Badania wpływu cyklu cieplnego oraz technologii spawania na właściwości i strukturę złącz ze stali duplex

Transkrypt

1 Badania wpływu cyklu cieplnego oraz technologii spawania na właściwości i strukturę złącz ze stali duplex WSTĘP Obecny etap rozwoju inżynierii materiałowej charakteryzuje się poszukiwaniem ilościowych zależności pomiędzy składem chemicznym, parametrami, technologicznymi, strukturą a właściwościami materiałów. Związki te są podstawą doboru materiałów i technologii ich wytwarzania. Umożliwiają również dobór właściwości eksploatacyjnych złączy spawanych i prognozowania trwałości i niezawodności konstrukcji spawanych. Stale typu duplex zawierające około 22 % chromu i 5 % niklu oraz molibden i azot po przesycaniu z temperatury 1050 C posiadają dwufazową drobnoziarnistą mikrostrukturę składającą się z równowagowego udziału ferrytu i austenitu. Taka mikrostruktura oraz odpowiedni skład chemiczny zapewnia dobrą odporność na korozję międzykrystaliczną i naprężeniową w wielu środowiskach oraz korzystne właściwości mechaniczne w zakresie temperatury od 50 do 280 C. Stale te posiadają prawie dwukrotnie wyższą granicę plastyczności od konkurencyjnych stali austenitycznych oraz charakteryzują się dobrą spawalnością, relatywnie niską ceną, wysoką udarnością i wytrzymałością zmęczeniową. Wadą stali duplex jest skłonność do wydzielania kruchych faz w temperaturze wyższej od 280 C. Powyżej tej temperatury może pojawić się tzw. kruchość 475 C, w wyniku spinodalnego rozkładu ferrytu chromowego na ferryt a bogaty w żelazo oraz ferryt a' bogaty w chrom. W temperaturze powyżej 600 C powstaje faza a oraz azotki chromu, co prowadzi do zmniejszenia ciągliwości tych stali i obniżenia odporności korozyjnej [l-=-7]. Stale dwufazowe ferrytyczno-austenityczne duplex są obecnie szeroko stosowane na konstrukcje spawane w przemysłach: chemicznym, petrochemicznym, spożywczym, celulozowo-papierniczym, motoryzacyjnym oraz stoczniowym [8, 15]. Korzystne właściwości stale duplex wykazują wówczas, gdy zawartość ferrytu i austenitu zawiera się w zakresie od 30 do 70 %. Zawartość ferrytu w tych stalach ma duży wpływ na właściwości mechaniczne i odporność korozyjną złącza spawanego. Mała zawartość ferrytu (< 25 %) może powodować małą wytrzymałość i ryzyko pęknięć w wyniku korozji naprężeniowej. Z drugiej strony, za wysoka zawartość ferrytu (>75 %) prowadzi do zmniejszenia udarności i odporności na korozję wżerową. Podczas spawania stali duplex w strefie wpływu ciepła (SWC) następuje szybkie nagrzanie stali powyżej temperatury przemiany austenitu w ferryt i następnie chłodzenie z prędkością uzależnioną od energii liniowej spawania. Prędkość chłodzenia z zakresu występowania fazy ferrytycznej decyduje o mikrostrukturze SWC i tym samym o właściwościach wykonanego połączenia spawanego. Dobór odpowiedniej energii liniowej jest istotnym elementem prawidłowego wykonania połączenia spawanego (rys. 1). Metody spawania charakteryzujące się niską energią liniową, powodujące duży gradient temperatury i tym samym duże prędkości chłodzenia, sprzyjają większemu udziałowi objętościowemu ferrytu. Natomiast spawanie wykonane ze zbyt wysoką energią liniową może przyczynić się do wydzielania kruchych faz w wyniku przedłużenia czasu przebywania SWC powyżej temperatury 280 C [7-=-10]. Dr inż. Stanisław Lalik dr inż. Janusz Cebulski, mgr inż. Tomasz Rzychoń - Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, Politechnika Śląska W Polsce problematyką spawania stali duplex zajmuje się kilka ośrodków [2, 8, 11 H- 15]. Wpływ cyklu cieplnego na właściwości i strukturę SWC i spoiny podejmowany był w pracach [16-=-18]. W C ca St O rh ni - T-H SP to a w Grubość złącza Zwiększenie zawartości ferrytu Rys. 1. Optymalna energia liniowa spawania w zależności od grubości elementu ze stali duplex [9] Fig. 1. Optimum heat input ofwelding as afunction ofthickness ofwelded joints [9] Celem badań^przeprowadzonych w Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej była ocena wpływu cyklu cieplnego spawania na strukturę, udarność i twardość oraz określenie właściwości mechanicznych i struktury złącz spawanych ze stali duplex typu X2CrNiMoN (1.4462). MATERIAŁ DO BADAŃ Materiał badany stanowiła stal duplex X2CrNiMoN Próbki do badań wpływu cyklu cieplnego spawania na strukturę wykonano z prętów o średnicy 15 mm, a złącza spawane z blach o grubości 6 i 12 mm. Skład chemiczny i właściwości mechaniczne badanych stali przedstawiono w tabelach l i 2. Tablica 1. Skład chemiczny badanych stali X2CrNiMoN oraz wg PN-EN Table 1. Chemical composition of examined steel X2CrNiMoN and according to PN-EN C Si BADANIA WPŁYWU CYKLU CIEPLNEGO SPAWANIA Badania przeprowadzono na próbkach, poddanych symulacji cyklu cieplnego spawania. Próbki wykonano ze stali przesyconej z temperatury 1050 C. Temperatura maksymalna cyklu wynosiła 1350 C, co zapewniło osiągnięcie całkowitej przemiany austenitu w ferryt podczas nagrzewania. Czas chłodzenia Ar 12/8 w zakresie 112 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI

2 Tabela 2. Właściwości mechaniczne badanej stali oraz wg PN-EN Table 2. Mechanical properties of examined steel X2CrNiMoN and accordine to PN-EN Norma min min. 25 "* l J min. 90 temperatury 1200-^ 800 C został dobrany na podstawie nomogramu (rys. 2) w taki sposób, aby odpowiadał różnym wartościom energii liniowej spawania. Badania wykonano stosując czas Af, i ł2/8 = 10, 22, 45 oraz 66 s. 50 Czas chłodzenia [s] Rys. 3. Wpływ czasu chłodzenia w zakresie temperatur 1200 ~ 800 C na udarność badanej stali Fig. 3. The influence of cooling time in a rangę 1200^ 800 C on the impact strength of examined steel Minimalny czas chłodzenia potrzebny j do utworzenia w ^spoinie i SWC mm. 20 % austenitu. Grubość złącza l 3 mm X8 1,0 1, mm i i i i i 0,2 0,4 0, ,0 1,2 1,4 1,6 1,8 10 mm 0.5 I l 1.0 l 1,5 l ł l 2,0 l 2,5 l l 3.0,. l 15mm 0,5, 1,0,1,5 2.0 &5 3,0 3,5 4,0 4,5 20 mm O 1,0 3,0 4,0 Energia liniowa, kj/mm Rys. 2. Nomogram do wyznaczenia energii liniowej dla stali duplex typu 2205 [19] Fig. 2. Nomogramfor determine heat input ofwelding ofduplex steel type 2205 [19] Pomiar udziału objętościowego ferrytu i austenitu przeprowadzony metodą rentgenowskiej analizy fazowej wykazał, że im krótszy czas chłodzenia At 12/8 > tym większy udział objętościowy ferrytu (tabela 3). Czas chłodzenia Rys. 4. Wpływ czasu chłodzenia w zakresie temperatur H- 800 C na twardość badanej stali Fig. 4. The influence of cooling time in a rangę 1200 ^800 C on the hardness of examined steel Stal w stanie wyjściowym wykazuje dwufazową strukturę, składającą się z trawiącego na ciemno ferrytu i na jasno austenitu, Na przekroju wzdłużnym obserwuje się pasmową strukturę. Ziarna ferrytu i austenitu wydłużone są w kierunku odkształcenia plastycznego (rys. 5). Cykl cieplny zmodyfikował strukturę stali. Nastąpiła utrata ciągłości pasm ferrytu i austenitu oraz zmieniła się morfologia austenitu (rys. 6, 7, 8). Zaobserwowano austenit o poszarpanych krawędziach (oznaczony literą a na rys. 6), w postaci iglastej (b, c na rys. 6) oraz drobne wydzielenia austenitu otoczone całkowicie fazą ferrytyczną. Badania fraktograficzne wykazały, że wszystkie przełomy próbek udarnościowych mają charakter ciągli wy., [s] Tabela 3. Udziały objętościowe ferrytu i austenitu w próbkach po symulacji cyklu cieplnego Table 3. Volume fraction offerrite and austenite obtained in specimens Po cyklu cieplnym nastąpił wzrost udarności badanej stali w stosunku do stanu wyjściowego (rys. 3). Zmiana czasu chłodzenia At, 12 g nie spowodowała znaczących zmian udarności. Twardość po cyklu cieplnym zmniejszyła się w stosunku do stanu wyjściowego i podobnie jak w przypadku udarności, prędkość chłodzenia nie wpłynęła istotnie na twardość (rys. 4). Wynika z tego, że zmiana udziału objętościowego ferrytu w badanych próbkach nie wpłynęła w sposób istotny na udarność i twardość próbek. Stosownie do wysokich wartości udarności przełomy badanych próbek mają charakter ciągli wy. Miejscem zarodkowania pęknięć były wtrącenia niemetaliczne znajdujące się na dnie kraterów oraz granice międzyfazowe a/y. Rys. 5. Struktura stali duplex w stanie wyjściowym Fig. 5. Structure of duplex steel for the thermal cycle BADANIA ZŁĄCZ SPAWANYCH Próbki do badań właściwości mechanicznych i struktury pobrano z płyt próbnych spawanych doczołowo metodami: ręczne elektrodą otuloną (SMAW), w osłonie gazów aktywnych (GMAW) z wypełnieniem rowka elektrodą otuloną, drutem rdzeniowym (FCAW) NR INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 113

3 Rys. 6. Struktura stali duplex po I cyklu (At 12/a = 10 s) Fig. 6. Structure of duplex steel after the first thermal cycle = W s) Rys. 8. Struktura stali duplex po III cyklu (Af 12/8 = 45 s) Fig. 8. Structure of duplex steel after the third thermal cycle =45s) Rys. 7. Struktura stali duplex po II cyklu = 22 s) Fig. 7. Structure of duplex steel after the second thermal cycle =22s) oraz w osłonie argonu metodą GTA W. Wykonano spoiny wielościegowe, stosując energie liniowe luku od 4,6 do 12 kj/cm. Parametry spawania oraz stosowane materiały dodatkowe zestawiono w tabeli 4. W celu określenia właściwości wytrzymałościowych złączy próbnych oraz ich oceny zgodnie z normą PN-EN wykonano próbę statycznego rozciągania zgodnie z PN-EN 895, próbę gięcia od strony lica oraz od strony grani spoiny (PN-EN 910) oraz próbę dynamicznego łamania (PN-EN 875). Wyniki badań właściwości mechanicznych przedstawiono w tabeli 5. Wytrzymałość na rozciąganie analizowanych połączeń wynosiła około 750 MPa. W statycznej próbie zginania dla wszystkich badanych złącz uzyskano kąt gięcia 180, co świadczy o ich dobrych właściwościach plastycznych. Udarność KCV w temperaturze 20 C wahała się od 21J dla spoiny wykonanej metodą SMAW, do 55 J dla spoiny GTAW. Podobne zależności uzyskano dla temperatury badania -40 C. Zastosowanie wysokiej energii liniowej łuku w spoinie wykonanej metodą GTAW spowodowało wzrost jej twardości do 283 HV, natomiast w SWC zmierzono 242 HV. Badania metalograficzne (próbki trawiono elektrolitycznie w 20 % NaOH) wykazały, że materiał rodzimy posiada pasmową strukturę ferrytyczno- -austenityczną typową dla stali typu duplex po walcowaniu (rys. 9, 10). W pobliżu linii wtopienia wyróżnić można dla wszystkich metod spawania odcinek tzw. niezupełnego wtopienia, w którym obserwuje się nadtopienie ziaren materiału rodzimego i równoczesny wzrost kryształów austenitu w osnowie ferrytycznej. W tym obszarze pojawiają się ziarna austenitu o morfologii bocznopłytkowej (rys. 11, 12). Spoiny posiadają strukturę ferrytyczno- -austenityczną o budowie typowej dla struktur iglasto-płytkowych oraz struktur typu Widmanstattena (rys. 13, 14). Struktura taka jest charakterystyczna dla spoin wielowarstwowych, w których na skutek wprowadzenia ciepła podczas układania kolejnych warstw zachodzi przemiana ferrytu w austenit wtórny. Podczas chłodzenia spoiny austenit zaczyna się wydzielać na granicach ziaren ferrytu, a następnie wewnątrz ziaren. Ilość wydzielonego austenitu, jak również jego morfologia, jest zależna od składu chemicznego oraz warunków spawania. Analizę fazową struktury spoin wykonano metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, a jej wyniki zestawiono w tabeli 6. Stwierdzono, że w spoinach wykonanych z udziałem spawania ręcznego elektrodami otulonymi ilość ferrytu jest niższa, a w pozostałych metodach (FCAWi GTAW) ilość tej fazy jest na poziomie zbliżonym do podawanej przez producenta elektrod (tabela 6). Tabela 4. Parametry spawania oraz materiały dodatkowe stosowane do wykonania płyt próbnych Ni SMAW; 714 I N Ż Y N I E R I A MATERIAŁOWA ROK XXVI

4 Tabela 5. Właściwości mechaniczne badanych połączeń Table 5. Mechanical properties of invesugated joints - - :.;-; ~ - - : : : r: :-:-.': > - -J -. = : ;r::: C A wa«uuav LI T AW 2 : 22; 2:; :- :^:: 4p^ >"V - ^??J.**" ^r.**"* *"_* ir"** *- j--v '""" r*stv «% -- *-*** -' -" - '* _J^ -v "^ ' ' f *<, ~, *" <" j- * -w. f "~ ~~ f * ' ""jkr 1 "' ' j,," 1 ' *QC _X2^, «-.,_ -*^«, *i~ -^7"->i, T - '. ' ' '?-XT*> ' V : ' '^->"--" Rys. 11. Struktura SWC złącza SMAW Fig. 11. Structure of HAZ injoint carried out by SMAW method.,-- : -'-:.;7: "' : "- '... ;. ' ' "'-',.. ~J> > *** - ; ^ '^r^e^wi' -'J^^śTS* "T._ ^"^^ć^ "^?T '.-»"» ^r m *&&i&!\\*>. ^^"'^^^r^-- ^rfei^ft-^-- ^ *^; -,v: 200 nilu Rys. 9. Struktura materiału rodzimego w złączu GMAW/SMAW (g = 6 mm) Fig. 9. Structure of bose material injoint carried out by GMAW/SMAW method (g = 6 mm) Rys. 12. Struktura SWC złącza FCAW Fig. 12. Structure of HAZ in joint carried t by FCAW method '7 *<-. <V» >** - +. S^^"^' - " f "-^ r ^^ ^>C! * % i,p>, ^ * ^-.* :^x 4e;^\;ł -^^r. -.:-. 4^?^;.,v"^'-4 <^ń<:.>^:i ^--';-.er';,j,./, ;> v : '-S :N^tV \»' "\.,- -<»..» ^4!, / ; -V'".!r^: ;.- * ^'».-*.- Rys. 10. Struktura materiału rodzimego w złączu FCAW (g = 12 mm) Fig. 10. Structure of bose material injoint carried out by FCAW method Tabela 6. Udziały objętościowe ferrytu i austenitu w spoinach [%} PODSUMOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI Przeprowadzone badania wpływu cyklu cieplnego na strukturę stali duplex typu X2CrNiMoN wykazały wyraźny wpływ czasu chłodzenia Af 12/8 na udział objętościowy ferrytu. Zwiększenie uin Rys. 13. Struktura spoiny złącza FCAW Fi S- 13. Structure of weld of joint carried out by FCAW method prędkości chłodzenia powoduje zahamowanie przemiany ferrytu w austenit, co w rezultacie daje większą zawartość przechłodzonego ferrytu w strukturze (tabela 3). Przy doborze energii spawania należy uwzględnić zalecenia [1], według których zawartość ferrytu w strukturze nie może przekroczyć 70%, a w szczególnych przypadkach, kiedy złącze może być narażone na działanie środowisk korozyjnych zawierających wodór, wartość ta powinna być mniejsza niż 60 %. Badania złącz spawanych wykazały, że w strukturze spoin i SWC nastąpił wzrost udziału objętościowego ferrytu w stosunku do jego ilości w materiale spawanym. Udział ferrytu w spoinach zależy od zastosowanej metody spawania oraz energii liniowej NR 3/2005 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 115

5 ^ < :';-,: : ; -;<",v..-, S r- l l :,..->. " s - : ' -..'r- ' '... ;<,-. ' i ;*:., "--., f? ; :P. ' : r..';* - ""«:i --:5i^...'- ' : ': ;S " - : '.--'-' ^ : J,^;> -x: ;:V>1:^>, i ;.:. i,ix -:-,. (. ;, ' '.fct ;- ; :_ HlL.^ 200 jut Rys. 14. Struktura spoiny złącza GTAW Fig. 74. Structure of weld ofjoint carried out by GTAW method łuku. Najmniej ferrytu stwierdzono w spoinie wykonanej elektrodą otuloną (23 %), natomiast największy udział objętościowy ujawniono w połączeniu wykonanym metodą GTAW (38 %). Właściwości mechaniczne złącz spawanych uwarunkowane są stosunkiem udziału objętościowego ferrytu do austenitu. Na podstawie wyników badań i ich analizy sformułowano następujące wnioski: 1. Cykl cieplny spawania wpływa na mikrostrukturę strefy wpływu ciepła stali duplex, powodując rozrost ziarna ferrytu, zmniejszenie pąsmowości struktury oraz powstanie austenitu o zróżnicowanej morfologii, zarodkującego na granicy i wewnątrz ziaren ferrytu. 2. Wydłużenie czasu chłodzenia próbek poddanych oddziaływaniu cyklu cieplnego spawania w zakresie temperatur ^ 800 C powoduje zwiększenie zawartości austenitu w strukturze. 3. Zastosowane metody spawania, materiały dodatkowe oraz parametry spawania pozwoliły na uzyskanie połączeń spawanych ze stali typu duplex gatunku X2CrNiMoN w klasie B wg PN-EN 25817, które spełniały wymagania dotyczące właściwości mechanicznych wg PN-EN 288. LITERATURA _ [1] Gunn R. N.: Duplex stainless steel. Microstructure, properties and applications, Woodhead Publishing Ltd, Abington, 1999 [2] Przetakiewicz W., Tomczak R.: Niektóre aspekty spawalności ferrytyczno- -austenitycznych stali typu dupleks i superdupleks, Przegląd Spawalnictwa, 1995, nr 3, s. 1-7 [3] Wróbel M., Nowak S., Blicharski M.: Stale ferrytyczne odporne na korozję, Inżynieria Materiałowa, nr 3, 2003, s [4] Karlsson L.: Interraetallic phase precipitation in duplex stainless steels and weld metals metallurgy, influence on properties and welding aspects, Welding in the World, Vol. 43, 1999, nr 5, s [5] Charles J.: Composition and properties of duplex stainless steels, Welding in the World, Vol. 36, 1995, p [6] Łabanowski J.: Dwufazowe stale odporne na korozję, Przegląd Mechaniczny. 1995, nr [7] Karlsson L.: Spawanie stali odpornych na korozję - Stale duplex i superduplex, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1999, nr l, s [8] Brózda J., Łomozik M.: Spawanie stali nierdzewnych o strukturze dwufazowej (duplex). Własności złączy spawanych, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, nr 2, s [9] Bąxter C, Young M.: Practical aspects for production welding and control of duplex stainless steel pressure and process plants, Stainless Steel World, KCI Publishing BV, 2000, s [10] Chen T. H., Yang J. R.: Microstructurąl chąracterization of simulated heat affected żonę in a nitrogen-containing 2205 duplex stainless steel, Materials Science and Engineering, A338, 2002 s [11] Męka K.: Własności mechaniczne połączeń ze stali duplex, Przegląd Spawalnictwa, 2003, nr 11, s [12] Słodziński S., Zając P.: Doświadczenia Stoczni Szczecińskiej S.A. ze stosowania drutów proszkowych do spawania stali duplex metodą FCAW 136 w budowie chemikaliowców, VII Konferencja Spawalnicza, Szczecin 2002 Postęp w technologiach spawania w osłonach gazowych", Międzyzdroje 2002 [13] Nowacki J., Dąbrowski A., Łukojć A.: Gazy osłonowe w spawaniu orbitalnym TIG rur ze stali duplex typu UNS S VII Konferencja Spawalnicza, Szczecin 2002 Postęp w technologiach spawania w osłonach gazowych". Międzyzdroje 2002 [14] Nowacki J., Dąbrowski A Łukojć A.: Technologiczno-materiałowe aspekty automatycznego spawania orbitalnego stali duplex, Przegląd Spawalnictwa, 2002, nr 8-10, s [15] Nowacki J.: Problemy spawania stali duplex w budowie statków do transportu chemikaliów, Przegląd Spawalnictwa, 2003, nr 9-10 [16] Łukojć A., Nowacki J.: Austenit wtórny a cykl cieplny w stalach duplex, Polska Metalurgia w latach , Komitet Metalurgii PAN, Materiały konferencyjne, Krynica [17] Łabanowski J., Krzysztofowicz K., Ossowska A.: Naprężeniowe pękanie korozyjne symulowanych stref wpływu ciepła złączy spawanych stali duplex, Inżynieria Materiałowa, 2003, nr 6, s [18] Łukojć A., Nowacki J.: Wpływ warunków cieplnych spawania na strukturę i właściwości strefy wpływu ciepła połączeń stali duplex, Inżynieria Materiałowa, 2003, nr 6, s [19] Crouch J., Wiktorowicz R.: Shielding gaś developments for TIG welding of duplex stainless steels, Air Products plc, Crewe, Cheshire, UK, 1994 [20] Huh M. J., Kim S. B., Paik K. W., Kim Y. G.: Effect Mo substitution by W on impact property of heat affected żonę in duplex stainless steels, Scripta Materialia, Vol 36, 1997, nr 7, s [21] Adamiec J., Lalik S.: Quantitative Description of Duplex Welds, Inżynieria Materiałowa, nr 5, 2004, s [22] Adamiec J., Lalik S.: Structure and Properties of Duplex Welds, Inżynieria Materiałowa, nr 5, 2004, s INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI