Duplex acélok lézersugaras hegesztésekor lejátszódó metallurgiai folyamatok Metallurgical processes at laser welding of duplex stainless steels FÁBIÁN Enikő Réka Budapesti Műszaki Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Hungary, 1111, Budapest , Műegyetem rakpart 3
Abstract The chemical composition of duplex stainless steels is balanced to give approximately equal amounts of ferrite and austenite in solution-annealed condition. In this work were studied the laser welded microstructure of LDX 2101, 2304, LDX 2404, 2205 grade steels produced at Outokumpu Works. Due to the laser welding the ferrite content of welded material increased in each case in comparison with the parent materials. Kulcsszavak: Duplex acél, lézersugaras hegesztés, szövetszerkezet,
1. Bevezetés Duplex korrózióálló acélok nevüket a különleges, kettős szövetszerkezetükről kapták, melyet körülbelül fele-fele arányban ausztenites és ferrites fázis alkot. A duplex acéloknál az ausztenit biztosítja az acélnak a jó alakíthatóságot, a szívósságot a jó hegeszthetőséget, a hidrogénes elridegedéssel szembeni ellenállást, míg a ferrit a megfelelő korrózióállóságot főleg a klorid ionnal ionok által indukált pittinggel, réskorrózióval és feszültségi korrózióval szemben. (Komócsin,1997, IMOA,1999). Ezért ezeket az acélokat ott alkalmazzák, ahol a korróziós hatás mellett a mechanikai igénybevétel is jelentős, mivel a duplex acélok nagyobb szakítószilárdsággal rendelkeznek, mint a hasonló korrózióállóságú az ausztenites acélok. A kísérletek azt igazolták, hogy sós tengeri környezetben a duplex acélok jobban ellenállnak a sós páratartalomnak, mint a leggyakrabban használt ausztenites acélok. Kísérletek azt mutatták, hogy a korróziós károsodás megjelenésének idő szükséglete a hőmérséklet emelkedésével jelentősen rövidült az ausztenites acéloknál, míg a duplex acéloknál ugyanannyi idő eltelte után nem volt megfigyelhető a korrózió [20]. Mellesleg a nikkel árának drasztikus ingadozása jelentősen befolyásolja a korrózióálló acélok gyártási költségeit. A nagy árak miatt, megjelentek a nikkelszegény duplex acélok (sovány duplex), így 2001-ben az Outokumpu svéd acélgyártó vállalat által kifejlesztett LDX2101 acéltípus, majd 2010-ben az LDX2404-es acél (Strenght, 2011). Ezekben az acélokban az olcsóbb mangánnal helyettesítik a drága nikkelt. Minden duplex acél ferritként kristályosodik, majd ezt követően alakul át a hűlés során a ferrit egy része ausztenitté. Tehát a duplex szerkezet szilárd állapotban jön létre (1. ábra). A duplex acélok hegesztésére a legelterjedtebb hegesztési módszerek a védőgázos fogyóelektródás hegesztés kevert védőgázokkal illetve semleges védőgázos volfrámelektródás hegesztés. A relatív újnak mondható lézersugaras hegesztés, mely az 1970-es években csatlakozott az összeillesztési eljárásokhoz, számos területen rugalmasan alkalmazható. Készíthetőek vele, méteres hosszúságú mélybeolvadású varratok, amikor nagy mélység-szélesség arányú varratgeometriák keletkeznek. A vetemedés mértéke minimális. Általában előnye, hogy a lézer hihetetlenül gyorsan hegeszt, ami a
Hőmérséklet, c
duplex acéloknál a szövetszerkezet alakulása miatt korlát is lehet, mivel a duplex acélok hegesztett kötéseiben a hegesztés során bevitt hő és a nagy hűlési sebesség hatására a varratfémben jelentősen módosul a ferrit- ausztenit arány Korábban a duplex acélok hegesztésére nem ajánlották a lézersugaras hegesztés alkalmazását (Peterson,1995). A 2014-ben, a Nemzetközi Molibdén Egyesületnél megjelent, duplex acélok gyártására vonatkozó gyakorlati útmutató a lézersugaras hegesztések alkalmazásával kapcsolatban annyit mond, hogy a lézersugaras hegesztési kísérletek pozitív eredményt hoztak (IMOA,2014). A duplex acélok különböző ötvözői nem egyenletesen oldódnak a szövetszerkezetben, az ausztenit képzők az ausztenitben, a ferrit-, illetve karbidképzők a ferritben 1. ábra. Duplex acélokra jellemző Fedúsulnak. A dúsulás mértéke a hőmérséklet függvényében Cr-Ni fázisdiagram részlet Fe = 70%, változik [Gunn,1999, Bödök,1997).
(Gunn,1999)
2. Kísérleti anyagok és berendezések Vizsgálatra négy különböző minőségű duplex acéllemezt választottam. A vizsgálatra kijelölt lemezek vegyi összetétele a 1. táblázatban látható. Vegyi összetétel a Fe mellett , tömeg %
Acél jele C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni Mo
N
Cu
X3CrMnNiN 21-5-1
LDX 2101
0,023
0,66 4,97 0,022 0,001 21,49 1,51 0,29 0,228 0,25
X2CrNiMoN22-5-3
2205
0,019
0,37 1,42 0,022 0,001 22,4
X2CrNiN23-4
2304
0,018
0,30 1,37 0,024 0,001 23,16 4,71 0,34 0,12 0,27
0,025
0,36 3,00 0,022 0,001 23,92 3,66
X2CrNiMnMoCuN24-4-3-2 LDX2404
5,8 3,16 0,177
-
0,279
-
-
1. táblázat Vizsgálatra választott minták vegyi összetétele Mivel a kísérletek megkezdésekor az LDX2404 még csak a gyártó által jelölt kereskedelmi nevét ismertük (2015 -ben került be az MSZEN 10088-2:2015 szabványba), mintáimat a kereskedelmi név és a vastagság azonosítja. Megvizsgálva az alapanyagokat, úgy találtam, hogy a lemezeknek nemcsak a vegyi összetétele különbözött, de a szövetszerkezetüket is különböző vastagságú ferrit és ausztenit rétegek alkották még azonos lemezvastagság esetén is (2. ábra).
a) b) c) d) 2. ábra. A vizsgálatra szánt duplex anyagminőségek szövetszerkezete. Eredeti nagyítás. N = 500× , Marószer: Beraha' 1, a) 2101 / 1,5 mm; b) 2205 /1,5 mm; c) 2304 / 2,5 mm; d) 2404 / 3 mm A lézersugaras hegesztést a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft.-ben működő, diódapumpált, Rofin DY 027 típusú Nd:YAG berendezéssel végeztük, 2500W-os teljesítményen.
3 Kísérleti eredmények 3.1 A lézersugaras hegesztéssel létrehozott varratok szövetszerkezeti vonatkozásai A lemezek hozaganyag nélküli lézersugaras hegesztésekor a varratfémben a szemcsehatárokon vékony ausztenites fázis (világos) jól elkülöníthető Beraha’1 marószerrel való maratás után, de a szemcsék belsejében is megkülönböztethetünk ausztenites fázisokat finom diszperz eloszlásban. A 2101 mintánál nagyon keskeny, ferriten gazdagabb hőhatásövezetet lehetett megfigyelni (3. ábra). Láthatjuk, hogy lézersugaras hegesztéskor a megömlött varratfém dermedésekor a szemcsék határán ausztenit alakul ki. A fázisok megjelenésének mennyiségét és minőségének tanulmányozását célszerű nagyobb felbontásban végezni.
a) b) c) 3. ábra. A 2101/1,5 mm lemezeknél kialakult varrat szövetszerkezete, vlézersugár = 3000 mm/min. Marószer: Beraha 1 a) hőhatásövezet a koronánál N = 100× b) varrat közepe, N = 100× c) hőhatásövezet N = 500× A minták tanulmányozásakor úgy találtam, hogy a hegesztési sebesség befolyásolja a varrat alakját, de a varratfém szövetszerkezetére is hatással van. A nagyobb hegesztési sebesség keskenyebb, hosszabb szemcsék kialakulásához vezet (4. ábra). A ferrittartalom mennyisége függ az anyagminőségtől (5. ábra).
a) b) c) 4. ábra. A hegesztési sebességhatása hozaganyag nélküli lézersugaras hegesztéskor kialakult varrat jellegzetes szövetszerkezetére a 2101/1,5 mm lemezeknél. Marószer: Beraha 1 a) vlézersugár = 750 mm/min N = 500× b) vlézersugár = 1500 mm/min N = 500× c) vlézersugár = 3000 mm/min N = 500×
a)
b)
5. ábra. Ausztenit/ferrit fázis megjelenése a varratfémben, N = 500× a) 2205/1,5 minta vlézersugár = 1500 mm/min b) 2304/2,5 minta vlézersugár = 1800 mm/min c) 2404/3 minta vlézersugár = 1500 mm/min
c)
A vizsgálatok során készített felvételeken (10-12 felvétel/minta) a fázisok mennyiségi meghatározását J microvision 1.27 típusú képelemzővel számoltam ki. Közel azonos hegesztési sebességnél s varratok ausztenit tartalma megváltozott, csökkent. A varratok ausztenit tartalma köti különbségek másként alakultak, mint a kiinduló lemezek ausztenit tartalmának különbségei. Legtöbb ausztenitet a 2304/2,5 mintánál alakult ki, legkevesebb a standard 2205 anyagnál, ahol kevesebb, mint 20% ausztenitet mértem. Mindenegyes lézersugaras hegesztés során kialakult varrat ausztenit tartalma kevesebb, mint a varratfém 40%-a (6. ábra).
6. ábra A ferrittartalom változása közel azonos hegesztési sebességnél.
3.2. Korróziós tesztek eredménye Korróziós teszteket az ASTM G 48 szerint végeztem. A 6%-os FeCl3-os oldatban való 72 órás tesztelés azt mutatta, hogy a lyukkorrózió főleg a varratfémek felületén illetve a hőhatásövezetben alakultak ki (7. ábra).
a)
b)
c)
d)
7. ábra. A korróziós tesztelés után megjelenő lyukkorrózió jelensége a különböző minőségű duplex acélok lézersugarason hegesztett mintáinál a)2201/1,5mm minta b) 2101/01,5mm minta c) 2304/3mm mintad)2403/3 mm minta
4. Összegzés
800
korróziós fogyás 700
2
600
fogyás g/m
fogyás g/m
2
A tesztek alapján a 2304800anyag korróziós ellenállása a vizsgált anyagok közül 700 a leggyengébb. A 1500 mm/s hegesztési sebességnél a 2304 minta fogyása 600 meghaladta a 700g/ mm2 –t. A 2101/1,5 minta korróziós 500 vesztesége elérte a 600g/mm2 -t. A 2101 anyagú 400 mintasorozatnál a korrózió megjelenése inkább a 300 varraton illetve közvetlen a varrat mellett figyelhető meg. 200 A 2205/1,5 mintánál a korrózió mértéke igen kicsi (16 2 100 g/mm ), és a lyukak ugyanolyan mértékben fordult elő az alapanyagban, mint a varratban0 A 2404/-3 mintasorozatnál lyukkorrózió főleg lézera1500mm/min varrat hőhatásövezetében illetve a korona részen jelent meg.1500mm//min sebességgel való hegesztés után a korróziós fogyás meghaladta a 250 g/mm2 –t (8. ábra)
500
korróziós fogyás 2205-1,5mm
2
2101-1,5mm
2
2304-3mm
2
2404_3mm
2
400 300 200 100 0
por + lézer 1500mm/min
lézer 1500mm/min huzal+lezer 1500mm/min
por + lézer 1500mm/min
8. ábra. ASTM G148 szerinti tesztelés után tapasztalt lyukkorróziós fogyás egységnyi felületre vetítve
A különböző minőségű ferrit- ausztenites duplex acélok lézersugaras hegesztésekor a varratfém ferrittartalma jelentősen megnő. A lézersugaras hegesztést követő gyors lehűlés következményeként a szemcsehatárokon ausztenit alakul ki a varratfémben, és a hőhatásövezetnél. A szemcsék belsejében a ferrites mátrixban finom diszperz eloszlásban
huzal+lezer 1500mm/min
jelenik meg még ausztenit, melyek méretei, eloszlása az alapanyag vegyi összetételétől, a hegesztett lemezek vastagságától, a lehűlési sebességtől függ. A kialakult ferrittartalom növekedés nincs egyenes arányban a tapasztalt korróziós fogyással, bár a legnagyobb ferrittartalmú hőhatásövezetek a legérzékenyebbek a lyukkorrózióra. 5. Irodalomjegyzék ISBN 9630483459, BÖDÖK Károly, 1997: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött acélok korrózióállósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére, Budapest, Corweld,. ISBN: 978-1-85573-318-3: GUNN 1999: Duplex stainless steels. Abington Publishing, Cambridge, p: 1-47, 110-143. ISBN 978-1-907470-09-7, IMOA, 2014:Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steel, Third ed., International Molybdenum Association (IMOA), London, UK © IMOA 1999–2014, http://www.imoa.info/download_files/stainless-steel/Duplex_Stainless_Steel_3rd_Edition.pdf KOMÓCSIN Mihály, 1997: Duplex szerkezetű korrózióálló acélok és hegesztésük. Miskolci Egyetem. 1997 OUTKUMPUKU, 2014: Outokumpu-Duplex-Stainless-Steel-Data-Sheet.pdf, 1088 EN, Itasca, USA October 2014. www.outokumpu.com/SiteCollectionDocuments/Outokumpu-Duplex-StainlessSteel-Data-Sheet.pdf PEKKARINEN J, KUJANP V, 2010: The effects of laser welding parameters on the microstructure of ferritic and duplex stainless steels welds, Physics Procedia /5 517–523 PETTERSSON C.O, FAGER S-Å, 1995: Welding practice for the Sandvik duplex stainless steels SAF 2304, AF 2205 and SAF 2507; AB Sandvik Steel, S-811 81 Sandviken, Sweden, STRENGTH R, 2011: Properties of the new duplex grade LDX 2404 - Outokumpu; Proceedings of the Stainless Steel. World Conference & Expo 2011, November 29th – December 1st, ,. Maastricht, The Netherlands © KCI Publishing, http://www.outokumpu.com/SiteCollectionDocuments/Propertiesof-the-new-duplex-grade-LDX-2404-Acom.pdf
