مروری بر مشکلات جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی و راه حل های آن-بخش سوم

2-4-حساس شدن
هنگامی که فولادهای زنگ نزن تحت دمای بالا (°C 850-400) برای زمان زیاد قرار می گیرند، رسوب کاربید کروم (6C23Cr) در امتداد مرزدانه ها (شکل 6-منطقه C) اتفاق می افتد. به دلیل رسوب گذاری کاربیدها، منطقه اطراف مرزدانه ها فقیر از کروم با %12>Cr (شکل 6-منطقه A و B) می شود. به دلیل این که کروم مهمترین جزء در افزایش مقاومت به خوردگی است، منطقه مرزدانه (فقیر از کروم) مستعد به خوردگی می شود. پدیده رسوب کاربید به حساس شدن شناخته می شود و خوردگی به دلیل این پدیده به خوردگی بین دانه ای معروف است. حساس شدن حین سرد شدن از دمای بالا، جوشکاری یا عملیات حرارتی اتفاق می افتد. به دلیل این که پتانسیل احیاء الکتروشیمیایی کاربید بیشتر از منطقه فقیر از کروم است، سلول گالوانیکی تشکیل شده و خوردگی رُخ می دهد. شکل 6 رسوب کاربید، منطقه فقیر از کروم و تغییرات غلظت کروم نسبت به فاصله از مرزدانه را نشان می دهد .

شکل 6: طرحی از رسوب 6C23Cr، منطقه فقیر از کروم و تغییرات کروم اطراف مرزدانه .

حساس شدن حین جوشکاری و/یا عملیات حرارتی پس از جوشکاری اتفاق می افتد و باید جلوگیری شده یا روش هایی برای کنترل یا کاهش این پدیده حین جوشکاری/ساخت اتخاذ شود. بررسی ها نشان داده است که فولادهای زنگ نزن آستنیتی کار سرد شده مقاومت بیشتری در برابر حساس شدن نسبت به نمونه های کار گرم شده دارد که به دلیل تشکیل ساختارهای دوقلویی، نوارهای لغزش، نقص چیده شدن و اصلاح دانه ها است . برای مشخص کردن کاهش کروم به دلیل حساس شدن، الزاماتی جهت مطالعه ریزساختار ماده جوشکاری شده وجود دارد. آزمون اچ اسید اکزالیک یک روش مشاهده سریع بررسی نمونه هایی است که به دلیل رسوب کاربید کروم دچار حمله خوردگی بین دانه ای شده اند. به هر حال، این آزمون برای پذیرش نمونه استفاده می شود، اما برای عدم پذیرش نمونه مناسب نمی باشد . اگر ماده این آزمون را پاس نکند، به آنالیز بیشتری برای جمع بندی نیاز است که آیا ماده مقاومت کافی دارد یا خیر .

انحلال پذیری کربن در آستنیت در دمای انجماد بیش از %4/0 وزنی است، اما با کاهش دما به آرامی کم می شود. هر جا که کربن به حالت اشباع در آستنیت برسد، کاربیدهای کروم (6C23Cr) تشکیل می شود و نرخ نفوذ برای کربن و کروم کافی است تا در رسوبات جدایش یابند. حضور کربن حتی در گروه L فولادهای زنگ نزن آستنیتی در محلول فوق اشباع است و از محلول خارج شده و رسوبات پایدار تشکیل می شود که مقدار کاربید قبل از حساس شدن کم یا غیرقابل توجه است. این می تواند مربوط به نفوذپذیری کم کربن و کروم در دماهای پایین باشد. این باعث نرخ رسوب گذاری متفاوت در دماهای مختلف و غلظت کربن می شود. نفوذ اجزاء محلول همیشه سراسر مرزدانه ها راحت تر از تفوذ توده است، همچنین مرزدانه ها محل های جوانه زنی بسیار عالی هستند که باعث رسوب در امتداد مردزانه ها می شوند. ضریب نفوذ کربن بیشتر از کروم است که به دلیل اندازه اتمی کوچک تر می باشد که باعث منطقه فقیر از کروم اطراف کاربید می شود . شکل 7 زمان مورد نیاز برای حساس شدن را نشان می دهد که با افزایش درصد کربن و دما کم می شود و در دمای °C 800 حداکثر مقدار است.

 

شکل 7: رابطه بین دما، زمان تا حساس شدن و مقدار کربن.

روش هایی برای کاهش حساس شدن وجود دارد: 1)استفاده از فلز پایه و فلزات پُرکننده کم کربن (کمتر از %03/0 وزنی)، 2)کاهش زمان در محدوده دمای حساس شدن (°C 850-400) با کاهش حرارت ورودی، افزایش نرخ سرد کردن و طراحی اتصال بهتر، 3)استفاده از گروه ها و فلزات پُرکننده با پایداری بیشتر، 4)استفاده از آلیاژ با کروم بیشتر به نحوی که حتی بعد از مقداری رسوب گذاری مقاومت به خوردگی در ماده حفظ شود و 5)عملیات حرارتی تابکاری انحلالی.

 

2-5-فازهای بین فلزی
فازهای بین فلزی مختلفی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی مشاهده شده است. این فازهای بین فلزی سخت، ترد و تمایل به رسوب گذاری در مرزدانه ها دارند و برای خواص مکانیکی آلیاژها مخرب است. رسوب گذاری این فازها موجب تخلیه شدن زمینه از عناصر محلول جامد مهم شده و مقاومت به خوردگی کم می شود.

 

2-5-1-فاز سیگما
این فاز معمولا به صورت Cr-Fe تعریف می شود و ترکیب بین فلزی با کروم تقریبا %5-3 وزنی است و عنصر نیکل و سایر عناصر به راحتی در آن حل می شوند. این فاز در دمای °C 927-538 تشکیل شده و بسیار سخت و ترد است. فاز سیگما اثر مخربی بر خواص مکانیکی دارد، مثل افزایش سختی و کاهش چقرمگی و انعطاف پذیری فولادهای زنگ نزن . فاز سیگما (σ) از طریق استحاله فریت δ در مناطق غنی از کروم زیاد تشکیل می شود. به دلیل آن که کروم یک پایدار کننده فریت است و غلظت آن در فریت بیشتر از آستنیت می باشد، از این رو، نفوذ کروم در فریت بیشتر از آستنیت است. علاوه بر این، هنگامی که فریت δ در فولاد زنگ نزن وجود نداشته باشد، فاز σ می تواند از آستنیت رسوب کند، با این وجود، احتمال آن بسیار کم است . مقدار کروم و مولیبدن فریت δ کم شده و مقدار نیکل همزمان بعد از رسوب فاز σ زیاد می شود. نتایج بالا باعث تشکیل آستنیت ثانویه (2γ) از فریت δ می شود (2γ+σ→δ). نرخ رسوب گذاری فاز σ در دمای °C 850-800 حداکثر است و با افزایش مقدار کروم زیاد می شود، کاهش مقدار کربن نیز باعث افزایش فریت δ می شود.

برای تشکیل فاز سیگما باید ماده در دمای بالا برای زمان طولانی باقی بماند (مثل لوله های گرم کن)، از این رو، مهمترین نگرانی زمانی است که ماده در دمای بالا استفاده می شود. این فاز حین جوشکاری نیز ممکن است تشکیل شود. فرایند استحاله فاز سیگما یک فرایند تحت کنترل جوانه زنی است، یعنی هنگامی که جوانه در زمان کم تشکیل می شود، فریت به فاز سیگما تبدیل می شود . بهترین روش برای کاهش تشکیل فاز سیگما از طریق کاهش فریت δ در جوش اولیه است. برای کاهش فریت در جوش بدون آسیب بر مقاومت به ترک خوردن گرم، ماده با خلوص بالا همراه با فلز پُرکننده با خلوص بالا و عدد فریت کم (مثل 2-8-18) لازم است تا عدد فریت کم بین 6-1 حاصل شود.

 

2-5-2-فاز لاوه
فاز لاوه یک ترکیب بین فلزی از آهن همراه با مولیبدن، نایبیومو تیتانیوم است. معمولا فازهای لاوه در فولادهای زنگ نزن استنیتی به صورت Mo2Fe، Nb2Fe، Ti2Fe یا ترکیبی از این سه فاز (Mo, Nb, Ti)2Fe تشکیل می شود. فاز لاوه حین قرارگیری در دمای بالا (°C 900-700) برای زمان طولانی تشکیل می شود. به دلیل این که فاز تُرد و سختی است، موجب کاهش انحلال پذیری، چقرمگی و مقاومت به خوردگی ماده می شود. به هر حال، اگر با اضافه کردن برخی عناصر آلیاژی رسوبات ظریف از آن تشکیل شود، مقاومت به خزش ماده به طور قابل توجهی افزایش می یابد .

 

2-5-3-فاز چی
هنگامی که تیتانیوم یا مولیبدن در آلیاژهای زنگ نزن آستنیتی حضور داشته باشد فاز چی (χ) تشکیل می شود که اصولا شامل آهن، کروم، مولیبدن و تیتانیوم است: 4Mo18Cr36(Fe, Ni) و 10Mo12Cr36Fe. این رسوب در ماده در اثر قرارگیری در دماهای بالا بین °C 950-649 برای زمان طولانی تشکیل می شود. تشکیل فاز چی با افزایش مقدار مولیبدن، تیتانیوم و کروم و کاهش مقدار نیتروژن زیاد می شود. فاز چی در فصل مشترک فازهای آستنیت/فریت یوتکتیکی تشکیل شده، اما در فصل مشترک فریت اولیه/آستنیت تشکیل نمی شود، زیرا فریت اولیه مقدار مولیبدن کمتری دارد . از این رو، باید ترکیب شیمیایی فلز جوش به طریقی حفظ شود که حالت انجمادی FA باشد تا تشکیل فاز چی به حداقل برسد.

 

2-5-4-فازهای اتا، G، γ' و γ˝
سه فازی که پیش از این بیان شد، یعنی فاز سیگما، فاز لاوه و چی بیشتر به صورت ترکیبات بین فلزی در فولادهای زنگ نزن مشاهده می شوند. از طرف دیگر، گاهی مقدار کمی از فازهای اتا (Ti3Ni)، فاز G ]7Si6(Nb, Ti)16(Ni, fe, Cr)[، R ]13Cr18Mo22Fe و 2Si3Mo5Cr10(Fe, Ni)[ و γ' (Al, Ti)3(Fe, Ni, Cr) و γ˝ (Nb3Ni) ممکن است تشکیل شوند و بر اساس اندازه و توزیع بر خواص مکانیکی تاثیر بگذارند .

 

2-6-کاهش مقاومت به خوردگی
مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن به دلیل تشکیل اکسید محافظ در محدوده مشخص از پتانسیل است. اگر پتانسیل محصول در مقدار کم باشد، اکسید نمی تواند تشکیل شود و اگر پتانسیل بالاتر از آن مقدار باشد، یون های کروم شش ظرفیتی تشکیل شده که در آب حل می شوند. اگر پتانسیل در منطقه روئین باشد و یک نقطه ضعیف بر سطح به دلیل آلودگی ایجاد شود، اکسید مخلوط حین جوشکاری یا کاهش عنصر آلیاژی موضعی (به دلیل جدایش) تشکیل می شود. اکسید سطحی از آن موقعیت ضعیف کَنده شده و یک آند تشکیل می شود و مابقی سطح کاتد می شود که باعث خوردگی موضعی وحشتناک شدید خواهد شد . معمولا جوش های فولاد زنگ نزن آستنیتی مقاومت به خوردگی کمتری در مقایسه با فلز پایه با ترکیب شیمیایی مشابه دارد که به دلیل جدایش عناصر آلیاژی در جوش است. برای جبران این کاهش مقاومت به خوردگی، فلز پُرکننده/الکترود برای جوشکاری باید مقدار بیشتری عناصر آلیاژی داشته باشد. همچنین از عملیات حرارتی همگن سازی جوش برای مقابله با مشکل جدایش استفاده شود. معمولا از اسید شویی برای حذف لایه اکسید مخلوط، نقاط ضعیف و اچ رنگی حین جوشکاری و سپس روئین شدن برای تشکیل لایه اکسید کروم تازه و محافظ بعد از جوشکاری استفاده می شود که مقاومت به خوردگی جوش و منطقه متاثر از حرارت تامین شود.

 

2-6-اعوجاج، تنش های پسماند و ترک خوردن خوردگی تنشی
به دلیل این که فولادهای زنگ نزن آستنیتی ضریب انبساط حرارتی بیشتر از فولادهای زنگ نزن فریتی دارند، این موضوع منجر به انبساط حرارتی بیشتر حین چرخه حرارت دادن و انقباض بیشتر حین چرخه سرد کردن جوشکاری شده که منجر به اعوجاج و تنش های پسماند در ماده می شود. فولاد زنگ نزن آستنیتی ذاتا مستعد به ترک خوردن خوردگی تنشی (SCC، Stress Corrosion Cracking) است و حضور تنش های پسماند کششی در آن فرایند دخیل است. احتمال SCC با عملیات حرارتی پس از جوشکاری کم می شود که موجب کاهش تنش های پسماند می شود. روش دیگر کاهش تنش های پسماند کم کردن حرارت ورودی حین جوشکاری است، SCC با سایر پارامترها مثل مقدار، اندازه و توزیع فریت، ترکیبات بین فلزی و جدایش عناصر آلیاژی تحت تاثیر قرار می گیرد .

 

3-جمع بندی
مشکل ترک خوردن گرم در فولادهای زنگ نزن آستنیتی با انتخاب فلز پُرکننده/الکترود قابل برطرف کردن است به نحوی که یکی از روش های جلوگیری از آن انجماد در حالت FA (انجماد فریت اولیه) می باشد که ابتدا فریت ناخالصی هایی مثل گوگرد و فسفر را به دام انداخته و از تشکیل ترکیبات با نقطه ذوب کم در پایان انجماد جلوگیری کند.

انتخاب فلز پُرکننده/الکترود مناسب برای ایجاد حالت انجماد FA با اندازه گیری فریت با 3 روش امکان پذیر است. استفاده از نمودارهای غلظت شفلر، دی لانگ و WRC. اندازه گیری فریت توسط ابزارهای قابل حمل و سومین روش بررسی تحولات ریزساختاری است. اگر مقدار فریت در فلز جوش بالای 3 باشد، حالت انجمادی FA است و جوش مقاومت خوبی به ترک خوردن گرم دارد. به هر حال، محدوده بالایی عدد فریت 10 برای جلوگیری از اُفت خواص مکانیکی ماده در دماهای بسیار کم یا بسیار زیاد نیاز است. در مورد فولادهای زنگ نزن حاوی نایوبیوم مثل 347، این محدودیت به عدد فریت 11-5 می رسد، زیرا نایوبیوم به تنهایی یک عنصر آلیاژی است که حساسیت به ترک خوردن گرم را افزایش می دهد.

دومین مشکل بزرگ در جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی حساس شدن یا تشکیل کاربید کروم در امتداد مرزدانه ها است. حساس شدن باعث ایجاد مناطق فقیر از کروم اطراف مرزدانه ها شده و فولاد مستعد به خوردگی می شود. حین جوشکاری هنگامی که ماده تحت دمای بالا است و/یا در دمای بالا برای زمان طولانی باقی می ماند مقداری فازهای بین فلزی مثل سیگما، چی، لاوه، G، R، γ' و γ˝ در زمینه رسوب می کند. این رسوبات باعث می شوند عناصر آلیاژی از زمینه خارج شده و مقداری مقاومت به خوردگی کم شود. به دلیل جدایش، فریت مقدار بیشتری کروم و مولیبدن دارد و آستنیت نیکل بیشتری دارد که باعث مقاومت به خوردگی متفاوت هر دو اجزاء در ریزساختار می شود. از این رو، فلز پُرکننده باید به نحوی انتخاب شود که حتی جزء با کروم کمتر (آستنیت) حداقل مقدار کروم و مولیبدن را داشته باشد.

به دلیل ضریب نسبتا زیاد انبساط حرارتی فولادهای زنگ نزن آستنیتی مستعد به اعوجاج و تنش های پسماند هستند. عملیات حرارتی پس از جوشکاری برای کاهش تنش های پسماند ضروری است، به دلیل این که عملیات حرارتی پس از جوشکاری شامل حرارت دادن ماده می باشد، ممکن است منجر به حساس شدن یا تشکیل ترکیبات بین فلزی شود که گاهی ماده را غیرقابل استفاده می کند.

اگر ماده حساس شود یا ترکیبات بین فلزی در آن تشکیل شده است، در این حالت بهترین روش برای بازیابی خواص آن از طریق عمیلات حرارتی تابکاری انحلالی است. این شامل حرارت دادن ماده بالای °C 1066 و نگهداری در آن دما به نحوی که همه رسوبات حل شده و همگن سازی شودو سپس سرد کردن سریع برای جلوگیری از تشکیل هر گونه رسوب است. اما این فرایند در اغلب موارد شدنی نمی باشد، همچنین سرد کردن سریع باعث ایجاد تنش های پسماند می شود. بنابراین، باید از مکانیزم-های جلوگیری از تخریب (ترکیبات بین فلزی، حساس شدن و ...) استفاده شود. با به کار گیری فولادهای زنگ نزن گروه L بهترین روش برای غلبه بر مشکلات جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی است.