स्टेनलेस स्टील के लिए हीट ट्रीटमेंट विधियों के लिए निश्चित मार्गदर्शिका: प्रक्रियाएं, धातु विज्ञान, और मानक

परिचय: स्टेनलेस स्टील का ताप अनिवार्य

स्टेनलेस स्टील का निर्माण यांत्रिक आवश्यकताओं के साथ थर्मोडायनामिक स्थिरता को संतुलित करने का एक अभ्यास है।जहां गर्मी उपचार मुख्य रूप से कठोरता और तन्यता शक्ति को नियंत्रित करने के लिए एक तंत्र हैस्टेनलेस स्टील के थर्मल प्रसंस्करण का एक दोहरे और अक्सर परस्पर विरोधी उद्देश्य होता हैः यांत्रिक गुणों को बढ़ाना और संक्षारण प्रतिरोध को संरक्षित करना।यह रिपोर्ट एक संपूर्णस्टेनलेस स्टील के पांच प्रमुख परिवारों के लिए लागू गर्मी उपचार विधियों का विशेषज्ञ स्तर का विश्लेषण

स्टेनलेस स्टील एक एकल सामग्री नहीं है, बल्कि लोहे के आधार पर मिश्र धातुओं का एक विशाल परिवार है जिसमें कम से कम 10.5% क्रोमियम होता है। यह क्रोमियम ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि एक निष्क्रिय क्रोमियम ऑक्साइड परत बन सके ($Cr_2O_3$), एक स्व-चिकित्सीय फिल्म जो सामग्री की "स्टेनलेस" विशेषता प्रदान करती है।¹ताप उपचार इस निष्क्रिय परत की अखंडता को गहराई से प्रभावित करता है। अनुचित थर्मल चक्र कार्बाइड को निचोड़ सकते हैं जो स्थानीय क्रोमियम को समाप्त करते हैं (संवेदीकरण),भंगुर इंटरमेटलिक चरणों (सिग्मा चरण) का निर्माण, या सतह स्केलिंग का कारण बनता है जो सब्सट्रेट को खतरे में डालता है।³नतीजतन, स्टेनलेस स्टील के ताप उपचार के लिए चरण आरेखों, शीतलन गति विज्ञान और भट्ठी के वातावरण को नियंत्रित करने की बारीक समझ की आवश्यकता होती है।

यह दस्तावेज इंजीनियरों और धातुविदों के लिए एक व्यापक पुस्तिका के रूप में कार्य करता है। यह औद्योगिक मानकों (ASTM A484, A564, AMS 2759),सूक्ष्म संरचनात्मक विकास पर अकादमिक अनुसंधान, और उपकरण चयन के लिए व्यावहारिक दिशानिर्देश। यह वेल्ड क्षय को रोकने के लिए ऑस्टेनिटिक ग्रेड के समाधान एनीलिंग की महत्वपूर्ण बारीकियों की जांच करता है,17-4 पीएच जैसे वर्षा-कठोर मिश्र धातुओं के लिए आवश्यक सटीक उम्र बढ़ने के चक्र, और दुपहिया स्टेनलेस स्टील के भंगुरता से बचने के लिए नाजुक बुझाने की आवश्यकताएं।यह उन्नत विषयों जैसे कि मार्टेंसिटिक स्थिरता के लिए क्रायोजेनिक प्रसंस्करण और नमक स्नान प्रसंस्करण के विपरीत वैक्यूम की तुलनात्मक प्रभावशीलता को संबोधित करता है।.

धातुकर्म के मूलभूत तत्व और मिश्र धातु प्रभाव

स्टेनलेस स्टील के थर्मल उपचार में महारत हासिल करने के लिए सबसे पहले परमाणु स्तर की बातचीत को विच्छेदन करना होगा जो कि थर्मल ऊर्जा के प्रति इसकी प्रतिक्रिया को परिभाषित करती है।इस्पात की क्रिस्टलोग्राफिक संरचना, शरीर-केंद्रित घन (BCC) फेराइट, या शरीर-केंद्रित टेट्रागोनल (BCT) मार्टेंसाइट उपलब्ध गर्मी उपचार खिड़कियों और परिणामी यांत्रिक गुणों को निर्धारित करता है।

2.1 ताप प्रसंस्करण में मिश्र धातु तत्वों की भूमिका

स्टेनलेस स्टील ग्रेड में मिश्रण तत्वों का विशिष्ट मिश्रण इसकी चरण स्थिरता की सीमाओं और हीटिंग और कूलिंग के प्रति इसकी प्रतिक्रिया को निर्धारित करता है।

• क्रोमियम (Cr):यह एक मजबूत फेराइट स्टेबलाइजर है। गर्मी उपचार में, क्रोमियम का व्यवहार कार्बन के लिए इसकी आत्मीयता के कारण महत्वपूर्ण है। 425 डिग्री सेल्सियस से 870 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में, क्रोमियम का उपयोग कार्बन के लिए किया जाता है।क्रोमियम कार्बन के साथ जटिल कार्बाइड बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है (e.g,$M_{23}C_6$यह समीपस्थ मैट्रिक्स से क्रोमियम को हटा देता है, जिससे स्थानीय एकाग्रता निष्क्रियता के लिए आवश्यक 10.5% सीमा से नीचे गिर जाती है, एक घटना जिसे संवेदनशीलता के रूप में जाना जाता है।¹

• निकेल (Ni):प्राथमिक ऑस्टेनाइट स्थिरीकरक। निकेल (जैसे 300 श्रृंखला में) जोड़ने से उच्च तापमान ऑस्टेनाइट से निम्न तापमान फेराइट / मार्टेंसाइट में परिवर्तन को दबा दिया जाता है।यह उच्च निकेल मिश्र धातुओं को बुझाने से कठोर नहीं बनाता हैनिकेल भी कठोरता और लचीलापन में सुधार करता है, गुण जो एनीलिंग के माध्यम से अधिकतम होते हैं।¹

• कार्बन (सी):एक इंटरस्टिशियल सॉल्यूट जो मार्टेंसिटिक ग्रेड में प्राथमिक कठोर एजेंट के रूप में कार्य करता है। 440C जैसे ग्रेड में, उच्च कार्बन (0.95~1.20%) बुझाने पर अत्यधिक कठोरता (एचआरसी 60+) को सक्षम करता है। हालांकि,ऑस्टेनिटिक ग्रेड मेंकार्बन आमतौर पर एक अशुद्धता है जिसे थर्मल साइक्लिंग या वेल्डिंग के दौरान संवेदनशीलता को रोकने के लिए कम से कम किया जाना चाहिए (<0.03% "एल" ग्रेड में) ।⁸

• मोलिब्डेनम (मो):316 या 2205 में पिटिंग प्रतिरोध को बेहतर बनाने के लिए जोड़ा जाता है। हालांकि, मोलिब्डेनम प्रतिकूल इंटरमेटलिक चरणों के गठन को बढ़ावा देता है, जैसे कि सिग्मा ($सिग्मा$) और Chi ($चि$) चरणों में, विशेष रूप से डुप्लेक्स और उच्च मिश्र धातु ऑस्टेनिटिक स्टील्स में 700°C से 1000°C के बीच के तापमान के संपर्क में।⁴

• नाइट्रोजन (एन):एक शक्तिशाली ऑस्टेनाइट स्थिरीकरणकर्ता और ठोस समाधान प्रबलक। आधुनिक डुप्लेक्स और सुपर ऑस्टेनाइटिक ग्रेड में, नाइट्रोजन उपज शक्ति और पिटिंग प्रतिरोध (पीआरईएन) को बढ़ाता है।यह तापमान भी बढ़ाता है जिस पर हानिकारक चरणों में वर्षा होती है, गर्मी उपचार के लिए सुरक्षित खिड़की को कसता है लेकिन ऑस्टेनाइट चरण की स्थिरता में सुधार करता है।⁷

• टाइटेनियम (Ti) और नाइओबियम (Nb):ये "स्थिर करने वाले" हैं। वे कार्बन के लिए क्रोमियम की तुलना में अधिक आत्मीयता है। ग्रेड में जैसे 321 (Ti) और 347 (Nb),ये तत्व ताप उपचार के दौरान कार्बन को स्थिर कार्बाइड (TiC या NbC) बनाने के लिए साफ करते हैंयह इन ग्रेडों को तनाव-मुक्ति या उच्च तापमान सेवा में संवेदनशीलता के बिना उपयोग करने की अनुमति देता है।¹²

चरण परिवर्तन तंत्र

विभिन्न स्टेनलेस परिवारों के ताप उपचार में मौलिक अंतर उनके चरण परिवर्तन (या इसकी अनुपस्थिति) में निहित है।

• अलोट्रोपिक परिवर्तन (कठोरता तंत्र):मार्टेंसिटिक स्टील्स में, सामग्री कमरे के तापमान पर एक बीसीसी (फेर्राइट + कार्बाइड) संरचना से उच्च तापमान पर एक एफसीसी (ऑस्टेनिट) संरचना में संक्रमण करती है (ऑस्टेनटाइजिंग) ।तेजी से ठंडा होने पर, कार्बन समाधान में फंस जाता है, ग्रिड को मार्टेंसाइट नामक अत्यधिक तनावग्रस्त बीसीटी संरचना में काटता है। यह कठोरता का तंत्र है।¹⁴

• घुलनशीलता में परिवर्तन (तृष्णा तंत्र):पीएच स्टील्स (जैसे 17-4) में, सुदृढीकरण मुख्य रूप से स्वयं चरण परिवर्तन से नहीं आता है,लेकिन एक माध्यमिक "बूढ़ापन" गर्मी उपचार के दौरान उप-माइक्रोस्कोपिक कणों (जैसे तांबे से समृद्ध अवशेषों) की वर्षा सेइन अवशेषों के चारों ओर मैट्रिक्स सिकुड़ जाता है, विस्थापन गति को बाधित करता है और ताकत बढ़ जाती है।³

• पुनः क्रिस्टलीकरण (एनिलिंग तंत्र):गैर कठोर ऑस्टेनिटिक और फेरीटिक स्टील्स के लिए, गर्मी उपचार नए, तनाव मुक्त अनाज के लिए ऊर्जा प्रदान करता है, जो ठंड प्रसंस्करण के कारण विकृत अनाज को बदल देता है।यह भी ठोस समाधान में वापस अवशोषित भंग करता है.¹

थर्मल कंडक्टिविटी और विस्तार विचार

स्टेनलेस स्टील्स, विशेष रूप से ऑस्टेनिटिक ग्रेड, में विशिष्ट भौतिक गुण होते हैं जो गर्मी उपचार को जटिल बनाते हैं।

• कम थर्मल चालकता:ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील कार्बन स्टील की तुलना में काफी धीमी गति से गर्मी का संचालन करता है। इस कारण एक घटक के कोर को लक्ष्य तापमान तक पहुंचने के लिए लंबे समय तक भिगोने की आवश्यकता होती है।

• उच्च थर्मल विस्तारःऑस्टेनिटिक स्टील का थर्मल विस्तार गुणांक कार्बन स्टील से लगभग 50% अधिक है। इससे थर्मल विकृति और बुझाने के क्रैकिंग का खतरा बढ़ जाता है।इसलिए स्टेनलेस स्टील के लिए आयामी सहिष्णुता बनाए रखने के लिए स्थिरता और समान हीटिंग अधिक महत्वपूर्ण हैं.²

सामान्य ताप उपचार पद्धति

ग्रेड-विशिष्ट व्यंजनों में गोता लगाने से पहले, स्टेनलेस स्टील के लिए उपयोग की जाने वाली चार प्राथमिक थर्मल प्रसंस्करण श्रेणियों को परिभाषित करना आवश्यक हैः एनीलिंग, हार्डनिंग, स्ट्रेस रिलीफिंग,और सतह उपचार.

एनीलिंग प्रक्रियाएं

एनीलिंग सामग्री को नरम करने, लचीलापन में सुधार करने और संक्षारण प्रतिरोध को अनुकूलित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हीटिंग और कूलिंग चक्रों के लिए व्यापक शब्द है।

• सॉल्यूशन एनीलिंग:यह ऑस्टेनिटिक (300 श्रृंखला), डुप्लेक्स और पीएच (स्थिति ए) स्टील्स के लिए मानक उपचार है।सामग्री को पर्याप्त रूप से उच्च तापमान (आमतौर पर >1040°C) तक गर्म किया जाता है ताकि सभी क्रोमियम कार्बाइड और इंटरमेटलिक चरण ऑस्टेनाइट मैट्रिक्स में भंग हो सकेंमहत्वपूर्ण बात यह है कि इसके बाद एकशीघ्र बुझाना(पानी या उच्च दबाव वाली गैस) इस समरूप संरचना को "जमा" करने के लिए। धीमी शीतलन सख्ती से निषिद्ध है क्योंकि यह अवशेषों को पुनर्गठन करने की अनुमति देगा।³

• प्रक्रिया एनीलिंग (सबक्रिटिकल):मुख्य रूप से फेरीटिक और मार्टेंसिटिक ग्रेड के लिए उपयोग किया जाता है ताकि पूर्ण चरण परिवर्तन को प्रेरित किए बिना ठंड प्रसंस्करण या मशीनिंग के लिए सामग्री को नरम किया जा सके। तापमान को महत्वपूर्ण स्तर से ठीक नीचे रखा जाता है।$A_{c1}$यह कार्बाइड को भंग करने के बजाय गोलाकार बनाता है।¹²

• चमकदार एनीलिंग:यह एक विशेष एनीलिंग प्रक्रिया है जिसे नियंत्रित वातावरण में किया जाता है, आम तौर पर विघटित अमोनिया (75%)$H_2$, 25%$N_2$) या शुद्ध हाइड्रोजन ⇒ सतह ऑक्सीकरण को रोकने के लिए। क्रोमियम ऑक्साइड के गठन को रोकने के लिए वायुमंडल में बहुत कम ओस बिंदु (आमतौर पर <-50°C) होना चाहिए। इस प्रक्रिया से एक उज्ज्वल, चमकदार,परावर्तक सतह जिसे बाद में अचार या चमकाने की आवश्यकता नहीं होती है.²⁰

  • अंतर्दृष्टि:टाइटेनियम (जैसे, 409, 439) के साथ स्थिर होने वाले फेरीटिक ग्रेड चमकदार एनील करने के लिए प्रसिद्ध रूप से कठिन हैं क्योंकि टाइटेनियम उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन में भी ऑक्सीकरण करता है यदि नमी का निशान मौजूद है।बाहरी ऑक्साइड के बजाय आंतरिक नाइट्राइड बनाने के लिए विशेष वातावरण की आवश्यकता होती है.²²

कठोरता (क्राउनिंग और टेम्परिंग)

केवल मार्टेंसिटिक और पीएच ग्रेड के लिए, कठोरता में ऑस्टेनिटाइजिंग रेंज तक हीटिंग और उसके बाद बुझाने की आवश्यकता होती है।

• बुझाना:ठंडा करने की दर समय-तापमान-परिवर्तन (टीटीटी) वक्र की "नाक" को याद करने के लिए पर्याप्त तेज होनी चाहिए, जिससे मोती या बेनाइट के गठन को रोका जा सके। उच्च मिश्र धातु सामग्री के कारण,कई मार्टेंसिटिक स्टेनलेस स्टील्स में उच्च कठोरता होती है और इसे "हवा से कठोर" किया जा सकता हैइसका अर्थ है कि वे अपेक्षाकृत धीमी हवा से ठंडा होने पर भी मार्टेंसाइट का गठन करेंगे।यह सादे कार्बन स्टील्स के लिए आवश्यक आक्रामक तेल या पानी quenches की तुलना में विकृति को कम करने के लिए फायदेमंद है.⁶

• प्रबलित करना:मिटाए गए मार्टेंसाइट बेहद कठोर है, लेकिन भंगुर और अत्यधिक तनावग्रस्त है।टेम्परिंग में ग्रिड तनाव को कम करने और ठीक कार्बाइडों को झोंकने के लिए स्टील को कम तापमान (150-650°C) तक गर्म करना शामिल हैयह आवश्यक कठोरता और लचीलापन के लिए कुछ कठोरता का व्यापार करता है। अंतिम यांत्रिक गुणों को सेट करने के लिए टेम्परिंग तापमान की पसंद प्राथमिक डायल है।³

तनाव कम करना

तनाव उन्मूलन का उद्देश्य मशीनिंग, वेल्डिंग या ठंड बनाने से उत्पन्न अवशिष्ट तन्यता तनाव को कम करना है,इस प्रकार आयामी स्थिरता में सुधार और तनाव संक्षारण क्रैकिंग (SCC) के जोखिम को कम करना.

• ऑस्टेनिक दुविधाःऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील के तनाव को कम करना जटिल है क्योंकि तनाव को कम करने के लिए सबसे प्रभावी तापमान (800-900°C) संवेदनशीलता सीमा के साथ मेल खाते हैं।304 स्टेनलेस पर एक मानक तनाव राहत प्रदर्शन इसकी संक्षारण प्रतिरोध को नष्ट कर सकते हैंइसलिए, कम तापमान तनाव राहत (<450°C) या पूर्ण समाधान एनीलिंग को अक्सर पसंद किया जाता है।⁶

सतह कठोरता

स्टेनलेस स्टील के लिए मानक कार्बोराइजिंग मुश्किल है क्योंकि निष्क्रिय ऑक्साइड परत कार्बन प्रसार को रोकती है।

• निम्न तापमान पर प्रचंड अतिसंतृप्तिआधुनिक प्रक्रियाओं (जैसे कोलस्टेरिसिंग®) में कम तापमान (<450°C या <900°F) पर कार्बन या नाइट्रोजन का प्रवेश होता है।कार्बन/नाइट्रोजन ठोस समाधान में रहता हैऑस्टेनाइट जाली का विस्तार और अत्यधिक संपीड़न तन