쪽 표면에서 파이프 안쪽 표면까지 21mm 거리에서 낮은 담금질 경도를 보인다. 파이프 벽의 링 균열의 일관성이 높고 담금질 경도 차이가 큰 위치는 링 균열이 담금질 공정에서 발생할 가능성이 있음을 시사한다. 링 균열의 위치와 낮은 담금질 경도 사이의 일관성이 높으므로 링 균열은 담금질 공정 중에 발생했을 수 있음을 시사한다.

2.3 강관의 금속조직학적 결과는 각각 그림 4와 그림 5에 나타내었다.

강관의 매트릭스 조직은 템퍼링 오스테나이트 + 소량의 페라이트 + 소량의 베이나이트이며, 입자 크기는 8로 평균 템퍼링 조직입니다. 균열은 종방향으로 확장되며, 이는 결정 균열을 따라 속하며, 균열의 양쪽은 전형적인 결합 특성을 가지고 있습니다. 양쪽에 탈탄 현상이 있으며, 균열 표면에 고온 회색 산화물 층이 관찰됩니다. 양쪽에 탈탄이 있으며, 균열 표면에 고온 회색 산화물 층이 관찰될 수 있으며, 균열 부근에는 비금속 개재물이 보이지 않습니다.

2.4 균열파괴형태 및 에너지스펙트럼 해석결과

균열이 열린 후, Fig. 6과 같이 주사 전자 현미경으로 균열의 미세 형태를 관찰하면 균열이 고온에 노출되었고 표면에 고온 산화가 발생했음을 알 수 있다. 균열은 주로 결정 균열을 따라 발생하며, 입자 크기는 20~30μm 범위이고, 조립질 입자와 비정상적인 조직 결함은 발견되지 않는다. 에너지 스펙트럼 분석 결과 균열 표면은 주로 철과 그 산화물로 구성되었으며, 비정상적인 이물질은 보이지 않는다. 스펙트럼 분석 결과 균열 표면은 주로 철과 그 산화물로 구성되었으며, 비정상적인 이물질은 없다.

3 분석 및 논의

3.1 균열 결함 분석

균열 미세 형태학의 관점에서 균열 개구부는 직선이고 꼬리는 곡선이고 날카로우며 균열 확장 경로는 결정을 따라 균열이 생기는 특성을 보이고 균열의 양쪽은 전형적인 맞물림 특성을 가지고 있는데 이는 담금질 균열의 일반적인 특성이다. 그래도 금속 조직 검사 결과 균열 양쪽에 탈탄 현상이 있는 것으로 나타났는데, 이는 전통적인 담금질 균열의 특성과 일치하지 않으며, 강관의 템퍼링 온도가 735℃이고 SAE 4140에서 Ac1이 738℃인 점을 감안할 때 담금질 균열의 기존 특성과 일치하지 않는다. 파이프에 사용된 템퍼링 온도가 735℃이고, SAE 4140의 Ac1이 738℃로 서로 매우 가까운 점을 고려할 때, 균열 양쪽의 탈탄은 템퍼링 시(735℃) 고온 템퍼링과 관련이 있으며, 파이프의 열처리 이전에 이미 존재했던 균열이 아니라고 추정됩니다.

3.2 균열의 원인

담금질 균열의 원인은 일반적으로 담금질 가열 온도, 담금질 냉각 속도, 야금학적 결함 및 담금질 응력과 관련이 있습니다. 성분 분석 결과 파이프의 화학 성분은 ASTM A519 표준의 SAE 4140 강종 요구 사항을 충족하며 초과 원소는 발견되지 않았습니다. 균열 근처에 비금속 개재물이 발견되지 않았으며 균열 파단 시 에너지 스펙트럼 분석 결과 균열 내 회색 산화 생성물은 Fe 및 그 산화물이며 비정상적인 이물질은 보이지 않았으므로 야금학적 결함으로 인해 환형 균열이 발생한 것으로 배제할 수 있습니다. 파이프의 입자 크기 등급은 등급 8이고 입자 크기 등급은 등급 7이고 입자 크기는 등급 8이고 입자 크기는 등급 8입니다. 파이프의 입자 크기 수준은 8입니다. 입자는 미세하고 거칠지 않아 담금질 균열이 담금질 가열 온도와 관련이 없음을 나타냅니다.

담금질 균열의 형성은 담금질 응력과 밀접한 관련이 있으며, 열 응력과 조직 응력으로 나뉩니다. 열 응력은 강관의 냉각 과정으로 인해 발생합니다. 강관의 표면층과 중심부의 냉각 속도가 일치하지 않아 재료의 수축과 내부 응력이 고르지 않게 됩니다. 결과적으로 강관의 표면층은 압축 응력을 받고 중심부는 인장 응력을 받습니다. 조직 응력은 강관의 조직이 마르텐사이트 변태로 담금질되어 내부 응력이 생성되는 불일치 체적이 확장되고, 결과적으로 생성된 응력 조직은 인장 응력의 표면층, 인장 응력의 중심입니다. 강관의 이 두 가지 응력은 같은 부분에 존재하지만 방향 역할은 반대입니다. 결과의 결합 효과는 두 응력 중 하나의 지배적 요인인 열 응력이 지배적인 역할은 공작물 중심부 인장, 표면 압력의 결과입니다. 조직 응력이 지배적인 역할은 공작물 심장 인장 압력 표면 인장의 결과입니다.

SAE 4140 강관 담금질은 회전 외부 샤워 냉각 생산을 사용하며, 외부 표면의 냉각 속도는 내부 표면보다 훨씬 크고, 강관의 외부 금속은 모두 담금질되지만, 내부 금속은 완전히 담금질되지 않아 페라이트와 베이나이트 조직의 일부를 생성하고, 내부 금속은 내부 금속으로 인해 마르텐사이트 조직으로 완전히 전환될 수 없으며, 강관의 내부 금속은 마르텐사이트 외부 벽의 확장으로 인해 발생하는 인장 응력을 불가피하게 받으며, 동시에 조직의 유형이 다르기 때문에 내부 금속과 외부 금속 사이의 특정 체적이 다릅니다. 동시에, 다양한 종류의 조직으로 인해 금속의 내부 및 외부 층의 특정 체적이 다르고 냉각 중 수축 속도가 같지 않으며, 인장 응력은 두 가지 유형의 조직의 계면에서 생성되고 응력 분포는 열 응력에 의해 지배되며, 두 가지 유형의 조직의 계면에서 생성되는 인장 응력은 내부 파이프가 가장 크며, 링 켄칭 균열이 파이프의 벽 두께 중 내부 표면에 가까운 부분(외부 표면에서 21~24mm 떨어짐)에서 발생합니다. 또한 강관의 끝은 전체 파이프의 기하학적으로 민감한 부분으로 응력이 발생하기 쉽습니다. 또한 파이프의 끝은 전체 파이프의 기하학적으로 민감한 부분으로 응력 집중이 발생하기 쉽습니다. 이 링 균열은 일반적으로 파이프 끝에서만 발생하며 파이프 본체에서는 이러한 균열이 발견되지 않았습니다.

요약하면, 담금질된 SAE 4140 두꺼운 벽 강관 링 모양 균열은 내벽과 외벽의 불균일한 냉각으로 인해 발생합니다. 외벽의 냉각 속도는 내벽의 냉각 속도보다 훨씬 높습니다. SAE 4140 두꺼운 벽 강관을 생산하여 기존 냉각 방법을 변경하면 냉각 공정 외부에서만 사용할 수 없으므로 강관 내벽의 냉각을 강화하여 두꺼운 벽 강관의 내벽과 외벽의 냉각 속도 균일성을 개선하여 응력 집중을 줄이고 링 균열을 제거해야 합니다. 링 균열.

3.3 개선방안

담금질 균열을 피하기 위해 담금질 공정 설계에서 담금질 인장 응력의 발달에 기여하는 모든 조건은 가열 온도, 냉각 공정 및 배출 온도를 포함하여 균열 형성 요인입니다. 제안된 개선된 공정 조치는 다음과 같습니다. 830-850℃의 담금질 온도; 파이프 중심선과 일치하는 내부 노즐 사용, 적절한 내부 분무 흐름 제어, 두꺼운 벽 강관의 내벽과 외벽의 냉각 속도가 균일하도록 내부 구멍의 냉각 속도 개선; 150-200℃의 담금질 후 온도 제어, 자체 템퍼링의 강관 잔류 온도 사용, 강관의 담금질 응력 감소.

개선된 기술을 사용하면 수십 개의 강관 규격에 따라 ∅158.75 × 34.93 mm, ∅139.7 × 31.75 mm, ∅254 × 38.1 mm, ∅224 × 26 mm 등이 생성됩니다. 초음파 결함 검사 후 제품은 합격이며 링 켄칭 균열이 없습니다.

4. 결론

(1) 관균열의 거시적, 미시적 특성에 따르면 SAE 4140강관의 관끝단부 환상균열은 주로 관끝단부에서 발생하는 담금질응력에 의한 균열파괴에 속한다.

(2) 담금질 SAE 4140 두꺼운 벽 강관 링 모양 균열은 내벽과 외벽의 불균일한 냉각으로 인해 발생합니다. 외벽의 냉각 속도는 내벽보다 훨씬 높습니다. 두꺼운 벽 강관의 내벽과 외벽의 냉각 속도 균일성을 개선하기 위해 SAE 4140 두꺼운 벽 강관 생산은 내벽의 냉각을 강화해야 합니다.