Keretakan Pemejalan dalam Kimpalan Keluli Tahan Karat Austenitik Sepenuhnya: Kawalan Nombor Ferrit

sepenuhnyakeluli tahan karat austenitkimpalan retak semasa pemejalan kerana, tanpa sedikit delta ferit hadir, kekotoran sulfur dan fosforus yang rendah -asingkan ke dalam filem cecair nipis di sepanjang sempadan butiran yang mengeras dan terkoyak di bawah tekanan penyejukan. Kawalan industri standard adalah untuk menyasarkan Nombor Ferrite (FN) kira-kira 3 hingga 10 menggunakan rajah WRC-1992 - ferit yang cukup untuk memerangkap bendasing tersebut, tetapi tidak begitu banyak sehingga merendahkan rintangan kakisan atau menggalakkan fasa sigma rapuh dalam perkhidmatan.

Kimpalan keluli tahan karat austenit - 304, 316, dan banyak variasinya - adalah antara bahan yang paling biasa dikimpal dalam industri, dan kebanyakannya bertolak ansur dengan baik. Tetapi subset aplikasi tertentu, daripada kapal kriogenik kepada gred austenit sepenuhnya seperti 310 dan 330, mengalih keluar ciri yang biasanya melindungi kimpalan ini daripada retak: delta ferit. Artikel ini menerangkan mekanisme di sebalik keretakan pemejalan, sebab Nombor Ferrite adalah tuas utama untuk mengawalnya, dan perkara yang perlu dilakukan apabila aplikasi benar-benar tidak boleh bertolak ansur dengan ferit yang sebaliknya akan menyelesaikan masalah.

Mengapa Kimpalan Keluli Tahan Karat Austenit Retak Semasa Pemejalan?

Keretakan pemejalan berlaku apabila sisa sulfur dan kekotoran fosforus diasingkan menjadi filem cecair cair-yang nipis dan rendah di sepanjang sempadan butiran pejal dan tegasan penyejukan mengoyak sempadan yang masih-lemah sebelum ia boleh memejal sepenuhnya.

Apabila logam kimpalan menyejuk daripada cecair kepada pepejal, ia tidak memejal sekaligus - butir terbentuk dan tumbuh, dan sisa kekotoran yang tidak sesuai dengan struktur kristal akan ditolak ke hadapan hadapan pepejal yang memajukan. Sulfur dan fosforus ialah pesalah utama: kedua-duanya bergabung dengan unsur matriks untuk membentuk sebatian dengan takat lebur lebih rendah daripada logam di sekelilingnya, dan kedua-duanya sedia mengasingkan ke bahagian terakhir-untuk-memantapkan kawasan di sempadan butiran.

Apabila kimpalan terus menyejuk dan mengecut, ia menjana tegasan tegangan merentasi sempadan tersebut. Jika filem cecair nipis kekotoran lebur rendah-ini masih ada apabila tegasan itu tiba, sempadan itu pada dasarnya tidak mempunyai kekuatan untuk menahannya, dan ia koyak - menghasilkan retakan pemejalan, kadangkala kelihatan pada permukaan, kadangkala tertimbus di dalam kimpalan.

Apakah Nombor Ferrit, dan Mengapa Sebilangan Kecil Ferrit Mencegah Keretakan?

Nombor Ferrite (FN) ialah indeks piawai yang diukur secara magnetik tentang jumlah delta ferit yang terdapat dalam logam kimpalan austenit, dan ferit itu penting kerana ia melarutkan sulfur dan fosforus jauh lebih mudah daripada austenit, mengekalkan kekotoran tersebut daripada tertumpu kepada retak-yang menyebabkan filem cecair.

Delta ferit berfaedah dalam melarutkan fosforus dan sulfur, kekotoran cair-rendah yang sebaliknya akan diasingkan semasa pemejalan dan menyebabkan keretakan semasa hantaran kimpalan berikutnya. Ferit mempunyai had keterlarutan yang lebih tinggi untuk unsur-unsur ini berbanding austenit, jadi apabila kimpalan menjadi pejal walaupun terdapat sedikit ferit, ferit itu bertindak sebagai sink - menyerap sulfur dan fosforus ke dalam larutan pepejal dan bukannya membiarkannya tertumpu ke dalam filem cecair nipis pada sempadan butiran.

Ferit juga dipercayai bertindak sebagai pengikat fizikal antara lajur dendrit austenit yang mengeras; dengan kehadiran ferit yang terlalu sedikit, lajur dendrit selari tersebut boleh terbelah terbuka sepanjangnya sebagai retak. Oleh kerana FN diukur dengan instrumen magnet piawai dan dilaporkan pada skala yang diiktiraf di peringkat antarabangsa, ia memberikan jurutera kimpalan nombor yang praktikal dan boleh diulang untuk menyasarkan - dan bukannya bergantung pada rasa kualitatif semata-mata ferit 'cukup'.

Apakah Julat Nombor Ferrite yang Perlu Disasarkan Jurukimpal?

Amalan industri secara amnya menyasarkan FN dalam julat kira-kira 3 hingga 10 untuk gred austenit standard seperti 308, 308L, 309 dan 316 - yang cukup untuk menahan keretakan pemejalan dengan pasti tanpa menimbulkan masalah kakisan atau hakisan yang datang dengan lebihan ferit.

Julat ini tidak sewenang-wenangnya: ia mewakili titik keseimbangan antara dua risiko yang bersaing. Di bawah kira-kira 3 FN, secara amnya tidak terdapat cukup ferit yang boleh dipercayai, pada tahap yang konsisten dan boleh diramal merentasi kimpalan, untuk menjamin rintangan retak - variasi dalam kadar penyejukan, pencairan atau anjakan kimia kecil boleh menolak kawasan terpencil kimpalan ke arah sifar ferit walaupun sasaran pada kertas kelihatan mencukupi.

Di atas kira-kira 10 FN, masalah lain mula timbul, dibincangkan dengan lebih terperinci di bawah. Untuk logam asas austenit sepenuhnya dengan kandungan sulfur dan fosforus yang luar biasa rendah, dan padanan -logam pengisi kekotoran rendah, kimpalan kadangkala boleh dilakukan dengan jayanya di luar julat ini - tetapi itu memerlukan kimia yang direka bentuk secara sengaja, bukan amalan standard.

Bagaimanakah Rajah Schaeffler, DeLong dan WRC-1992 Meramalkan Kandungan Ferit?

Gambar rajah perlembagaan ini memplot setara kromium kimpalan terhadap setara nikelnya untuk meramalkan kedua-dua kandungan ferit yang terhasil dan mod pemejalan, dengan gambar rajah WRC-1992 kini dianggap sebagai versi yang paling tepat dan diterima pakai secara meluas.

Ketiga-tiga rajah berfungsi pada prinsip asas yang sama: unsur pengaloian tertentu berkelakuan seperti kromium dalam mempromosikan ferit (kromium itu sendiri, molibdenum, niobium, silikon), manakala yang lain berkelakuan seperti nikel dalam mempromosikan austenit (nikel, karbon, nitrogen, mangan, tembaga). Dengan menggabungkan komposisi sebenar logam kimpalan ke dalam nilai kromium-setara (Creq) dan nikel-setara (Nieq), dan memplot nisbah, gambar rajah ini meramalkan kedua-dua kandungan delta ferit yang terhasil dan - secara kritikal - mod di mana kimpalan itu menjadi pepejal.

Gambar rajah WRC-1992 bertambah baik pada pendahulunya dengan menambah pekali untuk kuprum dalam pengiraan setara nikel-, membetulkan kecenderungan gambar rajah WRC-1988 terdahulu untuk menilai terlalu tinggi FN dalam logam kimpalan yang mengandungi tembaga, dan pengesahan ramalannya terhadap lebih daripada 200 logam lebih tinggi. Gambar rajah Schaeffler dan DeLong.

Mengapa Mod Pemejalan Lebih Penting Daripada Kandungan Ferit Sahaja?

Kimpalan yang menjadi pejal sebagai ferit primer (mod FA) sememangnya jauh lebih tahan retak daripada kimpalan yang mengeras sebagai austenit primer (mod AF), walaupun pada kandungan ferit akhir yang serupa - kerana jujukan di mana fasa terbentuk menentukan sejauh mana kekotoran secara berkesan disapu ke dalam ferit dan bukannya terperangkap dalam cecair terakhir.

Kebanyakan kimpalan keluli tahan karat austenit direka bentuk untuk memejal dalam mod-austenit (FA) ferit: ferit delta primer terbentuk terlebih dahulu, dengan austenit terbentuk selepas itu melalui perubahan jenis-pepejal atau eutektik-. Jujukan inilah yang membolehkan ferit mengais sulfur dan fosforus dengan berkesan semasa pemejalan. Alternatif, pemejalan austenit-feritik (AF) atau austenit sepenuhnya (A), menawarkan perlindungan yang jauh lebih rendah, kerana bendasing tidak mempunyai fasa ferit yang tersedia pada awal pemejalan untuk diserap.

Peralihan antara mod ini dikawal oleh nisbah Creq/Nieq: nisbah di bawah kira-kira 1.5 cenderung ke arah pemejalan austenit primer, manakala nisbah di atas ambang itu beralih ke arah ferit primer, dengan kajian yang berbeza meletakkan titik peralihan yang tepat untuk proses kimpalan biasa antara kira-kira 1.5 hingga setinggi 1.9–2.0 kesetaraan yang digunakan bergantung pada formula tertentu.

Inilah sebabnya mengapa dua kimpalan dengan FN terukur akhir yang serupa boleh mempunyai-rintangan retak dunia - sebenar yang sangat berbeza, rajah meramalkan mod pemejalan secara khusus kerana mod, bukan hanya kuantiti ferit akhir, mengawal sejauh mana kekotoran dikawal semasa tetingkap pemejalan yang terdedah.

Apa Berlaku Apabila Aplikasi Benar-benar Memerlukan Sifar atau Hampir{0}}Sifar Ferrite?

Perkhidmatan tertentu - kapal kriogenik yang memerlukan keliatan suhu-rendah maksimum dan gred austenit sepenuhnya seperti 310, 320 dan 330 yang tidak boleh pasti membentuk ferit sama sekali - mengalih keluar margin keselamatan ferit sepenuhnya, itulah sebabnya kimpalan ini diiktiraf sebagai kawalan proses yang lebih ketat- dengan ketara{6} 308/316 kimpalan.

Untuk perkhidmatan suhu-kriogenik, kekuatan hentaman suhu rendah-berkurang apabila kandungan ferit meningkat, mewujudkan konflik langsung: ferit yang tahan retak juga mengurangkan keliatan yang diperlukan oleh aplikasi pada suhu rendah, jadi kimpalan ini memerlukan FN yang seimbang rapat untuk mencapai rintangan retak yang mencukupi bersama-sama kekuatan hentaman suhu rendah-yang baik dan bukannya memaksimumkan suhu rendah-yang baik, bukannya memaksimumkan kekuatan hentaman suhu rendah.

Fully austenitic filler grades - 310, 320, and 330 - present an even more difficult case: their compositions are inherently more crack-sensitive than their ferrite-fortified relatives, and all phases of welding and inspection require greater attention as a result. For these grades, the accepted practice is to compensate through filler metal chemistry and process discipline rather than through ferrite content: using filler metal with low sulfur and phosphorus and increased manganese content, since manganese helps bind sulfur and reduce its embrittling effect even without ferrite present to do the same job.

Adakah Sulfur dan Fosforus Penting Walaupun Nombor Ferit Nampak Boleh Diterima?

Ya - hubungan langsung yang didokumenkan wujud antara kandungan fosforus-tambah-dan sensitiviti retakan gabungan fosforus, bebas daripada paras ferit, bermakna kimpalan dengan FN yang mencukupi secara teknikal masih boleh retak jika kandungan kekotoran cukup tinggi.

Penyelidikan yang mengkaji secara khusus kimpalan autogen bagi keluli tahan karat Jenis 309 mengenal pasti hubungan yang jelas antara jumlah kandungan fosforus dan sulfur, paras ferit dalam logam kimpalan, dan kepekaan retak yang terhasil. Implikasi praktikalnya ialah kawalan ferit dan kawalan kekotoran ialah dua tuas berasingan yang kedua-duanya perlu ditarik, bukan satu menggantikan yang lain: pengehadan ketat ke atas karbon, fosforus dan sulfur dalam kedua-dua bahan asas dan bahan habis guna kimpalan kekal penting walaupun dalam kimpalan dengan FN yang mencukupi, dan dua yang paling retak-}gred sensitif adalah sama dengan - 310} dan penggunaan yang sama. kawalan perlu mengimbangi margin ferit yang tidak tersedia dengan pasti.

Adakah Terlalu Banyak Ferrite Menyebabkan Masalahnya Sendiri?

Ya - di atas kira-kira 10 FN, lebihan ferit meningkatkan risiko pembentukan fasa sigma yang teruk dalam-perkhidmatan suhu tinggi dan dalam molibdenum-gred galas seperti 316, kandungan ferit yang lebih tinggi boleh mengurangkan rintangan kakisan dalam persekitaran pengoksidaan panas.

Risiko fasa sigma: melebihi kira-kira 10 FN, terdapat bahaya ferit - yang memegang kromium dalam larutan pepejal - berubah menjadi fasa sigma rapuh apabila suhu perkhidmatan jatuh dalam kira-kira 1000–1650 darjah F (540–900 darjah ) julat, dan dalam sesetengah kimpalan multipass, haba kimpalan sigma} secara inferrit tinggi sahaja boleh menghasilkan- kimpalan sigma} yang tinggi. dedahan perkhidmatan suhu tinggi-.

Rintangan kakisan dalam gred galas Mo-: dalam gred galas molibdenum-seperti 316 dan 317, kandungan ferit yang lebih tinggi boleh menyebabkan penurunan besar dalam rintangan kakisan dalam media pengoksidaan panas, seperti perkhidmatan urea - pengecualian yang didokumentasikan dengan baik{5}}tertentu kepada peraturan am yang lebih selamat.

Keliatan suhu rendah-yang dikurangkan: seperti yang telah dinyatakan untuk aplikasi kriogenik, kekuatan hentaman pada suhu rendah berkurangan apabila kandungan ferit meningkat, berfungsi secara langsung terhadap rintangan retak dalam keadaan perkhidmatan khusus tersebut.

Inilah sebabnya kawalan FN dipersembahkan sebagai julat sasaran dan bukannya strategi pemaksimuman 'lebih lebih baik' - nombor yang betul bergantung pada gred tertentu, suhu perkhidmatan dan persekitaran kakisan, bukan siling atau lantai universal tunggal.

Apakah Perubahan Amalan Kimpalan Mengurangkan Risiko Keretakan dalam Gred Ferrite-Rendah?

Untuk gred ferit-sensitif, rendah-, meminimumkan sekatan, memastikan input haba dan suhu interpass rendah, pilih penyejukan yang lebih perlahan melalui julat pemejalan yang terdedah dan sengaja elakkan profil manik kimpalan yang licin,-yang dicuci dengan baik memihak kepada manik bermahkota yang lebih cembung.

Minimumkan sekatan mekanikal dalam reka bentuk sambungan dan pelekap, kerana keretakan pada asasnya didorong oleh tekanan yang bertindak pada sempadan yang masih-lemah dan separa pepejal.

Pastikan input haba rendah dan kawal suhu interpass - panduan untuk gred paling retak-sensitif secara khusus mengesyorkan mengekalkan suhu interpass di bawah kira-kira 210 darjah F (99 darjah ).

Kawal profil manik kimpalan dengan sengaja: licin, rata,{0}}manik yang dicuci dengan baik lebih mudah retak dalam gred yang paling retak-sementara profil manik yang lebih cembung, bermahkota lebih tahan retak-, garis panduan praktikal yang berlawanan dengan intuitif tetapi{3}}yang didokumentasikan dengan baik.

Kawal kandungan silikon dalam logam kimpalan, terutamanya dalam kimpalan arka terendam, kerana -logam kimpalan silikon tinggi lebih mudah retak-daripada logam kimpalan silikon-rendah, dan pikap silikon daripada fluks kimpalan harus diambil kira.

Pilih kimia logam pengisi dengan sengaja untuk gred austenitik sepenuhnya - sulfur dan fosforus rendah, mangan tinggi - dan bukannya bergantung pada ferit logam-bes yang tidak dapat diberikan dengan pasti oleh gred ini.

Bagaimanakah Nombor Ferit Perlu Disahkan Semasa dan Selepas Kimpalan?

FN hendaklah disahkan dengan instrumen pengukuran ferit magnetik yang ditentukur pada kimpalan pengeluaran atau kupon ujian perwakilan, silang-disemak terhadap ramalan rajah perlembagaan yang digunakan pada peringkat kelayakan prosedur kimpalan, memandangkan FN dan rajah yang diukur-FN yang diramalkan sebenar boleh menyimpang dengan pembolehubah pencairan dan proses.

Instrumen pengukuran ferit magnet menyediakan cara yang praktikal, tidak-memusnahkan untuk mengesahkan FN sebenar pada kimpalan yang telah siap, dan nilai yang diukur inilah yang akhirnya harus mengawal penerimaan - bukan hanya ramalan yang dikira daripada rajah perlembagaan. Perlu juga diperhatikan bahawa FN seperti yang diukur tidak selalu sama dengan peratus isipadu sebenar ferit yang ada: pada kira-kira 8–10 FN dan ke bawah, FN lebih kurang sama dengan purata peratus volum delta ferit dalam kimpalan, tetapi pada nilai FN yang lebih tinggi, pengukuran boleh semakin menganggarkan terlalu tinggi kandungan ferit sebenar di mana FN menjajarkan julat sasaran dengan telaga3, yang merupakan satu lagi sebab FN menyasarkan julat 3. itu sendiri kekal paling dipercayai dan bermakna secara fizikal.

Soalan Lazim

Apakah Nombor Ferrite yang biasanya disyorkan untuk mengelakkan keretakan pemejalan?

Kira-kira 3 hingga 10 FN untuk gred austenit standard seperti 308, 308L, 309, dan 316, dikira menggunakan gambar rajah WRC-1992 dan disahkan pada kimpalan sebenar dengan instrumen ferit magnetik yang ditentukur.

Mengapakah gred austenit sepenuhnya seperti 310 dan 330 lebih sukar untuk dikimpal-bebas retak?

Komposisi mereka tidak boleh dipercayai membentuk delta ferit yang melindungi kebanyakan kimpalan austenit daripada retak, jadi rintangan retak perlu datang sebaliknya daripada kimia logam pengisi yang dikawal ketat - sulfur dan fosforus rendah, peningkatan mangan - dan prosedur kimpalan yang berdisiplin berbanding kandungan ferit.

Bolehkah kimpalan retak walaupun Nombor Ferritnya berada dalam julat yang disyorkan?

Ya, jika kandungan sulfur dan fosforus cukup tinggi. Kawalan ferit dan kawalan kekotoran adalah faktor berasingan yang kedua-duanya perlu diuruskan; FN yang mencukupi mengurangkan tetapi tidak menghapuskan risiko retak daripada kekotoran sisa yang berlebihan.

Adakah lebih banyak ferit sentiasa lebih selamat untuk kimpalan keluli tahan karat austenit?

Tidak. Di atas kira-kira 10 FN, kimpalan menjadi lebih mudah terdedah kepada fasa sigma yang merosakkan dalam perkhidmatan suhu-tinggi, dan dalam gred galas molibdenum-, ferit yang lebih tinggi boleh mengurangkan rintangan kakisan dalam persekitaran pengoksidaan panas, jadi FN diuruskan sebagai julat sasaran, tidak dimaksimumkan.

Rajah perlembagaan manakah yang dianggap paling tepat untuk meramalkan Nombor Ferit?

Gambar rajah WRC-1992 secara amnya dianggap sebagai gambar rajah paling tepat pada masa ini, disahkan terhadap lebih daripada 200 logam kimpalan bebas dan diterima pakai sebagai rujukan dalam kod termasuk Kod Dandang ASME.