Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Szent István Egyetem
Óbudai Egyetem
Typotex Kiadó
TÁMOP-4.1.2-08/A/KMR-0029
Példatár Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. Ausztenites és duplex acélok volfrámelektródás hegesztése Szerző: Dobránszky János
[email protected] A példát kidolgozta: Faltay László (2009)
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
1
Az elemi példa témája Az elemi példa témája: Ausztenites és duplex acélok volfrámelektródás hegesztésének elemzése
A példa kidolgozása: 1. Állítson össze kísérleti tervet, amely alkalmas arra, hogy elemezze a duplex acélok hegesztési varrataiban kialakuló fázisok mennyiségét a védőgáz nitrogéntartalma függvényében! 2. Végezze el a kísérleteket! 3. Vizsgálja metallográfiai módszerrel a varratok fázisainak mennyiségét! 4. Értékelje a kapott eredményeket!
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
2
Bevezetés A korrózióálló acélok piacára nagy hatást gyakorolt a nikkel árának legutóbbi drámai változása. A 2007-es esztendőt követően egy év alatt megháromszorozódott eme népszerű ötvöző egységenkénti ára, ami 2008 közepén tetőzött. Ezt követően ugyan némileg normalizálódott a helyzet, azonban az acélgyártók reakciója nem maradt el. 2006-ban még 66,8% volt a króm-nikkel ötvözésű rozsdamentes acélok aránya, majd a nikkelárrobbanást követően egyfelől újra előtérbe kerültek korábban kevésbé népszerű típusok, másrészt új megoldások születtek a minőség és a költséghatékonyság kompromisszumának égisze alatt. Az ausztenites acélok terén Ázsiában a króm-mangán ötvözés vált elfogadottá, Európában pedig egyebek mellett a nikkelszegény duplex típusokat fejlesztették: ilyen az Outokumpu által 2001-ben kifejlesztett LDX2101 lean-duplex is, mely a jelen példa kísérleti anyaga.
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
3
Bevezetés Acél neve EN C N Cr Ni Mo Mn LDX2101 1.4162 0,03% 0,22% 21,5% 1,5% 0,3% 5% Az LDX2101 acél kémiai összetétele
A duplex acélok kiváló – és olcsó – alternatívát nyújtanak az ausztenites rozsdamentes acélok alkalmazási területein, köszönhetően kiváló mechanikai tulajdonságaiknak, jó alakíthatóságuknak és hegeszthetőségüknek, valamint lyuk- és réskorrózióval szembeni ellenálló képességüknek. Az LDX2101-et elsősorban a 304L és a 316L típusok helyett ajánlják, azonban kiváló mechanikai tulajdonságai miatt alakíthatósága elmarad ausztenites társaitól, és nagyobb visszarugózással kell számolni.
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
4
Ausztenitképződés a duplex acélokban Az ausztenit képződése a duplex acélban a következő átalakulások következménye (ld. a következő dián lévő ábrát): 1). α Æ σ + γ2 eutektoidos reakció a 700 – 900°C hőmérséklettartományban, 2). diffúziós átalakulás 650°C felett, amely Widmanstätten-jellegű szerkezetet eredményez, 3). diffúzió nélküli izotermikus átalakulás 650°C alatt, mely a martenzites átalakulásra emlékeztet. A hegesztési varrat szerkezetét tekintve célunk az eredeti fázisarány megőrzése. Ez a gyakorlatban a ferrit dúsulásának megakadályozásával valósul meg, hiszen akár 100% ferrites struktúra is kialakulhat. A kellő mennyiségű ausztenit megőrzése érdekében a hegesztőanyagokat 2-6% nikkellel „túlötvözik”. Ez viszont nem csak azt eredményezi, hogy a termodinamikai egyensúly az ausztenites hányad felé tolódik, hanem a szolvuszvonalat is „megemeli”, így a ferrit Æ ausztenit átalakulás nagyobb hőmérsékleten következik be. Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
5
Értékelés Ausztenitképződés a duplex acélokban A Fe-Cr-Ni egyensúlyi diagram 68% Fe esetére
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
6
Kísérletek Az 1.4571 ausztenites acélt, másrészt az LDX2101 lean duplex acélt véve 5 db ausztenites és 7 db duplex acél tompakötést készítettünk a tatabányai Dinox-H Kft. automatikus volfrámelektródás hegesztőgépén PA helyzetben. Az ausztenites acél lemezvastagsága 2,5 mm, kémiai összetétele: 17% Cr, 12% Ni, 2,5% Mo, 0,07% C, 0,5% Ti. Az LDX2101-nél az argonhoz nitrogént adagoltunk, melynek mennyiségét gázkeverővel szabályoztuk. A hegesztőanyag Avesta MIG LDX2101 volt. A gyártók által ajánlott illesztési hézagot az előzetes fűzéssel biztosítottuk, ennek értéke 2 mm. A hegesztés során a hőfolyamat okozta deformáció negatívan befolyásolta ezt az értéket. A megfelelően nagy, ámde konstans hűlési sebességet hosszanti rézgyámok biztosították. A hőbevitelt a varrat alakjának megfelelően fokozatosan változtattuk. Az elvégzett hegesztés paraméterei a következő dián láthatók.
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
7
Kísérletek A hegesztéstechnológiai adatok összefoglaló táblázata Minta sorszám
2
Alapanyag Anyagvastagság mm
4
8/2
9/1
9/2
1.4562
1.4562
2101
2101
2101
2101
2,5
2,5
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
Illesztési hézag mm Hegesztőhuzal
8/1
2101
2101
2101
2101
2101
2101
Feszültség V
13,5
12,5
12,8
13,5
13,5
13,8
Áram A
140
100
160
160
160
160
Védőgáz
100% Ar 100% Ar 100% Ar 2% N2 5% N2 10% N2
Gyökvédőgáz
-
Huzalelőtolási sebesség m/perc
-
-
-
-
-
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
1,6
Hegesztési sebesség mm/s
2,63
1,8
1,8
1,8
1,8
1,8
Fajlagos hőbevitel, kJ / mm
0,719
0,694
1,138
1,2
1,2
1,227
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
8
Vizsgálatok Az így elkészült varratok ezután a következő előkészítő lépéseken estek át: • fotózás a teljes mintadarabokról • körbevágás 40 mm szélességre • szeletelés 10 mm-es darabokra • csiszolatok készítése gyantában négyféle, egyre finomodó csiszolópapírral • polírozás • maratás, melynek összetétele: 5 g réz-klorid, 100 ml sósav, 100 ml etanol. A maratott csiszolatokból hat darab kiválasztása után fémmikroszkóp segítségével mikrofotók készültek.
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
9
Eredmények A bevezetésben említett ausztenit-ferrit fázisarányok meghatározására a Media Cybernetics Image-Pro Plus nevű szoftverét alkalmaztam. Az alapanyag szövetvizsgálata 52% ausztenitet és 48% ferritet mutatott, ami közel áll az elméleti fele-fele arányhoz. A marószer által előidézett elszíneződés nem bizonyult kielégítőnek, így azt szoftveresen kellett pótolni.
LDX2101 duplex acél alapanyag szövetképe a varrattól távol Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
10
Eredmények A A duplex acélok varrataiban mért szövetszerkezeti összetételekről az 5. táblázat ad felvilágosítást: 8/1
8/2
Fázisarány Ferrit / Ausztenit 62 / 38 (eredeti: 48 / 52) 1. foto 71 / 29 2. foto 70 / 30
9/1
9/2
70 / 30
58 / 42
70,5 / 29,5 51 / 49
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
11
A hegesztőhuzal hatása A 8/1. és a 9/1. minta tömör huzallal készült, ezeknél az ausztenit / ferrit aránya elérte a kritikus 70% / 30% értéket. Ez alapján megállapítható, hogy a porbeles huzal kémiai összetétele nagymértékben segít megakadályozni a fázisarány kedvezőtlen eltolódását az LDX2101 hegesztésénél.
8/1. (duplex) minta szövetképei a varratban Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
12
A nitrogéntartalom hatása A védőgázhoz kevert nitrogén hányad növelésével, porbeles huzal alkalmazásánál javult a mért fázisarány, míg tömör huzal esetén romlott, ezzel igazolva látszik a bevezetőben említett tény, miszerint a nitrogén hatása nem egyértelműen pozitív. Minta sorszám
8/1
9/1
8/2
9/2
Feszültség V
12,8
13,5
13,5
13,8
Áram A
160
160
160
160
Védőgáz
100% Ar
5% N2
2% N2
10% N2
Huzalelőtolási sebesség m/perc
1,6
1,6
1,6
1,6
Hegesztési sebesség mm/s
1,8
1,8
1,8
1,8
1,138
1,2
1,2
1,227
Hőbevitel kJ/mm Fázisarány F/A (eredeti: 48/52) Átlagos számított arány
71/29
70/30
70/30
70,5/29,5
2,39
2,85
62/38
58/42 51/49
1,63
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
1,2 13
A nitrogéntartalom hatása
8/2. (duplex) minta: ZÖLD = Ausztenit
9/2. (duplex) minta
9/2. (duplex) minta
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
Összefoglalás Volfrámelektródás hegesztési kísérletek kerültek megvalósításra ausztenites és duplex korrózióálló acélokon. Az ezekből kivágott mintákból csiszolatokat készítettem, melyeket képelemző program segítségével vizsgáltam. Az ausztenites acél esetén – főleg rosszul beállított paraméterekkel – kiválások figyelhetőek meg. Az LDX2101 acél hegesztésekor a fő problémát a fázisok arányának megváltozása és az ezzel együtt járó makrotulajdonságokban bekövetkező változás jelenti, ám megfelelő hegesztőanyag és védőgáz alkalmazásával lehűlés után közel azonos fázisarányt is biztosítani lehet.
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
15
Irodalomjegyzék Dobránszky J, Sándor T: Új trendek a korrózióálló acélok hegesztésében Nowacki J, Łukojc A: Microstructural transformations of heat affected zones in duplex steel welded joints Muthupandi V, Srinivasan PB, Seshadri SK, Sundaresan S: Effect of weld metal chemistry and heat input on the structure and properties of duplex stainless steel welds Berecz T: Hő hatására kialakuló szigma-fázis egyes kristálytani vonatkozásai és a fázis megjelenésének következményei a SAF-2507 típusú duplex korrózióálló acélokban Aitken B (Avesta): How to weld Duplex Stainless Steel http://www.ukfstainless.co.uk/ukf/technical/data/1_4562.php
Példatár – Anyagtechnológia – Elemi példa ‐ 3. – TÁMOP‐4.1.2‐08/A/KMR‐0029
16
