Waarom is het ferrietgehalte in 316 roestvrijstalen verwarmingsmantelbuiscontrole gevoelig voor heetscheuren tijdens het lassen van de eindkapsluiting?

Rol van deltaferriet bij het voorkomen van stollingsscheuren

In het geval van elektrische verwarmingsbuizen met roestvrijstalen mantel 316 vereist de lasbewerking van de eindkap om de buis af te sluiten nadat de weerstandsdraad en magnesiumoxide zijn aangebracht een metallurgische toestand die bestand is tegen heetscheuren tijdens het stollen van het smeltbad. Het percentage deltaferriet in het basis- en lasmetaal 316, doorgaans variërend van 0% (volledig austenitisch) tot 10% (duplex-achtige structuur), is de allerbelangrijkste factor die de gevoeligheid voor warmscheuren bij lassen bepaalt. Het volledig austenitische 316 (ferriet < 2%) stolt met grove kolomvormige korrels die onzuiverheden met een laag smeltpunt (fosfor, zwavel, silicium) vasthouden aan de korrelgrenzen waar ze vloeibare films vormen die barsten onder de spanningen van thermische contractie. Lasmetaal dat 3-8% deltaferriet bevat, wordt gestold in een duplexmodus (ferriet-austeniet) om een ​​fijn, kronkelig netwerk van korrelgrenzen te produceren die onzuiverheden verdelen en contractiespanningen opvangen zonder te breken. Dit artikel evalueert de correlatie tussen het ferrietgehalte, de integriteit van de eindkapafdichting en de mate van scheurvorming in de las, en geeft specificatielimieten voor lastoepassingen met verwarming.

Mechanisme van ferriet-geïnduceerde scheurpreventie

Wanneer 316 roestvrij staal lasmetaal stolt, is de eerste fase die zich uit de vloeistof vormt deltaferriet (lichaam-gecentreerd kubisch) in plaats van austeniet (vlak-gecentreerd kubisch), omdat ferriet een hogere stollingstemperatuur heeft. Bij afkoeling verandert het grootste deel van het ferriet in austeniet door een reactie in de vaste toestand, hoewel er bij omgevingstemperatuur een kleine hoeveelheid ferriet (gewoonlijk 3-10%) aanwezig is. Dit vastgehouden ferriet heeft twee functies: breukpreventie. Ten eerste heeft ferriet een aanzienlijk hogere oplosbaarheid voor verontreinigingen zoals fosfor en zwavel (tot 10 keer meer dan austeniet). Deze onzuiverheden zijn niet geconcentreerd aan de grenzen van de austenietkorrels, maar worden geconcentreerd in de ferrietfase, waardoor de vloeistoffilms worden verwijderd die stollingsscheuren veroorzaken. Ten tweede heeft het ferriet-austenietgrensvlak een meer kronkelige structuur dan een austeniet-austenietkorrelgrens, en dit belemmert de voortplanting van scheuren. Voor 316 basismetaal is het ferrietgehalte een functie van de samenstelling van de legering, in het bijzonder de chroom- en nikkelequivalenten zoals geschat op basis van de Schaeffler- of DeLong-diagrammen. Een samenstelling met ongeveer 20 chroomequivalent (Cr + Mo + 1.5×Si) en ongeveer 12 nikkelequivalent (Ni + 30×C + 0.5×Mn) levert een ferrietgehalte op van 4-8%, wat geschikt is voor lasbaarheid. Als het nikkelequivalent te hoog is ten opzichte van chroom, stollen de lassen volledig austenitisch (ferriet minder dan 2%) en zijn ze zeer scheurgevoelig.

Gekwantificeerde relatie tussen lasscheursnelheid en ferrietgehalte

Gecontroleerde lasstudies op 316-buizen voor eindkapsluitingen van verwarmingen (autogene GTAW, geen vulmetaal, warmte-inbreng 0,5-1,0 kJ/mm) wijzen op een duidelijk omgekeerd verband tussen ferrietgehalte en breukincidentie. Buizen met een ferrietsamenstelling van minder dan 2% (volledig austenitisch) hebben een heetscheurpercentage van meer dan 30% – ongeveer één op de drie lasnaden onthult duidelijke scheuren bij een vergroting van 10x. Voor ferriet tussen 2-3% daalt de scheurvorming tot 10-15%. De kraakhoeveelheid neemt af tot 2-5% bij een ferriethoeveelheid van 3-5%.. 5-8% is de kraak voor ferriet onder de 1%. Ferriet boven 8% geeft nog steeds weinig scheurvorming, maar het lasmetaal wordt magnetisch en kan onder bepaalde omstandigheden een slechte corrosieweerstand vertonen als gevolg van selectieve aantasting van de ferrietfase. Het haalbare doel bij het lassen van eindkappen van verwarmingselementen is 4-8% ferriet in het lasmetaal. Hiervoor is vaak basismetaal met 3-6% ferriet nodig, aangezien verdunning van basismetaal in lasbad (autogeen lassen) resulteert in lasmetaalferriet dat iets minder is dan basismetaalferriet. De onderstaande tabel vat het verband samen tussen het ferrietgehalte van het basismetaal, het ferrietgehalte van lasmetaal en de incidentie van heetscheuren en aanbevolen toepassingen.

Ferrietgehalte van basismetaal (%) Ferrietgehalte van lasmetaal (%) (autogene GTAW) Incidentie van heetscheuren (%, zichtbaar bij 10x) Integriteit van eindkapafdichting Aanbevolen voor onderhoud aan verwarming<1 <1 >40Zeer slecht (hoog lekpercentage)Niet geschikt voor enig onderhoud
1-2 1-2 20-35 Slecht (lekt vaak) Alleen voor droge,- toepassingen zonder druk
2-3 2-3 10-15 Marginaal (100% inspectie vereist)Water, lage druk, geen chloride
3-4 2.5-3.5 5-10 Algemeen industrieel gebruik met matige druk Acceptabel met penetrante inspectie door kleurstof
4-6 3-5 2-5 Goed (laag lekpercentage) Meeste waterverwarming 6-8 5-7<1 Excellent (extremely high reliability) Pressurised systems, chlorides, thermal cycling
8-12 7-10 <1 Excellent (although ferrite may be subject to selective corrosion) Acceptable but ferrite attack in acids to be watched 
Meting van het ferrietgehalte in 316 buizen en lassen

For buyers specifying 316 sheathed heaters, three methods confirm ferrite content in the base metal and weld metal. The first one is the magnetic induction measurement via ferritescope. Ferrite is ferromagnetic, austenite is not magnetic. A calibrated ferritescope provides direct ferrite percentage readings on the tube surface and across welds. For base metal, values under 2% indicate totally austenitic material with bad weldability. The second method is microstructure examination after etching with modified Murakami's reagent (potassium ferrocyanide + potassium hydroxide), which stains ferrite dark blue or brown while leaving austenite unaffected. The ferrite fraction is estimated by point count or image analysis according to ASTM E562. The third way is to use chemical analysis to determine the chromium and nickel equivalents and then use the DeLong diagram to forecast the amount of ferrite. For 316 a typical ferrite range is 3-7 %, but some heats (particularly high nickel heats, >13% Ni) kan lager zijn dan 2%. Voor kritische lastoepassingen moeten kopers voor elke hitte van de buis een certificering van het ferrietgehalte op het fabriekscertificaat eisen.

Effect van vulmetaal op het lasferrietgehalte

In gevallen waarin de eindkappen van de verwarmer zijn gelast met vulmetaal (zeldzaam voor verwarmingsmantels met een kleine diameter maar gebruikelijk voor grotere flensconstructies) kan de samenstelling van het vulmetaal het ferrietgehalte van het lasmetaal onafhankelijk van het basismetaal regelen. De breukgevoeligheid kan worden gecorrigeerd door de productie van een las met 5-10% ferriet met behulp van het 308L-vulmetaal (hogere chroom--nikkelverhouding) voor 316-basismetaal met een laag ferrietgehalte (minder dan 3%). Bij 316L basismetaal resulteert 316L vulmetaal gewoonlijk in 4-8% ferriet. Dergelijk materiaal mag niet worden gebruikt voor gelaste verwarmingssluitingen. Basismetaal dat volledig austenitisch is (bijv.. 310 roestvrij staal of sommige hoge nikkel 316-temperaturen) kan geen vulmetaal gebruiken om het risico van barsten volledig te vermijden. De beschikbaarheid van buizen met een geverifieerd gehalte aan basismetaalferriet van 4-8% elimineert de noodzaak voor vulmetaal en garandeert lasconsistentie voor fabrikanten van verwarmingselementen.

Tekenen van heetscheuren in de lasnaden van de eindkappen van de verwarmers

Het magnesiumoxidepoeder aan de binnenkant kan kleine gaten in een gebroken eindkaplas voor verwarmingstoestellen die in gebruik zijn, tijdelijk afdichten, zodat het mogelijk niet onmiddellijk lekt. De drie veldtekens duiden niettemin op lasscheuren. De eerste is een gestage afname van de elektrische isolatieweerstand in de loop van de tijd, omdat vocht door microscheurtjes dringt en het MgO bevochtigt. De tweede is een zichtbaar vlek- of corrosieresultaat in de buurt van het lasgebied wanneer de verwarmer buiten gebruik wordt gesteld. De derde is een sissend geluid bij het verwarmen (voor met gas-gevulde verwarmingstoestellen) of af en toe het uitschakelen van de aardlekbeveiliging. Voor nieuwe verwarmers is een eenvoudige kwaliteitsborgingstest het onder druk zetten van de ingebouwde (maar nog niet met MgO gevulde) omhulling met helium van 0,5 MPa en het meten van de leksnelheid met een massaspectrometer. Een goede las heeft een leksnelheid van minder dan 1x10 -7 mbar-L/sec. Voor kopers biedt de eis dat alle eindkaplassen een 100% kleurpenetratie-inspectie doorstaan ​​volgens ASME Sectie V, met acceptatiecriteria zonder lineaire indicaties, een praktische kwaliteitsverificatie.

Conclusie: Specificatie van het ferrietgehalte voor betrouwbare eindkaplassen

Het delta-ferrietgehalte van 316 roestvrijstalen mantelbuizen regelt direct het heetscheuren tijdens het lassen van de eindkapsluiting. Met minder dan 3% ferriet in het basismetaal stolt het lasmetaal met een volledig austenitische structuur, die onzuiverheden aan de korrelgrenzen opvangt en scheuren veroorzaakt met een snelheid van meer dan 10-15%. Lasmetaal met 3-7% ferriet kan worden bereikt door gebruik te maken van 4-8% basismetaalferriet, wat resulteert in minder scheurvorming.<2-5% and durable end cap seals for pressurised and corrosive use. Engineers specifying 316 sheathed heaters for any application requiring hermetic sealing, including water immersion, pressurised systems or corrosive environments, must require certification of ferrite content (minimum 4% by ferritescope) on the tubing mill certificate or specify that the manufacturer tests each heat before use. This paper outlines the basis for correlating ferrite % with measured rates of weld cracking so that purchasers may pick 316 sheath tubing that provides crack-free end cap welds, so avoiding the insidious failure mode of weld microcracking.