ריתוך פלדה וניקל וסגסוגות ניקל, שאלות נפוצות

מָבוֹא

בעת ייצור ציוד כימי ונפט, על מנת לחסוך בניקל יקר, פלדה מרותכת לעתים קרובות לניקל וסגסוגות.

הבעיות העיקריות של ריתוך

בעת ריתוך, המרכיבים העיקריים בריתוך הם ברזל וניקל, המסוגלים למסיסות הדדית אינסופית ואינם יוצרים תרכובות בין-מתכתיות. באופן כללי, תכולת הניקל בריתוך גבוהה יחסית, כך שבאזור ההיתוך של החיבור המולחם, לא נוצרת שכבת דיפוזיה. הבעיה העיקרית בריתוך היא הנטייה לייצר נקבוביות וסדקים חמים בריתוך.

1. נקבוביות

פלדה וניקל וסגסוגותיה בעת ריתוך, הגורמים העיקריים המשפיעים על היווצרות נקבוביות בריתוך הם חמצן, ניקל ויסודות סגסוגת אחרים.

① השפעת החמצן. בריתוך, מתכת נוזלית עשויה להמיס יותר חמצן, וחמצן בטמפרטורות גבוהות גורם לחמצון ניקל, ויוצר NiO. NiO יכול להגיב עם מימן ופחמן במתכת הנוזלית וליצור אדי מים ופחמן חד-חמצני בבריכת המותך, כך שהשאריות יתמצקו, והן ייווצרו נקבוביות בריתוך. בריתוך ניקל טהור וברתוך קשת שקועה Q235-A של ברזל וניקל, תכולת החנקן והמימן לא משתנה הרבה, וככל שתכולת החמצן בריתוך גבוהה יותר, כך מספר הנקבוביות בריתוך גבוה יותר.

② השפעת הניקל. בריתוך ברזל-ניקל, מסיסות החמצן בברזל ובניקל שונה, מסיסות החמצן בניקל נוזלי גדולה מזו שבברזל נוזלי, בעוד שמסיסות החמצן בניקל מוצק קטנה מזו שבברזל מוצק, לכן, מסיסות החמצן בשינוי פתאומי של התגבשות ניקל בולטת יותר מזו של שינוי פתאומי של התגבשות ברזל. לכן, הנטייה לנקבוביות בריתוך קטנה כאשר ניקל הוא 15%~30%, וכאשר תכולת הניקל גדולה, הנטייה לנקבוביות עולה עוד יותר ל-60%~90%, וכמות הפלדה המומסת צפויה לרדת, ובכך לגרום לנטייה לגדול יותר להיווצרות נקבוביות.

③ השפעת יסודות סגסוגת אחרים. כאשר ריתוך ברזל-ניקל מכיל מנגן, כרום, מוליבדן, אלומיניום, טיטניום ויסודות סגסוגת אחרים או בהתאם לסגסוגת, ניתן לשפר את עמידות הריתוך בפני נקבוביות, הסיבה לכך היא שלמנגן, טיטניום ואלומיניום יש תפקיד של הסרת חמצון, בעוד שכרום ומוליבדן משפרים את מסיסות הריתוך במתכת מוצקה. לכן, ניקל ופלדת אל-חלד 1Cr18Ni9Ti עמידים יותר בפני נקבוביות בהשוואה לניקל ופלדת Q235-A. אלומיניום וטיטניום יכולים גם לקבע חנקן בתרכובות יציבות, מה שיכול גם לשפר את עמידות הריתוך בפני נקבוביות.

2. סדקים תרמיים

הסיבה העיקרית לסדיקה תרמית של פלדה, ניקל וסגסוגותיה בריתוך היא שבשל ריכוז ניקל גבוה בגוף דנדריטי בריתוך, גרגירים גסים מרוכזים במספר גבישים בעלי נקודת התכה נמוכה בשולי הגרגירים הגסים, ובכך מחלישים את הקשר בין הגרגירים ומפחיתים את עמידות הסדיקה של מתכת הריתוך. בנוסף, תכולת הניקל במתכת הריתוך גבוהה מדי מכדי לייצר סדקים תרמיים, ויש לה השפעה משמעותית על ריתוך ברזל-ניקל. חמצן, גופרית, זרחן וזיהומים אחרים משפיעים גם הם על סדקים תרמיים בריתוך ברזל-ניקל.

בעת שימוש בשטף נטול חמצן, עקב ירידה באיכות החמצן, הגופרית, הזרחן וזיהומים מזיקים אחרים בריתוך, ובמיוחד הירידה בתכולת החמצן, כמות הסדיקה מצטמצמת משמעותית. עקב התגבשות בריכת המותכת, חמצן וניקל יכולים ליצור חומר אוטקטי של Ni + NiO, טמפרטורה אוטקטית של 1438 ℃, וחמצן יכול גם להגביר את ההשפעות המזיקות של הגופרית. לכן, כאשר תכולת החמצן בריתוך גבוהה, הנטייה לסדיקה תרמית גדולה יותר.

Mn, Cr, Mo, Ti, Nb ויסודות סגסוגת אחרים יכולים לשפר את עמידות הסדקים של מתכת הריתוך. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb הם חומרים מטמורפיים, שיכולים לעדן את ארגון הריתוך ויכולים לשבש את כיוון התגבשותו. Al ו-Ti הם גם חומרים חזקים להסרת חמצון, שיכולים להפחית את כמות החמצן בריתוך. Mn יכול ליצור תרכובות עקשנות עם S, MnS, מה שמפחית את ההשפעות המזיקות של גופרית.

תכונות מכניות של חיבורים מרותכים

התכונות המכניות של חיבורי ריתוך ברזל-ניקל קשורות לחומרי המתכת המילוי ולפרמטרי הריתוך. בעת ריתוך ניקל טהור ופלדה דלת פחמן, כאשר שווה הערך ניקל בריתוך נמוך מ-30%, תחת קירור מהיר של הריתוך, יופיע מבנה מרטנזיט בריתוך, מה שיגרום לירידה חדה בפלסטיות ובקשיחות של החיבור. לכן, על מנת להשיג פלסטיות וקשיחות טובות יותר של החיבור, שווה הערך ניקל בריתוך ברזל-ניקל צריך להיות גדול מ-30%.