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40CrMnMo钢 无缝钢管 淬火开裂 原因分析 及 预防措施

40CrMnMo钢轴心钢管淬火开裂原因分析及预防措施 

井下石油开采工具是在数千米深的井中工作,环境恶劣,受力状况复杂,通常情况下,开采工具既要承受拉应力、扭转弯曲应力,也要承受强烈的摩擦和冲击,同时工具也要耐高温、高压和环境腐蚀。


     这就要求井下开采工具材料性能具有优良的综合力学性能,  既要保证高的强度,也要保证优良的冲击韧性,同时还要耐海水、泥浆的腐蚀。鉴于井下工况对于具使用性能要求,井下工具选材通常情况是含有耐腐蚀元素Cr、Mo等的合金结构钢,然后通过适当热处理调质工艺来保证其满足强度和冲击韧性要求。本文针对井下管柱加工过程中,对其中的一种材质为40CrMnMo钢的轴心管工件进行调质处理时,在淬火过程中多次出现严重开裂,导致工件报废,造成定经济损失。为此,从轴心管材质化学成分、组织、热处理工艺以及裂纹形态等方面分析了产生淬火裂纹原因,提出了改进和预防措施。


 1、 失效工件描述


原材料为φ200 mmx1 m的40CMnMo钢实心锻铸材料。工艺流程:粗车→钻、镗孔(到壁厚约20mm)→淬火→回火→精车。轴心管工件外形尺时:长约为1m,直径为φ200 mm,  壁厚为20 mm的管材。


热处理工艺:先在箱式炉中缓慢加热到500℃后,然后放人盐浴炉加热到淬火温度860~880℃,在盐浴炉加热时间约为30min,然后在约40- 60℃的淬火油中进行淬火,淬火时间约10min, 取出后,在箱式炉中进行回火,600 ℃保温10h随炉冷却。


开裂情况:裂纹沿中心管轴线方向发展,从边缘明显可见,在径向壁厚方向已经裂透,裂纹宏观照片如图1。


2、检测与分析


2.1  化学成分检测

将淬火开裂轴心管工件,局部线切割取样进行成分分析,结果如表1所示,其化学成分符合GB/T3077--1999《合金结构钢的化学成分与力学性能》。


2.2 金相检测与分析能人  

将该调质后的轴心管纵向取两个试样,火处理(850℃保温15 h随炉冷却),然后经过砂纸打磨后在抛光机上抛光,用4%的硝酸酒精腐蚀,观察其金相组织。见图2(a);试样2直接经过砂纸打磨后抛光腐蚀,观察其金相组织,如图2(b)所示。

 


将图2检测到的金相组织对照GBT 13299-1991 《钢的显微组织评定方法》,发现试样1中带状组织为3~4级,其中白色为先共析铁素体,灰黑色为珠光体,珠光体组织约占60%明显偏高,试样2金相组织为回火索氏体和少量回火屈氏体。

 

3、开裂原因分析及解决方案


3.1裂纹形状和热处理工艺

观察轴心管裂纹的形状,属于纵向裂纹,它是沿轴向发生且裂纹较深,甚至在轴心管边上已经明显看出裂纹沿径向已经裂透,由此断定造成轴心管开裂的应力是表面切向拉应力,是后期组织应力引起的,同时,由于轴心管材质为中碳合金结构钢,淬火过程中也是组织应力古主导地位。发生马氏体转变,塑性急剧降低,而此时组织应力急剧增大,使得淬火内应力在工件表面形成的拉应力超过冷却时钢的强度而引起开裂,常出现在全部淬透部分。出现这种裂纹主要是由于淬火工艺不恰当造成组织应力较大的缘故。由于轴心管淬火加热温度在860~880℃,温度相对偏高,再迅速放人40~60℃的淬火油中,在Ms转变温度以上时,由于淬火加热温度高。热应力较大,而冷却到MS转变温度以下时,由于淬火油温又偏低,淬火时间10min相对也较长,在快速冷却的过程产生较多的马氏体,由于不同组织的比容不同,进而产生较大的组织应力,这是造成轴心管淬火开裂的原因之一。


3.2原材料组织的均匀性


通过对截取的试样1进行退火处理(850℃保温15 h随炉冷却)后金相分析发现,带有裂纹的轴心管经过退火处理后,依然有明显的带状组织偏析存在,说明铜材本身带状组织偏析较严重,组织不均匀。带状组织存在会加大工件淬火开裂倾向。


相关文献指出,低中碳合金钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向或锻造方向形成的,以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的铸态组织,是经常出现在钢材中的缺陷性组织。由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织,铸锭中的粗大枝晶在轧制或锻造时沿变形方向被拉长,并逐渐与变形方向一致,从而形成碳及合金元素的贫化带(实际上是条)和贫化带彼此交替堆叠,在缓冷条件下,先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体,并将多余的碳排人两侧的富化带,最终形成以铁索体为主的带:碳及合金元素富化带,其过冷奥氏体稳定性较高,在其后形成以珠光体为主的带,因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。


轴心管带状组织中相邻带的显微组织不同以及带状组织形貌及级别差异,使得轴心管在热处理淬火过程中引起膨胀系数和相变前后比容差异增大,从而产生了很大的组织应力,最终使轴心管淬火畸变增大,如果淬火工艺不当的话,带状组织引起淬火畸变开裂倾向会加大,更容易造成淬火开裂。


3.3解决方案及效果

通过以上对轴心管在淬火过程中开裂原因分析,首先在热处理淬火工艺上进行了改进,将淬火温度降低了10℃左右,并将淬火油温提高到90℃左右,同时,也缩短轴心管在淬火油中的时间。结果表明,轴心管淬火时没有开裂。由此可见,造成轴心管淬火开裂的主要原因是淬火工艺不当,而原材料中的带状组织会加大轴心管淬火开裂倾向,但不是造成淬火开裂的主要原因。


对轴心管进行密封试验,在3500 psi压强(相当于24 MPa)下能够稳压10 min,完全符合井下工具密封性要求。

 

 4、结论


造成轴心管淬火开裂的主要原冈是淬火工艺不恰当,而原材料中的带状组织加大了轴心管淬火开裂预向,但不是造成淬火开裂的主要原因,改进热处理工艺后,轴心管没再发生淬火开裂,并对轴心管进行密封试验时,在3500psi压强(相当于24MPa)下能够稳压10min,完全符合井下工具密封性要求,为防止轴心管在淬火过程中开裂,需注意:


1)把好原料关。要求原材料中的带状组织≤3级,原材料中各种缺陷如疏松、偏析、非金属夹杂等符合标准要求,化学成分与显微组织要均匀。

2)减少机加工应力。保证合理的进刀量,减少机加工残余应力,或是在淬火前先进行一次回火或正火来消除机加工应力。

3)选择合理淬火工艺,减小组织应力和热应力。适当降低淬火加热温度,并将淬火油温提高到90℃左右,同时,也缩短轴心管在淬火油中的停留时间。

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