Число фериту у зварних швах із дуплексних та аустенітних нержавіючих сталей: вимірювання й контроль

Число фериту (FN) вимірює кількість фериту у зварному шві з нержавіючої сталі; зварники контролюють його, оскільки воно впливає на експлуатаційні характеристики шва. Для двофазних і супердвофазних зварних швів оптимальний вміст фериту зазвичай становить приблизно 30–70 FN, що відповідає збалансованій двофазній структурі; для аустенітних швів зазвичай прагнуть до невеликого, але ненульового вмісту фериту — приблизно 3–10 FN — задля запобігання гарячому тріщинуванню. FN найчастіше вимірюють за допомогою каліброваного феритоскопа та прогнозують за діаграмою WRC-1992; це практичний параметр контролю, який пов’язує технологію зварювання з корозійною стійкістю й ударною в’язкістю.

Що означає число фериту
Число фериту — це стандартизований магнітний індекс, а не безпосередній об’ємний відсоток. Воно виникло тому, що ранні вимірювання «відсотка фериту» значно розходилися між різними лабораторіями, тож галузь увела відтворюваний масштаб, визначений магнітною відповіддю й посиланий на вторинні стандарти. На низьких рівнях число фериту (FN) та об’ємний відсоток фериту близькі за значенням, але вони розходяться зі зростанням кількості фериту — саме тому у специфікаціях двофазних сталей прийнятність вказується або у FN, або у перерахованому відсотку за визначеним методом. Це число має значення, оскільки ферит і аустеніт мають різну поведінку: ферит забезпечує міцність та стійкість до корозії під напруженням у хлоридних середовищах, а аустеніт — в’язкість та пластичність. Зварний шов, який кристалізується з неправильним співвідношенням фаз, втрачає одну властивість, щоб отримати іншу.

Чому зварні шви з аустенітних та двофазних сталей відрізняються
У аустенітних марок, таких як 304L і 316L, основний метал є практично повністю аустенітним, але наплавлений метал спеціально формується так, щоб затвердівати з утворенням кількох відсотків дельта-фериту. Ця невелика феритна складова руйнує неперервні межі аустенітних зерен і розчиняє домішки, такі як сірка й фосфор, запобігаючи гарячому тріщинуванню під час затвердіння. Занадто мала кількість фериту — менше приблизно 3 FN — спричиняє ризик тріщинування; занадто велика — понад приблизно 10–12 FN — може знижувати ударну в’язкість і, після експлуатації, сприяти охрупчуванню. У дуплексних марок процес відбувається навпаки: основний метал уже має збалансований склад, і метою є відтворення цього балансу у шві. Надлишок фериту у дуплексному шві — що виникає, коли шов охолоджується надто швидко для повторного утворення аустеніту — погіршує в’язкість і корозійну стійкість, тоді як надлишок аустеніту знижує міцність і може локально зменшувати стійкість до піттінгу.

Прогнозування FN за діаграмою WRC-1992
Діаграма WRC-1992 — це сучасний інструмент для прогнозування фериту у зварному шві за його хімічним складом. Вона відображає еквівалент хрому (суму елементів, що утворюють ферит) проти еквівалента нікелю (суми елементів, що утворюють аустеніт), за якими визначають очікуваний феритний номер (FN). Еквівалент хрому обчислюється як Cr + Mo + 0,7 × Nb, а еквівалент нікелю — як Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Великий коефіцієнт при азоті пояснює, чому додавання азоту зміщує зварний шов у бік аустеніту та чому його спеціально використовують у наповнювальних матеріалах і захисних газах для двофазних сталей. Порівнюючи прогнозований FN основного металу, наповнювального матеріалу та їхнього розбавлення, інженер-зварник може обрати споживні матеріали й ступінь розбавлення так, щоб отримати значення FN у межах заданого діапазону ще до виготовлення першого зразка для випробувань.

Таблиця: типові цільові значення фериту

Вимірювання фериту на практиці
Ферритоскоп — це основний інструмент у виробничому цеху. Він створює магнітне поле в зварному шві й вимірює відповідь, яка пропорційна вмісту фериту, забезпечуючи безпосереднє показання FN за кілька секунд після калібрування за сертифікованими стандартами. Цей метод є неруйнівним, портативним і добре підходить для виробничого контролю як кореневих, так і лицьових проходів. Для арбітражу або наукових досліджень використовують металографічний метод точкового підрахунку на травленому поперечному зрізі, що дає об’ємний відсоток; обидва методи регламентовані визнаними стандартами. Робіть кілька вимірювань по всьому зварному шву та зоні термічного впливу, а не лише в одній точці, оскільки розбавлення й охолодження змінюються вздовж і поперек з’єднання. Також пам’ятайте, що ферритоскоп вимірює лише поверхневий шар у місці контакту, тому шліфування, холодна пластична деформація та забруднення поверхні можуть спотворити результат, а вимірювання на вигнутих трубах малого діаметра можуть вимагати корекції з урахуванням геометрії. У добре оснащеній лабораторії вимірювання фериту поєднують з випробуваннями на ударну в’язкість і корозійну стійкість, щоб переконатися, що задовільне значення фериту справді відповідає прийнятним механічним і корозійним характеристикам.

Контроль фериту за допомогою процедури
Два технологічні параметри визначають контроль фериту: кількість тепла, введена в зону зварювання, та азот. Кількість введеного тепла визначає швидкість охолодження, а швидкість охолодження — обсяг аустеніту, що може утворитися з фериту, який кристалізується першим. У зварюванні дуплексних сталей надто низька кількість введеного тепла призводить до швидкого охолодження, у результаті чого «заморожується» надмірна кількість фериту й аустеніт не встигає утворитися в достатній кількості, що погіршує ударну в’язкість; надто велика кількість введеного тепла сповільнює охолодження настільки, що стає можливим утворення інтерметалічних фаз. Контрольований діапазон параметрів, часто з обмеженням температури між проходами близько 150 градусів Цельсія, забезпечує збалансовану структуру. Азот — це хімічний параметр контролю: додавання кількох відсотків азоту до аргонового захисного газу та використання надлегованого наповнювального матеріалу, багатого нікелем і азотом, сприяють утворенню аустеніту й підвищують корозійну стійкість зварного шва. Автогенне зварювання вимагає особливої обережності, оскільки зварний шов, виконаний без наповнювального матеріалу й без азоту в захисному газі, повністю залежить від хімічного складу основного металу й схильний до надлишку фериту; саме тому кореневі проходи при зварюванні дуплексних сталей майже завжди виконують із захисним газом, що містить азот. Помилка має конкретні наслідки. Зварний шов із надлишком фериту характеризується низькою ударною в’язкістю за Шарпі й може руйнуватися під дією хлоридного стрес-корозійного середовища; зварний шов із недостатньою кількістю фериту втрачає міцність і стійкість до точкової корозії; аустенітний зварний шов із надто малою кількістю фериту може руйнуватися під час твердіння. Вкажіть бажаний діапазон феритного числа (FN), передбачте його за допомогою методики WRC-1992, контролюйте кількість введеного тепла та вміст азоту, а також перевіряйте результат за допомогою феритоскопа — і якість зварного шва стане керованим, задокументованим результатом, а не просто сподіванням.

Поширені запитання
П: Яке число фериту повинен мати зварний шов із двофазної сталі 2205?
В: У збалансованому зварному шві зі сталі 2205 зазвичай цілять у діапазон приблизно 30–60 FN; надмірна кількість фериту знижує ударну в’язкість та корозійну стійкість, тоді як недостатня — міцність.
П: Як вимірюють число фериту на готових зварних швах?
В: Найчастіше за допомогою каліброваного феритоскопа, який безруйнівно вимірює FN за кілька секунд; для арбітражу використовують металографічний метод підрахунку точок, що дає об’ємний відсоток.

Для двофазних та аустенітних труб, зварених і випробуваних із контролем числа фериту, звертайтесь до компанії Zhejiang Wenqiang Stainless Steel Co., Ltd. Тел. +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/