SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 1
díl 2, Oceli
5/2.7.10.3 Austenitické vysokolegované žáruvzdorné oceli
Austenitické vysokolegované chrómniklové oceli obsahují min. 16,5 hm. % Cr s dostatečným množstvím Ni a Mn a dále C (N) k dosažení austenitické struktury. Další prvky k získání požadovaných vlastností mohou být Mo, Ti, Nb, Cu, Al, Si. Předběžně lze strukturu austenitických ocelí určit s využitím výpočtu ekvivalentů Cr a Ni s následným znázorněním v Schaefflerově, DeLongově, W.R.C. nebo v implant diagramech (Folkhard, E.: Welding Metallurgy of Stainless Steels, Springer Verlag, Wien, 1988, 279s). Oceli jsou dodávány z hlediska potlačení vzniku trhlin za horka s různým obsahem feritu delta. Množství feritu delta se vyjadřuje feritovým číslem (FN). V rozsahu 0 až 10 % se stanovuje podle EN ISO 8249. Podle ČSN EN 1011-3 optimální tepelné zpracování austenitických ocelí je rozpouštěcí žíhání za teploty 1 050 °C, po prohřátí 20 minut na teplotě, s následným ochlazením ve vodě. červen 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 2
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
Další možností stabilizace austenitické oceli je snížit obsah uhlíku na méně než 0,03 hmot. %, tj. na množství uhlíku ještě rozpustné v austenitu. Potom není volný uhlík k tvorbě karbidů chrómu. Nevýhodou může být heterogenita v chemickém složení uhlíku po průřezu a délce, a tudíž se často používá kombinace sníženého obsahu uhlíku se stabilizací oceli (Ti, Nb, Ta). Stabilizované austenitické oceli jsou před odlitím legovány, nejlépe v rafinační pánvi, silně karbidotvornými a nitridotvornými prvky, jmenovitě titanem, niobem, nebo oběma prvky. Množství titanu nebo niobu se určuje s rezervou podle poměru jejich atomové hmotnosti ke hmotnosti uhlíku, kupř. množství Ti = 5x(C-0,03), Nb = 10x(C-0,03). Standardní austenitické oceli mohou obsahovat malý podíl feritu delta (3 až 10 %) s tím, že obsah uhlíku by měl být max. 0,06 hm. %. S cílem potlačení tvorby karbidů po hranicích zrn při svařování jsou vyráběny austenitické oceli s obsahem uhlíku max. 0,03 hm. %. Strukturní stálost vysokolegované oceli je zvyšována stabilizováním austenitických ocelí Ti, Nb, kombinací Ti–Nb, případně Ta. Plně austenitické oceli zaručují požadované vlastnosti, jmenovitě nízkou permeabilitu, zvýšenou odolnost proti tečení a oxidaci při vyšších a vysokých teplotách (zvýšenou žáruvzdornost) a jsou vhodné též pro použití za hlubokých teplot. Superaustenitické oceli jsou řazeny do skupiny plně austenitických ocelí a mají zvýšený obsah chrómu a niklu. Ke zvýšení stability ocelí obsahují molybden a dusík. Austenitické oceli se zvýšeným obsahem Cr, Ni a Si (X6NiCrSiNCe35-25) jsou vysoce žáruvzdorné s tím, že vzdorují prostředí do teploty 1 170 °C včetně. červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 3
díl 2, Oceli
Klasické žáruvzdorné austenitické oceli 1.4841 (X15CrNiSi25-20) mají vyšší obsah Cr, Si, Al, Mo s cílem dosažení vyšší odolnosti proti žáru do teploty 1 150 °C včetně.
T
Chemické složení (rozbor tavby) austenitických ocelí žáruvzdorných ve shodě s ČSN EN 10095 Označení
Hmotnostní podíl v %
Číselné označení
C
Si
Cr
Ni
N
X8CrNiTi1810
1.4878
max. 0,10
max. 1,00
17,00 až 19,00
9,00 až 12,00
1)
X15CrNiSi2012
1.4828
max. 0,20 1,50 až 2,00
19,00 až 21,00
11,00 až 13,00
max. 0,11
X9CrNiSiNCe21-11-2
1.4835
0,05 až 0,12 1,40 až 2,50
20,00 až 22,00
10,00 až 12,00
0,12 až 0,202)
X12CrNi23-13
1.4833
max. 0,15
max. 1,00
22,00 až 24,00
12,00 až 14,00
max. 0,11
X8CrNi25-21
1.4845
max. 0,10
max. 1,50
24,00 až 26,00
19,00 až 22,00
max. 0,11
X15CrNiSi2521
1.4841
max. 0,20 1,50 až 2,50
24,00 až 26,00
19,00 až 22,00
max. 0,11
X12NiCrSi3516
1.4864
max. 0,15 1,00 až 2,00
15,00 až 17,00
33,00 až 37,00
max. 0,11
X10NiCrAlTi32-21
1.4876
max. 0,12
max. 1,00
19,00 až 23,00
30,00 až 34,00
3)
X6NiCrNbCe32-27
1.4877
0,04 až 0,08 max. 0,30
26,00 až 28,00
31,00 až 33,00
max. 0,114)
X25CrMnNiN25-9-7
1.4872
0,20 až 0,30 max. 1,00
24,00 až 26,00
6,00 až 8,00
0,20 až 0,405)
X6CrNiSiNCe19-10
1.4818
0,04 až 0,08 1,00 až 2,00
18,00 až 20,00
9,00 až 11,00
0,12 až 0,206)
Značka
červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 4
díl 2, Oceli
X6NiCrSiNCe35-25
1.4854
0,04 až 0,08 1,20 až 2,00
24,00 až 26,00
34,00 až 36,00
0,12 až 0,207)
X10NiCrSi3519
1.4886
max. 0,15 1,00 až 2,00
17,00 až 20,00
33,00 až 37,00
max. 0,11
X10NiCrSiNb35-22
1.4887
max. 0,15 1,00 až 2,00
20,00 až 23,00
33,00 až 37,00
max. 0,118)
Ostatní: Ti: 5x% C ⱕ Ti ⱕ 0,80, Ce: 0,03 až 0,08, 3) Al: 0,15 až 0,60; Ti: 0,15 až 0,60, 4) Al: max. 0,025; Ce: 0,05 až 0,10; Nb: 0,60 až 1,00, 5) Mn: 8,00 až 10,00, 6) Ce: 0,03 až 0,08, 7) Ce: 0,03 až 0,08, 8) Nb: 1,00 až 1,50 – Obsah Mn max. 2,00. 1) 2)
Tepelné zpracování a vlastnosti žáruvzdorných austenitických ocelí
Austenitické žáruvzdorné oceli jsou v celém rozsahu tepelně zpracovány rozpouštěcím žíháním v rozsahu teplot 1 050 až 1 150 °C s poměrně krátkou dobou výdrže na teplotě, pohybující se po vyrovnání teploty v rozsahu 20 až 30 minut, s následujícím dostatečně rychlým ochlazením ve vodě, ve sprše nebo ve chladném proudícím vzduchu. Nejvyšší možné provozní teploty u žáruvzdorných austenitických ocelí s křemíkem jsou až 1 150 °C (1.4877, 1.4872). Hodnoty meze pevnosti při tečení za teploty 900 °C po dobu 104 hodin dosahují 8,5 až 13 MPa.
Žáruvzdornost austenitických ocelí na vzduchu
červen 2011
Žáruvzdornost byla hodnocena obdobně jako u feritických ocelí podle ztráty hmotnosti: ⱕ 2 g/m2 při Ta + 50 °C pro 120 h namáhání se 4 meziochlazeními (ČSN EN 10095).
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 5
díl 2, Oceli
T
Austenitické oceli žáruvzdorné CrNi – nejvyšší teploty pro použití na vzduchu Značka
Číselné označení
Ta max. (°C)
X8CrNi8-10
1.4878
850
X15CrNiSi20-12
1.4828
1 000
X9CrNiSiNCe21-11-2
1.4835
1 150
X12CrNi23-13
1.4833
1 000
X8CrNi25-21
1.4845
1 050
X15CrNiSi25-21
1.4841
1 150
X12NiCrSi35-16
1.4864
1 100
X10NiCrAlTi32-21
1.4876
1 100
X6NiCrNbCe32-27
1.4877
1 150
X25CrMnNiN25-9-7
1.4872
1 150
X6CrNiSiNCe19-10
1.4818
1 050
X6NiCrSiNCe35-25
1.4854
1 170
X10NiCrSi35-19
1.4886
1 100
X10NiCrSiNb35-22
1.4887
1 100
Žáruvzdorné austenitické oceli jsou dodávány ve stavu po rozpouštěcím žíhání (1 020 °C) s následným ochlazením ve vodě nebo v prostředí chladného vzduchu. Pro svařování jsou voleny oceli tepelně zpracované rozpouštěcím žíháním (1 050 °C – s následným prudkým ochlazením) nebo u stabilizovaných austenitických ocelí (kupř. 1.4550) stabilizačním žíháním za teploty 850 °C. Austenitické vysokolegované oceli se svařují v zásadě bez předehřevu s cílem vyloučit vznik trhlin za horka v TOO (tepelně ovlivněné oblasti) a ve svarovém kovu. Trhliny vznikají v důsledku tahové napjatosti při výskytu nízkotavitelných eutektických směsí fází v dendritických oblastech svarového kovu
Postup svařování austenitických vysokolegovaných žáruvzdorných ocelí
červen 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 6
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
a po hranicích zrn v TOO. Z uvedeného důvodu se doporučuje u normálních austenitických ocelí a svarových kovů 3 max. 15 obj. % feritu delta. Svařuje se velmi malým vneseným teplem – minimálním tepelným příkonem, tj do hodnoty 1,5 kJ.mm-1. Pro svařování zcela austenitických ocelí lze použít elektrody se zvýšeným obsahem Ni a s velmi nízkým obsahem nečistot (S a P). Interpass teplota nemá přesáhnout 150 °C a poměr mezi šířkou a hloubkou svarové lázně má být nejvýše 1,5. U ocelí s vyšším obsahem Cr, Mo, Si a Al je nutné upozornit na možný výskyt intermetalických fází, jmenovitě fáze sigma. Náchylnost k tvorbě karbidů po hranicích zrn lze snížit redukcí obsahu uhlíku (max. 0,03 hm. %) a stabilizací struktury (Ti, Nb, Ta). Z důvodu potlačení nauhličení lze doporučit používat ochranné plyny s obsahem CO2 do 2,5 obj. %. Je nutné upozornit na vyšší teplotní roztažnost austenitických ocelí v porovnání s feritickými ocelemi. Doporučuje se svařovat metodou TIG (metoda 141) stejnosměrným proudem s minus pólem na W elektrodě s pulsním nebo sprchovým přenosem kovu s dostatečným odvodem tepla z místa spoje. Z důvodu propalu prvků se používají chrómem a molybdenem výše legované přídavné materiály v porovnání se svařovanou žáruvzdornou ocelí. Austenitické vysokolegované oceli a svarové kovy mohou krystalizovat v závislosti na chemickém složení jako směs fází feritu a austenitu. Následkem feritické krystalizace je nižší citlivost na vznik trhlin za horka. Standardní austenitické oceli mají proto k potlačení vzniku trhlin za horka obsah feritu ⱖ 3 FN (měřeno podle EN ISO 8249). Pro svařování standardních korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí je vhodné použít svařovací materiály s obsahem feritu ve svarovém kovu mezi 3 a 15 FN a zajistit minimální tuhost červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 7
díl 2, Oceli
upnutí spoje. Austenitické korozivzdorné oceli se po svařování tepelně nezpracovávají. Náchylnost k trhlinám za horka korozivzdorných a žáruvzdorných austenitických ocelí lze kontrolovat podle vzorce ⌬H = –700.C + 17.Cr – 37.Ni + 29.Mo + 188. Je-li ⌬H ⱕ 100, je ocel náchylná k tvorbě trhlin za horka. Vzorec zviditelňuje nepříznivý účinek uhlíku. Jak již bylo uvedeno, závažným problémem nestabilizovaných austenitických ocelí a svarových spojů je jejich snížená odolnost proti mezikrystalové korozi, jmenovitě za vyšších teplot. Za teplot 450 až 850 °C dochází u nestabilizovaných austenitických ocelí k intenzivní tvorbě (precipitaci) karbidů chrómu Cr23C6 po hranicích zrn za současného ochuzování (denudaci) oblastí přilehlých ke karbidům o chróm. Následným účinkem korozního činidla dochází v ochuzených místech o chróm k intenzivní mezikrystalové korozi. Obdobný je při svařování u nestabilizovaných austenitických ocelí vznik ochuzených pásem v oblastech svarového spoje ohřátých na teploty 450 až 850 °C a dále vystavených účinkům korozního činidla.
Zvláštnosti při svařování austenitických ocelí
Dalším problémem při svařování žáruvzdorných austenitických ocelí je jejich náchylnost ke vzniku karbidických a intermetalických fází v TOO, kde může rovněž dojít v procesu svařování k mikrosegregaci fosforu a síry podél dendritů a hranic zrn. Mikroanalyzátorem bylo zjištěno, že rozdíl v obsahu chrómu mezi dendrity a výplní se pohybuje mezi 2 a 3 hm. % Cr, přičemž nejvyšší odmíšení je ve středu návaru. Ke stanovení náchylnosti austenitických ocelí důsledkem svařování v oblastech ohřátých na teploty 500 až 800 °C se používají elektrochemické potenciokinečerven 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 8
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
tické reaktivní testy, které umožňují dokonale vyhodnotit vzorek cestou kvantitativního rozvoje procesů vedoucích k precipitaci částic podél hranic zrn a vyvolávajících chemickou heterogenitu. V porovnání s testem leptatelnosti vzorků v kyselině šťavelové, kde dochází k rozpouštění sekundárních fází bohatých na chróm vyloučených na hranicích zrn, se u reaktivních testů detekují ochuzené části o chróm okolo vyprecipitovaných částic na hranicích zrn, okolo karbidů chrómu. V případě reaktivního testu lze po hranicích zrn, popřípadě dvojčat, pozorovat v okolí karbidů a sigma () fáze brázdy, neboť testem nejsou napadeny karbidy a fáze bohaté na chróm, ale anodicky reaktivovaná zóna ochuzená o chróm. Morfologické znaky míst ochuzených o chróm lze dobře pozorovat optickou a skenovací mikroskopií nebo moderním 3 D obrysovým způsobem a stanovit tak strukturní stabilitu austenitických ocelí. Z porovnávacích zkoušek náchylnosti svarových spojů nestabilizovaných austenitických ocelí ke strukturnímu zcitlivění vyplynulo, že kritické jsou v ovlivněných zónách teploty 480 až 650 °C a je nutné při svařování volit postupy a metody zaručující nejmenší dobu setrvání v uvedeném rozsahu teplot (příkon Q ⱕ 1,5 kJ.mm-1). Korozi pod napětím vzdorují superaustenitické oceli s vysokým obsahem niklu, s těsnou austenitickou mřížkou. Lépe je však použít duplexní nebo feritické oceli.
červen 2011
