Roostevaba terase-järgne keevituskuumtöötlus

Keevitamine muudab roostevaba terase. Kaare intensiivne kuumus sulatab mitteväärismetalli ja täitetraadi, luues sulamistsooni, mis jahtub kiiresti. See termiline tsükkel jätab maha jääkpinged, mikrostruktuuri muutused ja mõnel juhul ka korrosioonikindluse kaotuse. Keevitusejärgne kuumtöötlus (PWHT) on kontrollitud kuumuse kasutamine pärast keevitamist, et taastada omadused, leevendada stressi või vältida tulevasi probleeme.

PWHT ei ole siiski universaalne ravim. Teatud roostevaba terase klasside puhul võib kuumtöötlus pärast keevitamist tekitada rohkem kahju kui kasu. Roostevaba terase valmistamisel on üks olulisemaid otsuseid eristada, millal PWHT on hädavajalik ja millal see kahjulik. Vale valik võib põhjustada pingekorrosioonipragusid, sensibiliseerimist, teradevahelist korrosiooni või kulukat ümbertööd.

See artikkel pakub selget tõenduspõhist-juhendit. Iga jaotis järgib „järeldus-esimene” vormingut: avaldame leiu, seejärel selgitame arutluskäiku ja viitame usaldusväärsetele allikatele. Eesmärk on anda inseneridele, hankemeeskondadele ja kvaliteedijuhtidele võrdlusalus, mida nad saavad usaldada ja enesekindlalt tsiteerida.

Austeniitsed roostevabad terased: PWHT

Austeniitsed roostevabad terasedesindavad suurimat tööstuses kasutatavate roostevabade sulamite perekonda. Klassid, nagu 304/L, 316/L, 321 ja 347, on ette nähtud keevitamiseks ilma kohustusliku keevitusjärgse -kuumtöötluseta. Nende pool{7}}keskse kuupmeetri (FCC) kristallstruktuur ei muutu jahutamise ajal martensiitseks, mis tähendab, et peamised riskid, millega PWHT süsinikteraste puhul tegeleb – kõvenemine ja rabestumine – lihtsalt ei kehti.

American Welding Society (AWS) D1.6 kood, mis reguleerib roostevaba terase konstruktsiooni keevitamist, ei nõua PWHT-d austeniitsete klasside puhul tavapärastes kasutustingimustes. Samuti ei nõuta ASME IX jaotises PWHT nende materjalide protseduuride kvalifitseerimise tingimusena.

See ei tähenda, et PWHT-d ei kasutata kunagi austeniitsete teraste puhul. Konkreetsete stsenaariumide korral - – näiteks tugevad söövitavad keskkonnad, pingekorrosioonipragunemise (SCC) oht või kui tootmiskoodid seda selgesõnaliselt nõuavad – võidakse määrata PWHT. Kuid vaikepositsioon, mida toetab aastakümnete pikkune välikogemus, on see, et need klassid toimivad hästi keevitatud olekus.

Tabel 1: PWHT nõuded tavalistele austeniitklassidele

Allikas: AWS D1.6:2017 (Structural Welding Code -- Stainless Steel); ASME katla ja surveanuma koodi IX jaotis (2023. aasta väljaanne); Outokumpu roostevaba terase käsiraamat, 2020

Sensibiliseerimine: vale kuumtöötlus

Kui austeniitset roostevaba terast hoitakse temperatuurivahemikus ligikaudu 500–850 kraadi Celsiuse järgi (932–1562 kraadi Fahrenheiti), migreeruvad kroomi aatomid tahke lahuse maatriksist terade piiridele, kus nad ühinevad süsinikuga, moodustades kroomkarbiidid (Cr23C6). Seda protsessi nimetatakse sensibiliseerimiseks. Tera{8}}piiraladel on kroom – just see element, mis tagab roostevaba terase korrosioonikindluse – kahaneb. Kui kroomisisaldus langeb piiril alla ligikaudu 12%, muutub teras vastuvõtlikuks teradevahelisele korrosioonile.

Valesti teostatud PWHT võib keevisõmbluse tahtlikult sellesse ohtlikku temperatuuritsooni asetada. Standardklasside (nt 304 ja 316) puhul põhjustab stressi leevendav kuumtöötlus 600–700 °C juures tugevat tundlikkust. Just seetõttu välditakse nende klasside puhul üldiselt PWHT-d, välja arvatud juhul, kui sellega kaasne lahuse lõõmutamine temperatuuril 1040–1100 C, millele järgneb kiire jahutamine (kustutamine).

Stabiliseeritud klassid (321 titaaniga, 347 nioobiumiga) ja madala süsinikusisaldusega klassid (304L, 316L) töötati välja spetsiaalselt sensibiliseerimise vastu. Stabiliseerivad elemendid kombineeritakse eelistatavalt süsinikuga, vältides kroomi ammendumist. Madalad-süsinikuklassid vähendavad karbiidi moodustamiseks saadaolevat süsinikku.

Tabel 2: Austeniitse roostevaba terase termilise töötlemise aknad

Allikas: ASM Handbook Volume 6A: Welding Fundamentals and Processes (2011); ASTM A240/A240M-24; Outokumpu roostevaba terase käsiraamat, 2020

Martensiitsed roostevabad terased: PWHT

Martensiitsed roostevabad terased kõvenevad martensiidi moodustumisel austenitiseerimistemperatuurist jahtumisel. Keevitamine loob loomulikult termilise tsükli, mis võtab soojustsooni{1}}mõjutatud tsooni (HAZ) läbi selle muunduse. Tulemuseks on kõva, rabe mikrostruktuur suure jääkpingega. Ilma PWHTta on keevisliide pragude suhtes haavatav – mõnikord kohe pärast jahutamist, mõnikord tundide või päevade pärast (viivitatud pragunemine).

Martensiitsete roostevabade teraste standardne PWHT-protseduur hõlmab järgmist: (1) eelkuumutamine enne keevitamist, et aeglustada jahutuskiirust ja vähendada kõvaduse erinevust, (2) kohe teostada keevisõmbluse järelkarastus 650-750 C juures ja (3) mõnel juhul täielik normaliseerimis{6}}tsükkel. ASME VIII jaotis ja AWS D1.6 käsitlevad neid nõudeid.

Sademe-kõvenevad martensiitsed, nagu 17-4PH (UNS S17400) ja 15-5PH (UNS S15500), järgivad teistsugust teed: neid töödeldakse lahusega, millele järgneb vananemistsükkel temperatuuril 480–620 C (tingimused H900 kuni H1150). Konkreetne vananemistemperatuur määrab lõpliku tugevuse ja sitkuse tasakaalu.

Tabel 3: PWHT parameetrid martensiitsete ja sademete jaoks-roostevaba terase kõvenemine

Allikas: ASME SA-240/SA-240M (2023); AMS 5354 (17-4PH kuumtöötlus); ASM-i erikäsiraamat: roostevaba teras (1994)

Kahepoolsed roostevabad terased: PWHT

Roostevabad dupleksterased saavad oma tugevuse tasakaalustatud mikrostruktuurist, mis koosneb ligikaudu 50% austeniidist ja 50% ferriidist. Keevitamine rikub selle tasakaalu. Keevismetallil ja HAZ-il on kiired termilised tsüklid, mis nihutavad faasisuhet – suurendades tavaliselt ferriidi sisaldust. Kui ferriidi fraktsioon ületab ligikaudu 70%, muutub liite vastupidavuse ja korrosioonikindluse vähenemine vastuvõtlikuks.

Enamiku tootmisstsenaariumide korral hoiab sobivate täitemetallide (austeniidi reformimise soodustamiseks üle-nikliga legeeritud) kasutamine ja kontrollitud soojussisend faasitasakaalu ilma PWHT-ta vastuvõetavates piirides. Kui aga mitmekäiguline keevitamine, paksud lõigud või halb soojussisendi juhtimine põhjustavad liigset ferriiti või kahjulike metallidevaheliste faaside (sigma, chi) moodustumist, võib lahuse lõõmutamine 1020–1100 C juures, millele järgneb veega karastamine, taastada õige mikrostruktuuri.

Dupleksteraste puhul on ülioluline eristada pinge leevendamist ja lahusega lõõmutamist. Pinge-eemaldustöötlemine temperatuuril 600–700 C sadestab sigmafaasi ja kahjustab tõsiselt nii mehaanilisi omadusi kui ka korrosioonikindlust. Vastuvõetav on ainult lahuse täielik lõõmutamine üle sigma solvuse temperatuuri.

Tabel 4: PWHT parameetrid dupleksroostevaba terase jaoks

Allikas: ASTM A240/A240M-24; NACE MR0175/ISO 15156; Outokumpu Duplex Stainless Steels käsiraamat (2015); SAF 2205 ja SAF 2507 andmelehed (Sandvik)

Niklisulamid: PWHT

sepistatud nikli{0}}põhised korrosioonikindlad-sulamid, nagu Inconel 625 (UNS N06625),Hastelloy C276 (UNS N10276)ja Monel 400 (UNS N04400) kasutatakse kõige nõudlikumates keemia-, avamere- ja kosmosekeskkondades. Need tahked -lahusesulamid ei kõvene keevitamise ajal ega vaja seetõttu pinge leevendamiseks ega kõvaduse reguleerimiseks PWHT-d.

Kuid sademe{0}}kõvenevad niklisulamid -- Inconel 718 (UNS N07718), Inconel X-750 (UNS N07750) ja Rene 41 (UNS N07001) järgivad teistsugust reeglit. Need sulamid saavutavad oma suure tugevuse gamma-prime- või gamma-topelt-faaside kontrollitud sadestamise kaudu. Pärast keevitamist vajavad need lahusega töötlemist, millele järgneb vanandamine. Vanandamistsükkel tuleb läbi viia täpsetel temperatuuridel, et saavutada soovitud tugevus, säilitades samal ajal piisava sitkuse.

Hastelloy sulamite puhul kehtib eriline tähelepanu: mõnel klassil (C-22, C-276) võib pärast pikaajalist kokkupuudet temperatuurivahemikus 600–900 C tekkida väike kogus kahjulikku intermetallilist faasi. Kuigi see ei ole rangelt PWHT probleem, tähendab see, et igasugust keevitusjärgset kuumutamist – isegi vormimise või sirgendamise puhul – tuleb hoolikalt kontrollida, et vältida soovimatuid metallurgilisi kahjustusi.

Tabel 5: PWHT nõuded tavalistele niklisulamitele

Allikas: ASME SB-443 (Inconel 625); ASME SB-575 (Hastelloy C-276); AMS 5662 (Inconel 718 Heat Treatment); Special Metals Corporationi tehnilised bülletäänid (2023)

Roostevaba terase PWHT koodi ja standardi viited

Otsus PWHT kohaldamise või väljajätmise kohta ei ole meelevaldne. See peab olema põhjendatud kehtiva projekteerimiskoodi, materjali spetsifikatsiooni ja teenindustingimustega. Allpool on kokkuvõte kõige sagedamini viidatud koodidest ja standarditest, mis käsitlevad roostevaba terase ja niklisulamite PWHT-d.

Tabel 7: Roostevaba terase PWHT-d käsitlevad võtmekoodid ja standardid

Allikas: AWS D1.6:2017; ASME BPVC 2023 väljaanne; ASTM International; NACE International; Ameerika naftainstituut; Euroopa Standardikomitee (CEN)

Järeldus

Keevisõmbluse järgne kuumtöötlus on-õige kasutamise korral võimas tööriist ja väära kasutamise korral hävitav jõud. Tõendid on selged:

Austeniitsed roostevabad terased (304, 316, 321, 347) vajavad PWHT-d harva ja võivad neid kahjustada, kui töötlemine jääb sensibiliseerimisvahemikku.

Martensiitsed roostevabad terased (410, 420, 431) vajavad rabeda purunemise vältimiseks peaaegu alati PWHT-d (karastamist).

Roostevaba dupleksterased (2205, 2507) võivad vajada lahusega lõõmutamist, kui keevitustingimused rikuvad faasitasakaalu, kuid pinge leevendamine on alati kahjulik.

Niklisulamidjärgige oma reegleid: tahked{0}}lahused ei vaja PWHT-d, samal ajal kui sademe{1}}kõvenemise klassid peavad olema vanandatud.

Kohaldatav disainikood (ASME, AWS, NACE, EN) peab alati olema PWHT otsuste peamine asutus.

Roostevabast terasest ja niklisulamist toodete spetsifikatsioonide, hankepäringute või tehnilise toe saamiseksvõtke ühendust JN Alloysiga-- teie usaldusväärne partner suure jõudlusega sulamite alal.