Sigmafaasi murdlikkus: kõrgtemperatuurilise kasutamise haldamine roostevabast terasest torustikus

Sigmafaasi murdlikkus on roostevabas terases tekkinud kõva ja murdliku struktuuriga kroomi ja raua intermetallühend, mis eraldub umbes 600–950 °C temperatuurialal ning vähendab sulamit nii tugevuse kui ka korrosioonikindluse poolest. Praktiline tagajärg: toru, mis oli paigaldamisel veniv, võib pika kasutusaja jooksul või aeglasel jahtumisel selle temperatuuriala läbimisel muutuda ohtlikult murdlikuks, eriti kõrgkroomsetes, kõrgmoolübdeensetes ja dupleksklassides. Selle haldamine seisneb kokkupuuteaeg ja -temperatuur kontrollimises, sobiva klassi määramises ning mikrostruktuuri taastamises lahustussoojendusega juhul, kui seda on vaja. Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. tegeleb sigmafaasiga juba projekteerimis- ja soojendusprotsessi etapis, mitte pärast sündmust.

Mis on sigmafaas ja miks see tekib
Sigma on korralikult järjestatud, kroomirikkas intermetallne (üldiselt FeCr tüüpi) faas, mis on äärmiselt kõva ja peaaegu mitteplastne. See tekib teraskristallide piiridel ja ferriit-austeniit-piiridel, sest need kohad pakuvad talle nii vajalikku kroomi kui ka difusiooniteid. Selle teke toimub difusioonikontrullitud viisil, seega sõltub see koos temperatuurist ja ajast: allosa kriitilises temperatuurivahemikus peab sulatisele olema pika aeg kättesaadav, et sigma oluliselt tekiks, ja sadestumine toimub kiireimalt vahemiku keskel, sageli umbes 700–850 °C juures paljude austeniitsete sortide puhul.
Sigma on petlik, sest see võtab kroomi ümbritsevast maatriksist enda ehitamiseks, mistõttu muutub naabermetal kroomivaene ja vähem korrosioonikindel – seega mõjutab üks mehhanism korraga nii mehaanilisi kui ka keemilisi omadusi. Lisaks võib sigma tekkida mitte ainult kasutusel, vaid ka aeglasel jahtumisel keevitamise või kuumkõlbimise järel, mis tähendab, et komponent võib juba enne kasutuselevõtmist sisaldada sigmafaasi.

Millised sortid on tundlikud
Tundlikkus suureneb kroomi ja molübdeeni sisaldusega, sest mõlemad elemendid on tugevad sigmafaasi moodustajad. Kõrgemalt liigitatud austeniitsete sortide, näiteks 316, 317 ja superausteniitsete sortide, tundlikkus on suurem kui madala liigistusega 304 sortidel. Tiitaniumi või niobiumiga stabiilseteks tehtud sortid, näiteks 321 ja 347, valitakse kõrgematel temperatuuridel osaliselt seetõttu, et nad vastuvad sensibiliseerumisele, kuid nad ei ole sigmafaasi suhtes immuunsed temperatuurivahemikus ülaosas.
Duplex- ja superduplexsortide puhul tuleb lisaks ettevaatlik olla. Sortidel 2205 ja 2507/S32750 on umbes 22–25% kroomi ning lisaks molübdeen ja suur ferriiti osakaal, ning kuna sigmafaas tekib kiiremini ferriidis, võivad need sortid temperatuurivahemikus 700–900 °C väga kiiresti moodustada kõvastavaid faase. Seepärast rakendatakse duplexkujundamisel rangeid kontrollimeetodeid soojusenergia sisendile ja vaheperioodi temperatuurile ning seepärast asub 2205 soovituslik maksimaalne kasutustemperatuur paljude austeniitsete sortide maksimaalsest kasutustemperatuurist oluliselt madalamal. Kui duplextoru hoitakse liiga kaua umbes 850 °C juures, võib löögiplastsus järsult langeda.

Tagajärjed kasutusel
Sigma-embrittlementi selgeim sümptom on toatemperatuuril mõõdetud löögi vastupidavuse langus. Metall, mis alguses suutis Charpy testis neelata suurt energiat, võib pärast sigmafaasi teket langeda väga väikseks osaks sellest väärtusest, mis suurendab habrasmurru ohtu seiskumise, soojusliku tsüklitamise või hüdrostaatilise taas-testimise ajal, kui metall on jahutunud.
Korrosioonikahju tuleneb kroomi vähenemisest sigmaosakeste ümbruses. Kohalik rünnak, augukorrosioon ja teraskristallide piiride korrosioon kiirenevad nendes kroomivaesestes tsooni, mis nõrgendab just neid sulameid, mida valiti agressiivsetele töötingimustele.

Ennetamine lähtuvalt konstruktsioonist ja spetsifikatsioonist
Esimene samm on metalli hoidmine kriitilisest vahemikust eemal töö käigus. Määrata dokumenteeritud maksimaalne töötemperatuur ja seda austada – sellega vältitakse enamikku töötingimustes tekkivat sigmafaasi. Duplex torude puhul tähendab see tootja määratud temperatuuripiiri järgimist, mitte aga austeniitsete teraste jaoks kasutatavaid kõrgemaid piire. Kui kõrgtemperatuuriline töö on vältimatu, tuleb valida stabiilne või eraldi kõrgtemperatuuridele mõeldud sort ja arvestada kogumise aegu kogu konstrueerimisel ette nähtud eluiga jooksul.
Tootmisjuhtimine on sama oluline. Kiire jahutamine sadestumispiirkonnas pärast keevitamist või kuumkujutamist piirab difusiooniks saadaolevat aega, mistõttu ei saa sigma nii palju kasvada. Duplexterasest materjalide puhul tagab soojusenergia, vahe-temperatuuri ja jahutuskiiruse kontroll õige ferriit-austeniitset tasakaalu ning takistab intermetallsete faaside teket. Korduvad paranduskeevitused ühes ja samas kohas on peidetud oht, sest iga üks neist lisab veel ühe soojusliku tsükli ohtlikusse piirkonda.

Tuvastamine ja taastamine
Sigma ilmub metallograafiliselt etšeerimise ja mikroskoopia abil, ning selle mõju mõõdetakse löögi- ja tugevustestidega, mis paljastavad kaotatud vastupidavuse. Kuna sigma on kõva, võimaldab kõvaduse uuringute ja erikasutatavate etšeerivate ainete abil kahtlased tsooni tuvastada ning korrosioonitestid kinnitavad kroomi vähenemist. Kui komponendis tuvastatakse kahjulikku sigma, saab mikrostruktuuri taastada lahustussoojendamisega: soojendada oluliselt üle sadestumispiirkonna, enamasti umbes 1040–1120 °C paljude austeniitsete sortide puhul, hoida piisavalt kaua, et intermetallid lahustuksid tagasi lahusesse, ja seejärel kiiresti jahutada, et fikseerida ühtlane struktuur ning läbida taaskujunemise aken kiiresti.
Lahustussoojendamine toimib, kuid see ei ole alati praktiline paigaldatud torusüsteemide puhul, seepärast on ennetamine ikka parem valik. Uue materjali puhul tagab õige lahustussoojendatud ja jahutatud tarnetingimus – mille kehtivust kinnitavad keemilised ja mehaanilised testid –, et toru algab kõvaks muutvate faaside puudumisega.

Praktilised kokkuvõtted
Sigmafaas on aeg-ja temperatuurifenoomen, mis esineb kõige aktiivsemalt umbes 600–950 °C vahel ja tekib kõige kiiremini kõrgkroomsetes, kõrgmoolübdeensetes ja dupleksseeritud sulamites. Selle vältimiseks tuleb järgida kasutustemperatuuri piiranguid, reguleerida keevituse ja kujundamise soojusrežiime ning tellida lahustussoojendatud materjali. Sigmafaasi tuvastamiseks kasutatakse metallurgilist analüüsi ja löögi- (impakt-) katseid ning seda saab, kui võimalik, ka tagasi pöörata lahustussoojendamisega ja järgneva kiire jahutamisega. Wenqiang pakub austeniitseid, stabiilseid ja dupleksseeritud sortimente õiges soojuskäsitluse seisundis ning teeb ise keemilisi, mehaanilisi ja korrosioonikatseid, et kinnitada mikrostruktuuri terviklikkus enne torude kasutamist kõrgtemperatuuritingimustes.

Tavaliselt esinevad küsimused
K: Millises temperatuuris tekib sigmafaas roostevabas terases?
V: Sigmafaas eraldub umbes 600–950 °C vahel, kusjuures kiireim tekkekiirus esineb selle vahemiku keskel. Pikkajaline kokkupuude sellega või aeglane jahutamine selle vahemiku läbi soodustab seda, eriti kõrgkroomsetes, kõrgmoolübdeensetes ja dupleksseeritud sortimentides.
K: Kas sigmafaasi murdlikkus on pööratav?
S: Jah. Lahustussoojendamine umbes 1040–1120 °C juures austeniitsete sortide puhul lahustab sigmafaasi tagasi maatriksisse ja kiire jahutamine takistab selle taasilmumist. Paigaldatud torustuse puhul on see sageli ebaotstarbekas, seepärast eeldatakse ennetamist temperatuuri reguleerimisega.

Lahustussoojendatud austeniitsete ja kahekordse struktuuriga roostevabade terastorude kohta, mille kvaliteedi on kinnitanud ettevõtte enda testid, võtke ühendust Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.-ga telefoninumbri +86 577 8922 2595 järgi. https://www.chinawqsteel.com/