Sigma fazės sukietėjimas: aukštos temperatūros eksploatacijos valdymas iš nerūdijančiojo plieno vamzdžių

Sigma fazės sukietėjimas – tai kietos, trapios chromo ir geležies tarpmetalės junginio susidarymas nerūdijančiajame pliene, kuris išsiskiria maždaug nuo 600 iki 950 °C temperatūroje, pašalindamas lydinį tiek jo smukčiai, tiek korozijos atsparumui. Praktinis rezultatas: vamzdis, kuris buvo plastinės struktūros įrengiamas, gali tapti pavojingai trapus po ilgo eksploatavimo arba lėto aušinimo šiame temperatūrų intervale, ypač aukšto chromo, aukšto molibdeno ir dvigubo (duplex) plieno rūšyse. Šio reiškinio valdymas susijęs su eksponavimo laiko ir temperatūros kontrolėmis, tinkamos rūšies nurodymu bei mikrostruktūros atkūrimu tirpimo kaitinimu, kai to reikia. „Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.“ sigma fazės problema sprendžiama dar projektavimo ir terminio apdorojimo etape, o ne kaip antraeilis dalykas.

Kas yra sigma fazė ir kodėl ji susidaro
Sigma yra tvarkinga, chromo turtinga tarpmetalė (bendrojo FeCr tipo), labai kietas ir beveik neturintis plastinės deformacijos gebėjimo. Ji susidaro grūdų ribose ir ferito-austenito sąsajose, nes šios vietos suteikia jai tiek chromo, kiek reikia jos susidarymui, tiek difuzijos kelius. Susidarymas priklauso nuo difuzijos, todėl jis priklauso nuo temperatūros ir laiko kartu: kritinėje temperatūrų juostoje lydinys turi būti ilgą laiką veikiamas, kad susidarytų reikšmingas sigma kiekis, o nuosėdos susidaro greičiausiai juostos viduryje, dažnai arti 700–850 °C daugelyje austenitinių lydinių.
Keli dalykai daro sigma „įslaptintą“. Kadangi ji ištraukia chromą iš aplinkinės matricos savo susidarymui, gretimos metalo vietos tampa chromo neturinčiomis ir mažiau atspariomis korozijai, todėl vienas mechanizmas vienu metu pažeidžia tiek mechanines, tiek chemines savybes. Be to, ji gali susidaryti lėtai vėstant po suvirinimo ar kalimo, ne tik eksploatuojant, todėl detalė gali jau turėti sigma, net prieš pradedant ją naudoti.

Kurie lydiniai yra jautrūs
Jautrumas didėja su chromo ir molibdeno kiekiu, nes abu elementai stipriai skatina sigmos fazės susidarymą. Aukščiau leguoti austenitiniai plienai, pvz., 316, 317 ir superaustenitiniai, yra labiau linkę susidaryti sigma fazę nei mažiau leguotas 304. Titanu ar niobiu stabilizuoti plienai, pvz., 321 ir 347, pasirenkami aukštesnėms temperatūroms dalinai todėl, kad jie atsparūs sensitizacijai, tačiau jie nėra visiškai atsparūs sigma fazės susidarymui temperatūrų juostos viršuje.
Dvifaziai ir superdvifaziai plienai reikalauja papildomos atsargos. 2205 ir 2507/S32750 turi apie 22–25 % chromo, taip pat molibdeno ir didelę ferito dalį; kadangi sigma fazė susidaro greičiausiai ferite, šie plienai gali labai greitai susidaryti embritinamąsias fazes temperatūrų intervale 700–900 °C. Todėl dvifazių gamyboje tiksliai kontroliuojamas šilumos įvedimas ir tarpinės temperatūros, o 2205 maksimali rekomenduojama eksploatacijos temperatūra yra žymiai žemesnė nei daugelio austenitinių plienų. Jei dvifazis gaminius per ilgai laikysite arti 850 °C, smūginis stipris staigiai sumažės.

Eksploatacijos pasekmės
Aiškiausias sigmos embrittlement požymis yra staigus kambario temperatūros smūginės kietumo sumažėjimas. Metalas, kuris naujas buvo gebėjęs sugerti didelę energiją Charpy bandyme, po sigmos susidarymo gali prarasti net daugumą tos energijos, todėl padidėja lūžio rizika, kai metalas atšąla – pavyzdžiui, sustabdant įrenginį, vykstant temperatūros ciklams arba atliekant hidrostatinį pakartotinį bandymą.
Korozijos nuostoliai kyla dėl chromo išsekimo aplink sigmos daleles. Vietinė korozija, duobutės ir tarpgrandinė korozija šiuose išsekusiuose regionuose paspartėja, todėl pažeidžiama pati lydinio sudėtis, kuri buvo specialiai parinkta agresyvioms sąlygoms.

Prevencija per projektavimą ir technines specifikacijas
Pirmiausia reikia neleisti metalui patekti į kritinę temperatūrų juostą eksploatacijos metu. Nustatykite dokumentuotą maksimalią eksploatacijos temperatūrą ir laikykitės jos – taip išvengsite daugumos eksploatacijoje susidarančios sigmos fazės. Dvifazėms vamzdynų sistemoms tai reiškia, kad reikia laikytis gamintojo nustatytos temperatūros lubų, o ne aukštesnių ribų, taikomų austenitinėms lydininėms. Jei aukšta temperatūra neišvengiama, pasirinkite stabilizuotą ar specialiai sukurtą aukštos temperatūros lydinį ir įvertinkite bendrą veikimo laiką viso konstrukcijos gyvavimo ciklo metu.
Gamintojų kontrolės turi tokį pat svorį. Greitas aušinimas per nusodinimo temperatūrų intervalą po suvirinimo ar karšto deformavimo riboja difuzijai skirtą laiką, todėl sigmos augimui lieka mažiau galimybių. Dviejų fazių plienams svarbu kontroliuoti šilumos įvedimą, tarpinę temperatūrą ir aušinimo greitį, kad būtų išlaikytas ferito–austenito pusiausvyra ir užkirstas kelias tarpmetalinių junginių susidarymui. Kartotiniai taisymo suvirinimai vienoje vietoje yra paslėptas pavojus, nes kiekvienas jų prideda dar vieną šiluminį ciklą per pavojingą zoną.

Aptikimas ir atstatymas
Sigma metalografiškai pasireiškia po rūgštinimo ir mikroskopijos, o jos poveikis matuojamas smūgio bandymais, kurie parodo prarastą stiprumą. Kadangi ji yra kietą, kietumo tyrimai ir specialūs rūgštinimo tirpalai gali nustatyti įtartinas zonas, o korozijos bandymai patvirtina chromo išsekimą. Kai komponente aptinkama žalinga sigma, galima atstatyti mikrostruktūrą tirpalo kaitinimu: reikia įkaitinti žymiai aukščiau precipitacijos temperatūros diapazono, dažniausiai apie 1040–1120 °C daugelyje austenitinės klasės lydinių, laikyti pakankamai ilgai, kad tarpmetalio junginiai vėl ištirptų į tirpalą, tada greitai sušaldyti, kad būtų užfiksuota vienalytė struktūra ir greitai būtų praeita per naujos struktūros susidarymo laikotarpį.
Tirpalo kaitinimas veiksmingas, tačiau ne visada praktiškas jau sumontuotose vamzdynų sistemose, todėl prevencija lieka geriausiu sprendimu. Naujam medžiagų tiekimui tinkama tirpalo kaitinimo ir greito aušinimo pradinė būklė, patvirtinta cheminiais ir mechaniniais bandymais, užtikrina, kad vamzdis pradėtų naudojimą be sukietėjimo sukeliančių fazių.

Praktiniai išvados
Sigma fazė yra laiko ir temperatūros reiškinys, kuris aktyviausiai vyksta maždaug nuo 600 iki 950 °C ir greičiausiai susidaro aukšto chromo, aukšto molibdeno bei dvigubo (duplex) lydiniųose. Išvengti šios fazės galima laikantis eksploatacijos temperatūros ribų, kontroliuojant suvirinimo ir deformavimo terminius ciklus bei nurodant tirpimo kaitinimu apdorotą medžiagą. Sigma fazės buvimą galima nustatyti metalografiniais tyrimais ir smūginio stiprio bandymais; ten, kur tai įmanoma, ji gali būti pašalinta tirpimo kaitinimu, po kurio nedelsiant atliekama greita aušinimas. „Wenqiang“ tiekia austenitinio, stabilizuoto ir dvigubo (duplex) tipo plienus tinkamoje terminės apdorojimo būsenoje, o vidinės cheminės, mechaninės ir korozijos bandymų pagalba patikrina, ar mikrostruktūra yra tvarkinga prieš pradedant vamzdžių naudojimą aukštų temperatūrų sąlygomis.

Dažniausiai užduodami klausimai
K: Kokioje temperatūroje susidaro sigma fazė nerūdijančiame pliene?
Ats: Sigma fazė išsiskiria maždaug nuo 600 iki 950 °C, o greičiausiai ji susidaro šio diapazono vidurio temperatūrose. Ilgalaikė šiame intervale eksploatacija ar lėtas aušinimas skatina jos susidarymą, ypač aukšto chromo, aukšto molibdeno bei dvigubo (duplex) tipo plienųose.
K: Ar galima atšaukti sigmos fazės sukeltą trapumą?
A: Taip. Sprendžiamasis kaitinimas apytiksliai 1040–1120 °C temperatūroje austenitinėms rūšims ištirpina sigmą atgal į matricą, o greitas aušinimas neleidžia jai vėl susidaryti. Įrengtuose vamzdynuose tai dažnai būna netikėta, todėl pageidautina prevencija per temperatūros kontrolę.

Sprendžiamuoju kaitinimu apdorotiems austenitiniams ir dvigubos struktūros nerūdijančiųjų plienų vamzdynams, kurių kokybė patvirtinta vidiniais bandymais, kreipkitės į „Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd.“ telefonu +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/