פיצוח התמצקות בריתכות נירוסטה אוסטינית לחלוטין: בקרת מספר פריט

לְגַמרֵינירוסטה אוסטניטיתריתוכים נסדקים במהלך התמצקות מכיוון שללא כמות קטנה של דלתא פריט נוכחת, זיהומי גופרית וזרחן נמוכים-מתמוססים לסרטים נוזליים דקים לאורך גבולות התבואה הממצקים ונקרעים תחת לחץ קירור. הבקרה הסטנדרטית בתעשייה היא למקד למספר פריט (FN) של בערך 3 עד 10 באמצעות דיאגרמת WRC-1992 - מספיק פריט כדי ללכוד את הזיהומים האלה, אבל לא עד כדי כך שהוא ידרדר את עמידות בפני קורוזיה או יקדם את שלב הסיגמה השביר בשירות.

ריתוך נירוסטה אוסטניטי - 304, 316, והגרסאות הרבות שלהם - הם בין החומרים המרותכים הנפוצים ביותר בתעשייה, ורובם סובלים היטב ריתוך. אבל תת-קבוצה ספציפית של יישומים, מכלים קריוגניים ועד לדרגות אוסטניטיות לחלוטין כמו 310 ו-330, מסירים את עצם התכונה שבדרך כלל מגנה על הריתוכים האלה מפני פיצוח: דלתא פריט. מאמר זה מסביר את המנגנון מאחורי פיצוח התמצקות, מדוע מספר פריט הוא המנוף העיקרי לשליטה בו, ומה לעשות כאשר היישום באמת לא יכול לסבול את הפריט שאחרת יפתור את הבעיה.

מדוע ריתוך נירוסטה אוסטני נסדק במהלך התמצקות?

פיצוח התמצקות מתרחש כאשר שאריות של זיהומי גופרית וזרחן נפרדים לסרטי נוזל דקים-נמסים לאורך הגבולות של גרגירים מתמצקים, ומתח הקירור קורע את הגבולות החלשים עדיין-לפני שהם יכולים להתמצק לחלוטין.

כאשר מתכת הריתוך מתקררת מנוזל למוצק, היא לא מתמצקת בבת אחת - גרגירים נוצרים וגדלים, ושאריות זיהומים שלא מתאימים למבנה הגבישי נדחפים לפני החזית המוצקה המתקדמת. גופרית וזרחן הם הפוגעים העיקריים: שניהם מתחברים עם יסודות מטריצה ​​ליצירת תרכובות בעלות נקודות התכה נמוכות מהמתכת שמסביב, ושניהם נפרדים בקלות עד ל-לאחרון -אזורים להתמצק בגבולות התבואה.

כאשר הריתוך ממשיך להתקרר ולהתכווץ, הוא יוצר מתח מתיחה מעבר לגבולות אלה. אם שכבת נוזל דקיקה של זיהומים נמסים- אלו עדיין קיימת כאשר הלחץ הזה מגיע, לגבול אין למעשה כוח לעמוד בפניו, והוא נקרע - ויוצר סדק התמצקות, לפעמים נראה על פני השטח, לפעמים קבור בתוך הריתוך.

מהו מספר פריט ומדוע כמות קטנה של פריט מונעת פיצוח?

מספר פריט (FN) הוא אינדקס סטנדרטי, שנמדד מגנטית של כמה פריט דלתא קיים במתכת ריתוך אוסטניטית, וכי פריט חשוב כי הוא ממיס גופרית וזרחן הרבה יותר בקלות מאשר אוסטניט, ומונע מהזיהומים הללו להתרכז לסרטים נוזליים-שגורמים לסדקים.

דלתא פריט מועיל בהמסת זרחן וגופרית, זיהומים בעלי התכה נמוכה-, שאחרת היו נפרדים החוצה במהלך ההתמצקות ומובילים לסדקים במהלך מעברי הריתוך הבאים. לפריט יש מגבלת מסיסות גבוהה יותר ליסודות אלה מאשר לאוסטניט, כך שכאשר ריתוך מתמצק עם כמות צנועה של פריט קיים, פריט זה פועל ככיור - הסופג גופרית וזרחן לתמיסה מוצקה במקום לתת להם להתרכז לסרטים נוזליים דקים בגבולות התבואה.

מאמינים כי פריט פועל כחומר מקשר פיזי בין עמודי דנדריט אוסטניטי מגבשים; עם מעט מדי פריט נוכח, אותם עמודי דנדריט מקבילים יכולים להתפצל לאורכם כסדק. מכיוון ש-FN נמדד עם מכשירים מגנטיים סטנדרטיים ומדווח בקנה מידה מוכר בינלאומי, הוא נותן למהנדסי ריתוך מספר מעשי שניתן לחזור עליו למיקוד - במקום להסתמך על תחושה איכותית גרידא של פריט 'מספיק'.

לאיזה טווח מספרי פריט צריכים רתכים לכוון?

הפרקטיקה בתעשייה מתמקדת בדרך כלל ב-FN בטווח של בערך 3 עד 10 עבור דרגות אוסטניטיות סטנדרטיות כמו 308, 308L, 309 ו-316 - מספיק כדי להתנגד בצורה מהימנה לסדקים בהתמצקות מבלי להכניס את בעיות הקורוזיה או ההתפרקות שמגיעות עם עודף פריט.

טווח זה אינו שרירותי: הוא מייצג את נקודת האיזון בין שני סיכונים מתחרים. מתחת ל-3 FN בערך, בדרך כלל אין מספיק פריט נוכח באופן מהימן, ברמה עקבית וניתנת לחיזוי על פני הריתוך, כדי להבטיח עמידות בפני סדקים - שונות בקצב הקירור, דילול, או שינויים בכימיה קלים יכולים לדחוף אזורים מבודדים של הריתוך לעבר אפס פריט גם כשהיעד על הנייר נראה נאות.

מעל 10 FN בערך, מתחילות להופיע בעיות אחרות, המכוסות ביתר פירוט בהמשך. עבור מתכות בסיס אוסטניטיות לחלוטין עם תכולת גופרית וזרחן נמוכה בצורה יוצאת דופן, והתאמה למתכת מילוי נמוכה-לטומאה, לפעמים ריתוך יכול להיעשות בהצלחה מחוץ לטווח הזה - אבל זה דורש כימיה מהונדסת בכוונה, לא פרקטיקה סטנדרטית.

כיצד מנבאים הדיאגרמות של Schaeffler, DeLong ו-WRC-1992 תוכן פריט?

דיאגרמות חוקה אלה משרטטות את המקבילה לכרום של ריתוך מול המקבילה לניקל שלו כדי לחזות הן את תכולת הפריט המתקבלת והן את מצב ההתמצקות, כאשר דיאגרמת WRC-1992 נחשבת כעת לגרסה המדויקת והמאומצת ביותר.

כל שלושת הדיאגרמות פועלות על אותו עיקרון בסיסי: יסודות סגסוגת מסוימים מתנהגים כמו כרום בקידום פריט (כרום עצמו, מוליבדן, ניוביום, סיליקון), בעוד שאחרים מתנהגים כמו ניקל בקידום אוסטניט (ניקל, פחמן, חנקן, מנגן, נחושת). על ידי שילוב ההרכב הממשי של מתכת ריתוך לכרום-שווה ערך (Creq) וניקל-שווה ערך (Nieq), ושרטוט היחס, דיאגרמות אלו מנבאות הן את תוכן הדלתא פריט וכתוצאה מכך - באופן קריטי - את המצב שבו הריתוך מתמצק.

דיאגרמת WRC-1992 השתפרה לעומת קודמיו על ידי הוספת מקדם לנחושת בחישוב שווה ערך הניקל-, תיקון נטייה של דיאגרמת WRC-1988 המוקדמת להעריך יתר על המידה FN במתכות ריתוך המכילות נחושת, ואימות מול יותר מ-200 מתכות ריתוך סופר עתיקות יותר מאשר את מידת הריתוך העצמאית הישנה שלו. דיאגרמות שיפלר ודלונג.

מדוע מצב התמצקות חשוב יותר מתוכן פריט בלבד?

ריתוך שמתמצק כפריט ראשוני (מצב ה-FA) הוא מטבעו עמיד הרבה יותר בפני סדקים מאשר ריתוך שמתמצק כאוסטניט ראשי (מצב AF), אפילו בתוכן פריט סופי דומה - מכיוון שהרצף שבו נוצרים השלבים קובע באיזו יעילות זיהומים נסחפים לתוך הנוזל האחרון ולא נלכדים בו.

רוב ריתוך הנירוסטה האוסטניטי מתוכננים להתמצק במצב -אוסטניטי (FA) פריטי: פריט דלתא ראשוני נוצר תחילה, כאשר אוסטניט נוצר לאחר מכן באמצעות טרנספורמציה מוצקה- או אוטקטית-. רצף זה הוא המאפשר לפריט לנקות ביעילות גופרית וזרחן במהלך התמצקות. החלופה, התמצקות אוסטניטית-פריטית (AF) או אוסטניטית מלאה (A), מציעה הרבה פחות הגנה, מכיוון שלזיהומים אין שלב פריט זמין מוקדם בהתמצקות להיספג.

המעבר בין מצבים אלו נשלט על ידי יחס Creq/Nieq: יחס מתחת ל-1.5 בערך נוטה להתמצקות אוסטניט ראשונית, בעוד שיחסים מעל סף זה עוברים לכיוון פריט ראשוני, כאשר מחקרים שונים מציבים את נקודת המעבר המדויקת עבור תהליכי ריתוך נפוצים הנעים בין כ-1.5 לגבוה כמו 1.9-20 בהתאם לנוסחה הספציפית המשמשת.

זו הסיבה ששני ריתוכים עם FN סופי שנמדד דומה יכולים להיות בעלי עמידות פיצוח-בעולם האמיתית שונה מאוד -. התרשימים מנבאים את מצב ההתמצקות במיוחד מכיוון שהמצב, לא רק כמות הפריט הסופית, קובע את מידת השליטה של ​​זיהומים במהלך חלון ההתמצקות הפגיע.

מה קורה כשהאפליקציה באמת דורשת אפס או קרוב ל-אפס פריט?

שירותים מסוימים - כלי קריוגני הזקוקים לקשיחות מקסימלית בטמפרטורה-נמוכה ובדרגות אוסטניטיות לחלוטין כמו 310, 320 ו-330 שאינם יכולים ליצור פריט באופן מהימן בכלל - מסירים לחלוטין את שולי הבטיחות של הפריט, וזו הסיבה שריתוכים אלו מוכרים כתהליך סדקי{6} רגיש יותר מאשר תהליך רגיש יותר{6} 308/316 ריתוך.

עבור שירות קריאוגני-טמפרטורות, חוזק ההשפעה בטמפרטורה-נמוכה פוחת ככל שתכולת הפריט עולה, ויוצר קונפליקט ישיר: הפריט שמתנגד לסדיקה גם מפחית את הקשיחות שהיישום צריך בטמפרטורה נמוכה, כך שריתוכים אלה דורשים FN מאוזן היטב כדי להשיג עמידות טובה לסדק לצד חוזק השפעה טובה-של פריט, במקום פשוט של חוזק פגיעה בטמפרטורה נמוכה.

דרגות מילוי אוסטניטיות לחלוטין - 310, 320 ו-330 - מציגות מקרה קשה עוד יותר: הקומפוזיציות שלהם מטבען רגישות לסדקים-מקרוביהם המחוזקים בפריט-, וכל שלבי הריתוך והבדיקה דורשים תשומת לב רבה יותר כתוצאה מכך. עבור ציונים אלה, הנוהג המקובל הוא לפצות באמצעות כימיה של מתכות מילוי ומשמעת תהליכים ולא באמצעות תכולת פריט: שימוש במתכת מילוי עם גופרית וזרחן נמוכים ותכולת מנגן מוגברת, שכן מנגן עוזר לקשור גופרית ולהפחית את השפעתה המפרכת גם ללא פריט כדי לעשות את אותה עבודה.

האם יש חשיבות לגופרית וזרחן גם כשמספר הפריט נראה מקובל?

כן - קיים קשר ישיר מתועד בין תכולת הגופרית-בתוספת-זרחן המשולבת ורגישות לסדקים, ללא תלות ברמת הפריט, כלומר ריתוך עם FN מספיק טכנית עדיין יכול להיסדק אם תכולת הטומאה גבוהה מספיק.

מחקר שבדק במיוחד ריתוך אוטוגני של נירוסטה מסוג 309 זיהה קשר ברור בין סכום תכולת הזרחן והגופרית, רמת הפריט במתכת הריתוך ורגישות הסדקים הנובעת מכך. המשמעות המעשית היא שבקרת פריטים ובקרת זיהומים הם שני מנופים נפרדים שצריך למשוך את שניהם, לא אחד מחליף את השני: מגבלות קפדניות על פחמן, זרחן וגופרית הן בחומר הבסיס והן בחומרי הריתוך נשארים חיוניים אפילו בריתוכים עם FN מתאים, ושני דרגות הסדקים-הרגישות ביותר בשימוש נפוץ {{3} והן בדיוק בשימוש {{4} כדי לפצות על מרווח הפריט שאינו זמין באופן אמין.

האם יותר מדי פריט גורם לבעיות משלו?

כן - מעל לערך 10 FN, עודף פריט מעלה את הסיכון להיווצרות פאזת סיגמה מפוררת בשירות-טמפרטורות גבוהות, ובדרגות נושאות מוליבדן- כמו 316, תכולת פריט גבוהה יותר יכולה להפחית באופן משמעותי את עמידות בפני קורוזיה בסביבות חמצון חמות.

סיכון פאזת סיגמא: מעל כ-10 FN, קיימת סכנה של פריט - שמחזיק כרום בתמיסה מוצקה - להפוך לשלב סיגמא שביר כאשר טמפרטורת השירות יורדת בטווח של בערך 1000-1650 מעלות F (540-900 מעלות ), ובכמה ריתוכים מרובי-מעברים לבד, החום של{7} ריתוך גבוה של ריתוך סיגמא. ללא כל חשיפה נפרדת לשירות-טמפרטורות גבוהות.

עמידות בפני קורוזיה בדרגות נושאות Mo-: בדרגות נושאות מוליבדן- כגון 316 ו-317, תכולת פריט גבוהה יותר עלולה לגרום לירידה משמעותית בעמידות בפני קורוזיה במדיות חמצון חמות, כגון שירות אוריאה -, חריג ספציפי, מתועד היטב- לכלל הכללי שבטוח יותר.

קשיחות- נמוכה בטמפרטורה: כפי שכבר צוין עבור יישומים קריוגניים, חוזק ההשפעה בטמפרטורה נמוכה יורד ככל שתכולת הפריט עולה, ופועל ישירות נגד עמידות לסדקים במצב השירות הספציפי הזה.

זו הסיבה שבקרה של FN מוצגת כטווח יעד ולא אסטרטגיית מקסימום 'יותר זה טוב יותר' - המספר הנכון תלוי בדרגה הספציפית, בטמפרטורת השירות ובסביבת הקורוזיה, לא בתקרה או ברצפה אוניברסלית אחת.

אילו שינויים בשיטות הריתוך מפחיתים את הסיכון לסדיקה בדרגות פריט נמוכות-?

עבור סדקים-רגישים, נמוכים-פריט, צמצם את האיפוק, שמור על טמפרטורת כניסת חום וטמפרטורת מעבר נמוכים, העדיפו קירור איטי יותר בטווח ההתמצקות הפגיע, והימנע בכוונה מפרופילי חרוז ריתוך חלקים,-שטופים היטב לטובת חרוזים כתרים קמורים יותר.

צמצם למינימום את הריסון המכני בתכנון ובקיבוע המפרק, מכיוון שפיצוח מונע ביסודו על ידי מתח הפועל על גבול עדיין -חלש, מוצק חלקית.

שמור על כניסת חום נמוכה ושלוט בטמפרטורת המעבר - הנחיות לדרגות הרגישות ביותר לסדקים-ממליצה במיוחד לשמור על טמפרטורת המעבר מתחת ל-210 מעלות F (99 מעלות ).

שליטה בפרופיל חרוזי ריתוך בכוונה: חרוזים חלקים, שטוחים,-שטופים היטב נסדקים בקלות רבה יותר בדרגות הרגישות ביותר-לסדקים, בעוד שפרופילי חרוזים כתרים קמורים יותר-עמידים יותר לסדקים, הנחיה מעשית מנוגדת לאינטואיציה אך-מתועדת היטב.

בקרת תכולת הסיליקון במתכת הריתוך, במיוחד בריתוך קשת שקוע, מכיוון שמתכת ריתוך סיליקון גבוהה-רגישה יותר לסדקים- ממתכת ריתוך סיליקון נמוכה-, ויש לקחת בחשבון איסוף סיליקון משטף ריתוך.

בחר כימיה של מתכת מילוי בכוונה עבור דרגות אוסטניטיות מלאות - נמוכות בגופרית וזרחן, מנגן מוגבר - במקום להסתמך על פריט מתכת בסיס- שהדרגות הללו אינן יכולות לספק בצורה מהימנה.

כיצד יש לאמת את מספר הפריט במהלך ואחרי הריתוך?

יש לאמת את FN עם מכשיר מדידת פריט מגנטי מכויל על ריתוכים בייצור או קופוני בדיקה מייצגים,-לבדוק מול חיזוי דיאגרמת הבנייה המשמשת בשלב ההסמכה של הליך הריתוך, מכיוון שה-FN שנמדד בפועל ודיאגרמה-חזויה של FN יכולים להשתנות עם משתני דילול ותהליך.

מכשירי מדידה מגנטיים של פריט מספקים דרך מעשית, לא -הרסנית לאימות FN בפועל בריתוכים שהושלמו, והערך הנמדד הזה הוא מה שצריך בסופו של דבר לשלוט בקבלה - ולא רק את התחזית המחושבת מתרשים חוקה. ראוי גם לציין ש-FN כפי שנמדד לא תמיד שווה לאחוז הנפח האמיתי של פריט הקיים: בערך 8-10 FN ומטה, ה-FN שווה בערך לאחוז הנפח הממוצע של דלתא פרי ריתוך, אבל בערכי FN גבוהים יותר, המדידה עלולה להעריך יותר ויותר את תכולת הפריט בפועל, וזו סיבה נוספת לכך שה-3-10 FN מודדים היטב את טווח היעד הפיזי ו-FN עצמו מותרים היטב את טווחי ה-FN עצמו. בעל משמעות.

שאלות נפוצות

איזה מספר פריט מומלץ בדרך כלל כדי למנוע פיצוח התמצקות?

בערך 3 עד 10 FN עבור דרגות אוסטניטיות סטנדרטיות כגון 308, 308L, 309 ו-316, מחושב באמצעות דיאגרמת WRC-1992 ומאומת על הריתוך בפועל עם מכשיר פריט מגנטי מכויל.

מדוע דרגות אוסטניטיות מלאות כמו 310 ו-330 קשות יותר לריתוך סדקים-?

ההרכבים שלהם אינם יוצרים בצורה מהימנה את הדלתא פריט שמגן על רוב הריתוכים האוסטניטיים מפני סדקים, ולכן עמידות הסדקים צריכה לבוא במקום מכימיה מבוקרת קפדנית של מתכת מילוי - נמוכה בגופרית וזרחן, מוגברת מנגן - והליך ריתוך ממושמע ולא מתוכן פריט.

האם ריתוך יכול להיסדק גם אם מספר הפריט שלו נמצא בטווח המומלץ?

כן, אם תכולת הגופרית והזרחן גבוהה מספיק. בקרת פריט ובקרת טומאה הם גורמים נפרדים ששניהם צריכים להיות מנוהלים; FN מתאים מפחית אך אינו מבטל את הסיכון לסדקים משאריות יתר של זיהומים.

האם יותר פריט תמיד בטוח יותר לריתוך נירוסטה אוסטניטי?

לא. מעל לערך 10 FN, ריתוכים הופכים רגישים יותר לשלב סיגמא מתפרק בשירות-טמפרטורות גבוהות, ובדרגות נושאות מוליבדן-, פריט גבוה יותר יכול להפחית את עמידות בפני קורוזיה בסביבות חמצון חמות, כך שה-FN מנוהל כטווח יעד, לא כמקסימום.

איזו דיאגרמת חוקה נחשבת למדויקת ביותר לניבוי מספר פריט?

דיאגרמת WRC-1992 נחשבת בדרך כלל לדיאגרמה המדויקת ביותר הקיימת כיום, מאומתת כנגד יותר מ-200 מתכות ריתוך עצמאיות ואומצה כהתייחסות בקודים כולל קוד הדוד ASME.