Vai trò của xử lý nhiệt trong việc cải thiện tính chất cơ học của ống Duplex 2205

Vai trò của xử lý nhiệt trong việc cải thiện tính chất cơ học của ống Duplex 2205

Ống Duplex 2205 (UNS S32205/S31803) nổi tiếng với sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, đặc tính này bắt nguồn từ thành phần gần như bằng nhau giữa các pha austenite và ferrite. Tuy nhiên, những tính chất vượt trội này không tồn tại sẵn trong trạng thái đúc hoặc gia công xong ; chúng được tạo ra một cách chủ đích thông qua một bước sản xuất then chốt và được kiểm soát chính xác: ủ hòa tan và làm nguội nhanh.

Quy trình này không chỉ đơn thuần là một khuyến nghị; mà là yêu cầu cơ bản để đạt được các tính chất cơ học và chống ăn mòn theo tiêu chuẩn như ASTM A790 và ASME SA790.

1. Vấn đề "As-Worked": Tại sao cần phải xử lý nhiệt

Ống Duplex 2205 thường được sản xuất thông qua quá trình ép đùn nóng hoặc cán pilger. Những thao tác này bao gồm biến dạng lớn ở nhiệt độ cao, dẫn đến một số vấn đề sau:

• Sự kết tủa của các pha liên kim loại: Trong khoảng nhiệt độ khoảng 600°C đến 1000°C (1112°F đến 1832°F) , các pha thứ cấp có hại có thể kết tủa tại các biên giới hạt ferrit. Các pha phổ biến và gây hại nhất là:

  • Pha sigma (σ): Một pha giòn, giàu crôm làm mất hoàn toàn độ dẻo dai và giảm mạnh khả năng chống ăn mòn.

  • Pha chi (χ): Một pha liên kim loại giòn khác cũng có các ảnh hưởng tiêu cực tương tự.

  • Nitride và Carbide: Các chất kết tủa nitride crom (Cr₂N) hoặc carbide (M₂₃C₆) có thể hình thành, làm giảm lượng crom trong vùng kim loại nền xung quanh và tạo ra các vị trí dễ bị ăn mòn lỗ.

• Ứng suất dư cao: Các quá trình gia công cơ học để lại các ứng suất nội bộ (ứng suất dư) đáng kể bên trong vật liệu.

• Tỷ lệ pha không cân bằng: Biến dạng có thể phá vỡ tỷ lệ cân bằng lý tưởng giữa austenite và ferrite là 50/50, dẫn đến việc dư thừa một pha nào đó, từ đó làm suy giảm các tính chất tối ưu của vật liệu.

Trong trạng thái này, ống sẽ có khả năng chống ăn mòn kém, độ dẻo dai va chạm thấp và các tính chất cơ học không ổn định.

2. Giải pháp: Ủ hòa tan và làm nguội nhanh

Quy trình xử lý nhiệt cho thép không gỉ duplex là một thao tác hai bước nhằm khắc phục tất cả các vấn đề nêu trên.

Bước 1: Ủ hòa tan (ủ giữ nhiệt)

Ống được đun nóng đến nhiệt độ đủ cao để đưa tất cả các nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn và hòa tan bất kỳ các chất kết tủa có hại nào. Đối với Duplex 2205, dải nhiệt độ này thường là 1020°C đến 1100°C (1868°F đến 2012°F) .

• Ở nhiệt độ này:

  • Các pha Sigma, Chi và các pha khác hòa tan trở lại vào cấu trúc vi mô.

  • Các nguyên tố hợp kim (Cr, Mo, N, Ni) trở nên phân bố đồng đều.

  • Pha ferit chiếm ưu thế mạnh ở nhiệt độ này.

Bước 2: Làm nguội nhanh

Đây là phần quan trọng nhất của quá trình. Ống được làm nguội nhanh, thường bằng cách tôi nước ("phun nước" hoặc bể tôi), để nhanh chóng đi qua dải nhiệt độ tới hạn (600-1000°C) nơi các pha có hại hình thành.

• Việc làm nguội nhanh:

  • ổn định cấu trúc đồng nhất, không có pha kết tủa.

  • Cho phép lượng austenite phù hợp được tái tạo từ ferrite trong quá trình làm nguội, tạo ra tỷ lệ cân bằng pha mong muốn ~50% austenite / ~50% ferrite .

  • Ngăn chặn sự kết tủa lại của pha sigma và nitride crom.

3. Cách Thức Cải Thiện Tính Chất Cơ Học

Nhiệt luyện hòa tan trực tiếp tạo ra các tính chất cơ học làm cho ống Duplex 2205 trở nên đặc biệt giá trị.

4. Mối Liên Hệ Với Khả Năng Chống Ăn Mòn

Mặc dù tập trung vào các tính chất cơ học, nhưng không thể tách rời chúng khỏi hiệu suất chống ăn mòn. Các chất kết tủa giống nhau làm phá hủy độ dẻo dai cũng đồng thời phá hủy khả năng chống ăn mòn:

• Pha Sigma: Giàu crôm và molypden. Sự hình thành của chúng làm cạn kiệt ma trận xung quanh các nguyên tố thiết yếu chống ăn mòn này, tạo ra các vị trí anốt rất dễ bị ăn mòn lỗ và ăn mòn khe.

• Nitrit crôm (Cr₂N): Tương tự, làm cạn kiệt vùng xung quanh chúng về crôm, khiến những khu vực này trở nên dễ bị tấn công.

Một ống được xử lý nhiệt đúng cách không chỉ mạnh hơn và dai hơn; mà còn có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Một ống được xử lý kém sẽ hỏng sớm trong chính những môi trường mà nó được thiết kế để hoạt động.

5. Vai trò của Kiểm định viên: Xác minh việc Xử lý nhiệt đúng cách

Bạn không thể xác nhận bằng mắt thường về việc xử lý nhiệt đúng cách. Việc xác minh được thực hiện thông qua:

1. Giấy chứng nhận kiểm tra từ nhà máy (MTC): Giấy chứng nhận (ưu tiên theo tiêu chuẩn EN 10204 3.1) phải xác nhận rằng chu trình xử lý nhiệt đã được thực hiện. Đây là hàng rào bảo vệ đầu tiên.

2. Phân tích vi cấu trúc: Thử nghiệm chính xác nhất. Một mẫu được ăn mòn sẽ được kiểm tra dưới kính hiển vi để đánh giá các yếu tố sau:

   • Cân bằng pha: Tỷ lệ austenite-ferrite xấp xỉ 50/50.

   • Không có chất kết tủa: Không có pha sigma hay nitride crom tại các biên giới hạt.

3. Kiểm tra độ cứng: Một bài kiểm tra tại hiện trường nhanh chóng. Các giá trị nằm ngoài phạm vi quy định (thường là HRC 30-32 tối đa) có thể cho thấy nhiệt luyện không đúng cách hoặc bị nhiễm bẩn.

4. Thử nghiệm Va Đập: Các thử nghiệm Charpy V-Notch thường được yêu cầu đối với các ứng dụng quan trọng để đo trực tiếp độ dai va đập.

Kết luận: Bước bắt buộc phải thực hiện

Nhiệt luyện không phải là bước "phụ" tùy chọn đối với ống Duplex 2205; mà là bước sản xuất quyết định biến một phôi kim loại đã qua gia công thành vật liệu kỹ thuật hiệu suất cao.

• Đối Với Nhà Sản Xuất: Quá trình này đòi hỏi sự kiểm soát chính xác về thời gian, nhiệt độ và tốc độ làm nguội. Những sai lệch có thể khiến cả mẻ ống bị loại bỏ.

• Đối với Người mua và Kỹ sư: Việc yêu cầu và kiểm tra việc nhiệt luyện đúng cách thông qua các báo cáo MTR được chứng nhận và, khi cần thiết, kiểm tra bởi bên thứ ba, là yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống đường ống bạn lắp đặt sẽ đạt được hiệu suất cơ học và tuổi thọ như cam kết.

Đầu tư vào ống từ nhà máy uy tín, nơi kiểm soát nghiêm ngặt quá trình này, là cách duy nhất để đảm bảo bạn nhận được đúng giá trị thực sự của Duplex 2205.