Embrittlemento da fase sigma: xestión do servizo a alta temperatura en tubaxes de aceiro inoxidable

A embrittlemente da fase sigma é a formación dun intermetalico duro e fráxil de cromo-ferrro no acero inoxidable que precipita aproximadamente entre 600 e 950 °C, eliminando ao mesmo tempo a tenacidade e a resistencia á corrosión da aleación. O resultado práctico: unha tubaxe que era dúctil cando se instalou pode volverse perigosamente fráxil despois dun longo servizo ou tras un arrefriamento lento a través dese intervalo, especialmente nas calidades con alto contido de cromo, molibdeno e as dúplex. A súa xestión consiste en controlar o tempo e a temperatura de exposición, especificar a calidade axeitada e restaurar a microestrutura mediante recozimento en solución cando sexa necesario. En Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. tratamos a fase sigma na etapa de deseño e tratamento térmico, non como unha idea posterior.

Que é a fase sigma e por que se forma
Sigma é un intermetalico ordenado rico en cromo (do tipo FeCr, en xeral), extremadamente duro e case sen ductilidade. Nuclea nas fronteiras dos grãos e nas interfaces ferrita-austenita, xa que eses lugares fornécenlle tanto o cromo como os camiños de difusión de que precisa. A súa formación está controlada pola difusión, polo que depende da temperatura e do tempo xuntos: dentro da faiixa crítica a aleación necesita exposición continuada para formar cantidades significativas de sigma, e a precipitación prodúcese máis rapidamente no centro desa faiixa, normalmente preto dos 700–850 °C para moitas calidades austeníticas.
Un par de cousas fan que sigma sexa traizoira. Ao extraer cromo da matriz circundante para formarse, o metal adxacente queda empobrecido en cromo e menos resistente á corrosión; así, un só mecanismo afecta simultaneamente o rendemento mecánico e o químico. Ademais, pode formarse durante o arrefriamento lento tras soldadura ou forxado, non só en servizo, polo que un compoñente pode xa conter sigma antes mesmo de ser posto en funcionamento.

Que calidades son susceptibles
A susceptibilidade aumenta co contido de cromo e molibdeno, xa que ambos son formadores fortes de sigma. Os graos austeníticos de maior aleación, como o 316, o 317 e as superausteníticas, son máis propensos que o 304 máis pobre en aleación. Os graos estabilizados con titánio ou níobio, como o 321 e o 347, escóllense para temperaturas elevadas en parte porque resisten a sensibilización, pero non son inmunes á formación de sigma na parte superior do intervalo.
Os graos dúplex e superdúplex requiren unha atención especial. O 2205 e o 2507/S32750 conteñen aproximadamente un 22-25 % de cromo, ademais de molibdeno e unha fracción elevada de ferrita; e como a fase sigma se forma máis rapidamente na ferrita, poden xerar fases que provocan fragilidade moi rapidamente na gama de temperaturas de 700-900 °C. Por iso, na fabricación dúplex aplícanse controis rigorosos sobre a entrada de calor e a temperatura entre pasadas, e por iso a temperatura máxima recomendada para a utilización do 2205 queda claramente por debaixo da de moitas austeníticas. Se se mantén unha liña dúplex demasiado tempo preto dos 850 °C, a tenacidade ao choque pode caer drasticamente.

Consecuencias durante a utilización
O síntoma máis claro da embritización sigma é un colapso na tenacidade ao impacto a temperatura ambiente. Un metal que absorbera moita enerxía nunha proba Charpy cando era novo pode caer a unha pequena fracción desa cantidade despois de formarse sigma, o que aumenta o risco de fractura fráxil durante paradas, ciclos térmicos ou probas hidrostáticas cando o metal está frío. A ductilidade a alta temperatura resulta menos afectada, polo que o perigo adoita aparecer só cando a instalación se enfría para mantemento.
A penalización por corrosión provén do agotamento de cromo arredor das partículas sigma. Os ataques localizados, as picaduras e a corrosión intergranular aceleran nas zonas agotadas, debilitando os propios aleados escollidos para servizos agresivos. Nos materiais dúplex, a perda combinada de tenacidade e resistencia á corrosión é precisamente a razón pola que evitar fases embritecedoras é un requisito fundamental na fabricación.

Prevención mediante deseño e especificación
O primeiro que hai que facer é manter o metal fóra da faiixa crítica durante a operación. Establecer unha temperatura máxima documentada de servizo e respectala, e así evítase a maioría da formación de sigma en servizo. Para tubaxes duplex isto significa respectar o teito de temperatura do fabricante en vez dos límites máis altos empregados para os austeníticos. Cando non se pode evitar a alta temperatura, escoller un grao estabilizado ou deseñado expresamente para altas temperaturas e ter en conta a exposición acumulada ao longo da vida útil do deseño.
Os controles de fabricación teñen igual importancia. O arrefriamento rápido a través do intervalo de precipitación despois da soldadura ou conformado en quente limita o tempo dispoñible para a difusión, polo que a sigma ten menos posibilidades de crecer. Para os aos dúplex, o control da entrada de calor, da temperatura entre pasos e da velocidade de arrefriamento mantén o equilibrio ferrita-austenita axeitado e impide a formación de intermetálicos. As soldaduras de reparación repetidas nun mesmo punto son un perigo oculto, pois cada unha engade outro ciclo térmico na zona de risco.

Detección e restauración
A sigma aparece metalograficamente baixo ataque químico e microscopia, e o seu efecto mídese mediante ensaios de impacto que revelan a perda de tenacidade. Ao ser dura, as medicións de dureza e os reactivos especiais para ataque poden identificar zonas sospeitosas, e os ensaios de corrosión confirman o agotamento de cromo. Cando se detecta que un compoñente contén sigma daniña, pódese restablecer a súa microestrutura mediante recoñecemento en solución: escalfar por riba do intervalo de precipitación, normalmente arredor de 1040-1120 °C para moitas calidades austeníticas, manter o tempo suficiente para disolver os intermetálicos de novo na solución e, a continuación, arrefriar rapidamente para fixar a estrutura homoxénea e atravesar con rapidez a xanela de re-formación.
O recoñecemento en solución funciona, pero non sempre é práctico nas tubaxes xa instaladas, polo que a prevención segue sendo a mellor opción. Para novos materiais, unha condición de entrega adecuada, recoñecida en solución e arrefriada, verificada mediante ensaios químicos e mecánicos, garante que o tubo comece sen fases que provoquen fragilización.

Conclusións prácticas
A fase sigma é un fenómeno dependente do tempo e da temperatura, máis activa entre aproximadamente 600 e 950 °C, e máis rápida nas aleacións con alto contido de cromo, molibdeno e dúplex. Evítase respectando os límites de temperatura de servizo, controlando os ciclos térmicos de soldadura e conformado, e especificando material recocido en solución. Detectase mediante metalografía e ensaios de impacto, e, sempre que sexa posible, revértese mediante recoce en solución seguido dun enfriamento rápido. Wenqiang fornece graos austeníticos, estabilizados e dúplex na condición termotratada correcta, con ensaios químicos, mecánicos e de corrosión realizados internamente para confirmar que a microestrutura é adecuada antes de que os tubos se empreguen en servizos de alta temperatura.

Preguntas frecuentes
P: A qué temperatura se forma a fase sigma no aceiro inoxidábel?
R: A fase sigma precipita aproximadamente entre 600 e 950 °C, coa formación máis rápida normalmente no centro dese intervalo. A exposición prolongada ou o arrefriamento lento a través dese intervalo favorecen a súa formación, especialmente nos graos con alto contido de cromo, molibdeno e dúplex.
P: Pode a embrittlement da fase sigma ser revertida?
R: Si. O recoñecemento en solución a uns 1040-1120 °C para graos austeníticos disolve a sigma de novo na matriz, e o enfriamento rápido impide que se reforme. Nas tubaxes instaladas isto é frecuentemente impráctico, polo que se prefire a prevención mediante o control da temperatura.

Para tubaxes de aceiro inoxidable austenítico e dúplex recoñecidas en solución e verificadas mediante ensaios internos, póñase en contacto con Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. en +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/