Nứt Nóng Kim Loại Mối Hàn Thép Austenit

Cơ Chế Hình Thành Nứt Nóng Trong Mối Hàn Austenit

Trong quá trình hàn thép austenit, các tỉnh thể austenite (γ) với nhiệt độ nóng chảy cao sẽ kết tinh đầu tiên, tạo nên khung kim loại đắp. Đến giai đoạn cuối của quá trình kết tinh, phần pha lỏng còn lại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn (tinh thể cùng tinh) và độ bền kém hơn sẽ bị đẩy vào vùng ranh giới giữa các tỉnh thể austenite và kết tinh sau cùng.

Do không có sự chuyển biến pha rắn trong quá trình nguội, các tỉnh thể kim loại này phát triển với kích thước lớn, tiết diện rộng và diện tích bề mặt nhỏ (tạo thành hạt thô). Lớp cùng tinh mỏng manh giữa các tỉnh thể này lại có chiều dày lớn. Kết quả là, độ bền và khả năng biến dạng của kim loại mối hàn bị suy giảm đáng kể. Khi kim loại mối hàn nguội đi, sự co ngót và ứng suất kéo tăng lên, dễ dàng gây ra các vết nứt nóng dọc theo ranh giới hạt.

Kiểu kết tinh này đặc biệt rõ ràng khi thực hiện hàn nhiều lớp. Các tinh thể của lớp hàn sau sẽ phát triển tiếp nối theo hướng của các tinh thể lớp hàn trước, tạo nên sự kết tinh định hướng cao trong kim loại mối hàn.

Vai Trò Của Delta Ferit (δ-ferrit) Trong Ngăn Ngừa Nứt Nóng

Một giải pháp hiệu quả để khắc phục hiện tượng nứt nóng là tạo ra tổ chức kim loại hai pha trong mối hàn, bao gồm cả austenite (γ) và delta ferit (δ). Sự hiện diện của δ-ferrit có vai trò quan trọng trong quá trình kết tinh sơ cấp của kim loại mối hàn:

• Giảm tính định hướng kết tinh: Khi kết tinh, cả pha austenite và δ-ferrit sơ cấp cùng xuất hiện đồng thời, làm gián đoạn sự phát triển định hướng của các cột tinh thể austenite. Điều này giúp giảm tiết diện của các cột tinh thể austenite và làm mịn các lớp cùng tinh nằm giữa chúng, vì chúng được chia cắt bởi các đoạn δ-ferrit sơ cấp.
• Khử tạp chất và giảm thiên tích: Các nguyên tố ổn định ferit như Silicium (Si), Nhôm (Al), và Molybdenum (Mo) có khả năng khử lưu huỳnh (S) trong vũng hàn, từ đó làm giảm lượng các hợp chất sulfua cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp, một trong những nguyên nhân gây nứt nóng. δ-ferrit cũng có khả năng hòa tan tạp chất và giảm hiện tượng thiên tích trong quá trình đông đặc.

Hàm Lượng Delta Ferit Cho Phép

Tùy thuộc vào điều kiện làm việc của thép không gỉ austenit, lượng δ-ferrit cần thiết trong kim loại mối hàn sẽ khác nhau:

• Thép làm việc ở nhiệt độ không cao (đến 400°C): Có thể cho phép hàm lượng δ-ferrit lên đến 20-25%.
• Thép chịu nhiệt và thép bền nhiệt: Hàm lượng δ-ferrit cho phép thường giới hạn ở mức 4-5% để tránh sự xuất hiện của pha giòn sigma (σ) ở nhiệt độ cao, gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền của mối hàn.

Đặc Điểm và Vị Trí Xuất Hiện Nứt Nóng

Nứt nóng thường có đặc trưng là các vết nứt giữa các tỉnh thể, chủ yếu xuất hiện ở các mối hàn có cấu trúc hạt thô do sự kết tinh định hướng của các lớp hàn. Nứt nóng có thể xảy ra không chỉ trong quá trình hàn mà còn trong quá trình nhiệt luyện hoặc thậm chí khi kết cấu hàn làm việc ở nhiệt độ cao.

Cần đặc biệt lưu ý rằng, trong quá trình hàn, nứt nóng có thể xuất hiện ở cả kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Ở vùng HAZ, nhiệt độ cao từ quá trình hàn và sự phân bố thành phần hóa học không đồng nhất có thể khiến một số khu vực đạt đến nhiệt độ nóng chảy, dẫn đến nứt.

Các Biện Pháp Khắc Phục Hiện Tượng Nứt Nóng

Để phòng tránh và giảm thiểu nguy cơ nứt nóng khi hàn thép không gỉ austenit, có thể áp dụng các biện pháp sau:

• Làm mịn hạt tinh thể: Bằng cách tạo điều kiện cho các hạt kết tinh mà không có sự định hướng rõ rệt và duy trì một lượng nhất định δ-ferrit sơ cấp trong kim loại mối hàn.
• Sử dụng vật liệu hàn chất lượng cao: Lựa chọn vật liệu hàn (dây hàn, lõi que hàn) có hàm lượng tạp chất Lưu huỳnh (S) và Phốt pho (P) thấp. Các vật liệu đã qua tinh luyện chân không hoặc tinh luyện điện xỉ thường mang lại hiệu quả tốt hơn.
• Điều chỉnh thông số chế độ hàn: Giảm giá trị của các thông số như năng lượng đường, tiết diện mối hàn và lượng kim loại cơ bản bị hòa tan vào mối hàn để hạn chế nhiệt lượng tập trung và sự pha trộn không mong muốn.

Vai Trò Của Lượng Delta Ferit và Các Biểu Đồ Đánh Giá

Việc xác định lượng δ-ferrit cần thiết trong kim loại mối hàn là yếu tố then chốt khi lựa chọn vật liệu hàn và thiết lập quy trình công nghệ hàn thép austenit.

• Giản đồ Schaeffler: Được phát triển từ năm 1949, giản đồ này cho phép đánh giá nhanh tổ chức kim loại của mối hàn dựa trên thành phần hóa học của thép Cr-Ni.
• Giản đồ DeLong: Ra đời năm 1974, giản đồ này khắc phục những hạn chế của giản đồ Schaeffler bằng cách tính đến vai trò của Nitơ (N) đối với tổ chức kim loại (một số loại thép không gỉ austenit chứa lượng Nitơ đáng kể) và kết hợp với phương pháp đo từ tính để xác định nhanh lượng δ-ferrit thông qua Số Ferit (FN - Ferrite Number). Theo giản đồ DeLong, độ chính xác của FN càng cao khi tỷ lệ % ferit càng thấp. Các loại vật liệu hàn khác nhau yêu cầu các giá trị FN khác nhau, ví dụ, que hàn E308, E308L, E316, E316L cần ít nhất 3FN; E309 cần 4FN; E318 cần 5FN; E347 cần 6FN.

Trong quá trình chế tạo và vận hành kết cấu thép austenit, các dụng cụ đo nhanh lượng ferit thường được sử dụng để kiểm tra chất lượng mối hàn. Các tiêu chuẩn hàn thép austenit, như AWS A4.2-74, cũng quy định quy trình hiệu chỉnh cho các dụng cụ này. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên lực hút của ferit trong kim loại mối hàn, và đi kèm là các mẫu chuẩn có số FN từ 3 đến 27.

Lưu Ý Quan Trọng Để Đạt Được Lượng Delta Ferit Mong Muốn Khi Hàn:

Tránh sử dụng năng lượng đường lớn: Nên sử dụng que hàn có đường kính nhỏ, không dao động ngang khi hàn và làm nguội mối hàn nhanh để tránh làm tăng lượng δ-ferrit, có thể gây giảm khả năng chống ăn mòn.

Tránh chiều dài hồ quang lớn: Hồ quang dài có thể dẫn đến mức độ bảo vệ không đầy đủ, làm tăng lượng Nitơ trong mối hàn. Điều này gây ra hiện tượng austenite hóa cao, làm giảm lượng δ-ferrit cần thiết để ngăn ngừa nứt nóng.

Kết Luận nứt nóng trong hàn thép Austenit

Nứt nóng là một vấn đề nghiêm trọng có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền của mối hàn thép không gỉ austenit. Hiểu rõ cơ chế hình thành, vai trò của delta ferit và áp dụng các biện pháp phòng ngừa hiệu quả là yếu tố then chốt để tạo ra các mối hàn chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và tuổi thọ của công trình. Việc lựa chọn vật liệu hàn phù hợp, kiểm soát chặt chẽ quy trình hàn và kiểm tra hàm lượng ferit là những bước quan trọng để đảm bảo sự thành công trong quá trình hàn thép austenit.