مروری بر مشکلات جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی و راه حل های آن-بخش اول
چکیده:
فولادهای زنگ نزن آستنیتی یکی از رایج ترین مواد مورد استفاده در صنعت هستند، زیرا مقاومت به خوردگی ذاتی و خواص مکانیکی خوبی در دماهای پایین و دمای بالا دارند. با وجود این که فولادهای زنگ نزن آستنیتی جزء گروه فولادهای زنگ نزن جوش پذیر هستنتد، اما شرایطی وجود دارد که در صورت رعایت نکردن موجب تغییرات ریزساختاری و یا خواص مکانیکی در جوش و منطقه متاثر از حرارت می شود و نتیجه آن عدم کارایی مناسب قطعه است. در این مجموعه مقالات مشکلات جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی و راه حل های جلوگیری از آن بیان می شود.
در این مقاله، حالت انجماد، ترک خوردن گرم، نمودار شفلر، نمودار غلظت بر اساس نتایج مرکز تحقیقات جوشکاری (WRC) و دی لانگ همراه با تاثیر ناخالصی هایی مثل فسفر، گوگرد، نیتروژن و نایوبیوم بر ترک خوردن گرم بررسی شده است. حساس شدن، رسوبات بین فلزی مثل فاز سیگما، فاز چی، فازهای لاوه و ... و اثر آن ها بر مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی فولاد زنگ نزن آستنیتی مطالعه شده است.
1-فولادهای زنگ نزن
فولادهای زنگ نزن آلیاژهای پایه آهن هستند که حدود %12 کروم همراه با یک لایه اکسید ذاتی محافظ و شفاف بر سطح دارند. این اکسید در حضور اکسیژن تشکیل شده و خود را ترمیم می کند. این آلیاژها معمولا از 03/0 تا %1/0 وزنی کربن دارند. فولادهای زنگ نزن به 5 گروه تقسیم بندی می شوند، یعنی فریتی، آستنیتی، مارتنزیتی، دوفازی و رسوب سختی. از این 5 گروه، فولادهای زنگ نزن آستنیتی رایج ترین و شناخته شده ترین خانواده است.
2-فولادهای زنگ نزن آستنیتی
فولادهای زنگ نزن آستنیتی گروهی از فولادهای زنگ نزن هستند که ترکیبی از پایدارکننده های آستنیت و پایدارکننده های فریت دارند به نحوی که فاز آستنیت در دماهای بالا پایدار است و در دمای اتاق و حتی دماهای زیر صفر پایدار باقی می ماند.
به دلیل این که هیچ استحاله فازی در دمای بالا اتفاق نمی افتد، از این رو، این مواد با عملیات حرارتی استحکام دهی نمی شوند. بنابراین، استحکام دهی این مواد از طریق محلول جامد یا کارسختی امکان پذیر است.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی مقاومت به خوردگی، استحکام، چقرمگی و شکل پذیری خوبی از دماهای زیر صفر تا دماهای بالا دارند. از این رو، در کاربردهای حیاتی استفاده می شوند. آن ها در دماهای بسیار پایین چقرمگی خوبی دارند و استحکام و مقاومت به اکسیداسیون خوبی تا دماهای نزدیک به °C 600 دارند. رایج ترین فولادهای زنگ نزن آستنیتی گروه 300 است.
فولادهای زنگ نزن آستنینی بر اساس مقدار کربن در سه گروه طبقه بندی می شوند: گروه L، گروه Straight و گروه H. گروه L شامل حداکثر %03/0 وزنی کربن، گروه Straight شامل %08/0-03/0 وزنی کربن و گروه H شامل %1/0-04/0 وزنی کربن است. مقدار کربن بالاتر گروه H باعث تولید کاربیدهای بیشتر در ماده شده که با از دست رفتن انعطاف پذیری، استحکام زیاد می شود و در دمای بالا کاربرد دارد. همه این گروه مواد کاربردهای متفاوتی دارند که به خواص آن ها بستگی دارد، به عنوان مثال مقدار کربن بالا گروه H موجب رسوب کاربید در ماده می شود که مقاومت به خزش در دمای بالا بهبود می یابد و گروه L مقاومت خوبی به حساس شدن دارد و از این رو، در کاربردهایی که مواد در معرض اتمسفر خورنده بعد از جوشکاری هستند استفاده می شود. با وجود این که فولادهای زنگ نزن آستنیتی ساختار FCC دارند، آن ها اغلب شامل مقداری فریت (مخصوصا در فلز جوش) هستند. این فریت به فریت δ شناخته می شو و در دمای بالا به جای فریت α که در دمای پایین تشکیل می شود، ظاهر می گردد. در کل این مقاله، اصطلاح فریت مربوط به فریت دلتا است مگر این که ذکر شود. این آلیاژها ممکن است شامل مقداری مارتنزیت هم باشند که معمولا به دلیل کار سرد تشکیل می شود، زیرا انرژی نقص چیده شدن کمی دارند.
3-جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی
فولادهای زنگ نزن آستنینی جوش پذیرترین گروه فولادهای زنگ نزن هستند، مگر این که برخی مشکلات حین جوشکاری آن ها ایجاد شود. برای فهم مشکلات، ابتدا باید نمودار فازی سه تایی آهن-کروم-نیکل درک شود.
3-1-نمودار فازی آهن-کروم-نیکل (نمودار فازی شبه دو تایی نیکل-کروم)
به دلیل این که نمودار فازی سه تایی آهن-کروم-نیکل به سختی قابل فهم است، از این رو، برای سادگی مقدار آهن ثابت نگه داشته شده و مقدار نیکل و کروم متغیر است. تقریبا همه فولادهای زنگ نزن آستنینی شامل بیش از %50 وزنی آهن هستند، از این رو، نمودار فازی سه تایی با %55، %60 و %70 آهن در شکل 1 نشان داده شده است .
شکل 1: نمودارهای فازی آهن-کروم-نیکل با: الف)%70 وزنی آهن، ب)%60 وزنی آهن و ج)%55 وزنی آهن.
هر نمودار یک مثلث یوتکتیکی با سه فاز همزمان (L+δ+γ) دارد که نشان دهنده ترکیب شیمیایی است که آستنیت، فریت و فلز مذاب همگی حضور دارند. در هر سه نمودار فازی نشان داده شده با حرکت از سمت چپ به راست، مقدار نیکل (پایدار کننده آستنیت) کاهش و مقدار کروم (پایدار کننده فریت) زیاد می شودو از این رو، پایداری آستنیت کم شده و پایداری فریت زیاد می شود.
در سمت چپ (غنی از نیکل) هر نمودار ترکیب شیمیایی وجود دارد که فلز به طور کامل در حالت آستنیت منجمد می شود، زیرا غلظت پایدار کننده فریت در آن منطقه کمتر است (حالت انجمادی A یا آستنیت) و آستنیت تا دمای اتاق باقی می ماند. نزدیک و در سمت چپ مثلث یوتکیتکی ترکیب شیمیایی وجود دارد که به صورت آستنیت با مصرف حداکثر مقدار نیکل و پس زدن کروم در مذاب در مراحل اولیه انجمادی منجمد می شود، اما هنگامی که غلظت کروم در مذاب باقی مانده زیاد شود، مقداری فریت تشکیل شده و در مراحل پایانی انجماد، فریت حضور خواهد داشت. این حالت انجماد به آستنیت اولیه (حالت انجمادی آستنیت-فریت یا AF) شناخته می شود. با سرد کردن بیشتر تحت شرایط تعادلی و با نفوذ به خارج پایدار کننده فریت، فریت می تواند به آستنیت استحاله یابد، اما با سرد کردن نسبتا سریع جوشکاری که زمان کافی برای نفوذ پایدار کننده فریت کم است، فریت ممکن است تا دمای اتاق باقی بماند.
نزدیک و در سمت راست مثلث یوتکتیک که ترکیب شیمیایی به صورت فریت در مراحل اولیه انجماد با مصرف کروم و پس زدن نیکل در مذاب همراه است و افزایش غلظت نیکل در مذاب باقی مانده که آستنیت را پایدار می کند، فریت به صورت فاز اولیه تشکیل می شود. این به حالت انجمادی فریت اولیه (حالت انجمادی فریت-آستنیت یا FA) شناخته می شود. سرد کردن بیشتر تحت شرایط تعادلی با نفوذ و بازتوزیع عناصر حل شونده می تواند باعث شود تا فریت به آستنیت استحاله یابد، اما تحت شرایط سرد کردن نسبتا سریع جوشکاری، مقداری از این فریت ممکن است تا دمای اتاق پایدار باقی بماند، زیرا غلظت کروم در این حالت نسبت به دو حالت قبلی بیشتر است.
دورتر از سمت راست، ترکیب شیمیایی وجود دارد که کاملا به صورت فریت منجمد می شود، زیرا مقدار کافی کروم دارد، اما با سرد کردن بیشتر تحت شرایط تعادل، به صورت جزئی یا کامل به آستنیت (حالت انجمادی F) منجمد می شود که به ترکیب شیمیایی بستگی دارد.
فولادهای زنگ نزن فریتی که ترکیب شیمیایی دوتر از سمت راست دارند، در حالت فریت یا F منجمد می شوند و هیچ نوع آستنیتی ندارند. حالت انجماد هر فولاد زنگ نزن را می توان از ترکیب شیمیایی آن تعیین کرد. همه 4 حالت انجمادی بیان شده در شکل 2 نمایش داده شده است .
شکل 2: حالت های انجمادی مختلف فولادهای زنگ نزن آستنیتی .
آلیاژهایی که در حالت آستنیتی یا A منجمد می شوند، حین سرد کردن هیچ گونه استحاله ای را تجربه نمی کنند، در حالی که آن هایی که به صورت AF منجمد می شوند، مقداری فریت حین انجماد تشکیل شده و آن فریت ممکن است حین سرد کردن به آستنیت استحاله یابد. آلیاژهایی که در حالت FA یا F منجمد می شوند، از طریق منطقه دو فازی (δ+γ) ممکن است در منطقه دو فازی باقی بمانند یا وارد منطقه آستنیتی تک فاز شوند که به ترکیب شیمیایی و نرخ سرد کردن وابسته است.
ابتدا، اجازه دهید تا این حالت های انجمای بر اساس نسبت Creq/Nieq فهم و درک شود. برای Creq/Nieq کم، حالت انجمادی A اتفاق می افتد که باعث %100 آستنیت می شود. برای Creq/Nieq بالاتر، حالت انجمادی AF اتفاق می افتد که آستنیت به صورت فاز اولیه تشکیل شده و بخشی از مذاب باقی مانده به صورت فریت منجمد خواهد شد. برای نسبت های Creq/Nieq بیشتر، حین انجماد حالت های FA و F ریزساختار دما بالا شامل %100-70 فریت می شود. اغلب این فریت حین سرد کردن به آستنیت استحاله می یاد و فریت باقی مانده پشت مغزه دندریت های غنی از کروم باقی می ماند که باعث ایجاد ساختار فریت کرمی شکل می شود .
