Análise das causas da fissuração durante a têmpera do tubo de aço sem costura 40CrMnMo e medidas preventivas

Ferramentas subterrâneas de extração de petróleo funcionam em poços a milhares de metros de profundidade, com ambientes agressivos e condições complexas. Em circunstâncias normais, as ferramentas de extração devem não apenas suportar tensão de tração e tensão de flexão torcional, mas também suportar forte atrito e impacto. Ao mesmo tempo, as ferramentas também devem suportar altas temperaturas, alta pressão e corrosão ambiental.

Isso requer que as propriedades do material das ferramentas de mineração subterrânea tenham excelentes propriedades mecânicas abrangentes, não apenas para garantir alta resistência, mas também para garantir excelente resistência ao impacto e, ao mesmo tempo, resistir à corrosão da água do mar e da lama. Dados os requisitos de desempenho das condições de trabalho subterrâneas, a seleção de material de ferramentas subterrâneas é geralmente aço estrutural de liga contendo elementos resistentes à corrosão, como Cr e Mo, e então processos apropriados de têmpera e têmpera são usados para garantir que atenda aos requisitos de resistência e resistência ao impacto. Este artigo enfoca a têmpera e têmpera de uma das peças de tubo axial feitas de aço 40CrMnMo durante o processamento de cordas de tubos subterrâneos. Fissuras severas ocorreram muitas vezes durante o processo de têmpera, resultando na demolição da peça de trabalho e certas perdas econômicas. Para tanto, foram analisadas as causas das trincas de têmpera a partir dos aspectos da composição química, organização, processo de tratamento térmico e morfologia das trincas do material do tubo do eixo, sendo propostas medidas de melhoria e prevenção.

1. Descrição do workpiece falhado
A matéria-prima é material de forjamento sólido de aço 40CMnMo com um tamanho de φ200 mmx1 m. Fluxo do processo: torneamento áspero → perfuração e perfuração (para uma espessura de parede de cerca de 20mm) → têmpera → têmpera → torneamento fino. As dimensões externas da peça do tubo de eixo: são um tubo com um comprimento de cerca de 1m, um diâmetro de φ 200mm e uma espessura de parede de 20mm.
Processo de tratamento térmico: primeiro aqueça lentamente a 500 ℃ em um forno de caixa, depois coloque-o em um forno de banho de sal e aqueça-o a uma temperatura de têmpera de 860 ~ 880 ℃. O tempo de aquecimento no forno de banho de sal é de cerca de 30 minutos e depois extingue-o em um óleo têmpera a cerca de 40-60 ℃ por cerca de 10 minutos. Depois de retirá-lo, tempere-o em um forno de caixa, mantenha-o a 600 ℃ por 10h e resfrie-o com o forno.
Rachadura: A rachadura se desenvolve ao longo do eixo do tubo central, que é visível a partir da borda e se romperam na direção da espessura da parede radial.

2. Análise de rachaduras causas e soluções
2.1 Forma do crack e processo do tratamento térmico
Observando a forma da rachadura no tubo axial, é uma rachadura longitudinal. Ocorre ao longo da direção axial e a rachadura é profunda. Pode até ser visto na borda do tubo axial que a rachadura quebrou na direção radial. Conclui-se que a tensão que causa a fissuração do tubo axial é a tensão de tração tangencial superficial, que é causada pela tensão organizacional posterior. Ao mesmo tempo, uma vez que o material do tubo axial é aço estrutural de liga de carbono médio, o estresse organizacional também é o fator dominante durante o processo de têmpera. Quando ocorre a transformação martensítica, a plasticidade diminui acentuadamente e, neste momento, o estresse organizacional aumenta acentuadamente, de modo que a tensão de tração formada pela tensão interna de têmpera na superfície da peça de trabalho excede a resistência do aço durante o resfriamento, causando rachaduras, que geralmente ocorrem em todas as partes endurecidas. Esse tipo de crack ocorre principalmente devido ao grande estresse organizacional causado por processos inadequados de têmpera. Como a temperatura de aquecimento de têmpera do tubo do eixo é 860 ~ 880 ℃, a temperatura é relativamente alta e, em seguida, é rapidamente colocada no óleo de têmpera de 40 ~ 60 ℃. Quando está acima da temperatura de transformação Ms, a temperatura de aquecimento é alta. O estresse térmico é grande. Quando é resfriado abaixo da temperatura de transformação MS, a temperatura do óleo de têmpera é baixa e o tempo de têmpera de 10 minutos é relativamente longo. Mais martensita é produzida no processo de resfriamento rápido. Devido aos diferentes volumes específicos de diferentes organizações, maior estresse organizacional é gerado, que é uma das razões para a quebra de têmpera do tubo do eixo.

2.2 Uniformidade da Organização Matéria Prima
Após o recozimento da amostra de corte 1 (isolamento de 850 ℃ por 15 h e resfriamento do forno), a análise metalográfica descobriu que o tubo do eixo com rachaduras ainda tinha segregação organizacional óbvia após o recozimento, indicando que a segregação organizacional do material de cobre em si é séria e a organização é desigual. A existência de uma organização unida aumentará a tendência do workpiece que extingue rachaduras. A literatura relevante aponta que a estrutura com bandas em ligas de aço de baixo e médio carbono refere-se à estrutura fundida formada ao longo da direção de laminação ou forjamento do aço, que é composta principalmente por uma faixa de ferrita eutetóide e uma faixa de perlite empilhadas entre si. É uma estrutura defeituosa que muitas vezes aparece em aço. Como o líquido de aço cristaliza seletivamente durante o processo de cristalização do lingote para formar uma estrutura dendrita com composição química desigual, os dendritos grosseiros no lingote são alongados ao longo da direção de deformação durante o rolamento ou forjamento, e gradualmente se alinhando com a direção da deformação, formando assim uma banda empobrecida de carbono e liga. E uma banda esgotada alternadamente empilhados uns com os outros. Sob condições de resfriamento lento, a ferrita proeutetóide é precipitada pela primeira vez na banda empobrecida do elemento de carbono e liga (a estabilidade da austenita super-resfriada é baixa), e o excesso de carbono é descarregado nas bandas enriquecidas em ambos os lados e, finalmente, uma banda dominada por ferrita é formada: banda enriquecida com carbono e liga, Cuja austenita super-resfriada tem alta estabilidade, e uma banda dominada por pearlite é formada posteriormente, formando assim uma estrutura em banda na qual uma banda dominada por ferrite e uma banda dominada por pearlite se alternam entre si. As microestruturas diferentes de faixas adjacentes na estrutura unida do tubo axial, assim como as diferenças na morfologia e no nível da estrutura unida, fazem com que o coeficiente de expansão e a diferença no volume específico antes e depois da mudança de fase do tubo axial aumentem durante o processo de têmpera do tratamento térmico, Gerando assim grande estresse organizacional e, finalmente, aumentando a distorção de têmpera do tubo axial. Se o processo de têmpera for inadequado, a tendência da estrutura em faixas de causar distorção e rachaduras de têmpera aumentará, e é mais provável que cause rachaduras de têmpera.

2.3 Soluções e Efeitos Através da análise acima das causas de rachaduras do tubo axial durante a têmpera, o processo de têmpera do tratamento térmico foi melhorado, a temperatura de têmpera foi reduzida em cerca de 10 ° C e a temperatura do óleo de têmpera foi aumentada para cerca de 90 ° C. Ao mesmo tempo, o tempo do tubo axial no óleo de têmpera foi encurtado. Os resultados mostram que o tubo axial não trincou durante a têmpera. Pode-se ver que a principal causa de têmpera rachamento do tubo axial é um processo de têmpera impróprio, e a estrutura em banda na matéria-prima aumentará a tendência de têmpera rachamento do tubo axial, mas não é a principal causa de têmpera rachamento. O teste de vedação do tubo axial foi realizado, e a pressão pôde ser estabilizada por 10 minutos a uma pressão de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), o que atende plenamente aos requisitos de vedação de ferramentas de downhole.

2.4 Conclusão
A principal razão para o rachamento de têmpera do tubo axial é o processo de têmpera inadequado, e a estrutura em banda na matéria-prima aumenta o rachamento de têmpera do tubo axial, mas não é a principal causa do rachamento de têmpera. Após melhorar o processo do tratamento térmico, o tubo axial era já não extinguido e rachado. Quando o teste de vedação do tubo axial foi realizado, a pressão pôde ser estabilizada por 10 minutos a uma pressão de 3500 psi (equivalente a 24 MPa), o que atende plenamente aos requisitos de vedação das ferramentas do poço. Para evitar que o tubo axial trinque durante o processo de têmpera, é necessário prestar atenção ao seguinte:
1) Mantenha o bom controle das matérias primas. A estrutura em faixas nas matérias-primas deve ser ≤ 3 níveis, e vários defeitos nas matérias-primas, como frouxidão, segregação, inclusões não metálicas, etc., atendem aos requisitos padrão, e a composição química e a microestrutura devem ser uniformes.
2) Reduzir usinagem estresse. Garanta uma taxa de alimentação razoável, reduza a tensão residual de usinagem ou revenido ou normalizado antes da têmpera para eliminar a tensão de usinagem.
3) Escolha um processo de têmpera razoável para reduzir o estresse organizacional e o estresse térmico. Reduza adequadamente a temperatura de aquecimento e aumente a temperatura do óleo de têmpera para cerca de 90 ° C. Ao mesmo tempo, encurte o tempo de residência do tubo do eixo no óleo de têmpera.