Nứt cứng hóa trong các mối hàn hoàn toàn bằng thép không gỉ Austenitic: Kiểm soát số lượng Ferrite

đầy đủthép không gỉ austenitcác mối hàn bị nứt trong quá trình đông đặc vì nếu không có một lượng nhỏ ferrite delta, các tạp chất lưu huỳnh và phốt pho có độ nóng chảy thấp- sẽ phân tách thành các màng chất lỏng mỏng dọc theo ranh giới hạt đông đặc và bị xé ra dưới áp lực làm mát. Biện pháp kiểm soát tiêu chuẩn của ngành là nhắm đến Số Ferrite (FN) trong khoảng từ 3 đến 10 bằng cách sử dụng sơ đồ WRC-1992 - đủ ferit để giữ lại những tạp chất đó nhưng không đến mức làm suy giảm khả năng chống ăn mòn hoặc thúc đẩy pha sigma giòn trong quá trình sử dụng.

Các mối hàn bằng thép không gỉ Austenitic - 304, 316 và nhiều biến thể của chúng - nằm trong số những vật liệu được hàn phổ biến nhất trong công nghiệp và hầu hết chúng đều chịu được hàn tốt. Nhưng một tập hợp ứng dụng cụ thể, từ các thùng chứa đông lạnh đến các loại austenit hoàn toàn như 310 và 330, đã loại bỏ tính năng thường bảo vệ các mối hàn này khỏi bị nứt: delta ferrite. Bài viết này giải thích cơ chế đằng sau vết nứt đông đặc, tại sao Số Ferrite là đòn bẩy chính để kiểm soát nó và phải làm gì khi ứng dụng thực sự không thể chịu đựng được ferit lẽ ra có thể giải quyết được vấn đề.

Tại sao mối hàn thép không gỉ Austenitic bị nứt trong quá trình hóa rắn?

Vết nứt đông đặc xảy ra khi các tạp chất lưu huỳnh và phốt pho còn sót lại phân tách thành các màng chất lỏng mỏng, có độ nóng chảy thấp- dọc theo ranh giới của các hạt đông đặc và ứng suất làm mát xé toạc các ranh giới vẫn-yếu đó ra trước khi chúng có thể đông đặc hoàn toàn.

Khi kim loại hàn nguội từ dạng lỏng sang dạng rắn, nó không đông đặc ngay lập tức - các hạt hình thành và phát triển, đồng thời các tạp chất còn sót lại không phù hợp với cấu trúc tinh thể sẽ bị đẩy lên phía trước mặt trước rắn tiến tới. Lưu huỳnh và phốt pho là những thủ phạm chính: cả hai đều kết hợp với các nguyên tố ma trận để tạo thành các hợp chất có điểm nóng chảy thấp hơn kim loại xung quanh và cả hai đều dễ dàng phân tách đến các vùng cuối cùng-để-hóa rắn ở ranh giới hạt.

Khi mối hàn tiếp tục nguội và co lại, nó sẽ tạo ra ứng suất kéo dọc theo các ranh giới đó. Nếu màng chất lỏng mỏng chứa các tạp chất-nóng chảy thấp này vẫn còn tồn tại khi ứng suất đó xuất hiện thì về cơ bản, ranh giới không có sức mạnh để chống lại nó và nó bị rách - tạo ra một vết nứt đông đặc, đôi khi có thể nhìn thấy trên bề mặt, đôi khi bị chôn vùi trong mối hàn.

Số Ferrite là gì và tại sao một lượng nhỏ Ferrite có thể ngăn ngừa hiện tượng nứt?

Số Ferrite (FN) là chỉ số được tiêu chuẩn hóa, được đo bằng từ tính về lượng delta ferrite có trong kim loại hàn austenit và ferit quan trọng vì nó hòa tan lưu huỳnh và phốt pho dễ dàng hơn nhiều so với austenite, giữ cho các tạp chất đó không tập trung thành vết nứt-gây ra màng chất lỏng.

Delta ferrite có lợi trong việc hòa tan phốt pho và lưu huỳnh, các tạp chất-nóng chảy thấp có thể tách ra trong quá trình đông đặc và dẫn đến nứt trong các lần hàn tiếp theo. Ferrite có giới hạn hòa tan đối với các nguyên tố này cao hơn austenite, do đó, khi mối hàn đông đặc dù chỉ với một lượng ferit khiêm tốn, thì ferit đó hoạt động như một bồn chứa - hấp thụ lưu huỳnh và phốt pho vào dung dịch rắn thay vì để chúng tập trung thành màng chất lỏng mỏng ở ranh giới hạt.

Người ta cũng tin rằng Ferrite có tác dụng như một chất kết dính vật lý giữa các cột dendrite austenit đang đông đặc; với quá ít ferrite hiện diện, các cột dendrite song song đó có thể tách ra dọc theo chiều dài của chúng dưới dạng vết nứt. Vì FN được đo bằng các dụng cụ từ tính tiêu chuẩn hóa và được báo cáo theo thang đo được quốc tế công nhận nên nó mang lại cho các kỹ sư hàn một con số thực tế, có thể lặp lại để nhắm mục tiêu - thay vì dựa vào cảm giác định tính thuần túy là 'đủ' ferit.

Thợ hàn nên nhắm tới phạm vi số Ferrite nào?

Thông lệ trong ngành thường nhắm tới FN trong khoảng từ 3 đến 10 đối với các loại austenit tiêu chuẩn như 308, 308L, 309 và 316 - đủ để chống lại vết nứt do đông cứng mà không gây ra các vấn đề ăn mòn hoặc giòn do dư thừa ferit.

Phạm vi này không phải là tùy ý: nó thể hiện điểm cân bằng giữa hai rủi ro cạnh tranh. Dưới khoảng 3 FN, nhìn chung không có đủ ferit hiện diện một cách đáng tin cậy, ở mức nhất quán và có thể dự đoán được trên toàn bộ mối hàn, để đảm bảo khả năng chống nứt - sự thay đổi về tốc độ làm nguội, độ pha loãng hoặc những thay đổi hóa học nhỏ có thể đẩy các vùng biệt lập của mối hàn về phía 0 ferit ngay cả khi mục tiêu trên giấy có vẻ phù hợp.

Trên khoảng 10 FN, các vấn đề khác bắt đầu xuất hiện, được đề cập chi tiết hơn bên dưới. Đối với các kim loại cơ bản austenit hoàn toàn có hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp bất thường cũng như kim loại độn-có tạp chất thấp, việc hàn đôi khi có thể được thực hiện thành công ngoài phạm vi này - nhưng điều đó đòi hỏi phải có hóa học được thiết kế có chủ ý chứ không phải thực hành tiêu chuẩn.

Các sơ đồ Schaeffler, DeLong và WRC-1992 dự đoán hàm lượng Ferrite như thế nào?

Các sơ đồ cấu trúc này vẽ biểu đồ tương đương crom của mối hàn so với tương đương niken của nó để dự đoán cả hàm lượng ferit thu được và chế độ hóa rắn, với sơ đồ WRC-1992 hiện được coi là phiên bản chính xác nhất và được áp dụng rộng rãi.

Cả ba sơ đồ đều hoạt động dựa trên cùng một nguyên tắc cơ bản: một số nguyên tố hợp kim nhất định hoạt động giống như crom trong việc tạo ra ferit (chính crom, molypden, niobium, silicon), trong khi các nguyên tố hợp kim khác hoạt động giống như niken trong việc tạo ra austenite (niken, cacbon, nitơ, mangan, đồng). Bằng cách kết hợp thành phần thực tế của kim loại mối hàn với giá trị tương đương crom-(Creq) và niken-(Nieq) và vẽ biểu đồ tỷ lệ, các sơ đồ này dự đoán cả hàm lượng ferit delta thu được và - quan trọng - chế độ trong đó mối hàn đông đặc.

Sơ đồ WRC{1}}1992 đã cải thiện so với các sơ đồ trước bằng cách thêm hệ số cho đồng trong phép tính tương đương niken-, điều chỉnh xu hướng của sơ đồ WRC-1988 trước đó là đánh giá quá cao FN trong các kim loại mối hàn chứa đồng và việc xác thực dựa trên hơn 200 kim loại mối hàn độc lập đã xác nhận độ chính xác dự đoán vượt trội của nó so với các biểu đồ Schaeffler và DeLong cũ hơn.

Tại sao Chế độ hóa rắn lại quan trọng hơn nội dung Ferrite?

Mối hàn đông đặc ở dạng ferit sơ cấp (chế độ FA) vốn có khả năng chống nứt cao hơn nhiều so với mối hàn đông đặc ở dạng austenite sơ cấp (chế độ AF), ngay cả ở hàm lượng ferit cuối cùng tương tự - vì trình tự trong đó các pha hình thành quyết định mức độ hiệu quả của các tạp chất bị cuốn vào ferit thay vì bị giữ lại trong chất lỏng cuối cùng để đông đặc.

Hầu hết các mối hàn bằng thép không gỉ austenit được thiết kế để đông cứng ở chế độ ferrit-austenit (FA): ferit delta sơ cấp hình thành trước, sau đó austenit hình thành thông qua chuyển đổi loại-trạng thái rắn hoặc loại eutectic-. Trình tự này cho phép ferit loại bỏ lưu huỳnh và phốt pho một cách hiệu quả trong quá trình hóa rắn. Phương pháp thay thế, hóa rắn austenit-ferit (AF) hoặc hóa rắn hoàn toàn austenit (A), mang lại khả năng bảo vệ kém hơn nhiều vì các tạp chất không có sẵn pha ferit sớm trong quá trình đông đặc để hấp thụ vào.

Sự chuyển đổi giữa các chế độ này được điều chỉnh bởi tỷ lệ Creq/Nieq: tỷ lệ dưới khoảng 1,5 có xu hướng hóa rắn austenite sơ cấp, trong khi tỷ lệ trên ngưỡng đó chuyển sang ferit sơ cấp, với các nghiên cứu khác nhau đặt điểm chuyển tiếp chính xác cho các quy trình hàn thông thường nằm trong khoảng từ khoảng 1,5 đến cao tới 1,9–2,0 tùy thuộc vào công thức tương đương cụ thể được sử dụng.

Đây là lý do tại sao hai mối hàn có FN được đo cuối cùng tương tự nhau có thể có khả năng chống nứt trong thực tế-rất khác nhau - các sơ đồ dự đoán chế độ hóa rắn cụ thể vì chế độ chứ không chỉ lượng ferit cuối cùng sẽ chi phối mức độ kiểm soát tạp chất trong khoảng thời gian dễ bị hóa rắn.

Điều gì xảy ra khi ứng dụng thực sự yêu cầu không hoặc gần{0}}không có Ferrite?

Một số dịch vụ nhất định - bình đông lạnh cần độ bền ở nhiệt độ-thấp tối đa và các loại austenit hoàn toàn như 310, 320 và 330 không thể tạo thành ferit một cách đáng tin cậy - loại bỏ hoàn toàn giới hạn an toàn ferit, đó là lý do tại sao các mối hàn này được coi là có độ nứt-nhạy cảm hơn đáng kể và yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn so với hàn 308/316 tiêu chuẩn.

Đối với dịch vụ ở nhiệt độ-đông lạnh, độ bền va đập ở nhiệt độ-thấp giảm khi hàm lượng ferit tăng lên, tạo ra xung đột trực tiếp: ferit chống nứt cũng làm giảm độ bền mà ứng dụng cần ở nhiệt độ thấp, do đó, các mối hàn này yêu cầu FN cân bằng chặt chẽ để đạt được khả năng chống nứt phù hợp cùng với độ bền va đập ở nhiệt độ-thấp tốt, thay vì chỉ tối đa hóa ferit.

Các loại chất độn austenit hoàn toàn - 310, 320 và 330 - còn gây ra một trường hợp khó khăn hơn: thành phần của chúng vốn đã nhạy cảm hơn với vết nứt-so với các họ hàng được gia cố bằng ferit-và do đó, tất cả các giai đoạn hàn và kiểm tra đều cần được chú ý nhiều hơn. Đối với các loại này, thông lệ được chấp nhận là bù đắp thông qua hóa học kim loại phụ và quy trình xử lý thay vì thông qua hàm lượng ferit: sử dụng kim loại phụ có hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp và tăng hàm lượng mangan, vì mangan giúp liên kết lưu huỳnh và giảm tác dụng làm giòn của nó ngay cả khi không có ferit để thực hiện công việc tương tự.

Lưu huỳnh và phốt pho có quan trọng ngay cả khi số Ferrite có vẻ chấp nhận được không?

Có - tồn tại mối quan hệ trực tiếp, được ghi chép giữa hàm lượng phốt pho kết hợp-cộng với-lưu huỳnh và độ nhạy vết nứt, không phụ thuộc vào mức ferit, nghĩa là mối hàn có FN đủ về mặt kỹ thuật vẫn có thể bị nứt nếu hàm lượng tạp chất đủ cao.

Nghiên cứu đặc biệt kiểm tra quá trình hàn tự sinh của thép không gỉ Loại 309 đã xác định mối quan hệ rõ ràng giữa tổng hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh, mức ferit trong kim loại mối hàn và độ nhạy vết nứt. Ý nghĩa thực tế là việc kiểm soát ferit và kiểm soát tạp chất là hai đòn bẩy riêng biệt cần được kéo chứ không phải đòn bẩy thay thế cho đòn bẩy kia: các giới hạn nghiêm ngặt đối với cacbon, phốt pho và lưu huỳnh trong cả vật liệu cơ bản và vật liệu hàn vẫn cần thiết ngay cả trong các mối hàn có FN đầy đủ và hai cấp-nhạy cảm với vết nứt nhất được sử dụng phổ biến - 310 và 330 - chính xác là những cấp mà việc kiểm soát tạp chất phải bù đắp cho biên ferit không có sẵn một cách đáng tin cậy.

Quá nhiều Ferrite có gây ra vấn đề riêng không?

Có - trên khoảng 10 FN, lượng ferit dư thừa sẽ làm tăng nguy cơ hình thành pha sigma làm giòn trong môi trường-nhiệt độ cao và trong các loại mang molypden-như 316, hàm lượng ferit cao hơn có thể làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa nóng.

Rủi ro pha sigma: trên khoảng 10 FN, có nguy cơ ferrite - giữ crom trong dung dịch rắn - chuyển thành pha sigma giòn khi nhiệt độ sử dụng rơi vào khoảng 1000–1650 độ F (540–900 độ ) và trong một số mối hàn nhiều lớp, riêng nhiệt hàn có thể tạo ra pha sigma trong các mối hàn ferrite-cao mà không có bất kỳ sự tiếp xúc-nhiệt độ dịch vụ tăng cao riêng biệt nào.

Khả năng chống ăn mòn ở các cấp độ ổ trục Mo-: ở các cấp độ ổ trục molypden-chẳng hạn như 316 và 317, hàm lượng ferit cao hơn có thể làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa nóng, chẳng hạn như dịch vụ urê - một ngoại lệ cụ thể,-được ghi chép rõ ràng đối với quy tắc chung rằng càng nhiều ferit thì an toàn hơn.

Giảm độ bền ở nhiệt độ-thấp: như đã lưu ý đối với các ứng dụng đông lạnh, độ bền va đập ở nhiệt độ thấp giảm khi hàm lượng ferit tăng lên, tác động trực tiếp đến khả năng chống nứt trong điều kiện sử dụng cụ thể đó.

Đây là lý do tại sao điều khiển FN được trình bày dưới dạng phạm vi mục tiêu chứ không phải là chiến lược tối đa hóa 'càng nhiều càng tốt' - con số chính xác phụ thuộc vào cấp độ cụ thể, nhiệt độ sử dụng và môi trường ăn mòn chứ không phải trần hoặc sàn chung.

Những thay đổi nào trong phương pháp hàn giúp giảm nguy cơ nứt ở cấp độ-Ferrite thấp?

Đối với các loại ferrite-nhạy cảm, thấp{1}}ferrite, hãy giảm thiểu hạn chế, giữ nhiệt đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp ở mức thấp, ưu tiên làm mát chậm hơn trong phạm vi đông đặc dễ bị tổn thương và cố tình tránh các biên dạng hạt hàn mịn, được rửa sạch- mà ưu tiên các hạt lồi, có hình chóp.

Giảm thiểu hạn chế cơ học trong thiết kế mối nối và cố định, vì vết nứt về cơ bản là do ứng suất tác động lên ranh giới vẫn còn-yếu, đã được cố định một phần.

Giữ nhiệt lượng đầu vào ở mức thấp và kiểm soát nhiệt độ các khe hở. - Hướng dẫn dành cho các lớp nhạy cảm nhất với vết nứt-đặc biệt khuyên bạn nên giữ nhiệt độ các khe hở dưới khoảng 210 độ F (99 độ ).

Kiểm soát biên dạng đường hàn một cách có chủ ý: các hạt mịn, phẳng,{0}}được rửa kỹ sẽ dễ nứt hơn ở các cấp độ nhạy cảm với vết nứt nhất-, trong khi các biên dạng đường hàn lồi hơn, có hình chóp có khả năng chống nứt-cao hơn, một hướng dẫn thực tế phản trực quan nhưng{3}}được ghi chép đầy đủ.

Kiểm soát hàm lượng silicon trong kim loại mối hàn, đặc biệt là trong hàn hồ quang chìm, vì kim loại mối hàn silicon cao-dễ bị nứt-hơn so với kim loại mối hàn silicon-thấp và cần tính đến khả năng thu silicon từ dòng hàn.

Lựa chọn hóa học kim loại phụ một cách có chủ ý cho các loại austenit hoàn toàn - có hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp, mangan cao - thay vì dựa vào ferit kim loại cơ bản-mà các loại này không thể cung cấp một cách đáng tin cậy.

Số Ferrite nên được xác minh như thế nào trong và sau khi hàn?

FN phải được xác minh bằng thiết bị đo ferit từ tính đã hiệu chuẩn trên các mối hàn sản xuất hoặc phiếu thử nghiệm đại diện, được kiểm tra chéo- với dự đoán sơ đồ cấu tạo được sử dụng ở giai đoạn xác định quy trình hàn, vì FN đo thực tế và FN dự đoán sơ đồ-có thể khác nhau với các biến pha loãng và xử lý.

Dụng cụ đo ferit từ tính cung cấp một cách thực tế, không{0}}phá hủy để xác minh FN thực tế trên các mối hàn đã hoàn thiện và giá trị đo được này cuối cùng sẽ chi phối việc chấp nhận - chứ không chỉ là dự đoán được tính toán từ sơ đồ cấu tạo. Cũng cần lưu ý rằng FN được đo không phải lúc nào cũng bằng phần trăm thể tích thực của ferit có mặt: ở khoảng 8–10 FN trở xuống, FN xấp xỉ bằng phần trăm thể tích trung bình của ferit delta trong mối hàn, nhưng ở các giá trị FN cao hơn, phép đo có thể ngày càng đánh giá quá cao hàm lượng ferit thực tế, đó là một lý do nữa khiến phạm vi mục tiêu 3–10 FN phù hợp tốt với phạm vi mà bản thân phép đo FN vẫn đáng tin cậy và có ý nghĩa vật lý nhất.

Câu hỏi thường gặp

Số Ferrite nào thường được khuyến nghị để ngăn ngừa nứt do đông cứng?

Khoảng 3 đến 10 FN đối với các loại austenit tiêu chuẩn như 308, 308L, 309 và 316, được tính toán bằng sơ đồ WRC-1992 và được xác minh trên mối hàn thực tế bằng thiết bị ferit từ tính đã hiệu chuẩn.

Tại sao các loại austenit hoàn toàn như 310 và 330 khó hàn hơn{2}}không có vết nứt?

Thành phần của chúng không tạo thành ferit delta để bảo vệ hầu hết các mối hàn austenit khỏi bị nứt một cách đáng tin cậy, do đó, khả năng chống nứt phải đến từ hóa học kim loại phụ được kiểm soát chặt chẽ - hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp, mangan - tăng và quy trình hàn có kỷ luật thay vì hàm lượng ferit.

Mối hàn có thể bị nứt ngay cả khi số Ferrite của nó nằm trong phạm vi khuyến nghị không?

Có, nếu hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho đủ cao. Kiểm soát ferrite và kiểm soát tạp chất là những yếu tố riêng biệt cần được quản lý; FN thích hợp sẽ giảm nhưng không loại bỏ nguy cơ nứt do tạp chất dư thừa.

Có phải nhiều ferit hơn luôn an toàn hơn cho mối hàn thép không gỉ austenit?

Không. Trên khoảng 10 FN, các mối hàn trở nên dễ bị giòn hơn với pha sigma trong môi trường-nhiệt độ cao và ở các cấp độ mang molypden-, ferrite cao hơn có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa nóng, do đó, FN được quản lý như một phạm vi mục tiêu, không được tối đa hóa.

Sơ đồ cấu tạo nào được coi là chính xác nhất để dự đoán Số Ferrite?

Sơ đồ WRC-1992 thường được coi là sơ đồ chính xác nhất hiện có, được xác nhận dựa trên hơn 200 kim loại hàn độc lập và được sử dụng làm tài liệu tham khảo trong các mã bao gồm Mã nồi hơi ASME.