Zavarljivost visokolegiranih čelika_

S

V E U I L I T E

U

Z

A G R E B U

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJEZAVOD ZA ZAVARENE KONSTRUKCIJE

______________________________________________________

ZAVARLJIVOST MATERIJALAZavarljivost visokolegiranih elika

KUZMAN VESNA 0036409826

Kuzman Vesna: Zavarljivost materijala ______________________________________________________________

SADRAJ1. 2. 3. 4. UVOD VISOKOLEGIRANI ELICI ZAVARLJIVOST VISOKOLEGIRANIH ELIKA POSTUPCI I UREAJI ZA ZAVARIVANJE VISOKOLEGIRANIH ELIKA

2


POPIS TABLICA

3


POPIS SLIKA

4


1. UVODVisokolegirani korozijski postojani, ili kako se esto skraeno nazivaju nehrajui elici, ine vanu skupinu konstrukcijskih materijala zbog izuzetne kombinacije dobrih mehanikih svojstava te istodobne otpornosti na koroziju. Nehrajui elici razvijani su za upotrebu u kemijskoj industriji zbog svoje otpornosti na agresivne medije te mogunosti da budu primjenjeni, a da svojim djelovanjem ne kontaminiraju tvari koje se obrauju. ira primjena tekla je paralelno s razvojem sve veeg broja legura razliitih svojstava. Zbog jedinstavene kombinacije fizikalnih ali i estetskih obiljeja, upotrebljavaju se u autoindustriji, arhitekturi, ak i u umjetnosti. Brojne primjene nehrajuih elika ukljuuju koritenje na povienim ili niskim (kriogenim) temperaturama, uporabu u petrokemijskoj, papirnoj i farmaceutskoj industriji kao i u proizvodnji hrane i pia. Od posebne je vanosti sve ira uporaba nehrajuih elika kao gradivnog materijala u pogonima za preradu i rukovanje pitkom vodom. Sve je vea uporaba korozijski postojanih konstrukcijskih elika, za koje se uistinu moe rei da su obiljeili suvremenu industrijsku proizvodnju. Koriste se u izradi postrojenja petrokemijske industrije, postrojenja za izradu lijekova, hrane, pia i slino. Koristi ih brodogradnja, graevinarstvo, arhitektura, a sve vie i u medicini. Posebni zahtjevi u primjeni pokrenuli su razvoj vrlo razliitih podvrsta nehrajuih elika, tako da danas postoji i do 300 vrsta ovih materijala. Najvie se rabi njihova podjela prema strukturi, no nerijetko se dodatno dijele i kao npr. nehrajui elici za rad na povienim i visokim temperaturama vatrootporni elici. Zatim elici za rad na niskom temperaturama, stabilizirani elici, skupina elika legiranih s molbidenom, posebno elici legirani s duikom, elici snienog sadraja ugljika i sl.

5


2. VISOKOLEGIRANI ELICIGlavna karakteristika ovih elika je, kako nam i njihov naziv govori, njihova otpornost na koroziju. Korozijska postojanost ovih elika usko je povezana njihovom sposobnou pasiviranja povrine, tj. stvaranja tanke guste zatitne prevlake. Da bi elik bio korozijski postojan, moraju istovremeno biti ispunjena dva uvjeta: Prvi nuan uvjet pasivnosti elika, odnosno korozijske postojanosti, je da elik sadri barem 12% Cr i to u vrstoj otopini (dananji korozijski postojani elici sadre i do 30% Cr) Drugi nuan uvjet korozijske postojanosti elika je homogena monofazna mikrostruktura (da bi se izbjegla opasnost nastanka lokaliteta iji je elektropotencijal razliit od potencijala osnovne mase elika, tj. opasnost pojave galvanskih lanaka u strukturi), korozijski postojani elici teorijski bi trebali imati potpunu feritnu, austenitnu ili martenzitnu mikrostrukturu bez karbida, oksida ili drugih intermetalnih faza. [1] Gore navedenu, nuno potrebnu monofaznu mikrostrukturu elika postiemo legiranjem s odreenim legirnim elementima. Pa tako monofaznu feritnu mikrostrukturu postiemo legiranjem sa alfagenim elementima (feritotvorcima) od kojih je najjai Cr i uz njega: Si, Al, Mo, V, Nb i Ti. Stvaranje monofazne austenitne mikrostrukture omoguuju gamageni elementi od kojih je najjai Ni, zatim: Mn, Co,Cu i N. Na osnovi poznatog kemijskog sastava dobar uvid u postizivu mikrostrukturu, nam daju strukturni dijagrami. Jedan takav dijagram, Schaefflerov dijagram, prikazan je na slici 1. On nam pomae u definiranju strukturnog stanja elika na osnovi poznavanja Cr-ekvivalenta (Cre) i Ni ekvivalenta (Nie) koji se lako izraunavaju na temelju poznatog kemijskog sastava. Cre = %Cr + 2.(%Si) + 1.5.(%Mo) + 0.5.(%V+%Nb+%Ti) + 1.(%Al) Nie = %Ni + 30.(%C) + 0.5(%Mn) + 0.6 .(%Cu) + 20.(%N) + 0.5.(%Co)

6


Slika 1. Schaefflerov strukturni dijagram [2] Na temelju prikazanog dijagrama, moemo korozijski postojane elike podijeliti u nekoliko osnovnih skupina: 1.1. FERITNI ELICI

Feritni elici sadre 11 17 % Cr i < 0.1 % C i zbog toga zadravaju feritnu mikrostrukturu pri gotovo svim temperaturama pa se ne mogu zakaliti. Mikrostruktura feritnih elika prikazana je na slici 2. [1]

Slika 2. Mikrostruktura feritnih elika [2]

7


U pogledu mehanikih svojstava pokazuju neto vee vrstoe od austenitnih elika, ali im je zavarljivost ipak ograniena zbog izrazite sklonosti prema pogrubljenju strukture, to dodatno moe dovesti do ubrzanijeg izluivanja krhkih intermetalnih faza (npr. sigma faza) u podruju visokotemperaturnog dijela zone utjecajatopline. Ugrauju se u postrojenja u kojim je otvorena opasnost od pojave napetosne korozije, gdje ne mogu zadovoljiti austenitni elici. Kao dodatni materijal za zavarivanje feritnih elika koriste se ili istorodni dodatni materijali, a mogua je i primjena austenitnih dodatnih materijala, to prvenstveno ovisi o eksploatacijskim uvjetima konstrukcije ili postrojenja. Kod feritnih elika s viim udjelima kroma kao posljedica zavarivanja ili toplinske obrade i sl. mogua je pojava krhkosti. 'Krhkost 475' karakteristina je za elike koji imaju vie od 13% Cr, dok se sigma faza moe pojaviti kod elika s veim udjelom kroma, vie od 18%. Neto bolja zavarljivost kao i poboljana korozijska postojanost dobiveni su kod tzv. superferitnih elika. Superfertini elici osim povienog udjela kroma te dodatnog legiranja molbidenom, imaju vrlo niski udjel ugljika i duika (C+N < 0,01-0,02). U razvoju i primjeni superferitni elici nisu u oekivanoj mjeri, kao to se svojedobno smatralo ispunili oekivanja u smislu svojstava odnosno primjene u industriji. Neka osnovna svojstva feritnih elika su: - magnetini su - relativno slabo zavarljivi - postojani su prema oksidirajuim kiselinama (HNO3) - manje su postojani prema kloridnim otopinama - nisu osjetljivi na pojavu napetosne korozije, ak i u kloridnim otopinama - umjereno su postojani na pojavu pittinga (rupiaste korozije) legiranjem s Mo - relativno niska cijena u usporedbi sa ostalim nehrajuim elicima

8


1.2. MARTENZITNI ELICI Martenzitni elici imaju povien udio ugljika (0.15......1.0% C), oko 13 % Cr, a mogue je legiranje s Mo i Ni, njihova mikrostruktura je prikazana na slici 3.

Slika 3. Mikrostruktura martenzitnih elika [2] Koriste se za izradu turbinskih lopatica, ventila, dijelova crpki, u tehnici rezanja i sl. Za izradu zavarenih konstrukcija rabe se elici s manje od 0,15%. Za zavarivanje se koriste dodatni materijali isti ili slini osnovnom materijalu ili se koriste austenitni dodatni materijali. U izradi zavarene konstrukcije nuno je osigurati tolinsku obradu prije zavarivanja (predgrijavanje 200-300C), te nakon zavarivanja (poputanje 700750C). Zbog uvjetne zavarljivosti, sklonosti pojavi hladnih pukotina, slaboj duktilnosti ovih materijala, nedovoljnoj korozijskoj postojanosti, pokrenut je razvoj nove skupine tzv. mekomartenzitnih elika, gdje bi se ti nedostatci uklonili u dovoljnoj mjeri. Posljednje desetljee je obiljeilo razvoj mekih martenzitnih elika (18% Ni), jer je Ni gamageni element koji mora prevladati alfageno djelovanje Cr, tako da nastane austenitna mikrostruktura. Mogue je dodatno legiranje s Mo, Ti, Nb, Ta (djeluju stabilizirajue kod opasnosti od interkristalne korozije), te s 0.2 0.4 % N (duika) koji djeluje naruito na povienje vrstoe i na otpornost na napetosnu i rupiastu koroziju. Na slici 4 prikazana je mikrostruktura austetnih nehrajuih elika.

Slika 4. Mikrostruktura austenitnih elika [2] Austenitni elici su industrijskoj praksi najpoznatiji i najvie koriteni nehrajui elici. Gotovo 70% svjetske proizvodnje odnosno uporabe otpada na nehrajue elike austenitne strukture. Od osnovne vrste austenitnog elika legiranog s 18%Cr i 8% Ni razvijen je cijeli niz razliitih vrsta. Nastali su elici s niskim sadrajem ugljika odnosno stabilizirani elici (dodaci Ti, Nb) zbog izbjegavanja senzibiliziranja tih elika (spreavanje IKK). Dodavanje Mo rezultiralo je poveanom otpornou prem rupiastoj koroziji. Dodatnim legiranjem elika kromom, niklom i molbidenom, te dodacima bakra i duika, dobivaju se razne kombinacije elika austenitne strukture koje su postojane prema napetosnoj, rupiastoj te interkristalnoj koroziji, a znaajno se postie na poveavanju svojstava vrstoe. vrstoa i tvrdoa im se poveavaju hladnim deformiranjem, dok toplinskom obradom ne pokazuju nikakvu sklonost otvrdnjavanju. iroko im je podruje primjene. Upotrebljavaju se u arhitekturi, proizvodnji hrane i lijekova, energetskim i petrokemijskim postrojenjima, brodogradnji, proizvodnji papira. Zavarljivost ovih konstrukcijskih materijala trai odgovarajuu tehnoloku razinu i disciplinu, ali austenitne se elike moe smatrati zavarljivim elicima. S obzirom na njihova svojstva pri zavarivanju, treba voditi rauna o poveanoj sklonosti deformacijama. Naime, visok koeficijent toplinske istezljivosti, te10


snien koeficijent toplinske vodljivosti, rezultiraju poveanom sklonou ka deformacijama kao posljedica zavarivanja. Poseba se pozornost obraa redoslijedu i gustoi pripajanja, zavarivanju u napravama i sl. Drugi problem primjene zavarenih konstrukcija od austenitnih nehrajuih elika je ipak njihova ograniena korozijska postojanost, posebno u podruju zavarenih spojeva. Osim znaaja odgovarajueg odabira dodatnog materijala te uvijeta zavarivanja, izuzetno je vana naknadna obrada povrine konstrukcije nakon izrade. Posebno se ovo odnosi na povrinu podruja zavarenog spoja. esta povrinska korozijska oteenja se upravo javljaju kod ovih elika, to je nerijetko posljedica neodgovarajue obrade povrine nakon zavarivanja. Izuavanje korozijske postojanosti ovih materijala posebno u podruju zavarenih spojeva jo uvijek je tema istraivanja strunjaka i znastvenika. Slijedei problem koji se javlja pri zavarivanju austenitnih elika jest njihova sklonost pojavi toplih pukotina u metalu zavara, to se javlja s jedne strane kao posljedica neistoa u materijalu, te uslijed izraene sklonosti deformacijama odnosno zaostalim naprezanjima. Problem je danas uglavnom rijeen pravilnim odabirom dodatnih materijala (4-12 % delta ferita) te samom tehnikom kao i ostalim uvjetima zavarivanja. Superaustenitni elici visokomonofazni austenitni elici legirani visokim udjelima Cr, Ni i Mo(do 6%). Dodaje im se N, Cu i W. Kod ovih elika je postignuta izrazita strukturna stabilnost kao i visoka korozijska postojanost, a znatno su im poboljana i svojstva vstoe. Zanimljivi su za uporabu u slanoj atmosferi off shore tehnika, te kemijskim i petrokemijskim postrojenjima. Cijena im je i do 4 puta vea od klasninih austenitnih elika. Neka osnovna svojstva austenitnih elika: - nemagentini su - dobra ilavost pri snienim temperaturama - dobro su oblikovljivi u hladnom stanju - otporni su na organske i anorganske kiseline, luine, soli - u odreenim uvjetima su podloni interkristalnoj koroziji (pri pojavi senzibilizacije prilikom zavarivanja)

11


1.4. DUPLEX (AUSTENITNO FERITNI) ELICI elici iz ove skupine nemaju monfaznu mikrostrukturu, nego dvofaznu austenitno feritnu mikrostrukturu s 40 60 % ferita, koja je prikazana na slici 5.

Slika 5. Mikrostruktura dupleks elika [2] Legirani su uglavnom s 18-27% Cr, 5-8-% Ni, te s 1-4% Mo. Uslijed dobrih mehanikih svojstava, posebno dobre korozijske postojanosti, sada se ve moe rei i dobre zavarljivosti, ovi su elici postali vani za dananju proizvodnju i uporabu. Koriste se u brodogradnji, offshore tehnici, naftnoj industriji, postrojenjima za desalinizaciju morske vode, papirnoj industriji isl. elici dupleks imaju izuzetno dobru postojanost prema rupiastoj i napetosnoj koroziji, a zbog niskih sadraja ugljika nisu skloni senzibiliziranju pa niti interkristalnoj koroziji. Superdupleks elici visokim udjelom kroma te legiranjem s molbidenom i duikom dobiven je elik granice razvlaenja iznad 550N/mm2 i znatne strukturne stabilnosti to se posebno odnosi na zonu utjecaja topline. Korozijska postojanost im je bliska superasutenitnim elicima (s oko 6% Mo). Stoga se i ovi konstrukcijski materijali koriste u off shore tehnici, postrojenjima za desalinizaciju morske vode i dr.

12


2. ZAVARLJIVOST VISOKOLEGIRANIH ELIKA

13

Documents

Zavarljivost visokolegiranih čelika_