Orsaken till den ringformade sprickan vid röränden av SAE 4140 sömlösa stålrör studerades genom kemisk sammansättningsundersökning, hårdhetstest, metallografisk observation, svepelektronmikroskop och energispektrumanalys. Resultaten visar att den ringformade sprickan i SAE 4140 sömlösa stålrör är en härdande spricka, som vanligtvis förekommer i rörets ände. Anledningen till den härdande sprickan är de olika kylhastigheterna mellan inner- och ytterväggarna, och ytterväggens kylhastighet är mycket högre än den för innerväggen, vilket resulterar i sprickbildningsfel orsakat av spänningskoncentration nära innerväggens position. Den ringformade sprickan kan elimineras genom att öka kylningshastigheten för stålrörets innervägg under härdning, förbättra enhetligheten i kylhastigheten mellan inner- och ytterväggen och kontrollera att temperaturen efter härdning ligger inom 150 ~ 200 ℃ för att minska släckningsspänningen genom självhärdning.
SAE 4140 är ett CrMo låglegerat konstruktionsstål, är den amerikanska standardkvaliteten ASTM A519, i den nationella standarden 42CrMo baserat på ökningen av Mn-halten; därför har SAE 4140-härdbarheten förbättrats ytterligare. SAE 4140 sömlösa stålrör, istället för fast smide, kan rullande ämnesproduktion av olika typer av ihåliga axlar, cylindrar, hylsor och andra delar avsevärt förbättra produktionseffektiviteten och spara stål; SAE 4140 stålrör används i stor utsträckning i olje- och gasfältsgruvor för skruvborrningsverktyg och annan borrutrustning. SAE 4140 sömlösa stålrörshärdningsbehandling kan uppfylla kraven för olika stålstyrkor och seghetsmatchning genom att optimera värmebehandlingsprocessen. Ändå visar sig det ofta påverka produktleveransdefekter i produktionsprocessen. Denna artikel fokuserar huvudsakligen på SAE 4140 stålrör i härdningsprocessen i mitten av väggtjockleken på änden av röret, producerar en ringformad sprickdefektanalys och lägger fram förbättringsåtgärder.
1. Testmaterial och metoder
Ett företag tog fram specifikationer för ∅ 139,7 × 31,75 mm SAE 4140 sömlösa stålrör av stål, produktionsprocessen för ämnesuppvärmning → piercing → valsning → dimensionering → härdning (850 ℃ blötläggningstid på 70 min släckning + rör som roterar utanför vattenduschen +735 ℃ blötläggningstid på 2 timmars härdning) → Feldetektering och inspektion. Efter anlöpningsbehandlingen visade feldetekteringsinspektionen att det fanns en ringformig spricka i mitten av väggtjockleken vid röränden, som visas i fig. 1; den ringformiga sprickan uppträdde på cirka 21~24 mm från utsidan, cirklade runt rörets omkrets och var delvis diskontinuerlig, medan ingen sådan defekt hittades i rörkroppen.
Fig.1 Den ringformade sprickan vid röränden
Ta satsen av stålrörshärdningsprover för härdningsanalys och observation av härdningsorganisation, och spektralanalys av stålrörets sammansättning, samtidigt i de härdade stålrörssprickorna för att ta högeffektprover för att observera sprickmikromorfologin , kornstorleksnivå, och i svepelektronmikroskopet med en spektrometer för sprickorna i den inre sammansättningen av mikroområdesanalysen.
2. Testresultat
2.1 Kemisk sammansättning
Tabell 1 visar resultaten av spektralanalys av den kemiska sammansättningen, och sammansättningen av elementen är i enlighet med kraven i ASTM A519-standarden.
Tabell 1 Analysresultat för kemisk sammansättning (massfraktion, %)
| Element |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
Cu |
Ni |
| Innehåll |
0.39 |
0.20 |
0.82 |
0.01 |
0.005 |
0.94 |
0.18 |
0.05 |
0.02 |
| ASTM A519-krav |
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 Test av rörhärdbarhet
På de härdade proverna av testet för härdningshårdhet för total väggtjocklek, kan resultatet av den totala väggtjocklekens hårdhet, som visas i figur 2, ses i figur 2, i 21 ~ 24 mm från utsidan av härdningshårdheten började sjunka avsevärt, och från utsidan av 21 ~ 24 mm är högtemperaturhärdningen av röret som finns i området för ringsprickan, området under och över väggtjockleken av hårdheten för den extrema skillnaden mellan placeringen av väggtjockleken av regionen nådde 5 (HRC) eller så. Hårdhetsskillnaden mellan detta områdes nedre och övre väggtjocklek är cirka 5 (HRC). Den metallografiska organisationen i det släckta tillståndet visas i fig. 3. Från den metallografiska organisationen i fig. 3; det kan ses att organisationen i det yttre området av röret är en liten mängd ferrit + martensit, medan organisationen nära den inre ytan inte är släckt, med en liten mängd ferrit och bainit, vilket leder till den låga härdningshårdheten från rörets yttre yta till rörets inre yta på ett avstånd av 21 mm. Den höga graden av konsistens av ringsprickor i rörväggen och läget för extrema skillnader i härdningshårdhet tyder på att ringsprickor sannolikt kommer att uppstå under härdningsprocessen. Den höga överensstämmelsen mellan ringsprickornas placering och den sämre härdningshårdheten indikerar att ringsprickorna kan ha uppstått under härdningsprocessen.
Fig.2 Värdet för härdningshårdhet i full väggtjocklek
Fig.3 Härdkonstruktion av stålrör
2.3 De metallografiska resultaten av stålröret visas i Fig. 4 respektive Fig. 5.
Stålrörets matrisorganisation är härdad austenit + en liten mängd ferrit + en liten mängd bainit, med en kornstorlek på 8, vilket är en medelhärdad organisation; sprickorna sträcker sig längs den längsgående riktningen, som hör till den kristallina sprickningen, och de två sidorna av sprickorna har de typiska egenskaperna att gripa; det finns fenomenet avkolning på båda sidor, och högtemperatur grå oxidskikt kan observeras på ytan av sprickorna. Det finns avkolning på båda sidor, och ett högtemperatur-grå oxidskikt kan observeras på sprickytan, och inga icke-metalliska inneslutningar kan ses i närheten av sprickan.
Fig.4 Observationer av sprickmorfologi
Fig. 5 Mikrostruktur av crack
2.4 Spricksprickmorfologi och energispektrumanalysresultat
Efter att sprickan har öppnats observeras sprickans mikromorfologi under svepelektronmikroskopet, som visas i fig. 6, som visar att sprickan har utsatts för höga temperaturer och att högtemperaturoxidation har inträffat på ytan. Sprickan är huvudsakligen längs kristallbrottet, med kornstorleken från 20 till 30 μm, och inga grova korn och onormala organisatoriska defekter hittas; energispektrumanalysen visar att frakturens yta huvudsakligen består av järn och dess oxider, och inga onormala främmande grundämnen ses. Spektralanalys visar att sprickytan i första hand är järn och dess oxider, utan onormalt främmande element.
Fig. 6 Sprickmorfologi för sprickor
3 Analys och diskussion
3.1 Analys av sprickdefekter
Ur sprickmikromorfologisk synvinkel är spricköppningen rak; svansen är böjd och skarp; sprickförlängningsbanan visar egenskaperna för sprickbildning längs kristallen, och de två sidorna av sprickan har typiska ingreppsegenskaper, vilket är de vanliga egenskaperna för att släcka sprickor. Ändå fann den metallografiska undersökningen att det finns avkolningsfenomen på båda sidor av sprickan, vilket inte är i linje med egenskaperna hos de traditionella härdsprickorna, med hänsyn till det faktum att stålrörets härdningstemperatur är 735 ℃, och Ac1 är 738 ℃ i SAE 4140, vilket inte är i linje med de konventionella egenskaperna för att släcka sprickor. Med tanke på att anlöpningstemperaturen som används för röret är 735 °C och Ac1 i SAE 4140 är 738 °C, som ligger mycket nära varandra, antas det att avkolningen på båda sidor av sprickan är relaterad till hög- temperaturhärdning under anlöpningen (735 °C) och är inte en spricka som fanns redan innan värmebehandlingen av röret.
3.2 Sprickorsaker
Orsakerna till släckningssprickor är i allmänhet relaterade till släckningsvärmetemperaturen, släckningshastigheten, metallurgiska defekter och släckningspåkänningar. Från resultaten av sammansättningsanalys, uppfyller rörets kemiska sammansättning kraven för SAE 4140 stålkvalitet i ASTM A519 standard, och inga överskridande element hittades; inga icke-metalliska inneslutningar hittades nära sprickorna, och energispektrumanalysen vid sprickbrottet visade att de grå oxidationsprodukterna i sprickorna var Fe och dess oxider, och inga onormala främmande element sågs, så det kan uteslutas att metallurgiska defekter orsakade de ringformiga sprickorna; rörets kornstorleksgrad var Grade 8, och kornstorleksgraden var Grade 7, och kornstorleken var Grade 8, och kornstorleken var Grade 8. Kornstorleksnivån på röret är 8; kornet är raffinerat och inte grovt, vilket tyder på att släckningssprickan inte har något att göra med släckningsvärmetemperaturen.
Bildandet av härdsprickor är nära relaterat till härdspänningarna, uppdelade i termiska och organisatoriska påkänningar. Termisk stress beror på stålrörets kylning; ytskiktet och hjärtat av stålrörets kylningshastighet är inte konsekventa, vilket resulterar i ojämn sammandragning av materialet och inre spänningar; resultatet är att stålrörets ytskikt utsätts för tryckspänningar och hjärtat av dragpåkänningarna; vävnadsspänningar är släckningen av stålrörsorganisationen till martensittransformationen, tillsammans med expansionen av volymen av inkonsekvens i genereringen av de inre spänningarna, organisationen av spänningar som genereras av resultatet är ytskiktet av dragspänningar, centrum av dragspänningarna. Dessa två typer av spänningar i stålröret finns i samma del, men riktningsrollen är den motsatta; den kombinerade effekten av resultatet är att en av de två spänningarnas dominerande faktor, termisk spänningsdominerande roll är resultatet av arbetsstyckets hjärtdrag, yttryck; vävnad stress dominerande roll är resultatet av arbetsstycket hjärtat dragtryck ytdrag.
SAE 4140 stålrörshärdning med hjälp av roterande yttre duschkylning, kylhastigheten på den yttre ytan är mycket större än den inre ytan, den yttre metallen på stålröret är helt härdad, medan den inre metallen inte är helt kyld för att producera en del av ferrit- och bainitorganisation, den inre metallen på grund av den inre metallen kan inte helt omvandlas till martensitisk organisation, stålrörets inre metall utsätts oundvikligen för den dragspänning som genereras av expansionen av martensitens yttervägg, och vid samtidigt, på grund av de olika typerna av organisation, är dess specifika volym olika mellan den inre och yttre metallen. Samtidigt, på grund av de olika typerna av organisation, är den speciella volymen av metallens inre och yttre skikt olika , och krympningshastigheten inte är densamma under kylning, kommer dragspänningar också att genereras i gränssnittet mellan de två typerna av organisation, och fördelningen av spänningen domineras av de termiska spänningarna och dragspänningen som genereras i gränssnittet mellan de två typerna av organisation inuti röret är störst, vilket resulterar i att ringen släcker sprickor som uppstår i området för rörets väggtjocklek nära den inre ytan (21~24 mm bort från den yttre ytan); dessutom är änden av stålröret en geometrikänslig del av hela röret, benägen att generera spänningar. Dessutom är rörets ände en geometriskt känslig del av hela röret, som är utsatt för spänningskoncentration. Denna ringspricka uppstår vanligtvis endast i änden av röret, och sådana sprickor har inte hittats i rörkroppen.
Sammanfattningsvis orsakas härdade SAE 4140 tjockväggiga stålrör ringformade sprickor av ojämn kylning av inner- och ytterväggarna; kylhastigheten för ytterväggen är mycket högre än den för innerväggen; produktion av SAE 4140 tjockväggigt stålrör för att ändra den befintliga kylmetoden, kan inte användas endast utanför kylningsprocessen, behovet av att stärka kylningen av stålrörets innervägg, för att förbättra enhetligheten i kylningshastigheten av de inre och yttre väggarna på det tjockväggiga stålröret för att minska spänningskoncentrationen, vilket eliminerar ringsprickorna. Ringsprickor.
3.3 Förbättringsåtgärder
För att undvika härdningssprickor, i härdningsprocessdesignen, är alla förhållanden som bidrar till utvecklingen av härdningsdragspänningar faktorer för bildandet av sprickor, inklusive uppvärmningstemperaturen, kylprocessen och utloppstemperaturen. Förbättrade processåtgärder som föreslås inkluderar: härdningstemperatur på 830-850 ℃; användningen av ett inre munstycke matchat med rörets mittlinje, kontroll av lämpligt inre sprayflöde, förbättring av kylhastigheten för det inre hålet för att säkerställa att kylhastigheten för de inre och yttre väggarna av tjockväggiga stålrörs kylhastighet enhetlighet; kontroll av efterhärdningstemperaturen på 150-200 ℃, användningen av stålrörets resttemperatur av självhärdning, minska härdningsspänningarna i stålröret.
Användningen av förbättrad teknik ger ∅158,75 × 34,93 mm, ∅139,7 × 31,75 mm, ∅254 × 38,1 mm, ∅224 × 26 mm, och så vidare, enligt dussintals stålrörsspecifikationer. Efter ultraljudsfelinspektion är produkterna kvalificerade, utan ringsläckande sprickor.
4. Slutsats
(1) Enligt de makroskopiska och mikroskopiska egenskaperna hos rörsprickor, tillhör de ringformade sprickorna vid rörändarna på SAE 4140 stålrör sprickbildningsfelet som orsakas av härdspänning, som vanligtvis uppstår vid rörändarna.
(2) Släckta SAE 4140 tjockväggiga stålrör ringformade sprickor orsakas av ojämn kylning av inner- och ytterväggarna. Ytterväggens kylhastighet är mycket högre än innerväggens. För att förbättra enhetligheten i kylningshastigheten för de inre och yttre väggarna av det tjockväggiga stålröret, måste produktionen av SAE 4140 tjockväggiga stålrör förstärka kylningen av innerväggen.
