Roostevaba terase kuumtöötlemine, lahuse töötlemine ja vanandamine

Roostevaba teras ei ole lihtsalt materjal -, see on konstrueeritud sulamite perekond, mille lõplikud omadused on põhjalikult kujundatud pärast vormimist rakendatud termilise ajaloo tõttu. Kaks identse koostisega 316L roostevaba terase tükki võivad kasutuses käituda täiesti erinevalt, kui üks on õigesti lahustatud ja teine ​​mitte.

Kuumtöötlemine on kuumutamis- ja jahutustsüklite kontrollitud rakendamine metallile, et saavutada soovitud mikrostruktuur ja seega spetsiifilised mehaanilised, korrosiooni- ja füüsikalised omadused. Roostevaba terase ja nikli{1}}põhiste sulamite puhul ei ole kuumtöötlemine valikuline, - see on spetsifikatsioonidele vastava ja usaldusväärselt toimiva toote valmistamise põhietapp.

See artikkel selgitab kolme kõige kriitilisemat roostevaba terase kuumtöötlemisprotsessi: lõõmutamine, lahusega töötlemine ja vanandamine (sademega karastamine). Käsitleme iga protsessi metallurgilist alust, õigeid protsessi parameetreid, mõju materjali omadustele ja levinud vigu, mis põhjustavad toote rikke.

1. jagu: Metallurgia Sihtasutus

Enne konkreetsetesse protsessidesse sukeldumist on oluline mõista, mis toimub terase sees mikroskoopilisel tasemel - mikrostruktuur - ja miks see reageerib kuumusele nii, nagu see toimub.

Roostevabast terasest mikrostruktuurid

Roostevaba teras ei ole üks materjal, vaid klassifikatsioon, mis hõlmab viit erinevat mikrostruktuuri perekonda, millest igaühel on kuumtöötlemisel erinev reaktsioon. Õige termilise protsessi rakendamise esimene samm on aru saada, millise perekonnaga te töötate.

Tabel 1: roostevabast terasest perekonnad ja nende kuumtöötluse tundlikkus

Mida kuumtöötlus tegelikult muudab

Aatomi skaalal saavutab kuumtöötlus mitu kriitilist tulemust:

Sademete lahustumine - kahjulikud karbiidi- või sigma-faasiosakesed, mis moodustuvad piki terade piire valmistamise ajal, lahustatakse tagasi tahkeks lahuseks.

Ümberkristalliseerimisel - töö-külm- või kuumvormimisel tekkinud kõvastunud, deformeerunud terastruktuurid asendatakse uute, pingevabade-tahvliga teradega, mis taastavad elastsuse.

Homogeniseerimine - väheneb valamis- või keevitusprotsessist tingitud keemiline eraldumine, mis annab ühtlasema sulami koostise.

Kontrollitud sademed - sademetes-kõvenevates sulamites, spetsiifilised kuumusjärjestused põhjustavad peente osakeste (tavaliselt vase-rikkad või intermetallilised faasid) moodustumist terades, suurendades järsult tugevust.

2. jagu: lõõmutamine

Lõõmutamine on roostevaba terase kõige laialdasemalt kasutatav kuumtöötlus. Mõiste viitab laiale soojustsüklite perekonnale -, mis kõik hõlmavad kuumutamist kõrgendatud temperatuurini ja kontrollitud jahutamist -, mille eesmärk on materjali pehmendamine, jääkpingete leevendamine ning korrosioonikindluse taastamine või parandamine.

Täielik lõõmutamine vs protsessiline lõõmutamine

Täielik lõõmutamine soojendab materjali üle rekristalliseerimistemperatuuri ja jahutab seda piisavalt aeglaselt, et tekitada maksimaalne pehmus. Protsessi lõõmutamine (mida nimetatakse ka vahepealseks lõõmutamiseks või säravaks lõõmutamiseks) viiakse läbi külm-tööetappide vahel ning see on optimeeritud kiiruse ja pinnakvaliteedi, mitte maksimaalse pehmenemise jaoks.

Sensibiliseerimise probleem

Austeniitse roostevaba terase ebaõige kuumtöötlusega seotud kõige kriitilisem risk on sensibiliseerimine. Kui austeniitset roostevaba terast kuumutatakse - või jahutatakse aeglaselt - temperatuurivahemikus ligikaudu 425–870 kraadi (800–1600 °F), sadestuvad kroomkarbiidid (Cr23C6) piki tera piire.

See kahandab kroomi ümbritsevat ala, langetades kohaliku sisu allapoole passiveerimiseks vajalikku 10,5% künnist. Tulemuseks on kroom-vaesestatud tsoonide võrgustik, mis on väga tundlikud teradevahelise korrosiooni suhtes, mida mõnikord nimetatakse keevisõmbluse lagunemiseks, kui see toimub keevitussoojuse -mõjutatud tsoonide kõrval.

Tabel 2: Lõõmutamisparameetrid roostevaba terase klassi perekonna järgi

Hele lõõmutamine

Heleda lõõmutamine on spetsiaalne protsess, mida viiakse läbi kontrollitud atmosfääriga ahjus -, tavaliselt vesinik, dissotsieerunud ammoniaak või lämmastiku-vesiniku segud -, et vältida pinna oksüdeerumist kuumutamise ajal. Tulemuseks on puhas, peegeldav pind, mis ei vaja lõõmutamisjärgset peitsimist- ega happepuhastust, mistõttu on see ideaalne torude, ribade ja traattoodete jaoks, mida kasutatakse toiduainetes, farmaatsiatoodetes ja pooljuhtides.

Kastepunkti reguleerimine on eredal lõõmutamisel kriitiline. Niiskus ahju atmosfääris tekitab veeauru, mis reageerib kroomiga, moodustades tuhmi, oksüdeerunud pinna -, rikkudes protsessi eesmärgi. Tavaliselt määratakse kastepunkt -40 kraadi või alla selle.

3. jaotis: Lahuse töötlemine

Lahustöötlus -, mida nimetatakse ka lahusega lõõmutamiseks või niklisulamite puhul lahuse kuumtöötluseks -, on spetsiifiline kõrgel -temperatuuril lõõmutamine, mille eesmärk on lahustada kõik sekundaarsed faasid homogeenseks tahkeks lahuseks. See on esimene oluline samm sademe{4}}kõvenemisel ja sama oluline ka roostevaba dupleksteraste puhul.

Kuidas lahendusravi toimib

Kui roostevaba terast valmistatakse - valamise, valtsimise, keevitamise või sepistamise teel -, tekib paratamatult heterogeenne mikrostruktuur: mõned piirkonnad on legeerivate elementide poolest rikkamad kui teised ning võivad tekkida metallidevahelised faasid või karbiidid. Lahusega töötlemine soojendab materjali piisavalt kõrge temperatuurini, et kõik need faasid lahustuksid, luues ühtlase ühefaasilise tahke lahuse.

Seejärel kustutatakse materjal kiiresti - tavaliselt vees -, et see homogeenne mikrostruktuur paigale külmutada. Kiire jahutamine hoiab ära karbiidide ja metallidevaheliste faaside tagasisadestamise, mis muidu aeglasel jahutamisel tekiksid.

Kahepoolse roostevaba terase töötlemine lahusega

Dupleksroostevabad terased nagu2205ja2507sisaldavad ligikaudu võrdses vahekorras austeniidi ja ferriidi faase - – mikrostruktuuri, mis annab neile erakordse tugevuse ja korrosioonikindluse. See tasakaal on aga väga tundlik temperatuuri suhtes ja seda võib valmistamine hävitada.

Üle ligikaudu 1050 kraadi paisub ferriidifaas austeniidi arvelt. Alla umbes 850 kraadi võivad kahjulikud metallidevahelised faasid - sigma, chi ja alfa-prime - sadestuda ja materjali tugevalt habrastada. Lahuse töötlemine õigel temperatuuril ja sellele järgnev kiire jahutamine on kohustuslik pärast iga kuum- või külmvormimisoperatsiooni.

Tabel 3: Lahuse töötlemise parameetrid võtmeklasside jaoks

Lahuse töötlemise mõju mehaanilistele omadustele

Lahuse töötlemine vähendab prognoositavalt tugevust, suurendades samal ajal oluliselt elastsust ja sitkust. Austeniitsete klasside (nt 316) puhul maksimeerib see ka korrosioonikindlust, tagades kõigi sensibiliseerivate karbiidide täieliku lahustumise. Allolevas tabelis võrreldakse tavaliste klasside omadusi enne ja pärast lahusega töötlemist.

Tabel 4: Mehaaniliste omaduste muutused pärast lahusega töötlemist

4. jaotis: Vananemine (sademete kõvenemine)

Vananemine -, mida tuntakse ka kui sademetega kõvenemist või vananemiskarastamist -, on kuumtöötlusprotsess, mis suurendab järsult teatud roostevaba terase klasside tugevust ja kõvadust, põhjustades metallimaatriksis peeneks hajutatud sademete moodustumist.

Erinevalt tavapärasest süsinikterase karastamisest (mis nõuab kõrgetel temperatuuridel karastamist) on sademega karastamine kahe-etapiline protsess: esmalt töödeldakse lahusega üleküllastunud tahke lahuse saamiseks, millele järgneb vanandamine madalamal temperatuuril kontrollitud sademete tekitamiseks. Protsess on ohutu, prognoositav ja annab roostevaba terase kõrgeima tugevuse{2}}ja-kaalu suhte.

Sademete kõvenemise mehhanism

Pärast lahusega töötlemist on materjal seisundis A: suhteliselt pehme, homogeenne üleküllastunud lahus. Vananemistemperatuurini (tavaliselt 480–620 kraadi / 900–1150 kraadi F) kuumutamisel hakkavad legeerivad elemendid -, nagu vask 17–4 PH või titaan ja alumiinium A-286 --s, difundeeruma ja koonduma ülipeenteks nanomõõtmelisteks osakesteks, mida nimetatakse sademeks.

Need sademed on koherentsed maatriksiga -, mis tähendab, et neil on sama kristallvõre - ja need takistavad nihestuse liikumist. Kuna plastiline deformatsioon nõuab nihestusliikumist, suurendab selle liikumise blokeerimine oluliselt materjali deformeerimiseks vajalikku jõudu, mis väljendub suurenenud tugevusena ja kõvadusena.

17-4 PH: tööstusharu standardne PH klass

Klass 17-4 PH (UNS S17400, tuntud ka kui tüüp 630) on kõige laialdasemalt kasutatav sademe{8}}karastav roostevaba teras. See sisaldab umbes 17% kroomi, 4% niklit ja 4% vaske ning saavutab oma tugevuse vananemise ajal vaserikka sademe moodustumisega. Kriitiline on see, et 17–4 PH on pärast lahusega töötlemist sisuliselt täielikult martensiitne, mis võimaldab vananemistemperatuuri reguleerimisega täpsustada mitut vananemistingimusi.

Tabel 5: 17-4 PH seisundikoodid ja sellest tulenevad mehaanilised omadused

Muster on selge: madalamad vananemistemperatuurid annavad suurema tugevuse, kuid madalama plastilisuse ja sitkuse. Tingimus H900 on määratud siis, kui on vaja maksimaalset tugevust (lennukikinnitused, tööriistad), samas kui H1150M on eelistatud siis, kui esikohal on sitkus ja korrosioonikindlus (surveanumad, laevakomponendid).

Muud sademete{0}}kõvenemisastmed

Tabel 6: Peamised sademed-Kõvenemisastmete võrdlus

5. jaotis: Levinud kuumtöötlemise vead ja nende vältimine

Isegi hästi{0}}määratletud protsessid võivad valesti minna. Kuumtöötlusvigade - algpõhjuste mõistmine - on sama oluline kui õigete parameetrite tundmine.

Tabel 7: Levinud kuumtöötlemise vead, põhjused ja ennetamine

6. jaotis: Kohaldatavad standardid ja spetsifikatsioonid

Roostevaba terase ja niklisulamite kuumtöötlemist reguleerib laiaulatuslik rahvusvaheliste standardite raamistik. Nende standardite järgimine on kosmose-, tuuma-, nafta- ja gaasitööstuse ning meditsiinirakenduste puhul kohustuslik.

Tabel 8: Peamised rahvusvahelised standardid roostevaba terase kuumtöötlemiseks

Järeldus

Kuumtöötlus ei ole järelmõte -, see on roostevabast terasest toodete metallurgilise disaini põhiosa. Lõõmutamine taastab vormimise ja keevitamise tõttu kahjustatud mikrostruktuuri, lahusega töötlemine loob homogeense baasjoone, mis on vajalik edasiseks töötlemiseks ja kasutamiseks, ning vanandamine muudab suhteliselt pehme materjali üheks tugevaimaks saadaolevaks korrosioonikindlaks{2}sulamiks.

Igal protsessil on määratletud temperatuuriaknad, ooteajad ja jahutusnõuded, mis ei ole läbiräägitavad. Kõrvalekalded - olenemata ahju ebapiisavast juhtimisest, ebaõigest atmosfääri juhtimisest või vahele jäetud sammudest - viivad prognoositavate ja ennetatavate tõrgeteni: sensibiliseerimine, murenemine, moonutused ja tugevuse puudujääk.

Olenemata sellest, kas olete hankespetsialist, kes valib sertifitseeritud tarnijat, insener, kes kavandab tootmisjärjestust, või üliõpilane, kes õpib füüsilise metallurgia põhialuseid, annab nende kolme kuumtöötlusprotsessi mõistmine teile põhiteadmised õigete küsimuste esitamiseks ja paremate otsuste tegemiseks.

Nõudke alati dokumentatsiooni: veski katseprotokollid (MTR-id) peaksid täpsustama kuumtöötluse tingimused ja viitama kohaldatavale standardile. Suure -väärtusega rakenduste puhul ei ole kolmanda osapoole kontrollimine kuumtöötlemise kirjete -, sealhulgas ahju diagrammide, koormustermopaaride ja kustutuskirjete - puhul liigne ettevaatus; see on professionaalne hoolsuskohustus.

Korduma kippuvad küsimused (KKK)

Jah, kuid oluliste hoiatustega. Keevitatud 17-4 PH tuleks tavaliselt enne vanandamist lahusega töödelda (tingimus A), et tagada ühtlane mikrostruktuur mitteväärismetalli, kuumus{5}}mõjutatud tsooni ja keevismetalli vahel. Vananemine ilma keevisõmbluse eelneva lahustöötluseta võib põhjustada ebaühtlaseid omadusi ja vähendada korrosioonikindlust.

K: Miks peab roostevaba dupleksteras olema pärast lõõmutamist veega karastatud ja mitte õhkjahutusega?

Sigma faas ja muud intermetallilised ühendid hakkavad kiiresti moodustuma roostevabas dupleksterases, kui neid hoitakse või jahutatakse aeglaselt alla 1000 kraadi. Isegi lühike kokkupuude vahemikus 600–900 kraadi võib põhjustada katastroofilist tugevuse ja korrosioonikindluse kaotust. Veega kustutamine on ainus usaldusväärne meetod, mis võimaldab selle temperatuurivahemiku piisavalt kiiresti läbida, et vältida sademete tekkimist.

K: Mis vahe on 304 ja 304L vahel ning kas see mõjutab kuumtöötlust?

Tähis L tähistab madala süsinikusisaldusega-varianti (standardse 304 puhul maksimaalselt 0,03% C vs . 0.08% C). Väiksem süsinikusisaldus vähendab oluliselt sensibiliseerumise ohtu valmistamise ja kuumtöötlemise ajal, kuna kroomkarbiidide moodustamiseks on saadaval vähem süsinikku. Kuumtöötlemise seisukohast võib 304L taluda aeglasemat jahutuskiirust ja madalamat lõõmutamistemperatuuri ilma sama sensibiliseerimisriskita kui standardne 304.

K: Kuidas kontrollida, kas kuumtöötlus on õigesti tehtud?

Peamised kontrollimeetodid on: (1) vaadake üle ahju kirjed - aja-temperatuuri diagrammid koos termopaari andmetega iga laadimise kohta; (2) Kõvaduse testimine - kui lõõmutatud või vanandatud kõvaduse väärtused peaksid jääma spetsifikatsiooni piiridesse; (3) tõmbe- ja löögikatse sama kuumuse ja partii katsekupongidel; (4) Mikrostruktuuri uurimine metallograafilise lõikega, et kinnitada faaside tasakaalu (eriti dupleksklasside puhul); (5) Korrosioonikatse vastavalt ASTM A262-le (sensibiliseerimiskatse) agressiivses keskkonnas kasutatavate austeniitsete klasside jaoks.