Cietināšanas plaisāšana pilnībā austenīta nerūsējošā tērauda metinātās šuvēs: ferīta skaita kontrole

Pilnībāaustenīta nerūsējošais tēraudsmetinātās šuves saplaisā sacietēšanas laikā, jo bez neliela daudzuma delta ferīta piemaisījumi ar zemu -kušanas sēra un fosfora piemaisījumiem sadalās plānās šķidrās plēvēs gar cietēšanas graudu robežām un saplīst dzesēšanas spriedzes ietekmē. Standarta nozares kontrole ir vērsta uz ferīta skaitli (FN) aptuveni no 3 līdz 10, izmantojot WRC-1992 diagrammu — pietiekami daudz ferīta, lai notvertu šos piemaisījumus, taču ne tik daudz, lai tas pasliktinātu izturību pret koroziju vai veicinātu trauslas sigmas fāzi ekspluatācijā.

Austenīta nerūsējošā tērauda metinātās šuves - 304, 316 un to daudzie varianti - ir vieni no visbiežāk metinātajiem materiāliem rūpniecībā, un lielākā daļa no tiem labi panes metināšanu. Taču īpaša lietojumu apakškopa, sākot no kriogēnām tvertnēm un beidzot ar pilnībā austenīta pakāpēm, piemēram, 310 un 330, novērš pašu funkciju, kas parasti aizsargā šīs metinātās šuves no plaisāšanas: delta ferītu. Šajā rakstā ir izskaidrots sacietēšanas plaisāšanas mehānisms, kāpēc ferīta skaitlis ir galvenā svira tā kontrolei un kā rīkoties, ja lietojumprogramma patiešām nepanes ferītu, kas citādi atrisinātu problēmu.

Kāpēc austenīta nerūsējošā tērauda metinājumi plaisā cietēšanas laikā?

Cietināšanas plaisāšana notiek, kad atlikušie sēra un fosfora piemaisījumi sadalās plānās, zemu{0}}kušanas šķidrās plēvēs gar sacietējošo graudu robežām, un dzesēšanas spriegums sarauj šīs joprojām-vājās robežas, pirms tās var pilnībā sacietēt.

Metinātajam metālam atdziestot no šķidra uz cietu, tas nesacietē uzreiz, - neveidojas un aug graudi, un atlikušie piemaisījumi, kas neietilpst kristāla struktūrā, tiek izspiesti priekšā virzošajai cietajai frontei. Sērs un fosfors ir primārie pārkāpēji: abi apvienojas ar matricas elementiem, veidojot savienojumus ar kušanas temperatūru zemāku nekā apkārtējo metālu, un abi viegli atdala līdz pēdējam, lai{2}}sastinginātu apgabalus pie graudu robežām.

Tā kā metinātā šuve turpina atdzist un sarauties, tā rada stiepes spriegumu pāri šīm robežām. Ja, kad rodas šis spriegums, joprojām ir plāna šķidra šo zemu-kušanas piemaisījumu plēve, robežai būtībā nav spēka to izturēt, un tā saplīst -, radot sacietēšanas plaisu, kas dažreiz ir redzama uz virsmas, bet dažreiz tiek aprakta metinātajā šuvē.

Kas ir ferīta skaits un kāpēc neliels ferīta daudzums novērš plaisāšanu?

Ferīta skaitlis (FN) ir standartizēts, magnētiski izmērīts indekss, kas norāda, cik daudz delta ferīta ir austenīta metinātajā metālā, un ferīts ir svarīgs, jo tas izšķīdina sēru un fosforu daudz vieglāk nekā austenīts, neļaujot šiem piemaisījumiem koncentrēties plaisās,{0}}izraisot šķidras plēves.

Delta ferīts palīdz izšķīdināt fosforu un sēru, zemu{0}}kušanas piemaisījumus, kas citādi sacietēšanas laikā atdalītos un izraisītu plaisāšanu turpmāko metināšanas laikā. Ferītam ir augstāka šo elementu šķīdības robeža nekā austenītam, tāpēc, kad metinātā šuve sacietē ar pat nelielu ferīta daudzumu, ferīts darbojas kā izlietne -, absorbējot sēru un fosforu cietā šķīdumā, nevis ļaujot tiem koncentrēties plānās šķidrās plēvēs pie graudu robežām.

Tiek uzskatīts, ka ferīts darbojas arī kā fiziska saistviela starp cietējošām austenīta dendrīta kolonnām; ja ir pārāk maz ferīta, šīs paralēlās dendrīta kolonnas var sadalīties visā garumā kā plaisa. Tā kā FN mēra ar standartizētiem magnētiskiem instrumentiem un ziņo starptautiski atzītā mērogā, tas dod metināšanas inženieriem praktisku, atkārtojamu skaitli, ko mērķēt uz -, nevis paļauties uz tīri kvalitatīvu ferīta “pietiekami daudz” sajūtu.

Kāds ferīta skaitļu diapazons būtu metinātājiem jāmērķē?

Nozares prakse parasti nosaka FN diapazonā no aptuveni 3 līdz 10 standarta austenīta pakāpēm, piemēram, 308, 308L, 309 un 316 -, kas ir pietiekami, lai droši izturētu sacietēšanas plaisāšanu, neradot korozijas vai trausluma problēmas, kas saistītas ar pārmērīgu ferītu.

Šis diapazons nav patvaļīgs: tas atspoguļo līdzsvara punktu starp diviem konkurējošiem riskiem. Zem aptuveni 3 FN parasti nav pietiekami daudz ferīta, kas ir uzticami vienmērīgā un paredzamā līmenī visā metinātajā šuvē, lai garantētu izturību pret plaisām - dzesēšanas ātruma, atšķaidīšanas vai nelielas ķīmiskās izmaiņas var novirzīt izolētos šuves apgabalus pretī nulles ferītam, pat ja mērķis uz papīra izskatījās adekvāts.

Virs aptuveni 10 FN sāk parādīties citas problēmas, kas sīkāk aplūkotas tālāk. Pilnībā austenīta parastajiem metāliem ar neparasti zemu sēra un fosfora saturu un atbilstošu metālu ar zemu -piemaisījumu pildvielu, metināšanu dažkārt var veiksmīgi veikt ārpus šī diapazona -, taču tam ir nepieciešama apzināti izstrādāta ķīmija, nevis standarta prakse.

Kā Schaeffler, DeLong un WRC-1992 diagrammas paredz ferīta saturu?

Šīs struktūras diagrammas attēlo metinājuma hroma ekvivalentu pret tā niķeļa ekvivalentu, lai prognozētu gan iegūto ferīta saturu, gan sacietēšanas režīmu, un WRC-1992 diagramma tagad tiek uzskatīta par visprecīzāko un plaši izmantoto versiju.

Visas trīs diagrammas darbojas pēc viena un tā paša pamatprincipa: daži sakausējuma elementi darbojas kā hroms, veicinot ferīta veidošanos (pats hroms, molibdēns, niobijs, silīcijs), bet citi darbojas kā niķelis, veicinot austenīta veidošanos (niķelis, ogleklis, slāpeklis, mangāns, varš). Apvienojot metinātā metāla faktisko sastāvu hroma -ekvivalentā (Creq) un niķeļa-ekvivalentā (Nieq) un attēlojot attiecību, šīs diagrammas paredz gan iegūto delta ferīta saturu, gan - kritiski - metinājuma sacietēšanas režīmu.

WRC-1992. gada diagramma ir uzlabota salīdzinājumā ar tās priekšgājējiem, pievienojot koeficientu vara niķeļa-ekvivalenta aprēķinos, koriģējot iepriekšējās WRC-1988 diagrammas tendenci pārvērtēt FN vara saturošajos metinātajos metālos, un apstiprinājums, salīdzinot ar vairāk nekā 200 neatkarīgiem vecākajiem metināšanas metāliem. DeLong diagrammas.

Kāpēc sacietēšanas režīmam ir lielāka nozīme nekā tikai ferīta saturam?

Metinātā šuve, kas sacietē kā primārais ferīts (FA režīms), pēc būtības ir daudz izturīgāka pret plaisāšanu nekā tāda, kas sacietē kā primārais austenīts (AF režīms), pat pie līdzīga galīgā ferīta satura -, jo fāzu veidošanās secība nosaka, cik efektīvi piemaisījumi tiek iesūkti ferītā, nevis nokļūst pēdējā šķidrumā, lai sacietētu.

Lielākā daļa austenīta nerūsējošā tērauda metināšanas šuvju ir paredzētas sacietēšanai ferīta -austenīta (FA) režīmā: vispirms veidojas primārais delta ferīts, bet pēc tam veidojas austenīts cietā- vai eitektiskā{2}}tipa transformācijā. Šī secība ļauj ferītam sacietēšanas laikā efektīvi attīrīt sēru un fosforu. Alternatīva, austenīta-ferīta (AF) vai pilnībā austenīta (A) sacietēšana, nodrošina daudz mazāku aizsardzību, jo piemaisījumiem nav pieejama ferīta fāze sacietēšanas sākumā, kurā to absorbēt.

Pāreju starp šiem režīmiem nosaka Creq/Nieq attiecība: attiecībai, kas ir mazāka par aptuveni 1,5, ir tendence uz primāro austenīta sacietēšanu, savukārt attiecības virs šī sliekšņa mainās uz primāro ferītu, un dažādi pētījumi nosaka precīzu pārejas punktu parastajiem metināšanas procesiem, kas svārstās no aptuveni 1,5 līdz pat 1,9–2,0 atkarībā no izmantotās specifiskās ekvivalences formulas.

Tāpēc divām metinātām šuvēm ar līdzīgu galīgo izmērīto FN var būt ļoti atšķirīga reālā -pasaules plaisāšanas pretestība - diagrammās īpaši tiek paredzēts sacietēšanas režīms, jo režīms, nevis tikai galīgais ferīta daudzums, nosaka to, cik labi piemaisījumi tiek kontrolēti jutīgā sacietēšanas loga laikā.

Kas notiek, ja lietojumprogrammai patiešām ir nepieciešams nulles vai gandrīz{0}}nulles ferīts?

Atsevišķi pakalpojumi - kriogēnie trauki, kuriem nepieciešama maksimāla zemas-temperatūras izturība, un pilnībā austenīta markas, piemēram, 310, 320 un 330, kas vispār nevar droši veidot ferītu, - pilnībā noņem ferīta drošības rezervi, tāpēc šīm šuvēm ir nepieciešama stingrāka procesa kontrole{{6}. 308/316 metināšana.

Kriogēnās -temperatūras apkalpošanai zemas-temperatūras triecienizturība samazinās, palielinoties ferīta saturam, radot tiešu konfliktu: ferīts, kas izturīgs pret plaisāšanu, samazina arī pielietojumam nepieciešamo stingrību zemā temperatūrā, tāpēc šīm šuvēm ir nepieciešams cieši līdzsvarots FN, lai sasniegtu adekvātu plaisu izturību un labu zemu-triecienu, nevis vienkārši ferīta temperatūru.

Pilnībā austenīta pildvielu kategorijas - 310, 320 un 330 - ir vēl sarežģītāks gadījums: to sastāvi pēc būtības ir jutīgāki pret plaisām- nekā to ferīta- stiprinātie radinieki, un tāpēc visiem metināšanas un pārbaudes posmiem ir jāpievērš lielāka uzmanība. Šīm kategorijām pieņemtā prakse ir kompensēt ar pildmetāla ķīmiju un procesa disciplīnu, nevis ar ferīta saturu: izmantojot pildvielu ar zemu sēra un fosfora saturu un palielinātu mangāna saturu, jo mangāns palīdz saistīt sēru un samazina tā trauslumu pat bez ferīta, lai veiktu to pašu darbu.

Vai sēram un fosforam ir nozīme pat tad, ja ferīta skaits šķiet pieņemams?

Jā - pastāv tieša, dokumentēta saistība starp kombinēto fosfora-plus-sēra saturu un plaisu jutību neatkarīgi no ferīta līmeņa, kas nozīmē, ka metinājuma šuve ar tehniski pietiekamu FN joprojām var saplaisāt, ja piemaisījumu saturs ir pietiekami augsts.

Pētījumos, kas īpaši pētīja 309. tipa nerūsējošā tērauda autogēno metināšanu, tika konstatēta skaidra sakarība starp fosfora un sēra satura summu, ferīta līmeni metinātajā metālā un no tā izrietošo plaisu jutību. Praktiskā nozīme ir tāda, ka ferīta kontrole un piemaisījumu kontrole ir divas atsevišķas sviras, kuras ir jāvelk, nevis viena, lai aizstātu otru: stingri ierobežojumi attiecībā uz oglekļa, fosfora un sēra saturu gan pamatmateriālā, gan metināšanas palīgmateriālos joprojām ir būtiski pat metinātās šuvēs ar atbilstošu FN, un divas visizplatītākās plaisām-jutīgākās - 310 kategorijas piemaisījumu kontrolei ir jākompensē ferīta robeža, kas nav droši pieejama.

Vai pārāk daudz ferīta rada savas problēmas?

Jā, - virs aptuveni 10 FN, ferīta pārpalikums palielina trauslas sigmas fāzes veidošanās risku paaugstinātas -temperatūras apstākļos, un molibdēna-gultņu kategorijās, piemēram, 316, lielāks ferīta saturs var būtiski samazināt izturību pret koroziju karstā oksidējošā vidē.

Sigmas fāzes risks: virs aptuveni 10 FN pastāv risks, ka ferīts -, kas satur hromu cietā šķīdumā -, pārvēršas trauslā sigmas fāzē, kad ekspluatācijas temperatūra nokrītas aptuveni 1000–1650 °F (540–900 grādi) diapazonā, un dažās daudzkārtu metināšanas fāzēs vien var rasties karstuma metināšana. augstas-ferīta šuves bez atsevišķas paaugstinātas-temperatūras iedarbības.

Izturība pret koroziju Mo{0}}gultņu kategorijās: molibdēna-gultņu kategorijās, piemēram, 316 un 317, lielāks ferīta saturs var ievērojami samazināt izturību pret koroziju karstos oksidējošos līdzekļos, piemēram, urīnvielas šķīdumā - īpašs, labi{5}}dokumentēts izņēmums no vispārējā noteikuma ir drošāks.

Samazināta zemas -temperatūras izturība: kā jau tika minēts kriogēno lietojumu gadījumā, triecienizturība zemā temperatūrā samazinās, palielinoties ferīta saturam, un tas darbojas tieši pret plaisu izturību konkrētajos ekspluatācijas apstākļos.

Tāpēc FN vadība tiek parādīta kā mērķa diapazons, nevis kā “vairāk, jo labāk” maksimizēšanas stratēģija - pareizais skaitlis ir atkarīgs no konkrētās pakāpes, ekspluatācijas temperatūras un korozijas vides, nevis no atsevišķiem universāliem griestiem vai grīdas.

Kādas metināšanas prakses izmaiņas samazina plaisāšanas risku zemas{0}}ferīta kvalitātes gadījumā?

Plaisām-jutīgām, zemām-ferīta šķirnēm samaziniet ierobežošanu, saglabājiet zemu siltuma ievades un starpplūsmas temperatūru, dodiet priekšroku lēnākai dzesēšanai neaizsargātajā sacietēšanas diapazonā un apzināti izvairieties no gludiem, labi-mazgātiem metināšanas lodīšu profiliem, dodot priekšroku izliektākām, kronētām lodītēm.

Samaziniet mehānisko ierobežošanu savienojuma konstrukcijā un stiprinājumā, jo plaisāšanu pamatā izraisa spriegums, kas iedarbojas uz joprojām-vāju, daļēji sacietējušu robežu.

Saglabājiet zemu siltuma padevi un kontrolējiet starpplūsmas temperatūru - norādes par visjutīgākajām plaisām-pakāpēm, īpaši iesaka uzturēt starpgaitas temperatūru zem aptuveni 210 °F (99 grādiem).

Apzināti kontrolējiet metinājuma lodītes profilu: gludas, plakanas, labi{0}}mazgātas lodītes vieglāk plaisā visjutīgākajās plaisāšanas{1}} pakāpēs, savukārt izliektāki kronšteinu profili ir izturīgāki pret plaisāšanu. Tas ir pretintuitīvs, taču labi-dokumentēts praktisks norādījums.

Kontrolējiet silīcija saturu metinātajā metālā, jo īpaši iegremdētā loka metināšanā, jo augstas -silīcija šuves metāls ir vairāk jutīgs pret plaisām- nekā zems -silīcija metinājuma metāls, un jāņem vērā silīcija uzņemšana no metināšanas plūsmas.

Apzināti atlasiet pildvielu metālu ķīmiju pilnībā austenīta kategorijām - ar zemu sēra un fosfora saturu, ar paaugstinātu mangāna saturu -, nevis paļaujoties uz parasto-metāla ferītu, ko šīs kategorijas nevar droši nodrošināt.

Kā ferīta skaitlis jāpārbauda metināšanas laikā un pēc tam?

FN ir jāpārbauda ar kalibrētu magnētiskā ferīta mērinstrumentu ražošanas metinātām šuvēm vai reprezentatīviem testa kuponiem, salīdzinot ar konstitūcijas diagrammas prognozi, kas izmantota metināšanas procedūras kvalifikācijas posmā, jo faktiski izmērītais FN un diagrammas-paredzētais FN var atšķirties atkarībā no atšķaidīšanas un procesa mainīgajiem.

Magnētiskā ferīta mērīšanas instrumenti nodrošina praktisku, nesagraujošu veidu, kā pārbaudīt faktisko FN pabeigtās šuvēs, un šai izmērītajai vērtībai galu galā ir jākontrolē pieņemšana -, nevis tikai aprēķinātā prognoze no uzbūves diagrammas. Ir arī vērts atzīmēt, ka izmērītais FN ne vienmēr ir vienāds ar patieso ferīta tilpuma procentuālo daudzumu: aptuveni 8–10 FN un zemāk FN ir aptuveni vienāds ar delta ferīta vidējo tilpuma procentuālo daļu metinātajā šuvē, bet pie augstākām FN vērtībām mērījums var arvien vairāk pārvērtēt faktisko ferīta saturu, kas ir vēl viens iemesls, kāpēc FN mērīšanas diapazons ir visuzticamākais diapazons no 3 līdz 10. un fiziski nozīmīgi.

Bieži uzdotie jautājumi

Kāds ferīta numurs parasti ir ieteicams, lai novērstu sacietēšanas plaisāšanu?

Aptuveni 3 līdz 10 FN standarta austenīta pakāpēm, piemēram, 308, 308L, 309 un 316, kas aprēķinātas, izmantojot WRC-1992 diagrammu un pārbaudītas faktiskajā metināšanā ar kalibrētu magnētiskā ferīta instrumentu.

Kāpēc pilnībā austenīta markas, piemēram, 310 un 330, ir grūtāk metināmas, -bez plaisām?

To sastāvs nevar droši veidot delta ferītu, kas pasargā lielāko daļu austenīta metināto šuvju no plaisāšanas, tāpēc pretestību plaisām tā vietā nodrošina stingri kontrolēta pildvielu metālu ķīmija - zems sēra un fosfora saturs, palielināts mangāna daudzums - un disciplinēta metināšanas procedūra, nevis ferīta saturs.

Vai metinātā šuve var saplaisāt pat tad, ja tās ferīta skaits ir ieteicamā diapazonā?

Jā, ja sēra un fosfora saturs ir pietiekami augsts. Ferīta kontrole un piemaisījumu kontrole ir atsevišķi faktori, kas abi ir jāpārvalda; atbilstošs FN samazina, bet nenovērš plaisu risku no pārmērīgiem piemaisījumiem.

Vai vairāk ferīta vienmēr ir drošāks austenīta nerūsējošā tērauda metinātām šuvēm?

Nē. Virs aptuveni 10 FN metinātās šuves kļūst jutīgākas pret trausluma fāzi paaugstinātas -temperatūras apstākļos, savukārt molibdēna-nestņu kategorijās augstāks ferīts var samazināt izturību pret koroziju karstā oksidējošā vidē, tāpēc FN tiek pārvaldīts kā mērķa diapazons, nevis maksimizēts.

Kura uzbūves diagramma tiek uzskatīta par visprecīzāko ferīta skaita prognozēšanai?

WRC-1992 diagramma parasti tiek uzskatīta par precīzāko pašlaik pieejamo diagrammu, kas ir apstiprināta pret vairāk nekā 200 neatkarīgiem metināšanas metāliem un pieņemta kā atsauce kodos, tostarp ASME katlu kodeksā.