Số Ferrit trong các mối hàn thép không gỉ duplex và austenitic: Đo lường và kiểm soát

Số ferrit, hay FN, định lượng lượng ferrit có trong mối hàn thép không gỉ; thợ hàn kiểm soát thông số này vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mối hàn. Đối với các mối hàn duplex và super duplex, hàm lượng ferrit mục tiêu thường nằm trong khoảng 30–70 FN, tương ứng với cấu trúc hai pha cân bằng; trong khi các mối hàn austenitic thường hướng tới một hàm lượng ferrit nhỏ nhưng khác không, khoảng 3–10 FN, nhằm ngăn ngừa nứt nóng. FN thường được đo bằng thiết bị ferritescope đã hiệu chuẩn và dự đoán bằng biểu đồ WRC-1992; đây là một thông số kiểm soát thực tiễn, liên kết quy trình hàn với khả năng chống ăn mòn và độ dai va đập.

FN đại diện cho điều gì
Số ferrit là một chỉ số từ tính tiêu chuẩn hóa, không phải là phần trăm thể tích trực tiếp. Chỉ số này ra đời vì các phép đo ban đầu về "phần trăm ferrit" có sự chênh lệch lớn giữa các phòng thí nghiệm khác nhau, do đó ngành công nghiệp đã áp dụng một thang đo có thể tái tạo được, dựa trên phản ứng từ tính và có thể truy xuất về các chuẩn thứ cấp. Ở mức thấp, số ferrit (FN) và phần trăm thể tích ferrit gần bằng nhau, nhưng hai giá trị này bắt đầu sai lệch khi lượng ferrit tăng lên — đây chính là lý do các đặc tả thép duplex quy định giới hạn chấp nhận theo số ferrit hoặc theo phần trăm đã chuyển đổi với phương pháp xác định rõ ràng. Giá trị này rất quan trọng vì ferrit và austenit có hành vi khác nhau: ferrit mang lại độ bền và khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất do clorua, trong khi austenit mang lại độ dai và độ dẻo. Một mối hàn đông đặc với tỷ lệ không đúng sẽ đánh đổi một tính chất để đạt được tính chất kia.

Tại sao mối hàn austenit và duplex lại khác nhau
Trong các loại thép austenit như 304L và 316L, kim loại nền về cơ bản hoàn toàn ở pha austenit, nhưng kim loại mối hàn được chủ động thiết kế để kết tinh với một lượng nhỏ ferrit delta (vài phần trăm). Lượng ferrit nhỏ này làm gián đoạn các ranh giới hạt austenit liên tục và hòa tan các tạp chất như lưu huỳnh và phốt pho, từ đó ngăn ngừa nứt nóng trong quá trình kết tinh. Lượng ferrit quá ít — dưới khoảng 3 FN — có nguy cơ gây nứt; lượng ferrit quá nhiều — trên khoảng 10–12 FN — có thể làm giảm độ dai va đập và, sau khi vận hành lâu dài, thúc đẩy hiện tượng giòn hóa. Đối với các loại thép duplex, nguyên lý hoạt động ngược lại: kim loại nền đã là hỗn hợp cân bằng giữa hai pha, và mục tiêu là tái tạo sự cân bằng đó trong mối hàn. Ferrit dư thừa trong mối hàn duplex — xảy ra khi mối hàn nguội quá nhanh khiến pha austenit không kịp hình thành lại — làm suy giảm độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn; trong khi austenit dư thừa làm giảm độ bền và có thể làm giảm cục bộ khả năng chống ăn mòn điểm.

Dự đoán chỉ số FN bằng biểu đồ WRC-1992
Sơ đồ WRC-1992 là công cụ hiện đại để dự đoán ferrit mối hàn từ thành phần hóa học. Sơ đồ này biểu diễn tương đương crôm — tổng các nguyên tố tạo ferrit — trên trục hoành và tương đương niken — tổng các nguyên tố tạo austenit — trên trục tung, từ đó đọc được giá trị FN dự kiến. Tương đương crôm được tính bằng Cr + Mo + 0,7 × Nb, còn tương đương niken được tính bằng Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu. Hệ số lớn áp dụng cho nitơ cho thấy vì sao việc bổ sung nitơ đẩy mối hàn về phía austenit, và vì sao nitơ được chủ động sử dụng trong que hàn duplex cũng như khí bảo vệ. Bằng cách so sánh giá trị FN dự kiến của vật liệu cơ bản, vật liệu que hàn và mức độ pha loãng giữa chúng, kỹ sư hàn có thể lựa chọn vật liệu tiêu hao và mức độ pha loãng sao cho kết quả nằm trong khoảng mục tiêu trước khi cắt bất kỳ mẫu thử nào.

Bảng: Mức ferrit mục tiêu điển hình

Đo lượng ferrit trong thực tế
Máy đo ferrit là thiết bị chủ lực trên sàn sản xuất. Thiết bị này tạo ra một trường từ lên mối hàn và đo phản ứng của vật liệu, phản ứng này tỷ lệ thuận với hàm lượng ferrit, từ đó cho ra giá trị FN trực tiếp trong vài giây sau khi đã hiệu chuẩn theo các tiêu chuẩn được chứng nhận. Phương pháp này không phá hủy, di động và rất phù hợp để kiểm tra trong quá trình sản xuất cả ở lớp hàn gốc (root pass) lẫn lớp hàn phủ (cap pass). Đối với việc phân xử hoặc nghiên cứu, phương pháp đếm điểm vi cấu trúc trên mặt cắt ngang đã được ăn mòn sẽ cho kết quả dưới dạng phần trăm thể tích; cả hai phương pháp đều được quy định trong các tiêu chuẩn được công nhận. Hãy thực hiện nhiều phép đo dọc theo mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt thay vì chỉ tại một điểm duy nhất, bởi vì mức độ pha loãng và tốc độ làm nguội thay đổi dọc theo và vuông góc với đường hàn. Cần lưu ý thêm rằng máy đo ferrit chỉ đo vùng bề mặt mà đầu dò tiếp xúc, do đó việc mài, biến dạng nguội và nhiễm bẩn bề mặt có thể gây sai lệch kết quả; hơn nữa, các phép đo trên ống có đường kính nhỏ và cong có thể yêu cầu hiệu chỉnh theo hình học. Trong phòng thí nghiệm được trang bị đầy đủ, việc đo hàm lượng ferrit thường được kết hợp với thử nghiệm va đập và thử nghiệm ăn mòn nhằm xác nhận rằng giá trị ferrit đạt yêu cầu thực sự tương ứng với tính năng cơ học và khả năng chống ăn mòn chấp nhận được.

Kiểm soát Ferrit Thông qua Quy Trình
Hai đòn bẩy quy trình chi phối việc kiểm soát ferrit: lượng nhiệt đưa vào và nitơ. Lượng nhiệt đưa vào quyết định tốc độ làm nguội, và tốc độ làm nguội lại quyết định lượng austenit có thể tái hình thành từ ferrit đã kết tinh đầu tiên. Trong hàn duplex, lượng nhiệt đưa vào quá thấp sẽ gây làm nguội nhanh, ‘đóng băng’ quá nhiều ferrit và làm thiếu hụt austenit, dẫn đến giảm độ dai; còn lượng nhiệt đưa vào quá cao sẽ làm chậm tốc độ làm nguội đến mức các pha liên kim loại có thể hình thành. Một dải kiểm soát thích hợp—thường kèm theo giới hạn nhiệt độ giữa các lớp hàn gần 150 độ C—giúp duy trì sự cân bằng về cấu trúc. Nitơ là đòn bẩy hóa học: bổ sung vài phần trăm nitơ vào khí bảo vệ argon và chọn que hàn giàu niken và nitơ (có hàm lượng cao hơn so với vật liệu cơ bản) sẽ thúc đẩy tái hình thành austenit và nâng cao khả năng chống ăn mòn của mối hàn. Trường hợp hàn tự sinh (autogenous) cần đặc biệt thận trọng, bởi vì mối hàn không dùng que hàn và không có nitơ trong khí bảo vệ hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu cơ bản, dễ lệch về phía dư ferrit; do đó, các lớp hàn gốc (root pass) duplex gần như luôn được thực hiện với khí bảo vệ lót chứa nitơ. Sai sót trong khâu này sẽ dẫn đến hậu quả rõ ràng. Mối hàn duplex dư ferrit cho giá trị độ dai Charpy thấp và có thể nứt dưới ứng suất chloride; mối hàn duplex thiếu ferrit sẽ giảm độ bền và khả năng chống ăn mòn điểm (pitting); còn mối hàn austenit có quá ít ferrit có thể nứt trong quá trình đông đặc. Hãy quy định cửa sổ FN (Ferrite Number), dự báo bằng biểu đồ WRC-1992, kiểm soát chặt lượng nhiệt đưa vào và hàm lượng nitơ, đồng thời xác minh bằng thiết bị đo ferrit (ferritescope); khi ấy chất lượng mối hàn trở thành một kết quả được kiểm soát và ghi chép đầy đủ—chứ không còn là điều mong đợi.

Các câu hỏi thường gặp
Câu hỏi: Số ferrit của mối hàn duplex 2205 nên ở mức nào?
Trả lời: Mối hàn duplex 2205 cân bằng thường nhắm tới khoảng 30–60 FN; lượng ferrit quá cao làm giảm độ dai và khả năng chống ăn mòn, trong khi lượng ferrit quá thấp làm giảm độ bền.
Câu hỏi: Số ferrit được đo trên các mối hàn hoàn tất như thế nào?
Trả lời: Thường nhất là dùng thiết bị đo ferrit đã hiệu chuẩn (ferritescope), cho kết quả FN không phá hủy trong vài giây; phương pháp đếm điểm vi cấu trúc (metallographic point counting) được dùng trong trường hợp phân xử và cung cấp phần trăm thể tích.

Đối với ống duplex và ống austenitic đã được hàn và kiểm tra theo các mục tiêu số ferrit được kiểm soát, vui lòng liên hệ Công ty TNHH Thép Không Gỉ Chiết Giang Văn Cường. Điện thoại +86 577 8922 2595 \/ https://www.chinawqsteel.com/