تجنب هشاشة الطور سيغما في الفولاذ المزدوج: النوافذ الحرجة لفترة درجة الحرارة في المعالجة الحرارية

تجنب هشاشة الطور سيغما في الفولاذ المزدوج: النوافذ الحرجة لفترة درجة الحرارة في المعالجة الحرارية

تُعتبر الفولاذات المزدوجة (Duplex stainless steels) ذات أهمية كبيرة في التطبيقات الصعبة ضمن صناعات المعالجة الكيميائية والنفط والغاز والصناعات البحرية، وذلك لدمجها الممتاز بين القوة والمقاومة للتآكل. ومع ذلك، فإن استقراريتها المجهرية ليست مضمونة. إن تهديدًا كبيرًا أثناء المعالجة الحرارية يتمثل في تشكُّل الطور سيغما (sigma phase)، وهو مركب بين معدني هش يمكن أن يؤدي إلى تدهور كارثي في الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل. ففهم وتجنب النوافذ الحرارية-الزمنية الحرجة لتكوينه ليس مجرد تفصيل تقني، بل هو ضرورة لضمان سلامة وتكامل المكونات.

يوفر هذا الدليل إطارًا عمليًا وقابلًا للتنفيذ لتجنب هشاشة الطور سيغما خلال المعالجة الحرارية للفولاذات المزدوجة.

مشكلة الطور سيغما: لماذا هي مهمة

طور سيغما (σ) هو مركب صلب وهش غني بالكروم والموليبدنوم. يؤدي تشكّل هذا الطور إلى نقصان في محتوى هذه العناصر المعدنية الحيوية في المصفوفة المحيطة، مما يُضعف مقاومة الفولاذ للتآكل بشكل طبيعي. من الناحية الميكانيكية، يمكن أن تؤدي حتى نسبة صغيرة من طور سيغما إلى تقليل كبير في المطيلية وصلابة التأثير.

عواقب هشاشة طور سيغما تكون وخيمة:

• الفشل الكارثي : يمكن أن تنفصل المكونات أو تنكسر تحت تأثير الأحمال الصدمية أو الاصطدامات.

• التآكل المبكر : فشل الأنابيب أو الخزانات أو الوصلات في البيئات المسببة للتآكل.

• الرفضيات ذات التكلفة العالية : قد يضطر إلى التخلص من دفعات كاملة معالجة حرارياً أو إعادة معالجتها.

نافذة التشكّل: حيث تكمن الخطورة

لا يتشكل طور سيغما بشكل فوري أو على مدى جميع درجات الحرارة. بل له نطاق تشكل ونمو محدد للغاية، وعادة ما يكون ضمن نطاق درجات حرارة معين. حوالي 600°م إلى 1000°م (1112°ف - 1832°ف) . داخل هذا النطاق، لا يكون الخطر موحدًا

• نطاق التكون الأقصى : يحدث التكون الأسرع بين 750°م و950°م (1382°ف - 1742°ف) . التعرض داخل هذا الجزء "المنحنى" من مخطط الزمن-درجة الحرارة-التحول (TTT) يكون شديد الخطورة

• الاعتماد على الزمن : يتم التحكم في التكون بواسطة الانتشار، مما يعني أنه يعتمد على الاثنين معًا الوقت و درجة الحرارة يعتمد على الزمن. قد تكون مدة قصيرة عند درجة حرارة أعلى أقل ضررًا من مدة طويلة عند درجة حرارة أقل ضمن النطاق الحراري الحرج

الإرشادات العملية لإجراء المعالجة الحرارية بأمان

الطريقة الأساسية لتجنب تشكّل الطور سيغما هي التحكم الصارم في معايير المعالجة الحرارية، مع الخطوة الأولى الشاملة وهي المعالجة الحرارية .

1. التلدين الحلولي: الخطوة الأساسية لإعادة التعيين

هذه العملية تذيب أي طور ثانوي (مثل الطور سيغما) قد تكون تشكلت خلال عمليات تصنيع سابقة (مثل اللحام أو التشغيل الساخن) وتعيد تشكيل البنية المجهرية المتوازنة المكونة من 50/50 أوستنيت-فيريت.

• درجة الحرارة : تسخين إلى درجة حرارة كافية لذوبان جميع الطورات الثانوية، وعادة ما تكون 1020°م إلى 1100°م (1868°ف - 2012°ف) للصلب المزدوج القياسي 2205. تعتمد درجة الحرارة الدقيقة على الدرجة والتركيب الكيميائي المحدد.

• وقت النقع : الحفاظ على درجة الحرارة لفترة كافية لتحقيق بنية متجانسة وخالية من الترسبات. وعادة ما تكون هذه الفترة 15 دقيقة إلى ساعة واحدة لكل إنش من السمك .

• التبريد : هذه هي الخطوة الأكثر أهمية. يجب تبريد المادة بسرعة من خلال نافذة تكوين الطور سيجما (أقل من 600°م) لمنع الترسيب مجددًا.

  • الطريقة : الإطفاء بالماء هو الطريقة الأكثر فعاليةً ويوصى بها للقطاعات ذات الحجم الكبير. أما بالنسبة للقطاعات الرقيقة، فقد يكون إطفاء الهواء المُجبر كافيًا.

2. تجنب الدخول مجددًا إلى النطاق الحراري الحرج

بعد التلدين الحلولي، يجب التحكم بدقة في أي عملية حرارية لاحقة.

• تخفيف الإجهاد : معالجات تخفيف الإجهاد القياسية للصلب الكربوني (~600-650°م) تقع مباشرةً ضمن نطاق تشكيل الطور سيغما وهي غير مناسبة للصلب المزدوج . إذا كان تخفيف الإجهاد ضروريًا تمامًا، استخدم طريقة درجة الحرارة العالية التي تسخّن بسرعة خلال النطاق الحراري الحرج إلى درجة حرارة أعلى منه (مثلاً، ~1050°م)، وتُمسك لفترة قصيرة جدًا، ثم تعيد الإطفاء. هذه عملية متخصصة.

• اللحام والأعمال الحرارية : هذه العمليات تُنشئ مناطق محروقة حراريًا (HAZ) مُحلَّية تمر حتمًا عبر المدى الحراري الحرج. المفتاح هو التحكم في إدخال الحرارة ودرجة حرارة ما بين المرور (الحد الأقصى ~100°م / 212°ف لـ 2205) للحد من الوقت الذي تبقى فيه في النطاق الخطر. في كثير من الأحيان يتطلب الميكروبنية بعد اللحام تقييمًا.

الكشف والمعالجة: كيفية الفحص والتصحيح

• الكشف :

  • اختبار التأثير : قياس مباشر لفقدان المطيلية. يُعد فشل اختبار الصدمة مؤشرًا قويًا على التصلب.

  • ميتالوغرافيا : الطريقة الأكثر شيوعًا. يتم تلميع عينة ونقعها لإظهار البنية المجهرية. تظهر المرحلة سيغما كجزر مكعبية مشرقة عند حدود الفريت-الأوستنيت (انظر أمثلة الصور المجهرية).

  • اختبارات كهروكيميائية : تقنيات مثل إعادة التنشيط الكهروكيميائي المحتميوكينتيكي ثنائي الحلقة (DL-EPR) يمكنها الكشف عن مناطق نقصان الكروم الناتجة عن المرحلة سيغما.

• المعالجة :

  • إذا تم الكشف عن المرحلة سيغما، فإن العلاج الوحيد الموثوق هو إجراء معالجة حرارية كاملة بالتسخين ثم التبريد السريع تليها عملية تبريد سريعة.

  • ملاحظة : بعد تشكيل الطور سيغما، يصبح من الصعب إذابته. يجب إجراء التلدين الحلولي عند درجة الحرارة العالية الصحيحة مع وقت كافٍ للنقع.

الملخصات الرئيسية للمشغلين والمهندسين

1. تعرف على النطاق : تذكّر النطاق الحراري الحرج 600-1000°C (1112-1832°F) . يجب اعتبار أي عملية تحتفظ فيها المعادن ضمن هذا النطاق على أنها عالية الخطورة.

2. التحريق السريع، وليس التبريد : بعد أي عملية حرارية عالية، قم بـ التحريق السريع بالماء لتجاوز النطاق الحراري للتشكيل بسرعة. لا تسمح للأجزاء بالبرودة في الهواء داخل الفرن أو على الطاولة.

3. تجنب تخفيف الإجهاد غير السليم : لا تستخدم إجراءات تخفيف الإجهاد ذات درجة الحرارة المنخفضة المصممة للصلب الكربوني.

4. التحقق والتأهيل : قم بتأهيل إجراءات المعالجة الحرارية الخاصة بك باستخدام الفحص الميكانيكي (وخاصة مقاومة الصدمة) وتحليل التركيب المجهرى. قم بإجراء عمليات تدقيق دورية لممارسات الورشة.

من خلال التحكم بدقة في الزمن ودرجة الحرارة والالتزام بالفواصل الحرارية الحرجة المذكورة في مخطط TTT، يمكن للمصنّعين تجنّب مآخذ كارثة تصلب الطور سيغماا المكلفة والخطيرة، مما يضمن الأداء المتفوق لمكونات الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج.