5. Phương pháp nghiên cứu
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, - Giảm độ cứng vững liên kết hàn.
- Nung nóng sơ bộ và duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn (200 – 300 oC). Đây được đánh giá là biện pháp triệt để nhất.
Với thép ferit crom cao (trên 16%Cr), thì Ferit có xu hướng tăng kích thước hạt tại vùng có nhiệt độ cao (VAHN, KLMH). Cấu trúc hạt thô sẽ làm giảm tính dẻo và độ dai va đập của thép ở nhiệt độ thường và nhiệt độ thấp. Bởi vậy, sau khi hàn, thường tiến hành ram ở nhiệt độ khoảng 800 oC để cải thiện tính dẻo và độ dai va đập.
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:
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 Ghi chú:
a. Thép đúc thì có hàm lượng Cacbon cao hơn, các mác thép chịu nhiệt thì thường có cùng thành phần hóa học (ví dụ: các thép có chứa ký tự “H” như: HF, HH và HK). Điện cực sử dụng để hàn các loại thép này thường yêu cầu hàm lượng tương đương, nhưng hàm lượng cacbon thấp hơn.
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 oC.
c. Kiểu que hàn 321 không được chế tạo vì Titan không thích hợp di chuyển trong hồ quang điện.
Trong trường hợp hàn giữa hai loại thép không gỉ với nhau, việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp là rất quan trọng. Bảng dưới đây đưa ra gợi ý cho việc lựa chọn vật liệu hàn giữa các thép không gỉ khác nhau với nhau.
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
độ co ngót khi hàn và dễ gây ứng suất, biến dạng khi hàn. Thông thường, khi hàn giáp mối không có lót đáy, thì khe hở hàn thường để khoảng 2.4mm sau khi hàn đính. Tuy nhiên, do co ngót khi hàn nên cần sử dụng khe hở lớn hơn hoặc sử dụng biện pháp mài để mở rộng khe hở trong quá trình hàn. Đối với những chi tiết có chiều dày lớn hơn 19mm thì có thể sử dụng kiểu vát mép chữ U để giảm chiều rộng của bề mặt mối hàn và giảm thiểu tối đa lượng kim loại mối hàn.
2.3.4. Công nghệ hàn thép không gỉ biến cứng kết tủa
Theo cấu trúc kim loại xuất hiện sau khi chúng được làm nguội từ nhiệt độ ủ hòa tan hoặc nhiệt độ austenit hóa, có 3 loại thép không gỉ biến cứng kết tủa đó là Thép Martensite, thép nửa austenit và thép austenit.
Bảng 2.0.9: Một số loại thép không gỉ biến cứng kết tủa cụ thể[2]
a) Công nghệ hàn thép không gỉ biến cứng kết tủa martensit [4]
Thép không gỉ biến cứng kết tủa thuộc nhóm cấu trúc martensite có khả năng chống ăn mòn cao hơn thép không gỉ martensite thông thường. Thép này có đội bền kéo siêu cao (khoảng 1379 Mpa) và thuộc nhóm có tính hàn tốt do hàm lượng cacbon thấp và chúng không bị nứt nguội cũng như nứt nóng khi hàn. Do vậy khi hàn thép này không cần nung nóng sơ bộ, hoặc nung bổ sung sau khi hàn. Tuy nhiên, cần lưu