 |
Kezdőlap-Home
Page |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
II. évfolyam 4. szám 2001. október
[HUN] - Magyar cikk
|
A legújabb fejlesztésű melegszilárd acélok főbb hegeszthetőségi vonatkozásai Béres Lajos Balogh András Miskolci Egyetem
Bevezetés Az elmúlt évtizedekben jelentősen emelkedett az újonnan épült erőművek üzemi hőmé rséklete, mert az ezzel együtt járó nagyobb gőznyomás kedvezőbb hatásfokot eredményez. A nagyobb üzemi hőmérsékletek azonban újabb és újabb összetételű acélok kifejlesztését teszik szükségessé, ezért az eddig általánosan használt és ismert CrMo acélok mellett megjelentek a W-mal, V-mal, Co-tal, Ni-lel és egyéb (pl. Ta, Nb, stb.) elemekkel ötvözött acélok is.A melegszilárd acélok nagy részét hegesztéssel dolgozzák fel. Ezeknek az acéloknak a hegeszthetősége azonban problémás és többségük csak előmelegítéssel és hegesztést követő megeresztéssel hegeszthető. A különböző összetételű acélok természetesen más-más előmelegítési hőmérsékletet igényelnek. Eddig azonban nem volt ismert olyan összefüggés, amelynek segítségével az optimális előmelegítési hőmérséklet az éppen hegesztésre kerülő adagösszetételű acélra meghatározható lett volna, ezért a felhasználóknak a gyártók tapasztalati úton kialakult ajánlásaira kellett támaszkodniuk. A kialakult gyakorlat szerint egy adott melegszilárd acélnál az előmelegítés hőmérséklete 100…150°C széles sávban változhat, a WPS-ekben megjelenő 20…30°C hőmérsékletsávot a körülmények és a falvastagság ismeretében a hegesztő szakember írja elő. Erőművi és vegyipari káresetek elemzése során arra a következtetésre jutottunk, hogy a hegesztett kötésben a legnagyobb gondosság és körültekintés ellenére időnként repedések keletkeznek, és ezek kiküszöbölése csak költséges és időigényes kísérletezés, illetve ötletszerű próbálkozás után lehetséges. A melegszilárd acélok témakörében több éve folyó kutatási programunk keretében kimutattuk, hogy a repedésérzékenység az adott acél vegyi összetételével áll kapcsolatban és ez a hatás jóval erősebb, mint a falvastagságé. Célunk az volt, hogy olyan anyagtudományi alapokon nyugvó, általános érvényű összefüggést határozzunk meg, amely a különféle összetételű acéloknál egyaránt alkalmas az előbb említett széles hőmérséklet intervallumon belüli optimális előmelegítési hőmérsékletsáv meghatározására. Az összefüggés felállításához a Schaeffler diagram [1] kritikája adta meg a kiindulást. A feltárt hiányosságokból és pontatlanságokból kiindulva lehetővé vált az erősen ötvözött, légedzésű acélokban hegesztés közben végbemenő folyamatok elemzése és kimutatható lett az a tény, hogy ezekben az acélokban az előmelegítési hőmérsékletnek az optimálishoz viszonyított 10°C-os csökkenése hozzávetőlegesen 8 %-kal növeli meg hegesztés közben a varratnak és a hőhatásövezetnek A Schaeffler diagram analízise és kritikája Az általános felfogás szerint a Schaeffler diagram az austenit- és ferritképző elemek közös hatását illusztrálja, ahogy azt a későbbi 3. ábra vastag vonalai mutatják [2]. A diagramból az olvasható ki, hogy egy tetszőlegesen választott, a példa kedvéért 12 % krómegyenértékkel és 9,5 % nikkelegyenértékkel adott acél a martensites területbe esik, de 6 % további Ni ötvözéssel teljesen austenitessé válik. Ez az austenitképző elemek jellegzetes hatása. Másfelől igen érdekes eset adódik annál az acélnál, amelynek összetételéből Nie=12 % és Cre=9 % egyenértékek számíthatók, ha 7,5 % krómot adunk hozzá, akkor a ferritképző Cr ötvözés hatására az acél austenitessé válik. Ez azt jelenti, hogy a Schaeffler diagram nem ábrázolja helyesen az austenit- és ferritképző elemek együttes hatását, mivel egy mindkét ötvözőcsoportra jellemző, de figyelembe nem vett hatás az austenites szövetszerkezet stabilizálása irányában hat. A megfigyelt jelenségnek csak egyetlen magyarázata van: minden ötvöző elem csökkenti az acél Ms hőmérsékletét.
1. ábra. A martensittartalom az Ms alatti hőmérséklet függvényében (1. Steven és Haynes: C 35 acél; 2. Kauhausen: X20 CrMo 12 1 acél) Az 1. ábrával [3] összhangban, az Ms hőmérséklet alatt a szövetszerkezet martensit tartalma a hőmérséklettel lineárisan nő, megközelítőleg oly módon, hogy az Ms-126°C hőmérsékletnél a teljes szövet martensitből áll. A korábbi példában a 6 % Ni vagy a 7,5 % Cr ötvözés az Ms hőmérsékletet 126°C-kal csökkentette. Ebből az következik, hogy 1 % Ni ötvözés az Ms hőmérsékletet 126/6=21°C-kal, 1 % Cr 126/7,5=16,8°C-kal csökkenti.
Az ötvözőelemek hatása Az előzőkben említett elemek csökkentik az M s hőmérsékletet, ezért az ötvözetlen acélok Ms hőmérséklete a legmagasabb. Jelöljük ezt a hőmérsékletet MsC-vel. A 2. ábra szerint amíg a 0,07 % karbontartalom alatti kis változás a C tartalomban igen nagy esést okoz az Ms hőmérsékletben, addig 0,1 % fölött a változás csak mérsékelt.2.ábrát nem lehet beilleszteni 2. ábra. Az Ms hőmérséklet és az acél C tartalmának összefüggése Bármely kémiai elem austenitesítő hatásának erősségét az jellemzi, hogy az acélhoz 1%-nyi mennyiséget ötvözve, az M s hőmérsékletben mekkora csökkenés következik be. Alacsony karbontartalomnál a karbon hatása 30-szor erősebb, mint a nikkelé és Ornig vizsgálatai szerint [4] 0,2 % C tartalomnál ez az arány 15-szörös.Az ötvözetlen acélok °C-ban kifejezett MsC hőmérséklete egyszerűen számítható a következő regressziós összefüggésekből:
Az ötvözött acélok Ms hőmérséklete az 1. ábrával kapcsolatban említettek szerint 18 % krómegyenérték alatt a legfontosabb ötvözőelemek függvényében a következő:
A (4) összefüggés szerint az Ms hőmérséklet az acél ötvözőkoncentrációinak többváltozós függvénye. A független változók elemi változásához tartozó Ms változás az összefüggés parciális differenciálásával állítható elő:
A differenciálás elvégzése után:
A ferritképző elemek M s csökkentő hatása lineáris, ezért az egyidejű hatásuk a következő, jól ismert egyenlettel fejezhető ki:
A Ni és Mn Ms hőmérsékletre gyakorolt hatása szintén lineáris, a karbontartalom változása a többi elemhez képest kicsi, ezért az austenitképző elemek együttes hatása jó közelítéssel:
Egy acél akkor tekinthető austenitesnek, ha M s hőmérséklete 0°C alatti. Ennek a feltételnek a figyelembevételével bármilyen krómegyenértékű acélnál a
összeg a (4) egyenletből kifejezhető.
Az acél NieB és Cre koordinátáival adott pont a Schaeffler diagramban az austenites mezőt határoló egyenesre esik. Egy tetszőleges karbontartalomhoz tartozó pont az előbbi egyenessel párhuzamos egyenesen helyezkedik el. Mivel 0,1 % karbontartalomnál Nie=NieB, más szóval a karbon hatása a nikkel 30-szorosára tehető, a 3. ábra megszerkeszthető [5, 6]. Az adott karbontartalmú acél vagy hegvarrat szövetszerkezete csak akkor austenites, ha az összetételének megfelelő pont az adott C tartalomhoz tartozó határegyenes fölé esik. Gow, Harder [7] és Nekhendzy [8] kimutatta, hogy az olyan acélokban, amelyekben a Cr tartalom nem éri el a 10 %-ot, a Ni és Mn egymáshoz viszonyított austenitesítő képessége erősen megváltozik és ha az acél legalább 1,75 % Mn-t és 1 % Cr-ot tartalmaz, 1 % nikkel Ms hőmérsékletet csökkentő hatása a mangánénak csak a felére tehető. Ez a megállapítás egyébként összhangban van a Mn és Ni acélok egyszerűsített Guillet szövetdiagramjában ábrázolt hatással. Az előző állítás azt jelenti, hogy 10 % Cr e alatt a Schaeffler diagram növekvő mértékben torzult, vagyis az ötvözetlen acélok nem rajzolhatók be közvetlenül a diagramba, ahogy ezt eddig pl. a heterogén kötések várható szövetszerkezetének vizsgálatakor megtettük. Tekintettel a Cre linearitására és arra a tényre, hogy az ötvözetlen acélok austenites hozaganyaggal való ívhegesztésekor a varrat Cr tartalma meghaladja a 10 %-ot, a Schaeffler diagram a varrat szövetének előrejelzésére csak akkor használható, ha karbontartalma nem több, mint 0,1 %. 3. ábra. A Béres diagram, mint a Schaeffler diagram módosított alakja Ha a karbontartalom nagyobb, mint 0,1 %, a Schaeffler diagram mintegy 15 %-kal alulbecsüli a martensit részarányát. Ebből a felismerésből kiindulva javasolták a szerzők a Schaeffler diagram módosítását.
Az elmélet általánosítása Eichelmann és Hull [9] eredményeinek újraértékelésével az a következtetés vonható le, hogy az ötvöző elemek koncentrációjának növelésével az austenitesítő képességük erősödik. Emellett az is ismert, hogy az 5 %-nál kevesebb Ni-t tartalmazó acélokban a Az előző gondolatmenet alapján a (4) egyenlet általánosításával a gyakorlatban is alkalmazható iterációs módszert vezethetünk le. A [10, 11, 12] munkákban több, mint 300 acél Ms hőmérséklete és pontos összetétele adott. Ennek az adatbázisnak a felhasználásával az acélösszetétel és az Ms hőmérséklet között egy új összefüggést határoztunk meg. A javasolt függvény általánosított alakja, amely a mikroötvözött acélok kivételével valamennyi acéltípusra érvényes, a következő:
A (9) összefüggésben szereplő krómegyenérték általánosan has znált számítóképlete [5]:
Az x, y és z regressziós együtthatók értékeit az 1. táblázatban adtuk meg. Feltételezésünk szerint a regressziós együtthatók nem függetlenek a koncentrációktól, de precízebb meghatározásukra eddig még nem volt lehetőségünk, mivel az acélgyártók csak az eladható acélféleségek gyártására rendezkedtek be, amik nem fedik le a teljes koncentráció-skálát. Ezért hiányoznak pl. máig is a mért adatok a különböző Cr+Si összetételekhez. A hivatkozott irodalmi munkákból összeállított adatbázis alapján megszerkesztett 1. táblázatból az is nyilvánvaló, hogy a Co nem befolyásolja az Ms hőmérsékletet és hogy a réz hatása koncentrációjától függetlenül konstansnak tekintendő [13]. Mivel az Ms hőmérsékletre vonatkozó információk a hegesztőmérnökök és a hőkezelő szakemberek számára egyaránt nagyon fontosak, sok kutató törekedett az Ms hőmérséklet empirikus meghatározására [3]. Ezeknek az összefüggéseknek az analízisével megállapítottuk, hogy a közölt Ms egyenletek csak szűk koncentráció intervallumban érvényesek és az érvényességi tartományon kívül a számított hőmérsékletek a mért Ms hőmérsékletektől akár 100°C-kal is eltérhetnek [3]. Az általunk felállított és megfelelő elméleti alapokon nyugvó összefüggés ennél jóval pontosabb eredményeket szolgáltat. Ennek illusztrálására a 300 elemű minta feldolgozásakor kapott néhány statisztikai jellemző szolgál: korrelációs együttható 0,9898, a mért és a számított hőmérsékletek átlagos eltérése 0,82°C, a legnagyobb eltérés 10°C alatt. Az Ms hőmérséklet és a hegesztés előmelegítési hőmérsékletének összefüggése A címben jelzett összefüggés feltárása céljából két erősen ötvözött melegszilárd acélt viz sgáltunk (2. táblázat [14]). A mért és az összetételből számított Ms hőmérséklet összehasonlítása csak nagyon kis eltéréseket mutatott ki. A gyakorlati életben az egyes elemek koncentrációja a szabványos összetételi határok között változik, szélső esetben az egyik adag összetétele a szabványos alsó határnak, egy másiké a felső határnak felel meg. Az előzőkben említett acéloknak kiszámítottuk az Ms hőmérsékletét annak feltételezésével, hogy az összetétel az alsó és a felső határra esik. A 3. táblázat adataiból jól láthatóan kiderül, hogy egy-egy acélnál a szabványos összetételi határok között ingadozó kémiai összetételtől függően az Ms hőmérséklet 70°C-tól 116°C-ig változik. A hegesztéstechnológia megtervezésekor az Ms és a repedéselhárítás céljából kötelezően alkalmazott Te előmelegítési hőmérséklet közötti összefüggés szintén nagy jelentőséggel bír.Az X20 CrMoV 12 1 jelű erősen ötvözött melegszilárd acél hegesztésekor például a rep edésveszély elhárítására a szakirodalom 200…300°C-os előmelegítési hőmérsékletet javasol. Az acéladag valós összetételének függvényében tehát előfordulhat, hogy a számított Ms hőmérséklet 254°C, és a technológiai körülmények miatt a hegesztés előmelegítési hőmérséklete 300°C. Az ilyen szélsőséges körülmények között martensites hegesztés helyett a hegesztés az Ms hőmérséklet felett 46°C-kal, austenites állapotban folyik. Mivel az austenites szerkezet jó szívóssági jellemzőkkel rendelkezik, hegesztés közben nincs repedésveszély. Hegesztés után azonban a hőmérséklet a rétegközi értékig csökken és az austenit teljes mértékben átalakul martensitté. Mivel a szövetszerkezet megváltozása belső feszültségek keletkezését okozza, a kötés repedésérzékenysége megnő.Más esetben az is előfordulhat, hogy az acéladag M s hőmérséklete 324°C, miközben az előmelegítési hőmérséklet csak 200°C. Ebben az esetben martensites hegesztés folyik. Ha a hőmérséklet az Ms- 124 °C-ra csökken, a hegesztés hőhatásövezetében teljesen martensites struktúra jön létre, ami magyarázattal szolgál a hegesztés közbeni repedésérzékenység fokozódására.Az előző probléma kiküszöbölésére fejlesztették ki az X10 CrNiVNb 9 1 acélminőséget. Ez az acél a hegesztés szempontjából amúgy is kedvezően alacsonyabb karbontartalma miatt magasabb M s hőmérséklettel rendelkezik. Ha ennél az acélnál is megtartjuk a 250°C-os rétegközi hőmérsékletet, akkor a hegesztés martensites lesz, jóval az Ms hőmérséklet alatt. Ez általában nem okoz nehézséget, mert az alacsony karbontartalmú martensit lágy és viszonylag szívós, ennélfogva a repedésveszély mérséklődik. Az alacsonyabb repedési hajlam ellenére azonban az előmelegítés ennél az acélnál sem hagyható el.Az előmelegítés optimális hőmérséklete Az előmelegítés optimális hőmérsékletének meghatározásánál azt az alapelvet kell szem előtt tartani, hogy a hőhatásövezet legnagyobb keménysége és martensit-tartalma egy adott acéltípusnál a vegyi összetételtől függetlenül mindig közel azonos legyen. A kitűzött cél e lméleti megalapozása céljából kísérletekkel meghatároztuk az austenitesítés után a különböző, Ms alatti előmelegítési hőmérsékletekre lehűlt kétféle (a régi és az új) melegszilárd acél szakítószilárdságát és összevetettük a hőhatásövezetben keletkezett martensit-tartalommal. A vizsgálat menetének leírása nem célja jelen tanulmánynak, ezért most csak a végeredményt ismertetjük [16].
A középértékben 0,1% C tartalmú (8,0…9,5% Cr tartalmú) acélok javasolt előmelegítési hőmérséklete:
A középértékben 0,2% C tartalmú (10,0…12,5% Cr tartalmú) acélok javasolt előmelegítési hőmérséklete:
Összefoglalás A martensites acélok fejlesztésekor abból a gyakorlati tapasztalatból kell kiindulni, hogy ezeknek az acéloknak a hegesztésekor az előmelegítés hőmérséklete rendszerint alacsonyabb, mint az acél M s hőmérséklete, ezért hegesztés közben a szövetszerkezetben jelentős mennyiségű martensit képződik. A hegesztés után tovább hűlő kötés teljes tömegében martensitessé alakul, és csak a megeresztéskor éri el a kívánt szívósságot.A martensit mennyisége egy adott adagösszetételű melegszilárd acélnál csak az előmeleg ítési és az Ms hőmérséklet különbségétől függ, ezért a hegesztendő melegszilárd acél Ms hőmérsékletének ismerete rendkívül fontos.Az Ms hőmérséklet és az acéladag konkrét összetétele közötti erős korrelációt felhasználva egy 300 elemű mintára alapozva regressziós összefüggést határoztunk meg, amely a korábban publikált számítóképletek akár 100° C-os eltérésével szemben már néhány ° C-os pontosságú, vagyis hegesztési előmelegítési hőmérséklet tervezésére alkalmas. A regressziós együtthatók negatív előjeléből az a következtetés vonható le, hogy a legtöbb ötvöző az M s hőmérsékletet csökkentő hatással bír. Az általános jellegtől csak a a Co és a Cu viselkedése tér el.A Schaeffler diagram eredeti koncepciójához képest kimutattuk, hogy amíg a ferritképző elemek egymáshoz viszonyított hatása állandó, addig a fő austenitképző elemek (Mn, Cr,) austenitesítő hatása nem független a koncentrációtól. Ezt a jellegzetességet jól tükrözi a legfeljebb 1% Cr tartalmú acélokban az x és az y együtthatók értékének egymáshoz képest bekövetkezett megváltozása. Feltételezzük, hogy az elemek Ms hőmérsékletet csökkentő hatása – a króm rezisztencia lépcsőjéhez hasonlóan – a korrózióálló acélokban – nem folyamatosan, hanem lépcsőzetesen változik. Az előmelegítési hőmérséklet meghatározására javasolt számítóképleteink általánosságát bizonyítja, hogy azok nemcsak az erősen ötvözött melegszilárd acélokra érvényesek, hanem a martensites korrózióálló, és némi módosítással az úgynevezett lágy martensites acélokra is. Táblázatok
1. táblázat. Különböző acélok Ms hőmérsékletének meghatározása. A javasolt egyenletek együtthatói.
((1): minden koncentráció tömegszázalékban) 2. táblázat. Különböző melegszilárd acélok vegyi összetétele és M s hőmérséklete
3. táblázat. A számított Ms hőmérsékletek és a különböző gyártók által javasolt előmelegítési hőmérsékletsávok Irodalom [1] Kotecki, D. J., Siewert, T. A.: WRC-1992 Constitution Diagram for Stainless Steel Weld Metals: A Modification of the WRC Diagram Welding Journal Research Supplement, (Miami), 71 (1992.), No 5, p.: 171-s to 178-s [2] Schaeffler, A. L.: Constitution Diagram for Stainless Steel Weld Metal Metal Progress 56 (1949.), No 11, p.: 680-680B [3] Krauss, G.: Principles of Heat Treatment of Steel ASM. Metals Park, USA., 1980. [4] Ornig, H.: Das Schaeffler-Diagram: Aufbau-Anwendung-Genauigkeit Schweisstechnik (Basel) 55 (1968.), No 10, p.: 307-317 [5] Béres, L.: Bedingungen für das Entstehen austenitischen Gefüges in Pufferlagen mit einem Chromäquivalent unter 18 Schweissen und Schneiden (Düsseldorf) 44 (1992.), H. 8., p.: 421-425 [6] Béres, L.: Proposed modification to Schaeffler diagram for chrome equivalents and carbon for more accurate prediction of austenite content Welding Journal Research Supplement (Miami), 77 (1998.), No 8, p: 273-s to 276-s [7] Gow, J. T., Harder, E.: Balancing the Composition of Cast 25 per cent Chromium - 12 per cent Nickel Type Alloys Transaction of American Society for Metals 34 (1942.) No 9, p.: 855-935 [8] Nekhendzy, J. Steel Casting (in Russian) Metallurgizdat (Moscow), 1948. [9] Eichelmann, G. H., Hull, F. C.: The Effect of Composition of Spontaneous Transformation of Austenite to Martensite in 18-8 Type Stainless Steel Transaction of American Society for Metals 45 (1953.), No 2, p.: 77-104 [10] Atlas of Isothermal Transformation Diagrams United States Steel (Pittsburgh), 1977. [11] Wever, F., Rose, A.: Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle Verlag Stahleisen m.b.H. (Düsseldorf), 1954. [12] Seiffarth, P.: Atlas Schweiss-ZTU-Schaubilder Wilhelm-Pieck Universität, 1977. [13] Béres, L., Béres, Zs.: Einfluss der Legierungselemente auf die Martensitbildungstemperatur der Stähle Schweisstechnik (Wien) 47 (1993.), No 3, p.: 38-41 [14] Béres, L., Béres, Zs., Irmer, W.: New Equation for Calculating the Ms Temperature Welding and Cutting (Düsseldorf), 46 (1994.), No 8, p.: E128-E130 [15] Brühl, F., Haarman, K., Kalwa, G., Zschau, M.: Verhalten des 9%-Chromstahles X10 CrMoVNb 9 1 im Kurz- und Langzeitversuch Sonderdruck aus VGB Kraftwerkstechnik, 1989. p.: 1214 to 1231 [16] Béres, L., Balogh, A., Irmer, W.: Welding of Martensitic Creep-Resistant Steels Welding Journal Research Supplement (Miami), 80 (2001.), No 8, p.: 191-s to 195-s
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
átalakuláson átesett anyagrészekben kialakult martensit részarányát.
átalakulás hőmérséklete a Ni tartalommal gyorsabban csökken, mint az 5 % feletti Ni tartalomnál.
