Việc hàn các loại thép không gỉ
Thép không gỉ được coi là có khả năng hàn tốt so với nhiều kim loại khác và có thể được hàn thành công bằng một số kỹ thuật khác nhau với các cài đặt và điều kiện chính xác.
Thép không gỉ Austenit
Nói chung, thép không gỉ austenit không nhạy cảm với vết nứt sau khi hàn. Vì chúng không thể cứng lại khi làm nguội nên chúng có độ dẻo dai và độ dẻo tốt trong khi không cần xử lý nhiệt trước hoặc sau hàn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, vết nứt ở kim loại mối hàn (hoặc chất độn) hoặc vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể xảy ra.
Vết nứt do hóa rắn kim loại mối hàn có nhiều khả năng xảy ra ở các cấu trúc austenit hoàn toàn, nhạy cảm với vết nứt hơn so với các cấu trúc chứa một lượng nhỏ ferit. Các loại austenit hoàn toàn bao gồm các loại 310, 320 và 330. Tuy nhiên, vì thép không gỉ austenit được sử dụng rộng rãi nhất thực sự có chứa một lượng nhỏ ferit, nên đây thực sự không phải là vấn đề như lần đầu tiên xuất hiện! Chẳng hạn, Hợp kim 316 sẽ chứa từ 3% đến 10% ferrite. Fermonic 50 (XM-19, UNS S20910, 1.3964, Nitronic 50), Fermonic 60 (UNS S21800,Nitronic 60) VàHợp kim 254(UNS S31254, 1.4547, 254SMO, 6Mo) tương tự chứa một tỷ lệ nhỏ ferit. Lượng nhỏ cấu trúc vi mô ferit hiện diện này có khả năng hòa tan các tạp chất có thể dẫn đến sự hình thành các vết nứt giữa các nhánh hoặc sự phân tách ở nhiệt độ nóng chảy thấp. Chúng liên quan đến sự hiện diện của phốt pho hoặc lưu huỳnh, được coi là các nguyên tố lang thang vì chúng không được thêm vào một cách có chủ ý mà thay vào đó được lấy ra từ phế liệu, nguyên liệu thô và quy trình ban đầu.
Sự hiện diện của carbon trong thép không gỉ austenit có thể dẫn đến sự ăn mòn giữa các hạt trong kim loại mối hàn hoặc HAZ sau khi hàn. Crôm cacbua hình thành ở ranh giới hạt của thép không gỉ austenit ở nhiệt độ khoảng 550–900 độ. Điều này có nghĩa là các khu vực xung quanh cacbua hiện có hàm lượng crom thấp hơn, do sự khuếch tán crom trong kim loại gốc rất chậm. Do đó, những khu vực có hàm lượng crom thấp hơn có khả năng chống ăn mòn kém hơn và bất kỳ sự ăn mòn nào xảy ra rất có thể bắt đầu ở đây. Hiện tượng này có thể được gây ra bởi nhiệt độ trong quá trình hàn và được gọi là hiện tượng nhạy cảm.
Có hàm lượng carbon thấp hơn sẽ làm giảm khả năng nhạy cảm sau khi hàn. Do đó, có nhiều loại tiêu chuẩn có hàm lượng cacbon thấp hơn đáng kể, chẳng hạn nhưHợp kim 316L(C <{0}},03%) so với Hợp kim 316 (C <0,08%).
Các loại ổn định như Hợp kim 316Ti sử dụng bổ sung titan để cải thiện tính chất ở nhiệt độ cao. Điều này cũng làm giảm độ nhạy cảm vì bất kỳ cacbon nào có trong kim loại sẽ kết hợp tốt hơn với titan hơn là crom.
Cuối cùng, nếu thép không gỉ austenit tiếp xúc giữa 550-900độ C trong thời gian dài thì có thể hình thành pha sigma có hại từ một lượng nhỏ ferit có mặt. Cơ chế này được đề cập dưới đây đối với thép không gỉ song công.
Thép không gỉ song công và siêu song công
Giống như các loại thép không gỉ austenit phổ biến nhất, sự hiện diện của một số ferit trong vi cấu trúc có thể giúp hạn chế khả năng bị nứt nóng trong quá trình hàn. Cho rằng thép không gỉ song công và siêu song công có tỷ lệ austenite và ferit gần như bằng nhau thì đây chắc chắn không phải là vấn đề. Do đó, thép song công có thể hàn dễ dàng nhưng quy trình hàn phải được kiểm soát và đảm bảo chất lượng để tránh tạo ra các cấu trúc vi mô không mong muốn.
Vấn đề chính với thép không gỉ song công là xu hướng hình thành cấu trúc vi mô pha sigma từ sự biến đổi của ferit. Sự biến đổi này xảy ra ở nhiều nhiệt độ và thời gian khác nhau, được thể hiện rõ nhất trong biểu đồ TTT (nhiệt độ-thời gian – biến đổi). Sigma là pha liên kim loại không có từ tính, giàu sắt và crom. Các khu vực xung quanh pha sigma sẽ có hàm lượng crom thấp hơn và do đó khả năng chống ăn mòn thấp hơn nhiều. Ngoài ra, sự chuyển đổi ferit thành sigma có thể tạo ra các lỗ rỗng dẫn đến xuất hiện các vết nứt và giảm đáng kể độ bền cơ học và đặc biệt là độ bền va đập. Do đó, khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học tuyệt vời của thép không gỉ song công và siêu song công hoàn toàn bị phủ nhận nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn.
Biểu đồ TTT cho thấy Ferralium 255 (UNS S32550, F61, 1.4507) ít có khả năng hình thành sigma hơn S32760 (F55, 1.4501, Zeron 100), S32750 (F53, 1.4410, SAF2507) hoặc S32205 (F51, 1.4462, duplex 2205 ) điểm.
Để tránh hình thành sigma, điều kiện hàn phải được kiểm soát để hạn chế thời gian ở nhiệt độ. Như được biểu thị bằng sơ đồ TTT, khoảng thời gian tương đối ngắn hơn ở hoặc xung quanh 800-900degC có thể hình thành pha sigma. Do kích thước của kim loại gốc tương đối lớn so với diện tích mối hàn nên nhiệt khi hàn thường bị tiêu hao khá nhanh. Khoảng thời gian dài hơn ở nhiệt độ thấp hơn cuối cùng có thể dẫn đến sự biến đổi cấu trúc vi mô tương tự. Vì vậy, đối với các mối hàn nhiều đường thì việc hạn chế nhiệt độ mối hàn là rất quan trọng. Điều này có thể đạt được bằng cách giảm lượng nhiệt đầu vào của mối hàn, cung cấp một mức độ làm mát hoặc tạm dừng giữa các lần hàn.
Thách thức chính khác khi hàn thép không gỉ song công và siêu song công là duy trì cấu trúc vi mô austenite: ferit cân bằng. Trong khu vực kim loại hàn thường có sự thất thoát nitơ. Vì nitơ là chất ổn định austenite nên việc mất nitơ từ khu vực hàn sẽ khuyến khích tỷ lệ ferit lớn hơn dẫn đến mất tính chất cơ học và ăn mòn. Điều này có thể được khắc phục bằng cách chọn kim loại phụ được hợp kim hóa quá mức, tức là có tỷ lệ niken lớn hơn (một chất ổn định austenite khác) hoặc sử dụng nitơ làm khí bảo vệ để kim loại mối hàn hấp thụ một lượng nhỏ nitơ.
