Číslo feritu u svarů z duplexních a austenitických nerezových ocelí: měření a řízení

Číslo feritu (FN) kvantifikuje množství feritu v svaru z nerezové oceli; svářeči ho řídí, protože ovlivňuje výkon svaru. U svarů duplexních a superduplexních ocelí se obvykle zaměřují na obsah feritu v rozmezí přibližně 30 až 70 FN, což odpovídá vyvážené dvoufázové struktuře; u austenitických svarů se naopak obvykle usiluje o malý, avšak nenulový obsah feritu přibližně 3 až 10 FN, aby se zabránilo horkému trhání. Číslo FN se nejčastěji měří kalibrovaným feritometrem a předpovídá se pomocí diagramu WRC-1992; jedná se o praktický řídící parametr, který spojuje svařovací postup s odolností proti korozi a houževnatostí.

Co číslo feritu představuje
Číslo feritu je standardizovaný magnetický index, nikoli přímé procento objemu. Vzniklo proto, že raná měření „procenta feritu“ se v různých laboratořích výrazně lišila, a proto průmysl přijal reprodukovatelnou stupnici definovanou magnetickou odezvou a zpětně sledovatelnou k sekundárním normám. Při nízkých hodnotách se číslo feritu (FN) a objemové procento feritu blíží, avšak s rostoucím obsahem feritu se od sebe odlišují, což je důvod, proč specifikace duplexních slitin uvádějí přijatelné hodnoty buď jako FN, nebo jako převedené procento s definovanou metodou. Číslo je důležité, protože ferit a austenit se chovají odlišně: ferit poskytuje pevnost a odolnost proti napěťové korozní trhlině vyvolané chloridy, zatímco austenit zajišťuje houževnatost a tažnost. Svar, který se tuhne s nesprávnou rovnováhou obou fází, obětuje jednu vlastnost ve prospěch druhé.

Proč se svařování austenitických a duplexních slitin liší
U austenitických tříd, jako jsou 304L a 316L, je základní kov v podstatě zcela austenitický, avšak svařovací kov je záměrně formulován tak, aby se při tuhnutí vytvořilo několik procent delta-ferritu. Tato malá část ferritu naruší spojité hranice austenitických zrn a rozpustí nečistoty, jako je síra a fosfor, čímž se předchází horkému trhání při tuhnutí. Příliš malé množství ferritu – pod cca 3 FN – zvyšuje riziko trhání; příliš velké množství – nad přibližně 10 až 12 FN – může snížit houževnatost a po provozním vystavení způsobit křehnutí. U duplexních tříd je situace opačná: základní kov již obsahuje vyváženou směs fází a cílem je tuto rovnováhu reprodukovat i ve sváru. Nadbytek ferritu v duplexním sváru – který vzniká, pokud se svár ochladí příliš rychle na to, aby se znovu vytvořil austenit – zhoršuje houževnatost i odolnost proti korozi, zatímco nadbytek austenitu snižuje pevnost a místně může oslabit odolnost proti bodové korozi.

Předpovídání FN pomocí diagramu WRC-1992
Diagram WRC-1992 je moderní nástroj pro předpověď feritu ve svaru na základě chemického složení. Zakresluje ekvivalent chromu, který sumarizuje prvky tvořící ferit, proti ekvivalentu niklu, který sumarizuje prvky tvořící austenit, a z grafu se odečte očekávané číslo feritu (FN). Ekvivalent chromu je roven Cr + Mo + 0,7 × Nb a ekvivalent niklu je roven Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Vysoký koeficient u dusíku ukazuje, proč přídavek dusíku posouvá svar směrem k austenitu a proč je dusík záměrně používán v naplňovacích materiálech a ochranných plynech pro duplexní oceli. Porovnáním předpovězeného FN základního materiálu, naplňovacího materiálu a jejich ředění může specialista na svařování vybrat vhodné spotřební materiály a úroveň ředění tak, aby výsledné FN spadlo do požadovaného rozmezí ještě před vyhotovením první zkušební vzorkové svarové spoje.

Tabulka: Typické cílové hodnoty feritu

Měření feritu v praxi
Ferritometr je pracovní koníček v dílně. Na svar aplikuje magnetické pole a měří odpověď, která je úměrná obsahu feritu, čímž za několik sekund po kalibraci proti certifikovaným normám poskytne přímé číslo FN. Je nebourací, přenosný a velmi vhodný pro kontrolu výroby jak kořenových, tak uzavíracích vrstev. Pro rozhodčí účely nebo výzkum poskytuje metalografické bodové počítání na chemicky leptaném průřezu objemové procento feritu; obě metody jsou upraveny uznávanými normami. Provádějte více měření napříč svarem a tepelně ovlivněnou zónou namísto jediného měření na jednom místě, protože ředění i ochlazování se mění podél i napříč spojem. Mějte také na paměti, že ferritometr měří pouze povrchovou oblast, které se dotýká jeho snímač, takže broušení, chladné tváření a povrchové kontaminace mohou výsledek zkreslit a měření na zakřivených trubkách malého průměru mohou vyžadovat korekci kvůli geometrii. V vybavené laboratoři se měření obsahu feritu kombinuje s nárazovými zkouškami a korozními zkouškami, aby se potvrdilo, že dobrá hodnota skutečně odpovídá přijatelným mechanickým a korozním vlastnostem.

Řízení feritu prostřednictvím postupu
Dva procesní páky dominují řízení feritu: tepelný příkon a dusík. Tepelný příkon určuje rychlost chlazení, a ta zase rozhoduje o tom, kolik austenitu se může znovu vytvořit z feritu, který se první zkrystalizuje. Při svařování duplexních slitin příliš nízký tepelný příkon způsobuje rychlé ochlazení (quench), které „zamrazí“ příliš mnoho feritu a nedostatečně naplní austenit, čímž se sníží houževnatost; příliš vysoký tepelný příkon naopak zpomalí chlazení natolik, že se mohou vytvořit intermetalické fáze. Omezený, kontrolovaný rozsah tepelného příkonu – často s horní mezí teploty meziprůchodového ohřevu kolem 150 stupňů Celsia – udržuje strukturu vyváženou. Dusík je chemickou pákou: přídavek několika procent dusíku do argonové ochranné atmosféry a výběr přeprutkového svařovacího materiálu s vyšším obsahem niklu a dusíku podporují znovuvznik austenitu a zvyšují korozní odolnost svaru. Autogenní svařování vyžaduje zvláštní opatrnost, protože svar bez přídavného materiálu a bez dusíku v ochranném plynu závisí výhradně na chemickém složení základního materiálu a má tendenci posouvat se k nadbytku feritu – právě proto se kořenové svarové vrstvy duplexních slitin téměř vždy provádějí s ochranným plynem obsahujícím dusík. Pokud se to provede nesprávně, důsledky jsou zřejmé. Svar duplexní slitiny s nadbytkem feritu vykazuje nízkou houževnatost podle zkoušky Charpy a může prasknout pod účinkem chloridů; svar s nedostatkem feritu ztrácí pevnost i odolnost proti bodové korozi; austenitický svar s příliš malým podílem feritu může prasknout během tuhnutí. Stanovte požadované rozmezí feritového čísla (FN), předpovězte ho pomocí diagramu WRC-1992, řiďte tepelný příkon a obsah dusíku a ověřte výsledek feritoskopem – potom se kvalita svaru stane řízeným, dokumentovaným výsledkem, nikoli jen doufáním.

Nejčastější dotazy
Otázka: Jaké číslo feritu by měl mít svar z duplexní oceli 2205?
Odpověď: Vyvážený svar z duplexní oceli 2205 obvykle míří přibližně na 30 až 60 FN; příliš vysoký obsah feritu snižuje houževnatost a odolnost proti korozi, zatímco příliš nízký obsah feritu snižuje pevnost.
Otázka: Jak se měří číslo feritu na dokončených svarech?
Odpověď: Nejčastěji se používá kalibrovaný feritometr, který nezničivě měří FN během několika sekund; pro rozhodčí účely se používá metalografické bodové počítání, které udává objemové procento.

Pro duplexní a austenitické potrubí, které bylo svařováno a testováno podle řízených cílů pro obsah feritu, kontaktujte společnost Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tel. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/