Nghiên cứu công nghệ hàn thép hợp kim chịu nhiêt

Ngành công nghiệp vật liệu phát triển, đặc biệt là các loại thép có độ bền nhão khi làm việc ở nhiệt độ cao ngày càng đóng một vai trò rất quan trọng trong sự cải tiến của các nhà máy hi

LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam kết rằng, trong cuốn luận văn này, ngoài những bảng biểu, hình vẽ, tất cả các nội dung khác đều được tác giả nghiên cứu, và tiến hành thực nghiệm Các thông tin viện dẫn đều được dẫn đến trong mục tài liệu tham khảo của cuốn luận văn

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ 7

PHẦN MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Lịch sử nghiên cứu 9

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 9

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

CHƯƠNG I: CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM CHỊU NHIỆT 11

1.1 Thép hợp kim chịu nhiệt là gì? 11

1.2 Các nhóm thép hợp kim chịu nhiệt thông dụng 11

1.2.1 Thép Cacbon – Molipden: 11

1.2.2 Thép Crom-Molipden: 12

1.2.3 Thép không gỉ và Siêu hợp kim 13

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ HÀN CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM CHỊU NHIỆT 18

2.1 Công nghệ hàn thép Cacbon-Molipden 18

2.1.1 Đặc điểm 18

2.1.2 Công nghệ hàn 19

2.2 Công nghệ hàn thép Crom-Molipden 20

2.2.1 Đặc điểm 20

2.2.2 Công nghệ và kỹ thuật hàn 20

2.3 Công nghệ hàn thép không gỉ và siêu hợp kim 28

2.3.1 Đặc điểm chung 28

2.3.2 Công nghệ hàn thép không gỉ Crom (Ferrit, Martensite) 29

2.3.3 Công nghệ hàn thép không gỉ austenit 30

2.3.4 Công nghệ hàn thép không gỉ biến cứng kết tủa 39

2.3.5 Công nghệ hàn thép siêu hợp kim (thép Duplex) 40

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HÀN THÉP HỢP KIM P91 42

3.1 Giới thiệu chung về thép hợp kim P91 42

3.2 Tính chất cơ lý & hóa học của thép P91 42

3.3 Lựa chọn phương pháp hàn 48

3.4 Lựa chọn vật liệu hàn cho thép P91 50

3.5 Xử lý nhiệt khi hàn 50

3.5.1 Xử lý nhiệt trước & trong khi hàn 50

3.5.1 Xử lý nhiệt sau khi hàn 51

3.6 Kết quả thực nghiệm 54

3.6.1 Số liệu ban đầu 54

3.6.2 Xây dựng quy trình hàn 54

3.6.3 Kết quả thực nghiệm quy trình hàn 56

3.7 Hướng nghiên cứu mở rộng 60

3.7.1 Đặt vấn đề 60

3.7.2 Cơ sở vật liệu hàn khi hàn FCAW 60

3.7.3 Lợi ích của việc sử dụng hàn FCAW 61

3.7.4 Thành phần hóa học, cơ tính của kim loại mối hàn khi FCAW 62

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

Phụ lục số 1: Kết quả xử lý nhiệt sau khi hàn cho thép P91 [10] 67

Phụ lục số 2: Kết quả phép đo độ cứng cho mẫu hàn thép P91 68

Phụ lục số 2: Kết quả phép đo độ cứng cho mẫu hàn thép P91 (tiếp) 68

Phụ lục số 2: Kết quả phép đo độ cứng cho mẫu hàn thép P91 (tiếp) 69

Phụ lục số 3: Quy trình hàn thép P91 71

Phụ lục số 4: Biên bản phê chuẩn quy trình hàn (PQR) 72

Phụ lục số 5: Một số loại thép không gỉ Austenite thông dụng theo ASTM [12] 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 KLMH Kim loại mối hàn

2 KLCB Kim loại cơ bản

3 VAHN Vùng Ảnh hưởng nhiệt

9 CSEF Creep Strength-Enhanced Ferritic steel

10 ORNL Oak Ridge National Laboratory

11 SMAW Shielded Metal Arc Welding

12 SAW Submerged Arc Welding

13 FCAW Flux cored Arc Welding

14 GTAW Gas Tungsten Arc Welding

15 GMAW Gas Metal Arc Welding

16 AISI American Iron and Steel Institute

17 AWS American Welding Society

18 PWHT Post Weld Heat Treatment

19 DCEP Direct Current Electrode Possitive

20 DCEN Dirrect Current Electrode Negative

21 AC Alternating Current

22 ASME American Society of Mechanical Engineers

23 ESW Electrode Slag Welding

24 HAZ Heat Affected Zone

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.0.1: Sự giảm ứng suất trong 100 giờ của một số loại thép hợp kim chịu nhiệt [1] 13 Hình 1.0.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của một số loại vật liệu [1] 14 Hình 1.0.3: Mối quan hệ giữa thép hợp kim chịu nhiệt – Thép không gỉ và thép siêu hợp kim nền Fe-Ni-Cr [1] 16 Hình 1.0.4: Khả năng chịu nhiệt của thép siêu hợp kim trải qua các năm [1] 17 Hình 2.0.1: Phân Hủy Austenit tại VAHN cho thép hợp kim thấp [4] 18 Hình 2.2: Giản đồ pha Schaeffler 33 Hình 3.0.1: So sánh về chiều dày và khối lượng của P91 và P22 (2-1/4Cr- 1Mo) & F22 [7] 42 Hình 3.0.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của VAHN, KLCB và KLMH [7] 43 Hình 3.0.3: Giới hạn chảy của KLCB và KLMH khi làm việc ở nhiệt độ cao [7]

44 Hình 3.0.4: Kết quả thử ứng suất phá hủy trong khoảng 550 – 660 oC, và 20.000 giờ [7] 45 Hình 3.0.5: Các đặc điểm về ứng suất phá hủy trong liên kết hàn [7] 45 Hình 3.0.6: ảnh hưởng của hàm lượng oxy trong mối hàn đến độ dai va đập [7] 47 Hình 3.0.7: ảnh hưởng của nhiệt nung sơ bộ đến tỷ lệ nứt nguội trong thép P91&P22 [7] 51 Hình 3.0.8: Chuyển biến pha đối với thép P91 52 Hình 3.0.9: Nhiệt độ đường AC1 của thép P91 tỷ lệ với hàm lượng Ni+Mn [7] 53 Hình 3.0.10: Sơ đồ xử lý nhiệt cho mối hàn sau khi hàn hoàn thiện thép P91 58

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ

Bảng 2.0.1: Các mác thép thông dụng thuộc nhóm thép Cr-Mo: 22 Bảng 3.0.1: Thành phần hóa học của một số loại thép bền nhão (CSEF) [6] 47 Bảng 3.0.2: Các mác thép và các dạng phôi cùng thuộc nhóm với thép P91 [7] 48 Bảng 3.0.3: Lựa chọn các phương pháp hàn cho thép P91 [7] 49 Bảng 3.0.4: thông tin các loại vật liệu hàn sử dụng cho hàn thép P91 50 Bảng 3.0.5: Khuyến cáo nhiệt độ nung sơ bộ và xử lý nhiệt cho thép P91 [7] 54 Bảng 3.0.6: Các thông số quá trình hàn cho ống thép hợp kim P91 55 Bảng 3.0.0.7: Thông số chế độ hàn cho thép P91 56

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thép hợp kim chịu nhiệt có ứng dụng rộng dãi trên thế giới, ở trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến vấn đề này Tuy nhiên, ở Việt nam chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể và chi tiết cho các mác thép thông dụng ứng dụng nhiều trong thực tế

Thử thách lớn đang gặp phải và đặt ra đối với ngành công nghiệp năng lượng điện thế kỷ 21 đó là đạt được những mục tiêu cho việc tăng hiệu quả theo yêu cầu của cả nền kinh tế trưởng thành và những quốc gia đang phát triển Các quy định về môi trường yêu cầu sản xuất phải giảm lượng khí thải CO2 nhưng vẫn bảo đảm yêu cầu

về chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm Ngành công nghiệp vật liệu phát triển, đặc biệt là các loại thép có độ bền nhão khi làm việc ở nhiệt độ cao ngày càng đóng một vai trò rất quan trọng trong sự cải tiến của các nhà máy hiện có và áp dụng cho các

dự án mới Thép P(T)91 đã được phát hiện và ở các dạng biến thể khác như P92, P911 đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, và sẽ có một chỗ đứng mới trong thị trường trong những năm sắp tới

Xuất phát từ thực tế đó, kết hợp với việc ứng dụng ngày càng nhiều của loại thép này trong các nhà máy nhiệt điện, tác giả quyết định chọn đề tài “nghiên cứu công nghệ hàn thép hợp kim chịu nhiệt”, thực tế là tổng kết lại các nghiên cứu đã có, từ đó

kế thừa và áp dụng vào nghiên cứu một bài toán cụ thể rất hay gặp trong thực tế trong các nhà máy nhiệt điện, nhưng chưa có một nghiên cứu nào trong nước đề cập sâu về vấn đề này

Đã có một số nghiên cứu được viết thành sách cho các loại vật liệu hàn nói chung trong đó có đề cập đến thép hợp kim chịu nhiệt như cuốn Công nghệ hàn điện nóng chảy tập 2 của TS Ngô Lê Thông Bản luận văn có kế thừa và phát triển thêm về công nghệ kỹ thuật hàn cho thép hợp kim chịu nhiệt nói chung, và cụ thể hóa bằng nghiên cứu công nghệ hàn cho một loại thép hợp kim chịu nhiệt khá thông dụng trong các nhà máy nhiệt điện hiện nay đó là thép P91

Hai thập niên gần đây, vật liệu được sử dụng được coi là tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp năng lượng điện đó là P91 và T91 Lý do, hơi nóng đi ra khỏi giàn quá nhiệt của một lò hơi chịu nhiệt độ 570 – 600 oC và áp suất cao trong dải 170 –

230 bar, ở giai đoạn cuối của giàn quá nhiệt, các đường ống sẽ phải chịu một điều kiện làm việc rất khắc nghiệt, và yêu cầu vật liệu phải có cơ tính cao, không bị phá hủy theo thời gian và có độ bền nhão cao Với các tiêu chí đó, thép P(T) 91 thỏa mãn các yêu cầu

Đã có rất nhiều công ty, hãng lớn tìm hiểu về công nghệ hàn cho loại thép này

để đưa ra được vật liệu thích hợp như Lincoln, Esab, Miller… Khi P91 đến với Việt Nam, nó xuất hiện rất nhiều trong các dự án nhiệt điện lớn như Vũng Áng, Mông Dương, Thái Bình, Nghi Sơn… mà khởi đầu là dự án nhà máy nhiệt điện Vũng Áng

I Tìm hiểu về dự án, tác giả có dịp tham gia và kết hợp với những người bạn ở Tổng công ty lắp máy Lilama giúp đỡ và tạo điều kiện cho việc thực tế, nghiên cứu quá trình công nghệ hàn loại thép hợp kim chịu nhiệt này vào năm 2012-2013

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích hướng tới của luận văn là nghiên cứu chung về các loại thép hợp kim chịu nhiệt và công nghệ hàn của chúng Từ đó áp dụng vào giải quyết một bài toán thực tế đó là xây dựng được quy trình công nghệ hàn cho thép hợp kim P91

Đối tượng nghiên cứu ở đây chính là phôi thép ống SA355 P91, sử dụng trong các đường ống, giàn quá nhiệt của nồi hơi và thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Phạm vi của nghiên cứu xoay quanh vấn đề công nghệ hàn thép hợp kim chịu nhiệt thông dụng, và ứng dụng vào nghiên cứu công nghệ hàn của thép hợp kim điển hình P91

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Luận văn sẽ đưa ra các thông tin cô đọng nhất, để người đọc có thể dễ dàng phân loại và ghi nhớ được các loại thép hợp kim chịu nhiệt, cũng như ví dụ của một

số loại thép hợp kim cụ thể

Luận văn không đi sâu, nhưng nghiên cứu tổng quan về công nghệ hàn của các nhóm thép hợp kim chịu nhiệt nói chung Từ đó áp dụng vào nghiên cứu cho công nghệ hàn thép P91

Đóng góp mới của tác giả trong đề tài này đó là đưa ra được những nghiên cứu kèm theo những luận điểm phân tích rõ ràng Tổng kết bằng việc đưa ra được bộ thông số quy trình hàn đã được kiểm chứng là đạt yêu cầu, có thể sử dụng để tham khảo và áp dụng vào thực tế dự án

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng ở trong luận văn này đó là: tìm hiểu, tổng hợp các nghiên cứu có trước Trên cơ sở đó kế thừa và phát huy thêm các yếu tố mới thông qua việc nghiên cứu, thử nghiệm trên sản phẩm thực để chứng minh cho các luận điểm lý thuyết

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã có những nghiên cứu kỹ lưỡng, đồng thời kết hợp thực nghiệm, nhận được sự hướng dẫn, góp ý của người hướng dẫn cũng như giúp đỡ của các đồng nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới người hướng dẫn và các bạn đồng nghiệp

Trong một chừng mực nhất định của kiến thức, kinh nghiệm cũng như khả năng nghiên cứu, tác giả chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong rằng sẽ nhận được những ý kiến đóng góp từ phía người đọc để tác giả hoàn chỉnh hơn kiến thức của mình

Tác giả

CHƯƠNG I: CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM CHỊU NHIỆT

1.1 Thép hợp kim chịu nhiệt là gì?

Thép hợp kim chịu nhiệt là các loại thép có khả năng làm việc ổn định ở nhiệt

độ cao trong dải từ 260 – 1200 oC [1]

Theo EN 10095, thì thép hợp kim chịu nhiệt có khả năng làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 550 oC

Phần lớn, các thép hợp kim chịu nhiệt được ứng dụng trong các Turbin động

cơ, động cơ kiểu pittong, công nghiệp năng lượng, lò nung, và trong các thiết bị kiểm tra ô nhiễm mỗi trường Ở các điều kiện làm việc khắc nghiệt, vật liệu thép hợp kim phải thể hiện được độ bền ổn định của cấu trúc vĩ mô khi vận hành ở nhiệt độ cao

Trải qua nhiều thập niên, việc nghiên cứu để hiểu rõ về các ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là công nghệ nóng chảy và kiểm soát các quá trình cơ nhiệt của kim loại sẽ giúp ích cho việc cải thiện được cơ tính cũng như tính chất của thép hợp kim chịu nhiệt

Phần lớn các thép hợp kim chịu nhiệt đều có một hàm lượng đáng kể của Crom, ngoài ra có thể thêm các thành phần của Nhôm hoặc Silic để tạo ra các oxit Cr2O3, hoặc Al2O3 hay SiO2 để chống lại sự ăn mòn và tăng khả năng làm việc cho vật liệu Tuy nhiên, lớp oxit đó không thể chống lại được các phá hủy nhão, phá hủy nhiệt hoặc phá hủy cơ, phá hủy giòn… mà trên thực tế, các phá hủy này thường do một vài nguyên nhân gây ra

1.2 Các nhóm thép hợp kim chịu nhiệt thông dụng

1.2.2 Thép Crom-Molipden:

[1]Với thép hợp kim chịu nhiệt, thông thường để tăng độ bền nhão của vật liệu, người ta thêm vào hàm lượng từ 0.5 – 1% Molipden, ngoài ra hàm lượng Crom trong thép sẽ từ 0.5 – 9% để cải thiện khả năng chống mài mòn, khả năng chịu nhiệt, giảm tính dẻo và chống lại sự graphit hóa trong thép Ngoài ra, việc thêm vào một lượng rất nhỏ một số nguyên tố tạo cacbit như Vanadi, Niobi hay titan sẽ tăng độ bền và làm mịn tổ chức hạt Các nguyên tố hợp kim cơ bản ở trên cũng sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới việc chuyển biến pha cũng như tính hàn của vật liệu

[1] Có ba nhóm thép hợp kim chịu nhiệt cơ bản đó là:

a) Nhóm 1: Thép hợp kim Crom-Molipden nguyên chất: chúng bao gồm các loại như

- Nhóm 1Cr-0,5Mo và 1,25Cr-0,5Mo: Được dùng ở dải nhiệt độ lên tới 510 oC

- Nhóm 2,25Cr-1Mo: Nhóm thông dụng nhất, có thể làm việc tới 580 oC

- Nhóm 5Cr-0,5Mo: Có thể làm việc tới 620 oC

- Nhóm 7Cr-0.5Mo và 9Cr-1Mo: Có thể làm việc đến 650 oC

b) Nhóm 2: Thép hợp kim Crom – Molipden – Vanadi: Nhóm này có độ bền nhão cao hơn nhóm 1, và thường được ứng dụng trong các thiết kế yêu cầu biến dạng không được vượt quá 1% trong suốt quá trình vận hành của chi tiết ở nhiệt độ 540 oC Loại hay gặp nhất của nhóm này là 1C-1Mo-0,25V

c) Nhóm 3: Thép phức hợp Crom-Molipden: Nhóm này bao gồm rất nhiều nguyên tố như Vanadi, Niobi, Titan và Bo Chúng thường dùng trong các kết cấu có chiều dày lớn, và trong môi trường làm việc có nhiều Hydro Tùy thuộc từng mác thép mà chúng có thể làm việc được ở các dải nhiệt độ từ 455 – 600

oC

Thép Hợp kim chịu nhiệt Crom-Molipden được sử dụng rộng rãi trong các thiết

bị áp lực, hệ thống đường ống trong công nghiệp dầu khí hoặc trong công nghiệp năng lượng Phôi liệu có thể tồn tại rất đa dạng, bao gồm phôi rèn, phôi đúc, dạng ống, dạng tấm

Hình 1.0.1 thể hiện sự so sánh về cơ tính (sự thay đổi về ứng xuất dẫn đến phá hủy) khi nhiệt độ làm việc tăng lên

Hình 1.0.1: Sự giảm ứng suất trong 100 giờ của một số loại thép hợp kim chịu

nhiệt [1]

1.2.3 Thép không gỉ và Siêu hợp kim

Thép không gỉ làm việc ở nhiệt độ cao bao gồm một số nhóm cơ bản: Thép không gỉ Ferit, thép không gỉ Mactensit, thép không gỉ austeninte và thép không gỉ biến cứng kết tủa Cùng với thép siêu hợp kim (cách gọi khác là thép không gỉ duplex), thép không gỉ vừa thể hiện cơ tính tốt và khả năng chống gỉ ở nhiệt độ cao

Cụ thể tính chất của từng loại như sau:

a) Nhóm thép không gỉ ferit:

Nhóm thép này được biết đến với khả năng chống gỉ và chống oxy hóa ở nhiệt độ cao Một hạn chế của thép này đó là giòn pha sigma do khả năng chịu nhiệt cao của

nó

Hai ví dụ cho thép không gỉ ferit là:

- Thép không gỉ 430, chứa 17% Crom, và thường được dùng trong các ứng dụng yêu cầu chống gỉ và oxy hóa Thép này có khả năng làm việc ở nhiệt độ lên đến 815 oC Tuy nhiên, thép này có hạn chế là độ bền nhão thấp nên khó làm việc được trong những kết cấu yêu cầu độ bền ở nhiệt độ cao Mặc dù có tính

dẻo trong vùng nhiệt độ 400 – 590 oC Nhưng thép này lại bị giòn khi nguội xuống nhiệt độ môi trường sau khi trải qua dải nhiệt độ giòn pha sigma Phá hủy giòn có thể khắc phục bằng cách nung nóng lại tới nhiệt độ 760 oC

- Thép không gỉ 446, với 27% Crom, thép này có độ bền thấp khi làm việc ở nhiệt độ cao, thường làm việc ở dải nhiệt độ từ 870 – 1095 oC Thép này thường được ứng dụng làm các chi tiết trong lò nung, thiết bị làm sạch trong nồi hơi, cặp nhiệt… nơi mà ứng suất thấp

b) Nhóm thép không gỉ Mactensit:

Đây là nhóm thông dụng nhất cho việc sử dụng làm việc ở nhiệt độ cao Nó bao gồm tối đa 3% Molipden, và/hoặc tối đa 3,5% Vôn-fram, Hai nguyên tố này giúp cho thép có độ bền cao khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao Một số nguyên tố hợp kim khác được thêm vào như: Vanadi, Niobi, Ni-tơ… với mục đích cải thiện cơ tính Thép này có chứa 12% Crom, và có thể làm việc ở điều kiện nhiệt độ lên đến 650 oC c) Thép không gỉ Austenite:

Loại thép này bao gồm các thành phần chính là sắt, Crom và Niken Nhóm thép này có độ bền lớn nhất khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ trên 540 oC Hình 1.0.2 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của một số loại vật liệu cơ bản

Hình 1.0.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của một số loại vật liệu [1]

Một số loại mác thép cơ bản điển hình cho nhóm này là:

- Thép không gỉ 304: Thép này có khả năng chống gỉ tốt, chống oxy hóa, có độ bền nhão cao và thường được sử dụng ở dải nhiệt độ lên tới 815 oC Nó hay được dùng trong các đường ống áp lực, ống trong nồi hơi, hoặc công nghiệp lọc hóa dầu

- Thép không gỉ 321 và 347: giống với loại 304 ngoại trừ việc có bổ sung thêm Titan và Niobi vào trong thép Hai nguyên tố Titan và Niobi sẽ kết hợp với Cacbon và giảm thiểu ăn mòn tinh giới hạt có thể xảy ra sau khi hàn Tuy nhiên, việc sử dụng Niobi hoặc Titan không chắc chắn làm giảm hoàn toàn sự nhạy cảm và sự xảy ra ăn mòn tinh giới khi thép được giữ trong thời gian dài

ở dải nhiệt độ 425 – 815 oC Mặc dù thép 321 và 347 lại chủ yếu được sử dụng trong dải nhiệt độ từ 425 – 815 oC

- Thép không gỉ 316: Có chứa Molipden, thường được sử dụng cho các chi tiết yêu cầu độ bền làm việc cao ở dải nhiệt độ lên đến 815 oC, và nó có thể chống được sự oxy hóa ở dải nhiệt độ lên tới 900 oC Tuy nhiên, ở nhiệt độ này, nếu làm việc trong không khí, Molipden có thể tạo ra một oxit dễ bay hơi, và dẫn đến việc oxy hóa thép rất nhanh

- Thép không gỉ 309, 310: gồm từ 23 – 25 % Crom, có thể làm việc ở nhiệt độ tới 870 oC Đây là nhóm thép austenite cho độ bền cao nhất ở dải nhiệt độ này

Do có hàm lượng Crom cao, loại thép này được ứng dụng cho các kết cấu yêu cầu chống gỉ và oxy hóa cao

- Nhóm thép 330: đây là nhóm thép có khả năng chống gỉ và oxy hóa cao nhất, với hàm lượng 19% Crom, 25% Niken và 1% Silic Nó có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao lên đến 1150 oC

d) Thép không gỉ biến cứng kết tủa:

Là loại thép không gỉ có độ bền cao nhất ở nhiệt độ phòng, khả năng chống ăn mòn, chống oxi hóa tốt và dễ gia công chế tạo (do có chứa các nguyên tố Cu, Nb, Ti

và Al, sẽ tham gia hòa tan và dung dịch rắn trong quá trình ủ hòa tan hoặc cân bằng austenite, tạo ra pha phân tán siêu tế vi ở giai đoạn hóa già sau đó) Chúng lấp đầy khoảng trống khác nhau cơ bản giữa thép martensite hóa già (Crom và 18%Ni) với

thép Martensite tôi và ram (12%Cr) Biến cứng kết tủa hay còn gọi là biến cứng hóa già là phương pháp tăng độ cứng và độ bền của kim loại thông thường bao gồm ba giai đoạn: hòa tan dung dịch rắn, tôi (làm nguội nhanh) và hóa già (nung lại có kiểm soát)

e) Siêu hợp kim (thép duplex):

Siêu hợp kim bao gồm các thép có nền chủ yếu là: Niken, Sắt-niken, hợp kim coban làm việc ở nhiệt độ trên 540 oC Hình 1.0.3 thể hiện thép siêu hợp kim nền Sắt-Niken được hình thành từ thép không gỉ và thường chế tạo bởi rèn Tuy nhiên, với thép siêu hợp kim nền coban hoặc niken thì có thể chế tạo bằng đúc hoặc rèn (tùy vào từng ứng dụng cụ thể) Thành phần hóa học của các siêu hợp kim có thể được rèn hoặc cán thành tấm hoặc thành các dạng phôi khác Loại siêu hợp kim có nhiều thành phần hợp kim nhất được chế tạo từ đúc Cơ tính của vật liệu có thể kiểm soát được thông qua việc điều chỉnh thành phần hóa học trong quá trình chế tạo (bao gồm cả quá trình xử lý nhiệt), do đó sản phẩm cuối cùng có thể có khả năng chịu được nhiệt

độ rất cao lên tới trên 1100 oC và độ bền rất lớn (Xem hình 1.0.4)

Hình 1.0.3: Mối quan hệ giữa thép hợp kim chịu nhiệt – Thép không gỉ và thép

Hình 1.0.4: Khả năng chịu nhiệt của thép siêu hợp kim trải qua các năm [1]

Kết luận

- Thép hợp kim chịu nhiệt có dải nhiệt độ làm việc rộng từ 260 – 1200 oC Thông thường là làm việc ở nhiệt độ trên 550 oC

- Có 3 nhóm thép hợp kim chịu nhiệt cơ bản đó là:

o Thép Cacbon – Molipden (0,5%Mo và tối đa 0,2%C): làm việc ở nhiệt

độ lên đến 450 oC

o Thép Crom – Molipden (0,5 – 1%Mo và 0,5 – 9%Cr): Thép này chia làm 3 nhóm chính là Cr-Mo; Cr-Mo-V và Cr-Mo phức hợp do có bổ sung thêm các nguyên tố như Va, Nb, Ti, Bo… để tăng độ bền nhão của vật liệu khi làm việc ở nhiệt độ cao Thép này có dải nhiệt độ làm việc thông thường trong khoảng 455 – 650 oC

o Thép không gỉ và thép siêu hợp kim (duplex): có dải nhiệt độ làm việc

từ 400 – 1150 oC Tùy vào thành phần %Cr và %C trong thép mà có thể chia ra thành: Thép không gỉ Ferit, thép không gỉ Martensite, thép không gỉ austenit, Thép không gỉ biến cứng kết tủa Thép Siêu hợp kim

có nền là Fe-Ni-Cr có thêm các nguyên tố hợp kim nên có độ bền cực cao ở nhiệt độ lên tới 1150 oC

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ HÀN CÁC LOẠI THÉP HỢP

KIM CHỊU NHIỆT2.1 Công nghệ hàn thép Cacbon-Molipden

độ bền nhão khi thép làm việc ở nhiệt độ cao Độ bền nhiệt từ 600 – 950 Mpa[4]

Loại thép này không nhạy cảm lắm với chu trình nhiệt hàn (chế độ hàn), chỉ cần thay đổi các chế độ hàn là có thể bảo đảm VAHN có được tính chất cần thiết Đó

là do hàm lượng cacbon và mức độ hợp kim hóa của chúng tương đối nhỏ Để giảm tốc độ nguội của VAHN cần sử dụng các biện pháp công nghệ đặc biệt khi hàn

Khi hàn, có thể đánh giá tính thấm tôi của chúng thông qua tìm hiểu động học quá trình phân hủy Austenit như trong hình 2.0.1 sau đây:

a) Phân hủy đẳng nhiệt b) Hiệu chỉnh cho tốc độ nguội liên tục

Hình 2.0.1: Phân Hủy Austenit tại VAHN cho thép hợp kim thấp [4]

[4] Đặc tính các đường cong phân hủy đẳng nhiệt của austenit và sự phân bố của chúng phụ thuộc vào thành phần hóa học, sự đồng nhất hóa và kích thước hạt austenit Hầu hết các nguyên tố hợp kim có tác dụng tăng tính ổn định của austenit đều làm chậm lại quá trình chuyển biến pha của nó, khiến đường cong chữ C (Các đường cong chuyển biến đẳng nhiệt S và F) dịch chuyển sang phải

Khi tìm hiểu đặc điểm chuyển biến pha austenit, ta thấy tốc độ nung nóng kim loại trong khoảng AC1 – AC3 và thời gian lưu lại của kim loại VAHN tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ AC3 đều có ảnh hưởng đến quá trình đồng nhất hóa và sự tăng kích thước hạt austenit Khi đó đồng thời xuất hiện hai khuynh hướng đối lập

- Khuynh hướng 1: Nếu nung kim loại VAHN với tốc độ chậm và lưu nó trong một khoảng thời gian dài ở nhiệt độ cao hơn AC3, hạt Austenit sẽ tăng tính ổn định và kích thước Với các loại thép không chứa hoặc chứa phần nhỏ các nguyên tố tạo cacbit như: Cr, Mo, V… thì khuynh hướng này chiếm ưu thế Tức là, khu vực tôi không hoàn toàn sẽ dịch chuyển về phía có tốc độ nguội nhỏ Ngược lại, với các loại thép có chứa nhiều các nguyên tố tạo cacbit, thì khuynh hướng thứ 2 sau đây chiếm ưu thế

- Khuynh hướng 2: Nếu VAHN được nung và lưu ở nhiệt độ cao hơn AC3 trong khoảng thời gian ngắn, thì mức độ đồng nhất hóa và ổn định của Austenit sẽ giảm

2.1.2 Công nghệ hàn

a) Lựa chọn vật liệu hàn:

Khi lựa chọn vật liệu hàn cho loại thép C-Mo cần lưu ý: lựa chọn vật liệu để mối hàn bảo đảm độ bền và tính dẻo tối thiểu bằng hoặc hơn so với KLCB Thành phần hóa học cần bảo đảm sao cho %C không vượt quá 0.2% và các nguyên tố hợp kim cũng không được vượt quá % cho phép: 0,5%Si, 1%Mo… Nếu hàm lượng vượt quá sẽ dẫn đến nứt nóng và giảm tính dẻo, độ dai va đập của kim loại mối hàn b) Công nghệ và kỹ thuật hàn

- Nếu trước khi hàn, KLCB đã được nhiệt luyện (thường hóa hoặc tôi cải thiện) và sau khi hàn không thể ram (vì sẽ dẫn đến kích thước hạt quá lớn), khi đó cần phải tính toán, tra cứu nhiệt độ nung sơ bộ phù hợp

- Khi hàn tự động dưới lớp thuốc, nên ưu tiên vát mép chi tiết, lưu ý lựa chọn thuốc hàn có chứa một hàm lượng tối thiểu Mn-S để tránh nứt nóng

- Kỹ thuật hàn tùy thuộc vào loại quá trình hàn, khi hàn GMAW nên kết hợp sử dụng khí trộn (Ar+5%O2; hoặc Ar + 25%CO2 + 5%O2) để khử oxy trong giai đoạn kết tinh

Các phương pháp nhiệt luyện có thể sử dụng đó là: Ủ; thường hóa và ram; tôi

và ram; Cả ba phương pháp này đều có thể khôi phục được kích thước hạt và cơ tính cần thiết Ram sau khi tôi với mục đích cải thiện cơ tính của vùng tôi của VAHN

Chế độ nhiệt luyện cho các loại thép này đó là: nung từ nhiệt độ thấp đến nhiệt

độ tới hạn dưới nhiệt độ đường AC1 (khoảng 740 oC), giữ trong thời gian cần thiết và làm nguội trong không khí (điều này bảo đảm ram được tổ chức Mactenxit cũng như khử được ứng suất dư sau khi hàn) Việc nung nhanh hay chậm phụ thuộc vào từng loại mác thép cụ thể, và được tra cứu theo các tiêu chuẩn áp dụng

2.2.2 Công nghệ và kỹ thuật hàn

Vì trọng tâm của luận văn này sẽ đi vào nghiên cứu công nghệ của thép hợp kim P91 Mà thép hợp kim P91 thuộc nhóm thép Cr-Mo, vì vậy tác giả sẽ đi sâu vào nghiên cứu công nghệ, vật liệu hàn đối với nhóm thép Cr-Mo

Những công nghệ và kỹ thuật hàn dưới đây bao gồm các trường hợp:

- Hàn Thép Cr-Mo cùng nhóm

- Hàn thép Cr-Mo khác nhóm

- Hàn Thép Cr-Mo với thép không gỉ Cr-Ni (thép không gỉ Austenite)

- Hàn thép Cr-Mo với thép Cacbon hoặc thép Cacbon Molipden

Thông thường, đối với nhóm thép này, khi làm việc trong các kết cấu đường ống

áp lực hoặc nồi hơi, thiết bị áp lực thì các quy phạm và tiêu chuẩn đều quy định cần phải Ram cục bộ hoặc toàn phần để khử ứng suất dư Tuy nhiên, đối với một số loại vật liệu có chiều dày nhỏ và hàm lượng cacbon cực thấp, quy phạm không bắt buộc phải ram mà chỉ cần có nung nóng sơ bộ hợp lý

Một số tiêu chuẩn về quy định kỹ thuật, vật liệu cũng như yêu cầu chất lượng của sản phẩm như:

(1) ASTM – tiêu chuẩn về vật liệu cơ bản

(2) ASME B31.1: Tiêu chuẩn cho ống sử dụng cho ngành năng lượng

(3) ASME B31.3: Tiêu chuẩn cho ống sử dụng cho ngành lọc hóa dầu

(4) ASME I, IIA, IIC, VIII, IX

(5) API 570: Tiêu chuẩn thanh tra, sửa chữa lắp đặt hệ thống ống vận hành Bảng 2.0.1 dưới đây là bảng một số các loại vật liệu thông dụng thuộc nhóm thép Cr-Mo.Những nghiên cứu dưới đây xoay quanh các vật liệu nằm trong bảng 2.0.1, những vật liệu không thuộc trong bảng này sẽ không được áp dụng các công nghệ đề cập ở dưới

Do thép Cr-Mo có tính tự tôi trong không khí và mức độ hợp kim hóa tương đối cao nên quy trình hàn cần phải bảo đảm nung nóng sơ bộ và nhiệt luyện sau khi hàn đúng cách Chọn vật liệu hàn có thành phần thích hợp chứa ít hydro để ngăn xuất hiện nứt VAHN và KLCB Vật liệu hàn cần có thành phần gần giống với vật liệu cơ bản, trừ %C cần phải thấp hơn (để tránh nứt nóng)

Để bảo đảm khả năng làm việc của mối hàn ở nhiệt độ cao, thành phần hóa học kim loại mối hàn phải chứa các nguyên tố tạo cacbit mạnh nhằm ngăn khuếch tán KLCB và KLMH từ đó mối hàn có thể cải thiện được độ bền và tính dẻo

Bảng 2.0.1: Các mác thép thông dụng thuộc nhóm thép Cr-Mo:

CÁC MÁC THÉP THÔNG DỤNG THUỘC NHÓM Cr-Mo

Ghi chú (*):

- P = Pipe (ống); T = Tube (ống nhỏ); TP = Tube or pipe;

- CP = Cast pipe (Ống đúc); FP = Forged pipe (ống rèn); WP =

Welded pipe (ống hàn)

a) Lựa chọn vật liệu hàn

Khuyến cáo về việc lựa chọn vật liệu hàn cụ thể được đưa trong bảng 2.0.2 Các vật liệu hàn này tương ứng với các nhóm vật liệu đề cập ở trong AWS cho các loại que hàn, dây hàn khi dùng các phương pháp hàn SMAW, GMAW, GTAW hoặc FCAW để hàn Các trường hợp sử dụng các phương pháp hàn khác, thì vật liệu hàn

sẽ được lựa chọn theo khuyến cáo ở trong từng quá trình hàn cụ thể

Hệ thống ống thép Cr-Mo thường được lựa chọn cho các ứng dụng chống ăn mòn,

có độ bền nhão ở nhiệt độ cao hoặc cả hai yêu cầu Với các ứng dụng yêu cầu khả

năng chống ăn mòn thì thường liên quan đến độ cứng lớn nhất, khi đó que hàn thép cabon thấp (ví dụ: 8018-B3L), do ít bị biến cứng trong không khí nên thường được lựa chọn Tuy nhiên, với các ứng dụng yêu cầu khả năng có độ bền nhão ở nhiệt độ cao thì lại yêu cầu lựa chọn vật liệu hàn có hàm lượng cacbon là tối thiểu (nhỏ nhất tới 0.05%)

Bảng 2.0.0.2: Khuyến cáo lựa chọn vật liệu hàn khi hàn thép Cr-Mo [8]

3 Với kết cấu làm việc ở dải nhiệt độ cao nhưng không theo chu kỳ (khoảng 315

oC), thì thường dùng que E309 hoặc E309Mo

4 Xem thêm trong AWS D10.4: Khuyến cáo thực hiện hàn ống thép không gỉ

Austenite

5 Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu hàn cho một số loại thép và phương pháp hàn

6 Khi dùng que hàn đuôi -18, có thể thay thế bằng các đuôi -15 và -16

7 Những vật liệu hàn có cùng thành phần hóa học thì không được đề cập theo phân loại của AWS

8 Ký hiệu E8018-BX là ký hiệu mới theo AWS A5.5, Trước đây ký hiệu là

E50X-XX và E7Cr như trong AWS A5.4

9 Ký hiệu ER80S-BX là ký hiệu mới theo AWS A5.28, trước đây ký hiệu là

ER50X theo AWS A5.9

Yêu cầu đối với que hydro thấp (Low hydrogen): Để giảm khả năng nứt, que hydro thấp được khuyến cáo sử dụng Tất cả các nguồn chứa hoặc sinh ra hydro đều phải có biện pháp làm giảm thiểu hoặc loại bỏ Các que hàn hydro thấp, sau khi bỏ ra

sử dụng nếu vượt quá thời gian khuyến cáo của nhà sản xuất thì cần phải nung nóng theo khuyến cáo

Đối với các que hàn bazo hoặc thuốc hàn SAW, Nhiệt độ nung nóng que hoặc thuốc theo khuyến cáo của hãng sản xuất vật liệu hoặc tiêu chuẩn thường khuyến cáo nung ở khoảng 370 oC trong 1 giờ Tuy nhiên, cần lưu ý, việc nung nóng que và thuốc lại nhiều lần sẽ làm hỏng liên kết giữa lớp vỏ và lõi Bởi vậy, nếu có phát hiện que hàn có khả năng hàn kém thì cần giảm nhiệt độ nung xuống khoảng 315 oC Nhưng không nên nung dưới 260 oC Các que hàn hoặc thuốc hàn mà nhiễm ẩm do tiếp xúc với nước (như bị dính nước mưa) thì cần phải loại bỏ và không được phép sử dụng

Đối với các dây hàn trần, có thể dùng biện pháp lau sạch, sấy khô trong không khí để loại bỏ hydo hoặc dầu mỡ

b) Thiết kế và chuẩn bị liên kết:

Việc chuẩn bị liên kết theo tiêu chuẩn có thể tham khảo chi tiết trong AISI B16.25 Cần lưu ý hình dáng của liên kết cần tránh những vết rãnh và góc cạnh sắc cũng như thay đổi tiết diện đột ngột vì sẽ dẫn đến tập trung ứng suất và gây phá hủy liên kết Chú ý với lớp hàn lót (root-pass): việc vát mép và gá lắp trước khi hàn cần bảo

đệm lót thì vát mép mối hàn và gá lắp cần bảo đảm ngấu hoàn toàn vào cả vòng đệm lót và vào mặt tôn cơ bản Vòng đệm thường không sử dụng khi mà yêu cầu môi trường sạch sẽ hoặc không bị ăn mòn Khi vận hành, cần tránh vết nứt hoặc khe hở giữa vòng đệm lót và bề mặt bên trong của ống Việc khuyến cáo về kỹ thuật thực hiện lớp lót có thể tham khảo thêm trong tiêu chuẩn AWS D10.11

Thường yêu cầu làm sạch phía chân của liên kết hàn thép Cr-Mo bằng cách xông khí để tránh sự oxy hóa bên trong lòng lống Nó không có một quy định cố định nào cho việc này, nhưng phần lớn việc yêu cầu có làm sạch hay không phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của vật liệu hàn, cụ thể:

- Với vật liệu chứa < 4%Cr: thì không cần xông khí mặt sau

- Với vật liệu hàn chứa từ 4-6%Cr: đôi khi cần xông khí mặt sau (tùy thuộc vào từng yêu cầu ứng dụng cụ thể)

- Với vật liệu trên 6%Cr: Luôn yêu cầu xông khí mặt sau

- Đối với những thép 2 ¼ %Cr-Mo, một số nước ở châu Âu họ có thể dùng que hàn Rutil để hàn lớp lót, một khi que hàn không thuộc nhóm hyro thấp thì việc nung sơ bộ cho liên kết trở nên vô cùng quan trọng Những điện cực rutil này cũng phổ biến ở Mỹ từ những năm 1950 (Ví dụ: E8013-B2 và E9013-B3) Việc gá lắp trước khi hàn cần sử dụng thêm các mối hàn đính để định vị chi tiết

độ lệch của liên kết được kiểm soát thông qua những đồ gá hoặc thiết bị phụ trợ ở bên trong hoặc bên ngoài ống Chúng sẽ giữ cho liên kết không bị uốn, kéo hoặc trong suốt quá trình hàn

c) Nung nóng sơ bộ:

Thông thường, khi hàn thép Cr-Mo đều yêu cầu nung sơ bộ cũng như duy trì nhiệt

độ giữa các đường hàn Nhiệt độ nung sơ bộ được khuyến cáo như trong bảng 2.0.3 dưới đây:

Bảng 2.0.3: Khuyến cáo nhiệt độ nung sơ bộ đối với một số loại thép Cr-Mo:

Ghi chú:

1 Một số tiêu chuẩn quy định nhiệt nung sơ bộ cao hơn một chút so với bảng trên

2 Với vật liệu có chiều dà trên 25mm, điều kiện làm việc hạn chế mà không dùng PWHT thì cần phải nung sơ bộ với nhiệt độ cao hơn

3 Khi hàn GTAW cho lớp lót, đôi khi ta giảm nhiệt độ nung sơ bộ riêng đối với lớp lót

4 Khi hàn hai loại vật liệu Cr-Mo khác nhau, nhiệt nung sơ bộ nhỏ nhất sẽ phải chọn theo thép nào có hàm lượng hợp kim cao hơn

5 Khi hàn thép Cr-Mo với thép Cacbon, Cacbon-Mo hoặc thép không gỉ 3XX, nhiệt

độ nung sơ bộ sẽ chọn theo thép Cr-Mo

Chu kỳ nhiệt nung sơ bộ đối với loại thép Cr-Mo này thường cần phải duy trì cho tới khi mối hàn hoàn thiện Tuy nhiên, một số trường hợp cho phép gián đoạn hoặc ngừng nung sơ bộ sau khi đánh giá tình huống cụ thể Việc ngừng nung sơ bộ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của mối hàn, kết hợp với việc tạo ứng suất dư, làm giảm

độ dẻo và tăng khả năng nứt do hydro Vì vậy, khi hàn với những chi tiết dày hoặc có hàm lượng hợp kim cao của thép Cr-Mo (>3%Cr) thì thường yêu cầu phải nung sơ

bộ và duy trì nhiệt độ này cho tới khi nung nóng sau (postheating) hoặc xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) được thực hiện

d) Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT):

Mục đích chính của việc PWHT đó là:

- Làm giảm ứng suất dư,

- Ram mối hàn (làm mềm) và tăng độ dẻo dai cho mối hàn,

- Khuếch tán Hydro,

Ngoài ra, việc này có thể giảm nguy cơ nứt và cải thiện cơ tính cũng như khả năng chống ăn mòn của chi tiết Khuyến cáo về nhiệt độ xử lý PWHT được đưa ra trong bảng 2.0.4 dưới đây, Đối với trường hợp hàn giữa các loại vật liệu khác nhau thì nhiệt PWHT sẽ được chọn theo thép có hàm lượng hợp kim Cr-Mo cao hơn

Nhiệt độ nung đưa ra trong bảng 2.0.4 là khuyến cáo thông thường hay sử dụng Đối với những trường hợp cụ thể hoặc đặc biệt khác, sẽ áp dụng nhiệt khuyến cáo theo từng tiêu chuẩn áp dụng Ví dụ, nhiệt độ PWHT thường thấp hơn khi hàn các loại thép thường hóa và tôi Nhưng khi hàn các loại thép có độ bền nhão cao (như trong ứng dụng của công nghiệp năng lượng), nhiệt PWHT sẽ chọn thấp hơn nhiệt độ thấp nhất của dải khuyến cáo trong bảng Trong trường hợp yêu cầu kết cấu chịu ăn mòn và chống giòn pha do hydro (các ứng dụng trong dầu khí) thì nhiệt độ nung lại phải cao hơn so với dải khuyến cáo ở trong bảng

Hầu hết các tiêu chuẩn thường yêu cầu thời gian giữ nhiệt PWHT trong vòng 1 giờ trên 1 inch (25mm) chiều dày, nhưng nó lại khác với thời gian nung nhỏ nhất cho thép Cr-Mo: ASME B31.1 yêu cầu chỉ nung trong 15 phút nhưng ASME B31.3 yêu cầu nung trong 120 phút

Cho những kết cấu có chiều dày nhỏ, cần 15 phút nung để giảm ứng suất dư (theo ASME B31.1) Tuy nhiên, lại cần nhiều thời gian hơn để ram mối hàn để đạt đực yêu cầu về khả năng chống ăn mòn (theo ASME B31.3) đặc biệt là đối với các loại thép Cr-Mo có trên 4%Cr

Bảng 2.0.0.4: Khuyến cáo nhiệt độ PWHT đối với một số loại thép Cr-Mo [8]

Ghi chú:

1 Trong môi trường ăn mòn, PWHT là bắt buộc với mọi loại chiều dày

2 Đường kính ống tối đa và hàm lượng tối đa 0.15%C đôi khi được áp dụng

3 Để đạt được độ cứng đặc biệt hoặc tính chất cơ tính đặc biệt, thời gian giữ và nhiệt độ cần phải được điều chỉnh

Thông thường người ta tin rằng tốc độ nung nóng cũng như tốc độ nguội khi PWHT cần duy trì một cách ổn định Trong ASME B31.1 chỉ ra rằng tỷ lệ nung tỷ lệ nguội lớn nhất là 600 oF (315 oC) trong 1 giờ cho 2 inch (50mm) chiều dày Tuy nhiên, trong ASME B31.3 lại chỉ ra rằng, hoàn toàn có thể nung nóng từ nhiệt độ môi trường tới nhiệt PWHT chỉ trong vòng vài phút và không đề cập đến tốc độ nguội

2.3 Công nghệ hàn thép không gỉ và siêu hợp kim

2.3.1 Đặc điểm chung

Thép không gỉ theo như phân tích ở 1.2.3 có thể tồn tại ở năm dạng cơ bản Tùy thuộc vào hàm lượng %C và % Cr có trong thép

Thông thường thép không gỉ có tối thiểu 10.5% Crom Nên đôi khi gọi chung

là thép không gỉ Crom Những thép có hàm lượng 12 – 13%Cr với sự tham gia của tối thiểu 0.05 – 0.06%C, ở nhiệt độ thường thì thép thường có tổ chức Martensite Khi nung, nếu thép có hàm lượng %Cr từ 13 – 16%Cr thì sẽ có sự chuyển biến trạng

Ferit Và với cùng hàm lượng cacbon như trên, nhưng nếu tăng %Cr trên 16% thì thép sẽ có tổ chức Ferit ở bất kỳ nhiệt độ nào và tốc độ nguội nào

Thép không gỉ austenit được biết đến với sự tham gia của %Ni, và người ta thường gọi là thép không gỉ Cr-Ni Và khi thêm vào trong thép không gỉ austenite một lượng các nguyên tố như: Mo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, W, N… (Xem hình 1.0.3) thì

nó sẽ có cơ tính rất tốt và có khả năng chịu bền nhiệt, chịu ăn mòn cao, khi đó ta có tên gọi của thép là thép siêu hợp kim (hay thép không gỉ duplex)

2.3.2 Công nghệ hàn thép không gỉ Crom (Ferrit, Martensite) [4]

Một lưu ý khi hàn thép không gỉ Crom đó là hiện tượng giòn pha sigma (đây

là dung dịch rắn Fe-Cr có tỷ lệ hàm lượng 1:1) khi nung hoặc làm việc ở nhiệt độ cao

Về cơ bản, với thép có hàm lượng Crom cao, khi nung ở nhiệt độ cao trong dải 400 – 540 oC và giữ trong thời gian lâu thì thép sẽ trở nên giòn, nếu có sự tham gia thêm của các nguyên tố Ti, Nb thì nó càng thúc đẩy mạnh quá trình giòn pha của thép

Với những loại thép có hàm lượng Crom không cao, sau khi thép trải qua vùng nhiệt 600 – 800 oC, khi nguội sẽ không bị giòn Nhưng nếu %Cr > 20-25% thì sẽ xuất hiện mạnh giòn pha sigma Các nguyên tố như Mn, Mo có khả năng mở rộng vùng tồn tại của pha này

Tính hàn của thép không gỉ crom phụ thuộc vào nhóm cấu trúc kim loại của

nó, bởi vậy việc lựa chọn chế độ hàn, xử lý nhiệt và lựa chọn thành phần vật liệu hàn

là khâu rất quan trọng, quyết định tới cơ tính cũng như chất lượng của mối hàn

Trên lý thuyết, việc chọn vật liệu hàn sao cho có thành phần thích hợp để kim loại mối hàn sau hàn giống với kim loại cơ bản là một điều rất tốt Tuy nhiên, đối với thép không gỉ crom, người ta có thể cho phép sử dụng loại vật liệu mà sau khi hàn, kim loại mối hàn không nhất thiết có thành phần hóa học giống với kim loại cơ bản Kim loại mối hàn thích hợp nhất là có tổ chức Austenite (A) hoặc austenite + ferit (A+F) Những vật liệu này thường là nhóm thép không gỉ Austenite (chứa Mn, Ni…) Sau khi hàn bằng vật liệu hàn loại này thì không nên nhiệt luyện, vì mối hàn có thể

bị suy giảm cơ tính gây ra chênh lệch ứng suất dư tại vùng gần biên nóng chảy

Các quá trình hàn có thể sử dụng đó là SMAW, GMAW, GTAW và SAW Khi hàn SMAW, khuyến cáo nên dùng que hàn vỏ bọc ba-zơ (CaF2 – CaCO3) Que hàn trước khi sử dụng cần được sấy ở 400 – 450 oC trong vòng 2 giờ để loại bỏ hydro xâm nhập vào trong mối hàn

Khi hàn thép Martensite: dễ xảy ra hiện tượng nứt nguội tại VAHN và tại KLMH (nếu KLMH có thành phần giống với KLCB) Để tránh nứt, người ta có thể dùng các biện pháp như:

- Làm mịn hạt bằng Titan, giảm năng lượng đường,

Khi hàn thép không gỉ ferit có thể sử dụng các phương pháp hàn như SMAW, GTAW, GMAW, SAW Nhưng lư ý, để tránh tăng kích thước hạt khi hàn thì nên

sử dụng nguồn nhiệt tập trung có công suất nhỏ Lựa chọn vật liệu hàn sao cho kim loại mối hàn chủ yếu là thép không gỉ austenite thuộc hệ Cr-Ni hoặc Cr-Ni-

Mn

2.3.3 Công nghệ hàn thép không gỉ austenit

Về cơ bản, thép không gỉ austenite có chứa từ 16%Cr và 7%Ni trở lên Các thép này còn được biết đến với tên gọi loại thép 300 Loại phổ biến nhất là 18/8 chứa 18%Cr và 8%Ni [4]

Thành phần hóa học và phân loại thép không gỉ có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau Cụ thể như sau:

Bảng 2.0.5: Phân loại một số loại thép không gỉ Austenite (Cr-Ni) ở dạng ống [12]

Ghi chú:

a Giá trị đơn là giá trị lớn nhất

b Với một số quá trình sản xuất ống, %Niken có thể cao hơn một chút so với giá trị được ghi trong bảng

c “Ta” là nguyên tố tùy chọn theo ứng dụng

Theo AISI, lại phân chia ra 05 nhóm thép không gỉ dạng thép đúc Tính hàn của thép không gỉ được chế tạo từ đúc thì kém hơn so với thép không gỉ cùng loại nhưng được chế tạo từ rèn (vì thép đúc thì có tổ chức hạt lớn hơn so với thép rèn, nên

dễ bị nứt nóng khi hàn) Tuy nhiên, có thể giảm nứt nóng bằng cách kiểm soát thành phần pha Delta Ferit trong thép đúc từ 4-10% [12]

Bảng 2.0.6 : Phân loại thép không gỉ Austenite (Cr-Ni) dạng đúc

Ghi chú:

a) Giá trị đơn là giá trị lớn nhất

b) American Society of Testing and Materials

Theo ASTM, họ phân nhóm thép không gỉ Austenite dạng ống bao gồm cả dạng đúc và rèn (cho cả ống đúc và ống hàn), gồm các mác thông dụng như: A213; A249; A269; A270; A271; A312; A351; A358; A376; A403; A409; A430; A451; A452; A688 (xem phụ lục số 5)

Thông thường, theo công dụng thép này được chia làm ba loại, tùy theo mục đích

sử dụng, đó là: Thép chống ăn mòn, thép bền nhiệt và thép chịu nhiệt [4]

- Thép chống ăn mòn: có chứa tối đa 0.12%C, tùy thuộc thành phần hóa học và chế độ nhiệt luyện mà thép có khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao tới 800 oC ở cả môi trường không khí và môi trường dung dịch kiềm hoặc axit và kim loại lỏng

- Thép bền nhiệt: là thép không gỉ austenit có chứa thêm Mo, W (đến 7% mỗi nguyên tố và B (Bo) Thép này có thể làm việc tốt ở điều kiện 750 oC

- Thép chịu nhiệt: là thép có khả năng chống ăn mòn bề mặt ở điều kiện nhiệt

độ cao lên tới 1100 – 1150 oC Trong thép này thường chứa tới 2.5%Al và tới 7%W tạo khả năng chống oxy hóa tốt Kết hợp với Silic chúng sẽ tạo ra lớp oxit bề mặt bền vững bảo vệ kim loại khỏi tác động của môi trường ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao

Tổ chức kim loại của thép phụ thuộc vào: thành phần hóa học, chế độ nhiệt luyện

và mức độ biến dạng dẻo Để biết thép có tổ chức kim loại thuộc nhóm nào, có thẻ sử dụng giản độ Schaeffler Giản đồ này cho phép xác định gần đúng tổ chức pha của thép trong điều kiện cân bằng về nhiệt động học trên cơ sở đương lượng Crôm tương đương (CrE) và Nikel tương đương (NiE) Các nguyên tố C, Si, Al, Mo, Nb, Ti, W, V

là các nguyên tố tạo cacbit và ổn định hóa pha Ferit Các nguyên tố khác như Ni, C,

Co, Cu, Mn, B thì có tác dụng ổn định pha Austenit

Hình 2.0.2: Giản đồ pha Schaeffler

Khi hàn thép không gỉ Crom cũng như thép không gỉ austenite, người ta lưu ý lựa chọn vật liệu hàn có chứa các nguyên tố như Ti, Nb (có ái lực với Cacbon mạnh hơn so với Cr), với mục đích các nguyên tố này sẽ kết hợp với Cacbon tự do để ngăn

sự hình thành cacbit Crom (Cr23C6) và tránh được hiện tượng ăn mòn tính giới hạt trong dải nhiệt độ 500 – 800 oC

Thép Austenit chịu ảnh hưởng của việc hợp kim hóa bằng nhiều nguyên tố, nên khi hàn cần lưu ý 4 vấn đề chính sau đây:

a) Nứt nóng mối hàn và VAHN:

Nguyên nhân là do không có sự chuyển biến pha rắn khi nguội, sự co kéo do co ngót khi nguội làm tăng ứng suất dẫn đến nứt Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi trong mối hàn có tổ chức kim loại hai pha là austenite (A) và Delta Ferit (δ) thì hiện tượng nứt nóng có thể được khắc phục

Để khắc phục nứt nóng, ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Tạo một lượng cần thiết pha δ ferit trong kim loại mối hàn (thông qua chế độ hàn: tránh sử dụng năng lượng đường lớn, dùng que hàn nhỏ, không dao động ngang khi hàn, làm nguội nhanh, duy trì hồ quang thấp để giảm Nitơ xâm nhập mối hàn)

- Sử dụng vật liệu hàn chứa ít tạp chất (P, S): Dây hàn, thuốc hàn, lõi que hàn

đã qua tinh luyện chân không hoặc tinh luyện điện xỉ

b) Giòn KLMH khi làm việc ở nhiệt độ cao (pha giòn sigma)

Nguyên nhân của hiện tượng này là do tốc độ nguội khi hàn cao, nó có tác dụng giữ nguyên tổ chức kim loại giả ổn định trong vùng nhiệt độ cao Sau đó do quá trình vận hành ở nhiệt độ cao trên 350 oC, hiện tượng khuếch tán sẽ làm thay đổi tổ chức kim loại dẫn đến giảm tính dẻo của mối hàn

Biện pháp khắc phục hiện tượng này là tìm cách làm giảm %C trong KLMH thông qua việc lựa chọn vật liệu hàn chứa các nguyên tố có ai lực mạnh với Cacbon như Ti, Nb để chúng có thể liên kết với cacbon tạo cacbit bền vững TiC

và NbC, mịn phân tán đều trong hạt kim loại austenit, cản trở Cacbon liên kết với Crom và ngăn chặn sự hình thành của cacbit Cr23C6

c) Cơ tính mối hàn bị suy giảm do hệ số giãn nở nhiệt lớn

Nguyên nhân của việc suy giảm cơ tính này là do: chu trình nhiệt hàn chưa hợp

lý, khuếch tán làm tăng lượng Cacbon và oxi trong VAHN kết hợp với các tạp chất làm giảm nhiệt độ nóng chảy ở các cùng tinh hoăc pha sigma bị cầu hóa và gây nên hiện tượng giòn

Để khắc phục hiện tượng này, có thể sử dụng các biện pháp sau đây:

- Tôi đồng nhất hóa tổ chức Austenit ở 1050 – 1100 oC để khử ứng suất dư, khử biến cứng, tạo tính chất đồng nhất cho liên kết hàn

- Kết hợp với ủ ổn định hóa ở 750 – 800 oC (hòa tan Cacbit và pha sigma) d) Ăn mòn tinh giới làm phá hủy liên kết hàn ở nhiệt độ cao và do ứng suất Nguyên nhân của ăn mòn tinh giới chính là do hiện tượng nghèo Crom ở vùng tinh giới khi làm việc ở nhiệt độ cao (do Cr kết hợp với Cacbon tạo cacbit) Để khắc phục hiện tượng này, ta cần thực hiện các biện pháp sau:

- Giảm hàm lượng cacbon xuống giới hạn hòa tan trong austenit (0.02-0.03%)

- Hợp kim hóa austenit bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Ti, Nb, Ta, V

- Tôi đồng nhất hóa austenit từ 1050 – 1100 oC sau đó tránh kim loại lưu lại trong dải nhiệt độ nhạy cảm 500 – 800 oC

- Tiến hành ủ ổn định hóa austenit sau khi hàn theo chế độ: giữ ở 850 – 900 oC trong 2-3 giờ

- Bảo đảm tổ chức 2 pha Austenit + Ferit (20-25%Ferit) thông qua hợp kim hóa mối hàn bằng cách thêm các nguyên tố Cr, Si, Mo, AL…

Các phương pháp có thể sử dụng để hàn thép không gỉ austenit là: SMAW, SAW, GMAW, GTAW và ESW

Khi hàn bằng phương pháp SMAW, cần lưu ý chọn que hàn bazo và phải sấy que hàn trước khi sử dụng Lúc hàn thì sử dụng năng lượng đường nhỏ, hàn không dao động ngang, chiều dài hồ quang ngắn

Có hai loại que hàn thông dụng hay dùng để hàn thép không gỉ đó là loại “lime”

và “titania” Loại “lime” là loại điện cực có hậu tố là “-15”, loại này thường dùng với dòng một chiều (DCEP), còn loại “Titania” là loại có hậu tố “-16” thì thường được dùng với dòng AC hoặc DCEP (DCEN đôi khi được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt khi mà yêu cầu chiều sâu ngấu nhỏ) Loại “-16” thì có chiều sâu ngấu thấp hơn, mối hàn phẳng hơn, đều hơn khi hàn ở tư thế hàn ngang và hàn sấp, dễ bong xỉ hơn so với loại “-15”

Thuốc hàn SAW cũng là thuốc hệ bazơ, chứa ít Silic và không chứa oxi để tránh oxi hóa các nguyên tố hợp kim Để bảo đảm tính ổn định của thành phần kim loại mối hàn nên ưu tiên hợp kim hóa mối hàn bằng dây hàn thay vì bằng thuốc hàn Khi

hàn, ưu tiên hàn nhiều đường hàn nhỏ để giảm năng lượng đường và cần làm sạch xỉ hàn giữa các đường hàn để tránh liên kết hàn bị ăn mòn trong quá trình vận hành Việc lựa chọn vật liệu hàn cho thép hợp kim khác có thể tham khảo trong các tiêu chuẩn, như AWS A5.4; A5.9 hoặc ASME II…

Bảng 2.0.7: Que hàn và dây hàn sử dụng khi hàn thép không gỉ austenite

Loại thép không gỉ Thành phần hóa

học

Que hàn (theo AWS A5.4)

Dây hàn (theo AWS A5.9) Thép Rèn Thép đúca

b Các liên kết của thép 316, 316L, 317 và 318 thì kim loại mối hàn thường có khả năng chống gỉ kém ở điều kiện không xử lý nhiệt Để cải thiện, người

ta thường xử lý nhiệt và làm lạnh nhanh trong dải nhiệt độ từ 1065 – 1120

Bảng 2.0.8: Lựa chọn vật liệu hàn khi hàn giữa các thép không gỉ khác nhau với nhau [12]

Chú ý về việc chuẩn bị liên kết trước khi hàn: Đối với thép không gỉ, chúng

có độ giãn nở nhiệt lớn hơn 50% so với thép cacbon, ngoài ra mức độ giãn nở nhiệt của nó lại nhỏ hơn ½ lần so với thép cacbon Đây là một vấn đề lớn, sẽ ảnh hưởng tới