40CrMnMo鋼軸心鋼管淬火開裂原因分析及預(yù)防措施
井下石油開采工具是在數(shù)千米深的井中工作，環(huán)境惡劣，受力狀況復(fù)雜，通常情況下，開采工具既要承受拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力，也要承受強烈的摩擦和沖擊，同時工具也要耐高溫、高壓和環(huán)境腐蝕。
這就要求井下開采工具材料性能具有優(yōu)良的綜合力學性能， 既要保證高的強度，也要保證優(yōu)良的沖擊韌性，同時還要耐海水、泥漿的腐蝕。鑒于井下工況對于具使用性能要求，井下工具選材通常情況是含有耐腐蝕元素Cr、Mo等的合金結(jié)構(gòu)鋼，然后通過適當熱處理調(diào)質(zhì)工藝來保證其滿足強度和沖擊韌性要求。本文針對井下管柱加工過程中，對其中的一種材質(zhì)為40CrMnMo鋼的軸心管工件進行調(diào)質(zhì)處理時，在淬火過程中多次出現(xiàn)嚴重開裂，導(dǎo)致工件報廢，造成定經(jīng)濟損失。為此，從軸心管材質(zhì)化學成分、組織、熱處理工藝以及裂紋形態(tài)等方面分析了產(chǎn)生淬火裂紋原因，提出了改進和預(yù)防措施。
1、 失效工件描述
原材料為φ200 mmx1 m的40CMnMo鋼實心鍛鑄材料。工藝流程:粗車→鉆、鏜孔(到壁厚約20mm）→淬火→回火→精車。軸心管工件外形尺時:長約為1m,直徑為φ200 mm, 壁厚為20 mm的管材。
熱處理工藝:先在箱式爐中緩慢加熱到500℃后，然后放人鹽浴爐加熱到淬火溫度860~880℃，在鹽浴爐加熱時間約為30min,然后在約40- 60℃的淬火油中進行淬火，淬火時間約10min, 取出后，在箱式爐中進行回火，600 ℃保溫10h隨爐冷卻。
開裂情況:裂紋沿中心管軸線方向發(fā)展，從邊緣明顯可見，在徑向壁厚方向已經(jīng)裂透，裂紋宏觀照片如圖1。
2、檢測與分析
2.1 化學成分檢測
將淬火開裂軸心管工件，局部線切割取樣進行成分分析，結(jié)果如表1所示，其化學成分符合GB/T3077--1999《合金結(jié)構(gòu)鋼的化學成分與力學性能》。
2.2 金相檢測與分析能人
將該調(diào)質(zhì)后的軸心管縱向取兩個試樣，火處理(850℃保溫15 h隨爐冷卻)，然后經(jīng)過砂紙打磨后在拋光機上拋光，用4%的硝酸酒精腐蝕，觀察其金相組織。見圖2（a）；試樣2直接經(jīng)過砂紙打磨后拋光腐蝕，觀察其金相組織，如圖2（b）所示。
將圖2檢測到的金相組織對照GBT 13299-1991 《鋼的顯微組織評定方法》，發(fā)現(xiàn)試樣1中帶狀組織為3~4級，其中白色為先共析鐵素體，灰黑色為珠光體，珠光體組織約占60%明顯偏高，試樣2金相組織為回火索氏體和少量回火屈氏體。
3、開裂原因分析及解決方案
3.1裂紋形狀和熱處理工藝
觀察軸心管裂紋的形狀，屬于縱向裂紋，它是沿軸向發(fā)生且裂紋較深，甚至在軸心管邊上已經(jīng)明顯看出裂紋沿徑向已經(jīng)裂透，由此斷定造成軸心管開裂的應(yīng)力是表面切向拉應(yīng)力，是后期組織應(yīng)力引起的，同時，由于軸心管材質(zhì)為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，淬火過程中也是組織應(yīng)力古主導(dǎo)地位。發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，塑性急劇降低，而此時組織應(yīng)力急劇增大，使得淬火內(nèi)應(yīng)力在工件表面形成的拉應(yīng)力超過冷卻時鋼的強度而引起開裂，常出現(xiàn)在全部淬透部分。出現(xiàn)這種裂紋主要是由于淬火工藝不恰當造成組織應(yīng)力較大的緣故。由于軸心管淬火加熱溫度在860~880℃，溫度相對偏高，再迅速放人40~60℃的淬火油中，在Ms轉(zhuǎn)變溫度以上時，由于淬火加熱溫度高。熱應(yīng)力較大，而冷卻到MS轉(zhuǎn)變溫度以下時，由于淬火油溫又偏低，淬火時間10min相對也較長，在快速冷卻的過程產(chǎn)生較多的馬氏體，由于不同組織的比容不同，進而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，這是造成軸心管淬火開裂的原因之一。
3.2原材料組織的均勻性
通過對截取的試樣1進行退火處理(850℃保溫15 h隨爐冷卻)后金相分析發(fā)現(xiàn)，帶有裂紋的軸心管經(jīng)過退火處理后，依然有明顯的帶狀組織偏析存在，說明銅材本身帶狀組織偏析較嚴重，組織不均勻。帶狀組織存在會加大工件淬火開裂傾向。
相關(guān)文獻指出，低中碳合金鋼中的帶狀組織是指沿鋼材軋制方向或鍛造方向形成的，以先共析鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此堆疊而成的鑄態(tài)組織，是經(jīng)常出現(xiàn)在鋼材中的缺陷性組織。由于鋼液在鑄錠結(jié)晶過程中選擇性結(jié)晶形成化學成分呈不均勻分布的枝晶組織，鑄錠中的粗大枝晶在軋制或鍛造時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶(實際上是條)和貧化帶彼此交替堆疊，在緩冷條件下，先在碳及合金元素貧化帶(過冷奧氏體穩(wěn)定性較低)析出先共析鐵素體，并將多余的碳排人兩側(cè)的富化帶，最終形成以鐵索體為主的帶:碳及合金元素富化帶，其過冷奧氏體穩(wěn)定性較高，在其后形成以珠光體為主的帶，因而形成了以鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替的帶狀組織。
軸心管帶狀組織中相鄰帶的顯微組織不同以及帶狀組織形貌及級別差異，使得軸心管在熱處理淬火過程中引起膨脹系數(shù)和相變前后比容差異增大，從而產(chǎn)生了很大的組織應(yīng)力，最終使軸心管淬火畸變增大，如果淬火工藝不當?shù)脑挘瑤罱M織引起淬火畸變開裂傾向會加大，更容易造成淬火開裂。
3.3解決方案及效果
通過以上對軸心管在淬火過程中開裂原因分析，首先在熱處理淬火工藝上進行了改進，將淬火溫度降低了10℃左右，并將淬火油溫提高到90℃左右，同時，也縮短軸心管在淬火油中的時間。結(jié)果表明，軸心管淬火時沒有開裂。由此可見，造成軸心管淬火開裂的主要原因是淬火工藝不當，而原材料中的帶狀組織會加大軸心管淬火開裂傾向，但不是造成淬火開裂的主要原因。
對軸心管進行密封試驗，在3500 psi壓強(相當于24 MPa)下能夠穩(wěn)壓10 min,完全符合井下工具密封性要求。
4、結(jié)論
造成軸心管淬火開裂的主要原岡是淬火工藝不恰當，而原材料中的帶狀組織加大了軸心管淬火開裂預(yù)向，但不是造成淬火開裂的主要原因，改進熱處理工藝后，軸心管沒再發(fā)生淬火開裂，并對軸心管進行密封試驗時，在3500psi壓強（相當于24MPa）下能夠穩(wěn)壓10min,完全符合井下工具密封性要求，為防止軸心管在淬火過程中開裂，需注意:
1)把好原料關(guān)。要求原材料中的帶狀組織≤3級，原材料中各種缺陷如疏松、偏析、非金屬夾雜等符合標準要求，化學成分與顯微組織要均勻。
2)減少機加工應(yīng)力。保證合理的進刀量，減少機加工殘余應(yīng)力，或是在淬火前先進行一次回火或正火來消除機加工應(yīng)力。
3)選擇合理淬火工藝，減小組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。適當降低淬火加熱溫度，并將淬火油溫提高到90℃左右，同時，也縮短軸心管在淬火油中的停留時間。
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