Ferritnummer i duplexer og austenitiske rustfrie stålsvejsninger: Måling og kontrol

Ferritnummeret (FN) kvantificerer mængden af ferrit i en svejseforbindelse af rustfrit stål, og svejsere justerer det, fordi det påvirker svejseforbindelsens egenskaber. For duplex- og superduplex-svejseforbindelser er det målrettede ferritindhold generelt ca. 30–70 FN, svarende til en afbalanceret tofasestruktur, mens austenitiske svejseforbindelser normalt sigter mod et lille, men ikke-nul ferritindhold på ca. 3–10 FN for at undgå hærdespræk. FN måles oftest med en kalibreret ferritskope og forudsiges ved hjælp af WRC-1992-diagrammet; det er en praktisk kontrolparameter, der forbinder svejseproceduren med korrosionsbestandighed og slagstyrke.

Hvad ferritnummeret betyder
Ferritnummer er en standardiseret magnetisk indeks, ikke en direkte volumenprocent. Det blev indført, fordi tidlige målinger af »procent ferrit« varierede meget mellem laboratorier, så branchen vedtog en reproducerbar skala defineret ud fra magnetisk respons og sporbart til sekundære standarder. Ved lave niveauer ligger FN og volumenprocent ferrit tæt på hinanden, men de adskiller sig, når ferritindholdet stiger – hvilket er grunden til, at duplex-specifikationer angiver accept i FN eller i en konverteret procent med en defineret metode. Tallet er vigtigt, fordi ferrit og austenit opfører sig forskelligt: ferrit giver styrke og modstandsdygtighed mod kloridbetinget spændingskorrosion, mens austenit giver slagstyrke og duktilitet. En svejsning, der fastfryser med forkert balance, ofrer én egenskab for at opnå den anden.

Hvorfor austenitiske og duplex-svejsninger adskiller sig
I austenitiske kvaliteter såsom 304L og 316L er grundmetallet stort set fuldstændigt austenitisk, men svejsematerialet formuleres bevidst, så det fastfryses med et par procent delta-ferrit. Den lille ferritfraktion afbryder kontinuerte austenitkorngrænser og opløser urenheder såsom svovl og fosfor, hvilket forhindrer hærdningsspræk. For lidt ferrit – under ca. 3 FN – medfører risiko for spræk; for meget ferrit – over ca. 10–12 FN – kan mindske slagsejhed og efter brug udløse blødgørelse. Duplex-kvaliteter fungerer omvendt: Grundmetallet er allerede en afbalanceret blanding, og målet er at genskabe denne balance i svejsningen. Overskydende ferrit i en duplex-svejsning – som opstår, når svejsningen køler for hurtigt til, at austenit kan genopstå – nedbringer slagsejhed og korrosionsbestandighed, mens overskydende austenit nedsætter styrken og kan lokalt reducere modstanden mod pitting.

Forudsigelse af FN ved hjælp af WRC-1992-diagrammet
WRC-1992-diagrammet er det moderne værktøj til at forudsige svejseferrit ud fra sammensætning. Det afbilder et kromækvivalent, som summerer ferritdannende elementer, mod et nikkelækvivalent, som summerer austenitdannende elementer, og aflæser et forventet FN. Kromækvivalenten er Cr + Mo + 0,7 × Nb, og nikkelækvivalenten er Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Den store koefficient for kvælstof viser, hvorfor kvælstoftilsætninger skubber en svejsning mod austenit, og hvorfor de bevidst anvendes i duplex-tilsatsmaterialer og beskyttelsesgasser. Ved at sammenligne det forudsagte FN for et grundmateriale, et tilsatsmateriale og deres fortynding kan en svejseingeniør vælge forbrugsvarer og fortynding, der falder inden for det ønskede interval, før der svejses en enkelt prøveplade.

Tabel: Typiske ferritmål

Måling af ferrit i praksis
Ferritoscopet er arbejdshesten på værkstedsgulvet. Det anvender et magnetfelt på svejsningen og måler responsen, som skalerer med ferritindholdet, og giver en direkte FN-værdi inden for sekunder, så snart det er kalibreret mod certificerede standarder. Det er ikke-destruktivt, bærbart og velegnet til produktionskontroller af både rod- og dæksvejsninger. Til tvistløsning eller forskning giver metallografisk punkttælling på et ætsket tværsnit en volumenprocent, og begge metoder er dækket af anerkendte standarder. Foretag flere aflæsninger langs svejsningen og den varme-påvirkede zone i stedet for kun én enkelt aflæsning, da fortynding og afkøling varierer langs og tværs over forbindelsen. Husk også, at et ferritoscop kun måler den overfladezone, som det rører ved, så slibning, kold deformation og overfladeforurening kan påvirke resultatet, og aflæsninger på buede rør med lille diameter kræver muligvis en geometrisk korrektion. I et udstyret laboratorium kombineres ferritmåling med slagpåvirkningstest og korrosionstest for at bekræfte, at en god ferritværdi faktisk oversættes til acceptabel mekanisk og korrosionsmæssig ydeevne.

Styring af ferrit gennem fremgangsmåde
To proceshåndtag dominerer ferritkontrollen: varmetilførsel og kvælstof. Varmetilførslen styrer afkølingshastigheden, og afkølingshastigheden styrer, hvor meget austenit der kan danne sig igen ud fra ferritten, der første gang fastfryses. Ved duplex-svejsning giver for lidt varmetilførsel en hurtig nedkøling, der ‘fryser’ for meget ferrit fast og begrænser austenitdannelsen, hvilket skader slagsejdheden; for meget varmetilførsel nedsætter afkølingen så meget, at intermetaliske faser kan dannes. Et kontrolleret interval – ofte med en maksimal temperatur mellem svejsepassager på omkring 150 grader Celsius – sikrer en afbalanceret mikrostruktur. Kvælstof er det kemiske håndtag: Tilføjelse af få procent kvælstof til argonbeskyttelsesgassen samt brug af en over-legeret, nikkel- og kvælstofrig svejsetilstandslegering fremmer genopbygningen af austenit og øger korrosionsbestandigheden i svejsen. Den autogene situation kræver ekstra opmærksomhed, fordi en svejsning uden tilstandslegering og uden kvælstof i gassen udelukkende bygger på grundmaterialets sammensætning og tenderer mod for meget ferrit – derfor udføres duplex-rodsvejsninger næsten altid med en kvælstofholdig baggas. Fejl har konkrete konsekvenser. En ferritdomineret duplex-svejsning viser lav Charpy-slagesejdhed og kan revne under kloridpåvirkning; en ferritfattig svejsning mister styrke og modstand mod pitting; og en austenitisk svejsning med for lidt ferrit kan revne under fastfrysningen. Angiv et FN-interval, forudsig det med WRC-1992, kontroller varmetilførslen og kvælstoftilførslen, og verificer med en ferritskope – så bliver svejsekvaliteten et kontrolleret, dokumenteret resultat i stedet for et håb.

Ofte stillede spørgsmål
Spørgsmål: Hvilket ferritnummer skal en 2205-duplex-svejsning have?
Svar: En afbalanceret 2205-svejsning har typisk et mål på ca. 30–60 FN; for meget ferrit reducerer slagstyrken og korrosionsbestandigheden, mens for lidt ferrit nedsætter styrken.
Spørgsmål: Hvordan måles ferritnummeret på færdige svejsninger?
Svar: Mest almindeligt med en kalibreret ferritskope, som aflæser FN ikke-destruktivt på få sekunder; metallografisk punkttælling anvendes ved tvisteforlig og giver en volumenprocent.

Kontakt Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. for duplexer og austenitiske rør, der er svejset og testet efter kontrollerede ferritmål. Tlf. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/