קורוזיה בין-גרגירית לאחר ריתוך: מדוע מתרחשת רגישות וכיצד ASTM A262 בודק עבורה

מהי קורוזיה בין-גרגירית ומדוע היא באה בעקבות ריתוך?

קורוזיה בין-גרעינית (IGC) היא התקפה מקומית העוברת לאורך גבולות התבואה של נירוסטה או סגסוגת ניקל תוך שהיא משאירה את פנים הגרגרים שלמים ברובם, והריתוך הוא הטריגר הנפוץ ביותר שלו מכיוון שהאזור המושפע מהחום (HAZ) עובר בטווח הטמפרטורות שבו נוצר מנגנון ההתקפה.

שלא כמו קורוזיה כללית, המדללת משטח באופן שווה וקל לזהות אותו באמצעות מדידת אובדן-בקיר, קורוזיה בין-גרגירית תוקפת רשת צרה של גבולות מתחת לפני השטח. רכיב יכול להיראות שלם לחלוטין ועדיין איבד את רוב החוזק המכאני והמשיכות שלו לאורך רשת התבואה, וזה מה שהופך אותו למצב של כשל- גבוה בבתי זיקוק, מפעלים כימיים וסלילי צינורות ולא לפגם קוסמטי.

המנגנון הוא מתכתי, לא אקראי: פלדות אל-חלד אוסטניטיות מסתמכות על סרט פסיבי רציף, -עשיר בכרום לעמידות בפני קורוזיה.כאשר כרום נשלף מהתמיסה בגבול התבואה ליצירת קרביד, הגבול עצמו מאבד את הסרט הפסיבי שלו באופן מקומי, למרות שתכולת הכרום בתפזורת של הסגסוגת אינה משתנה. ריתוך יוצר בדיוק את התנאים התרמיים שמושכים את הכרום מהתמיסה בפס צר משני צדי קו ההיתוך - מה שמכנים מטלורגים במדינה רגישות.

מדוע ריתוך גורם לרגישות?

ריתוך גורם לרגישות מכיוון שהאזור המושפע בחום מבלה זמן בטווח משקעי קרביד של 425-870 מעלות (800-1600 מעלות פרנהייט) בזמן שהוא מתחמם ומתקרר, מה שמאפשר לפחמן להתאחד עם כרום בגבולות התבואה מהר יותר מכפי שכרום יכול להתפזר בחזרה למילוי האזור.

שלושה תנאים צריכים להתיישר כדי שזה יקרה, והבנת כל אחד מהם היא מה שמאפשר למהנדס ריתוך לשלוט בו במקום פשוט לקוות שזה לא יקרה:

פחמן בתמיסה.דרגות אוסטניטיות-סטנדרטיות של פחמן (304, 316) מכילות בערך 0.04-0.08% פחמן בתמיסה מוצקה בטמפרטורת חישול. הפחמן הזה זמין להגיב ברגע שהסגסוגת נכנסת מחדש לטווח הרגישות.

זמן בטמפרטורה.כרום קרביד (בעיקר Cr23C6) נוצר וגדל בגבולות התבואה בתוך חלון של 425-870 מעלות. מחזור תרמי ריתוך מהיר מגביל את הזמן בטווח זה; מעבר איטי וגבוה- של כניסת חום מאריך אותו.

פיגור דיפוזיה של כרום.כרום מתפזר דרך הסריג האוסטניט הרבה יותר לאט מאשר פחמן. יצירת קרביד מפשיטה כרום מאזור גבול ברוחב של כמה מאות ננומטרים מהר יותר מכרום שמסביב יכול לנדוד פנימה כדי להחליף אותו, כך שאזור דק יכול לרדת מתחת לסף הכרום של ~10.5-12% הדרוש לשמירה על סרט פסיבי, למרות שהמתכת הבסיסית במרחק קצר משם נשארת מגינה לחלוטין.

התוצאה המעשית היא מעטפה מדולדלת-בכרומיום העוקבת אחר הרתך HAZ משני צידי קו ההיתוך. המעטפה הזו, לא מתכת הריתוך עצמה, היא בדרך כלל המקום שבו מתחילה התקפה בין-גרגירית בשירות.

אילו פרמטרים של ריתוך מגבירים את סיכון הרגישות?

כניסת חום גבוהה יותר, קצב קירור איטי יותר, טמפרטורת מעבר מוגברת ומעברי ריתוך מרובים על אותו HAZ, כולם מגבירים את הסיכון לרגישות מכיוון שכל אחד מהם מאריך את הזמן שהחומר מבלה בטווח המשקעים של 425-870 מעלות.

משתנים אלה הם אלו שמפרט הליך ריתוך (WPS) שולט בפועל, וזו הסיבה שעדיף להתייחס לרגישות כבעיית בקרה-תהליך ולא בתור תופעת לוואי בלתי נמנעת של ריתוך:

קלט חום (kJ/mm או kJ/in).קלט חום גבוה יותר מאטה את קצב הקירור בטווח הרגישות. תהליכים כמו SAW ו-hot-pass SMAW נוטים להפעיל קלט חום גבוה יותר מאשר מעברי שורש GTAW, מה שמעלה את הסיכון לרגישות אלא אם כן פיצוי במקום אחר.

טמפרטורת מעבר.מתן אפשרות לטמפרטורת המעבר לטפס בריתוכים מרובי-מעברים שומר על ה-HAZ של כל מעבר שלאחר מכן חם יותר למשך זמן רב יותר, ומגבש זמן-ב-טמפרטורה על פני המפרק.

עובי חתך וריסון מפרקים.חלקים עבים יותר שומרים על חום זמן רב יותר ומתקררים לאט יותר מאשר צינור דק-, ומרחיבים את חלון הרגישות אפילו בכניסת חום דומה.

מספר מעברים ומחזורי חימום חוזרים.כל מעבר עוקב מחמם מחדש את ה-HAZ הסמוך מהמעבר הקודם, כך שריתוכים מרובי-מעברים וריתוכים לתיקון יכולים לגרום לרגישות לאזור יותר מפעם אחת.

אין צורך לבטל אף אחד מהגורמים הללו - הם צריכים להיות מוגבלים על ידי WPS/PQR מוסמך (ASME Section IX) המשקף את התנהגות הרגישות של הדרגה הספציפית המרותכת.

מהי-התקפת קו סכין ומדוע היא עדיין מתרחשת בדרגות יציבות?

התקפת קו-סכין היא פס צר של קורוזיה בין-גרגירית שנוצרת מיידית בסמוך לקו ההיתוך בדרגות מיוצבות של טיטניום- או ניוביום-(321, 347) כאשר מעבר ריתוך בטמפרטורה גבוהה-ממיס את הקרבידים המייצבים ובעקבותיו טמפרטורה{7}תנמוכה{6} כרום קרביד לפני שהמייצבים יכולים להשתנות.

ציונים מיוצבים הם בדרך כלל עמידים לרגישות- מכיוון שטיטניום או ניוביום נקשרים באופן מועדף לפחמן, ומונעים כרום מהתגובה היוצרת-הקרביד. התקפת קו-סכין היא החריג הצר: מעבר ריתוך בטמפרטורה- גבוהה מאוד (ליד קו היתוך) יכול להמיס את קרביד הטיטניום/ניוביום הקיימים בחזרה לתמיסה. בקירור, כרום קרביד יכול לזרז מחדש ברצועה הדקה הזו לפני שהקרבידים המייצבים היוצרים-האיטיים יותר-מתגבשים מחדש, ומשאירים קו רגיש צר העוקב אחר גבול ההיתוך ולא מעטפת HAZ רחבה. חישול מייצב, או בקרת תהליך המגבילה את מחזורי החימום בקו ההיתוך, מטפל במצב כשל ספציפי זה.

כיצד ASTM A262 מזהה רגישות?

ASTM A262 מזהה רגישות בעקיפין: הוא חושף דגימה למדיום קורוזיבי שנבחר לתקוף את גבולות הגרגירים המדוללים בכרום באופן מועדף, ולאחר מכן מעריך את התוצאה על ידי מיקרוסקופיה, משיכות לכיפוף או אובדן מסה, במקום מדידה ישירה של תכולת הכרום.

ASTM A262, שיטות עבודה סטנדרטיות לזיהוי רגישות להתקפה בין-גרגירית בפלדות אל-חלד אוסטיניות, מגדירים חמש שיטות בדיקה - A, B, C, E ו-F - כל אחת מתאימה למשפחת סגסוגות שונות, צורת מוצר או רמת קפדנות שונה. אף אחד מהם לא מדמה סביבת שירות ספציפית; כל אחד מהם הוא מבחן מואץ סטנדרטי שקריטריוני המעבר/נכשל שלו מתואמים עם התנהגות הרגישות האמיתית-בעולם.

מקור: ASTM A262, שיטות סטנדרטיות לזיהוי רגישות להתקפה בין-גרגירית בפלדות אל-חלד אוסטיניות.

שתי נקודות חשובות לכל מי שמציין את הבדיקות הללו. ראשית, תרגול א' הוא כלי מיון: מבנה חריטה נוח יכול להכשיר הרבה ללא בדיקה נוספת, אבל תרגול לא חיובי אינו דוחה כשלעצמו את החומר - הוא מפעיל מבחן כמותי מעקב- (בדרך כלל B, C או F). שנית, הפרקטיקות אינן תחליפים ניתנים להחלפה; כל אחד מהם מכוון לשילוב שונה של כימיה של סגסוגת ומנגנון פירוק, וזו הסיבה ש-A262 כתוב כתפריט של שיטות עבודה ולא כמבחן יחיד שעבר/נכשל.

איזה תרגול A262 עליך לציין עבור יישום נתון?

ציין תרגול א' עבור סינון חומר-שגרתי של כל דרגה אוסטניטית, תרגול E עבור הליך ריתוך והסמכת מוצר ריתוך, ותרגול C או F כאשר בעיות מוליבדן-נושאות ציונים או סיגמה- מחייבות תוצאה כמותית קפדנית יותר.

מפרטי רכישה ומפרטי נוהלי ריתוך צריכים להגדיר את התרגול באותיות, לא רק לצטט את "ASTM A262" -, השיטות נושאות היגיון עובר/נכשל שונה באופן משמעותי, וקריטריוני הקבלה של הפרויקט (מבנה חריטה, מגבלת קצב קורוזיה או תוצאת כיפוף) צריכים להתאים לתרגול המתנהל בפועל.

כיצד מונעים רגישות במהלך הייצור?

המניעה האמינה ביותר היא בחירת חומרים - המציינת ציונים נמוכים- של פחמן 'L' או ציונים מיוצבים, כך שיש מעט או אין פחמן זמין ליצירת כרום קרביד - מגובה על ידי קלט חום ובקרת טמפרטורה בין מעברים, וטיפול בחום לאחר-ריתוך שבו היישום עדיין דורש זאת.

1. ציין דרגות נמוכות-פחמן 'L'

304L ו-316L מחזיקים פחמן ב-0.03% מקסימום לעומת כ-0.08% בדרגות סטנדרטיות. עם מעט פחמן זמין, קצב היווצרות כרום קרביד יורד מספיק כדי שרוב המחזורים התרמיים של ריתוך הייצור אינם מייצרים רגישות משמעותית, ללא כל שינוי בהליך הריתוך.

2. ציין ציונים מיוצבים עבור שירות ריתוך-גבוה או חוזר-בטמפרטורה

321 (טיטניום-מיוצב) ו-347 (ניוביום-מיוצב) קושרים פחמן כטיטניום או ניוביום קרביד במהלך עיבוד הטחנה, ומשאירים מעט פחמן פנוי להגיב עם כרום במהלך הריתוך הבא או שירות-בטמפרטורה מוגברת. אלו הן הבחירה הסטנדרטית עבור רכיבים שיראו שירות מורחב מעל 425 מעלות, או ייצור הכולל מחזורי ריתוך/ריתוך מרובים, כאשר דרגות L- בלבד לא יספיקו.

3. בקרת כניסת חום וטמפרטורת מעבר

WPS שמגביל את כניסת החום, מכסה את הטמפרטורה בין מעברים ומעדיף תהליכי קלט-חום- מהירים ונמוכים יותר עבור מעברים קריטיים מפחית את הזמן שכל נקודה ב-HAZ מבלה בטווח של 425-870 מעלות. זהו מנוף בעלות נמוכה יותר מאשר החלפת חומר, והוא משמש בדרך כלל לצדו, לא במקומו.

4. החל טיפול בחום-אחרי ריתוך או חישול תמיסה במידת הצורך

חישול תמיסה (חימום מעל ל-1040 מעלות בערך וקירור מהיר) ממיס מחדש כרום קרבידים ומשחזר פיזור כרום אחיד על פני גבול התבואה. זהו הטיפול המתקן השלם ביותר אך לא תמיד מעשי עבור מכלולים מפוברקים גדולים או ריתוכים בשטח, ולכן בחירת דרגות ובקרת תהליך הם קווי ההגנה הראשונים ו-PWHT מיושם היכן שתנאי השירות או הקוד דורשים זאת.

שאלות נפוצות

ש: האם רגישות הופכת פלדת אל-חלד לחלשה יותר עוד לפני שהיא נשחקת?

ת: לא בפני עצמו. למיקרו-מבנה רגיש יש בעצם אותן תכונות מכניות בתפזורת כמו למבנה שאינו -רגיש עד שגבולות הגרגירים המדוללים- בכרום חשופים לסביבה קורוזיבית; אובדן המשיכות והחוזק באים בעקבות התקפת הקורוזיה, לא משקעי הקרביד בלבד.

ש: האם 316 או 316L עדיין יכולים לגרום לרגישות למרות שהוא מכיל מוליבדן?

ת: כן. מוליבדן משפר את העמידות בפני קורוזיה וחריצים, אך אינו מונע משקעי כרום קרביד בגבולות התבואה. זו הסיבה שציונים הנושאים-מוליבדן נבדקים תחת ASTM A262 Practice F ולא מניחים שהם רגישות-אימונית.

ש: האם תוצאה טובה של ASTM A262 Practice A מספיקה כדי לקבל חומר ללא בדיקה נוספת?

ת: עבור מפרטי רכישה רבים, כן - מבנה שלב או צריבה כפולה מקובל בדרך כלל ללא בדיקות נוספות. מבנה תעלה אינו דוחה את החומר באופן אוטומטי, אך הוא מצריך -תרגול כמותי מעקב (B, C, או F) כדי לקבוע קבילות, לפי מפרט הרכישה השולט.

ש: האם PWHT תמיד מבטל את סיכון הרגישות?

ת: חישול תמיסה המבוצע כהלכה ממיס מחדש את הכרום קרבידים ומסיר את המצב הרגיש, אך כל ריתוך או שירות-על טמפרטורה מוגברת יכולים לגרום מחדש לחומר. PWHT מטפל במצב רגיש קיים; זה לא הופך את הסגסוגת לחסינה בפני רגישות עתידית.