A hegeszthetőség fogalma
Az acél hegeszthetősége annak bizonyos fokú alkalmassága, adott alkalmazásra, meghatározott (megfelelő) munkarenddel, megfelelő hegesztőanyagokkal, olyan szerkezet készítésére, amelyben a fémes kötések helyi tulajdonságai, a szerkezetre kifejtett hatásukkal együtt tesznek eleget a megkívánt követelményeknek. 141
Hegeszthetőségi háromszög Szerkezet
Megbízhatóság
Lehetőség Hegeszthetőség
Alapanyag
Technológia
Alkalmasság 142
A hegeszthetőség tényezői
MEGHATÁROZÓ TÉNYEZŐK - Az acél kémiai összetétele - Gyártási eljárás - Hőkezelési állapot - Előzetes alakítás BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK - Vastagság, méret, geometria - A hirtelen keresztmetszet változások - A feszültség gyűjtő helyek - Kötés kialakítások - Gyárthatóság - Üzemi körülmények 143
A kémiai összetétel hatása
Alapalkotók: C, Mn, Si, S, P Gáznemű szennyezők: O, N, H Ötvözők: Cr, Ni, Mo, V, W, Ti, Nb, Ta stb Cr Ferritképző, korrózióállóságot, melegszilárdságot javít, karbidképző Ni Ausztenitképző, korrózióállóságot javítja Mo Ferritképző, karbidképző, a helyi korrózióval szembeni ellenállást, melegszilárdságot javítja V, W, Ti, Nb, Ta, erős karbidképzők, a melegszilárdságot javítják 144
Karbon hatása
Az acél szűkebb értelemben hegeszthető, ha nem edzhető (C < 0,22 %) 145
Mangán hatása
Rm
FeS + Mn = MnS + Fe
KV Mn, %
1,7
Dezoxidens KÉNTELENÍTÉS
Hegeszthető acéloknál a szilárdság növelésére ötvözik, pl.”52”-es (S355) acélokban többek között
1,7 % Mn ötvöző van A mangán a szilárdságot növeli és az ütőmunkát sem rontja el 1,7 % alatt. 146
Szilícium hatása
Rm
KV Si, %
Fő dezoxidens Az acél dezoxidált, (csillapított) ha Si ≥ 0,12 % Félig csillapított: 0,07 % ≤ Si < 0,12% Csillapítatlan, ha Si < 0,07 %
A szilícium ridegít, így maximum 0,5 %-ot ötvöznek, kivéve a hőálló acélokat és egyéb speciális acélokat. 147
Kén hatása
986 ºC
Fe
FeS
A kristályosodási repedésérzékenységet fokozza. (Melegrepedést okozhat.) A kis olvadáspontú Fe-FeS eutektikumnak köszönhetően. Teraszos repedés érzékenységért is a kén a felelős. (Képlékenyalakításnál a vörös-törékenységet okozza.) S ≤ 0,035 % általában. 148
Foszfor hatása
Rm
KV P, %
Ridegít (hidegtörékenységet okoz) Hegesztésnél nem tudjuk csökkenteni a P mennyiségét Kénteleníteni és foszfortalanítani egyszerre nem lehet. A kéntelenítést kell végrehajtani, a P mennyiségét acélgyártáskor csökkentik Szokásos mennyiség: P ≤ 0,035 % 149
Oxigén hatása
Oldott állapotban
Rm
KV
O, %
Zárványok formájában FeO formájában is ridegít A gömb alakú (nemes) zárványok kedvezőbbek. MnO, SiO2, Al2O3, TiO2, V2O3, CaO
Nagy mértékben ridegít az oxigén. A dezoxidálás nagyon fontos a hegesztéstechnika gyakorlatában: 150
Dezoxidálás
A dezoxidens ötvözők: Mn, Si, (Nb), V, Al, Ti, Zr, Ca (jelölésben Me - Metal). A tömeghatás törvényét felírva:
( MeO)[Fe] K= [FeO][Me]
K – reakció egyensúlyi állandó
FeO + Me ⇔ MeO + Fe
Hegesztésnél a diffúziós dezoxidálást is figyelembe kell venni:
( FeO) L= [FeO]
L – megoszlási tényező 151
Jellemző tulajdonságok az oxigén tartalomtól függően TKV, KV KV KV ISO ºC 27 J 40 J 60 J
+20 JR
KR LR
B
J0
K0
L0
C
- 20 J2
K2
L2
D
- 40 J4
K4
L4
E
0
Dezoxidálás Si - al dezoxidált, csillapított " + nemes dezoxid. "+ f. szemcse "+ Ni ötvözés
152
Nitrogén hatása Rm
KV Kis N-tart.
KV
Nagy N-tart. Öregedés T, ºC
N, %
A nitrogén ridegít és öregedést okoz 153
A nitrogén csökkenése: Denitrálás
A nitrogén ridegít és öregedést okoz. Az öregedés azt jelenti, hogy az átmeneti hőmérséklet nő, az ütőmunka csökken. Az öregedés elkerülésére az acélokat denitrálni kell.
Denitrálás:
FeN + Me = MeN + Fe
Denitrálásra használható ötvözők: Al, V, Ti, Nb, Zr (nemes dezoxidensek) Azok az acélok, amelyek nemes dezoxidenssel is dezoxidáltak, öregedésállók is. 154
Mikroötvözés, mikroötvözött acélok
Mikroötvözött acélok elnevezése az igen kis mértékű ötvözésből származik: de maximum Al V Nb Ti N≤ + + + 0,015 % lehet 2 4 7 3,5 Al, %
0,015 – 0,03
Ti, %
V, %
0,02 – 0,06 0,02 – 0,15
Nb, %
Zr, %
B, %
0,015 – 0,1
0,015 – 0,1
0,0005 – 0,003
Tehát kis mennyiségben ötvözik a nitrogént nitridképző ötvözőkkel. (Mikro-mennyiségben viszik be az ötvözőket.) A nitridek diszperz eloszlását kell biztosítani, hőkezeléssel A mikroötvözött acélokra általában jellemező a növelt folyáshatár: Re ≥ 355 MPa 155
Mikroötvözött acélokra jellemző Ötvöző kiegyenlítés: A szilárdság nő és diszperz fázis eloszlásnál az ütőmunka sem és az átmeneti hőmérséklet sem romlik. Ezek szűkebb értelemben is hegeszthető acélok (C< 0,2 %). A karboneqv.-t is szavatolják sokszor. Ezek az acélok magasabb hőmérsékleten durvulnak el. Rm KV Mikroötvöző
156
Termomechanikus kezelés T A3
Normalizálás
Normalizálás
Víz hűtés
t
Mikroötvözéssel és termomechanikus kezeléssel elérhető az ReH = 700 – 900 MPa is. (Nagy szilárdságú hegeszthető acélok.) 157
Hidrogén hatása
Pelyhesedés jelensége
Mikroüregekbe [H] [H] bediffundált hidrogén, molekulákat alkotva H Szubmikroszkópikus bezáródik. Nagy nyomás repedés alakulhat ki, amelyből [H] Mikroüreg adódó feszültség töréshez vezethet. A szubmikroszkópikus repedések Fényes felületű terjedése mikroszkópikus, majd szubmikroszkópikus repedések, a „pelyhek”. makro-repedésekhez vezethet. A pelyhesedés a varratban hidegrepedések kiindulása lehet. 2
158
Halszem képződés
Képlékeny alakváltozás utáni töretfelületeken képződik az un. „halszem”. Pl. szakító próbatest, hajlító-próba töretfelületén A nagy hidrogén tartalomra utal
159
Gyártási eljárás hatása
A hegeszthetőség szempontjából a gyártási eljárás azt jelenti, hogy csak csillapított acélt szabad hegesztett szerkezetekbe beépíteni. Azt, hogy az acél csillapított-e vagy sem a kémiai összetételből látszik. A Si - tartalom alapján tudjuk eldönteni: Ha a Si ≥ 0,12 % az acél csillapított. Ha nemes dezoxidens is látható a kémiai összetételben, az acél öregedésálló is. 160
Hőkezelési állapot hatása
Más előírás hiányában, a hegesztett szerkezetek acéljait, normalizált állapotban kell szállítani. A normalizálás az ausztenitesítési hőmérsékletről nyugvó, 20 ºC –os levegőn való lehűlést jelent. A hőkezelt acélokat hegesztés után is hőkezelni kell. Például: Normalizált állapot: Az acélok többsége. Nemesített állapot: Hidegszívós acélok Edzett állapot: Ausztenites acélok 161
Az előzetes alakítás hatása
Hidegalakítás után az acél újrakristályosodhat a hegesztési hő hatására. Ez kritikus alakítás esetén jelentős szemcsedurvulást okozhat. k
Rm = Rm 0 +
d
Folyamatos öntés utáni melegalakítás esetében – zárvá-nyok behengerlése révén – a teraszos repedés (rétegesség) is gyakran előfordul. 162
Hegeszthető szerkezeti acélok
A szűkebb értelemben hegeszthető acélokra jellemző a kis C tartalom. Jellemző tulajdonságok Szilárdság: Rm = 370 … 1000 MPa Folyáshatár: ReH = 235 … 960 MPa Alakváltozó képesség: A ≥ 18 % Ütőmunka: KV ≥ 27 J Átmeneti hőmérséklet: TTKV = + 20 … - 40 ºC 163
Hegeszthető szerkezeti acélok Régi jel Új MSZ-EN jel Gégi jel Nem szabványos de találkozhatunk vele MSZEN1002 MSZ EN 10113 MSZ EN 10028 MSZ1741 Csoport MSZ6280 MSZ500 ISO Kat. EN jel /2 /3 /2 /3 37B Fe235B B S235JR "37" 37C Fe235C C S235J0G3 P235GH "235" 37D Fe235D D S235J2 Nyomástartó edényhez "265" C P265GH KL2 45B Fe275B B S275JR Normalizált Termomech. heng. "45" 45C Fe275C C S275J0 Alacsony hőm.-en szavatolt KV "275" 45D Fe275D D S275N S275N S275M P275NH E S275J4 S275NL S275ML P275NL "295" C P295GH KL7 (Fe355B) B S355KR Kis szennyező tartalom Kúszáshatár szavatolt "52" 52C (Fe355C) C S355K0 (P355GH) "355" 52D (Fe355D) D S355K2G3 S355N S355M 52E E S355J4 S355NL S355ML P355NL E420C C S420LR "420" E420D D S420N S420M E420E E Kül. csillap S420NL S420ML P420NL E460C C S460K0 "460" E460D D S460N S460M E460E E S460NL S460ML P460NL ReH Szerkezeti acél
Átmeneti + 20 C 0C - 20 C - 40 C - 50 C - 60 C
hKV = 27J KV = 40J KV = 60J ISO JR KR LR B J0 K0 L0 C J2 K2 L2 D J4 K4 L4 E J5 K5 L5 J6 K6 L6
164
Hegeszthető acélok hegesztésnek szabályai
Előmelegítés Ellenőrizni kell hidegrepedés érzékenységre, a már tanultak szerint. Hegesztőanyag választás Mechanikai tulajdonságok alapján történik: 1,4 ReHa.ag > ReHV ≥ReHa.ag és Av ≥ Aa.ag és TTKVv ≤ TTKVa.ag vagy azonos hőmérsékleten: KVv ≥ KVa.ag Hőbevitel, hegesztési technika Hőbevitelt alulról is és felülről is korlátozni kell. Utólagos hőkezelés Nem szükséges, ha előírják: 600 – 650 ºC - on max. 0,5 óra hőntartással. 165
MELEGSZILÁRD SZERKEZETI ACÉLOK
Jellemző ezekre az acélokra a szavatolt melegszilárdság, ill. tartósfolyás-határ. Re σt T, ºC ~ 350
σt-re méreteznek
166
Melegszilárd acélok ötvözése
A melegszilárdságot és a kúszási határt növelő ötvözőkkel ötvözik az acélt. Ezek a rekrisztallizációs hőmérsékletet növelő ötvözők – főleg karbidképzők – Mn, Cr, Mo, V, (W)
Ezek az ötvözők - Növelik a szilárd oldat szilárdságát - Az oldott idegen atomok, diszperz kiválások fékezik a kúszási alakváltozást, növelik a törésig eltelt időt A Mo szerepe döntő, már 0,3 % Mo ötvözés hatására 2 – 3 nagyságrenddel csökken a kúszási sebesség 167
A melegszilárdság növelése 1,5 % Mn ötvözés 350 – 400 ºC 0,3 % Mo ötvözés max. 450 ºC-ig (Ezeket normalizált állapotban használják.) Cr – Mo ötvözés Cr = 0,5 – 2,5 % Cr – Mo – V ötv. Mo = 0,2 – 1 % Mo – V ötvözés V = 0,2 – 0,3 % (Ezeket nemesítve használják: Edzés 920 ºC – ról, megeresztés 650 – 720 ºC) Ötvözet csoportok: Mn ötvözés Mo ötvözés Cr – Mo ötv. Mo - V ötvözés Cr – Mo – V ötv.
168
A grafitosodás jelensége
500 ºC feletti üzemi hőmérsékleten, tartós igénybevétel (évek) hatására jön létre a grafitosodás, az ötvözetlen ill. Mn ötvözésű acélokban. A perlit elbomlik ⇒ ferrit + grafit fészkek jönnek létre. Romlanak a mechanikai tulajdonságok.
169
Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai
Előmelegítés A fő probléma a nagy Ce 0,5 % Ce alatt a már ismert nomogramokkal határozzuk meg (sokszor eléri a 0,5 %-t, az előmelegítési hőmérsékletet. sőt van acél, amelyben 1 % is lehet.) Fölötte az Ito – Bessyo módszerrel határozható meg az ⇒ hidegrepedés előmelegítési hőmérséklet, illetve érzékenység! az alábbi ökölszabály Előmelegítéssel kell használható: hegeszteni ezeket az Mo ötvözés 100 – 200 ºC acélokat s ≥ 6 mm fölött. Cr - Mo ötvözés 200 – 300 ºC Cr – Mo – V ötv. 250 – 350 ºC 170
ITO – BESSYO módszer Si Mn Cu Ni Cr Mo V Pcm = C + + + + + + + + 5B 30 20 20 60 20 15 10 H s Pc = Pcm + + 60 600 T0 = 1440 Pc − 392
A kémiai elemeket % - ban, a H tartalmat [ml/100g] – ban, a lemezvastagságot ( s – t) [mm] – ben kell helyettesíteni. A T0 előmelegítési hőmérsékletet [ºC] – ban kapjuk. 171
A hegesztés szabályai Hegesztőanyag választás
Mn ötvözésű acélok esetében a mechanikai tulajdonságok szerint választjuk a hegesztőanyagot, mint a hegeszthető acéloknál. Mo ötvözésű acélokhoz Mo ötvözésű, Cr – Mo ötvözésű acélokhoz Cr – Mo ötvözésű stb. hegesztőanyagot választunk.
Hőbevitel, hegesztési technika
A kis hőbevitelt kerülni kell, mindenféle eljárással hegeszthetők. 172
Utólagos hőkezelés Utólagos hőkezelés Utólagos hőkezelés szükséges Mo ötvözésű acéloknál 600 – 660 ºC Cr – Mo és Cr – Mo – V ötv. acéloknál 600 – 720 ºC Hőntartás: 2 - 4 min/mm, de max. 1 h a Mo ötv. és 2 h a Cr – Mo illetve Cr – Mo – V ötvözésű acéloknál A hevítési seb. max. 220 ºC/h, lehűlési seb. max. 275 ºC/h. A hőkezelési paraméterek tervezésénél Hp = 17 - 18 (Hollomon paraméter) vehető figyelembe. Ezeknél az acéloknál számolni kell az újrahevítési (hőkezelési) repedések keletkezésével, ha a Cr < 1,5 %. 173
Feszültség csökkentő hőkezelés
A feszültség csökkentő hőkezelést legalább 520 ºC – on kell végrehajtani. A hőkezelést max. 720 ºC – on hajtják végre. 174
A Hollomon-Jaffe – paraméter H p = T ⋅ [20 + lg(t )] ⋅ 10−3
∆TTKV, ºC
∆Rm
+40
+
+30 0
+20
A Hollomon-Jaffe +10 Hp Hp paraméter értéke 14 – 21 15 16 17 18 19 15 16 17 18 19 ha a hőmérsékletet (T) K - ben, az időt (t) Mn < 1 % esetén órában helyettesítjük. A A kisebb Hollomon-Jaffe paraméter falvastagság és ötvöző kedvezőbb a mechanikai tulajdonságok tartalom növelésével Hp szempontjából. nő. ∆Re
175
A diffúziós (Dudás) – paraméter D 1D ⋅ t 1D = D 2 D ⋅ t 2 D log σ
σp1 σp2
Mestergörbe
D0 ⋅ e
−
Q RT1 D
⋅ t1D = D 0 ⋅ e
−
Q RT2 D
⋅ t 2D
1 Q 1 − lg( t 2 D ) − lg( t1D ) = ⋅ lg(e) ⋅ R T2 D T1D
T1D[log (t1D)+C1D]=P1D T2D[log (t2D)+C2D]=P2D
T2D[(T1D/T2D) log (t2D)+Q*lg(e)/(RT2D)] = = T 1D[log (t1D)+Q*lg(e)/(RT2D)] =P1D T2D[log (t2D)+Q*lg(e)/(RT1D)] = T 1D[(T2D/T1D) log (t1D)+Q*lg(e)/(RT1D)] =P2D Hp = P1D vagy P2D, ha t = 1 óra lg(t) = 0 !
176
A feszültségcsökkentés paraméterei
Hőkezeléskor idő korrekciót kell alkalmazni:
T tc = 2,3K (20 − lg K ) t c = t + t c1 + t c 2
Itt K a hevítési illetve lehűlési sebesség K/h - ban. A tc1 a hevítési, tc2 a hűtési korrekció, tc a korrigált hőkezelési idő h - ban.
A hevítési sebesség értéke: max. 220 ºC/h, illetve (5600/s) ºC/h, ahol az ”s” falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni, és a kisebb értéket kell alkalmazni. A hűtési sebesség értéke max. 275 ºC/h, illetve (7000/s) ºC/h, ahol az ”s” falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni, és a kisebb értéket kell alkalmazni. 177
Ellenőrzés hőkezelési repedés érzékenységre P = Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7 Nb + 5Ti − 2
Tipikus hőkezelési repedés:
Az acél összetételére jellemző alkotókat % - ban kell helyettesíteni. Az acél érzékeny a repedésre, ha P > 0 és Cr < 1,5 % (P < 0 vagy Cr ≥ 1,5 % esetén az acél nem érzékeny). 178
HIDROGÉN-NYOMÁSÁLLÓ SZERKEZETI ACÉLOK
Ezek az acélok ellenállnak a magas hőmérsékleten is a hidrogén diffúziójának max. 550 ºC-ig. Az acél melegszilárd, és gyakorlatilag a melegszilárd acélok ötvözési rendszerét követi. Ötvözés: Mo = 0,2 - 0,6 - 1 %, Cr = 0,8 - 3,5 - 6 %, V = 0,1 - 0,5 - 0,9 % (Mo, Cr – Mo Cr - Mo - V ötvözés) A hőkezelésük: Nemesítés - Edzés 900 – 1030 ºC – ról - Hűtés olajban, vagy fúvott levegőn - Megeresztés 650 – 740 ºC (hűtés kemencében, vagy nyugvó levegőn). 179
Az üzemi hőmérséklet és a hidrogén parciális nyomásának összefüggése
180
Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai Előmelegítés Hegesztőanyag választás Homogén kötés: 300 – 350 ºC Homogén kötés: Heterogén kötés: 300 – 350 ºC Hegesztés sajátanyaggal (egyes irodalmak szerint 150 – Heterogén kötés: 200 ºC is elegendő) Ausztenites heg.anyaggal Hőbevitel, hegesztési technika 18/8 (Cr/Ni) ill. A kis hőbevitelt kerülni kell. 18/8/2-3 (Mo) Utólagos hőkezelés 18/8/6 (Mn = 6 %) Homogén kötés 650 – 740 ºC 25/13 (Cr / Ni) 1 – 2 h hőntartással. 25/20 (Ni / Cr) Heterogén kötés Nem igényel feszültség csökkentő hőkezelést, ezt tartják a heterogén kötés előnyének. 181
HIDEGSZÍVÓS ACÉLOK A hidegszívós acélok az alacsony üzemi hőmérsékleten üzemelő szerkezetek alapanyagai. 11 Mn Ni 5 – 3 (Mn = 0,7 – 1,5 %; Ni = 0,3 – 0,8 %) 13 Mn Ni 6 – 3 15 Ni Mn 6 (Ni =1,3 – 1,7) 12 Ni 14 (Ni = 3,25 – 3,75) 12 Ni 19 (Ni = 4,75 – 5,25) X8 Ni 9 (Ni = 8,5 – 10,0 %) X7 Ni 9 182
Burdekin diagram
Az üzemi hőmérséklet és a kritikus átmeneti hőmérséklet nem egyenlő!
183
A hidegszívós acélok ötvözése
Fő ötvözet csoportok Ni = 0,5 – 1,5 % Normalizálás Ni = 3, 5 % Ni = 5 % Ni = 9% Nemesítés
Ezeket az acélokat Ni - el övözik C tartalmat csökkentik S tartalmat is csökkentik A kis zárvány tartalom és a finomszemcsés szerkezet igen fontos Nemesített állapotban alkalmazzák 920 – 790 ºC - ról edzés Utólagos hőkezelés Megeresztés Nem szükséges, 630 – 580 ºC.
ha igen: 600ºC-on, a lehűtés 600 – 400 ºC - on gyors legyen. 184
Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai Ezekre az acélokra a nagy alakváltozó képesség jellemző. A fő kérdés a hegesztőanyag választás. Előmelegítés Nem szükséges Hőbevitel, hegesztési technika Nem igényel különleges technikát. Az acélok a Ni tartalom növekedésével arányosan hajlamossá válnak a mágneseződésre.
Hegesztőanyag választás 0,5 – 1, 5 % Ni tartalom: 1,5 % Ni tart. heg.anyag 3,5 % Ni tartalom: 2,5 - 4,2 % Ni tart. heg.anyag 5 % Ni tartalom: 18/8-as vagy 18/8/6 –as heg.anyag 9 % Ni tartalom: Ausztenites heg.anyagok (18/8-as 25/20-as) vagy 70 % Ni + 15 % Cr ötvözésű nikkel heg.anyag 185
