シームレス鋼管の冷間処理はなぜ厳格な手順に従う必要があるのですか?

冷間処理（サブゼロ処理または極低温処理とも呼ばれます）は、特定の継目無鋼パイプおよびチューブ グレード - で最も一般的なのは合金鋼、軸受鋼、および精密引抜管で、通常の構造パイプよりも耐用年数にわたる寸法安定性が重要である-の焼入れ後に適用される次のステップです。-正しく実行すると、残った残留オーステナイトがマルテンサイトに変換され、焼入れによって残る内部応力が軽減されます。間違った順序で実行したり、手順を飛ばしたりすると、製造現場では寸法的には問題ないように見えるパイプが、数か月後に使用中に亀裂が入ったり、歪んだり、許容範囲を超えて成長したりする可能性があります。

このプロセスは概念的には複雑ではありませんが、シーケンスとしてのみ機能します- 各ステップは、その前のステップによって生じるストレスを管理するために存在します。以下では、そもそも冷間処理が必要な理由の背後にある冶金学、実際に冷間処理を行う必要がある順序での 4 段階のプロセス、および冷間処理を経たはずのパイプを購入する際に確認すべき点について説明します。-

硬化性鋼が焼き入れされると、材料が Ms (マルテンサイト開始) と呼ばれる温度を超えて冷却されると、その構造内のオーステナイトがマルテンサイトに変態します。この変態は温度が低下し続けるにつれて継続し、Mf (マルテンサイト仕上げ) - と呼ばれるより低い温度まで下がります。この温度は変態が本質的に完了する点です。問題はそれです多くの合金鋼や軸受鋼では、Mf は室温よりかなり低い温度にあります。。したがって、室温で停止した焼入れ（または空冷して室温に戻す）では変態が途中で停止し、元のオーステナイトの一部が未変態のまま残ります。これは残留オーステナイト.

残留オーステナイトは準安定です - これは永続的に安定した相ではなく、変態が完了するまで十分に冷えなかっただけのオーステナイトです。放っておくと、特に負荷、振動、または温度サイクル下で、使用時間の経過とともにゆっくりと変形する可能性があります。マルテンサイトは、それが形成されるオーステナイトよりも多くの体積を占めるため、その遅い変態は次のように現れます。部品がすでに使用されている後の寸法の増加と内部応力の蓄積- は、まさに、防止するためにコールド処理が存在する故障モードです。

これが、冷遇が最も頻繁に現れる理由です。精密シームレスチューブ、ベアリングレース、ゲージコンポーネント、工具鋼部品-- アプリケーションでは、部品の取り付け後の寸法のわずかなずれが表面上の問題ではなく、実際の問題となります。普通の炭素鋼のライン パイプや構造用シームレス パイプには、日常的な手順としては適用されません。これは、これらの材種は最初から硬化されておらず、単に焼き入れ後に意味のある残留オーステナイトを保持しないためです。-バイヤーが標準品を調達している場合A106またはAPI 5Lシームレスラインパイプ、冷間処理については質問する必要はありません。注文がベアリング ハウジング、油圧シリンダー ライナー、ゲージ ブロック用の精密研磨シームレス チューブの場合、サプライヤーのプロセスにそれが含まれているかどうか、またその方法を尋ねる価値があります。{0}

ステップ 1: なぜ最初に沸騰したお湯に浸しておきますか?{1}

パイプが氷点下に近づく前に、まず沸騰したお湯の中に入れ、そこにしばらく保持します。{0}約30秒。このステップでは 2 つのことを一度に行います。まず、それ内部ストレスの約 15% を軽減します。元の焼入れ - 応力から残ったもので、冷間処理によって導入される新しい応力の上に積み重なることになります。第二に、それは残留オーステナイトを安定化させる部品がその後のさらに大きな温度変動にさらされる前に、現在の状態に保たれます。このステップを省略しても、冷間処理の機能が停止するわけではありませんが、後の段階で期待されるバッファーが削除されます。これは、ショップがサイクル タイムを節約しようとする場合によく使用されるショートカットの 1 つです。

ステップ 2: - 氷点下、次に極低温の 2 段階で処理する理由

冷却処理自体は 1 段階ではなく 2 段階の温度で行われます。パイプはまず、従来の氷点下温度約-60℃、その後になって初めて、-120℃程度の極低温処理。これを直接-120 ℃に設定するのは、沸騰した水-に浸すのと同じ理由です。-熱衝撃の速度を管理します。これは、制御されていない大きなデルタ-が、まさにすでに焼き入れされ、すでに応力がかかっている部品に亀裂が発生する傾向があるためです。{6}}

処理温度が低いほど、より多くの残留オーステナイトがマルテンサイトに変わります- これが、-60 ℃で停止するのではなく、-120 ℃に到達するポイントです。しかし、変革が完了することはありません。テストでは一貫して次のことが示されています約2%の残留オーステナイトが残る-120 ℃での極低温処理後でも、保持時間がどれだけ延長されたかに関係なく。この残留物は、ゼロまで追い求める欠陥ではありません。組織内に残された、制御された少量の残留オーステナイトが、欠陥として機能します。ストレスを吸収する緩衝材周囲のマルテンサイトに直接移行するのではなく、これが深極低温処理の仕様がゼロ-残留オーステナイト-の結果ではなく、温度と保持時間を目標としている理由の 1 つです。

ステップ 3: テンパリング前に温水で再加熱するのはなぜですか?

極低温保持が完了したら、パイプを取り出して内部で温めます。温水、自然に周囲の空気と均等になるようにしておかないでください。この再加熱ステップ冷却治療自体によってもたらされるストレスの約 40% を軽減します。- 氷点下および極低温段階で形成された新しいマルテンサイトは、元の焼き入れで残ったものに加えて、それ自体の内部応力を保持します。水中で徐々に温めることで、沸騰した水に事前に浸して下降を管理したのと同じように、温度変化を急激ではなく制御して、復路を管理します。-

ステップ 4: テンパリングをすぐに行う必要があるのはなぜですか?

シーケンスはテンパリングで終了し、温水の再加熱後はすぐに焼き戻しを行う必要があります-、生産スケジュールの都合のよい後の時点ではありません。焼き戻しは、温水ステップの後に残っている冷間処理応力の大部分を除去します。{{2}これが遅延割れを実際に防止します。-極低温段階で形成されたばかりのマルテンサイトは硬くて脆く、冷間処理と焼き戻しの間の期間で最も亀裂が発生しやすくなります。-パイプをその窓内に長時間保持しすぎると、たとえ室温であっても、焼き戻しによってパイプを駆動する応力を軽減する前に微小な亀裂が発生する危険性があります。{6}}

この最後のステップが正しく行われると、プロセス全体の実質的な成果が得られます。安定した最終寸法使用中に緩やかな歪みを引き起こす残留応力がなく、部品がすでに出荷された後に現れるのを待っている焼き戻し構造内に存在する潜在的な亀裂のリスクもありません。

このシーケンスのすべてのステップは、前のステップによって生じたストレスを管理するために存在します。そのため、順序は便宜的なものではありません。

• 事前に沸騰した-水-に浸す必要はありませんまた、氷点下/極低温ステージはより高いベースライン内部応力から開始されるため、低温ステージ自体で亀裂のリスクが増加します。{0}
• -60℃の中間段階を経ずに-120℃まで直接ジャンプ、そしてパイプははるかに大きな単一の熱衝撃を受けるため、亀裂のリスクは低下するのではなく、再び上昇します。
• 温水再加熱をスキップまたは短縮する-そして、冷間処理応力の約 40% が焼き戻しに入る部品に閉じ込められたままとなり、焼き戻しの目的に反して作用します。-
• 再加熱後のテンパリングを遅らせる部品は必要以上に長くクラックが発生しやすい状態にあり、遅延が許容される保証はありません。{0}

両端で段階的なアプローチを行わずに、これを 1 回のコールド ソークと 1 回の焼き戻しに圧縮するサプライヤーは、即時の寸法チェックに合格した部品を製造する可能性がありますが、後になって初めて現れる応力や亀裂のリスクがまだ残っている可能性があります。

ベアリング用途向けの精密シームレス チューブのバッチは、下請け業者によって短縮サイクルで冷間処理されました。つまり、-60 ℃の中間段階を行わずに、-120 ℃まで 1 回直接浸漬し、その後、再加熱直後ではなく翌日に焼き戻しが行われました。{0}チューブは受領時の寸法検査に合格しました。使用開始から数週間後、バッチのサブセットに圧縮処理サイクルに遡るヘアライン亀裂が発生しました。これは、冷却中の単一の大きな熱衝撃と焼き戻し前の長時間の遅延の組み合わせにより、寸法検査だけでは検出できない潜在応力が材料内に残っていたためです。バッチは完全な 4 段階シーケンスで再加工され、サプライヤーのプロセス文書は、最終寸法だけでなく、今後すべてのロットの保持時間と再加熱と焼き戻しの間のギャップを記録するように改訂されました。

冷間処理は仕様ラインではなくプロセスであり、最終硬度または最終寸法のみを報告する工場証明書では、その手順が実際に守られたかどうかはわかりません。冷間処理が用途にとって重要なシームレスパイプまたはチューブを注文する前に、次のことを尋ねる価値があります。

1. 実際に冷間処理が必要なグレードを確認します。すべてのシームレス鋼管グレードがこのプロセスの恩恵を受けるわけではありません。-これは、Mf 点が低い合金鋼、軸受鋼、工具鋼に重要であり、未硬化のカーボン構造やライン パイプには重要ではありません。-
2. 各段階の保持時間と温度を文書化、単に「極低温処理」が行われたというメモではありません。プロセスで -60 ℃ / -120 ℃ の段階的アプローチを使用したか、それとも 1 回の直接コールドソークを使用したかを具体的に質問してください。
3. 温水の再加熱と焼き戻しの間のギャップ。-このギャップを明示できないサプライヤー、または再加熱後すぐにテンパリングするのではなく、遅れたバッチスケジュールで焼き戻しを行うサプライヤーは、証明書に示されている以上に亀裂のリスクを抱えています。
4. 用途が敏感な場合にオーステナイトまたは微細構造のテストデータを保持- 1 桁前半の残存レベルが予想されており、一般に有益です。残留レベルがはるかに高い場合は、低温処理段階が短縮またはスキップされたことを示唆しています。
5. 沸騰した-水に事前に浸す-ステップがサプライヤーの標準手順の一部であるかどうか、最終検査報告書に表示されずに静かに削除する最も簡単な手順の 1 つであるためです。
6. ロットトレーサビリティこれにより、寸法や亀裂の問題が後で表面化した場合、一般的な材料欠陥として扱うのではなく、特定の処理サイクルまで遡ることができます。

これら 6 つすべてにためらうことなく答えることができるサプライヤーは、管理されたプロセスについて説明しています。最終的な硬度の数字しか指摘できない人は、プロセスではなく結果を説明しているのです-。冷間処理されたシームレス パイプの場合、初日の結果ではその部品が使用後 6 か月後にどうなるかはわかりません。-

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