溶接後の粒界腐食: 鋭敏化が起こる理由と ASTM A262 によるそれのテスト方法

粒界腐食とは何ですか?なぜ溶接後に発生するのですか?

粒界腐食（IGC）は、ステンレス鋼またはニッケル合金の粒界に沿って進行する局所的な攻撃であり、結晶粒の内部はほとんど無傷のままです。熱影響部（HAZ）は攻撃メカニズムが形成される温度範囲を通過するため、溶接がその唯一の最も一般的な引き金となります。{0}}

表面が均一に薄くなり、壁の損失測定によって簡単に検出できる一般的な腐食とは異なり、粒界腐食は表面下の狭い境界ネットワークを攻撃します。{0}コンポーネントは完全に無傷に見えても、結晶粒網に沿って機械的強度と延性の大部分が失われている場合があります。これが、製油所、化学プラント、パイプ スプールにおいて、外観上の欠陥ではなく、重大な影響を与える故障モードとなります。-

このメカニズムは冶金学的であり、ランダムではありません。オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性のために連続的なクロムを豊富に含む不動態皮膜に依存しています。{0}クロムが粒界の溶液から引き出され炭化物が形成されると、たとえ合金のバルククロム含有量が変化していなくても、粒界自体が局所的に不動態皮膜を失う。溶接は、溶融線 - の両側の狭い帯域で溶液​​からクロムを引き出す熱条件を正確に作り出します。これは州の冶金学者が鋭敏化と呼んでいます。

なぜ溶接により感作が起こるのでしょうか?

溶接により鋭敏化が引き起こされるのは、熱の影響を受けたゾーンが加熱と冷却の際に 425 ～ 870 度（800 ～ 1600 度 F）の炭化物析出範囲で時間を費やし、クロムが拡散して劣化ゾーンを再充填するよりも速く炭素が粒界でクロムと結合するためです。-

これが起こるには 3 つの条件が揃う必要があり、溶接エンジニアは単にそれが起こらないことを祈るのではなく、それぞれを理解することで事態を制御できるようになります。

溶液中の炭素。標準的な-炭素オーステナイト グレード（304、316）は、焼きなまし温度で固溶体中におよそ 0.04-0.08% の炭素を保持します。その炭素は、合金が再び鋭敏化範囲に入るとすぐに反応できるようになります。

温度での時間。炭化クロム（主に Cr23C6）は、425-870 度の範囲内の粒界で核生成して成長します。溶接熱サイクルが速いと、この範囲内の時間が制限されます。ゆっくりとした高熱入力パスがそれを拡張します。-

クロムの拡散遅れ。クロムは、炭素よりもはるかにゆっくりとオーステナイト格子を通って拡散します。炭化物の形成により、周囲のクロムが移動して置き換えられる速度よりもわずか数百ナノメートル幅の境界領域からクロムが剥ぎ取られ、そのため、たとえ短い距離にあるベース金属が完全に保護されたままであっても、その薄い領域は不動態皮膜を維持するのに必要なクロム閾値の約 10.5 ～ 12% を下回る可能性があります。

実際の結果は、溶融線の両側の溶接 HAZ をトレースするクロムが枯渇したエンベロープです。{0}通常、使用中に粒界攻撃が開始されるのは、溶接金属自体ではなく、そのエンベロープです。

どの溶接パラメータが感作リスクを増加させますか?

より高い入熱、より遅い冷却速度、高いパス間温度、および同じ HAZ 上の複数の溶接パスはすべて、材料が 425 ～ 870 度の析出範囲に滞在する時間を延長するため、鋭敏化リスクを高めます。

これらの変数は、溶接手順仕様書（WPS）が実際に制御する変数です。そのため、鋭敏化は溶接の避けられない副作用ではなく、プロセス制御の問題として扱うのが最適である理由です。-

熱入力 (kJ/mm または kJ/in)。入熱が高くなると、感作範囲全体にわたって冷却速度が遅くなります。 SAW やホットパス SMAW などのプロセスは、GTAW ルートパスよりも高い熱入力を実行する傾向があり、他の方法で補正しない限り、感作リスクが高まります。

パス間温度。マルチパス溶接でパス間の温度を上昇させると、後続の各パスの HAZ がより長く高温に保たれ、接合部全体の温度が上昇する時間が長くなります。--

セクションの厚さとジョイントの拘束。厚いセクションは薄肉チューブよりも長く熱を保持し、冷却が遅いため、同程度の入熱でも感受性ウィンドウが広がります。{0}}

パスと再加熱サイクルの数。後続の各パスでは、前のパスから隣接する HAZ が再加熱されるため、マルチパス溶接や補修溶接によりゾーンが複数回敏感になる可能性があります。{0}}

これらの要因はどれも排除する必要はありません。-溶接される特定の材種の鋭敏化挙動を反映する認定 WPS/PQR (ASME セクション IX) によって制限される必要があります。

ナイフラインアタックとは何ですか?-安定したグレードでもそれが起こるのはなぜですか?

ナイフ ライン アタックは、チタン- またはニオブ-の安定化グレード (321、347) の溶融線のすぐ隣に形成される狭い帯状の粒界腐食です。-高温の溶接パスによって安定化炭化物が溶解し、安定剤が再形成される前に、その後の-温度の再加熱によって炭化クロムが析出します。-。

安定化されたグレードは通常、チタンまたはニオブが炭素と優先的に結合し、炭化物形成反応からクロムを遮断するため、耐鋭敏性を備えています。-ナイフ ライン攻撃は狭い例外です。非常に高温の溶接パス (融解ライン付近) では、既存のチタン/ニオブ カーバイドが溶解して溶液に戻る可能性があります。-冷却すると、ゆっくりとした-形成安定剤炭化物が再確立される前に、クロム炭化物がその薄いバンド内に再析出する可能性があり-、広い HAZ エンベロープではなく、溶融境界をトレースする狭い鋭敏化線が残ります。安定化焼鈍、または溶融ラインでの再熱サイクルを制限するプロセス制御は、この特定の故障モードに対処します。

ASTM A262 はどのようにして感作を検出するのでしょうか?

ASTM A262 は、鋭敏化を間接的に検出します。クロム-が枯渇した粒界を優先的に攻撃するように選択された腐食性媒体に試験片を曝露し、クロム含有量を直接測定するのではなく、顕微鏡検査、曲げ延性、または質量損失によって結果を評価します。

ASTM A262、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界攻撃に対する感受性を検出するための標準手法では、5 つの試験手法 - A、B、C、E、および F - が定義されており、それぞれが異なる合金ファミリー、製品形式、または厳密さのレベルに適しています。いずれも特定のサービス環境をシミュレートするものではありません。それぞれは標準化された加速テストであり、その合否基準は現実世界の感作行動と相関しています。{4}}

出典: ASTM A262、オーステナイト系ステンレス鋼の粒界攻撃に対する感受性を検出するための標準手法。

これらのテストを指定する人にとって、2 つの点が重要です。まず、実践 A はスクリーニング ツールです。良好なエッチング構造は、さらなるテストを行わなくても多くの点で適格である可能性がありますが、不利なエッチング構造は、それ自体で材料を不合格にするわけではありません。- フォローアップの定量的テスト (通常は B、C、または F) が開始されます。-第二に、実践は代替可能なものではありません。それぞれが合金の化学的性質と劣化メカニズムの異なる組み合わせを対象としているため、A262 は単一の合否テストではなく、実践のメニューとして書かれています。

特定のアプリケーションに対してどの A262 プラクティスを指定する必要がありますか?

あらゆるオーステナイトグレードの定期的な受け入れ材料スクリーニングには実践 A、溶接手順と溶接製品の認定には実践 E、グレードまたはシグマ-相を含むモリブデン-の懸念により、より厳密な定量的結果が必要な場合には実践 C または F を指定します。{0}

購入仕様書と溶接手順仕様書では、単に「ASTM A262」を引用するのではなく、文字でその実践内容を明記する必要があります。- 実践には、意味のある異なる合否ロジックが含まれており、プロジェクトの合格基準 (エッチング構造、腐食速度制限、または曲げ結果) は、実際に実行されている実践と一致する必要があります。

製造中の感作をどのように防ぐか?

最も確実な予防策は、入熱とパス間温度制御を裏付けとした炭化クロムの形成に利用できる炭素がほとんどまたはまったくないように、低炭素「L」グレードまたは安定化グレードを指定する材料選択 - と、用途で依然として必要な場合の溶接後の熱処理です。-

1. 低炭素「L」グレードを指定します{{1}

304L と 316L はカーボン含有量が最大 0.03% であるのに対し、標準グレードでは約 0.08% です。利用可能な炭素が少ないと、炭化クロムの形成速度が十分に低下するため、溶接手順を変更しない限り、ほとんどの製造溶接熱サイクルでは意味のある鋭敏化が生じません。

2. 高温-または繰り返しの溶接サービスには安定したグレードを指定します-

321 (チタン-安定化) と 347 (ニオブ-安定化) は、ミル加工中にチタンまたは炭化ニオブとして炭素を結合し、その後の溶接や高温使用中にクロムと反応する自由炭素をほとんど残しません。-。これらは、L- グレードだけでは十分ではない、425 度を超える延長使用、または複数の溶接/再溶接サイクルを伴う製造が必要なコンポーネントの標準的な選択肢です。

3. 入熱とパス間温度の制御

WPS は、入熱を制限し、パス間温度を制限し、クリティカル パスでのより高速で低熱入力プロセスを優先するため、HAZ 内の任意の点が 425-870 度の範囲で費やす時間を短縮します。これは材料の代替よりも低コストの手段であり、通常は代わりにではなく併用して使用されます。

4. 必要に応じて溶接後の熱処理または溶体化焼きなましを適用します-

溶体化焼鈍 (約 1040 度以上に加熱して急速冷却) は、炭化クロムを再溶解し、粒界全体に均一なクロム分布を復元します。これは最も完全な修正処理ですが、大規模な組み立てアセンブリや現場の溶接では必ずしも実用的であるとは限りません。そのため、グレードの選択とプロセス制御が防御の最前線となり、使用条件または規定で必要な場合には PWHT が適用されます。

よくある質問

Q: 鋭敏化により、ステンレス鋼は腐食する前から弱くなりますか?

A: それ自体ではありません。増感された微細構造は、クロムが枯渇した粒界が腐食環境にさらされるまでは、増感されていないものと本質的に同じバルク機械的特性を持ちます。{{1}{2}}延性と強度の損失は、炭化物の析出だけではなく、腐食攻撃の後に起こります。

Q: 316 または 316L はモリブデンを含んでいますが、依然として感作性がありますか?

A: はい。モリブデンは孔食や隙間腐食に対する耐性を向上させますが、粒界での炭化クロムの析出を防ぐことはできません。そのため、モリブデン-含有グレードは、感作に対する免疫があると想定されるのではなく、ASTM A262 Practice F に基づいてテストされます。-

Q: ASTM A262 Practice A の良好な結果は、追加のテストを行わずに材料を受け入れるのに十分ですか?

A: 多くの購入仕様では、はい - ステップまたはデュアル エッチング構造は通常、追加のテストなしで受け入れられます。溝の構造によって材料が自動的に拒否されるわけではありませんが、準拠する購入仕様書に従って、許容可能かどうかを判断するためのフォローアップの定量的実践（B、C、または F）が必要です。-

Q: PWHT は常に感作リスクを排除しますか?

A: 適切に実行された溶体化焼き鈍しはクロム炭化物を再溶解し、鋭敏化した状態を除去しますが、その後の溶接や高温での使用により材料が再鋭敏化する可能性があります。{0} PWHT は既存の感作状態に対処します。合金が将来の鋭敏化の影響を受けなくなるわけではありません。