Bài viết này từ Công ty TNHH Điện tử Wenzhou Tianyu giải thích những điều cần xem xét khi lựa chọn kim loại phụ để hàn thép không gỉ.
Những đặc tính khiến thép không gỉ trở nên hấp dẫn - khả năng điều chỉnh các tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn và oxy hóa - cũng làm tăng thêm sự phức tạp trong việc lựa chọn kim loại phụ phù hợp cho hàn. Đối với bất kỳ sự kết hợp vật liệu cơ bản nào, một trong số nhiều loại điện cực có thể phù hợp, tùy thuộc vào vấn đề chi phí, điều kiện sử dụng, các tính chất cơ học mong muốn và một loạt các vấn đề liên quan đến hàn.
Bài viết này cung cấp kiến thức kỹ thuật cần thiết để giúp người đọc hiểu được sự phức tạp của chủ đề, sau đó trả lời một số câu hỏi thường gặp nhất đối với các nhà cung cấp vật liệu hàn. Bài viết đưa ra các hướng dẫn chung để lựa chọn vật liệu hàn thép không gỉ phù hợp - và sau đó giải thích tất cả các trường hợp ngoại lệ! Bài viết này không đề cập đến các quy trình hàn, vì đó là chủ đề của một bài viết khác.
Bốn cấp độ, nhiều nguyên tố hợp kim
Có bốn loại thép không gỉ chính:
austenit
mactenxit
sắt
Nhà song lập
Tên gọi của các loại thép này bắt nguồn từ cấu trúc tinh thể của thép thường thấy ở nhiệt độ phòng. Khi thép cacbon thấp được nung nóng trên 912°C, các nguyên tử thép sẽ được sắp xếp lại từ cấu trúc gọi là ferit ở nhiệt độ phòng thành cấu trúc tinh thể gọi là austenit. Khi nguội đi, các nguyên tử trở lại cấu trúc ban đầu, là ferit. Cấu trúc ở nhiệt độ cao, austenit, không có từ tính, dẻo và có độ bền thấp hơn nhưng độ dẻo dai cao hơn so với dạng ferit ở nhiệt độ phòng.
Khi thêm hơn 16% crom vào thép, cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ phòng, ferit, sẽ ổn định và thép vẫn giữ nguyên trạng thái ferit ở mọi nhiệt độ. Do đó, hợp kim này được gọi là thép không gỉ ferit. Khi thêm hơn 17% crom và 7% niken vào thép, cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ cao của thép, austenit, sẽ ổn định và duy trì ở mọi nhiệt độ, từ nhiệt độ thấp nhất đến gần điểm nóng chảy.
Thép không gỉ austenit thường được gọi là loại 'crom-niken', còn thép mactenit và ferrit thường được gọi là loại 'crom nguyên chất'. Một số nguyên tố hợp kim được sử dụng trong thép không gỉ và kim loại hàn hoạt động như chất ổn định austenit, và một số khác hoạt động như chất ổn định ferrit. Các chất ổn định austenit quan trọng nhất là niken, cacbon, mangan và nitơ. Các chất ổn định ferrit là crom, silic, molypden và niobi. Cân bằng các nguyên tố hợp kim kiểm soát lượng ferrit trong kim loại hàn.
Thép không gỉ Austenit dễ hàn hơn và cho kết quả tốt hơn so với các loại thép có hàm lượng niken dưới 5%. Các mối hàn được tạo ra từ thép không gỉ Austenit có độ bền cao, độ dẻo dai và độ cứng tốt ngay sau khi hàn. Chúng thường không cần gia nhiệt trước hoặc xử lý nhiệt sau khi hàn. Thép không gỉ Austenit chiếm khoảng 80% lượng thép không gỉ được hàn, và bài viết giới thiệu này tập trung chủ yếu vào loại thép này.
Bảng 1: Các loại thép không gỉ và hàm lượng crom và niken của chúng.
tstart{c,80%}
thead{Loại|% Crom|% Niken|Các loại}
tdata{Austenit|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensitic|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritic|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
có khuynh hướng{}
Cách chọn kim loại hàn không gỉ phù hợp
Nếu vật liệu nền của cả hai tấm giống nhau, nguyên tắc hướng dẫn ban đầu thường là: "Hãy bắt đầu bằng cách chọn vật liệu nền phù hợp". Điều đó hiệu quả trong một số trường hợp; để nối các tấm loại 310 hoặc 316, hãy chọn loại vật liệu hàn tương ứng.
Để ghép các vật liệu khác nhau, hãy tuân theo nguyên tắc sau: 'chọn chất độn phù hợp với vật liệu có hàm lượng hợp kim cao hơn'. Để ghép 304 với 316, hãy chọn chất độn 316.
Thật không may, "quy tắc phù hợp" có quá nhiều ngoại lệ đến nỗi nguyên tắc tốt hơn là: Tham khảo bảng lựa chọn vật liệu hàn. Ví dụ, thép không gỉ loại 304 là vật liệu nền phổ biến nhất, nhưng không ai cung cấp que hàn loại 304.
Cách hàn thép không gỉ loại 304 mà không cần que hàn loại 304.
Để hàn thép không gỉ loại 304, hãy sử dụng que hàn loại 308, vì các nguyên tố hợp kim bổ sung trong loại 308 sẽ giúp ổn định vùng hàn tốt hơn.
Tuy nhiên, 308L cũng là một chất độn chấp nhận được. Ký hiệu 'L' sau bất kỳ loại nào đều cho biết hàm lượng carbon thấp. Thép không gỉ loại 3XXL có hàm lượng carbon từ 0,03% trở xuống, trong khi thép không gỉ loại 3XX tiêu chuẩn có thể có hàm lượng carbon tối đa là 0,08%.
Vì chất độn loại L thuộc cùng phân loại với sản phẩm không phải loại L, các nhà sản xuất có thể, và nên cân nhắc kỹ, sử dụng chất độn loại L vì hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. Trên thực tế, các tác giả cho rằng chất độn loại L sẽ được sử dụng rộng rãi hơn nếu các nhà sản xuất chỉ cần cập nhật quy trình của họ.
Các nhà sản xuất sử dụng quy trình GMAW cũng có thể cân nhắc sử dụng que hàn loại 3XXSi, vì việc bổ sung silicon giúp cải thiện khả năng thấm ướt. Trong trường hợp mối hàn có đỉnh cao hoặc gồ ghề, hoặc khi vũng hàn không khớp tốt ở mép mối hàn góc hoặc mối hàn chồng, việc sử dụng que hàn GMAW loại Si có thể làm mịn đường hàn và thúc đẩy sự kết dính tốt hơn.
Nếu hiện tượng kết tủa cacbua là một vấn đề đáng lo ngại, hãy xem xét sử dụng chất độn loại 347, loại này có chứa một lượng nhỏ niobi.
Cách hàn thép không gỉ với thép cacbon
Tình huống này xảy ra trong các ứng dụng mà một phần của cấu trúc yêu cầu bề mặt ngoài chống ăn mòn được nối với một cấu kiện kết cấu bằng thép carbon để giảm chi phí. Khi nối vật liệu cơ bản không có nguyên tố hợp kim với vật liệu cơ bản có nguyên tố hợp kim, hãy sử dụng chất độn có hàm lượng hợp kim cao hơn để sự pha loãng trong kim loại mối hàn cân bằng hoặc có hàm lượng hợp kim cao hơn so với kim loại nền không gỉ.
Để hàn thép cacbon với thép không gỉ loại 304 hoặc 316, cũng như để hàn các loại thép không gỉ khác nhau, nên xem xét sử dụng que hàn loại 309L cho hầu hết các ứng dụng. Nếu muốn hàm lượng crom cao hơn, hãy xem xét loại 312.
Cần lưu ý rằng, thép không gỉ Austenit có tốc độ giãn nở lớn hơn khoảng 50% so với thép cacbon. Khi hàn nối, sự khác biệt về tốc độ giãn nở này có thể gây nứt do ứng suất bên trong nếu không sử dụng điện cực và quy trình hàn phù hợp.
Sử dụng đúng quy trình làm sạch trước khi hàn.
Cũng như với các kim loại khác, trước tiên hãy loại bỏ dầu mỡ, vết bẩn và bụi bẩn bằng dung môi không chứa clo. Sau đó, nguyên tắc chính trong việc chuẩn bị mối hàn thép không gỉ là "Tránh nhiễm bẩn từ thép cacbon để ngăn ngừa ăn mòn". Một số công ty sử dụng các tòa nhà riêng biệt cho "xưởng thép không gỉ" và "xưởng thép cacbon" để ngăn ngừa sự nhiễm chéo.
Khi chuẩn bị các cạnh để hàn, hãy chỉ định đá mài và bàn chải thép không gỉ là "chỉ dùng thép không gỉ". Một số quy trình yêu cầu làm sạch cách mối hàn hai inch. Việc chuẩn bị mối hàn cũng quan trọng hơn, vì việc bù đắp cho những sai sót khi thao tác điện cực khó hơn so với thép carbon.
Hãy sử dụng quy trình làm sạch sau hàn đúng cách để ngăn ngừa gỉ sét.
Trước hết, hãy nhớ điều gì làm cho thép không gỉ trở nên không gỉ: phản ứng của crom với oxy tạo thành một lớp oxit crom bảo vệ trên bề mặt vật liệu. Thép không gỉ bị gỉ do sự kết tủa cacbua (xem bên dưới) và do quá trình hàn làm nóng kim loại mối hàn đến mức oxit sắt có thể hình thành trên bề mặt mối hàn. Nếu để nguyên trạng sau khi hàn, một mối hàn hoàn hảo có thể xuất hiện các "vết gỉ" ở ranh giới vùng ảnh hưởng nhiệt trong vòng chưa đầy 24 giờ.
Để lớp oxit crom nguyên chất mới có thể hình thành đúng cách, thép không gỉ cần được làm sạch sau khi hàn bằng cách đánh bóng, tẩy gỉ, mài hoặc chà. Một lần nữa, hãy sử dụng máy mài và bàn chải chuyên dụng cho công việc này.
Tại sao dây hàn thép không gỉ lại có từ tính?
Thép không gỉ hoàn toàn austenit không có từ tính. Tuy nhiên, nhiệt độ hàn tạo ra các hạt có kích thước tương đối lớn trong cấu trúc vi mô, dẫn đến mối hàn dễ bị nứt. Để giảm thiểu hiện tượng nứt nóng, các nhà sản xuất que hàn thêm các nguyên tố hợp kim, bao gồm cả ferit. Pha ferit làm cho các hạt austenit trở nên mịn hơn nhiều, do đó mối hàn trở nên bền hơn với vết nứt.
Nam châm sẽ không dính vào cuộn dây hàn bằng thép không gỉ austenit, nhưng người cầm nam châm có thể cảm thấy một lực hút nhẹ do lượng ferit còn sót lại. Thật không may, điều này khiến một số người dùng nghĩ rằng sản phẩm của họ bị dán nhãn sai hoặc họ đang sử dụng kim loại hàn không phù hợp (đặc biệt nếu họ đã xé nhãn khỏi giỏ dây).
Lượng ferit thích hợp trong que hàn phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của ứng dụng. Ví dụ, quá nhiều ferit sẽ làm cho mối hàn mất độ bền ở nhiệt độ thấp. Do đó, que hàn loại 308 dùng cho đường ống dẫn khí hóa lỏng (LNG) có chỉ số ferit từ 3 đến 6, so với chỉ số ferit là 8 đối với que hàn loại 308 tiêu chuẩn. Tóm lại, các kim loại que hàn thoạt nhìn có vẻ giống nhau, nhưng những khác biệt nhỏ về thành phần lại rất quan trọng.
Có cách nào đơn giản để hàn thép không gỉ song pha không?
Thông thường, thép không gỉ song pha có cấu trúc vi mô gồm khoảng 50% ferit và 50% austenit. Nói một cách đơn giản, ferit mang lại độ bền cao và khả năng chống nứt ăn mòn do ứng suất, trong khi austenit mang lại độ dẻo dai tốt. Sự kết hợp của hai pha này tạo nên những đặc tính hấp dẫn của thép song pha. Có rất nhiều loại thép không gỉ song pha khác nhau, phổ biến nhất là loại 2205; loại này chứa 22% crom, 5% niken, 3% molypden và 0,15% nitơ.
Khi hàn thép không gỉ song pha, vấn đề có thể phát sinh nếu kim loại mối hàn có quá nhiều ferit (nhiệt từ hồ quang khiến các nguyên tử tự sắp xếp thành ma trận ferit). Để bù lại, kim loại phụ cần thúc đẩy cấu trúc austenit với hàm lượng hợp kim cao hơn, thường là nhiều hơn 2 đến 4% niken so với kim loại nền. Ví dụ, dây hàn lõi thuốc dùng để hàn loại 2205 có thể chứa 8,85% niken.
Hàm lượng ferit mong muốn có thể dao động từ 25 đến 55% sau khi hàn (nhưng có thể cao hơn). Lưu ý rằng tốc độ làm nguội phải đủ chậm để cho phép austenit tái tạo, nhưng không quá chậm để tạo ra các pha liên kim loại, cũng không quá nhanh để tạo ra lượng ferit dư thừa trong vùng ảnh hưởng nhiệt. Hãy tuân theo các quy trình được nhà sản xuất khuyến nghị cho quy trình hàn và kim loại phụ được chọn.
Điều chỉnh các thông số khi hàn thép không gỉ
Đối với các nhà sản xuất thường xuyên điều chỉnh các thông số (điện áp, cường độ dòng điện, chiều dài hồ quang, độ tự cảm, độ rộng xung, v.v.) khi hàn thép không gỉ, nguyên nhân điển hình là thành phần kim loại phụ không nhất quán. Do tầm quan trọng của các nguyên tố hợp kim, sự khác biệt về thành phần hóa học giữa các lô sản phẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất mối hàn, chẳng hạn như khả năng thấm ướt kém hoặc khó tách xỉ. Sự khác biệt về đường kính điện cực, độ sạch bề mặt, hình dạng và độ xoắn của điện cực cũng ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng hàn GMAW và FCAW.
Kiểm soát sự kết tủa cacbua trong thép không gỉ austenit
Ở nhiệt độ trong khoảng 426-871°C, hàm lượng cacbon vượt quá 0,02% sẽ di chuyển đến ranh giới hạt của cấu trúc austenit, nơi nó phản ứng với crom để tạo thành cacbua crom. Nếu crom bị liên kết với cacbon, nó sẽ không có sẵn để chống ăn mòn. Khi tiếp xúc với môi trường ăn mòn, hiện tượng ăn mòn giữa các hạt sẽ xảy ra, làm cho các ranh giới hạt bị ăn mòn.
Để kiểm soát sự kết tủa cacbua, hãy giữ hàm lượng cacbon ở mức thấp nhất có thể (tối đa 0,04%) bằng cách hàn với que hàn có hàm lượng cacbon thấp. Cacbon cũng có thể được liên kết bởi niobi (trước đây là columbium) và titan, những chất có ái lực mạnh hơn với cacbon so với crom. Que hàn loại 347 được chế tạo cho mục đích này.
Làm thế nào để chuẩn bị cho cuộc thảo luận về việc lựa chọn kim loại hàn?
Tối thiểu, cần thu thập thông tin về mục đích sử dụng cuối cùng của chi tiết hàn, bao gồm môi trường hoạt động (đặc biệt là nhiệt độ vận hành, tiếp xúc với các yếu tố ăn mòn và mức độ chống ăn mòn dự kiến) và tuổi thọ mong muốn. Thông tin về các đặc tính cơ học cần thiết trong điều kiện vận hành sẽ rất hữu ích, bao gồm độ bền, độ dẻo dai, độ đàn hồi và độ bền mỏi.
Hầu hết các nhà sản xuất điện cực hàng đầu đều cung cấp sách hướng dẫn lựa chọn vật liệu hàn, và các tác giả không thể nhấn mạnh hơn nữa điểm này: hãy tham khảo hướng dẫn ứng dụng vật liệu hàn hoặc liên hệ với các chuyên gia kỹ thuật của nhà sản xuất. Họ luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn lựa chọn điện cực thép không gỉ phù hợp.
Để biết thêm thông tin về kim loại hàn không gỉ của TYUE và liên hệ với các chuyên gia của công ty để được tư vấn, hãy truy cập www.tyuelec.com.
Thời gian đăng bài: 23/12/2022