Retak Solidifikasi pada Lasan Baja Tahan Karat Austenitik Sepenuhnya: Kontrol Nomor Ferit

Sepenuhnyabaja tahan karat austenitiklasan retak selama pemadatan karena, tanpa adanya delta ferit dalam jumlah kecil, pengotor-sulfur dan fosfor yang titik lelehnya rendah akan terpisah menjadi lapisan tipis cairan di sepanjang batas butir yang mengeras dan terkoyak akibat tekanan pendinginan. Pengendalian standar industri adalah menargetkan Nomor Ferit (FN) kira-kira 3 hingga 10 menggunakan diagram WRC-1992 - jumlah ferit yang cukup untuk memerangkap pengotor tersebut, namun tidak terlalu banyak sehingga menurunkan ketahanan terhadap korosi atau meningkatkan fase sigma rapuh dalam pelayanan.

Lasan baja tahan karat austenitik - 304, 316, dan berbagai variannya - merupakan salah satu material yang paling sering dilas di industri, dan sebagian besar dapat ditoleransi dengan baik dalam pengelasan. Namun sebagian aplikasi tertentu, mulai dari bejana kriogenik hingga grade austenitik penuh seperti 310 dan 330, menghilangkan fitur yang biasanya melindungi lasan ini dari retak: delta ferit. Artikel ini menjelaskan mekanisme di balik solidification cracking, mengapa Ferrite Number adalah tuas utama untuk mengendalikannya, dan apa yang harus dilakukan ketika aplikasi benar-benar tidak dapat mentoleransi ferit yang seharusnya menyelesaikan masalah.

Mengapa Lasan Baja Tahan Karat Austenitik Retak Selama Pemadatan?

Retakan solidifikasi terjadi ketika sisa pengotor sulfur dan fosfor terpisah menjadi lapisan tipis-cair dengan titik leleh rendah di sepanjang batas butir yang mengeras, dan tegangan pendinginan merobek-batas lemah tersebut sebelum dapat memadat sepenuhnya.

Saat logam las mendingin dari cair menjadi padat, ia tidak langsung mengeras - butirannya terbentuk dan tumbuh, dan sisa pengotor yang tidak cocok dengan struktur kristal terdorong ke depan bagian depan padatnya. Belerang dan fosfor merupakan penyebab utama: keduanya bergabung dengan elemen matriks untuk membentuk senyawa dengan titik leleh lebih rendah dibandingkan logam di sekitarnya, dan keduanya mudah dipisahkan ke daerah-hingga-pemadatan terakhir pada batas butir.

Saat lasan terus mendingin dan berkontraksi, hal ini menghasilkan tegangan tarik melintasi batas tersebut. Jika lapisan tipis cairan dengan-pengotor titik leleh rendah ini masih ada saat tekanan tersebut terjadi, batas tersebut pada dasarnya tidak memiliki kekuatan untuk menahannya, dan lapisan tersebut robek - sehingga menghasilkan retakan pemadatan, terkadang terlihat di permukaan, terkadang terkubur di dalam lasan.

Apa Itu Nomor Ferit, dan Mengapa Ferit dalam Jumlah Kecil Mencegah Retak?

Nomor Ferit (FN) adalah indeks standar yang diukur secara magnetis mengenai berapa banyak delta ferit yang terdapat dalam logam las austenitik, dan ferit penting karena ferit tersebut jauh lebih mudah melarutkan sulfur dan fosfor dibandingkan austenit, sehingga menjaga pengotor tersebut tidak terkonsentrasi menjadi retakan-yang menyebabkan lapisan tipis.

Delta ferit bermanfaat dalam melarutkan fosfor dan belerang, pengotor-yang memiliki titik leleh rendah yang akan terpisah selama pemadatan dan menyebabkan keretakan pada proses pengelasan selanjutnya. Ferit memiliki batas kelarutan yang lebih tinggi untuk unsur-unsur ini dibandingkan austenit, jadi ketika las mengeras bahkan dengan jumlah ferit yang sedikit, ferit tersebut bertindak sebagai penyerap - yang menyerap sulfur dan fosfor ke dalam larutan padat alih-alih membiarkannya terkonsentrasi menjadi film cair tipis pada batas butir.

Ferit juga diyakini bertindak sebagai pengikat fisik antara pemadatan kolom dendrit austenitik; dengan terlalu sedikit ferit, kolom dendrit paralel tersebut dapat terbelah sepanjang panjangnya sebagai retakan. Karena FN diukur dengan instrumen magnetis terstandar dan dilaporkan pada skala yang diakui secara internasional, hal ini memberi para insinyur pengelasan angka yang praktis dan dapat diulang untuk menargetkan - daripada hanya mengandalkan ferit yang 'cukup' secara kualitatif.

Berapa Kisaran Nomor Ferit yang Harus Ditargetkan Tukang Las?

Praktik industri umumnya menargetkan FN dalam kisaran sekitar 3 hingga 10 untuk kualitas austenitik standar seperti 308, 308L, 309, dan 316 - yang cukup untuk menahan retak solidifikasi tanpa menimbulkan masalah korosi atau penggetasan yang disebabkan oleh kelebihan ferit.

Kisaran ini tidak sembarangan: ini mewakili titik keseimbangan antara dua risiko yang bersaing. Di bawah kira-kira 3 FN, umumnya tidak terdapat cukup ferit yang dapat diandalkan, pada tingkat yang konsisten dan dapat diprediksi di seluruh lasan, untuk menjamin ketahanan retak - variasi dalam laju pendinginan, pengenceran, atau perubahan kimia kecil dapat mendorong daerah terisolasi pada las menuju ferit nol bahkan ketika target di atas kertas terlihat memadai.

Di atas sekitar 10 FN, masalah lain mulai muncul, yang dibahas lebih rinci di bawah. Untuk logam dasar yang sepenuhnya austenitik dengan kandungan sulfur dan fosfor yang sangat rendah, dan logam pengisi-pengotor yang rendah, pengelasan kadang-kadang dapat berhasil dilakukan di luar kisaran ini - tetapi hal ini memerlukan proses kimia yang sengaja direkayasa, bukan praktik standar.

Bagaimana Diagram Schaeffler, DeLong, dan WRC-1992 Memprediksi Kandungan Ferit?

Diagram konstitusi ini memplot persamaan kromium las terhadap persamaan nikelnya untuk memprediksi kandungan ferit yang dihasilkan dan mode pemadatan, dengan diagram WRC-1992 sekarang dianggap sebagai versi yang paling akurat dan diadopsi secara luas.

Ketiga diagram tersebut bekerja dengan prinsip dasar yang sama: unsur-unsur paduan tertentu berperilaku seperti kromium dalam menghasilkan ferit (kromium itu sendiri, molibdenum, niobium, silikon), sementara unsur-unsur paduan lainnya berperilaku seperti nikel dalam menghasilkan austenit (nikel, karbon, nitrogen, mangan, tembaga). Dengan mengombinasikan komposisi aktual logam las ke dalam nilai setara kromium-(Creq) dan nikel-(Nieq), dan memplot rasionya, diagram ini memperkirakan kandungan delta ferit yang dihasilkan dan - secara kritis - mode di mana lasan mengeras.

Diagram WRC-1992 ditingkatkan dari pendahulunya dengan menambahkan koefisien untuk tembaga dalam perhitungan setara nikel-, mengoreksi kecenderungan diagram WRC-1988 sebelumnya yang melebih-lebihkan FN pada logam las yang mengandung tembaga, dan validasi terhadap lebih dari 200 logam las independen memastikan keakuratan prediksi yang lebih unggul dibandingkan diagram Schaeffler dan DeLong yang lebih tua.

Mengapa Mode Solidifikasi Lebih Penting Daripada Kandungan Ferit Saja?

Lasan yang mengeras sebagai ferit primer (mode FA) secara inheren jauh lebih tahan terhadap retak dibandingkan las yang membeku sebagai austenit primer (mode AF), bahkan pada kandungan ferit akhir yang serupa - karena urutan pembentukan fase menentukan seberapa efektif pengotor tersapu ke dalam ferit daripada terperangkap dalam cairan terakhir untuk mengeras.

Sebagian besar las baja tahan karat austenitik dirancang untuk mengeras dalam mode feritik-austenitik (FA): ferit delta primer terbentuk terlebih dahulu, kemudian austenit terbentuk melalui transformasi tipe-keadaan padat atau eutektik-. Urutan inilah yang memungkinkan ferit secara efektif mengais belerang dan fosfor selama pemadatan. Alternatifnya, solidifikasi austenitik-feritik (AF) atau austenitik penuh (A), memberikan perlindungan yang jauh lebih sedikit, karena pengotor tidak memiliki fase ferit yang tersedia di awal pemadatan untuk diserap.

Transisi antara mode ini diatur oleh rasio Creq/Nieq: rasio di bawah sekitar 1,5 cenderung menuju pemadatan austenit primer, sementara rasio di atas ambang batas tersebut bergeser ke arah ferit primer, dengan penelitian yang berbeda menempatkan titik transisi yang tepat untuk proses pengelasan umum berkisar antara 1,5 hingga 1,9–2,0 tergantung pada rumus kesetaraan spesifik yang digunakan.

Inilah sebabnya mengapa dua lasan dengan FN akhir terukur yang serupa dapat memiliki-ketahanan retak dunia nyata yang sangat berbeda - diagram memprediksi mode pemadatan secara khusus karena mode, bukan hanya kuantitas ferit akhir, mengatur seberapa baik pengotor dikontrol selama masa pemadatan yang rentan.

Apa Yang Terjadi Jika Aplikasi Benar-Benar Membutuhkan Ferit Nol atau Mendekati-Nol?

Layanan tertentu - kapal kriogenik yang membutuhkan-ketangguhan suhu rendah maksimum, dan kelas austenitik sepenuhnya seperti 310, 320, dan 330 yang sama sekali tidak dapat membentuk ferit dengan andal - menghilangkan margin keamanan ferit sepenuhnya, itulah sebabnya lasan ini dianggap lebih sensitif terhadap retak-dan memerlukan kontrol proses yang lebih ketat dibandingkan pengelasan standar 308/316.

Untuk layanan suhu-kriogenik, kekuatan benturan-suhu rendah menurun seiring dengan meningkatnya kandungan ferit, sehingga menimbulkan konflik langsung: ferit yang tahan retak juga mengurangi ketangguhan yang dibutuhkan aplikasi pada suhu rendah, sehingga pengelasan ini memerlukan FN yang sangat seimbang untuk mencapai ketahanan retak yang memadai di samping kekuatan benturan-suhu rendah yang baik, bukan sekadar memaksimalkan ferit.

Nilai pengisi austenitik sepenuhnya - 310, 320, dan 330 - menghadirkan kasus yang lebih sulit: komposisinya secara inheren lebih sensitif terhadap retak-dibandingkan kerabatnya yang difortifikasi ferit-, dan sebagai hasilnya, semua fase pengelasan dan inspeksi memerlukan perhatian lebih besar. Untuk grade ini, praktik yang diterima adalah melakukan kompensasi melalui kimia logam pengisi dan disiplin proses daripada melalui kandungan ferit: menggunakan logam pengisi dengan kandungan sulfur dan fosfor yang rendah serta kandungan mangan yang meningkat, karena mangan membantu mengikat sulfur dan mengurangi efek penggetasan bahkan tanpa adanya ferit untuk melakukan pekerjaan yang sama.

Apakah Belerang dan Fosfor Penting Sekalipun Bilangan Ferit Terlihat Dapat Diterima?

Ya - terdapat hubungan langsung dan terdokumentasi antara gabungan kandungan fosfor-plus-sulfur dan sensitivitas retak, tidak bergantung pada tingkat ferit, yang berarti pengelasan dengan FN yang memadai secara teknis masih dapat retak jika kandungan pengotornya cukup tinggi.

Penelitian yang secara khusus meneliti pengelasan autogenous baja tahan karat Tipe 309 mengidentifikasi hubungan yang jelas antara jumlah kandungan fosfor dan sulfur, tingkat ferit dalam logam las, dan sensitivitas retak yang dihasilkan. Implikasi praktisnya adalah bahwa pengendalian ferit dan pengendalian pengotor adalah dua tuas terpisah yang keduanya harus ditarik, bukan yang satu yang menggantikan yang lain: pembatasan ketat pada karbon, fosfor, dan belerang baik dalam bahan dasar maupun bahan habis pakai pengelasan tetap penting bahkan pada pengelasan dengan FN yang memadai, dan dua tingkat-yang paling sensitif terhadap retak yang umum digunakan - 310 dan 330 - adalah tingkat yang tepat di mana pengendalian pengotor harus mengkompensasi margin ferit yang tidak dapat diandalkan tersedia.

Apakah Terlalu Banyak Ferit Menyebabkan Masalahnya Sendiri?

Ya - di atas kira-kira 10 FN, kelebihan ferit meningkatkan risiko penggetasan pembentukan fase sigma dalam layanan-suhu tinggi, dan pada kadar molibdenum-seperti 316, kandungan ferit yang lebih tinggi dapat mengurangi ketahanan korosi secara signifikan di lingkungan pengoksidasi panas.

Risiko fase sigma: di atas sekitar 10 FN, terdapat bahaya ferit - yang menahan kromium dalam larutan padat - berubah menjadi fase sigma rapuh ketika suhu servis turun dalam kisaran sekitar 1000–1650 derajat F (540–900 derajat ), dan pada beberapa las multipass, panas pengelasan saja dapat menghasilkan fase sigma dalam las ferit tinggi tanpa pemisahan apa pun peningkatan-paparan layanan suhu.

Ketahanan korosi pada kadar yang mengandung Mo-: pada kadar yang mengandung molibdenum-seperti 316 dan 317, kandungan ferit yang lebih tinggi dapat menyebabkan penurunan ketahanan korosi yang besar pada media pengoksidasi panas, seperti layanan urea - pengecualian spesifik yang terdokumentasi dengan baik terhadap aturan umum bahwa lebih banyak ferit akan lebih aman.

Mengurangi ketangguhan-suhu rendah: seperti yang telah disebutkan untuk aplikasi kriogenik, kekuatan benturan pada suhu rendah menurun seiring dengan meningkatnya kandungan ferit, yang secara langsung melawan ketahanan retak pada kondisi servis tertentu.

Inilah sebabnya kontrol FN ditampilkan sebagai rentang target, bukan sebagai strategi maksimalisasi 'lebih banyak, lebih baik' - angka yang benar bergantung pada tingkat tertentu, suhu servis, dan lingkungan korosi, bukan pada langit-langit atau lantai universal tunggal.

Perubahan Praktik Pengelasan Apa yang Mengurangi Risiko Retak pada Kelas-Ferit Rendah?

Untuk kadar ferit yang-sensitif dan rendah-, minimalkan pengekangan, pertahankan masukan panas dan suhu interpass tetap rendah, pilih pendinginan yang lebih lambat melalui kisaran pemadatan yang rentan, dan dengan sengaja menghindari profil manik las yang halus dan-tercuci dengan baik agar lebih memilih manik yang lebih cembung dan bermahkota.

Minimalkan hambatan mekanis pada desain dan pemasangan sambungan, karena retak pada dasarnya disebabkan oleh tegangan yang bekerja pada batas yang masih-lemah dan dipadatkan sebagian.

Jaga masukan panas tetap rendah dan kendalikan suhu interpass. Panduan - untuk tingkat yang paling sensitif terhadap retak-secara khusus merekomendasikan menjaga suhu interpass di bawah kira-kira 210 derajat F (99 derajat ).

Kontrol profil manik las dengan sengaja: manik-manik yang halus, rata,-sudah dicuci dengan baik, lebih mudah retak pada tingkat-yang paling sensitif terhadap retak, sedangkan profil manik yang lebih cembung dan bermahkota lebih-tahan retak, sebuah pedoman praktis yang berlawanan dengan intuisi namun-terdokumentasi dengan baik.

Kontrol kandungan silikon dalam logam las, khususnya dalam pengelasan busur terendam, karena logam las-silikon tinggi lebih rentan retak-dibandingkan logam las-silikon rendah, dan pengambilan silikon dari fluks pengelasan harus diperhitungkan.

Pilih bahan kimia logam pengisi dengan sengaja untuk kadar austenitik sepenuhnya - sulfur dan fosfor rendah, mangan tinggi - daripada mengandalkan ferit logam dasar-yang kadar tersebut tidak dapat disediakan secara andal.

Bagaimana Seharusnya Nomor Ferit Diverifikasi Selama dan Setelah Pengelasan?

FN harus diverifikasi dengan instrumen pengukuran ferit magnetis yang dikalibrasi pada pengelasan produksi atau kupon uji yang representatif, diperiksa-silang terhadap prediksi diagram konstitusi yang digunakan pada tahap kualifikasi prosedur pengelasan, karena FN terukur aktual dan diagram-FN yang diprediksi dapat berbeda dengan variabel pengenceran dan proses.

Instrumen pengukuran ferit magnetik menyediakan cara yang praktis dan non-destruktif untuk memverifikasi FN sebenarnya pada pengelasan yang telah selesai, dan nilai terukur inilah yang pada akhirnya akan menentukan penerimaan - bukan sekadar prediksi yang dihitung dari diagram konstitusi. Perlu juga dicatat bahwa FN yang diukur tidak selalu sama dengan persentase volume sebenarnya dari ferit yang ada: pada sekitar 8–10 FN dan di bawahnya, FN kira-kira sama dengan persentase volume rata-rata delta ferit dalam pengelasan, namun pada nilai FN yang lebih tinggi, pengukuran dapat semakin melebih-lebihkan kandungan ferit sebenarnya, yang merupakan satu lagi alasan rentang target 3–10 FN selaras dengan rentang di mana pengukuran FN itu sendiri tetap paling andal dan bermakna secara fisik.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Berapa Nomor Ferit yang umumnya direkomendasikan untuk mencegah retak solidifikasi?

Kira-kira 3 hingga 10 FN untuk tingkat austenitik standar seperti 308, 308L, 309, dan 316, dihitung menggunakan diagram WRC-1992 dan diverifikasi pada pengelasan sebenarnya dengan instrumen ferit magnetik yang dikalibrasi.

Mengapa grade austenitik sepenuhnya seperti 310 dan 330 lebih sulit untuk dilas-bebas retak?

Komposisinya tidak dapat diandalkan untuk membentuk delta ferit yang melindungi sebagian besar las austenitik dari retak, sehingga ketahanan retak harus berasal dari kimia logam pengisi yang dikontrol ketat - sulfur dan fosfor yang rendah, peningkatan mangan - dan prosedur pengelasan yang disiplin, bukan kandungan ferit.

Bisakah lasan retak meskipun Nomor Feritnya berada dalam kisaran yang disarankan?

Ya, kalau kandungan sulfur dan fosfornya cukup tinggi. Pengendalian ferit dan pengendalian pengotor merupakan faktor terpisah yang keduanya perlu dikelola; FN yang memadai mengurangi tetapi tidak menghilangkan risiko retak akibat sisa pengotor yang berlebihan.

Apakah lebih banyak ferit selalu lebih aman untuk las baja tahan karat austenitik?

Tidak. Di atas kira-kira 10 FN, pengelasan menjadi lebih rentan terhadap penggetasan fase sigma pada suhu-yang tinggi, dan pada kadar molibdenum-yang mengandung, ferit yang lebih tinggi dapat mengurangi ketahanan korosi di lingkungan pengoksidasi panas, sehingga FN dikelola sebagai rentang target, bukan maksimal.

Diagram konstitusi manakah yang dianggap paling akurat untuk memprediksi Bilangan Ferit?

Diagram WRC-1992 umumnya dianggap sebagai diagram paling akurat yang tersedia saat ini, divalidasi terhadap lebih dari 200 logam las independen dan diadopsi sebagai referensi dalam kode termasuk Kode Boiler ASME.