Ruostumattoman teräksen jälki-hitsauksen lämpökäsittely

Hitsaus muuttaa ruostumattoman teräksen. Valokaarin voimakas lämpö sulattaa perusmetallin ja täytelangan muodostaen sulamisvyöhykkeen, joka jäähtyy nopeasti. Tämä lämpökierto jättää jälkeensä jäännösjännitykset, mikrorakenteelliset muutokset ja joissakin tapauksissa korroosionkestävyyden menetyksen. Post-hitsauksen lämpökäsittely (PWHT) on kontrolloitua lämmön käyttöä hitsauksen jälkeen ominaisuuksien palauttamiseksi, jännityksen lievittämiseksi tai tulevien ongelmien estämiseksi.

PWHT ei kuitenkaan ole yleinen lääke. Tietyille ruostumattomille teräslaaduille hitsauksen jälkeinen lämpökäsittely voi itse asiassa aiheuttaa enemmän haittaa kuin hyötyä. Ero sen välillä, milloin PWHT on välttämätöntä ja milloin se on haitallista, on yksi tärkeimmistä päätöksistä ruostumattoman teräksen valmistuksessa. Väärä valinta voi johtaa jännityskorroosiohalkeilemiseen, herkistymiseen, rakeiden väliseen korroosioon tai kalliiseen korjaukseen.

Tämä artikkeli tarjoaa selkeän, todisteisiin{0}} perustuvan oppaan. Jokainen osio noudattaa päätelmän-ensimmäistä muotoa: ilmoitamme havainnon, selitämme sitten perustelut ja mainitsemme arvovaltaiset lähteet. Tavoitteena on antaa insinööreille, hankintatiimeille ja laatupäälliköille referenssi, johon he voivat luottaa ja joihin he voivat luottaa.

Austeniittiset ruostumattomat teräkset: PWHT

Austeniittiset ruostumattomat teräksetedustavat suurinta teollisuudessa käytettyjen ruostumattomien metalliseosten perhettä. Lajit, kuten 304/L, 316/L, 321 ja 347, on suunniteltu hitsattavaksi ilman pakollista jälki{5}}lämpökäsittelyä. Niiden pinta{7}}keskittynyt kuutio (FCC) kiderakenne ei käy läpi martensiittista muutosta jäähtymisen aikana, mikä tarkoittaa, että ensisijaiset riskit, joita PWHT käsittelee hiiliteräksissä – kovettuminen ja haurastuminen – eivät yksinkertaisesti koske.

American Welding Societyn (AWS) D1.6-koodi, joka ohjaa ruostumattoman teräksen rakennehitsausta, ei edellytä PWHT:ta austeniittisille laaduille normaaleissa käyttöolosuhteissa. ASME Section IX ei myöskään vaadi PWHT:ta näiden materiaalien menettelyn kelpuutuksen edellytyksenä.

Tämä ei tarkoita, että PWHT:ta ei koskaan käytetä austeniittisissa teräksissä. Tietyissä skenaarioissa -- kuten vakavassa syövyttävässä ympäristössä, jännityskorroosiohalkeilun (SCC) riskissä tai kun valmistuskoodit sitä nimenomaisesti vaativat - PWHT voidaan määrittää. Mutta oletusasento, jota tukee vuosikymmenten kenttäkokemus, on, että nämä laatulajit toimivat hyvin hitsattuina.

Taulukko 1: Yleisten austeniittisten laatujen PWHT-vaatimukset

Lähde: AWS D1.6:2017 (Structural Welding Code -- Stainless Steel); ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IX (2023 Edition); Outokummun ruostumattoman teräksen käsikirja, 2020

Herkistyminen: Väärä lämpökäsittely

Kun austeniittista ruostumatonta terästä pidetään lämpötila-alueella noin 500-850 Celsius-astetta (932-1562 Fahrenheit-astetta), kromiatomit siirtyvät kiinteästä liuosmatriisista raerajoille, joissa ne yhdistyvät hiilen kanssa muodostaen kromikarbideja (Cr23C6). Tätä prosessia kutsutaan herkistymiseksi. Rae{8}}raja-alueilta loppuu kromi – juuri se alkuaine, joka antaa ruostumattomalle teräkselle sen korroosionkestävyyden. Jos kromipitoisuus putoaa alle noin 12 % rajalla, teräs tulee alttiiksi rakeiden väliselle korroosiolle.

Jos PWHT suoritetaan väärin, se voi tarkoituksella asettaa hitsauksen tälle vaaralliselle lämpötilavyöhykkeelle. Vakioluokissa, kuten 304 ja 316, stressinpoistokäsittely 600–700 C:ssa aiheuttaisi vakavan herkistymisen. Juuri tästä syystä PWHT:ta yleensä vältetään näissä laatuluokissa, ellei siihen liity liuoshehkutusta 1040-1100 C:ssa, jota seuraa nopea jäähdytys (sammutus).

Stabiloidut laadut (321 titaanilla, 347 niobiumilla) ja vähähiiliset laatuluokat (304L, 316L) kehitettiin erityisesti kestämään herkistymistä. Stabilointielementit yhdistetään mieluiten hiilen kanssa, mikä estää kromin ehtymisen. Matalat-hiililaadut vähentävät karbidin muodostukseen käytettävissä olevaa kokonaishiiltä.

Taulukko 2: Austeniittisten ruostumattomien terästen lämpökäsittelyikkunat

Lähde: ASM Handbook Volume 6A: Welding Fundamentals and Processes (2011); ASTM A240/A240M-24; Outokummun ruostumattoman teräksen käsikirja, 2020

Martensiittiset ruostumattomat teräkset: PWHT

Martensiittiset ruostumattomat teräkset kovettuvat austeniittisesta lämpötilasta jäähtyessään muodostumalla martensiittia. Hitsaus tuottaa luonnollisesti lämpökierron, joka vie lämpö{1}}vaikutusalueen (HAZ) tämän muutoksen läpi. Tuloksena on kova, hauras mikrorakenne, jolla on suuri jäännösjännitys. Ilman PWHT:ta hitsausliitos on alttiina halkeilulle – joskus välittömästi jäähtyessään, joskus tunteja tai päiviä viivästyy (viivästynyt halkeilu).

Martensiittisten ruostumattomien terästen standardi PWHT-menettely sisältää: (1) esilämmityksen ennen hitsausta jäähtymisnopeuden hidastamiseksi ja kovuuseron pienentämiseksi, (2) välittömän hitsauksen jälkeisen karkaisukäsittelyn 650-750 C:ssa ja (3) joissakin tapauksissa täyden normalisointijakson{6}}. ASME Section VIII ja AWS D1.6 käsittelevät molemmat näitä vaatimuksia.

Saostus-kovettuva martensiittiset lajikkeet, kuten 17-4PH (UNS S17400) ja 15-5PH (UNS S15500), noudattavat erilaista reittiä: ne saavat liuoskäsittelyn, jota seuraa vanhentamisjakso 480-620 C:ssa (H900 - H1150 -olosuhteet). Erityinen vanhenemislämpötila määrittää lopullisen lujuus-sitkeys- tasapainon.

Taulukko 3: PWHT-parametrit martensiittisille ja saostumille-ruostumattomien terästen karkaisu

Lähde: ASME SA-240/SA-240M (2023); AMS 5354 (17-4PH lämpökäsittely); ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994)

Duplex ruostumattomat teräkset: PWHT

Duplex-ruostumattomat teräkset saavat lujuutensa tasapainoisesta mikrorakenteesta, jossa on noin 50 % austeniittia ja 50 % ferriittiä. Hitsaus häiritsee tätä tasapainoa. Hitsausmetalli ja HAZ kokevat nopeita lämpöjaksoja, jotka muuttavat vaihesuhdetta - tyypillisesti lisäävät ferriittipitoisuutta. Jos ferriittifraktio ylittää noin 70 %, liitoksen sitkeys ja korroosionkestävyys heikkenevät.

Useimmissa valmistusskenaarioissa sopivien täytemetallien käyttö (yli-seostettu nikkelillä austeniitin uudelleenmuodostumisen edistämiseksi) ja säädelty lämmöntuotto pitävät faasitasapainon hyväksytyissä rajoissa ilman PWHT:ta. Kuitenkin, kun monivirtahitsaus, paksut osat tai huono lämmöntuonnin säätö aiheuttavat liiallista ferriittiä tai haitallisten metallien välisten faasien (sigma, chi) muodostumista, liuoshehkutus 1020-1100 C:ssa ja sen jälkeen vesisammuttaminen voi palauttaa oikean mikrorakenteen.

Duplex-terästen jännityksenpoisto ja liuoshehkutus on tärkeää erottaa toisistaan. Jännitys-poistokäsittely 600-700 C:ssa saostaisi sigmafaasin ja vahingoittaisi vakavasti sekä mekaanisia ominaisuuksia että korroosionkestävyyttä. Vain täysi liuoshehkutus sigma solvus -lämpötilan yläpuolella on hyväksyttävä.

Taulukko 4: PWHT-parametrit ruostumattomille duplex-teräksille

Lähde: ASTM A240/A240M-24; NACE MR0175/ISO 15156; Outokumpu Duplex Stainless Steels Handbook (2015); SAF 2205- ja SAF 2507 -tietolomakkeet (Sandvik)

Nikkeliseokset: PWHT

Muokatut nikkeli{0}}pohjaiset korroosion-kestävät seokset, kuten Inconel 625 (UNS N06625),Hastelloy C276 (UNS N10276), ja Monel 400 (UNS N04400) käytetään vaativimmissa kemian-, offshore- ja ilmailuympäristöissä. Nämä kiinteät -liuosseokset eivät kovetu hitsauksen aikana eivätkä siksi vaadi PWHT:ta jännityksen lievitykseen tai kovuuden hallintaan.

Sade{0}}kovettuvat nikkeliseokset -- Inconel 718 (UNS N07718), Inconel X-750 (UNS N07750) ja Rene 41 (UNS N07001) noudattavat kuitenkin eri sääntöä. Nämä seokset saavuttavat suuren lujuutensa gammaprime- tai gamma-double-prime-faasien hallitulla saostuksella. Hitsauksen jälkeen ne vaativat liuoskäsittelyn, jota seuraa vanhentaminen. Vanhentamissykli on suoritettava tarkoissa lämpötiloissa tavoitelujuuden saavuttamiseksi säilyttäen samalla riittävä sitkeys.

Hastelloy-lejeerinkiin on kiinnitettävä erityistä huomiota: joissakin laatuluokissa (C-22, C-276) voi kehittyä pieni määrä haitallista metallien välistä faasia pitkäaikaisen altistuksen jälkeen lämpötila-alueella 600-900 C. Vaikka tämä ei ole tiukasti PWHT-kysymys, se tarkoittaa, että kaikki hitsauksen jälkeinen kuumennus - myös muotoilua tai oikaisua varten - on valvottava huolellisesti tahattomien metallurgisten vaurioiden välttämiseksi.

Taulukko 5: PWHT-vaatimukset yleisille nikkeliseoksille

Lähde: ASME SB-443 (Inconel 625); ASME SB-575 (Hastelloy C-276); AMS 5662 (Inconel 718 Heat Treatment); Special Metals Corporationin tekniset tiedotteet (2023)

Koodi- ja standardiviitteet ruostumattomien terästen PWHT:lle

Päätös PWHT:n soveltamisesta tai jättämisestä pois ei ole mielivaltainen. Se on perusteltava soveltuvalla suunnittelukoodilla, materiaalispesifikaatiolla ja käyttöehdoilla. Alla on yhteenveto useimmin viitatuista koodeista ja standardeista, jotka koskevat ruostumattoman teräksen ja nikkeliseosten PWHT:ta.

Taulukko 7: Ruostumattomien terästen PWHT:tä koskevat avainkoodit ja standardit

Lähde: AWS D1.6:2017; ASME BPVC 2023 Edition; ASTM International; NACE International; American Petroleum Institute; Euroopan standardointikomitea (CEN)

Johtopäätös

Jälki-hitsauksen lämpökäsittely on tehokas työkalu oikein käytettynä ja tuhoava voima väärin käytettynä. Todisteet ovat selvät:

Austeniittiset ruostumattomat teräkset (304, 316, 321, 347) tarvitsevat harvoin PWHT:ta ja voivat vahingoittaa niitä, jos käsittely osuu herkistysalueelle.

Martensiittiset ruostumattomat teräkset (410, 420, 431) vaativat lähes aina PWHT:n (tempering) haurauden estämiseksi.

Duplex-ruostumattomat teräkset (2205, 2507) saattavat vaatia liuoshehkutusta, jos hitsausolosuhteet häiritsevät faasitasapainoa, mutta jännityksenpoisto on aina haitallista.

Nikkeliseoksetnoudattaa omia sääntöjään: kiinteät-liuoslaadut eivät tarvitse PWHT:ta, kun taas saostus-kovettuvia laatuja on vanhennetaan.

Sovellettavan suunnittelukoodin (ASME, AWS, NACE, EN) on aina oltava ensisijainen viranomainen PWHT-päätöksissä.

Ruostumattoman teräksen ja nikkeliseostuotteiden tekniset tiedot, hankintakyselyt tai tekninen tuki,ota yhteyttä JN Alloysiin-- luotettu kumppanisi korkean suorituskyvyn metalliseoksissa.