Після-термічна обробка нержавіючої сталі

Зварювання перетворює нержавіючу сталь. Інтенсивне тепло дуги плавить основний метал і присадковий дріт, створюючи зону плавлення, яка швидко охолоджується. Цей термічний цикл залишає за собою залишкові напруги, мікроструктурні зміни та в деяких випадках втрату стійкості до корозії. Термообробка після зварювання (PWHT) — це контрольоване застосування тепла після зварювання для відновлення властивостей, зняття напруги або запобігання майбутнім проблемам.

Однак PWHT не є універсальним засобом. Для деяких марок нержавіючої сталі термічна обробка після зварювання може завдати більше шкоди, ніж користі. Різниця між тим, коли PWHT важлива, а коли вона шкідлива, є одним із найбільш послідовних рішень у виробництві нержавіючої сталі. Неправильний вибір може призвести до корозійного розтріскування під напругою, сенсибілізації, міжкристалітної корозії або дорогого ремонту.

У цій статті наведено чіткий і-довідковий посібник. Кожен розділ має формат «висновок-спочатку»: ми констатуємо висновок, потім пояснюємо міркування та цитуємо авторитетні джерела. Мета полягає в тому, щоб дати інженерам, групам із закупівель і менеджерам з якості рекомендації, яким вони можуть довіряти та цитувати з упевненістю.

Аустенітні нержавіючі сталі: PWHT

Аустенітні нержавіючі сталіявляють собою найбільше сімейство нержавіючих сплавів, що використовуються в промисловості. Такі марки, як 304/L, 316/L, 321 і 347, призначені для зварювання без обов’язкової -термічної обробки після зварювання. Їх гранецентрована кубічна (FCC) кристалічна структура не зазнає мартенситної трансформації під час охолодження, що означає, що основні ризики, з якими постраждає PWHT у вуглецевих сталях, — загартування та крихкість — просто не застосовуються.

Кодекс D1.6 Американського зварювального товариства (AWS), який регулює конструкційне зварювання нержавіючої сталі, не вимагає PWHT для аустенітних марок за нормальних умов експлуатації. Розділ IX ASME також не вимагає PWHT як умову кваліфікації процедури для цих матеріалів.

Це не означає, що PWHT ніколи не використовується для аустенітних сталей. У конкретних сценаріях -, таких як сильні корозійні середовища, ризик корозійного розтріскування під напругою (SCC) або коли це прямо вимагається кодами виготовлення, може бути вказано PWHT. Але позиція за замовчуванням, підтверджена десятиліттями польового досвіду, полягає в тому, що ці марки добре працюють у звареному стані.

Таблиця 1: Вимоги PWHT для загальних марок аустеніту

Джерело: AWS D1.6:2017 (Правила зварювання конструкцій -- нержавіюча сталь); Розділ IX Кодексу котлів і посудин під тиском ASME (видання 2023 р.); Довідник з нержавіючої сталі Outokumpu, 2020

Сенсибілізація: Неправильна термічна обробка

Коли аустенітну нержавіючу сталь витримують у діапазоні температур приблизно від 500 до 850 градусів за Цельсієм (від 932 до 1562 градусів за Фаренгейтом), атоми хрому мігрують із матриці твердого розчину до меж зерен, де вони поєднуються з вуглецем, утворюючи карбіди хрому (Cr23C6). Цей процес називається сенсибілізацією. Області меж зерен-збіднюються на хром — той самий елемент, який забезпечує стійкість нержавіючої сталі до корозії. Якщо вміст хрому падає нижче приблизно 12% на межі, сталь стає чутливою до міжкристалітної корозії.

Якщо PWHT виконується неправильно, зварний виріб може навмисно потрапити в цю небезпечну температурну зону. Для стандартних марок, таких як 304 і 316, термічна обробка-для зняття напруги при 600-700 C спричинить серйозну сенсибілізацію. Саме тому PWHT зазвичай уникають для цих марок, якщо не супроводжується розчинним відпалом при 1040-1100 C з наступним швидким охолодженням (гартуванням).

Стабілізовані марки (321 з титаном, 347 з ніобієм) і низько-вуглецеві марки (304L, 316L) були розроблені спеціально для захисту від сенсибілізації. Стабілізуючі елементи переважно поєднуються з вуглецем, запобігаючи виснаженню хрому. Сорти з низьким-вуглецем зменшують загальний вміст вуглецю, доступний для утворення карбіду.

Таблиця 2: Вікна термічної обробки для аустенітної нержавіючої сталі

Джерело: Довідник ASM, Том 6A: Основи та процеси зварювання (2011); ASTM A240/A240M-24; Довідник з нержавіючої сталі Outokumpu, 2020

Мартенситні нержавіючі сталі: PWHT

Мартенситні нержавіючі сталі тверднуть шляхом утворення мартенситу під час охолодження від температури аустенітизації. Зварювання природним чином створює термічний цикл, який переходить у-зону теплового впливу (HAZ) через це перетворення. Результатом є тверда, крихка мікроструктура з високим залишковим напруженням. Без PWHT зварне з’єднання вразливе до розтріскування — іноді відразу після охолодження, іноді через години або дні (відкладене розтріскування).

Стандартна процедура PWHT для мартенситних нержавіючих сталей включає: (1) попередній нагрів перед зварюванням, щоб уповільнити швидкість охолодження та зменшити різницю твердості, (2) негайне виконання -відпуску після зварювання при 650-750 C і (3) у деяких випадках повний цикл нормалізації-і відпустки. Розділ VIII ASME та AWS D1.6 відповідають цим вимогам.

Мартенситні сорти дисперсійного-твердіння, такі як 17-4PH (UNS S17400) і 15-5PH (UNS S15500), мають інший шлях: вони проходять обробку розчином, а потім цикл старіння при 480-620 C (умови від H900 до H1150). Конкретна температура старіння визначає кінцевий баланс міцності та в'язкості.

Таблиця 3: Параметри PWHT для мартенситної та дисперсійно{1}}нержавіючої сталі

Джерело: ASME SA-240/SA-240M (2023); AMS 5354 (термічна обробка 17-4PH); Спеціальний довідник ASM: нержавіючі сталі (1994)

Дуплексна нержавіюча сталь: PWHT

Дуплексна нержавіюча сталь отримує свою міцність завдяки збалансованій мікроструктурі приблизно 50% аустеніту та 50% фериту. Зварювання порушує цей баланс. Метал зварного шва та HAZ зазнають швидких термічних циклів, які зсувають співвідношення фаз, зазвичай збільшуючи вміст фериту. Якщо частка фериту перевищує приблизно 70%, з’єднання стає чутливим до зниження міцності та стійкості до корозії.

У більшості сценаріїв виготовлення використання відповідних металів-наповнювачів (над-легованих нікелем для сприяння реформуванню аустеніту) і контрольоване підведення тепла зберігають фазовий баланс у прийнятних межах без PWHT. Однак, коли багатопрохідне зварювання, товсті зрізи або поганий контроль надходження тепла спричиняють надлишок фериту або утворення шкідливих інтерметалічних фаз (сигма, хі), відпал у розчині при 1020-1100 C з наступним гартуванням у воді може відновити правильну мікроструктуру.

Для дуплексних сталей важливо розрізняти зняття напруги та розчинний відпал. Обробка-для зняття напруги при 600-700 C призведе до утворення сигма-фази та серйозного погіршення як механічних властивостей, так і стійкості до корозії. Прийнятним є лише повний відпал розчину вище температури sigma solvus.

Таблиця 4: Параметри PWHT для дуплексної нержавіючої сталі

Джерело: ASTM A240/A240M-24; NACE MR0175/ISO 15156; Outokumpu Duplex Stainless Steels Handbook (2015); Специфікації SAF 2205 і SAF 2507 (Sandvik)

Нікелеві сплави: PWHT

Корозійно-стійкі-сплави на основі нікелю, такі як Inconel 625 (UNS N06625),Hastelloy C276 (UNS N10276)і Monel 400 (UNS N04400) використовуються в найскладніших хімічних, морських і аерокосмічних середовищах. Ці сплави на твердому-розчині не твердіють під час зварювання, тому не потребують PWHT для зняття напруги чи контролю твердості.

Однак нікелеві сплави -дисперсійного зміцнення -- Inconel 718 (UNS N07718), Inconel X-750 (UNS N07750) і Rene 41 (UNS N07001) дотримуються інших правил. Ці сплави досягають своєї високої міцності завдяки контрольованому виділенню гамма-прим або гамма-подвійно прим фаз. Після зварювання вони вимагають обробки розчином з подальшим старінням. Цикл старіння повинен виконуватися при точних температурах, щоб досягти цільової міцності, зберігаючи належну міцність.

Для сплавів Hastelloy слід звернути особливу увагу: деякі марки (C-22, C-276) можуть утворювати невелику кількість шкідливої ​​інтерметалічної фази після тривалого впливу в діапазоні 600-900 C. Хоча це не суто проблема PWHT, це означає, що будь-яке нагрівання після зварювання – навіть для формування чи випрямлення – має ретельно контролюватися, щоб уникнути ненавмисного металургійного пошкодження.

Таблиця 5: Вимоги PWHT для звичайних нікелевих сплавів

Джерело: ASME SB-443 (Inconel 625); ASME SB-575 (Hastelloy C-276); AMS 5662 (термічна обробка Inconel 718); Технічні бюлетені Special Metals Corporation (2023)

Посилання на коди та стандарти для PWHT нержавіючих сталей

Рішення застосувати або не використовувати PWHT не є довільним. Це має бути обґрунтовано застосовним проектним кодом, специфікацією матеріалу та умовами експлуатації. Нижче наведено стислий перелік кодів і стандартів, на які найчастіше посилаються, які стосуються PWHT для нержавіючої сталі та нікелевих сплавів.

Таблиця 7: Основні коди та стандарти, що стосуються PWHT для нержавіючої сталі

Джерело: AWS D1.6:2017; ASME BPVC Edition 2023; ASTM International; NACE International; Американський інститут нафти; Європейський комітет стандартизації (CEN)

Висновок

Термічна обробка після-зварювання є потужним інструментом, якщо її застосовувати правильно, і руйнівною силою, якщо її застосувати неправильно. Докази очевидні:

Аустенітні нержавіючі сталі (304, 316, 321, 347) рідко потребують PWHT і можуть бути пошкоджені, якщо обробка потрапляє в діапазон сенсибілізації.

Мартенситні нержавіючі сталі (410, 420, 431) майже завжди вимагають PWHT (відпуск) для запобігання крихкому руйнуванню.

Для дуплексних нержавіючих сталей (2205, 2507) може знадобитися відпал розчину, якщо умови зварювання порушують фазовий баланс, але зняття напруги завжди шкідливе.

Нікелеві сплавидотримуйтеся власних правил: сорти твердого-розчину не потребують PWHT, тоді як сорти-загартування опадами мають витримуватися.

Відповідний код проектування (ASME, AWS, NACE, EN) завжди повинен бути основним авторитетом для рішень PWHT.

Щоб отримати специфікації, запити щодо закупівель або технічну підтримку виробів із нержавіючої сталі та нікелевих сплавів,зв'яжіться з JN Alloys-- ваш надійний партнер із високоякісних сплавів.