Sigmas fāzes embrittlement: augstas temperatūras ekspluatācijas pārvaldība no nerūsējošā tērauda caurulēm

Sigma fāzes embrittlement ir cietas, trauslas hroma un dzelzs intermetāliskās savienojuma veidošanās nerūsējošajā tēraudā, kas izdalās aptuveni 600–950 °C temperatūrā, samazinot sakausējuma triecienizturību un korozijas izturību. Praktiskais rezultāts: caurule, kas bija elastīga uzstādīšanas brīdī, var kļūt bīstami trausa pēc ilgstošas ekspluatācijas vai lēnas atdzišanas šajā temperatūru diapazonā, īpaši augsta hroma, augsta molibdēna un divfāžu (duplex) tēraudu sortu gadījumā. Tās pārvaldība ir saistīta ar eksponēšanas laika un temperatūras kontroli, pareizās tēraudu sortas norādīšanu un mikrostruktūras atjaunošanu ar risinājuma termoapstrādi, ja tas nepieciešams. Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. sigma fāzi kontrolē jau projektēšanas un termoapstrādes stadijā, nevis kā pēcdomu.

Kas ir sigma fāze un kāpēc tā veidojas
Sigma ir kārtota, hroma bagāta intermetāliska fāze (vispārīgi FeCr tipa), ļoti cietā, gandrīz bez izstiepjamības. Tā veidojas graudu robežās un ferīta-austēnīta robežvirsmās, jo šajās vietās tā iegūst gan nepieciešamo hroma daudzumu, gan difūzijas ceļus. Tās veidošanās ir difūzijai atkarīga, tāpēc tā ir saistīta ar temperatūru un laiku kopā: kritiskajā temperatūru diapazonā sakausējumam ir jābūt ilgstoši pakļautam, lai veidotos būtisks sigma daudzums, un izdalīšanās notiek visātrāk diapazona vidū, bieži vien aptuveni 700–850 °C daudzām austēnītiskajām sakausējumu šķirnēm.
Sigma ir viltīga vairāku iemeslu dēļ. Tā, veidojoties, izvelk hromu no apkārtējās matricas, tādējādi paliekot hroma trūcīga un mazāk korozijai izturīga blakusesošā metāla zona, tādējādi viens mehānisms vienlaikus pasliktina gan mehāniskās, gan ķīmiskās īpašības. Turklāt tā var veidoties lēnā dzesēšanas laikā pēc metināšanas vai kalašanas, ne tikai ekspluatācijas laikā, kas nozīmē, ka komponents var jau saturēt sigma, pirms tas vispār tiek izmantots.

Kuras šķirnes ir uzņēmīgas
Uzliesmošanas pakāpe palielinās kopā ar hroma un molibdēna saturu, jo abi elementi ir spēcīgi sigmas veidotāji. Augstāk sakausētas austenītiskās kvalitātes, piemēram, 316, 317 un superaustenītiskās kvalitātes, ir vairāk pakļautas šai parādībai nekā zemāk sakausētā 304. Kvalitātes, kas stabilizētas ar titānu vai niobiju, piemēram, 321 un 347, daļēji tiek izvēlētas augstām temperatūrām tāpēc, ka tās pretojas sensitizācijai, tomēr tās nav pilnīgi imūnas pret sigmas fāzes veidošanos temperatūru diapazona augšējā galā.
Duplex un superduplex kvalitātēm nepieciešama papildu uzmanība. 2205 un 2507/S32750 satur aptuveni 22–25 % hroma, kā arī molibdēnu un lielu ferīta daļu; tā kā sigma fāze veidojas ātrāk ferītā, šīs kvalitātes var ļoti strauji veidot trauslību izraisījošas fāzes temperatūru diapazonā no 700 līdz 900 °C. Tāpēc duplex metināšanai tiek piemēroti stingri ierobežojumi siltuma piegādei un starppasaules temperatūrai, un tāpēc 2205 maksimālā ieteicamā ekspluatācijas temperatūra ir ievērojami zemāka nekā daudzu austenītisko materiālu. Ja duplex cauruli ilgstoši tur pie 850 °C, trieciena izturība var strauji samazināties.

Ekspluatācijas sekas
Skaidrākais sigmas embrittlement simptoms ir ietekmes izturības kritums istabas temperatūrā. Metāls, kas jauns bija spējīgs absorbēt lielu enerģiju Čārpija testā, pēc sigmas veidošanās var zaudēt lielu daļu šīs izturības, kas palielina trauslās lūzuma risku apstāšanas, termiskās ciklēšanas vai hidrostatiskās pārbaudes laikā, kad metāls ir auksts. Augstas temperatūras deformējamība tiek mazāk skarta, tāpēc bīstamība bieži parādās tikai tad, kad rūpnīca tiek atdzesēta apkopei.
Korozijas zaudējumi rodas no hroma iztukšošanās ap sigmas daļiņām. Lokālā uzbrukums, rievu korozija un starpkristālu korozija paātrinās šajās iztukšotajās zonās, kas apdraud tieši tos sakausējumus, kas izvēlēti agresīvai ekspluatācijai. Divfāžu materiālos kombinētā izturības un korozijas izturības zaudēšana ir tieši tāpēc, ka embrittlement fāžu izvairīšanās ir galvena ražošanas prasība.

Preventīva pieeja caur konstruēšanu un specifikāciju
Pirmkārt, metālam ekspluatācijas laikā jāpaliek ārpus kritiskās temperatūru joslas. Jānosaka dokumentēta maksimālā ekspluatācijas temperatūra un jāievēro tā, un tādējādi lielākā daļa ekspluatācijā veidojošās sigmas tiek novērsta. Divkāršajiem cauruļvadiem tas nozīmē ražotāja noteiktās temperatūras augšējās robežas ievērošanu, nevis augstākās robežas, ko izmanto austēnītiskajiem materiāliem. Tur, kur augsta temperatūra ir nenovēršama, jāizvēlas stabilizēts vai īpaši izstrādāts augstas temperatūras sakausējums un jāņem vērā kopējā temperatūras ietekme visā konstrukcijas kalpošanas laikā.
Ražošanas kontrolei ir tikpat liela nozīme. Ātra dzesēšana caur izdalīšanās diapazonu pēc metināšanas vai karstās deformācijas ierobežo difūzijai pieejamo laiku, tāpēc sigmai ir mazāka iespēja augt. Divfāžu sakausējumiem siltuma pievades, starppakāpju temperatūras un dzesēšanas ātruma kontrole saglabā ferīta un austēnīta līdzsvaru un novērš intermetālisko fāžu veidošanos. Atkārtotas remonta metināšanas vienā vietā ir slēpta bīstamība, jo katra metināšana pievieno vēl vienu termisko ciklu caur bīstamības zonu.

Atpazīšana un atjaunošana
Sigma parādās metalogrāfiski pēc skalošanas un mikroskopijas, un tā ietekmi mēra ar trieciena izmēģinājumiem, kas atklāj zaudēto izturību. Tā kā sigma ir cietāka, cietības pārbaudes un specializēti skalošanas līdzekļi var norādīt uz aizdomīgām zonām, bet korozijas testi apstiprina hroma trūkumu. Kad komponentā tiek konstatēta kaitīga sigma, mikrostruktūru var atjaunot, veicot šķīduma termoapstrādi: materiālu silda augstāk par izdalīšanās temperatūras diapazonu, parasti aptuveni 1040–1120 °C daudzām austēnītiskām saklājuma klasēm, tur uztur pietiekami ilgi, lai intermetāliskās fāzes atkal izšķīdinātu šķīdumā, pēc tam ātri dzesē, lai „aizslēgtu” vienmērīgo struktūru un ātri izietu cauri atkalveidošanās temperatūru logam.
Šķīduma termoapstrāde darbojas, taču tā nav vienmēr praktiska uz jau uzstādītām caurulēm, tāpēc profilakse joprojām ir labāka izvēle. Ja izmanto jaunu materiālu, pareiza šķīduma termoapstrādes un dzesēšanas piegādes stāvokļa nodrošināšana, ko apstiprina ķīmiskie un mehāniskie testi, garantē, ka caurule sāk ekspluatāciju bez izsmalcinājošām fāzēm.

Praktiski secinājumi
Sigma fāze ir laika un temperatūras parādība, kas visaktīvāk notiek aptuveni starp 600 un 950 °C un ātrāk veidojas augstchroma, augstmolibdēna un divfāžu sakausējumos. To novērš, ievērojot ekspluatācijas temperatūras robežas, kontrolējot metināšanas un deformācijas termiskos ciklus un norādot risinājumā atkausētu materiālu. To atrod ar metalogrāfiju un trieciena izturības pārbaudēm; tur, kur tas iespējams, to var novērst, veicot risinājumā atkausēšanu, kam seko strauja dzesēšana. Wenqiang piegādā austēnītiskās, stabilizētās un divfāžu sakausējumu šķirnes pareizajā termiski apstrādātajā stāvoklī, izmantojot iekšējās ķīmiskās, mehāniskās un korozijas pārbaudes, lai pirms caurulēm nonāk augstas temperatūras ekspluatācijā, apstiprinātu, ka mikrostruktūra ir vesela.

Bieži uzdotie jautājumi
J: Pie kādas temperatūras veidojas sigma fāze nerūsējošajā tēraudā?
A: Sigma fāze izdalās aptuveni starp 600 un 950 °C, un tās veidošanās ir visātrākā šī diapazona vidū. Ilgstoša uzturēšanās šajā temperatūru diapazonā vai lēna dzesēšana caur to to veicina, īpaši augstchroma, augstmolibdēna un divfāžu šķirnēs.
J: Vai sigmas fāzes kļūšana trauslāka ir apgriežama?
A: Jā. Risinājuma atkausēšana aptuveni 1040–1120 °C temperatūrā austenītiskajām sakausējumu klasēm izšķīdina sigmu atpakaļ matricā, un ātra dzesēšana to novērš atkārtotai veidošanai. Uzstādītās cauruļvadu sistēmās tas bieži ir nepraktiski, tāpēc vairāk ieteicams novēršana, kontrolējot temperatūru.

Par risinājuma atkausētiem austenītiskajiem un divfāžu nerūsējošā tērauda cauruļvadiem, kuri pārbaudīti uzņēmuma iekšējās pārbaudes rezultātos, sazinieties ar Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. pa tālruni +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/