Johdanto
Kemian- ja öljyteollisuuden laitteita valmistettaessa terästä hitsataan usein nikkeliin ja seoksiin kalliin nikkelin säästämiseksi.
Hitsauksen tärkeimmät ongelmat
Hitsattaessa hitsin pääkomponentit ovat rauta ja nikkeli, jotka liukenevat toisiinsa loputtomasti eivätkä muodosta metallien välisiä yhdisteitä. Yleisesti ottaen hitsin nikkelipitoisuus on suhteellisen korkea, joten hitsatun liitoksen sulamisvyöhykkeelle ei muodostu diffuusiokerrosta. Hitsauksen pääongelma on taipumus muodostaa huokoisuutta ja kuumia halkeamia hitsiin.
1. Huokoisuus
Teräksen ja nikkelin sekä sen seosten hitsauksessa hitsin huokoisuuden muodostumiseen vaikuttavat tärkeimmät tekijät ovat happi, nikkeli ja muut seosaineet.
① Hapen vaikutus. Hitsauksessa nestemäiseen metalliin voi liueta enemmän happea, ja korkeissa lämpötiloissa nikkelin hapettuminen aiheuttaa NiO:n muodostumista. NiO voi reagoida nestemäisen metallin vedyn ja hiilen kanssa, jolloin syntyy vesihöyryä ja hiilimonoksidia sulassa altaassa, jolloin se jähmettyy liian myöhään. Jähmetykset eivät pääse poistumaan, mikä johtaa huokoisuuden muodostumiseen hitsissä. Puhtaassa nikkelissä ja Q235-A-jauhekaarihitsauksessa raudan ja nikkelin hitsauksessa typen ja vedyn pitoisuus ei juurikaan muutu. Mitä korkeampi hitsin happipitoisuus on, sitä suurempi on hitsissä olevien huokosten määrä.
② Nikkelin vaikutus. Rauta-nikkelihitsauksessa hapen liukoisuus rautaan ja nikkeliin on erilainen. Nestemäiseen nikkeliin hapen liukoisuus on suurempi kuin nestemäiseen rautaan, kun taas kiinteään nikkeliin hapen liukoisuus on pienempi kuin kiinteään rautaan. Siksi hapen liukoisuus nikkelin kiteytymisessä äkillisesti muuttuu voimakkaammin kuin raudan kiteytymisessä äkillisesti. Siksi hitsauksen huokoisuus on pieni, kun nikkelipitoisuus on 15–30 %, ja kun nikkelipitoisuus on suuri, huokoisuus kasvaa edelleen 60–90 %:iin, ja liuenneen teräksen määrä todennäköisesti pienenee, mikä lisää huokoisuuden muodostumistaipumusta.
③ Muiden seosaineiden vaikutus. Kun rauta-nikkelihitsaus sisältää mangaania, kromia, molybdeeniä, alumiinia, titaania ja muita seosaineita seoksen ominaisuuksien mukaisesti, hitsauksen huokoisuudenkestävyys voi parantua. Tämä johtuu mangaanin, titaanin ja alumiinin hapettomuutoksista, kun taas kromi ja molybdeeni parantavat hitsauksen liukoisuutta kiinteään metalliin. Siksi nikkelin ja 1Cr18Ni9Ti-ruostumattoman teräksen hitsaus on huokoisuudenkestävyys parempi kuin nikkelin ja Q235-A-teräksen hitsaus. Alumiini ja titaani voivat myös sitoa typpeä stabiileihin yhdisteisiin, mikä voi myös parantaa hitsauksen huokoisuudenkestävyysominaisuuksia.
2. Lämpökrakkaus
Teräksen ja nikkelin sekä sen seosten hitsien lämpöhalkeilun pääasiallinen syy on se, että nikkelipitoisuus on korkea ja dendriittinen, ja karkeiden rakeiden reunoille on keskittynyt useita matalan sulamispisteen yhteiskiteitä, jotka heikentävät rakeiden välistä yhteyttä ja vähentävät hitsausmetallin halkeilukestävyyttä. Lisäksi hitsausmetallin nikkelipitoisuus on liian korkea lämpöhalkeilun aikaansaamiseksi, mikä vaikuttaa merkittävästi rauta-nikkelihitsaukseen. Myös hapella, rikillä, fosforilla ja muilla epäpuhtauksilla on suuri vaikutus hitsausmetallin lämpöhalkeilun taipumukseen.
Hapetonta juoksutetta käytettäessä hitsin hapen, rikin, fosforin ja muiden haitallisten epäpuhtauksien laatu heikkenee, erityisesti happipitoisuus laskee, mikä vähentää huomattavasti halkeilun määrää. Koska sulassa oleva vesi kiteytyy, happi ja nikkeli voivat muodostaa eutektisia Ni + NiO -yhdisteitä. Eutektisessa lämpötilassa 1438 ℃ happi voi myös vahvistaa rikin haitallisia vaikutuksia. Joten kun hitsin happipitoisuus on korkea, lämpöhalkeilun taipumus on suurempi.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb ja muut seosaineet voivat parantaa hitsausmetallin halkeamien kestävyyttä. Mn, Cr, Mo, Ti ja Nb ovat metamorfisia aineita, jotka voivat tarkentaa hitsausrakennetta ja häiritä sen kiteytymissuuntaa. Al ja Ti ovat myös voimakkaita hapettumisenestoaineita, jotka voivat vähentää hitsauksen happipitoisuutta. Mn voi muodostaa tulenkestäviä yhdisteitä S:n ja MnS:n kanssa, mikä vähentää rikin haitallisia vaikutuksia.
Hitsattujen liitosten mekaaniset ominaisuudet
Rauta-nikkelihitsausliitosten mekaaniset ominaisuudet liittyvät lisäainemateriaaleihin ja hitsausparametreihin. Puhdasta nikkeliä ja vähähiilistä terästä hitsattaessa, kun hitsin Ni-ekvivalentti on alle 30 %, hitsiin muodostuu nopean jäähtymisen seurauksena martensiittirakenne, joka aiheuttaa liitoksen plastisuuden ja sitkeyden jyrkän laskun. Siksi liitoksen plastisuuden ja sitkeyden parantamiseksi rauta-nikkelihitsauksen Ni-ekvivalentin tulisi olla yli 30 %.
Julkaisun aika: 10.3.2025