دانلود فایل ضمیمه

مقدمه

فولادهای زنگ نزن دوپلکس ، اغلب دارای سـاختار فریتی با شبکه کریستالی BCC و ساختار آستنـیتی با شـبکه کریسـتالی FCCبه صورت توام می باشند . مقدار کربن این فولادها اغلب کمتر از 03/0 درصد ، کرم بین 20 الی 30 درصد ، نیکل 5 تا 10 درصد و مجموع عناصر آلیاژهای آنها از جمله نیتروژن ،مولیبدن ، مس و تنگستن نیز کمتر از 4 درصد می باشد .

فولادهای زنگ نزن دوپلکس از نظر میزان عناصر کرم و نیکل شبیه به فولادهای ضد زنگ آستنیتی 8-18 می باشند . درصد مقدار فریت و یا آستنیت در فولاد وابسته به مقدار درصد عناصر فریت زا و آستنیت زا هستند . عناصر کرم و مولیبدن فریت زا و عناصر نیکل ، کربن ، نیتروژن و مس آستنیت زا می باشند .

تغییر درصد مقدار فریت و یا آستنیت در ساختار کریستالی باعث تغییر خواص مکانیکی ، متالوژی و فیزیکی فولاد میشود . مهمترین آلیاژهای فولادهای زنگ نزن دوپلکس عبارتند از 2304-2507- 2205-255 .

فولادهای زنگ نزن دوپلکس خود به 5 گروه تقسیم می شوند .

1. فولاد زنگ نزن Cr-Ni-N با 22 درصد کرم ، 1/0 درصد نیتروژن و 4 درصد نیکل.
2. فولاد زنگ نزن Cr-Ni-Mo-N با 22 درصد کرم ، 5/5 درصد نیکل .
3. فولاد زنگ نزن Cu - Cr-Ni-Mo-N با 25 درصد کرم ، و مس تا 5/2 درصد .
4. فولاد زنگ نزن Cr-Ni-Mo-N با 25 درصد کرم و 4 درصد مولیبدن و 2/0 درصد نیتروژن .
5. فولاد زنگ نزن Cu -W- Cr-Ni-Mo-N با 25 درصد کرم ، 2/0 درصد نیتروژن و یا بیشتر .

فولادهای دوپلکس از نظر خواص مکانیکی و متالوژیکی شباهت های زیادی به فولادهای ضد زنگ آستنیتی و فریتی دارند . فولادهای ضد زنگ آستنیتی ، اغلب قابلیت جوش پذیری خوب و مقاومت به ضربه عالی در دمای پائین دارند ، اما در برابر ترکهای خوردگی تنشی ¹ (SCC ) و خوردگی بین دانه ای ² حساس هستند ، در صورتیکه فولادهای زنگ نزن فریتی مقاومت بسیار بالایی در برابر ترکهای خوردگی تنشی در محیط های کلریدی از خود نشان می دهند اما چقرگی آنها خصوصاً در منطقه جوشکاری و HAZ پائین است .

فولادهای زنگ نزن دو فازی با درصد فریت بیشتر می توانند خواص نزدیک به فولادهای زنگ نزن فریتی داشته باشند که در چنین شرایطی برخی از خواص فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نیز دارند .

این فولادها بدلیل وجود فریت بالا در دمای 475 درجه سانتی گراد حساسیت به تردی و در دماهای بالاتر از 538 درجه سانتی گراد نیز تمایل به رسوب فاز شکننده سیگما دارند .

1) Stress Corrosion Cracking

2) Intergranular Attack

فولادهای دوپلکس به دلیل مقدار کربن پائین که اغلب کمتر از 3/0 درصد می باشند قابلیت جوش پذیری مناسبی دارند و معمولاً نیازی به عملیات حرارتی پیشگرمایی ندارند ، اما بعد از جوشکاری جهت انحلال بعضی از رسوبات وترکیبات بین فلزی نیاز به عملیات حرارتی آنیل در دمای 1050 الی 1100 درجه سانتی گراد و سپس عملیات کوئنج دارند .

مواد و روش تحقیق

در این کار پژوهشی با استفاده از فرآیند جوشکاری SMAW و الکترود مصرفی نوع (ok67.55) E2209-15 جوش پذیری فولاد زنگ نزن دوپلکس 2205 با در نظر گرفتن نکاتی نظیر ظواهر جوش ، خلل و فرج ،تغییرات سختی و ریز ساختارها و رسوب ترکیبات بین فلزی در منطقه جوش و نواحی مجاور جوش HAZ مورد بحث و بررسی قرار گرفته است .

نتایج آزمایشات ثابت نمود که مشکل اصلی جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس 2205 رسوب فاز شکننده سیگما در منطقه جوش و HAZ می باشد که با افزایش حرارت ورودی ¹ و افزایش دمای بین پاسی ² شدیداً افزایش می یابد. نمونه های آزمایشی به ابعاد mm³ 22 Í150Í300 و با زاویه پخ 60 درجه به صورت جناقی دو طرفه مطابق با شکل شماتیکی 1 آماده سازی شدند . آنالیز شیمیایی فولاد مزبور در جدول 1 ارائه شده است .

شکل 1

1) Heat input

2) Interpass Temperture

جدول 1

همانطور که در شــکل 2 مشخـص است ریز ساختار متالوژیکی نمونه ها قبل از عملـیات جوشــکاری آستنیـت – فریـت

می باشد . ترکیب شیمیایی الکترود مصرفی در جدول 2 ارائه شده است . شدت جریان جوشکاری بین110-180 آمپر و ولتاز جوشکاری بین 19-22 ولت استفاده گردید. دمای بین پاسی نیز بین 150 الی 200 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد.

شکل 2

جدول 2

پس از مطالعه اولیه نمونه های جوشکاری شده مقاطع ماکروسکوپی از فلز جوش و مناطق HAZ به طور وسیلی مورد مطالعه و بررسی متالوگرافی و سختی سنجی قرار گرفتند . دامنه تغییرات سختی نمونه ها در فلز پایه با نواحی HAZ و فلز جوش به صورت as weld و آنیل شده به روش ویکرز اندازه گیری شدند . عملیات حرارتی آنیل در دمای 1040-1060 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه و سپس کوئنج در آب صورت گرفت .(شکل 3)

شکل 3-قطع عرضی از نمونه جوشکاری شده(فلز پایه،نواهی HAZ وفلز جوش مشخص است)

نتایج

ریز ساختارهای متالوژیکی ایجاد در مقاطع نمونه ها متفاوت بوده و رسوب فاز شکننده سیگما نیز در نمونه های عملیات حرارتی نشده نیز مشهود است . تغییرات ریز ساختاری در فولاد بعد از عملیات جوشکاری باعث تغییرات سختی در نواحی HAZ و فلز جوش شده که این تغییرات باعث تغییر در خواص مکانیکی نقاط مختلف گردیده است .

دامنه تغییرات سختی در نمونه های as weld در منطقه فلز پایه و فلز جوش زیاد نیست . میانگین تغییرات سختی در منطقه فلز پایه ₅VH5/226 و در منطقه فلز جوش ₅VH230 می باشد ، اما دامنه تغییرات سختی در نمونه های آنیل شده نسبتاً زیاد است. میانگین این تغییرات درفلز پایه ₅VH214 و در منطقه جوش ₅VH291 می باشد . (شکل 4 )

نتایج آزمایشات تحت کشش نشان می دهد که در نمونه های آنیل نشده مقدار U.T.S برابر N/_mm² 731 می باشد در صورتیکه در نمونه های آنیل شده میانگین این مقدار برابر با N/_mm² 612 می باشد .(شکل5)

شکل 4

الف

ب

شکل 5 :نتایج آزمایش کشش الف:بعد از آنیل .ب: قبل از آنیل

همانطور که در شکل 4 مشخص است دامنه تغییرات زیاد منطقه فلز جوش و فلز پایه در نمونه آنیل شده به این دلیل است

که مقدار آستنیت کمتر از مقدار فریت می باشد ، در صورتیـکه در نمونه as weld مقدار آسـتنیت کمـی بیـشتر از مـقدار

فریت می باشد . دلیل دیگر افزایش سختی در منطقه جوش نمونه آنیل شده می تواند بدلیل تشکیل رسوب فاز سیگما در

این منطقه باشد . (شکلهای 6-7-8) .

شکل6

شکل7

شکل8

ساختار کریستالی فولادهای زنگ نزن دوپلکس شامل زمینه فریتی و جزایر آستنیتی می باشد . در زمان اعمال سیکل عملیات حرارتی جوشکاری در ناحیه مجاور جوش و HAZ نفوذ از حالت ساختار فریتی به ساختار آستنیتی در دمای حدود⁰C1400شروع میشود . (شکل9)

شکل9

رشد دانه ها در اثر سرد شدن و ادامه استحاله آستنیتی درهمین محدوده آنالیزی و با کاهش دما ادامه می یابد . در این شرایط فریت اولیه تشکیل شده و مرز دانه های جداکننده کاملاً مشخص هستند . فولاد 2205 وجود نیتروژن( تا 35/0 درصد) در ساختار فولادهای زنگ نزن دوپلکس باعث افزایش دمای استحاله فاری فریت به آستنیت خواهد شد .

تحلیل نتایج

تحقیقات و بررسی های انجام شده برروی جوش پذیری فولاد 2205 با الکترود 2209-15 نشان می دهد که فولاد مذبور بدلیل وجود عناصر آلیاژی کرم – نیکل – مولیبدن ، تمایل به رسوب فاز سیگما و کاربیدها و کاهش تافنس در منطقه جوش و HAZ دارد .

استحاله حالت جامد فریت به آستنیت به صورت مکانیزم نفوذ در اثر گذشت زمان و وجود دمای بالا اتقاق می افتد محدوده دمایی 800 تا 1200 درجه سانتی گراد در جریان سرد شدن بستر مناسبی برای وقوع این استحاله است .درجه حرارتهای پایین تر از 800 درجه سانتی گراد تاثیری روی دگرگونی فاز مذکور ندارند اما می توان در این دماها تاثیرات فازها و ساختارهای غیر فلزی و بین فلزی را تحت کنترل درآورند .

به همین دلیل فقط در شرایطی که فولاد به صورت چند پاسی جوشکاری شده استفاده از سرد کردن یا کوئنج در آب پس از جوشکاری در شرایطی بلا مانع است .

عملیات حرارتی آنیل در دمای⁰ C1050 تا 1100 (تقریباً حوالی منطقه D ) برای فولاد مذکور توصیه می شود ، برای اجتناب از ایجاد فازهای بین فلزی در ساختار فولاد کوئنج کردن در آب از دمای حدوداً ⁰ C1000 الزامی است .

بنابراین با کاهش حرارت ورودی از طریق عدم حرکت زیگزاگی زیاد الکترود ، کاهش مقدار شدت جریان از به آمپر و کاهش سایز الکترود در پاس و ریشه از mm 4 به mm 3 و در پاسهای تکمیلی از قطر mm 5 به mm 4 و هم چنین کاهش مدت زمان بین آنیل و کوئنج در آب از دمای حداقل 1000 درجه سانتی گراد ، رسوب بین فلزی و نهایتاً تغییرات سختی مناطق فلز جوش و HAZ به حداقل مقدار خود می رسند .

مراجع

1. Peckner, D., and Bernstein, I.M., ed.1977.Handbook of Stainless Steels,McGrawHill Book Co.

2. Scherer, R., Riedrich, G., and Hougardy, H.1941.Welding rod, U.S .Patent 2240672.

3. Thielsch , H.1950 Alloying elements in chromium nickel stainless steels. Welding Journal 29(8):361-s to 404-s.

4. Arate, Y., Matsuda, F., and Katayams , S.1977 . Solidification crack susceptibility in weld metals of fully austenitic stainless steels (Report II).Transactions of JWRI 6(1):105-116.

5. Brooks, J.A.1975.Weldability of high N, high Mn austenitic stainless steel. Welding Journal 54 (6):189-s-to 195-s.

6. ASM specialty Handbook, stainless steels.