Normalizacja i ocena jakości metali. Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości

Transkrypt

1 Normalizacja i ocena jakości metali Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości 1

2 Spawalność - podstawowa własność niskostopowych stali spawalnych Spawalność jest właściwością technologiczną określającą zdolność materiału do uzyskania założonych właściwości mechanicznych po spawaniu. O przydatności do spawania elementu konstrukcji współdecydują trzy główne czynniki: spawalność metalurgiczna - charakteryzująca zachowanie się materiału podczas spawania i wpływu spawania na właściwości spawanego materiału i złącza, spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i jej wpływem na właściwości złącza, spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na jakość i właściwości złącza 2

3 Spawalność metalurgiczna Skład chemiczny stali powinien być tak dobrany, aby ograniczyć zmiany struktury, występujące po spawaniu w SWC Należy uniemożliwić tworzenie się struktur hartowania o dużej twardości i małej plastyczności Określenie spawalności stali za pomocą składu chemicznego materiału rodzimego - za pomocą równoważnika węgla CE Mn C e = C + [%] Dla stali typu C-Mn 6 Mn Cr + Mo + V Ni + Cu CE IIW = C [%] Si Mn Cu Cr Ni Mo V P cm = C B,[%] CE - wskaźnik hartowności i spawalności stali. CE<0,45% Wysoka wartość CE - ryzyko pęknięć zimnych w SWC... CE IIW stosowany dla stali PW P cm wskazany dla stali niskostopowych ulepszonych cieplnie 3

4 Podział stali na grupy materiałowe wg ISO/TR Materiały o podobnych charakterystykach metalurgicznych i spawalniczych stanowią grupę materiałową Spawacz może spawać dowolny materiał podstawowy z danej grupy materiałowej, jeśli jest wymieniona w jego uprawnieniach 4

5 Podział stali na grupy materiałowe wg ISO/TR

6 Podział stali na grupy materiałowe wg ISO/TR

7 Podział stali spawalnych Stale o normalnej wytrzymałości (NW) - R e min = MPa Stale o podwyższonej wytrzymałości (PW) - R e min = MPa Stale o wysokiej wytrzymałości (WW) - R e min = MPa Stale o bardzo wysokiej wytrzymałości R e min > 690 MPa 7

8 Stale konstrukcyjne spawalne o podwyższonej wytrzymałości Dążenie do obniżenia masy konstrukcji przy zapewnieniu dobrej spawalności stali było przyczyną opracowania stali konstrukcyjnych, zwanych stalami o podwyższonej wytrzymałości (PW). Stale PW są definiowane jako stale o minimalnej granicy plastyczności powyżej 275 MPa oraz tak dobranym składzie chemicznym i procesie wytwarzania, aby charakteryzowały się zarówno dobrą wytrzymałością, odpornością na pękanie, ciągliwością oraz spawalnością. W stalach PW, przy zawartości węgla ograniczonej warunkiem dobrej spawalności, granica plastyczności może być zwiększona przez: umocnienie ferrytu rozpuszczonymi dodatkami stopowymi, umocnienie ferrytu drobnodyspersyjnymi węglikami, azotkami czy węglikoazotkami mikrododatków stopowych, silne rozdrobnienie ziarna ferrytu, obróbkę cieplną - normalizowanie lub ulepszanie cieplne. 8

9 Podział stali spawalnych PW ze względu na skład chemiczny i technologię wytwarzania stale PW typu C-Mn (normalizowane) stale PW mikrostopowe, C-Mn z dodatkami stopowymi V, Nb, Ti (normalizowane) Mechanizmy umocnienia stali: umocnienie roztworowe różnowęzłowe rozdrobnienie ziaren umocnienie wydzieleniowe zwiększenie zawartości perlitu w strukturze stali 9

10 Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn Stale PW typu C-Mn zawierają zwiększoną zawartość manganu do 2,0%. Wyroby walcowane z tych stali dostarczane są w stanie wyżarzonym normalizująco lub walcowanym normalizująco. Mangan jest pierwiastkiem stosunkowo tanim i stąd powszechnie stosowanym jako dodatek stopowy, a jego oddziaływanie w stali polega na umacnianiu roztworowym ferrytu. Zawartość Mn w stalach spawalnych ponad 2% jest już szkodliwa ze względu na pogarszanie plastyczności stali 10

11 Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn Stale o zwiększonej zawartości manganu do 1,5-2,0% R e = MPa Znak stali 09G2 15GA 18G2 %C %Mn %Si %Cu %Al inne % Ce max % max 1,20 0,15 max max V max. 0,1 0,44 0,12 1,80 0,40 0,30 0,02 Mo max. 0,1 max 1,00 0,20 max max V max. 0,1 0,45 0,18 1,50 0,55 0,30 0,02 Mo max. 0,1 max 1,00 0,20 max max N max. 0,09 0,48 0,20 1,50 0,55 0,30 0,02 Oznaczenia stali wg PN-86/H Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J2G3 wg PN-EN 10025:

12 Stale spawalne PW mikrostopowe Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości NSPW zawierają 0,02 0,2% C, zwiększoną zawartość manganu do 2,0% oraz do 0,15% jednego lub kilku z następujących pierwiastków (mikrododatków): Nb, V, Ti i Al. Stale te zazwyczaj mają niski poziom zanieczyszczeń, a niska zawartość węgla zapewnia dobrą spawalność. Pierwiastki mikrostopowe wpływają na wielkość ziarna austenitu stali nagrzanej do walcowania, na przebieg rekrystalizacji podczas walcowania, przebieg przemiany γ α, oraz powodują umocnienie wydzieleniowe. 12

13 Stale spawalne PW mikrostopowe Stale typu C-Mn z mikrododatkami Nb, V, Ti, Zr w ilości < 0,1% Najważniejsze mechanizmy umocnienia: umocnienie wydzieleniowe rozdrobnienie ziarna σ pl = σo + k 1 d R e - do 460 MPa σ pl - naprężenie dolnej gr. plastyczności σ o -naprężenie tarcia wew. sieci Feα k - stała d - średnica ziarna Znak stali 15G2ANb 18G2AV %C %Mn %Si %Cu %Al inne % max 1,20 0,10 max max Nb 0,02-0,06 0,18 1,65 0,55 0,30 0,02 V max. 0,1 max 0,20 1,20 1,65 0,20 0,65 max 0,30 max 0,02 Ce max % 0,47 Mo max. 0,1 V 0,05-0,20 0,50 Oznaczenia stali wg PN-86/H Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J2G3 wg PN-EN 10025:

14 Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym wg PN-EN :2007 Znak stali Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne 1) C Si Mn V Inne CE R eh R m A MPa MPa % S275N 0,18 0,40 0,5-1,5 0,05 0, S275NL 0,16 Nb S355N 0,20 0,50 0,9-1,6 0,05 0, S355NL 0,18 0,12 S420N Ti 0, S420NL 0,20 0,60 1,0-1,7 0,20 0,05 S460N 0, S460NL 1) wyroby o grubości 16 mm N stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20 C L grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50 C, zawartość P 0,030% i S 0,025% dla stali typu N, oraz P 0,025% i S 0,020% dla stali typu NL 14

15 Stale spawalne o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości - zastosowanie Konstrukcje przybrzeżne rurociągi do przesyłania ropy naftowej i gazu ziemnego kadłuby okrętów zbiorniki ciśnieniowe ciężkie pojazdy i maszyny robocze Stale WW 15

16 Wymagania stawiane stalom spawalnym PW i WW Dobra spawalność (mała skłonność do tworzenia pęknięć zimnych) Wysoka wytrzymałość Ciągliwość materiału rodzimego i strefy wpływu ciepła złączy spawanych w niskich temperaturach Odporność na pękanie lamelarne (mała anizotropia właściwości mechanicznych) Odporność na pękanie pod wpływem środowiska ropy naftowej i gazu ziemnego (dla stali na rurociągi) 16

17 Kierunki rozwoju stali PW i WW Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej Zastosowanie ciągłego odlewania stali Zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej z przyśpieszonym chłodzeniem Modyfikacja składu chemicznego stali dla wykorzystania efektu utwardzenia wydzieleniowego 17

18 Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej Etap oczyszczania Wstępne oczyszczanie surówki Proces konwertorowy Powtórne oczyszczanie surówki Zabiegi metalurgiczne usunięcie nadmiaru Si usunięcie nadmiaru P i S regulacja zawartości C usunięcie nadmiaru C usunięcie nadmiaru P odgazowanie odgazowanie próżniowe próżniowe kontrola kształtu wydzieleń 18

19 Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej Uzyskiwane zawartości zanieczyszczeń w stali C = 8 ppm, P = 25 ppm, S = 3 ppm, N = 15 ppm, H = 1 ppm, O = 5 ppm 19

20 Ciągłe odlewanie stali Porównanie Ciągłe odlewanie stali Odlewanie do wlewnic i wstępne walcowanie Czasochłonność 0,5-1 godz godz. (dla uzyskania kęsów) Uzysk stali % % Oszczędność energii 0,25-0,5 1 Zatrudnienie 6-10 osób/zmianę osób/zmianę Oszczędność powierzchni produkcyjnej <0,33 1 Porównanie ciągłego odlewania stali z odlewaniem do wlewnic i wstępnym walcowaniem 20

21 Metody wytwarzania półwyrobów ze stali PW i WW Obróbka cieplno-plastyczna z przyśpieszonym chłodzeniem Ulepszanie cieplne Utwardzanie wydzieleniowe. 21

22 Stale spawalne PW po obróbce cieplno-plastycznej Drobnoziarnistą mikrostrukturę można uzyskać przez wyżarzanie normalizujące, ale dużo lepsze efekty uzyskuje się w wyniku zastosowania obróbki termoplastycznej przy wytwarzaniu wyrobów stalowych. Obróbka ta polega na regulowanym walcowaniu tj. kontrolowaniu poszczególnych gniotów oraz temperatury walcowania na gorąco w celu uzyskania drobnoziarnistej mikrostruktury bezpośrednio po obróbce plastycznej, dzięki czemu eliminuje się kosztowną obróbkę cieplną (normalizowanie). Regulowane walcowanie może być uzupełnione regulowanym chłodzeniem kształtującym końcową mikrostrukturę. Obróbka termo-plastyczna jest najbardziej efektywnym sposobem poprawy własności mechanicznych dzięki zmianie mikrostruktury. Może być stosowana do stali typu C-Mn oraz do stali z mikrododatkami. Istotną zaletą jest możliwość uzyskania wysokiej granicy plastyczności stali przy stosunkowo małej zawartości węgla, co znacznie poprawia spawalność stali. 22

23 Obróbka cieplno-plastyczna (TMCP) TMCP = CR + AC DQ - T TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Process) - obróbka cieplno-plastyczna CR (Controlled Rolling) - kontrolowane walcowanie AC (Accelerated Cooling) - przyśpieszone chłodzenie DQ-T (Direct Quenching and Tempering) -bezpośrednie hartowanie z temperatury końca walcowania z odpuszczaniem 23

24 Kontrolowane walcowanie (CR) Kontrolowane walcowanie jest metodą polepszenia właściwości mechanicznych stali poprzez rozdrobnienie ziarna z zastosowaniem kontrolowania: temperatury podgrzewania wlewków, temperatury początku i końca walcowania, wielkości gniotów i odstępów czasowych pomiędzy nimi. 24

25 Kontrolowane walcowanie (CR) Walcowanie konwencjonalne Przyspieszone chłodzenie (woda) R - walcowanie wstępne F - walcowanie wykańczające Czas 25

26 Przyspieszone chłodzenie po walcowaniu (TMCP) Przyśpieszone chłodzenie po kontrolowanym walcowaniu powoduje wzrost wytrzymałości i ciągliwości stali przez: dalsze rozdrobnienie ziarna, umocnienie osnowy ferrytu, zwiększanie udziału perlitu i bainitu w strukturze 26

27 Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po walcowaniu termomechanicznym wg PN-EN :2007 Znak stali Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne 1) C Si Mn V Inne CE R eh, R m, A, % MPa MPa S275M 0,13 0,50 1,50 0,08 0, S275ML S355M 0,14 0, S355ML 0,10 S420M 0, S420ML 0,16 0,60 1,70 0,12 S460M S460ML 0, ) wyroby o grubości 16 mm M stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20 C L grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50 C, zawartość P 0,035% i S 0,030% dla stali typu M, oraz P 0,030% i S 0,025% dla stali typu ML 27

28 Stale TMCP Wielkość CR CR + AC udział perlitu, % Wielkość ziarna ferrytu wg ASTM HV ferrytu Wpływ przyśpieszonego chłodzenia po kontrolowanym walcowaniu na mikrostrukturę stali ferrytyczno-perlitycznej Gatunek R e KV Skład chemiczny, % wg API -20 C C Si Mn P max S Nb V Ti inne MPa J max X ,110 0,32 1, ,04 0, X65 HIC LC ,03 0,19 0,82 0,005 0,001 0, ,001B 0,3Ni X ,075 0,31 1,59 0,006 0,004 0, ,22 Mo 60ppm N Skład chemiczny i właściwości mechaniczne wybranych gatunków stali wg API na rurociągi ropy i gazu 28

29 Proces TMCP Accelerated Cooling (AC) Contorolled Rolling (CR) 29

30 Mikrostruktura stali TMCP 20オ m Wielkość ziarna 5オ m Walcowanie konwencjonalne TMCP Źródło: Tomoyuki Yokota Ferrite grain size refinement through γ - α transformation Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group) 30

31 Czy jest możliwe dalsze rozdrobnienie ziaren w procesie TMCP? UFG - ultrafine grain steels 20 オ m 5 オ m 1 オ m Konwencjonalne walcowanie TMCP UFG Źródło: Tomoyuki Yokota Ferrite grain size refinement through γ - α transformation Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group) 31

32 Stale spawalne PW ulepszone cieplnie Stale konstrukcyjne ulepszone cieplnie mają najwyższą wytrzymałość w grupie stali spawalnych (R e MPa) i są stosowane na konstrukcje przenoszące duże obciążenia zarówno w temperaturze pokojowej jak i obniżonej. Jednoczesne spełnienie wymogów wysokiej wytrzymałości i spawalności stali narzuca określone ograniczenia w składzie chemicznym, a zwłaszcza ograniczenia wartości równoważnika węgla CE. Stale te zawierają około 0,15% węgla, dodatki Mn, Mo, Ni, Cr i mikrododatki V, Zr i B. Stale ulepszane cieplnie mogą być hartowane bezpośrednio z temperatury końca walcowania lub nagrzewane ponownie do hartowania. Temperatury odpuszczania mieszczą się w granicach C. Po obróbce cieplnej stale mają mikrostrukturę sorbityczną, co zapewnia najwyższe własności wytrzymałościowe. Spawalność oraz plastyczność takich stali jest jednak niższa w porównaniu do stali otrzymanych w procesie termomechanicznym. 32

33 Stale spawalne wysokiej wytrzymałości ulepszane cieplnie Skład chemiczny: C <0,20%, Mn ~1,0%, Ni ~1,0%, Cr i Mo ~0,50% oraz dodatki Ti, V, B Struktura - martenzyt wysoko odpuszczony (niskowęglowy) Problemy spawalności obniżenie ciągliwości i wytrzymałości materiału w obszarze SWC skłonność do tworzenia pęknięć zimnych konieczność podgrzewania wstępnego przed spawaniem Gatunek R e Skład chemiczny, % C Si Mn P max S Cr Ni Mo inne MPa max T1 USA Cu-0,15-0,50 V-0,03-0,10 HY-80 USA HMN BCu Pol 690 0,11 0, ,15 0, ,60 1, ,030 0,030 0,40 0, ,70 1, ,40 0,60 B-0,002-0,006 Cu max -0,25 Vmax 0,03 Timax 0,02 Cu-0,25-0,40 V-0,03-0,08 B-0,002-0,005 33

34 Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze stali spawalnych o podwyższonej granicy plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie wg PN-EN :2007 Znak stali S460Q S460QL S460QL1 S500Q S500QL S500QL1 S550Q S550QL S550QL1 S620Q S620QL S620QL1 S690Q S690QL S690QL1 S890Q S890QL S890QL1 S960Q Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne 1) C Si Mn Inne R eh R m A MPa MPa % ,20 1,70 0,80 Cr; 1,50 Ni; 2,0 Mo; 0,70 Cu; 0,50 V; 0,12 Nb; 0,06 Ti; 0,05 Zr ; 0,15 N ; 0,015 B ; 0, S960QL 1) Wyroby w stanie ulepszonym cieplnie o grubości 3-50 mm. Minimalna praca łamania na próbkach poprzecznych dla grupy jakości bez symbolu L w temp. 0 C wynosi 30J, w temp -20 C 27J; dla grupy jakości z symbolem L w temp. 0 C 35J, w temp -20 C 30J, w temp -40 C 27J, dla grupy jakości L1 w temp. 0 C 40J, w temp -20 C 35J, w temp -40 C 30J, w temp -60 C 27J 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 Stale utwardzane wydzieleniowo Stale zawierają poniżej 0,07%C i 1,0-2,0 % Cu oraz dodatki Ni, Cr, Mo Obróbka cieplna blach: walcowanie na gorąco i starzenie normalizowane i starzenie przesycanie i starzenie Struktura: drobnoziarnisty ferryt z niewielkim udziałem perlitu + wydzielenia miedzi o wielkości 1-3 x10-12 m Gatunek R e Skład chemiczny, % C Si Mn P max S Cr Ni Mo inne MPa max HSLA- 80 USA 550 max 0,07 max 0,40 0,40 0,70 0,025 0,010 0,60 0,90 0,70 1,0 0,15 0,25 Cu 1,00-1,30 Nb 0,02-0,06 HT-80 Jap ,05 0,20 1,30 0,003 0,001-1,50 - Cu 1,10 Ti 0,015 Skład chemiczny i właściwości mechaniczne wybranych gatunków stali utwardzanych wydzieleniowo 39

40 Stale spawalne PW trudnordzewiejące Do grupy stali spawalnych o normalnej i podwyższonej wytrzymałości należą również stale konstrukcyjne trudnordzewiejące. Są to stale odporne na korozję atmosferyczną na powietrzu, na których w wyniku zawartości niewielkiej ilości określonych składników stopowych, wytwarza się przez dłuższe oddziaływanie atmosfery zwarta warstewka ochronna produktów korozji, skutecznie hamująca przebieg dalszego procesu rdzewienia stali. Konstrukcje wykonane z tych stali nie muszą być malowane w celu ochrony przed korozją atmosferyczną. Stale trudnordzewiejące zawierają dodatki stopowe Cu, P, Si, Cr. Fosfor w ilości co najmniej 0,1% najsilniej zwiększa odporność stali na korozję atmosferyczną jednak istotnie zmniejsza plastyczność i spawalność stali. Miedź jest najczęściej dodawanym pierwiastkiem do stali trudnordzewiejących do zawartości 0,3%. 40

41 Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze stali konstrukcyjnych trudnordzewiejących wg PN-EN :2007 Znak stali Maksymalne zawartości pierwiastków, % Min. własności mechaniczne 1 C Si Mn P Cr Cu R eh, R m A MPa MPa % S235J0W S235J2W 0,13 0,40 0,2-0,6 0,04 0,4-0, S355J0WP 0,12 0,75 1,0 0,06-0,3- S355J2WP 015 1,25 0,25- S355J0W 0,04 0,55 S355J2G1W S355J2G2W 0,16 0,50 0,5- S355K2G1W 1,5 0,035 0, S355K2G2W 1 dla wyrobów o grubości 16 mm 41

42 Spawalność stali wysokiej wytrzymałości Zalety stali otrzymywanych w procesach TMPC i utwardzanych wydzieleniowo Zmniejszenie skłonności do pęknięć zimnych Eliminacja podgrzewania wstępnego blach przed spawaniem Możliwość spawania z dużymi energiami liniowymi (stale utwardzane wydzieleniowo) Wpływ zawartości węgla i równoważnika węgla na skłonność SWC do pęknięć zimnych. 1- strefa braku skłonności do pęknięć, 2 - strefa skłonności do pęknięć zależnie od warunków spawania, 3 - strefa dużej skłonności do pęknięć 42