Embritvost zaradi sigma faze: Upravljanje z delovanjem pri visokih temperaturah v jeklenih ceveh iz nerjavnega jekla

Embritljivost zaradi sigma faze je nastanek trde, krhke krom-železove medsebinne spojine v nerjavnem jeklu, ki se izloča približno med 600 in 950 °C in s tem odvzame zlitini tako žilavost kot odpornost proti koroziji. Praktični posledični učinek: cev, ki je bila pri namestitvi žilava, se lahko po dolgotrajnem obratovanju ali po počasnem ohladitvi skozi to temperaturno območje postane nevarno krhka, še posebej pri različicah z visoko vsebino kroma, molibdena ter pri dvojnih (duplex) različicah. Upravljanje z njo temelji na nadzoru časa in temperature izpostavljenosti, izbiri ustrezne različice materiala ter obnovitvi mikrostrukture z rešitvenim žarjenjem, kadar je to potrebno. V podjetju Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. obravnavamo problem sigma faze že v fazah načrtovanja in toplotne obdelave, ne pa kot dodatno miselno opravilo.

Kaj je sigma faza in zakaj nastaja
Sigma je urejen medkovinski spojin z visoko vsebino kroma (splošno vrste FeCr), izjemno trd in skoraj popolnoma nezategljiv. Nastaja na mejah zrn in na mejah med feritom in avstenitom, saj ti položaji zagotavljajo tako potrebno kromovo oskrbo kot tudi poti za difuzijo. Nastajanje je odvisno od difuzije, zato je odvisno tako od temperature kot tudi od časa: znotraj kritičnega temperaturnega območja zlitina potrebuje dolgotrajno izpostavljenost, da se oblikuje pomembna količina faze sigma, pri čemer je hitrost izločanja največja v sredini tega območja, pogosto okoli 700–850 °C za številne avstenitne razrede.
Nekaj stvari naredi fazo sigma zelo neopazno. Ker za svojo gradnjo odvzame krom iz okoliške matrike, postane sosednji kovinski del kromo-pomanjkljiv in manj odporen proti koroziji; s tem en sam mehanizem hkrati napada mehanske in kemijske lastnosti. Poleg tega se lahko faza sigma oblikuje tudi pri počasnem ohlajanju po varjenju ali kovanju, ne le med obratovanjem, kar pomeni, da komponenta že lahko vsebuje fazo sigma, še preden se sploh začne uporabljati.

Kateri razredi so dovzetni
Občutljivost narašča z vsebino kroma in molibdena, saj sta oba močna tvorilca sigma-faze. Visoko zlitje avstenitne jeklene razreda, kot so 316, 317 in superavstenitne razrede, so bolj podvržene kot revnejši razred 304. Razredi, stabilizirani z titanom ali niobijem, kot sta 321 in 347, se izbirajo za uporabo pri višjih temperaturah delno zato, ker odporni proti občutljivosti, vendar niso popolnoma imuni proti sigma-fazi v zgornjem delu temperature območja.
Duplexni in superduplexni razredi zahtevajo dodatno pozornost. 2205 in 2507/S32750 vsebujeta približno 22–25 % kroma ter molibden in veliko delež ferita; saj se sigma-faza najhitreje oblikuje v feritu, lahko ti razredi zelo hitro sprožijo embritljive faze v temperaturnem območju 700–900 °C. Zato pri izdelavi duplexnih materialov strogo nadzorujejo toplotni vnos in medsebojno temperaturo prehodov ter zato je najvišja priporočena obratovalna temperatura za 2205 znatno nižja od mnogih avstenitnih razredov. Če duplexno spojino predolgo obdržimo pri približno 850 °C, se udarna žilavost lahko nenadoma zelo zmanjša.

Posledice v obratovanju
Najjasnejši simptom embrittlementa sigma je zlom udarnega žilavosti pri sobni temperaturi. Kovina, ki je pri novem stanju absorbirala visoko energijo v Charpyjevem preskusu, lahko po nastanku faze sigma pade na majhen delež prvotne vrednosti, kar poveča tveganje krhkega loma med zaustavitvami, termičnimi cikli ali hidrostatičnimi ponovnimi preskusi, ko je kovina ohlajena.
Korozivna škoda izvira iz izgube kroma okoli delcev sigma. Lokalizirani napadi, lupinjenje in medzrnatna korozija se v teh območjih zmanjšanega kroma pospešijo, kar podkopava ravno tiste zlitine, izbrane za zahtevne obratovalne pogoje. Pri dvojnih (duplex) materialih je združena izguba žilavosti in korozivne odpornosti pravzaprav razlog, zakaj je izogibanje embrittling fazam ključna zahtevek pri izdelavi.

Preprečevanje s pomočjo načrtovanja in specifikacij
Najprej je treba kovino med obratovanjem ohraniti izven kritičnega območja. Določite dokumentirano najvišjo obratovalno temperaturo in ji strogo sledite – s tem preprečite večino nastanka sigma v obratovanju. Pri duplex ceveh to pomeni spoštovanje temperaturnega stropa proizvajalca namesto višjih mej, ki se uporabljajo za austenitne materiale. Kjer je visoka temperatura neizogibna, izberite stabilizirano ali posebej zasnovano visoko-temperaturno različico ter upoštevajte skupno izpostavljenost v celotni življenjski dobi konstrukcije.
Kontrole izdelave imajo enako pomembno vlogo. Hitro ohlajanje skozi območje izločanja po varjenju ali vročem oblikovanju omeji čas, na voljo za difuzijo, zato se sigma manj verjetno razvije. Pri dvojnem jeklu nadzor toplotnega vhoda, temperature med prehodi in hitrosti ohlajanja ohranja pravilno ravnovesje med feritom in avstenitom ter zavira nastanek intermetalikov. Ponovljene popravne zvarne spoje na istem mestu predstavljajo skrito nevarnost, saj vsak dodatno ogreva material skozi nevarno območje.

Zaznavanje in obnova
Sigma se pri kovinskih preiskavah pojavlja pod etčenjem in mikroskopijo, njegov učinek pa se meri z udarnimi preskusi, ki razkrijejo izgubljeno žilavost. Ker je trda, jo lahko odkrijejo preiskave trdote in specializirani etčni sredstvi, ki označijo sumljive cone; korozivni preskusi potrdijo izgubo kroma. Ko se pri komponenti odkrije škodljiva sigma, mikrostrukturo lahko ponastavite z raztopinsko žarjenjem: segrejete nad območje izločanja (običajno okoli 1040–1120 °C za mnoge avstenitne razrede), zadržite dovolj dolgo, da se intermetalna spojina znova raztopi, nato pa hitro ohladite, da zaklenete homogeno strukturo in čim hitreje preidete skozi območje ponovnega izločanja.
Raztopinsko žarjenje deluje, vendar ni vedno izvedljivo na že nameščenih ceveh, zato je preprečevanje še naprej boljša izbira. Za novo materialno opremo je pravilno raztopinsko žarjeno in ohlajeno dostavno stanje, potrjeno s kemičnimi in mehanskimi preskusi, zagotovilo, da cev na začetku ne vsebuje embritljivih faz.

Praktični zaključki
Sigma faza je pojav, odvisen od časa in temperature, najbolj aktivna med približno 600 in 950 °C ter najhitrejša pri zlitinah z visoko vsebino kroma, molibdena in dvojnih zlitinah. Izogniti se ji je mogoče z omejitvijo delovne temperature, nadzorom toplotnih ciklov pri varjenju in oblikovanju ter z določitvijo materiala, ki je bil podvržen raztopinsko žarjenju. Ugotoviti jo je mogoče s metalografijo in udarnimi preskusi; tam, kjer je to mogoče, jo je mogoče tudi obrniti z raztopinskim žarjenjem, sledenim hitremu ohladitvi. Wenqiang dobavlja avstenitne, stabilizirane in dvojne jeklene razrede v pravi toplotno obdelani obliki ter izvaja notranje kemijske, mehanske in korozivne preskuse, da zagotovi, da je mikrostruktura brez napak, preden cevi vstopijo v uporabo pri visokih temperaturah.

Pogosta vprašanja
V: Pri kateri temperaturi se sigma faza tvori v nerjavnem jeklu?
O: Sigma faza nastaja približno med 600 in 950 °C, najhitrejša pa je običajno v sredini tega območja. Dolgotrajna izpostavitev ali počasno ohlajanje skozi to območje jo spodbuja, še posebej pri razredih z visoko vsebino kroma, molibdena in dvojnih zlitinah.
V: Ali je mogoče obrniti embrittlement zaradi sigma faze?
O: Da. Pri avsteničnih različicah raztopinsko žarjenje pri približno 1040–1120 °C raztopi sigma fazo nazaj v matriko, hitro ohladitev pa prepreči njeno ponovno nastanek. Pri že nameščenih ceveh je to pogosto neprikladno, zato je zaželena preprečevanje s kontroliranjem temperature.

Za avstenične in dvojne nerjavnih jeklenih cevi po raztopinskem žarjenju, potrjene z notranjimi preskusi, se obrnite na Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. po številki +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/