راهنمای قطعی روش های درمان حرارتی فولاد ضد زنگ: فرآیندهای فلزی و استانداردها

مقدمه: ضرورت حرارتی فولاد ضد زنگ

ساخت فولاد ضد زنگ یک تمرین در تعادل ثبات ترمودینامیکی با ضرورت مکانیکی است.که درمان حرارتی عمدتا مکانیزم کنترل سختی و مقاومت کششی است، پردازش حرارتی فولاد ضد زنگ هدف دوگانه و اغلب متضاد را دارد: افزایش خواص مکانیکی و حفظ مقاومت در برابر خوردگی.این گزارش یک بررسی کامل از، تجزیه و تحلیل سطح متخصص از روش های درمان حرارتی قابل استفاده برای پنج خانواده اصلی فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ تنها یک ماده نیست بلکه یک خانواده گسترده از آلیاژ های مبتنی بر آهن است که حاوی حداقل 10.5٪ کروم است. این کروم با اکسیژن واکنش نشان می دهد تا یک لایه اکسید کروم منفعل را تشکیل دهد ($Cr_2O_3$), یک فیلم خود-علاج که ویژگی "غیر زنگ آلود" مواد را فراهم می کند.¹درمان حرارتی تاثیر عمیقی بر یکپارچگی این لایه منفعل دارد. چرخه های حرارتی نادرست می توانند کربیدهایی را که کروم محلی را از بین می برند (حساس سازی) ،فاز های بین فلزی شکننده (فاز سیگما)، یا باعث می شود که سطح سطح را به خطر بیندازد.³در نتیجه، درمان حرارتی فولاد ضد زنگ نیاز به درک دقیق از نمودارهای فاز، حرکات خنک کننده و کنترل اتمسفر کوره دارد.

این سند به عنوان یک راهنمای جامع برای مهندسان و متالورژ استفاده می شود. این سند داده های استاندارد های صنعتی (ASTM A484، A564، AMS 2759) را ترکیب می کند.تحقیقات دانشگاهی در مورد تکامل میکروساختی، و دستورالعمل های عملی برای انتخاب تجهیزات. این بررسی ظرافت های مهم محلول گرم کردن درجه های آستنیتی برای جلوگیری از پوسیدگی جوش،چرخه های دقیق پیری مورد نیاز برای آلیاژ های سخت کننده بارش مانند 17-4 PH، و الزامات ظریف خاموش کردن فولاد های ضد زنگ دوپلکس برای جلوگیری از شکنندگی.این موضوع به موضوعات پیشرفته مانند پردازش کریوجنیک برای ثبات مارتنسیتی و اثربخشی نسبی وکیوم در مقابل پردازش حمام نمک می پردازد..

اصول متالورژیک و اثرات آلیاژ

برای تسلط بر درمان حرارتی فولاد ضد زنگ، ابتدا باید تعاملات سطح اتمی را که پاسخ آن را به انرژی حرارتی تعریف می کند، تجزیه کنیم.ساختار کریستالوگرافیک فولاد (FCC)، فریت مکعب با مرکز بدن (BCC) یا مارتنسیت تترگونال با مرکز بدن (BCT) پنجره های درمان حرارتی موجود و خواص مکانیکی حاصل را تعیین می کند.

2.1 نقش عناصر آلیاژ در پردازش حرارتی

ترکیب خاص عناصر آلیاژ در یک درجه فولاد ضد زنگ، مرزهای ثبات فاز و واکنش آن را به گرم کردن و خنک کردن تعیین می کند.

• کروم (Cr):عنصر تعیین کننده. این یک ثبات دهنده قوی فریت است. در درمان حرارتی، رفتار کروم به دلیل وابستگی آن به کربن بسیار مهم است. در محدوده دمای 425 درجه سانتیگراد تا 870 درجه سانتیگراد، کروم در سطح سطح زمین به اندازه یک متر است.کروم با کربن واکنش نشان می دهد تا کربیدهای پیچیده (e) را تشکیل دهد.g،$M_{23}C_6$) در مرزهای دانه ها. این کروم را از ماتریس مجاور پاک می کند و غلظت محلی را به زیر 10.5٪ آستانه مورد نیاز برای غیرفعال سازی کاهش می دهد، پدیده ای که به عنوان حساسیت شناخته می شود.¹

• نیکل (Ni):تثبیت کننده اصلی آستینایت. اضافه کردن نیکل (مانند سری 300) تحول از آستینایت با دمای بالا به فرایت / مارتنسیت با دمای پایین را سرکوب می کند.این باعث می شود که آلیاژ های نیکل بالا با خاموش کردننیکل همچنین سفتی و انعطاف پذیری را بهبود می بخشد، خواصی که از طریق گرم کردن به حداکثر می رسند.¹

• کربن (C):یک محلول بینشی که به عنوان عامل سخت کننده اصلی در درجه های مارتنسیتی عمل می کند. در درجه هایی مانند 440C، کربن بالا (0.95 ٪ 1.20٪) باعث سختی شدید (HRC 60 +) در هنگام خاموش شدن می شود.در درجه های آستنیت، کربن به طور کلی یک ناخالصی است که باید به حداقل برسد (<0.03٪ در درجه "L") برای جلوگیری از حساسیت در طول چرخه حرارتی یا جوش.⁸

• مولیبدن (Mo):اضافه شده برای بهبود مقاومت حفره (مانند 316 یا 2205). با این حال، مولیبدن باعث تشکیل فاز های بین فلزی مضر، مانند سیگما ($سيگما$) و Chi ($چی$) فاز ها، به ویژه در فولاد های دوپلیکس و آستنیتیک با آلیاژ بالا که در معرض دما بین 700 °C و 1000 °C قرار دارند. این امر نیاز به سرعت خنک شدن پس از جوش محلول دارد.⁴

• نیتروژن (N):یک تثبیت کننده استنایت قوی و تقویت کننده محلول جامد در درجه های مدرن دوپلکس و سوپر استنتیک ، نیتروژن قدرت بهره و مقاومت سوراخ (PREN) را افزایش می دهد.همچنین دمایی را که در آن فاز های مضر سقوط می کنند افزایش می دهد، محکم کردن پنجره امن برای درمان حرارتی اما بهبود ثبات فاز آستنیت.⁷

• تیتانیوم (Ti) و نیوبیوم (Nb):این ها "استقرار دهنده" هستند. اونا نسبت به کربن نسبت به کروم صمیمیت بالاتری دارند. در درجه هایی مثل 321 (Ti) و 347 (Nb)این عناصر کربن را در طول درمان حرارتی برای تشکیل کاربید های پایدار (TiC یا NbC) پاک می کننداین اجازه می دهد تا این درجه ها بدون حساسیت در استرس یا استفاده در خدمات دمای بالا استفاده شوند.¹²

مکانیسم های تحول فاز

تفاوت اساسی در درمان حرارتی خانواده های مختلف ضد زنگ در تحولات فازی آنها (یا عدم آن) است.

• تبدیل آلوتروپ (مکانیزم سخت شدن):در فولاد های مارتنسیتیک، مواد از یک ساختار BCC (ferrite + carbide) در دمای اتاق به یک ساختار FCC (austenite) در دمای بالا (austenitizing) تغییر می کنند.پس از خنک شدن سریع، کربن در محلول گیر می کند و شبکه را به یک ساختار بسیار استرس زا به نام مارتنسیت تبدیل می کند. این مکانیسم سخت شدن است.¹⁴

• تغییرات محلولیت (مکانیزم بارندگی):در فولاد های PH (مانند 17-4) ، تقویت عمدتاً از خود تغییر فاز ناشی نمی شود.اما از ورودی ذرات زیر میکروسکوپی (مانند ورودی های غنی از مس) در طول یک درمان گرمی ثانویه "پیری"ماتريكس در اطراف اين نيزه ها تنگ مي شود و مانع از تحرك انحراف و افزایش قدرت مي شود.³

• بازکريستاليزاسيون (ميكانيزم جوش دادن):برای فولاد های austenitic و ferritic که سخت نمی شوند، درمان حرارتی انرژی را برای دانه های جدید بدون فشار برای هسته سازی و رشد فراهم می کند، جایگزین دانه های تغییر شکل ناشی از کار سرد می شود.و همچنین مواد سنگینی را به محلول جامد بازمی گرداند.¹

محاسبات رسانایی حرارتی و گسترش

فولاد های ضد زنگ، به ویژه درجه های آستنیتیک، دارای خواص فیزیکی متمایز هستند که درمان حرارتی را پیچیده می کنند.

• رسانایی حرارتی پایین:فولاد ضد زنگ آستنیتی نسبت به فولاد کربن به طور قابل توجهی کندتر از فولاد کربن گرما را هدایت می کند. این امر نیاز به زمان خیس شدن طولانی تر دارد تا اطمینان حاصل شود که هسته یک جزء به دمای مورد نظر می رسد.

• گسترش حرارتی بالا:ضریب انبساط حرارتی فولاد آستنیتی تقریباً ۵۰٪ بالاتر از فولاد کربن است. این خطر تحریف حرارتی و ترکیدن خاموش را تشدید می کند.بنابراین تثبیت و گرمایش یکنواخت برای فولاد ضد زنگ برای حفظ تحمل ابعاد بسیار مهم است.²

روش های کلی درمان گرما

قبل از اینکه به دستورات خاص درجه بپردازیم، ضروری است که چهار دسته اصلی پردازش حرارتی مورد استفاده برای فولاد ضد زنگ را تعریف کنیم:و درمان سطح.

فرایندهای آنالیز

آنلینگ اصطلاح گسترده ای برای چرخه های گرمایش و خنک سازی است که برای نرم کردن مواد، بهبود انعطاف پذیری و بهینه سازی مقاومت در برابر خوردگی طراحی شده است.

• محلول:این درمان استاندارد برای فولاد های آستنیتیک (سری 300) ، دوپلیکس و PH (شرطی A) است.مواد به دمای به اندازه کافی بالا (معمولا > 1040 °C) گرم می شوند تا تمام کربید های کروم و فاز های بین فلزی را در ماتریس آستنیت حل کنندمهمتر از همه، این باید توسط یکخاموش شدن سریع(آب یا گاز با فشار بالا) برای "تجمد" این ساختار همگن. خنک کردن آهسته به شدت ممنوع است زیرا به رسوبات اجازه می دهد تا اصلاح شوند.³

• فرآیند آنالیز (Subcritical):استفاده می شود عمدتا برای درجه های ferritic و martensitic برای نرم کردن مواد برای کار سرد یا ماشینکاری بدون ایجاد یک تحول کامل فاز.$A_{c1}$این کاربید ها را به جای حل کردن، کروی می کند.¹²

• روشن شدن:این یک فرآیند تخصصی گرم کردن است که در یک جو کنترل شده انجام می شود، معمولا آمونیاک جدا شده (75٪)$H_2$25 درصد$N_2$برای جلوگیری از اکسیداسیون سطحی، باید درجه شبنم در جو بسیار پایین باشد (معمولاً < 50 °C) تا از تشکیل اکسید کروم جلوگیری شود.سطح بازتاب دهنده ای که نیازی به ترشح یا پولیش بعدی ندارد.²⁰

  • بینش:درجه های فیریت با تیتانیوم پایدار شده (به عنوان مثال، 409، 439) به سختی روشن می شوند، زیرا تیتانیوم حتی در هیدروژن با پاکیزگی بالا اگر رطوبت وجود داشته باشد، اکسید می شود.اتمسفر های تخصصی برای تشکیل نترید های داخلی به جای اکسید های خارجی مورد نیاز است.²²

سخت شدن (سخت کردن و سخت کردن)

به استثنای درجه های مارتنسیتیک و PH، سخت کردن شامل گرم کردن تا محدوده austenitizing و پس از آن خاموش کردن است.

• خاموش کردن:سرعت خنک شدن باید به اندازه کافی سریع باشد تا "نخس" منحنی زمان-درجه حرارت-تغییر (TTT) را از دست دهد و از تشکیل مروارید یا bainite جلوگیری کند.بسیاری از فولاد های ضد زنگ مارتنسیتی دارای سختی بالایی هستند و می توانند "به هوا سخت شوند"،" به این معنی که آنها حتی با خنک شدن هوا نسبتا آهسته، مارتنسیت را تشکیل می دهند.این برای به حداقل رساندن تحریف در مقایسه با روغن یا آب تهاجمی مورد نیاز برای فولاد کربن ساده سودمند است.⁶

• ضدآفتاب:مارتنسیت که خاموش شده خیلی سخته ولی شکننده و تحت فشارهگرم کردن شامل گرم کردن مجدد فولاد به دمای پایین تر (150 ~ 650 ° C) برای کاهش تنش های شبکه و سقوط کربیدهای ظریف استاین باعث می شود که برخی از سختی ها برای سختی و انعطاف پذیری لازم جایگزین شوند. انتخاب دمای تند شدن برای تنظیم خواص مکانیکی نهایی، صفحه اصلی است.³

کاهش استرس

کاهش استرس با هدف کاهش استرس کششی باقیمانده ناشی از ماشینکاری، جوشکاری یا شکل گیری سرد،بنابراین بهبود ثبات ابعاد و کاهش خطر ترک خوردگی استرس (SCC).

• معضل استنتیک:کاهش استرس فولاد ضد زنگ استنتیک پیچیده است زیرا موثرترین دما برای کاهش استرس (800~900 درجه سانتیگراد) با محدوده حساسیت مطابقت دارد.انجام یک کاهش استرس استاندارد بر روی 304 ضد زنگ می تواند مقاومت آن را در برابر خوردگی از بین ببردبنابراین، کاهش استرس در دمای پایین (< 450 °C) یا گرم کردن محلول کامل اغلب ترجیح داده می شود.⁶

سفت شدن سطح

کاربوریزاسیون استاندارد برای فولاد ضد زنگ دشوار است زیرا لایه اکسید منفعل انتشار کربن را مهار می کند.

• فرط نشاط در دمای پایین:فرآیند های مدرن (مانند Kolsterising®) کربن یا نیتروژن را در دمای پایین (<450°C یا <900°F) وارد می کنند.کربن/ نیتروژن در محلول جامد باقی می مانداین باعث می شود که سطح سختی 1000-1200 HV باشد بدون اینکه مقاومت در برابر خوردگی را به خطر بیندازد.²⁴

درمان حرارتی فولاد های ضد زنگ آستنیتیک (سری 300)

سری 300 (304، 316، 321، 347) برای اکثر کاربردهای فولاد ضد زنگ است.که از دمای کریوجنیک تا نقطه ذوب پایدار استدر نتیجه، آنهانمی تواند با درمان گرما سخت شودفقط با کار سرد. پردازش حرارتی برای این درجه ها به طور دقیق برای نرم کردن (تخمیر) ، همگن سازی و کاهش استرس است.

حل و فصل: دکمه Reset

جوشاندن محلول چرخه حرارتی اصلی برای درجه های آستنیت است. این کار برای دوباره کریستالیزه کردن میکروساخت پس از کار سرد و مهمتر از همه،برای حل کربیدهای کروم و فاز های سیگما که ممکن است در طول جوش یا پردازش نادرست شکل گرفته باشند.

• محدوده دما:محدوده استاندارداز 1040°C تا 1175°C (1900°F~2150°F).

  • برای 304/304L: 1040~1100°C معمولی است.

  • برای 316/316L: محدوده مشابه، اما انتهای بالایی برای حل فاز های غنی از مولیبدن ترجیح داده می شود.³

  • برای آستنیتیک های آلایوهای بالا (به عنوان مثال، 904L، 6Mo): دمای بالاتر (تا 1150 °C) اغلب برای حل ورقه های بین فلزی پایدار تر که برای این شیمی های پیچیده معمول است مورد نیاز است.¹⁹

• زمان خیس شدن:قانون انگشت شست تقريباً 30 تا 60 دقيقه در هر اينچ ضخامت مواد است تا مطمئن بشيم تمام قطعه متقاطع به درجه حرارت رسيدهباید از خیساندن بیش از حد برای جلوگیری از رشد دانه اجتناب شود.، که می تواند یک پایان سطحی "پوسته پرتقال" را در طول عملیات شکل گیری بعدی تولید کند.¹²

• نرخ خنک کننده: