Analyse des causes de fissuration lors de la trempe des tuyaux en acier sans soudure 40CrMnMo et mesures préventives

Les outils souterrains d'extraction de pétrole fonctionnent dans des puits de milliers de mètres de profondeur, avec des environnements difficiles et des conditions de stress complexes. Dans des circonstances normales, les outils d'extraction doivent non seulement résister à une contrainte de traction et à une contrainte de flexion en torsion, mais également à une friction et à un impact importants. Dans le même temps, les outils doivent également résister à des températures élevées, à une pression élevée et à la corrosion environnementale.

Cela nécessite que les propriétés matérielles des outils miniers souterrains aient d'excellentes propriétés mécaniques complètes, non seulement pour assurer une résistance élevée, mais aussi pour assurer une excellente résistance aux chocs, et en même temps pour résister à la corrosion de l'eau de mer et de la boue. Compte tenu des exigences de performance des conditions de travail souterraines, la sélection des matériaux des outils souterrains est généralement en alliage d'acier de construction contenant des éléments résistants à la corrosion tels que Cr et Mo, puis des processus de trempe et de revenu de traitement thermique appropriés sont utilisés pour s'assurer qu'il répond aux exigences de résistance et de résistance aux chocs. Cet article se concentre sur la trempe et la trempe d'une des pièces tubulaires axiales en acier 40CrMnMo lors du traitement de ficelles souterraines. Une fissuration sévère s'est produite plusieurs fois pendant le processus de trempe, entraînant la mise au rebut de la pièce et certaines pertes économiques. À cette fin, les causes des fissures de trempe ont été analysées à partir des aspects de la composition chimique, de l'organisation, du processus de traitement thermique et de la morphologie des fissures du matériau du tube de l'axe, et des mesures d'amélioration et de prévention ont été proposées.

1. Description de la pièce défaillante
La matière première est un matériau de forgeage solide en acier 40CMnMo d'une taille de φ 200 mmx1 m. Flux de processus: tournage approximatif → perçage et perçage (jusqu'à une épaisseur de paroi d'environ 20mm) → trempe → trempe → tournage fin. Les dimensions extérieures de la pièce à tube axe: sont un tube d'une longueur d'environ 1m, d'un diamètre de φ 200mm et d'une épaisseur de paroi de 20mm.
Processus de traitement thermique: d'abord chauffer lentement à 500 ℃ dans un four à boîte, puis le mettre dans un four à bain de sel et le chauffer à une température de trempe de 860 ~ 880 ℃. Le temps de chauffage dans le four à bain de sel est d'environ 30 minutes, puis trempez-le dans une huile de trempe à environ 40-60 ℃ pendant environ 10 minutes. Après l'avoir sorti, tempérez-le dans un four à boîte, gardez-le à 600 ℃ pendant 10h et refroidissez-le avec le four.
Fissuration: La fissure se développe le long de l'axe du tube central, qui est visible depuis le bord et s'est fissurée dans la direction radiale de l'épaisseur de la paroi.

2. Analyse des causes de fissuration et des solutions
2.1 Forme de fissure et processus de traitement thermique
En observant la forme de la fissure dans le tube axial, il s'agit d'une fissure longitudinale. Il se produit le long de la direction axiale et la fissure est profonde. On voit même sur le bord du tube axial que la fissure s'est fissurée dans la direction radiale. Il est conclu que la contrainte qui provoque la fissuration du tube axial est la contrainte de traction tangentielle de surface, qui est causée par la contrainte organisationnelle ultérieure. Dans le même temps, puisque le matériau du tube axial est un acier de construction en alliage à teneur moyenne en carbone, le stress organisationnel est également le facteur dominant pendant le processus de trempe. Lorsque la transformation martensitique se produit, la plasticité diminue fortement, et à ce moment la contrainte organisationnelle augmente fortement, de sorte que la contrainte de traction formée par la contrainte interne de trempe sur la surface de la pièce dépasse la résistance de l'acier pendant le refroidissement, provoquant la fissuration, qui se produit souvent dans toutes les pièces durcies. Ce type de fissure se produit principalement en raison du stress organisationnel important causé par des processus de trempe inappropriés. Étant donné que la température de chauffage de trempe du tube d'axe est de 860 ~ 880 ℃, la température est relativement élevée, puis elle est rapidement placée dans l'huile de trempe de 40 ~ 60 ℃. Lorsqu'elle est supérieure à la température de transformation Ms, la température de chauffage de trempe est élevée. Le stress thermique est important. Lorsqu'elle est refroidie en dessous de la température de transformation MS, la température de l'huile de trempe est basse et le temps de trempe de 10 minutes est relativement long. Plus de martensite est produite dans le processus de refroidissement rapide. En raison des différents volumes spécifiques de différentes organisations, une plus grande contrainte organisationnelle est générée, ce qui est l'une des raisons de la fissuration par trempe du tube d'axe.

2.2 Uniformité de l'organisation des matières premières
Après recuit l'échantillon coupé 1 (isolation 850 ℃ pendant 15 h et refroidissement du four), l'analyse métallographique a révélé que le tube d'axe avec des fissures présentait toujours une ségrégation organisationnelle à bandes évidente après recuit, indiquant que la ségrégation organisationnelle à bandes du cuivre lui-même est grave et l'organisation est inégale. L'existence d'une organisation en bandes augmentera la tendance de la fissuration par trempe de la pièce. La littérature pertinente souligne que la structure en bandes en acier allié à faible et moyenne teneur en carbone se réfère à la structure coulée formée le long de la direction de laminage ou de forgeage de l'acier, qui est principalement composée d'une bande de ferrite eutectoïde et d'une bande de perlite empilées les unes sur les autres. C'est une structure défectueuse qui apparaît souvent dans l'acier. Étant donné que l'acier liquide cristallise sélectivement pendant le processus de cristallisation du lingot pour former une structure de dendrite avec une composition chimique inégale, les dendrites grossières dans le lingot sont allongées le long de la direction de déformation pendant le laminage ou le forgeage et s'alignent progressivement avec la direction de déformation, formant ainsi une bande appauvrie d'éléments en carbone et en alliage (en fait) Et une bande appauvrie empilés alternativement les uns avec les autres. Dans des conditions de refroidissement lent, la ferrite proeutectoïde est d'abord précipitée dans la bande appauvrie en éléments de carbone et d'alliage (la stabilité de l'austénite surfondue est faible), et l'excès de carbone est déchargé dans les bandes enrichies des deux côtés, et enfin, une bande dominée par la ferrite est formée: une bande enrichie en éléments de carbone et d'alliage, Dont l'austénite surfondue présente une stabilité élevée, et une bande dominée par la perlite est ensuite formée, formant ainsi une structure en bandes dans laquelle une bande dominée par la ferrite et une bande dominée par la perlite alternent l'une avec l'autre. Les différentes microstructures des bandes adjacentes dans la structure en bandes du tube axial, ainsi que les différences dans la morphologie et le niveau de la structure en bandes, entraînent une augmentation du coefficient d'expansion et de la différence de volume spécifique avant et après le changement de phase du tube axial pendant le processus de trempe du traitement thermique, Générant ainsi une contrainte organisationnelle importante et, en fin de compte, augmentant la distorsion de trempe du tube axial. Si le processus de trempe est incorrect, la tendance de la structure bandée à provoquer une distorsion et une fissuration par trempe augmentera, et il est plus susceptible de provoquer une fissuration par trempe.

2.3 Solutions et effets Grâce à l'analyse ci-dessus des causes de la fissuration du tube axial pendant la trempe, le processus de trempe par traitement thermique a été amélioré, la température de trempe a été réduite d'environ 10 ° C et la température de l'huile de trempe a été augmentée à environ 90 ° C. Dans le même temps, le temps du tube axial dans l'huile de trempe a été raccourci. Les résultats montrent que le tube axial ne se fissure pas lors de la trempe. On peut voir que la principale cause de la fissuration par trempe du tube axial est un processus de trempe incorrect, et la structure en bandes dans la matière première augmentera la tendance à la fissuration par trempe du tube axial, mais ce n'est pas la principale cause de fissuration par trempe. Le test d'étanchéité du tube axial a été effectué et la pression a pu être stabilisée pendant 10 minutes à une pression de 3500 psi (équivalente à 24 MPa), ce qui répond pleinement aux exigences d'étanchéité des outils de fond de trou.

2.4 Conclusion
La principale raison de la fissuration par trempe du tube axial est le processus de trempe inapproprié, et la structure en bandes dans la matière première augmente la fissuration par trempe du tube axial, mais ce n'est pas la principale cause de la fissuration par trempe. Après avoir amélioré le processus de traitement thermique, le tube axial n'était plus trempé et fissuré. Lorsque l'essai d'étanchéité du tube axial a été effectué, la pression a pu être stabilisée pendant 10 minutes à une pression de 3500 psi (équivalente à 24 MPa), ce qui répond pleinement aux exigences d'étanchéité des outils de fond. Pour éviter que le tube axial ne se fissure pendant le processus de trempe, il est nécessaire de faire attention aux points suivants:
1) Gardez le bon contrôle des matières premières. La structure en bandes dans les matières premières doit être ≤ 3 niveaux, et divers défauts dans les matières premières tels que le relâchement, la ségrégation, les inclusions non métalliques, etc. répondent aux exigences standard, et la composition chimique et la microstructure doivent être uniformes.
2) Réduire le stress d'usinage. Assurer une vitesse d'avance raisonnable, réduire les contraintes résiduelles d'usinage ou effectuer un revenu ou une normalisation avant la trempe pour éliminer les contraintes d'usinage.
3) Choisissez un processus de trempe raisonnable pour réduire le stress organisationnel et le stress thermique. Réduire de manière appropriée la température de chauffage de trempe et augmenter la température de l'huile de trempe à environ 90 ° C. En même temps, raccourcissez le temps de séjour du tube d'axe dans l'huile de trempe.