การหลีกเลี่ยงการเปราะตัวจากเฟสซิกม่าในเหล็กกล้าสองเฟส: ช่วงเวลา-อุณหภูมิที่สำคัญสำหรับการอบชุบโลหะ

การหลีกเลี่ยงการเปราะตัวจากเฟสซิกม่าในเหล็กกล้าสองเฟส: ช่วงเวลา-อุณหภูมิที่สำคัญสำหรับการอบชุบโลหะ

เหล็กกล้าสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์ (Duplex stainless steels) มีชื่อเสียงจากความแข็งแรงและการทนต่อการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยม จึงมีความสำคัญอย่างมากในงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงในอุตสาหกรรมการแปรรูปเคมี อุตสาหกรรมปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ รวมถึงอุตสาหกรรมทางทะเล อย่างไรก็ตาม ความเสถียรของโครงสร้างจุลภาค (microstructural stability) ไม่สามารถรับประกันได้เสมอไป ปัญหาสำคัญประการหนึ่งระหว่างการอบชุบคือการเกิดเฟสซิกม่า (sigma phase) ซึ่งเป็นสารอินเตอร์เมทัลลิกที่เปราะ ซึ่งสามารถทำให้คุณสมบัติทางกลและการทนต่อการกัดกร่อนเสื่อมสภาพลงอย่างรุนแรง การเข้าใจและหลีกเลี่ยงช่วงเวลา-อุณหภูมิที่สำคัญสำหรับการเกิดเฟสซิกม่านั้นไม่ใช่เพียงรายละเอียดทางเทคนิคเท่านั้น แต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนมีความสมบูรณ์และปลอดภัย

คู่มือนี้ให้กรอบแนวทางที่สามารถนำไปปฏิบัติได้จริงในการป้องกันการเปราะตัวจากเฟสซิกม่าในระหว่างการอบชุบเหล็กกล้าสแตนเลสดูเพล็กซ์

ปัญหาเฟสซิกม่า: เหตุใดจึงมีความสำคัญ

เฟสซิกม่า (σ) เป็นสารประกอบที่แข็งและเปราะ ซึ่งมีโครเมียมและโมลิบดีนัมเป็นองค์ประกอบหลัก การเกิดเฟสซิกม่าจะทำให้ธาตุโลหะผสมสำคัญเหล่านี้ลดลงในเนื้อโลหะรอบๆ จนกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนตามธรรมชาติของเหล็กกล้า ทางด้านกลไก เฟสซิกม่าในปริมาณเพียงเล็กน้อยก็สามารถลดความเหนียวและแรงดึงได้อย่างมาก

ผลกระทบจากภาวะเปราะตัวจากเฟสซิกม่านั้นมีความรุนแรงอย่างมาก:

• การแตกหักอย่างรุนแรง : ชิ้นส่วนสามารถแตกสลายได้ภายใต้แรงกระแทกหรือแรงปะทะ

• การกัดกร่อนก่อนวัยอันควร : ท่อ ภาชนะ หรือข้อต่อเกิดความล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน

• ความเสียหายที่สร้างความเสียหายทางเศรษฐกิจ : อาจต้องทิ้งหรือแก้ไขชุดชิ้นงานที่ผ่านการอบชุบทั้งหมดใหม่

ช่วงอุณหภูมิที่เกิดเฟสซิกม่า: จุดเสี่ยงอันตราย

เฟสซิกม่าไม่ได้เกิดขึ้นทันทีหรือเกิดขึ้นได้ทุกอุณหภูมิ มันมีช่วงเฉพาะในการก่อตัวและเติบโต โดยปกติจะเกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ประมาณ 600°C ถึง 1000°C (1112°F - 1832°F) ในช่วงอุณหภูมินี้ ความเสี่ยงไม่เท่ากันในทุกระดับ

• ช่วงอุณหภูมิที่การเกิดสูงสุด : การเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่สุดเกิดขึ้นระหว่าง 750°C และ 950°C (1382°F - 1742°F) การสัมผัสในช่วง "nose" ของแผนภูมิเวลา-อุณหภูมิ-การเปลี่ยนแปลง (TTT) นี้มีความอันตรายสูงมาก

• การขึ้นอยู่กับเวลา : การเกิดขึ้นถูกควบคุมด้วยการแพร่ ซึ่งหมายความว่ามีความขึ้นอยู่กับทั้ง เวลา และ อุณหภูมิ อุณหภูมิและเวลา การค้างไว้ชั่วคราวที่อุณหภูมิสูงอาจเป็นอันตรายน้อยกว่าการค้างไว้นานๆ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าในช่วงอุณหภูมิวิกฤต

แนวทางปฏิบัติสำหรับการอบชุบความร้อนอย่างปลอดภัย

วิธีหลักในการป้องกันการเกิดเฟสซิกม่าคือการควบคุมพารามิเตอร์ของการรักษาความร้อนอย่างเคร่งครัด โดยขั้นตอนแรกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ การอบแก้เครียด .

1. การอบแบบละลาย: การรีเซ็ตที่จำเป็น

กระบวนการนี้จะช่วยละลายเฟสทุติยภูมิ (เช่น เฟสซิกม่า) ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการผลิตก่อนหน้า (เช่น การเชื่อม หรือการขึ้นรูปขณะร้อน) และจะคืนค่าโครงสร้างจุลภาคแบบออสเทนไนต์-เฟอร์ไรต์ที่สมดุลในสัดส่วน 50/50 อีกครั้ง

• อุณหภูมิ : ให้ความร้อนถึงอุณหภูมิที่สูงพอที่จะละลายเฟสทุติยภูมิทั้งหมด โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1020°C ถึง 1100°C (1868°F - 2012°F) สำหรับเหล็กกล้าดูเพล็กซ์เกรด 2205 มาตรฐาน อุณหภูมิที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับเกรดและองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะของวัสดุ

• เวลาแช่ : คงอุณหภูมิไว้ให้นานพอที่จะให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอและปราศจากสารตกค้าง โดยทั่วไปอยู่ที่ 15 นาที ถึง 1 ชั่วโมง ต่อความหนา 1 นิ้ว .

• การทำให้เย็น : ขั้นตอนนี้ถือว่าสำคัญที่สุด วัสดุต้องถูกระบายความร้อนให้เร็วพอที่จะผ่านช่วงอุณหภูมิที่ก่อให้เกิดเฟสซิกม่า อย่างรวดเร็ว (ต่ำกว่า 600°C) เพื่อป้องกันการตกผลึกซ้ำ

  • วิธี : การดับน้ำ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดและเป็นที่แนะนำสำหรับชิ้นส่วนที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ สำหรับชิ้นส่วนที่บาง การดับด้วยลมแรงอาจเพียงพอ

2. การหลีกเลี่ยงการเข้าสู่ช่วงอุณหภูมิวิกฤตซ้ำ

หลังจากการอบอ่อน กระบวนการให้ความร้อนใดๆ ต่อไปจะต้องควบคุมอย่างระมัดระวัง

• การผ่อนคลายแรงดัน การผ่อนคลายแรงดันแบบมาตรฐานสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน (~600-650°C) จะอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ทำให้เกิดเฟสซิกม่าโดยตรง และ ไม่เหมาะสำหรับเหล็กกล้าแบบดูเพล็กซ์ หากจำเป็นต้องทำการผ่อนคลายแรงดันจริง ๆ ควรใช้วิธีอุณหภูมิสูงที่ให้ความร้อนอย่างรวดเร็วผ่านช่วงวิกฤตไปยังอุณหภูมิที่สูงกว่า (เช่น ~1050°C) คงอุณหภูมิไว้เพียงระยะเวลาสั้นมาก แล้วจึงดับน้ำใหม่ ซึ่งเป็นกระบวนการพิเศษ

• การเชื่อมและงานความร้อน : กระบวนการเหล่านี้จะสร้างโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ซึ่งจะต้องผ่านช่วงอุณหภูมิที่สำคัญอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หัวใจสำคัญคือการควบคุมปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไปและอุณหภูมิระหว่างการเชื่อม (สูงสุด ~100°C / 212°F สำหรับวัสดุ 2205) เพื่อลดระยะเวลาที่อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เป็นอันตราย โครงสร้างจุลภาคหลังการเชื่อมมักจำเป็นต้องได้รับการประเมิน

การตรวจจับและการแก้ไข: วิธีการตรวจสอบและแก้ไข

• การตรวจพบ :

  • การทดสอบแรงกระแทก : การวัดค่าความเหนียวที่ลดลงโดยตรง การทดสอบแรงกระแทกที่ล้มเหลว ถือเป็นตัวบ่งชี้ที่ชัดเจนถึงการเกิดการเปราะตัว

  • โลหกรณ์ศาสตร์ : เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป ตัวอย่างจะถูกขัดเงาและกัดด้วยสารเคมีเพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างจุลภาค เฟสซิกม่าจะปรากฏเป็นก้อนสี่เหลี่ยมที่สว่างอยู่ตามขอบเขตของเฟอร์ไรต์-ออสเทนไลต์ (ดูตัวอย่างภาพจุลภาคประกอบ)

  • การทดสอบทางไฟฟ้าเคมี : เทคนิคเช่น Double Loop Electrochemical Potentiokinetic Reactivation (DL-EPR) สามารถตรวจจับบริเวณที่มีโครเมียมลดลง ซึ่งเกิดจากเฟสซิกม่า

• การแก้ไขปัญหา :

  • หากตรวจพบว่ามีเฟสซิกม่า วิธีแก้ไขที่เชื่อถือได้เพียงวิธีเดียวคือการอบชุบด้วยความร้อนแบบฟูลโซลูชัน ตามด้วยการดับความร้อนอย่างรวดเร็ว

  • หมายเหตุ : เมื่อเฟสซิกม่าก่อตัวขึ้นแล้ว จะยากต่อการละลาย เวลาที่ทำการอบอ่อนต้องใช้อุณหภูมิสูงที่เหมาะสมและเวลายืนยาวเพียงพอ

ข้อสรุปสำคัญสำหรับผู้ควบคุมเครื่องและวิศวกร

1. รู้ช่วงอุณหภูมิที่อันตราย : จดจำช่วงอุณหภูมิที่สำคัญคือ 600-1000°C (1112-1832°F) . ปฏิบัติต่อทุกการปฏิบัติงานที่ทำให้โลหะอยู่ในช่วงอุณหภูมินี้ว่ามีความเสี่ยงสูง

2. ให้ล้างเย็นทันที ห้ามให้เย็นเอง : หลังจากกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิสูงทุกครั้ง ให้ล้างน้ำทันที เพื่อให้ผ่านช่วงอุณหภูมิที่ก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว ห้ามปล่อยให้ชิ้นส่วนเย็นตัวเองในเตาเผาหรือบนโต๊ะ

3. หลีกเลี่ยงการผ่อนคลายแรงดันอย่างไม่เหมาะสม : ห้ามใช้ขั้นตอนการผ่อนคลายแรงดันที่อุณหภูมิต่ำที่ออกแบบมาสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน

4. ตรวจสอบและรับรองคุณสมบัติ : รับรองคุณสมบัติของขั้นตอนการบำบัดด้วยความร้อนโดยใช้การทดสอบทางกล (โดยเฉพาะความเหนียวกระแทก) และการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค ตรวจสอบกระบวนการปฏิบัติในโรงงานเป็นระยะๆ

ด้วยการควบคุมระยะเวลาและอุณหภูมิอย่างเคร่งครัด และปฏิบัติตามช่วงเวลาที่สำคัญตามแผนภาพ TTT ผู้ผลิตสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาที่ก่อให้เกิดความเสียหายและอันตรายจากภาวะเปราะตัวเนื่องจากเฟสซิกม่าได้อย่างเชื่อถือได้ เพื่อให้มั่นใจถึงสมรรถนะที่ยอดเยี่ยมของชิ้นส่วนสแตนเลสเหล็กกล้าสองเฟส