Металлургия сварки нержавеющей стали

Коррозионная стойкость нержавеющей стали обеспечивается главным образом включением элемента хрома. Хром вместе с железом, никелем и небольшими количествами других металлов, присутствующих в сплаве, образуют прочно сцепленный сложный оксидный барьер на поверхности металла, называемый пассивным слоем. Пассивный слой образуется в насыщенной кислородом среде и достаточно устойчив к химическому воздействию. Дальнейшая металлургическая модификация этого пассивного слоя может обеспечить еще большую коррозионную стойкость. Этот процесс называется химической пассивацией. Химическая пассивация избирательно удаляет атомы железа с поверхности, чтобы улучшить соотношение хрома и железа. Однако некоторые распространенные процессы обработки нержавеющей стали сводят на нет преимущества высокого содержания хрома — например, сварка.

Сварка нержавеющей стали может снизить коррозионную стойкость металла из-за фазовых превращений, происходящих при повышенной температуре. Двумя основными вредными фазами, образующимися при повышенной температуре, являются карбиды хрома и интерметаллическая фаза, называемая сигма. Эти превращения происходят примерно между 800⁰F и 1600⁰F. Кроме того, они могут возникать в любое время, когда сплав подвергается воздействию такой высокой температуры, а не только во время сварки. Карбиды хрома локально уменьшают количество хрома в фазе основного металла, в то время как сигма-фаза снижает как локальное содержание хрома, так и молибдена (присутствует в легированных нержавеющих сталях марки 316 и более прочных) в основном металле. В результате как пассивный слой, так и основной металл под пассивным слоем в этих локализованных областях становятся гораздо более восприимчивыми к коррозии. Этот процесс образования вредных карбидов при повышенной температуре называется сенсибилизацией нержавеющей стали, потому что там, где эти карбиды существуют, сплав становится гораздо более чувствительным к коррозии в химических средах, которые не вызывают беспокойства у несенсибилизированного материала.

Эффект сенсибилизации

Сенсибилизация контролируется двумя способами. Термическая обработка с отжигом на твердый раствор может растворить любые карбиды и сигма-фазы, выделившиеся в результате сварки, обратно в фазу основного металла. Типичная температура отжига на раствор для нержавеющей стали 316 составляет около 2000⁰F. Другой метод предотвращения появления сенсибилизированной нержавеющей стали заключается в выборе сплава. Семейство нержавеющих сталей L, т. е. 304L и 316L, имеет пониженное содержание углерода по сравнению с исходным сплавом с таким же числовым обозначением. Снижение содержания углерода значительно снижает движущую силу образования сенсибилизирующих карбидных фаз, и, таким образом, для образования требуется гораздо больше времени при повышенной температуре, чем может обеспечить обычная операция сварки.

Astro Pak обладает многолетним опытом восстановления компонентов из нержавеющей стали, подвергшихся неблагоприятным металлургическим превращениям. Наша команда экспертов разработала запатентованные процессы травления, электрополировки и пассивации, которые восстанавливают чувствительные сварные швы или другие поверхностные дефекты, снижающие коррозионную стойкость. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о том, как Astro Pak может защитить или восстановить вашу систему с помощью различных химических услуг.

Последнее слово

Более высокое содержание хрома на поверхности имеет решающее значение для выбора коррозионностойкого сплава, но необходимо учитывать этапы обработки, чтобы гарантировать, что хром может обеспечить его коррозионную стойкость. Вредные фазы связывают хром в основном металле, делая локальные участки металла восприимчивыми к воздействию окружающей среды, которая не должна быть проблемой для должным образом обработанного сплава. Сварка является одним из распространенных процессов для нержавеющей стали, которые могут образовывать эти вредные фазы, но существуют варианты предотвращения их появления или даже восстановления сплава до оптимального рабочего состояния после их образования.

Об авторе

Брэдли Хостетлер

Брэдли Хостетлер недавно присоединился к Astro Pak, заняв должность металлурга в группе технических услуг Astro Pak. Брэдли имеет степень бакалавра в области материаловедения Калифорнийского политехнического государственного университета в Сан-Луис-Обиспо и степень магистра материаловедения в Университете Карнеги-Меллона. Он родом из металлургической промышленности и имеет как исследования, так и опыт работы в области плавки стали и специальных сплавов. Брэдли имеет опыт участия и выступления на различных конференциях AIST (Ассоциация по технологиям черной металлургии) и NACE (Национальная ассоциация инженеров по коррозии) во время учебы.

5 Распространенные ошибки при сварке нержавеющей стали

Большинство типов нержавеющих сталей обладают хорошей свариваемостью и могут быть сварены всеми процессами дуговой сварки (GMAW, FCAW, GTAW, SMAW и SAW). Нержавеющая сталь используется во многих областях благодаря своей прочности, стойкости к истиранию и коррозионной стойкости.

К сожалению, многие предполагают, что его можно сваривать так же, как углеродистую сталь.

На самом деле, это первая и худшая ошибка, которую можно совершить: предположить, что он будет сваривать (и вести себя) как углеродистая сталь.

Существует много марок нержавеющей стали, которые имеют очень разные механические и химические свойства. Получение четкого представления о нержавеющих сплавах, их свойствах, способах их сварки и выборе правильного сплава для данного применения — это наука, которой овладели очень немногие. Этот пост не является попыткой обеспечить ускоренный курс сварки нержавеющих сталей. Вместо этого мы хотим сосредоточиться на 5 наиболее распространенных ошибках при сварке нержавеющей стали. Ошибки, которых вам обязательно следует избегать.

Ошибка №1: Предполагается, что он сваривается так же, как углеродистая сталь.

Физические свойства нержавеющей стали сильно отличаются от свойств углеродистой стали. Обладая более высоким тепловым расширением и гораздо более низкой теплопроводностью, чем углеродистая сталь, нержавеющая сталь имеет тенденцию деформироваться, деформироваться и создавать всевозможные проблемы с подгонкой. Если вы впервые свариваете листовой металл из нержавеющей стали, вам определенно придется столкнуться с этой проблемой. Советы по контролю искажений см. в разделах «7 способов контроля искажения» и «4 свойства материалов, влияющих на искажение».

Высокий коэффициент теплового расширения нержавеющей стали и низкая теплопроводность делают ее легко деформируемой при сварке.

Ошибка №2: Использование одних и тех же инструментов как для нержавеющей, так и для углеродистой стали.

Сварка нержавеющей стали должна быть полностью отделена от углеродистой стали. Многие проблемы могут возникнуть, когда оба свариваются на одних и тех же станциях. Например, если вы используете щетку для нержавеющей стали на сварных швах из углеродистой стали, а затем используете ее на сварных швах из нержавеющей стали, вы вводите железо в сварной шов из нержавеющей стали. Это приведет к преждевременной коррозии. Лучше иметь отдельные инструменты.

Ошибка № 3: Не знать тип/марку нержавеющей стали, которую вы свариваете.

Существует множество марок нержавеющей стали, каждая из которых имеет свои характеристики и механические свойства. Одни легко поддаются сварке, другие склонны к растрескиванию. Использование неправильного присадочного металла может привести к катастрофическим последствиям. Всегда знайте основной материал, чтобы выбрать правильный присадочный металл.

Растрескивание при затвердевании (горячее растрескивание) представляет собой проблему при сварке нержавеющей стали. Очень важен правильный выбор присадочного металла. Вид сверху: 304 приварен к A36 с присадочным металлом 308.

Ошибка № 4: Использование защитного газа, как для углеродистой стали.

Хотите верьте, хотите нет, это чрезвычайно распространено. При сварке нержавеющих сталей мы хотим убедиться, что содержание углекислого газа и/или кислорода не превышает 2-3%. Многие мастерские будут использовать газ, который они используют для углеродистой стали (например, 90% аргона/10% углекислого газа при сварке MIG) для нержавеющей стали. Что скрывает эту проблему, так это то, что он хорошо сваривается и выглядит нормально. Но такое высокое содержание углекислого газа приведет к преждевременной коррозии. Хуже всего то, что он пройдет визуальный осмотр и покинет ваш магазин, но через несколько недель или месяцев вам позвонит ваш покупатель и скажет, что сварные швы ржавеют.

Ошибка №5: Сварка слишком горячая.

Особенно это заметно при сварке TIG. Когда вы свариваете слишком жарко, вы существенно снижаете уровень хрома. Хром — это то, что обеспечивает коррозионную стойкость, поэтому вы получите преждевременную коррозию, если не будете контролировать свои процедуры. Это особенно верно для аустенитных нержавеющих сталей (например, серии 300). Сварка с очень высокой входной мощностью приводит к низкой скорости охлаждения, что увеличивает время, проводимое в диапазоне чувствительности.