2.13

ATB:

Naziv predmeta:

MATERIJALI I NJIHOVO PONAANJE PRI ZAVARIVANJU

Broj dok.: 2.13.

Datum:februar,2003.

Autori: N.Radovi, V. Grabulov M. Smiljani, M. Anti

Niskolegirani elici za niske temperature

( ukljuujui 9% Ni elik)

Revizija: 1

Septembar, 2004.

Neovlaeno umnoavanje nije dozvoljeno

PROGRAM

Pregled vrsta kriogenih elika; primenjivi postupci zavarivanja; dodatni materijali; problemi zavarivanja i mere predostronosti; kontrola kvaliteta zavarenog spoja; standardi o elicima i potronom materijalu za niske temperature.

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:


( ukljuujui 9% Ni elik) Strana 1 od 12


1. UVOD

Ne postoji jasna i usvojena definicija uslova koji se uopteno nazivaju "sniene temperature" ili kriogene temperature. Uobiajeno je da se ovi pojmovi vezuju za temperature koje su nie od 273 K (0 C).

Razvoj kvalitetnih elika za rad na niskim temperaturama je iniciran potrebama sve vee proizvodnje tenih gasova. Prelaskom gasova u teno stanje znatno se olakava njihov transport i skladitenje. Tako su zavarene konstrukcije za rad na niskim temperaturama u najveem broju cevni sistemi i rezervoari. Veoma niske temperature kljuanja najee primenjivanih gasova kao metana, kiseonika, azota i vodonika, kod prevoenja u teno stanje i kod transporta, diktiraju uslove za primenu materijala za rad na niskim temperaturama. Sa druge strane, veina rezervoara koji se koriste za skladitenje tenih gasova eksploatiu se na atmosferskim ili na niskim temperaturama. U novije vreme upotreba elika za niske temperature je proirena i na opremu za superprovodnike, kao i na medicinsku opremu.

1.1. Ponaanje elika na niskim temperaturama Kod elika sa snienjem temperature dolazi do porasta napona teenja i posebno zatezne vrstoe, naizmenine vrstoe i modula elastinosti. Time jednovremeno raste otpornost na napone na koje se rauna u eksploataciji. Nasuprot, sa snienjem temperature opada izduenje pri zatezanju, kontrakcija i ilavost. U tome je najistaknutija razlika izmeu feritnih elika sa kubnom prostorno centriranom reetkom i austenitnih elika sa kubnom povrinski centriranom reetkom. Kod prvih, pre svega kod nelegiranih bez posebnog postupka topljenja, odreenom snienju temperature odgovara veinom strmo opadanje izduenja i udarne ilavosti. Prelaz ka strmom opadanju ilavosti je kod viih temperatura nego za izduenje i kontrakciju. Temperature prelaza ka strmom opadanju ilavosti su kod elika veoma razliite, zavisno od hemijskog sastava, vrste postupka topljenja, kao i od prerade i termike obrade. U tom smislu za primenu na niim temperaturama odabire se elik u zavisnosti od njegove temperature prelaza ka strmom opadanju ilavosti (prelazna temperatura krtosti).

Ipak, elici ilavi na niskim temperaturama esto jasno ne pokazuju strmi prelaz pa je veinom stav da se odreen elik sme upotrebiti iznad temperature na kojoj on jo pokazuje jednu odreenu vrednost ilavosti (prema Direktivi za opremu pod pritiskom 97/23/EC primena elika koji ima min. 27J na temperaturi za 20 C nioj od radne temperature). Pri tome, u izradi delova mora se uzeti u obzir da elici takoe moraju i da zadre ilavost na koju se rauna preko zadate odreene vrednosti udarne ilavosti.

Metali koji kristaliu kao kubna povrinski centrirana kristalna reetka, kao npr. Al, Cu bronze, nikal i austenitni elici, sa opadanjem temperature ne pokazuju izraeno opadanje ilavosti. Poto temperaturna zavisnost nastajanja krtosti pri kritinom ukupnom naponu naroito proistie usled blokiranja premetanja atoma koji se nalaze u kubnoj prostorno centriranoj kristalnoj reetci (npr. C u feritu), u supstitucijski meanim kristalima sa kubnom povrinski centriranom reetkom (npr. austenit) ne sree se krti lom. Zato se Mn Cr austenitni elici , kao i 9%Ni elik, upotrebljavaju za radne temperature do oko -200 C. Najvei broj inenjerskih materijala za radna niskim temperaturama razvijen je odskoro. Tokom prologa veka najvie je korien bakar. Danas se za razliite temperaturne opsege i razliite primene koriste nelegirani i niskolegirani elici, elici legirani sa Ni, visokolegirani austenitni elici, aluminijum i Al-Cu legure.

Najira primena je elika legiranih sa niklom koje karakterie povoljan odnos vrstoe i ilavosti na niskim temperaturama, nia proizvodna cena i sposobnost zavarivanja, zbog ega su u znaajnom temperaturnom opsegu potisnuli primenu skupih visokolegiranih nerajuih elika. Na slici 1 dat je

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




pregled grupa materijala za upotrebu na niskim temperaturama, u odnosu na pritiske uskladitenja i temperature kljuanja najee korienih gasova.

Slika 1. Materijali koji se koriste za rad na niskim temperaturama, u zavisnosti od pritisaka uskladitenja i

temperatura kljuanja pojedinih gasova

2. ZAHTEVI ZA OSOBINE ELIKA ZA NISKE TEMPERATURE elici koji se koriste za rad na niskim temperaturama moraju ispuniti veoma otre zahteve u pogledu mehanikih (vrstoa, ilavost, plastinost), fizikih (koeficijent termikog irenja, koroziona postojanost), i tehnolokih osobina (zavarivost).

2.1.vrstoa vrstoa ovih elika je zasnovana na poznatim mehanizmima ojaavanja, i to pre svega na rastvarajuem i talonom ojaavanju. Odnos vrstoe i teine je esto odluujui faktor kada je teina konstrukcije najvanija. Tako je npr. nerajui elik klase 304 esto u podreenom poloaju, zbog relativno niske granice teenja na sobnoj temperaturi, iako vrstoa elika moe biti znatno vea na temperaturi eksploatacije. U sluaju primene za radne reime sa estim promenama optereenja ili radne temperature, zamorna vrstoa je takoe od velike vanosti.

2.2. ilavost

ilavost elika za rad na niskim temperaturama se najee definie zahtevima za odreenu prelaznu temperaturu. Eksperimentalno je utvreno da se neki metali lome duktilnim mehanizmom na viim, a krtim mehanizmom na niim temperaturama. Prelazak od duktilnog ka krtom ponaanju se odvija u odreenom temperaturnom intervalu, ali je uobiajeno da se definie prelazna temperatura, odnosno temperatura na kojoj materijal menja mehanizam loma, iz duktilnog prelazi u krti, ili obratno. Za odreivanje uticaja temperature na ilavost loma najee se koriste epruvete sa V zarezom, koje se ispituju na arpijevom klatnu primenom udarnih optereenja. Na taj nain se obezbeuje maksimalna sklonost ka krtom lomu, poto je favorizovana prisustvom zareza, zateznim naprezanjem i velikom brzinom deformacije. U testu se meri direktno apsorbovana energija (koja se za finiju analizu na instrumentiranom klatnu moe podeliti na energije stvaranja i rasta prsline), dok se posle loma na povrini uzorka odreuje udeo krtog i duktilnog preloma u strukturi, kao i kontrakcija. Poznato je da se sa snienjem temperature smanjuje apsorbovana energija, udeo duktilnog loma u strukturi i stepen plastine deformacije koji prati lom. Ovo

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




smanjenje nije naglo, na jednoj temperaturi, ve se odvija unutar temperaturnog intervala. Zato su uvedeni dodatni kriterijumi, na bazi apsorbovane energije, izgleda povrine preloma ili neke zahtevane vrednosti ilavosti.

Prema osetljivosti na snienje ilavosti materijali se mogu podeliti u tri grupe: 1. Grupa u kojoj su pov-c-k i najvei broj g-s-h metala i legura male i srednje vrstoe, koji

pokazuju veliku apsorbovanu energiju, tj. veliku ilavost na svim temperaturama; 2. elici i legure Al visoke vrstoe, kod kojih je karakteristian duktilni mehanizam loma, ali uz

veoma nisku ilavost, tako da je po nivou energije lom krt, a po mehanizmu zapravo duktilan. Ova pojava se jo naziva i kvazikrti lom;

3. Metali prost-c-k i neki g-s-h metali i legure male i srednje vrstoe (niskougljenini elik, Be, Mg) za koje je karakteristino da im je granica teenja veoma osetljiva na snienje temperature, te da se usled njenog porasta oteavaju uslovi za poetak deformacije koja vodi ka lomu.

Uopteno uzevi, pokazalo se da izrada elika ima veoma vanu ulogu u obezbeenju dobre ilavosti loma na niskim temperaturama. Za snienje prelaznih temperatura krtosti posebno su korisne sledee mere: minimalni sadraj ugljenika; istoa elika; sitnozrna struktura; mikrostruktura dobijena termikom obradom normalizacijom ili kaljenjem i otputanjem, i legiranje (Mn, Ni). 2.2.1. Sadraj ugljenika Prelazna temperatura se sniava sa smanjenjem koliine i veliine karbidnih estica i/ili perlitnih lamela. Sa snienjem sadraja ugljenika smanjuje se koliina perlita, odnosno cementita.

2.2.2. istoa elika Izrada to je mogue istijeg elika obezbeuje znaajno smanjenu koliinu nemetalnih ukljuaka (pre svega sulfida) koji se ponaaju kao koncentratori naprezanja, tj. utiu na fazu nastanka prsline. Trend sniavanja koliine sumpora i fosfora u elicima je stalna i kontinuirana aktivnost. U poslednje vreme uobiajen je i postupak kontrole oblika nemetalnih ukljuaka. U elik se dodaje mala koliina Ca (cca 40ppm) koji ima ulogu modifikatora, tako da estica MnS raste kao globula te vie nije deformabilna u izduen oblik, tj. ne predststavlja koncentrator naprezanja.

2.2.3. Smanjenje veliine zrna Smanjenje veliine zrna postojeim industrijskim postupcima (kontrolisano valjanje) moe da obezbedi veoma sitno zrno (i do 13 po ASTM skali), to omoguava korienje nekih klasa mikrolegiranih elika do temperature i do 60 C. Za upotrebu na jo niim temperaturama potrebno je i dodatno legiranje elika.

2.2.4. Termika obrada Termikom obradom normalizacijom, kao i kaljenjem i otputanjem (poboljanjem) elika obezbeuje se veoma fina disperzija karbidnih estica u metalnoj osnovi. Takva mikrostruktura ima najbolju kombinaciju ilavosti i vrstoe. Veliki broj finih estica se nalazi na malom rastojanju, tako da je putanja kretanja dislokacija veoma kratka (poveanje vrstoe), a prslina nailazi na veliki broj estica koje zaustavljaju njen dalji rast (poveanje ilavosti).

2.2.5. Legiranje Legiranje manganom je poznati postupak za snienje prelazne temperature. Generalno se smatra da je korisno dejstvo Mn ogranieno na niskougljenine elike, jer u nekim srednjeugljeninim

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




kaljenim i otputenim elicima (dodatno legiranim sa Cr, Ni i Mo) poveanje koliine Mn dovodi do promena kritinih temperatura u toku hlaenja, tako da se u strukturi dobija i gornji beinit, koji znaajno smanjuje ilavost, tj. poviava prelaznu temperaturu. Sa druge strane, dodatak Mn od preko 1,5% poveava verovatnou za izdvajanje proeutektoidnog ferita to dovodi do nehomogene strukture, te ovaj mehanizam snienja prelazne temperature nema veliki praktiki znaaj.

Legiranje niklom je osnovni mehanizam snienja prelazne temperature. Uobiajeni sadraj nikla u ovakvim poboljanim elicima je izmeu 2,25 i 9%. Na slici 2. je prikazan uticaj sadraja nikla u eliku na prelaznu temperaturu.

Slika 2. Uticaj sadraja Ni na prelaznu temperaturu

Uoava se da se sa poveanjem sadraja Ni u eliku prelazna temperatura sniava do veoma niskih temperatura. Takoe, sa poveanjem koliine Ni gornji nivo ilavosti ovih elika se smanjuje, ali zadrava dovoljno visok nivo, to omoguava njihovu upotrebu sve do 196 C (temperatura tenog azota). Za rad na niim temperaturama koriste se elici sa 12%Ni, austenitni elici ili Al legure.

Poto je ilavost kritini faktor koji odreuje primenu elika za rad na niskim temperaturama, ostale mehanike i fizike osobine moraju biti razmatrane u funkciji ilavosti.

2.2.5.1. Fizike osobine Iako su fizike karakteristike, kao toplotna provodljivost i koeficijent linearnog irenja, bitne, njihov uticaj je mali u odnosu na razlike koje se javljaju kada se uporeuju sa promenljivim karakteristikama, kada je u pitanju lepeza ugljeninih i legiranih elika. Za zavarene konstrukcije za rad na niskim temperaturama zahtevi za korozionu postojanost materijala i konstrukcija su manji, zbog znatnog smanjenja brzine hemijskih reakcija na niskim temperaturama.

2.2.5.2. Sposobnost i zahtevi zavarivanja Generalno, elici namenjeni za rad na niskim temperaturama odlikuju se dobrom zavarivou. Zahtevi za kvalitet zavarenih spojeva konstrukcija za rad na niskim temperaturama proizilaze iz osnovnog zahteva otpornosti ka lomu na niskim temperaturama, kao posledice snienja plastinosti. Zbog toga, prelazna temperatura je veoma znaajan pokazatelj zavarivosti ovih materijala. Na poloaj prelazne temperature, pored hemijskog sastava, najvaniji uticaj ima

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




mikrostruktura, termika obrada i naponsko stanje, a sa tog aspekta najkritiniji je zavareni spoj, i blie, metal ava, u kojem esto deluju svi uticajni faktori.

Zbog opasnosti od krtog loma pri niskim temperaturama, u konstruisanju i izradi zavarenih spojeva mora da se obezbedi vea sigurnost i integritet konstrukcije, uvaavajui i geometrijski i metalurki aspekt. Tako su prevashodno opredeljenja za primenu sueonih avova sa potpunim provarom, i bez greaka koje mogu da deluju kao koncentratori napona, i primena dodatnog materijala iji ist metal ava ima vrednost ilavosti usaglaenu sa zahtevima za osnovni materijal u odnosu na radnu temperaturu.

3. VRSTE ELIKA ZA RAD NA NISKIM TEMPERATURAMA U odnosu na uobiajene donje temperature primene za zavarene konstrukcije razlikuju se tri grupe elika:

Nelegirani, odnosno niskolegirani elici i sitnozrni konstrukcioni elici za temperature do oko 50 C u normalizaciono arenom i do oko 80 C u poboljanom stanju;

Niklom legirani poboljani elici sa 3,5 do 9% Ni, za temperature od 80 C do oko 200 C; Austenitni Cr-Ni elici za temperature primene do blizu take apsolutne nule. Tabela 1. Klase i primeri vrsta elika za temperaturna podruja primene.

Klasa elika Vrsta elika Normalizovani ugljenini elici za niske temperature

Finozrni elici Finozrni elici Poboljani elici za niske temperature

elici sa 3,5% Ni 10 Ni 14; 16 Ni 14; 12 Ni 14

elici sa 5% Ni 12 Ni 19 X 8 Ni 9 X 40 MnCr 22 X 40 MnCrN 18

elici sa 9 % Ni i austenitni Mn-Cr elici

X 12 MnCr 18 11 X 12 CrNi 18 9 X 10 CrNiTi 18 10

CrNi elici

X 10 CrNiNb 18 10

3.1. Nelegirani sitnozrni i mikrolegirani elici Nelegirani elici ove namene obuhvataju elike prema standardima JUS EN 100 025 za sniene temperature, mikrolegirane Mn/Ni finozrne elike za posude pod pritiskom, normalizirajue valjane, normalizaciono arene do -50 C, i poboljane za radne temperature do -80 C, obuhvaene standardom EN 10028-4/97, sa maksimalnim sadrajem Ni do 1,7% (15 MnNi6 elik).

3.2.Niklom legirani elici Legiranje niklom je osnovni mehanizam postizanja zahtevane ilavosti u elicima za rad na niskim temperaturama. Nakon termike obrade normalizacije, odnosno kaljenja i otputanja, ovi elici imaju najbolju kombinaciju vrstoe i ilavosti.

Legirajui element Ni se dodaje eliku iz mnogo razloga, ali pre svega zbog uticaja na martenzitnu transformaciju. Poveana prokaljivost elika legiranih Ni ima za posledicu smanjenje prslina kaljenja, zato to je manje drastina kritina brzina hlaenja. Takoe, snienjem Ms temperature smanjuje se i samootputanje. Vei sadraj Ni u eliku dovodi do martenzitne strukture. Zbog

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




nieg sadraja ugljenika otputena martenzitna (niskougljenina) matrica obezbeuje visoku udarnu ilavost i vrstou pri vrlo niskim temperaturama.

elici legirani sa Ni za rad na niskim temperaturama se karakteriu niskim sadrajem neistoa, kao to su P i S, paljivo kontrolisanim sadrajem intersticijski legirajuih elemenata (C i N), dodatkom Al ili drugih elemenata za vezivanje intersticijskih atoma ukljuujui i kiseonik, i razliitim kombinacijama glavnih legirajuih elemenata, Mn i Mo, radi postizanja eljenog balansa vrstoe, ilavosti i trokova proizvodnje[6]. Standardizovani kvaliteti su utvreni u EN 10028-4/97.

U zavisnosti od koliine Ni, glavne grupe standardizovanih elika su: elici sa sadrajem Ni 3,5% (elik 12Ni14 prema EN 10028-4). elici sa sadrajem Ni 5% (elik 12Ni19 prema EN 10028-4). elici sa sadrajem Ni 9% (elik X8Ni9, X8Ni9 prema EN 10028-4) 3.2.1. elici sa sadrajem 3.5% Ni Ovi elici su razvijeni za izradu rezervoara za etilen i tene naftne gasove, kao i za sve namene kada se zahteva visoka vrstoa i dobra plastinost. Upotrebljavaju se u normalizovano otputenom ili kaljenom i otputenom stanju. Uobiajeno sadre do 0,15%C, do 0,8%Mn, a mogu da sadre i Mo ili Cr, maksimalno 0,5%. Koriste se za temperature do 100 C.

3.2.2. elici sa sadrajem 5% Ni Ovi elici su razvijeni zato to su jeftiniji od elika sa 9%Ni, ali dobru otpornost prema udaru ponekad zadravaju uz niu vrednost vrstoe. elik je u osnovi niskougljenini (max.0,10%C), sa oko 0,10% Mo. Mn i Si su u normalnom sadraju za legirane elike, ali su P i S na vrlo niskom nivou, kako bi se obezbedila maksimalna udarna ilavost.

Upotreba 5% Ni elika je razvijena optimizacijom sastava i kontrolom mikrostrukture kroz odreene termike obrade. Preporuena termika obrada obuhvata konvencionalno kaljenje, otputanje i povratno arenje. Ova poslednja dva tretmana ukljuuju zagrevanje od specifinih temperaturnih opsega u dvofaznom (+) podruju i hlaenje specifinim brzinama. Mikrostruktura je rafinisana kontrolisanjem udela stabilnog austenita, ferita i niskougljeninog otputenog martenzita. Meutim, esto komplikovanije termike obrade imaju negativan uticaj na zavarivost materijala, zbog naruavanja ovako obezbeene mikrtostrukture u ZUT usled zavarivanja.

Koriste se za temperature 120 do 160 C. Nemaju znaajnu upotrebu poto se za poveanje cene ne postiu osobine koje opravdavaju porast cene u odnosu na prethodnu grupu elika. Pri tome je uzeto u obzir da se kriva promene arpi V energije (sl. 2.) bitno ne razlikuje od iste krive za elik sa 3,5% Ni.

3.2.3. elici sa sadrajem 9% Ni elike sa 9%Ni karakterie veoma dobra ilavost na niskim temperaturama. Ona se zasniva na strukturi koju ine feritna osnova legirana sa Ni, disperzno rasporeeni cementit i manja koliina zaostalog stabilnog austenita, koja omoguava rastvaranje vika ugljenika. Struktura ovakvog tipa se postie kaljenjem i otputanjem. U zavisnosti od sadraja ugljenika, u ovim elicima martenzit se moe stvoriti i pri normalizaciji, tako da kaljenje nekada i nije neophodno (sl.3.a i b).

Uobiajeno preporuiv reim termike obrade 9% Ni elika za postizanje visoke vrednosti ilavosti je: - dvostruka normalizacija sa 900 odnosno 790 C sa hlaenjem na vazduhu, zatim otputanje na

oko 570 C sa hlaenjem na vazduhu, ili - kaljenje sa 800 C u vodi ili ulju, i otputanje na 570 C, sa hlaenjem na vazduhu.

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




Kao to je ve reeno, usitnjenjem zrna normalizacijom sniava se prelazna temperatura. Kaljenje i otputanje je efikasnije za snienje prelazne temperature, jer se pored usitnjavanja zrna postie i pogodniji raspored estica karbida u matrici.

Posle potpune termike obrade mikrostruktura se sastoji od visoko otputenog martenzita sa oko 5% austenita. Ova struktura se karakterie kao poliedarski feritna sa globularnim karbidima i malim disperznim ostacima stabilnog austenita. Na ovaj nain je mogue dobiti elik koji ima povoljne osobine sve do 196 C.

Iako nema korozionu postojanost kao nerajui elik, ima iroku upotrebu i u zahtevima korozione otpornosti, zbog injenice da je znatno jeftiniji, kako za proizvodnju, tako i za zavarivanje. Uobiajeno sadre do 0,1%C, do 1,0%Mn, a mogu da sadre i Mo ili Cr.

Slika 3. KH dijagram elika sa 9% Ni: a) 0,025%C; b) 0,095%C

4. ZAVARIVANJE NELEGIRANIH I SITNOZRNIH ELIKA ZA NISKE TEMPERATURE

Najvie je zastupljeno runo elektroluno zavarivanje obloenom elektrodom. Kod zavarivanja nelegiranih elika panja mora da bude usmerena na potpunu kontrolu temperature i kontrolisani unos toplote da bi se ZUT odravao to ui, sa to niim picom tvrdoe. Kod runog elektrolunog zavarivanja koriste se elektrode koje daju metal ava sa 0,06 do 0,08%C, Mn od 1,0 do1,4% i sadraj Mo od 0,4 do 0,6%. Za obezbeenje veoma niskog sadraja vodonika u metalu ava treba koristiti elektrode sa posebno niskim sadrajem vlage. Kod zavarivanja sa bazinim i rutilnim elektrodama mora se imati u vidu da je mogu nastanak prslina u metalu ava i ZUT, pre svega kod velikih debljina zida i jako prenapregnutih konstrukcija. Ovo je esto odmah nakon nekoliko sati posle hlaenja metala ava, kada su nastale prsline posledica povienog sadraja vodonika. Specijalne elektrode sa kontrolisanim vodonikom (niskovodonine elektrode) daju metal ava dobre ilavosti do minimum 80 C. Ispod ove temperature mora se raunati na otri pad vrednosti ilavosti. Uobiajena elektrodna pakovanja u plastine kutije ne daju punu sigurnost zatite od vlage. Zbog toga se moraju neposredno pre upotrebe suiti prema uputstvu proizvoaa (min. 2 asa na 200 do 250 C) i tople koristiti (dranje u tobolcu). Tipovi sitnozrnih elika Mn/Ni odnosno Ni/Mn (tab.1) nisu skloni zakaljivanju, a sitnozrna struktura je male sklonosti ka porastu zrna. Ipak u zoni uticaja toplote (ZUT) neposredno uz liniju pretapanja mogu je porast zrna i snienje ilavosti. Iz tog razloga, pri zavarivanju je neophodan kontrolisan

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




unos toplote. Dodatni materijal je iste ili sline koncepcije legiranosti, uz dodatak elemenata za usitnjenje zrna i stabilizaciju azota. U primeni obloenih elektroda prednost imaju niskovodonine bazine elektrode. Zavarivanje ovih elika retko se obavlja na temperaturi okoline, ee sa predgrevanjem na temperaturi od 100 125 C. Predgrevanje od minimum 150 C se zahteva kod jako ukljetenih spojeva. arenje za smanjenje napona se izvodi na oko 650 C, i esto se primenjuje na bazi pravila za izradu posuda pod pritiskom ili cevovoda za rad na niskim temperaturama. Testovi na spojevima od limova debljine 25 mm izvedenih ovim elektrodama pokazali su da je prelazna temperatura, po kriterijumu 20 J, oko 90 C i za sluaj kada je zarez na liniji spajanja ili u razliitim delovima metala ava.

5. ZAVARIVANJE POBOLJANIH ELIKA LEGIRANIH SA Ni Zajedniko za sve grupe ovih elika je da se mogu zavarivati elektrolunim postupcima zavarivanja: runim elektrolunim obloenom elektrodom, TIG i MIG postupkom i ree EPP postupkom. Najvie je zastupljeno runo elektroluno zavarivanje obloenom elektrodom.

Za obezbeenje zahtevane prelazne temperature ilavosti metala ava posebno je znaajan koncept izbora dodatnog materijala.

5.1. Dodatni materijali Za zavarivanje elika sa sadrajem Ni do 3,5% razvijene su srodne odnosno istorodne elektrode sa 2 do 3,5% Ni , iji metal ava kod 100 C jo ima ilavost od 60 do 80 J. Dodatak vee koliine nikla, u nameni za elike sa veim ueem Ni, nije poeljan zbog opasnosti od pojave toplih prslina u metalu ava. Kada je o toplim prslinama re, kod zavarivanja ovih elika treba voditi rauna da su u metalu ava tetne i niske koliine S, koji treba da bude do 0,02%. Za smanjenje opasnosti od stvaranja toplih prslina je neophodan dovoljno visok odnos Mn/S. Sadraj fosfora treba da bude maksimalno nizak, jer njegovo prisustvo, kao i prisustvo arsena, kalaja i antimona, makar i u tragovima, utie na snienje ilavosti. Na osnovu ispitivanja, za zavarivanje elika sa 3,5%Ni preporuuje se sledea analiza metala ava: 0,02 do 0,06%C; 0,1 do 0,3% Si; 0,7 do1,0% Mn; 3,0 do 4,0% Ni; 0,1% Mo; 0,04 do 0,08% Al; 0,02% S; 0,005% P. ilavost metala ava na niskim temperaturama se moe poboljati dobijanjem istog materijala za jezgro elektrode/icu topljenjem u vakuumu.

Kod primene istorodnog dodatnog materijala termika obrada posle zavarivanja, kod tano odabrane temperature arenja (oko 650 C) i vremena trajanja, od koristi je za osobine ilavosti zavarenog spoja. Primena ponovnog poboljanja u veini sluajeva nije povoljna.

Za zavarivanje elika sa 5% i 9% nikla koriste se austenitne elektrode tipa legiranosti 19% Cr / 9% Ni (nestabilizovan), 18% Cr / 8% Ni / 6% Mn i 25%Cr / 20% Ni. U tom sluaju termika obrada zavarenog spoja mora se izostaviti, jer kod temperatutura iznad 600 C nastaje jaka difuzija C koja smanjuje ilavost metala ava.

Da bi se dobio metal ava sa povienim naponom teenja (a time i mogunosti primene arenja za smanjenje napona) razvijena je austenitna elektroda sa dodatkom W (X15CrNiMnW1613). Kod hemijskog sastava metala ava sa 0,18%C, 0,62%Si, 0,59%Mn, 15,8%Cr, 12,6%Ni i 3,61%W dobija se Rp0,2 granica od 500 N/mm2. Ispitivanja razliitim metodama ne pokazuju sklonost ka nastanku toplih prslina. Udarna ilavost metala ava (ISO V) kod 196 C je izmeu 40 i 60 J.

Takoe se koriste i elektrode visokolegirane niklom, tipa legure NiCr15Fe10Nb (Inkoweld A; Inkonel 182), koje, nasuprot austenitnim elektrodama tipa 25% Cr / 20% Ni, imaju visok napon teenja, te je mogua primena termike obrade posle zavarivanja (arenje za smanjenje napona). Ove visokoniklove elektrode mogu takoe da se koriste i za elike sa niim sadrajem nikla. Metal ava, nastao meanjem sa osnovnim materijalom, nije osetljiv na nastanak prslina.

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




Tabela 2. Osobine zavarenih spojeva tipinih elika kod primenjenih dodatnih mateijala

elik Dodatni materijal Termika obradazavarenog spoja

Rm (N/mm2)

Najnia temperatura C

Sa 2,5-3% Ni arenje za smanjenje napona

450 -100

X12CrNi 25 20 neareno 350 -100

12 Ni14 Ni Cr15Fe10Nb areno;neareno 380 -100

X15CrNiMn18 8 neareno 350 -120 X12CrNi2520 neareno 350 -120 12Ni19 NiCr15Fe 10Nb areno;neareno 380 -120 X12CrNi 25 20 neareno 350 -195 X8Ni9 NiCr15 Fe10Nb areno;neareno 380 -195

Pored preporuka za dodatne materijale, za zavarivanje elika za rad na niskim temperaturama svaka klasa elika sa niklom ima neke svoje specifinosti.

5.2. Zavarivanje elika sa 3,5% nikla Za zavarivanje ovih elika najee se koristi E postupak zavarivanja sa obloenim, pre svega, bazinim niskovodoninim elektrodama. Kod primene istorodnog, odnosno srodnog dodatnog materijala obavezna je termika obrada arenja /otputanja posle zavarivanja, na tano odabranoj temperaturi (650 C) i vremenu trajanja. Primena ponovnog poboljanja uglavnom je nepovoljna. Kod zavarivanja elika sa 3,5% Ni mogu da budu prisutni probemi pojave toplih i hladnih prslina. Tople prsline su likvacijskog tipa. elici sa 3,5% Ni kristaliu prema desnoj strani peritektike reakcije u kvazi-binarnom Fe-C dijagramu. Ovo znai da su prvi vrsti kristali austenit, a ne ferit. Rastvorljivost neistoa, kao sumpora i fosfora, u austenitu je znaajno manja nego u feritu. Na taj nain se stvaraju uslovi za pojavu sulfida ili karbosulfida sa niskom takom topljenja po granicama zrna, kao posledica migracije neistoa ka granici zrna. Sulfidi i karbosulfidi (napr.Ti4C2S2) poinju da se rastvaraju u zoni pod zavarom, to rezultuje pojavom toplih prslina. Kao mera za smanjenje opasnosti od pojave toplih prslina zahteva se visok stepen istoe elika i dodatnog materijala. Tako, prisustvo S treba da bude

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




TIG i MIG zavarivanje elika sa 3,5% Ni postaje sve popularnije pojavom nekoliko razliitih ica i elektrodnih ica. Hemijski sastav ovih ica je veoma blizak 3,5% Ni 1,0%Mn 0,25 Mo icama, koje se koriste za zavarivanje pod prakom. U cilju izbegavanja sklonosti ka stvaranju prslina, zahteva se sadraj Al oko 0,5% i veoma nizak sadraj fosfora i sumpora.

Ako se prsline pojavljuju u ZUT, vrlo je znaajno da li su one likvacijske ili su izazvane vodonikom. U sluaju likvacijskih prslina povoljno je predgrevanje (100 -200 C) za snienje temperaturnog gradijenta, smanjenje koliine unete toplote pri zavarivanju ili korienje pulzirajue struje zavarivanja.

Za spreavanje nastanka hladnih prslina izazvanih vodonikom neophodna je upotreba niskovodoninih elektroda, primena predgrevanja u opsegu 150-250 C, precizna kontrola termikog reima zavarivanja, kao i primena termike obrade posle zavarivanja.

Kod zavarivanja elika sa 3,5%Ni krtost usled transformacije u ZUT nije opasna pojava. ak i udarna ilavost Ni martenzita moe biti dovoljna. Razlog za smanjenje vrednosti udarne ilavosti u ZUT je intenzivan rast zrna u zoni pod zavarom. U tom sluaju je potrebno smanjiti unetu koliinu toplote ili koristiti finozrni elik koji nije osetljiv na rast zrna.

5.3. Zavarivanje elika sa 5 % nikla Za zavarivanje elika sa 5% Ni jo uvek se prevashodno koriste austenitne elektrode, bez primene termike obrade zavarenog spoja posle zavarivanja. Mali stepen meanja i razlika u koeficijentu toplotnog irenja austenitnog dodatnog materijala i osnovnog materijala povoljniji je u uslovima primene elika za rad na niskim temperaturama, nego to je to sluaj u gradnji parnih kotlova i zagrevnih posuda.

Osnovni problem kod zavarivanja ovih elika je naruavanje u ZUT mikrostrukture dobijene termikom obradom osnovnog materijala. Brzina zagrevanja i ciklusi hlaenja, zavisno od unete toplote pri zavarivanju, dovode do vee ili manje degradacije ZUT, sa mikrostrukturnim i mehanikim osobinama koje mogu da budu potpuno razliite od optimizirane mikrostrukture osnovnog materijala.

Slika 4. Dijagram prelazne temperature dobijen simulacijom zone ispod zavara za 5% Ni elik za razliite

brzine hlaenja

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




Na slici 4. prikazan je uticaj brzine hlaenja t8/5 (5,10,30 s) na prelaznu krivu ilavosti ZUT, u poreenju sa osnovnim materijalom. Uticaj maksimalne temperature na termiki ciklus je sledei: do temperatura 800-850C udarna vrstoa raste i iznad vrednosti osnovnog materijala; cikliranje do maksimalnih temperatura uzrokuje znaajno smanjenje udarne vrstoe. Ove promene su u direktnoj vezi sa mikrostrukturom. Finozrni martenzit se menja u stubiasti martenzit i veliina prethodnog zrna austenita znaajno raste.

5.4. Zavarivanje elika sa 9% Ni Za zavarivanje martenzitnog elika sa 9% Ni koriste se elektrode visoko legirane sa Ni, tipa legure NiCr15Fe10Nb (Inkonel 182) koja ima prednost u odnosu na austenitnu elektrodu tipa 25%Cr/20%Ni, jer ima visoku vrednost napona teenja i doputa primenu termike obrade arenja za smanjenje napona. Elektrode sa visokim sadrajem Ni mogu da se koriste i za elike sa niim sadrajem Ni. Nizak sadraj ugljenika i dobra ilavost elika sa 9% Ni smanjuju potrebu za predgrevanjem i termikom obradom posle zavarivanja. Uobiajeno, zavarivanje ploa debljine do 50mm izvodi se bez predgrevanja. Poveanjem debljine i ukljutenja spoja, predgrevanje na 100-200 C je nain da se izbegne pojava prslina. Predgrevanjem se poboljava i ilavost spoja.

Poto je kritina brzina hlaenja ovih elika veoma mala, deo ZUT najee prelazi u martenzit. Kako je tvrdoa otputenog osnovnog materijala u opsegu 22-26 HRc, na rastojanju od linije stapanja od 0,8 mm tvrdoa raste na 38-40 HRc. Ovo je gotovo maksimalna vrednost tvrdoe za elik sa oko 0,1% C, koji je karakteristian za elike sa 9% Ni. To je jedan od razloga zato se esto maksimalni sadraj ugljenika u ovim elicima ograniava na 0,08%.

5. 4.1.Preporuke za zavarivanje elika sa 9% Ni: Posle gasnog rezanja obavezno primeniti mainsku obradu ljeba; Do debljine od 25mm i temperatura okoline iznad + 5 C zavarivati bez predgrevanja. Pri niim

temperaturama i veim debljinama treba primeniti predgrevanje do 80 C, maksimalno 250 C; Zavarivati sa malim koliinama unete energije. Vreme t 8/5 treba da je oko 10 sec, ne preko 15 sec.; Niska meuslojna temperatura - oko 50 C; Po mogunosti zavarivanje izvoditi u povoljnim poloajima, zbog smanjenja verovatnoe

nastanka greaka i napona usled zavarivanja; Bruenje posle svakog prolaza izvoditi paljivo da ne doe do pregrevanja materijala. 6. STANDARDIZOVANI ELICI LEGIRANI SA Ni SA GARANTOVANIM OSOBINAMA PRI NISKIM TEMPERATURAMA (EN 10028-4) Tabela 3. Hemijski sastav u masenim %

Oznaka elika Brojana.

oznaka C

max Si

max Mn P

max S

max Al

Min Mo max

Nb max Ni

V max

11MnNi5-3 1.6212 0,14 0,50 0,70-1,50 0,025 0,015 0,020 - 0,05 0,30-0,80 0,0513MnNi6-3 1.6217 0,16 0,50 0,85-2,70 0,025 0,015 0,020 - 0,05 0,30-0,85 0,0515MnNi6 1.6228 0,18 0,35 0,80-1,50 0,025 0,015 - - - 1,30-1,70 0,0512Ni14 1.5637 0,15 0.35 0,30-0,80 0,020 0,010 - - - 3,25-3,75 0,0512Ni19 1.5680 0,15 0,35 0,30-0,80 0,020 0,010 - - - 4,75-5,25 0,05X8Ni9 1.5662 0,10 0,35 0,30-0,80 0,020 0,010 - 0,10 - 8,50-10,0 0,05X7Ni9 1.5663 0,10 0,35 0,30-0,80 0,015 0,005 - 0,10 - 8,50-10,0 0,01Napomene: Uee Cr,Cu i Mo moe da bude max. 0,50%

Broj dok.: 2.13

ATB:

Naziv dokumenta:




Tabela 4. Mehanike osobine na normalnoj temperaturi Za debljine

(mm) Oznaka elika

Termiko stanje obrade iznad do

R eH (N/mm2)

min.

Rm N/mm2

Izduenje (L0=5,65S0)

% min 30 285

11MnNi5-3 N (+T)

30 50 275

420-530

24

30 355 13MnNi6-3

N (+T) 30

50 345

490-610

22

30 355 15NiMn6

N ili N+T ili Q+T

30 50 345

490-640

22

30 355 12Ni14

N ili N+T ili Q+T

30 50 345

490-640

22

30 390 12Ni19

N ili N+T ili Q+T

30 50 380

530-710

20

30 490 HT640

N+N+T Ili Q+T

30 50 480

640-840

18

30 585

585

X8Ni9

HT680

Q+T 30 50

575

680-820

18

30 585 X7Ni9

Q+T

30 50 575

680-820

18

N =normalizaciono areno; Q=kaljeno; T=otputeno; HT640/680=termiki obraeno na min. vrstou 640 ili 680 N/mm2

Tabela 5. Minimalne vrednosti udarne ilavosti

Minimalne vrednosti rada udara u J epruveta KV na temperaturama ispitivanja u C

Oznaka elika

Termi. stanje

d

mm

Smer Ispitiv 20 0 -20 -40 -50 -60 -80 -100 -120 -150 -170 -196

11MnNi5-3 du 70 60 55 50 45 40 - - - - - - 13MnNi6-3

N(+T)

popr. 45 40 35 35 30 27 - - - - - du 65 65 60 60 50 50 40 - - - - -

15NiMn6

N ili N+T ili Q+T popr. 45 45 40 40 35 35 27 - - - - -

du. 65 60 55 55 50 50 45 40 - - - - 12Ni14

N ili N+T ili Q+T popr. 45 40 35 35 35 35 30 27 - - - -

du 70 70 65 65 65 65 60 50 40 - - - 12Ni19

N ili N+T ili Q+T popr. 50 50 45 45 45 45 40 30 27 - - -

du 70 70 70 70 70 70 70 60 50 50 45 40 HT640 popr. 50 50 50 50 50 50 50 40 35 35 30 27 du 120 120 120 120 120 120 120 110 100 90 80 70

X8Ni9 HT680 popr. 100 100 100 100 100 100 100 90 80 70 60 50

du. 120 120 120 120 120 120 120 120 120 120 110 100 X7Ni9

Q+T

5 do 50

popr. 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 90 80

LITERATURA: [1] N. Radovi, V.Grabulov, M.Smiljani, M. Anti:elici legirani niklom za rad na niskim temperaturama; Zavarivanje i zavarene konstrukcije No1/2003; DUZS, Beograd, 2003.

Sadraj2.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.112.122.132.142.152.162.172.182.192.202.212.222.232.242.252.26

oT:/}VT%/:

2.13

Documents

Transcript of 2.13