듀플렉스 스테인레스 강의 시그마 상 취성: 시간-온도-강수 곡선

시그마 상은 대략 700도에서 900도 사이에서 가장 빠른 이중 스테인리스 스틸에서 형성되며, 시간-온도-강수(TTP) 곡선의 끝 부분은 일반적으로 약 800~850도에 위치합니다. - 더 높거나 낮은 온도가 아닌 좁은 띠가 가장 빠르고 가장 피해가 큰 강수가 발생하는 곳임을 의미합니다. 부피 기준으로 1~3%만큼 작은 시그마 분율은 충격 인성과 공식 부식 저항성을 심각하고 불균형적으로 저하시킬 수 있습니다. 따라서 용접 및 열처리 중 이 범위에서 소요되는 시간을 제어하는 ​​것은 사소한 공정 세부 사항이 아닌 엄격한 제조 요구 사항입니다.

듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트와 페라이트가 대략 동일한 비율로 균형 잡힌 미세 구조로 인해 - 고강도, 탁월한 내염화물 저항성-이라는 명성을 얻었습니다. 그 균형은 고온에서 취약합니다. 잘못된 온도 범위에서 너무 오랫동안 유지되면 페라이트 상이 부분적으로 시그마 상이라는 금속간 화합물로 변환되고 합금의 가장 중요한 특성이 붕괴됩니다. 이 기사에서는 시그마 단계가 무엇인지, 시간-온도-강수 곡선의 모양, 제작자가 시그마 단계를 벗어나기 위해 해야 할 일에 대해 설명합니다.

시그마 단계(Sigma Phase)란 무엇이며 왜 듀플렉스 스테인레스 스틸을 부서지게 합니까?

시그마상은 듀플렉스 스테인레스강의 페라이트가 고온에서 분해될 때 형성되는 크롬과 몰리브덴이 풍부한 단단하고 부서지기 쉬운 금속간 화합물입니다. - 주변 매트릭스에서 크롬과 몰리브덴을 제거하기 때문에 인성과 내식성을 동시에 손상시킵니다.

시그마 상은 페라이트가 시그마 상과 2차 오스테나이트로 분해되는 공석-형 반응을 통해 형성됩니다. 이는 페라이트-오스테나이트 상 경계와 페라이트-페라이트 결정립 경계-에서 주로 관련 금속간 화합물 카이 상이 선행되는 경우에 우선적으로 핵생성됩니다. 카이 상은 페라이트-페라이트 경계에서 먼저 형성되고 나중에 시그마 상이 성장함에 따라 소모됩니다.

시그마 상은 본질적으로 단단하고 부서지기 쉬우며 그 형성으로 인해 주변 매트릭스에서 크롬과 몰리브덴이 빠져나가기 때문에 결정립 경계에 물리적으로 부서지기 쉬운 2차 상과 국부적인 부식에 훨씬 더 취약한 그 옆의 크롬/몰리브덴{0}}고갈 영역이라는 두 가지 문제가 동시에 발생합니다. 이 이중 손상 메커니즘은 시그마 위상 취성이 미용적 야금학적 호기심보다는 중요한 제조 위험으로 취급되는 이유입니다.

시그마 단계에 대한 시간-온도-강수량(TTP) 곡선은 무엇을 나타냅니까?

TTP 곡선은 주어진 양의 시그마 상이 나타나는 데 걸리는 시간에 대해 합금이 유지되는 온도를 표시하여 '노즈'가 이중 스테인리스강에 대해 가능한 가장 빠른 석출량 -을 표시하는 특징적인 C- 모양의 곡선을 생성합니다. 해당 노즈는 일반적으로 약 800-850도에 위치합니다.

연구원들은 일련의 고정된 온도에서 용액{0}어닐링된 샘플을 유지한 다음 몇 분에서 1,000시간 이상까지 다양한 유지 시간 후에 시그마 상이 얼마나 형성되었는지 측정하여 이러한 곡선을 작성합니다. 시간(로그 척도) 대 온도 축에 표시된 결과 곡선은 옆쪽 "C"와 비슷합니다. 강수량은 위험 범위의 상한과 하한 모두에서 느리고 중간에서 가장 빠릅니다.

가공된 UNS S31803(2205) 이중 스테인리스강에 대한 연구에서는 약 850도에서 피크 시그마{2}}형성 동역학이 확인되었으며, 공개된 TTP 작업은 곡선을 완전히 특성화하기 위해 최대 1,000시간 이상의 유지 시간에 걸쳐 있습니다. 주조 듀플렉스 등급, 슈퍼 듀플렉스 등급 및 린 듀플렉스 구성에 대한 독립적인 작업은 합금 구성에 따라 정확한 모양과 타이밍이 다소 바뀌더라도 곡선의 노즈를 동일한 일반 800-850도 밴드에 일관되게 배치합니다.

시그마 상 형성에 가장 위험한 온도 범위는 무엇입니까?

실제 위험 구역은 듀플렉스 및 슈퍼 듀플렉스 등급에 걸쳐 약 700도에서 950도에 걸쳐 있으며, 가장 위험한 단일 온도는 - 가장 빠른 강수량 -으로 지속적으로 약 800~850도입니다.

이 대역 밖에서는 상황이 달라집니다. 약 700도 미만에서는 확산이 충분히 느려 시그마 형성이 매우 느려지지만 장기간 노출로 인해 여전히 허용될 수 있으며 페라이트 -의 스핀들 분해로 인한 별도의 낮은 -온도 취성 메커니즘 - 475 정도의 취성이 대신 더 관련성이 높은 위험이 됩니다. 대략 950~1000도 이상에서 시그마 상은 열역학적으로 덜 안정해지고 매트릭스로 다시 용해되는 경향이 있는데, 이는 교정 열처리로서 용체화 어닐링의 기초가 됩니다.

문제를 일으키려면 시그마 단계가 얼마나 필요합니까?

일반적으로 1% ~ 3부피%만큼 낮은 양의 -(-)은 충격 인성을 크게 떨어뜨리기에 충분합니다. 이는 다른 많은 금속 결함에 비해 시그마 위상 제어를 비정상적으로 엄격하게 만드는 이유입니다.

이는 듀플렉스 스테인리스 스틸을 처음 접하는 엔지니어들이 대부분 놀라게 하는 세부 사항입니다. 시그마 단계는 위험해지기 전에 큰 부분으로 축적될 필요가 없습니다. 2205 듀플렉스 스테인리스강에 대한 여러 독립적인 연구에 따르면 부피 기준으로 낮은 한 자리 수의 시그마 함량은 이미 현저한 인성 붕괴를 일으키기에 충분하며 충격 에너지 곡선은 시그마 강수 곡선 자체의 모양과 밀접하게 추적됩니다. - 시그마를 가장 빠르게 침전시키는 동일한 800~850도 범위는 노화 후 가장 낮은 충격 인성을 생성하는 범위이기도 합니다. 유지 시간과 시그마 함량이 더욱 증가함에 따라 인성은 계속해서 저하되지만, 가장 가파르고 결과적으로 떨어지는 하락은 일상적인 육안 검사에서는 쉽게 놓칠 수 있는 작은 부분에서 초기에 발생합니다.

시그마 단계도 부식 저항성을 손상시키나요, 아니면 단지 인성을 손상시키나요?

둘 다. 시그마 상 석출은 공식 전위를 현저히 낮추고 입계 및 공식 부식에 대한 민감성을 높입니다. 왜냐하면 각 시그마 입자 주변의 크롬- 및 몰리브덴- 고갈이 가장 필요한 곳에서 부동태 피막을 약화시키기 때문입니다.

부식 결과는 시그마 상이 형성되는 방식에 직접적으로 따릅니다. 크롬과 몰리브덴이 성장하는 시그마 입자로 확산됨에 따라 바로 주변 매트릭스는 수동 산화막을 안정화하는 바로 그 요소가 국부적으로 고갈됩니다. 노화된 듀플렉스 스테인리스강에 대한 전기화학적 테스트에서는 시그마 함량이 증가함에 따라 공식 전위가 떨어지고, 수동 영역이 좁아지고 결국 더 높은 시그마 비율에서 불안정해지는 것으로 나타났습니다.

구덩이는 시그마 입자 주변의 크롬- 고갈 영역에서 우선적으로 핵이 생성되는 것으로 나타났으며, 존재하는 시그마의 양과 분포에 따른 심각도 척도는 - 거칠고 집중된 시그마 입자가 일반적으로 미세하게 분산된 동일한 부피 분율보다 더 큰 피해를 줍니다. 즉, 구성요소는 충격 테스트에서도 실패하는 용접 또는 열 영향을 받는 부위와 정확히 동일한 부위에서 부식 테스트에 실패할 수 있습니다.-

용접으로 인해 이중 스테인리스강이 시그마 단계의 위험에 처하게 되는 이유는 무엇입니까?

용접 옆의 열{0}영향 영역은 가열 및 냉각 중에 필연적으로 700~950도 위험 대역을 통과하며 다중 용접 통과 또는 느린 층간 냉각은 해당 대역에서 충분한 시간을 축적하여 단일 통과가 명백히 과열된 것처럼 보이지 않는 경우에도 손상을 주는 시그마 단계를 촉진할 수 있습니다.

모든 아크 용접 패스는 용접 풀에서 방사되는 온도 구배를 생성하고 해당 구배를 따라 어딘가에 모재가 잠시 시그마- 형성 범위 내에 위치합니다. 단일 패스트 패스는 문제가 될 만큼 오래 머물지 않을 수 있습니다. 다중-패스 용접, 높은 열 입력, 부적절한 층간 온도 제어 또는 두꺼운 부분의 느린 냉각은 손상을 주는 시그마 함량이 나타나기 전에 합금의 TTP 곡선이 허용하는 것보다 훨씬 더 위험 대역에서 소비되는 시간을 연장할 수 있습니다. 이것이 듀플렉스 스테인리스강의 용접 절차에서 최대 열 입력, 제어된 층간 온도 및 - 많은 경우에 - 냉각 속도를 우연에 맡기는 대신 임계 범위를 통한 급속 냉각 요구 사항을 지정하는 이유입니다.

시그마 단계는 실제로 얼마나 빨리 -분 또는 시간을 형성합니까?

곡선의 끝 부분에서는 감지 가능한 시그마 상이 2시간 이내에 형성되기 시작할 수 있으며, 일부 주조 및 고합금 구성에서는 약 100분 이내에 -느린 용접 냉각 또는 부적절하게 제어된 용접 후 열처리가 이론이 아닌 실제 위험이 될 만큼 충분히 빠릅니다.{2}}

주조된 CD3MN 듀플렉스 스테인리스강에 대해 공개된 TTP 데이터는 유지 시간 약 100분부터 감지 가능한 시그마 형성이 시작되는 약 800도의 곡선 노즈를 배치합니다. 가공된 2205에 대한 운동학 연구는 850도에서 가장 빠른 변환 역학을 보고하며, 전체 특성화 연구는 위험 대역 가장자리에서 훨씬 느린 형성 속도를 포함하여 전체 곡선을 매핑하기 위해 유지 시간을 1,000시간 이상으로 확장합니다. 실제적인 의미는 비대칭입니다. 곡선의 가장 빠른 부분은 대략 한 시간에서 몇 시간의 시간 단위로 작동하며, 이는 두꺼운 부분의 용접물이나 부적절하게 제어된 용광로 사이클이 해당 온도 범위를 통과하는 데 사용할 수 있는 시간 내에 있습니다.

시그마 단계를 피하기 위해 용액 어닐링 후에 어떤 냉각 속도가 필요합니까?

시그마-형성 범위를 통해 약 0.25K/s보다 빠른 냉각 속도는 용액-어닐링 온도에서 연속 냉각하는 동안 시그마 상 형성을 억제하는 것으로 보고되었으며, 이것이 바로 물 담금질 또는 강제{3}}공기 냉각-이 느리지 않고 여전히-두꺼운 부분의 공냉-이 이중 스테인리스 강의 표준 관행인 이유입니다.

고온(일반적으로 약 1000~1050도 이상)에서의 용액 어닐링은 기존 시그마 상을 용해하고 오스테나이트-페라이트 밸런스를 재설정하지만 후속 냉각이 새로운 침전을 방지할 만큼 빠르게 시그마{3}}형성 범위를 통과하는 경우에만 이점이 유지됩니다. TTP 데이터와 함께 구축된 연속-냉각-변환 연구는 초당 대략 섭씨 1/4도 범위의 공개된 임계값으로 충분히 빠른 냉각 -이 - 위험 대역에서 등온적으로 유지될 경우 동일한 재료가 쉽게 시그마를 형성하더라도 의미 있는 시그마 형성을 방지한다는 것을 확인했습니다. 이것이 바로 두꺼운{10}섹션 이중 구성요소가 용액 어닐링 후 적극적인 담금질을 요구하는 이유입니다. 표면이 빠르게 냉각되는 경우에도 질량만으로는 구성요소 코어의 냉각 속도가 이 임계값 아래로 느려질 수 있습니다.

완성된 구성요소나 서비스 구성요소에서 시그마 단계를 어떻게 감지하나요?{0}}

선택적 에칭을 사용한 금속 조직 검사는 여전히 기준 방법이지만 페라이트 -에서 시그마 상의 독특한 특성을 활용하는 자기 및 전기 화학적 방법을 포함한 비파괴 기술 -은 샘플을 절단하지 않고 구성 요소를 스크리닝하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

금속 조직학: 선택적 에칭액을 사용한 연마된 섹션은 시그마 상 형태와 분포를 직접적으로 드러내며 확정적인 부피-분율 정량화의 표준으로 남아 있습니다.

충격 테스트: 샤르피 테스트는 강력한 간접 지표입니다. 충격 에너지 곡선이 노화된 듀플렉스 스테인리스강의 시그마 함량을 밀접하게 추적하기 때문입니다.

자기 및 전자기 방법: 시그마 상은 비자성이지만-페라이트는 강자성이므로 그 형성은 재료의 자기 반응을 눈에 띄게 변화시켜 비파괴 검사 접근 방식을 가능하게 합니다.

전기화학적 테스트: 전위차 분극은 시그마-관련 크롬 및 몰리브덴 고갈과 관련된 공식 전위 감소를 감지하여 간접적이지만 민감한 부식-기반 스크린을 제공할 수 있습니다.

중요한 가공 부품의 경우 단일 테스트 -보다는 - 접근 방식의 조합이 가장 신뢰할 수 있는 그림을 제공합니다. 인성 손실, 부식 민감성 및 직접 관찰된 시그마 함량이 매우 낮은 시그마 비율에서 항상 고정적으로 이동하는 것은 아니기 때문입니다.

시그마 단계 취성을 방지하기 위해 제작자는 무엇을 해야 합니까?

용접 중 열 입력 및 층간 온도를 제어하고, 고온에 노출된 후 700~950도 범위로 빠르게 냉각하고, 육안 검사에만 의존하기보다는 충격 테스트를 통해 결과를 확인합니다.

용접 절차 사양에서 최대 패스간 온도 및 열 입력 제한을 지정하고 시행합니다. 이는 열 영향 영역이 위험 범위에 머무르는 기간을 직접적으로 제어하기 때문입니다-.

용체 어닐링이나 고온-열 사이클 후에 천천히 공냉하는 대신에 절편 두께-에 맞게 급속 냉각 - 수냉 또는 강제-공랭을 사용하세요.-

단면 두께를 명시적으로 고려하십시오. 두꺼운 부품은 코어에서 더 천천히 냉각되므로 얇은 단면과 동일한 유효 냉각 속도를 달성하려면 더 공격적인 담금질이 필요할 수 있습니다.

인성 손실은 초기 시그마 형성의 가장 민감한 지표 중 하나이기 때문에 절차 인증 기록과 가능한 경우 생산 용접에 대한 샤르피 충격 테스트가 필요합니다.

서비스 조건이 위험 대역 근처에서 반복적이거나 장기간 노출되는 경우 합금 선택 자체를 평가하십시오. - 일부 이중 구성 및 합금 전략은 다른 것보다 시그마 형성을 더 효과적으로 지연시킵니다.

자주 묻는 질문

듀플렉스 스테인레스 스틸에서 시그마 상이 가장 빠르게 형성되는 온도는 무엇입니까?

대부분의 발표된 시간-온도-강수 연구에서는 가장 빠른 시그마 형성 - 곡선의 '노즈' - 약 800~850도를 배치하지만 정확한 값은 합금 구성에 따라 약간 이동합니다.

시그마 단계는 얼마나 위험합니까?

놀랍게도 거의 없습니다. 여러 연구에서는 금속 조직학적 검사 없이 상을 쉽게 발견하기 훨씬 전에 대략 1% ~ 3% 범위의 시그마 부분에서 상당한 인성 손실이 보고되었습니다.

시그마 상이 내식성에 영향을 미치나요, 아니면 기계적 인성에만 영향을 미치나요?

둘 다. 시그마 상 형성은 주변 매트릭스에서 크롬과 몰리브덴을 고갈시켜 공식 전위를 현저히 낮추고 입계 및 공식 부식 민감성을 높이는 동시에 충격 인성을 감소시킵니다.

시그마 상이 형성되면 제거할 수 있습니까?

예, 일반적으로 충분히 높은 온도(일반적으로 약 1000~1050도 이상)에서 용액 어닐링을 통해 급속 냉각을 통해 시그마 상을 매트릭스로 다시 용해시키고 후속 냉각이 재형성을 방지할 만큼 충분히 빠르다면 균형 잡힌 미세 구조 -를 복원합니다.

현장에서 용접이 시그마 위상의 가장 일반적인 원인인 이유는 무엇입니까?

모든 용접 주변의 열{0}영향부는 가열 및 냉각 중에 불가피하게 시그마- 형성 온도 범위를 통과하고 다중-통과 용접이나 높은 열 입력은 해당 범위에서 손상을 주는 시그마 성분을 침전시킬 만큼 충분한 시간을 축적할 수 있기 때문입니다.