Medzikryštalická korózia po zváraní: Prečo dochádza k senzibilizácii a ako ju testuje ASTM A262

Čo je to medzikryštalická korózia a prečo nasleduje po zváraní?

Medzikryštalická korózia (IGC) je lokalizované napadnutie, ktoré prebieha pozdĺž hraníc zŕn nehrdzavejúcej ocele alebo zliatiny niklu, pričom vnútro zŕn ponecháva z veľkej časti nedotknuté, a zváranie je jeho najbežnejším spúšťačom, pretože tepelne-ovplyvnená zóna (HAZ) prechádza teplotným rozsahom, v ktorom sa vytvára mechanizmus napadnutia.

Na rozdiel od všeobecnej korózie, ktorá stenčuje povrch rovnomerne a dá sa ľahko zistiť meraním strát{0}} steny, medzikryštalická korózia napáda úzku sieť hraníc pod povrchom. Komponent môže vyzerať úplne neporušený a napriek tomu stratil väčšinu svojej mechanickej pevnosti a ťažnosti pozdĺž siete zŕn, čo z neho robí skôr-zlyhanie s vysokými následkami v rafinériách, chemických závodoch a cievkach rúr než kozmetický defekt.

Mechanizmus je metalurgický, nie náhodný: austenitické nehrdzavejúce ocele sa spoliehajú na súvislý pasívny film bohatý na chróm-pre odolnosť voči korózii.Keď sa chróm vytiahne z roztoku na hranici zŕn, aby sa vytvoril karbid, samotná hranica lokálne stratí pasívny film, aj keď sa objemový obsah chrómu v zliatine nemení. Zváranie vytvára presne tie tepelné podmienky, ktoré vyťahujú chróm z roztoku v úzkom páse na oboch stranách fúznej línie -, čo štátni metalurgovia nazývajú senzibilizácia.

Prečo zváranie spôsobuje senzibilizáciu?

Zváranie spôsobuje senzibilizáciu, pretože tepelne-ovplyvnená zóna strávi čas v rozsahu 425 – 870 stupňov (800 – 1 600 stupňov F) zrážaním karbidu, keď sa zahrieva a ochladzuje, čo umožňuje, aby sa uhlík spojil s chrómom na hraniciach zŕn rýchlejšie, ako môže chróm difundovať späť a doplniť vyčerpanú zónu.

Aby sa to stalo, musia sa zosúladiť tri podmienky a pochopenie každej z nich umožňuje zváračskému technikovi kontrolovať to, a nie jednoducho dúfať, že sa to nestane:

Uhlík v roztoku.Štandardné -uhlíkové austenitické triedy (304, 316) obsahujú približne 0,04{5}}0,08 % uhlíka v pevnom roztoku pri teplote žíhania. Tento uhlík je k dispozícii na reakciu, akonáhle zliatina znovu vstúpi do rozsahu senzibilizácie.

Čas pri teplote.Karbid chrómu (prevažne Cr23C6) nukleuje a rastie na hraniciach zŕn v rámci 425-870 stupňového okna. Rýchly tepelný cyklus zvárania obmedzuje čas v tomto rozsahu; pomalý, vysoký-priechod tepla ho predlžuje.

Oneskorenie difúzie chrómu.Chróm difunduje cez austenitovú mriežku oveľa pomalšie ako uhlík. Tvorba karbidu oddeľuje chróm z hraničnej zóny len o niekoľko stoviek nanometrov šírky rýchlejšie, ako môže okolitý chróm migrovať, aby ho nahradil, takže tenká zóna môže klesnúť pod ~10,5-12% prah chrómu potrebný na udržanie pasívneho filmu, aj keď základný kov v krátkej vzdialenosti zostáva plne ochranný.

Praktickým výsledkom je chróm-ochudobnený obal, ktorý sleduje HAZ zvaru na oboch stranách tavnej linky. Tento obal, nie samotný zvarový kov, je zvyčajne miestom, kde v prevádzke začína medzikryštalický útok.

Ktoré parametre zvárania zvyšujú riziko senzibilizácie?

Vyšší tepelný príkon, pomalšia rýchlosť ochladzovania, zvýšená medziprechodová teplota a viacnásobné prechody zvaru cez rovnaký HAZ zvyšujú riziko senzibilizácie, pretože každý z nich predlžuje čas, ktorý materiál strávi v rozsahu zrážok 425-870 stupňov.

Tieto premenné sú tie, ktoré v skutočnosti riadi špecifikácia postupu zvárania (WPS), a preto je senzibilizácia najlepšie považovať za problém{0}}riadenia procesu a nie za nevyhnutný vedľajší účinok zvárania:

Tepelný príkon (kJ/mm alebo kJ/in).Vyšší tepelný príkon spomaľuje rýchlosť chladenia cez senzibilizačný rozsah. Procesy ako SAW a hot{1}}pass SMAW majú tendenciu spúšťať vyšší tepelný príkon ako GTAW root priechody, čo zvyšuje riziko senzibilizácie, pokiaľ nie je kompenzované inde.

Interpass teplota.Umožnenie zvýšenia teploty medzipriestoru pri viac{0}}prechodových zvaroch udrží HAZ každého nasledujúceho prechodu teplejšie po dlhšiu dobu a čas zloženia-pri-teplote naprieč spojom.

Hrúbka sekcie a obmedzenie spoja.Hrubšie časti udržia teplo dlhšie a ochladzujú sa pomalšie ako tenkostenná-trubica, čím sa rozšíri senzitizačné okno aj pri porovnateľnom príkone tepla.

Počet prechodov a cyklov opätovného ohrevu.Každý nasledujúci prechod znovu zahreje susedný HAZ z predchádzajúceho prechodu, takže viac{0}}prechodové zvary a opravné zvary môžu senzibilizovať zónu viac ako raz.

Žiadny z týchto faktorov nie je potrebné eliminovať -, musia byť ohraničené kvalifikovaným WPS/PQR (ASME sekcia IX), ktorý odráža senzibilizačné správanie konkrétneho zváraného stupňa.

Čo je to útok nožom{0}}a prečo k nemu stále dochádza v stabilizovaných stupňoch?

Útok na nôž{0}}čiaru je úzky pás medzikryštalickej korózie, ktorý sa tvorí bezprostredne pri línii fúzie v titánových- alebo nióbových-stabilizovaných stupňoch (321, 347), keď prechod zvaru pri vysokej{5}}teple rozpúšťa stabilizačné karbidy a následná nižšia-prehriatie-prepitná chróm{7}teplota} chrom{7} stabilizátory môžu reformovať.

Stabilizované druhy sú za normálnych okolností odolné voči senzibilizácii-, pretože titán alebo niób sa prednostne viaže s uhlíkom, čím bráni chrómu v reakcii-tvorby karbidu. Útok na nožovú-linku je úzka výnimka: prechod zvaru s veľmi vysokou{4}}teplotou (v blízkosti spojovacej linky) môže rozpustiť existujúce karbidy titánu/nióbu späť do roztoku. Pri ochladzovaní sa karbid chrómu môže znovu vyzrážať v tomto tenkom páse predtým, ako sa pomalšie{6}}tvoriace stabilizačné karbidy{7}}vytvoria, pričom zostane úzka senzibilizovaná čiara, ktorá sleduje hranicu fúzie, a nie široký obal HAZ. Stabilizačné žíhanie alebo riadenie procesu, ktoré obmedzuje cykly opätovného ohrevu na tavnej linke, rieši tento špecifický poruchový režim.

Ako ASTM A262 zisťuje senzibilizáciu?

ASTM A262 zisťuje senzibilizáciu nepriamo: vystavuje vzorku korozívnemu médiu vybranému tak, aby prednostne napádalo hranice zŕn ochudobnených o chróm{1}}, a potom výsledok vyhodnocuje mikroskopiou, ohybovou ťažnosťou alebo stratou hmoty, namiesto priameho merania obsahu chrómu.

ASTM A262, Štandardné postupy na zisťovanie náchylnosti na intergranulárny útok v austenitických nehrdzavejúcich oceliach, definuje päť testovacích postupov - A, B, C, E a F -, z ktorých každý je vhodný pre inú rodinu zliatin, formu produktu alebo úroveň prísnosti. Žiadna z nich nesimuluje konkrétne prostredie služby; každý z nich je štandardizovaným zrýchleným testom, ktorého kritériá úspešnosti/neúspešnosti korelujú so skutočným-senzibilizačným správaním.

Zdroj: ASTM A262, Štandardné postupy na zisťovanie náchylnosti na intergranulárny útok v austenitických nehrdzavejúcich oceliach.

Pre každého, kto špecifikuje tieto testy, sú dôležité dva body. Po prvé, Cvičenie A je skríningový nástroj: priaznivá štruktúra leptania môže kvalifikovať veľa bez ďalšieho testovania, ale nepriaznivá sama osebe neodmietne materiál - spúšťa následný- kvantitatívny test (zvyčajne B, C alebo F). Po druhé, praktiky nie sú zameniteľné náhrady; každý sa zameriava na inú kombináciu chémie zliatiny a mechanizmu degradácie, čo je dôvod, prečo je A262 napísaný ako ponuka postupov a nie ako jediný test vyhovel/nevyhovel.

Ktorú prax A262 by ste mali špecifikovať pre danú aplikáciu?

Špecifikujte prax A pre rutinnú kontrolu vstupného-materiálu akejkoľvek austenitickej triedy, prax E pre postup zvárania a kvalifikáciu zvarového produktu a prax C alebo F, keď si obavy z molybdénového-triedenia alebo sigma{2}}fázy vyžadujú prísnejšie kvantitatívne výsledky.

Špecifikácie nákupu a špecifikácie postupu zvárania by mali označovať prax listom, nielen citovať „ASTM A262“ - postupy majú zmysluplne odlišnú logiku vyhovieť/nevyhovieť a akceptačné kritériá projektu (štruktúra leptania, limit rýchlosti korózie alebo výsledok ohybu) musia zodpovedať skutočne vykonávanej praxi.

Ako predídete senzibilizácii počas výroby?

Najspoľahlivejšou prevenciou je výber materiálov -, ktorý špecifikuje nízko-uhlíkové triedy „L“ alebo stabilizované triedy, takže na vytvorenie karbidu chrómu - je k dispozícii len málo uhlíka alebo nie je k dispozícii žiadny uhlík - podporovaný vstupom tepla a medzipriechodovou reguláciou teploty a tepelným spracovaním po-zváraní tam, kde si to aplikácia stále vyžaduje.

1. Zadajte nízko-uhlíkové triedy „L“.

304L a 316L udržujú uhlík na maxime 0,03% oproti zhruba 0,08% pri štandardných triedach. S tak malým množstvom uhlíka, ktorý je k dispozícii, rýchlosť tvorby karbidu chrómu klesá natoľko, že väčšina tepelných cyklov zvárania vo výrobe nevytvára zmysluplnú senzibilizáciu bez akejkoľvek zmeny postupu zvárania.

2. Špecifikujte stabilizované stupne pre vysoko-teplotné alebo opakované-zváracie služby

321 (titánom-stabilizovaný) a 347 (nióbom-stabilizovaný) viažu uhlík ako karbid titánu alebo nióbu počas spracovania v mlyne, pričom zanechávajú málo uhlíka, ktorý by mohol reagovať s chrómom pri následnom zváraní alebo pri zvýšenej-teplote. Ide o štandardnú voľbu pre komponenty, ktoré budú mať rozšírenú prevádzku nad 425 stupňov alebo výrobu zahŕňajúcu viacero cyklov zvárania/prevarovania, kde samotné triedy L- nemusia byť dostatočné.

3. Ovládanie tepelného vstupu a interpass teploty

WPS, ktoré obmedzuje vstup tepla, obmedzuje teplotu medzi prechodmi a uprednostňuje rýchlejšie a nižšie -tepelné-procesy vstupu pre kritické prechody, skracuje čas, ktorý ktorýkoľvek bod v HAZ strávi v rozsahu 425-870 stupňov. Je to lacnejšia páka ako náhrada materiálu a zvyčajne sa používa popri nej, nie namiesto nej.

4. Tam, kde je to potrebné, použite tepelné spracovanie po zváraní alebo rozpúšťacie žíhanie{1}}

Roztokové žíhanie (zahriatie nad približne 1040 stupňov a rýchle ochladenie) znovu rozpúšťa karbidy chrómu a obnovuje rovnomernú distribúciu chrómu na hranici zŕn. Je to najkompletnejšie korekčné ošetrenie, ale nie je vždy praktické pre veľké vyrobené zostavy alebo zvary v teréne, a preto je výber akosti a riadenie procesu prvou líniou obrany a PWHT sa používa tam, kde si to servisný stav alebo kód vyžaduje.

Často kladené otázky

Otázka: Robí senzibilizácia nehrdzavejúcu oceľ slabšou ešte predtým, než začne korodovať?

A: Nie sám od seba. Senzibilizovaná mikroštruktúra má v podstate rovnaké objemové mechanické vlastnosti ako -nesenzibilizovaná mikroštruktúra, kým hranice zŕn ochudobnených o chróm- nie sú vystavené korozívnemu prostrediu; strata ťažnosti a pevnosti nasleduje po koróznom napadnutí, nie po precipitácii karbidov.

Otázka: Môže 316 alebo 316L stále senzibilizovať, aj keď obsahuje molybdén?

A: Áno. Molybdén zlepšuje odolnosť proti bodovej a štrbinovej korózii, ale nezabraňuje precipitácii karbidu chrómu na hraniciach zŕn. To je dôvod, prečo sa triedy ložísk molybdénu-testujú podľa ASTM A262 Practice F, a nie sú považované za imúnne voči senzibilizácii.

Otázka: Je priaznivý výsledok praxe A ASTM A262 dostatočný na prijatie materiálu bez ďalšieho testovania?

Odpoveď: V prípade mnohých špecifikácií nákupu áno - je zvyčajne akceptovaná kroková alebo dvojitá leptaná štruktúra bez ďalšieho testovania. Priekopová štruktúra automaticky neodmietne materiál, ale vyžaduje si následnú{2}}kvantitatívnu prax (B, C alebo F) na určenie prijateľnosti v súlade s platnou špecifikáciou nákupu.

Otázka: Eliminuje PWHT vždy riziko senzibilizácie?

Odpoveď: Správne vykonané rozpúšťacie žíhanie znovu rozpúšťa karbidy chrómu a odstraňuje senzibilizovaný stav, ale akékoľvek následné zváranie-alebo pri zvýšenej teplote môže spôsobiť precitlivenosť materiálu. PWHT rieši existujúci senzibilizovaný stav; nerobí zliatinu imúnnou voči budúcej senzibilizácii.