השפעת סוג ציפוי האלקטרודה על המיקרו-מבנה והתכונות המכניות של מתכת הרתך בפלדות אל-חלד דופלקס

מאת: ישראל פטרוניוס, זיקה

לפלדות אל-חלד דופלקס מיקרו-מבנה המורכב מכמויות שוות בערך של פריט ואוסטניט. תכונה נוספת המאפיינת חומרים אלה היא הסגסוג בחנקן. מבנה זה מקנה תכונות מכניות טובות יותר ועמידות לקורוזיה כללית ומקומית גבוהה יותר בהשוואה לפלדות אל-חלד אחרות ופלדות מבנה. הדרך המקובלת לחבר פלדות אלה במבנים הנדסיים היא באמצעות ריתוך.

מטרות המחקר היו למצוא בציפוי האלקטרודה את הגורמים המשפיעים על תכונות המתיחה והנגיפה של מתכת הרתך בפלב"מ דופלקס מסוג UNS S31803, ולהבין את המנגנונים שבאמצעותם ציפוי האלקטרודה הבסיסי והרוטילי משפיע על תכונות התפר בפלב"מ דופלקס זה. כשלב מקדים למחקר פותחו אלקטרודות לריתוך פלדת אל-חלד דופלקס מסוג UNS S31803 בעלות ציפוי רוטילי ובסיסי.

מהאלקטרודות השונות רותכו מכלולים בעובי 40 מ"מ, ומהם הוצאו דגמי מתיחה ודגמי נגיפה. במסגרת המחקר נבדקו ההרכב (ספקטרומטריה וEDS-), המבנה (XRD, מיקרוסקופיה אופטית ומיקרוסקופית אלקטרונים סורקת) והתכונות המכניות, שכללו ניסויי מתיחה של מתכות הרתך ששוקעו מאלקטרודות בסיסיות ורוטיליות בתחום טמפרטורה של 25 עד 250 מ"צ ובדיקות נגיפה של מתכות הרתך והאזורים המושפעים מחום במתכת הבסיס באזורי שורש, מרכז ופני שטח מחבר הריתוך במתכות הרתך ובאזורים המושפעים מחום בתחום טמפרטורות 0-80 מ"צ.

נמצא כי לסוג הציפוי הנבדק יש השפעה על ההרכב והמיקרו-מבנה. בנתך הבסיסי, שהיא מתכת הרתך ששוקעה מאלקטרודה בסיסית. תכולת הפחמן, הגופרית והחמצן גבוהים יותר ואחוז החנקן, הצורן והזרחן נמוכים יותר בהשוואה לנתך הרוטילי.

להסבר תכולת החמצן הנמוכה בנתך הרוטילי נבנה מודל סמי-כמותי, הקושר בין יסוד חיזור החמצן מציפוי האלקטרודה,
לחץ החמצן החלקי באמבט הריתוך הנוזלי ותחמוצת היסוד בשיווי משקל.

מהמודל עולה כי הציפוי הרוטילי יוצר חיזור יעיל יותר של החמצן באמבט הנוזלי, ובכך כמות החמצן הנשארת בתפר הנוזלי קטנה. כמובן, נמצא כי השבר הנפחי של האוסטניט בנתך וטילי גדול יותר בהשוואה לבסיסי, עקב תכולת חנקן גדולה, המייצבת פאזה זו.

בנוסף, זוהתה תחמוצת ברזל במתכות הרתך, כאשר בנתך הבסיסי האחוז הנפחי שלה גדול יותר. לא זוהו התבדלויות פאזות בין מתכתיות, קרבידים או ניטרידים, אולם נתגלו נקבוביות במתכות הרתך, כאשר צפיפות יחסית גדולה יותר הושגה בנתך הבסיסי.

תופעות אלה בהרכב ומיקרו-מבנה השפיעו על התכונות המכניות. אחוז התארכות לשבר בניסויי מתיחה היה גדול יותר

וערכי חוזק לכניעה ולמתיחה נמוכים יותר הושגו בנתך הבסיסי עקב הסגסוג הנמוך בחנקן ובצורן, המחזקים בתמיסה מוצקה את האוסטניט, וכן עקב צפיפות יחסית גבוהה, המעכבת התקדמות מהירה של סדקים במהלך המתיחה. אנרגיה גדולה יותר לשבר בנגיפה וטמפרטורת מעבר משיך-פריך נמוכה יותר הושגו בנתך הרוטילי, עקב אחוז אוסטניט גדול יותר ותכולת חמצן נמוכה יותר.

המיקרו-מבנה של מתכת הרתך מושפע מתהליך הריתוך רב-שכבתי, היוצר גיבוש מחדש בגרעיני התפר וגידולם בתפרי הריתוך ששוקעו בשכבה הקודמת בעת ריתוך השכבה הבאה.

כתוצאה, אנרגית השבר בנגיפה לרוחב חתך המכלול השתנתה, כאשר באזור אנרגיית שבר גדולה מזו של אזור השורש.

פני השבר של מתכת הרתך שנבדקו בנגיפה בטמפרטורות נמוכות הם בעלי תצורת גומות ואזורי ביקוע, בעוד שבטמפרטורות

גבוהות יותר פני השבר הם בעלי תצורת גומות בלבד.

באזור המושפע מהחום בסמוך לקו ההתכה יש לגרעיני הפריט והאוסטניט הרכב שונה מזה שיש להם במתכת הבסיסי המרוחקת מאזור הריתוך.

המיקרו-מבנה של האזור מושפע מכמות החום המושקעת במהלך הריתוך. ככל שהחום המושקע גדול יותר כך גידול הגרעינים

באזור זה רב יותר, ומפחית את אנרגית השבר בנגיפה.

בנוסף, האחוז הנפחי של האוסטניט גבוה יותר באזור המושפע מהחום, ככל הנראה עקב דיפוזיה מקומית מקו ההתכה העשיר

בחנקן. תופעות אלה גרמו לקבלת אנרגיה גבוהה יותר לשבר בנגיפה באזור המושפע מהחום הרוטילי. פני השבר של דגמים מאזור זה בטמפרטורות נמוכות הם בעלי תצורת ביקוע במרבית השטח.

עם עליית טמפרטורת הבדיקה תצורת פני השבר משתנה ואחוז הגומות גדל.