Напукване от втвърдяване в напълно аустенитни заварки от неръждаема стомана: Контрол на броя на феритите

Напълноаустенитна неръждаема стоманазаваръчните шевове се напукват по време на втвърдяване, тъй като без наличието на малко количество делта ферит, примесите от ниско{0}}топяща се сяра и фосфор се сегрегират в тънки течни филми по границите на втвърдяващите се зърна и се разкъсват при стрес на охлаждане. Стандартният индустриален контрол е да се насочи към феритно число (FN) от приблизително 3 до 10, като се използва диаграмата на WRC-1992 - достатъчно ферит, за да улови тези примеси, но не толкова, че да влоши устойчивостта на корозия или да насърчи крехката сигма фаза в експлоатация.

Заварките от аустенитна неръждаема стомана - 304, 316 и техните много варианти - са сред най-често заваряваните материали в индустрията и повечето от тях понасят добре заваряването. Но специфична подгрупа от приложения, от криогенни съдове до напълно аустенитни класове като 310 и 330, премахват самата функция, която обикновено предпазва тези заварки от напукване: делта ферит. Тази статия обяснява механизма зад напукването при втвърдяване, защо феритното число е основният лост за контролирането му и какво да направите, когато приложението наистина не може да понесе ферита, който иначе би решил проблема.

Защо заваръчните шевове от аустенитна неръждаема стомана се напукват по време на втвърдяване?

Напукване при втвърдяване се получава, когато остатъчните примеси от сяра и фосфор се отделят в тънки, ниско{0}}течни филми по границите на втвърдяващите се зърна, а напрежението при охлаждане разкъсва тези все още-слаби граници, преди да могат да се втвърдят напълно.

Тъй като заваръчният метал се охлажда от течно до твърдо, той не се втвърдява наведнъж - се образуват и растат зърна, а остатъчните примеси, които не се вписват в кристалната структура, се изтласкват пред напредващия твърд фронт. Сярата и фосфорът са основните нарушители: и двете се комбинират с матрични елементи, за да образуват съединения с точки на топене, по-ниски от околния метал, и двете лесно се отделят до последния-за-втвърдяване на региони по границите на зърната.

Тъй като заваръчният шев продължава да се охлажда и свива, той генерира напрежение на опън през тези граници. Ако тънък течен филм от тези ниско-топящи се примеси все още присъства, когато напрежението пристигне, границата по същество няма сила да му устои и тя се разкъсва -, създавайки пукнатина от втвърдяване, понякога видима на повърхността, понякога заровена в заваръчния шев.

Какво е феритно число и защо малко количество ферит предотвратява напукване?

Феритното число (FN) е стандартизиран, магнитно измерен индекс за това колко делта ферит присъства в аустенитния заваръчен метал и този ферит има значение, защото разтваря сярата и фосфора много по-лесно от аустенита, като предпазва тези примеси от концентриране в течни филми, -причиняващи пукнатини.

Делта феритът е полезен при разтварянето на фосфор и сяра, примеси с ниска-топяемост, които иначе биха се отделили по време на втвърдяването и биха довели до напукване по време на следващите заваръчни шевове. Феритът има по-висока граница на разтворимост за тези елементи от аустенита, така че когато заваръчният шев се втвърди дори с умерено количество присъстващ ферит, този ферит действа като мивка -, абсорбирайки сярата и фосфора в твърд разтвор, вместо да им позволи да се концентрират в тънки течни филми по границите на зърната.

Смята се също, че феритът действа като физическо свързващо вещество между втвърдяващите се аустенитни дендритни колони; с твърде малко присъстващ ферит, тези паралелни дендритни колони могат да се разцепят по дължината си като пукнатина. Тъй като FN се измерва със стандартизирани магнитни инструменти и се отчита по международно призната скала, това дава на инженерите по заваряване практично, повторяемо число за насочване към -, вместо да разчитат на чисто качествено усещане за „достатъчно“ ферит.

Към какъв диапазон на феритно число трябва да се насочат заварчиците?

Индустриалната практика обикновено е насочена към FN в диапазона от приблизително 3 до 10 за стандартни аустенитни степени като 308, 308L, 309 и 316 - достатъчно, за да устои надеждно на напукване при втвърдяване, без да създава проблеми с корозия или крехкост, които идват с излишния ферит.

Този диапазон не е произволен: той представлява точката на баланс между два конкуриращи се риска. Под приблизително 3 FN обикновено няма достатъчно надеждно присъстващ ферит, на постоянно и предсказуемо ниво в целия заваръчен шев, за да се гарантира устойчивост на пукнатини - вариацията в скоростта на охлаждане, разреждането или незначителните промени в химията могат да тласнат изолирани области на заваръчния шев към нулев ферит, дори когато целта на хартия изглежда подходяща.

Над приблизително 10 FN започват да се появяват други проблеми, разгледани по-подробно по-долу. За напълно аустенитни неблагородни метали с необичайно ниско съдържание на сяра и фосфор и съответстващ добавъчен метал с ниско-примеси, заваряването понякога може да се извърши успешно извън този диапазон -, но това изисква умишлено проектирана химия, а не стандартна практика.

Как диаграмите на Schaeffler, DeLong и WRC-1992 предсказват съдържанието на ферит?

Тези диаграми на структурата начертават хромовия еквивалент на заваръчния шев срещу неговия никелов еквивалент, за да предскажат както полученото феритно съдържание, така и режима на втвърдяване, като диаграмата WRC-1992 сега се счита за най-точната и широко възприета версия.

И трите диаграми работят на един и същ основен принцип: някои легиращи елементи се държат като хром при насърчаване на ферит (самият хром, молибден, ниобий, силиций), докато други се държат като никел при насърчаване на аустенит (никел, въглерод, азот, манган, мед). Чрез комбиниране на действителния състав на заваръчния метал в стойност на хром-еквивалент (Creq) и никел-еквивалент (Nieq) и начертаване на съотношението, тези диаграми прогнозират както полученото съдържание на делта ферит, така и - критично - режима, при който заваръчният шев се втвърдява.

Диаграмата WRC-1992 подобри своите предшественици чрез добавяне на коефициент за мед в изчислението на никел-еквивалент, коригирайки тенденцията на по-ранната диаграма WRC-1988 да надценява FN в съдържащи мед заварени метали и валидирането спрямо повече от 200 независими заварени метала потвърди нейната превъзходна прогнозна точност спрямо по-старите Диаграми на Шефлер и Делонг.

Защо режимът на втвърдяване е по-важен от съдържанието на ферит?

Заваръчен шев, който се втвърдява като първичен ферит (режим FA), по своята същност е много по-устойчив на напукване от този, който се втвърдява като първичен аустенит (режим AF), дори при подобно крайно феритно съдържание -, тъй като последователността, в която се образуват фазите, определя колко ефективно примесите се поглъщат във ферита, вместо да се улавят в последната течност за втвърдяване.

Повечето заварки от аустенитна неръждаема стомана са проектирани да се втвърдяват във феритно-аустенитния (FA) режим: първо се образува първичен делта ферит, а аустенитът се образува след това чрез трансформация в твърдо-състояние или евтектичен-тип. Тази последователност е това, което позволява на ферита ефективно да почиства сярата и фосфора по време на втвърдяването. Алтернативното, аустенитно-феритно (AF) или напълно аустенитно (A) втвърдяване предлага много по-малко защита, тъй като примесите нямат налична феритна фаза в началото на втвърдяването, в която да се абсорбират.

Преходът между тези режими се управлява от съотношението Creq/Nieq: съотношение под приблизително 1,5 има тенденция към втвърдяване на първичния аустенит, докато съотношенията над този праг се изместват към първичния ферит, като различни изследвания поставят точната точка на преход за обичайните процеси на заваряване, вариращи от около 1,5 до 1,9–2,0 в зависимост от използваната специфична формула за еквивалентност.

Ето защо две заварки с подобна крайна измерена FN могат да имат много различна-устойчивост на напукване в реалния свят - диаграмите предсказват конкретно режима на втвърдяване, защото режимът, а не само крайното количество ферит, управлява колко добре се контролират примесите по време на уязвимия прозорец на втвърдяване.

Какво се случва, когато приложението наистина изисква нулев или почти{0}}нулев ферит?

Някои услуги - криогенни съдове, нуждаещи се от максимална издръжливост при ниски{1}}температури и напълно аустенитни степени като 310, 320 и 330, които изобщо не могат надеждно да образуват ферит - премахват напълно границата на безопасност на ферита, поради което тези заварки се признават за значително по-чувствителни към пукнатини-и изискват по-строг контрол на процеса от стандартния 308/316 заваряване.

За работа при криогенни-температури, якостта на удар при ниски-температури намалява с увеличаване на съдържанието на ферит, създавайки директен конфликт: феритът, който издържа на напукване, също намалява якостта, от която се нуждае приложението при ниска температура, така че тези заварки изискват тясно балансиран FN за постигане на адекватна устойчивост на напукване заедно с добра якост на удар при ниски{2}}температури, вместо просто да максимизират ферита.

Напълно аустенитните степени на пълнеж - 310, 320 и 330 - представляват още по-труден случай: техните състави по своята същност са по-чувствителни към пукнатини-от техните подсилени с ферит-роднини и в резултат на това всички фази на заваряване и проверка изискват по-голямо внимание. За тези класове възприетата практика е да се компенсира чрез химия на добавъчния метал и дисциплина на процеса, а не чрез съдържание на ферит: използване на добавъчен метал с ниско съдържание на сяра и фосфор и повишено съдържание на манган, тъй като манганът помага за свързването на сярата и намаляването на нейния ефект на крехкост дори без наличие на ферит, за да върши същата работа.

Имат ли значение сярата и фосфорът дори когато феритното число изглежда приемливо?

Да - съществува пряка, документирана връзка между комбинираното съдържание на фосфор-плюс-сяра и чувствителността към напукване, независимо от нивото на ферит, което означава, че заваръчен шев с технически достатъчен FN все още може да се напука, ако съдържанието на примеси е достатъчно високо.

Изследванията, специално изследващи автогенното заваряване на неръждаема стомана тип 309, идентифицираха ясна връзка между сумата на съдържанието на фосфор и сяра, нивото на ферит в заваръчния метал и произтичащата от това чувствителност към пукнатини. Практическото значение е, че феритният контрол и контролът на примесите са два отделни лоста, които и двата трябва да бъдат дръпнати, а не единият да замества другия: строгите ограничения върху въглерода, фосфора и сярата както в основния материал, така и в консумативите за заваряване остават от съществено значение дори при заварки с адекватна FN, а двата най-чувствителни към пукнатини-класа в обща употреба - 310 и 330 - са точно тези, при които контролът на примесите трябва да компенсира маржа на ферита, който не е надеждно наличен.

Твърде много ферит причинява ли собствени проблеми?

Да - над приблизително 10 FN, излишъкът от ферит повишава риска от образуване на крехка сигма фаза при работа с повишена-температура, а в класове, съдържащи молибден- като 316, по-високото съдържание на ферит може значително да намали устойчивостта на корозия в горещи окислителни среди.

Риск от сигма фаза: над около 10 FN съществува опасност ферит -, който задържа хром в твърд разтвор - да се трансформира в крехка сигма фаза, когато работната температура падне в диапазона приблизително 1000–1650 градуса F (540–900 градуса), а при някои многопроходни заварки само топлината на заваряване може да произведе сигма фаза във висок-ферит заварки без никакво отделно излагане на повишена-температура.

Устойчивост на корозия в Мо-лагерни класове: в молибденови-лагерни класове като 316 и 317, по-високото съдържание на ферит може да причини голямо намаляване на устойчивостта на корозия в гореща окислителна среда, като например карбамид - специфично, добре-документирано изключение от общото правило, че повече ферит е по-безопасно.

Намалена издръжливост при ниски -температури: както вече беше отбелязано за криогенни приложения, якостта на удар при ниска температура намалява с повишаване на съдържанието на ферит, което работи директно срещу устойчивостта на пукнатини в това специфично работно състояние.

Ето защо управлението на FN е представено като целеви диапазон, а не стратегия за максимизиране „повече е по-добре“ - правилният брой зависи от конкретния клас, работната температура и корозионната среда, а не от един универсален таван или под.

Какви промени в заваръчната практика намаляват риска от напукване при ниски-феритни класове?

За-чувствителни на пукнатини, ниско-феритни класове, сведете до минимум ограниченията, поддържайте входящата топлина и температурата между проходите ниски, предпочитайте по-бавно охлаждане през уязвимия диапазон на втвърдяване и умишлено избягвайте гладки, добре-измити профили на заваръчните шевове в полза на по-изпъкнали, короновани ръбове.

Минимизирайте механичното ограничаване в конструкцията и закрепването на фугата, тъй като напукването се дължи основно на напрежението, действащо върху все още-слаба, частично втвърдена граница.

Поддържайте ниско подаване на топлина и контролирайте температурата на междинно преминаване - ръководството за най-чувствителните към пукнатини степени-изрично препоръчва поддържане на температурата на междинно преминаване под приблизително 210 градуса F (99 градуса).

Умишлено контролирайте профила на заваръчния шев: гладките, плоски, добре-измити ръбове се напукват по-лесно в най-чувствителните-степени на пукнатини, докато по-изпъкналите профили на ръбовете с корона са по-{2}}устойчиви на пукнатини, контраинтуитивно, но добре-документирано практическо ръководство.

Контролирайте съдържанието на силиций в заваръчния метал, особено при електродъгово заваряване под флюс, тъй като металът с високо-силициево заваряване е по-податлив на пукнатини-от ниско{2}}силициевия заваръчен метал и трябва да се отчете поглъщането на силиций от заваръчния флюс.

Изберете съзнателно химичния състав на добавъчния метал за напълно аустенитни степени - ниско съдържание на сяра и фосфор, повишено съдържание на манган -, вместо да разчитате на основен-метален ферит, който тези степени не могат да осигурят надеждно.

Как трябва да се проверява феритното число по време и след заваряване?

FN трябва да се провери с калибриран магнитен феритен измервателен уред върху производствени заварки или представителни тестови купони, кръстосано-проверени спрямо прогнозата на диаграмата на състава, използвана на етапа на квалификация на заваръчната процедура, тъй като действително измерената FN и диаграмно-предсказаната FN могат да се различават с разреждането и променливите на процеса.

Магнитните феритни измервателни уреди осигуряват практичен, не{0}}деструктивен начин за проверка на действителната FN на завършени заварки и тази измерена стойност е това, което в крайна сметка трябва да ръководи приемането -, а не само изчислената прогноза от диаграма на състава. Също така си струва да се отбележи, че FN, както е измерен, не винаги е равен на истинския обемен процент на наличния ферит: при приблизително 8–10 FN и по-ниски, FN приблизително се равнява на средния обемен процент на делта ферит в заваръчен шев, но при по-високи стойности на FN, измерването може все повече да надценява действителното съдържание на ферит, което е още една причина целевият диапазон 3–10 FN да съответства добре на диапазона, където самото измерване на FN остава най-надеждно и физически значимо.

Често задавани въпроси

Какво феритно число обикновено се препоръчва за предотвратяване на напукване при втвърдяване?

Приблизително 3 до 10 FN за стандартни аустенитни класове като 308, 308L, 309 и 316, изчислени с помощта на диаграмата WRC-1992 и проверени върху действителната заварка с калибриран магнитен феритен инструмент.

Защо напълно аустенитните класове като 310 и 330 са по-трудни за заваряване без пукнатини-?

Техните състави не образуват надеждно делта ферит, който предпазва повечето аустенитни заварки от напукване, така че устойчивостта на напукване трябва да идва от строго контролирана химия на добавъчния метал - ниско съдържание на сяра и фосфор, повишен манган - и дисциплинирана процедура на заваряване, а не съдържание на ферит.

Може ли заваръчен шев да се напука, дори ако неговото феритно число е в препоръчителния диапазон?

Да, ако съдържанието на сяра и фосфор е достатъчно високо. Контролът на феритите и контролът на примесите са отделни фактори, които трябва да се управляват; адекватният FN намалява, но не елиминира риска от напукване от прекомерни остатъчни примеси.

Повече ферит винаги ли е по-безопасно за заварки от аустенитна неръждаема стомана?

Не. Над приблизително 10 FN, заваръчните шевове стават по-податливи на крехкост в сигма фаза при работа при повишена-температура, а в класовете, съдържащи молибден-, по-високият ферит може да намали устойчивостта на корозия в горещи окислителни среди, така че FN се управлява като целеви диапазон, а не максимизиран.

Коя диаграма на конституцията се счита за най-точна за прогнозиране на феритно число?

Диаграмата WRC-1992 обикновено се счита за най-точната налична диаграма в момента, валидирана спрямо повече от 200 независими заварени метала и приета като референция в кодове, включително ASME Boiler Code.