Liczba ferrytu w spoinach ze stali nierdzewnej duplex i austenitycznej: pomiar i kontrola

Liczba ferrytowa (FN) określa ilość ferrytu w spoinie ze stali nierdzewnej; spawacze kontrolują ją, ponieważ ma ona wpływ na właściwości spoiny. W przypadku spoin duplex i super duplex docelowa zawartość ferrytu wynosi zazwyczaj 30–70 FN, co odpowiada zrównoważonej strukturze dwufazowej, podczas gdy w spoinach austenitycznych zwykle dąży się do niewielkiej, lecz niezerowej zawartości ferrytu – około 3–10 FN – w celu zapobiegania gorącemu pękaniu. FN mierzy się najczęściej za pomocą skalibrowanego ferrytoskopu, a przewiduje się ją przy użyciu diagramu WRC-1992; jest to praktyczny parametr kontrolny wiążący procedurę spawania z odpornością na korozję oraz wytrzymałością udarnościową.

Co oznacza liczba ferrytowa
Liczba ferrytowa to znormalizowany wskaźnik magnetyczny, a nie bezpośrednie stężenie objętościowe. Powstała ona w odpowiedzi na znaczne rozbieżności w pomiarach „procentu ferrytu” uzyskiwanych w różnych laboratoriach; branża przyjęła więc odtwarzalną skalę opartą na odpowiedzi magnetycznej i odniesioną do standardów wtórnych. Przy niskich stężeniach liczba ferrytowa (FN) i procent objętościowy ferrytu są zbliżone, ale rozbiegają się w miarę wzrostu zawartości ferrytu – dlatego specyfikacje stali duplex określają akceptowalne zakresy albo jako FN, albo jako przeliczony procent przy zastosowaniu zdefiniowanej metody. Liczba ta ma znaczenie, ponieważ ferryt i austenit różnią się właściwościami: ferryt zapewnia wytrzymałość oraz odporność na pękania napięciowe spowodowane chlorkami, natomiast austenit zapewnia odporność udarnościową i plastyczność. Spoina austenityczna lub duplex, która krzepnie w nieodpowiednim stosunku tych faz, traci jedną z tych cech, aby zdobyć drugą.

Dlaczego spoiny austenityczne i duplex różnią się od siebie
W stopniach austenitycznych, takich jak 304L i 316L, metal podstawowy jest zasadniczo w pełni austenityczny, ale metal spawalniczy jest celowo formułowany tak, aby krzepnąć z niewielką ilością ferrytu delta (kilka procent). Ta mała frakcja ferrytu przerywa ciągłe granice ziaren austenitu i rozpuszcza zanieczyszczenia, takie jak siarka i fosfor, zapobiegając gorącemu pękaniu przy krzepnięciu. Zbyt mała ilość ferrytu – poniżej ok. 3 FN – wiąże się z ryzykiem pęknięć; zbyt duża – powyżej ok. 10–12 FN – może obniżyć odporność na uderzenie oraz po eksploatacji prowadzić do kruchości. W stopniach duplex działanie jest odwrotne: metal podstawowy jest już zrównoważoną mieszaniną, a celem jest odtworzenie tej równowagi w spoinie. Nadmiar ferrytu w spoinie duplex, który występuje, gdy spoina ochładza się zbyt szybko, by austenit mógł się ponownie wytworzyć, pogarsza odporność na uderzenie i odporność korozyjną, podczas gdy nadmiar austenitu obniża wytrzymałość i może lokalnie zmniejszać odporność na korozję punktową.

Przewidywanie liczby FN za pomocą diagramu WRC-1992
Diagram WRC-1992 to nowoczesne narzędzie do przewidywania zawartości ferrytu w spoinie na podstawie składu chemicznego. Na wykresie przedstawia się równoważnik chromu, który sumuje pierwiastki tworzące ferryt, oraz równoważnik niklu, który sumuje pierwiastki tworzące austenit, a następnie odczytuje się oczekiwaną wartość FN. Równoważnik chromu oblicza się według wzoru: Cr + Mo + 0,7 × Nb, natomiast równoważnik niklu według wzoru: Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Duży współczynnik przy azocie wyjaśnia, dlaczego dodatki azotu przesuwają spoinę w kierunku austenitu i dlaczego stosuje się je celowo w drutach do spawania stopów duplex oraz w gazach osłonowych. Porównując przewidywaną wartość FN materiału podstawowego, drutu spawalniczego oraz ich stopienia (rozcieńczenia), inżynier spawalnik może dobrać materiały spawalnicze i odpowiedni stopień rozcieńczenia tak, aby uzyskać wartość FN mieszczącą się w zakresie docelowym – zanim zostanie wykonany pierwszy próbnik.

Tabela: Typowe cele zawartości ferrytu

Pomiar ferrytu w praktyce
Ferritoskop to podstawowe urządzenie stosowane na hali produkcyjnej. Wytwarza ono pole magnetyczne w obszarze spoiny i mierzy odpowiedź materiału, która jest proporcjonalna do zawartości ferrytu, co po kalibracji względem certyfikowanych wzorców pozwala uzyskać bezpośredni wynik w jednostkach FN w ciągu kilku sekund. Metoda ta jest nieniszcząca, przenośna oraz szczególnie przydatna do kontroli jakości w trakcie produkcji zarówno przypływu korzeniowego, jak i przypływu powierzchniowego. W przypadku badań arbitrażowych lub badawczych zawartość ferrytu określa się metodą metalograficznego liczenia punktów na trawionej przekroju poprzecznym, uzyskując procent objętościowy; obie metody są uregulowane w uznanych normach. Należy wykonać wiele pomiarów wzdłuż całej spoiny oraz strefy wpływu ciepła, a nie tylko w jednym punkcie, ponieważ stopień rozcieńczenia materiału oraz szybkość chłodzenia zmieniają się wzdłuż i poprzecznie do połączenia. Należy również pamiętać, że ferritoskop mierzy wyłącznie warstwę powierzchniową, z którą bezpośrednio styka się jego czujnik; dlatego szlifowanie, odkształcenia plastyczne powierzchni oraz zanieczyszczenia mogą zakłócać wyniki pomiaru, a pomiary na zakrzywionych rurach o małej średnicy mogą wymagać korekty geometrycznej. W dobrze wyposażonej laboratorium pomiary zawartości ferrytu łączy się z badaniami udarnościowymi i badaniami odporności na korozję, aby potwierdzić, że uzyskana wartość ferrytu rzeczywiście przekłada się na akceptowalne właściwości mechaniczne i korozji.

Sterowanie ferrytem za pomocą procedury
Dwa czynniki procesowe dominują w kontrolowaniu ilości ferrytu: wprowadzona ciepło i azot. Ilość wprowadzanego ciepła określa szybkość schładzania, a ta z kolei decyduje o tym, ile austenitu może się ponownie wytworzyć z ferrytu, który krzepnie jako pierwszy. W spawaniu stali duplex zbyt mała ilość wprowadzanego ciepła powoduje szybkie gaszenie, w wyniku którego zbyt dużo ferrytu pozostaje w strukturze, a austenit nie powstaje w wystarczającej ilości – co pogarsza odporność na uderzenie; zbyt duża ilość wprowadzanego ciepła tak bardzo zwalnia schładzanie, że mogą tworzyć się fazy międzymetaliczne. Kontrolowany zakres temperatury, często z maksymalną temperaturą między przebiegami bliską 150 stopni Celsjusza, zapewnia zrównoważoną strukturę. Azot działa jako czynnik chemiczny: dodanie kilku procent azotu do osłonowego gazu argonowego oraz zastosowanie nadstopowego materiału dodatkowego bogatego w nikiel i azot wspomaga ponowne powstawanie austenitu i podnosi odporność korozyjną spoiny. Szczególną ostrożność należy zachować przy spawaniu autogennym, ponieważ spoina wykonana bez materiału dodatkowego i bez azotu w gazie opiera się wyłącznie na składzie chemicznym metalu podstawowego i ma tendencję do nadmiernego tworzenia się ferrytu – dlatego przebiegi korzeniowe w stalach duplex wykonuje się niemal zawsze z użyciem gazu wspomagającego zawierającego azot. Błąd ma konkretne skutki. Spoina duplex z nadmiarem ferrytu charakteryzuje się niską odpornością na uderzenie wg Charpy’ego i może pękać pod wpływem naprężeń chlorkowych; spoina uboga w ferryt traci wytrzymałość i odporność na korozję punktową; natomiast spoina austenityczna z zbyt małą ilością ferrytu może pękać w trakcie krzepnięcia. Należy określić zakres FN, przewidzieć go za pomocą diagramu WRC-1992, kontrolować ilość wprowadzanego ciepła i zawartość azotu oraz zweryfikować wynik za pomocą ferrytoskopu – dzięki temu jakość spoiny staje się kontrolowanym, udokumentowanym rezultatem, a nie jedynie nadzieją.

Często zadawane pytania
P: Jaki numer ferrytowy powinien mieć spoina z duplexu 2205?
O: Zrównoważona spoina z duplexu 2205 zwykle ma na celu uzyskanie zakresu FN od ok. 30 do 60; nadmiar ferrytu obniża odporność na uderzenie i korozję, podczas gdy jego niedobór zmniejsza wytrzymałość.
P: W jaki sposób mierzy się numer ferrytowy na gotowych spoinach?
O: Najczęściej za pomocą skalibrowanego ferrytoskopu, który w ciągu kilku sekund bezinwazyjnie odczytuje wartość FN; arbitrażowo stosuje się metodę metalograficznego liczenia punktów, dającą procent objętościowy ferrytu.

W przypadku rur duplexowych i austenitycznych, które zostały zespawane i przetestowane z kontrolowanymi wartościami ferrytu, należy skontaktować się z firmą Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Tel. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/