vhm

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

14 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 14-20

N. Radović, V. Grabulov, M. Smiljanić, M. Antić

ČELICI LEGIRANI NIKLOM ZA RAD NA NISKIM TEMPERATURAMA

NI ALLOYED STEELS FOR LOW TEMPERATURE SERVICE Pregledni rad / Review UDK/UDC: 621.791:669.15′24-194.3:66-974 Rad primljen / Paper received: 22.04.2003.

Adresa autora / Author's addres: Dr Nenad Radović Tehnološko-metalurški fakultet, 11120 Beograd, Karnegijeva 4; Dr Vencislav Grabulov, VTI, 11000 Beograd, Katanićeva 15; Mirjana Smiljanić, dipl.ing. 11000 Beograd, Meštrovićeva 5; Milica Antić, dipl.ing. Zavod za zavarivanje, 11000 Beograd, Grčića Milenka 67.

Ključne reči: kriogeni čelici, prelazna temperatura krtosti, legiranje, rezervoari, tečni gas, zavarivanje, dodatni materijali, zavarivost

Keywords: Cryiogenic Steels, FATT, Alloying, Tanks, Liquid Gases, Filler Materials, Weldability

Izvod

U radu su date fizičko-metalurške osnove legiranja čelika za upotrebu na niskim temperaturama. Ovi čelici se najčešće koriste za izradu rezervoara za skladištenje tečnih gasova. Glavni legirajući element Ni se dodaje u količinama 2.25 do 9 %, u zavisnosti od radne temperature. Razmotrena su ograničenja u izboru dodatnih materijala i preporuke za zavarivanje.

Abstract

A metallurgical base of alloying in cryogenic steels is presented in this paper. The common use of these steels is for tanks for liquid gases. Main alloying element is Ni, added in amounts between 2.25 and 9 % due to different service temperatures. Selection of welding technology and filler material, together with welding suggestions, are discussed.

UVOD Ne postoji jasna i usvojena definicija uslova koji se uopšteno nazivaju "snižene temperature" ili kriogene temperature. Uobičajeno je da se ovi pojmovi vezuju za temperature koje su niže od 273 K (0 °C).

Razvoj kvalitetnih čelika za rad na niskim temperaturama je iniciran potrebama sve veće proizvodnje tečnih gasova. Prelaskom gasova u tečno stanje znatno se olakšava njihov transport i skladištenje. Tako su zavarene konstrukcije za rad na niskim temperaturama, u najvećem broju cevni sistemi i rezervoari. Veoma niske temperature ključanja najčešće primenjivanih gasova kao metana, kiseonika, azota i vodonika, kod prevođenja u tečno stanje i kod transporta, diktiraju uslove za primenu materijala za rad na niskim temperaturama. Sa druge strane, većina rezervoara koji se koriste za skladištenje tečnih gasova eksploatišu se na atmosferskim ili na niskim temperaturama. U novije vreme upotreba čelika za niske temperature je proširena i na opremu za superprovodnike, kao i na medicinsku opremu.

Najveći broj inženjerskih materijala razvijen je odskoro. Tokom prošloga veka najviše je korišćen bakar. Danas se za različite temperaturne opsege i različite primene koriste nelegirani i niskolegirani čelici, čelici legirani sa Ni, visokolegirani austenitni čelici, aluminijum i AlCu legure. Najšira primena je čelika legiranih sa niklom koje karakteriše povoljan odnos čvrstoće i žilavosti na niskim temperaturama, niža proizvodna cena i sposobnost zavarivanja, zbog čega su u značajnom temperaturnom opsegu potisnuli primenu skupih

visokolegiranih nerđajućih čelika. Na slici 1 dat je pregled grupa materijala za upotrebu na niskim temperaturama, u odnosu na pritiske uskladištenja i temperature ključanja najčešće korišćenih gasova [1].

Slika 1. Materijali koji se koriste za rad na niskim

temperaturama, u zavisnosti od pritisaka uskladištenja i temperatura ključanja pojedinih gasova [1]

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 14-20 15

ZAHTEVI ZA OSOBINE ČELIKA ZA NISKE TEMPERATURE Čelici koji se koriste za rad na niskim temperaturama moraju ispuniti veoma oštre zahteve u pogledu mehaničkih (čvrstoća, žilavost, plastičnost), fizičkih (koeficijent termičkog širenja, koroziona postojanost), i tehnoloških osobina (zavarivost).

Čvrstoća Čvrstoća ovih čelika je zasnovana na poznatim mehanizmima ojačavanja, i to pre svega na rastvarajućem i taložnom ojačavanju [2]. Odnos čvrstoće i težine je često odlučujući faktor kada je težina konstrukcije najvažnija. Tako je npr. nerđajući čelik klase 304 često u podređenom položaju, zbog relativno niske granice tečenja na sobnoj temperaturi, iako čvrstoća čelika može biti znatno veća na temperaturi eksploatacije [3]. U slučaju primene za radne režime sa čestim promenama opterećenja ili radne temperature, zamorna čvrstoća je takođe od velike važnosti. Žilavost Žilavost čelika za rad na niskim temperaturama se najčešće definiše zahtevima za određenu prelaznu temperaturu. Eksperimentalno je utvrđeno da se neki metali lome duktilnim mehanizmom na višim, a krtim mehanizmom na nižim temperaturama. Prelazak od duktilnog ka krtom ponašanju se odvija u određenom temperaturnom intervalu, ali je uobičajeno da se definiše prelazna temperatura, odnosno temperatura na kojoj materijal menja mehanizam loma, iz duktilnog prelazi u krti, ili obratno [3-5]. Za određivanje uticaja temperature na žilavost loma najčešće se koriste epruvete sa V zarezom, koje se ispituju na Šarpijevom klatnu primenom udarnih opterećenja. Na taj način se obezbeđuje maksimalna sklonost ka krtom lomu, pošto 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 može podeliti na energije stvaranja i rasta prsline), dok se posle loma na površini uzorka određuje udeo krtog i duktilnog preloma u strukturi, kao i kontrakcija. Poznato je da se sa sniženjem temperature smanjuje apsorbovana energija, udeo duktilnog loma u strukturi i stepen plastične deformacije koji prati lom. Ovo smanjenje nije naglo, na jednoj temperaturi, već se odvija unutar temperaturnog intervala. Zato su uvedeni dodatni kriterijumi, na bazi apsorbovane energije, izgleda površine preloma ili neke zahtevane vrednosti žilavosti.

Prema osetljivosti na sniženje žilavosti materijali se mogu podeliti u tri grupe: 1. Grupa u kojoj su pov-c-k i najveći broj g-s-h metala i legura male i srednje čvrstoće, koji pokazuju veliku apsorbovanu energiju, tj. veliku žilavost na svim temperaturama; 2. Čelici, i legure Al visoke čvrstoće, kod kojih je karakterističan duktilni mehanizam loma, ali uz veoma nisku žilavost, tako da je po nivou energije lom krt, a po

mehanizmu zapravo duktilan. Ova pojava se još naziva i kvazikrti lom;

3. Metali prost-c-k i neki g-s-h metali i legure male i srednje čvrstoće (niskougljenični čelik, Be, Mg) za koje je karakteristično da im je granica tečenja veoma osetljiva na sniženje temperature, te da se usled njenog porasta otežavaju uslovi za početak deformacije koja vodi ka lomu.

Uopšteno uzevši, pokazalo se da izrada čelika ima veoma važnu ulogu u obezbeđenju dobre žilavosti loma na niskim temperaturama. Za sniženje prelaznih temperatura krtosti posebno su korisne sledeće mere [3-5]:

- minimalni sadržaj ugljenika; - čistoća čelika; - sitnozrna struktura; - mikrostruktura dobijena termičkom obradom

normalizacijom ili kaljenjem i otpuštanjem, i - legiranje (Mn, Ni).

Sadržaj ugljenika Prelazna temperatura se snižava sa smanjenjem količine i veličine karbidnih čestica i/ili perlitnih lamela. Sa sniženjem sadržaja ugljenika smanjuje se količina perlita, odnosno cementita.

Čistoća čelika Izrada što je moguće čistijeg čelika obezbeđuje značajno smanjenu količinu nemetalnih uključaka (pre svega sulfida) koji se ponašaju kao koncentratori naprezanja, tj. utiču na fazu nastanka prsline. Trend snižavanja količine sumpora i fosfora u čelicima je stalna i kontinuirana aktivnost. U poslednje vreme uobičajen je i postupak kontrole oblika nemetalnih uključaka. U čelik se dodaje mala količina Ca (cca 40 ppm) koji ima ulogu modifikatora, tako da čestica MnS raste kao globula te više nije deformabilna u izdužen oblik, tj. ne predststavlja koncentrator naprezanja.

Smanjenje veličine zrna Smanjenje veličine zrna postojećim industrijskim postupcima (kontrolisano valjanje mikrolegiranih čelika) može da obezbedi veoma sitno zrno (i do 13 po ASTM skali), što omogućava korišćenje nekih klasa mikrolegiranih čelika do temperature i do –60 °C [5]. Za upotrebu na još nižim temperaturama potrebno je i dodatno legiranje čelika.

Termička obrada Termičkom obradom normalizacijom, kao i kaljenjem i otpuštanjem (poboljšanjem) čelika obezbeđuje se veoma fina disperzija karbidnih čestica u metalnoj osnovi. Takva mikrostruktura ima najbolju kombinaciju žilavosti i čvrstoće. Veliki broj finih čestica se nalazi na malom rastojanju, tako da je putanja kretanja dislokacija veoma kratka (povećanje čvrstoće), a prslina nailazi na veliki broj čestica koje zaustavljaju njen dalji rast (povećanje žilavosti) [2-4].



Legiranje Legiranje manganom je poznati postupak za sniženje prelazne temperature [2, 5]. Generalno se smatra da je korisno dejstvo Mn ograničeno na niskougljenične čelike, jer u nekim srednjeugljeničnim kaljenim i otpuštenim čelicima (dodatno legiranim sa Cr, Ni i Mo) povećanje količine Mn dovodi do promena kritičnih temperatura u toku hlađenja, tako da se u strukturi dobija i gornji beinit, koji značajno smanjuje žilavost, tj. povišava prelaznu temperaturu. Sa druge strane, dodatak Mn od preko 1.5 % povećava verovatnoću za izdvajanje proeutektoidnog ferita što dovodi do nehomogene strukture, te ovaj mehanizam sniženja prelazne temperature nema veliki praktički značaj.

Legiranje niklom je osnovni mehanizam sniženja prelazne temperature [1, 3, 5-8]. Uobičajeni sadržaj nikla u ovakvim poboljšanim čelicima je između 2.25 i 9 %. Na slici 2 je prikazan uticaj sadržaja nikla u čeliku na prelaznu temperaturu.

Slika 2. Uticaj sadržaja Ni na prelaznu temperaturu [3]

Uočava se da se sa povećanjem sadržaja Ni u čeliku prelazna temperatura snižava do veoma niskih temperatura. Takođe, sa povećanjem količine Ni gornji nivo žilavosti ovih čelika se smanjuje, ali zadržava dovoljno visok nivo, što omogućava njihovu upotrebu sve do –196 °C (temperatura tečnog azota). Za rad na nižim temperaturama koriste se čelici sa 12 % Ni, austenitni čelici ili Al legure.

Pošto je žilavost kritični faktor koji određuje primenu čelika za rad na niskim temperaturama, ostale mehaničke i fizičke osobine moraju biti razmatrane u funkciji žilavosti. Fizičke osobine Iako su fizičke karakteristike, kao toplotna provodljivost i koeficijent linearnog širenja, bitne, njihov uticaj je mali u odnosu na razlike koje se javljaju kada se upoređuju sa promenljivim karakteristikama, kada je u pitanju lepeza ugljeničnih i legiranih čelika. 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 [6].

Sposobnost i zahtevi zavarivanja Generalno, čelici namenjeni za rad na niskim temperaturama odlikuju se dobrom zavarivošću. Zahtevi za kvalitet zavarenih spojeva konstrukcija za rad na niskim temperaturama proizilaze iz osnovnog zahteva, otpornosti ka lomu na niskim temperaturama, kao posledice sniženja plastičnosti. Zbog toga, prelazna temperatura je veoma značajan pokazatelj zavarivosti ovih materijala. Na položaj prelazne temperature, pored hemijskog sastava, najvažniji uticaj ima mikrostruktura, termička obrada i naponsko stanje, a sa tog aspekta najkritičniji je zavareni spoj, i bliže, metal šava, u kojem često deluju svi uticajni faktori.

Zbog opasnosti od krtog loma pri niskim temperaturama, u konstruisanju i izradi zavarenih spojeva mora da se obezbedi veća sigurnost i integritet konstrukcije, uvažavajući i geometrijski i metalurški aspekt. Tako su prevashodno opredeljenja za primenu sučeonih šavova sa potpunim provarom, i bez grešaka koje mogu da deluju kao koncentratori napona, i primena dodatnog materijala čiji čist metal šava ima vrednost žilavosti usaglašenu sa zahtevima za osnovni materijal u odnosu na radnu temperaturu [8].

VRSTE ČELIKA ZA RAD NA NISKIM TEMPERATURAMA U odnosu na uobičajene donje temperature primene za zavarene konstrukcije razlikuju se tri grupe čelika: - Nelegirani, odnosno niskolegirani čelici i finozrni

konstrukcioni čelici za temperature do oko –50 ° C u normalizaciono žarenom i do oko –80 °C u poboljšanom stanju;

- Niklom legirani poboljšani čelici sa 3.5 do 9 % Ni, za temperature od –80 °C do oko –200 °C;

- Austenitni Cr-Ni čelici za temperature primene do blizu tačke apsolutne nule.

U tabeli 2 date su klase i primeri vrsta čelika za temperaturna područja primene.

Tabela 1. Temperaturno područje primene klasa i vrsta čelika

Klasa čelika Vrsta čelika Normalizovani ugljenični čelici za niske temperature

Finozrni čelici Finozrni čelici Poboljšani čelici za niske temperature

Čelici sa 3.5 % Ni 10 Ni 14; 16 Ni 14; 12 Ni 14

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

Čelici sa 9 % Ni i austenitni Mn-Cr čelici

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

CrNi čelici

X 10 CrNiNb 18 10



NIKLOM LEGIRANI ZAVARIVI ČELICI Legiranje niklom je osnovni mehanizam postizanja zahtevane žilavosti u čelicima za rad na niskim temperaturama. Nakon termičke obrade normalizacije, odnosno kaljenja i otpuštanja, ovi čelici imaju najbolju kombinaciju čvrstoće i žilavosti.

Legirajući element Ni se dodaje čeliku iz mnogo razloga, ali pre svega zbog uticaja na martenzitnu transformaciju. Povećana prokaljivost čelika legiranih Ni ima za posledicu smanjenje prslina kaljenja, zato što je manje drastična kritična brzina hlađenja. Takođe, sniženjem Ms temperature smanjuje se i samootpuštanje. Veći sadržaj Ni u čeliku dovodi do martenzitne strukture. Zbog nižeg sadržaja ugljenika otpuštena martenzitna matrica obezbeđuje visoku udarnu žilavost i čvrstoću pri vrlo niskim temperaturama.

Čelici legirani sa Ni za rad na niskim temperaturama se karakterišu niskim sadržajem nečistoća, kao što su P i S, pažljivo kontrolisanim sadržajem intersticijski legirajućih elemenata (C i N), dodatkom Al ili drugih elemenata za vezivanje intersticijskih atoma uključujući i kiseonik, i različitim kombinacijama glavnih legirajućih elemenata, Mn i Mo, radi postizanja željenog balansa čvrstoće, žilavosti i troškova proizvodnje [6].

U zavisnosti od količine Ni, glavne grupe zavarivih čelika su: - Čelici sa sadržajem Ni 1-2.5 %. - Čelici sa sadržajem Ni 3.5 %. - Čelici sa sadržajem Ni 5 %. - Čelici sa sadržajem Ni 9 %. Čelici sa sadržajem 1-2.5 % Ni Upotreba ovih čelika je zasnovana na povećanju prokaljivosti koju obezbeđuje niski sadržaj Ni. Nakon normalizacije i žarenja dobre osobine se zasnivaju na feritu koji je bogat na niklu. Ovi čelici se koriste na temperaturama do –60 °C i sve češće se zamenjuju mikrolegiranim [3, 6]. Čelici legirani sa oko 2.5 % Ni su u poboljšanom (kaljenom-otpuštenom) stanju.

Čelici sa sadržajem 3.5 % Ni Ovi čelici su razvijeni za izradu rezervoara za etilen i tečne naftne gasove, kao i za sve namene kada se zahteva visoka čvrstoća i dobra plastičnost. Kao i u slučaju čelika sa 2.25 % Ni, upotrebljavaju se u otpuštenom stanju. Uobičajeno sadrže do 0.2 % C, do 0.8 % Mn, a mogu da sadrže i Mo ili Cr.

Po ASTM A203 i A300 ovi čelici su podeljeni u klasu D i E. Za klasu D maksimalni sadržaj ugljenika za debljinu do 50 mm je 0.17 %, a za debljine od 50-100 mm je 0.20 %. Za klasu E sadržaj ugljenika može biti 0.2 i 0.23 %.

Zahtev za čvrstoću niskougljeničnih čelika i čelika sa povišenim ugljenikom i sa 3.5 % nikla su identični sa onima koji imaju čelici sa 2.25 % nikla. Maksimalni napon tečenja češće varira od sadržaja ugljenika, nego od sadržaja nikla. Koriste se za radne temperature do –100 °C [3, 6].

Čelici sa sadržajem 5 % Ni Ovi čelici su razvijeni zato što su jeftiniji od čelika sa 9 % Ni, ali dobru otpornost prema udaru ponekad zadržavaju uz nižu vrednost čvrstoće. Čelik je u osnovi niskougljenični (< 0.12 % C), sa oko 0.3 % Mo. Mn i Si su u normalnom sadržaju za legirane čelike, ali su P i S na vrlo niskom nivou, kako bi se obezbedila maksimalna udarna žilavost.

Upotreba 5 % Ni čelika je razvijena optimizacijom sastava i kontrolom mikrostrukture kroz određene termičke obrade. Preporučena termička obrada obuhvata konvencionalno kaljenje, otpuštanje i povratno žarenje. Ova poslednja dva tretmana uključuju zagrevanje od specifičnih temperaturnih opsega u dvofaznom (alfa+gama) području i hlađenje specifičnim brzinama. Mikrostruktura je rafinisana kontrolisanjem udela stabilnog austenita, ferita i niskougljeničnog otpuštenog martenzita. Međutim, često komplikovanije termičke obrade imaju negativan uticaj na zavarivost materijala, zbog narušavanja ovako obezbeđene mikrtostrukture u ZUT usled zavarivanja.

Koriste se za temperature –120 do –160 °C. Nemaju značajnu upotrebu u SAD, pošto se za povećanje cene ne postižu osobine koje opravdavaju porast cene u odnosu na prethodnu grupu čelika. Pri tome je uzeto u obzir da se kriva promene Šarpi V energije (sl. 2) bitno ne razlikuje od iste krive za čelik sa 3.5 % Ni [3, 6]. Čelici sa sadržajem 9 % Ni Čelike sa 9 % Ni karakteriše veoma dobra žilavost na niskim temperaturama. Ona se zasniva na strukturi koju čine feritna osnova legirana sa Ni, disperzno raspoređeni cementit i manja količina zaostalog stabilnog austenita, koja omogućava rastvaranje viška ugljenika. Struktura ovakvog tipa se postiže kaljenjem i otpuštanjem. U zavisnosti od sadržaja ugljenika, u ovim čelicima martenzit se može stvoriti i pri normalizaciji, tako da kaljenje nekada i nije neophodno (sl. 3 a, b) [6].

Uobičajeno preporučiv režim termičke obrade 9 % Ni čelika za postizanje visoke vrednosti žilavosti je: − dvostruka normalizacija sa 900 odnosno 790 °C sa

hlađenjem na vazduhu, zatim otpuštanje na oko 570 ° C sa hlađenjem na vazduhu, ili

− kaljenje sa 800 °C u vodi ili ulju, i otpuštanje na 570 °C, sa hlađenjem na vazduhu.

Kao što je već navedeno, normalizacijom se snižava prelazna temperatura usitnjenjem zrna. Kaljenje i otpuštanje je efikasnije za sniženje prelazne temperature, jer se pored usitnjavanja zrna postiže i pogodniji raspored čestica karbida u matrici.

Posle potpune termičke obrade mikrostruktura se sastoji od visoko otpuštenog martenzita sa oko 5 % austenita. Ova struktura se karakteriše kao poliedarski feritna sa globularnim karbidima i malim disperznim ostacima stabilnog austenita. Na ovaj način je moguće dobiti čelik koji ima povoljne osobine sve do –196 °C.

Iako nema korozionu postojanost kao nerđajući čelik, ima široku upotrebu i u zahtevima korozione otpornosti, zbog činjenice da je znatno jeftiniji, kako za



proizvodnju, tako i za zavarivanje. Uobičajeno sadrže do 0.1 % C, do 1.0 % Mn, a mogu da sadrže i Mo ili Cr [3, 6]. ZAVARIVANJE POBOLJŠANIH ČELIKA LEGIRANIH SA NI Zajedničko za sve grupe ovih čelika je da se mogu zavarivati elektrolučnim postupcima zavarivanja:

ručnim elektrolučnim obloženom elektrodom, TIG i MIG postupkom i ređe EPP postupkom. Najviše je zastupljeno ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom.

Za obezbeđenje zahtevane prelazne temperature žilavosti metala šava posebno je značajan koncept izbora dodatnog materijala.

Slika 3. KH dijagram čelika sa 9 % Ni: a) 0.025 % C; b) 0.095 % C [7]

Dodatni materijali Za zavarivanje čelika sa sadržajem Ni do 3.5 % razvijene su srodne odnosno istorodne elektrode sa 2 do 3.5 % Ni , čiji metal šava kod –100 °C još ima žilavost od 60 do 80 J. Dodatak veće količine nikla, u nameni za čelike sa većim učešćem Ni, nije poželjan zbog opasnosti od pojave toplih prslina u metalu šava. Kada je o toplim prslinama reč, kod zavarivanja ovih čelika treba voditi računa da su u metalu šava štetne i niske količine S, koji treba da bude do 0.02 %. Za smanjenje opasnosti od stvaranja toplih prslina je neophodan dovoljno visok odnos Mn/S. Sadržaj fosfora treba da bude maksimalno nizak, jer njegovo prisustvo, kao i prisustvo arsena, kalaja i antimona, makar i u tragovima, utiče na sniženje žilavosti. Na osnovu ispitivanja, za zavarivanje čelika sa 3.5 % Ni preporučuje se sledeća analiza metala šava: 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. Žilavost metala šava na niskim temperaturama se može poboljšati dobijanjem čistog materijala za jezgro elektrode / žicu, topljenjem u vakuumu [8].

Kod primene istorodnog dodatnog materijala termička obrada posle zavarivanja, kod tačno odabrane temperature žarenja (oko 650 °C) i vremena trajanja, od koristi je za osobine žilavosti zavarenog spoja. Primena ponovnog poboljšanja u većini slučajeva nije povoljna.

Za zavarivanje čelika 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 slučaju termička obrada zavarenog spoja mora se izostaviti, jer kod temperatutura iznad

oko 600 °C nastaje jaka difuzija C koja smanjuje žilavost metala šava.

Da bi se dobio metal šava sa povišenim naponom tečenja (a time i mogućnosti primene žarenja za smanjenje napona) razvijena je austenitna elektroda sa dodatkom W (X15 CrNiMnW 16 13). Kod hemijskog sastava metala šava od 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 različitim metodama ne pokazuju sklonost ka nastanku toplih prslina. Udarna žilavost metala šava (ISO V proba) kod –196 °C je između 40 i 60 J [7, 8].

Takođe se koriste i elektrode visokolegirane niklom, tipa legure NiCr 15 Fe 10 Nb (Inkoweld A; Inkonel 182), koje, nasuprot austenitnim elektrodama tipa 25 % Cr / 20 % Ni, imaju visok napon tečenja, te je moguća primena termičke obrade posle zavarivanja (žarenje za smanjenje napona). Ove visokoniklove elektrode mogu takođe da se koriste i za čelike sa nižim sadržajem nikla. Metal šava, nastao mešanjem sa osnovnim materijalom, nije osetljiv na nastanak prslina [7, 8].

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

Zavarivanje čelika sa 2.25 % Ni Zavarivanje čelika sa 2.25 % nikla retko se obavlja na temperaturi okoline, češće sa predgrevanjem na temperaturi od 100 - 125 °C. Predgrevanje od minimum 150 °C se zahteva kada je sadržaj ugljenika iznad 0.2 % i kod jako uklještenih spojeva. Žarenje za smanjenje napona se izvodi na oko 650 °C, i često se primenjuje na bazi pravila za izradu posuda pod pritiskom ili



cevovoda za rad na niskim temperaturama. Kod primene E postupka zahteva se upotreba niskovodoničnih elektroda. 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 slučaj kada je zarez na liniji spajanja ili u različitim delovima metala šava.

Zavarivanje čelika sa 3.5 % nikla Za zavarivanje ovih čelika najčešće se koristi E postupak zavarivanja sa obloženim, pre svega, bazičnim niskovodoničnim elektrodama, po mogućnošću sa sadržajem od 1 % Mn i 0.3 % Mo, uz dodatak Al.

Kod zavarivanja čelika sa 3.5 % Ni mogu da budu prisutni problemi pojave toplih i hladnih prslina. Tople prsline su likvacijskog tipa. Čelici sa 3.5 % Ni kristališu prema desnoj strani peritektičke reakcije u kvazi-binarnom Fe-C dijagramu. Ovo znači da su prvi čvrsti kristali austenit, a ne ferit. Rastvorljivost nečistoća, kao sumpora i fosfora, u austenitu je značajno manja nego u feritu. Na taj način se stvaraju uslovi za pojavu sulfida ili karbosulfida sa niskom tačkom topljenja po granicama zrna, kao posledica migracije nečistoća ka granici zrna. Sulfidi i karbosulfidi (npr. Ti4C2S2) počinju da se rastvaraju u zoni pod zavarom, što rezultuje pojavom toplih prslina. Kao mera za smanjenje opasnosti od pojave toplih prslina zahteva se visok stepen čistoće čelika.

Tople prsline kristalizacijskog tipa se mogu zapaziti u metalu šava. I u ovom slučaju pokazalo se da su sadržaj C i nečistoća, kao što su P i S, glavni faktori koji loše utiču na kompaktnost zavarenog spoja.

Hladne prsline kod spojeva od čelika sa 3.5 % Ni se zapažaju u ZUT ili metalu šava zbog visoke sklonosti ka otvrdnjavanju Ni legiranih čelika. Radi određivanja sklonosti ka otvrdnjavanju koristi se CE formula:

15551556CuVCrNiMoMnCCE ++++++= (IIW)

ili mnogo pogodnija formula za Pcm parametar sklonosti ka nastanku prslina po Ito-Bessyo:

30201020601520SiCuVCrNiMoMnCPcm +++++++=

Ozbiljan nedostatak zavarivanja pod praškom čelika sa 3.5 % Ni jeste nepostojanje pogodnih elektrodnih žica. Od skora, na tržištu se mogu naći i žice od legiranih čelika, ali i kombinacije niskougljenične žice i legiranog praška, koje se mogu koristiti i za zavarivanje čelika sa 2.25 % Ni. Ovi dodatni materijali su projektovani da metal šava sadrži oko 3 % Ni. U nekim slučajevima, da bi se smanjila sklonost ka nastanku prslina, u metalu šava se povećava Mn u količini oko 1 %. Neke žice, zbog dezoksidacije, sadrže oko 1 % Mo i oko 0.15 % Al. Da bi se EPP zavarivanjem obezbedila dobra udarna žilavost na niskim temperaturama potrebno je primeniti zavarivanje u više prolaza.

TIG i MIG izavarivanje čelika sa 3.5 % Ni postaje sve popularnije pojavom nekoliko različitih žica i elektrodnih žica. Hemijski sastav ovih žica je veoma blizak 3.5 %

Ni - 1 % Mn - 0.25 Mo žicama, koje se koriste za zavarivanje pod praškom. U cilju izbegavanja sklonosti ka stvaranju prslina, zahteva se sadržaj Al oko 0.5 % i veoma niske granice za prisustvo fosfora i sumpora.

Ako se prsline pojavljuju u ZUT, vrlo je značajno da li su one likvacijske ili su izazvane vodonikom. U slučaju likvacijskih prslina povoljno je predgrevanje (100 -200 °C) za sniženje temperaturnog gradijenta, smanjenje količine unete toplote pri zavarivanju ili korišćenje pulzirajuće struje zavarivanja.

Za sprečavanje nastanka hladnih prslina izazvanih vodonikom neophodna je upotreba niskovodoničnih elektroda, primena predgrevanja u opsegu 150-250 °C, precizna kontrola termičkog režima zavarivanja, kao i primena termičke obrade posle zavarivanja.

Kod zavarivanja čelika sa 3.5 % Ni krtost usled transformacije u ZUT nije opasna pojava. Čak i udarna žilavost Ni martenzita može biti dovoljna. Razlog za smanjenje vrednosti udarne žilavosti u ZUT je intenzivan rast austenitnih zrna u zoni pod zavarom. U tom slučaju je potrebno smanjiti unetu količinu toplote ili koristiti čelik koji nije osetljiv na rast zrna.

Zavarivanje čelika sa 5 % nikla Osnovni problem kod zavarivanja ovih čelika je narušavanje u ZUT mikrostrukture dobijene termičkom obradom osnovnog materijala. Brzina zagrevanja i ciklusi hlađenja, zavisno od unete toplote pri zavarivanju, dovode do veće ili manje degradacije ZUT, sa mikrostrukturnim i mehaničkim osobinama koje mogu da budu potpuno različite od optimizirane mikrostrukture osnovnog materijala. Na slici 4 prikazan je uticaj brzine hlađenja t8/5 (5, 10, 30 s) na prelaznu krivu žilavosti ZUT, u poređenju sa osnovnim materijalom. Uticaj maksimalne temperature na termički ciklus je sledeći: do temperatura 800-850 °C udarna čvrstoća raste i iznad vrednosti osnovnog materijala; cikliranje do maksimalnih temperatura uzrokuje značajno smanjenje udarne čvrstoće. Ove promene su u direktnoj vezi sa mikrostrukturom. Finozrni martenzit se menja u stubičasti martenzit i veličina prethodnog zrna austenita značajno raste.

Plastičnost ZUT na niskim temperaturama, ocenjena na prelomu Šarpi-V epruveta, može se poboljšati primenom termičke obrade posle zavarivanja. Najbolji rezultati se postižu termičkom obradom otpuštanjem na 650 °C, sa brzim hlađenjem [6].

Zavarivanje čelika sa 9 % Ni Nizak sadržaj ugljenika i dobra žilavost čelika sa 9 % Ni smanjuju potrebu za predgrevanjem i termičkom obradom posle zavarivanja. Uobičajeno, zavarivanje ploča debljine do 50 mm izvodi se bez predgrevanja. Povećanjem debljine i ukljuštenja spoja predgrevanje na 100-200 °C je način da se izbegne pojava prslina. Predgrevanjem se poboljšava i žilavost spoja.


20 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. X-X

Slika 4. Dijagram prelazne temperature dobijen simulacijom zone ispod zavara za 5 % Ni čelik za različite brzine hlađenja [6].

Slika 5. Raspodela tvrdoće u zavar. spoju čelika sa 9 % Ni

Pošto je kritična brzina hlađenja ovih čelika veoma mala, deo ZUT najčešće prelazi u martenzit. Kako je tvrdoća otpuštenog osnovnog materijala u opsegu 22-26 HRc, na rastojanju od linije stapanja od 0.8 mm, tvrdoća raste na 38-40 HRc. Ovo je gotovo maksimalna vrednost tvrdoće za čelik sa oko 0.1 % C, koji je karakterističan za čelike sa 9 % Ni. To je jedan od

razloga zašto se često maksimalni sadržaj ugljenika u ovim čelicima ograničava na 0.08 % [6].

U ZUT zavarenog spoja strukturne transformacije se mogu opaziti u oblastima temperaturnog intervala 650-800 °C. Pri temperaturama iznad 700 °C uočljivo je smanjenje zaostalog austenita. Na temperaturama oko 900 °C struktura materijala je finija nego u zoni koja nije bila u ovom temperaturnom intervalu, mada je sadržaj austenita mali. Strukturne promene zapažene u ZUT rezultuju u otvrdnjavanju uske zone u blizini granice stapanja i dostižu vrednosti tvrdoće od oko 380 HV. Na –196 °C tvrdoća ove zone raste, a žilavost opada. Tvrdoće po preseku zavarenog spoja su prikazane na slici 5. Nasuprot tvrdoći, udarne osobine ZUT pokazuju, ili ne pokazuju, smanjenje [6].

Pod normalnim uslovima zavarivanja čelici sa 9 % Ni obično nisu osetljivi ni na jedan tip prslina tokom i/ili posle zavarivanja. Pri zavarivanju sa niskovodoničnim elektrodama predgrevanje i druge mere povećanja zavarivosti se ne zahtevaju.

Kada se koristi jednosmerna struja može doći do nestabilnosti luka, kao posledica neželjenih magnetnih polja oko luka. Čelici sa 9 % Ni su pogodni za ovakvo ponašanje pošto se veoma lako magnetizuju, znatno lakše od ostalih konstrukcionih čelika. U cilju obezbeđenja stabilnosti luka maksimalni udeo magnetičnosti u limu ne sme preći 60 gausa.

Za čelik sa 9 % Ni temperature žarenja su vrlo uskog temperaturnog intervala, a radi sprečavanja otpusne krtosti često se preporučuju velike brzine hlađenja.

Preporuke za zavarivanje čelika sa 9 % Ni − Posle gasnog rezanja obavezno primeniti

mašinsku obradu žljeba; − Do debljine od 25 mm i temperatura okoline iznad

+5 °C zavarivati bez predgrevanja. Pri nižim temperaturama i većim debljinama treba primeniti predgrevanje do 80 °C, maksimalno 250 °C;

− Zavarivati sa malim količinama unete energije; − Vreme t8/5 treba da je oko 10 s, ne preko 15 s; − Niska međuslojna temperatura - oko 50 °C; − Po mogućnosti zavarivanje izvoditi u povoljnim

položajima, zbog smanjenja verovatnoće nastanka grešaka i napona usled zavarivanja;

− Brušenje posle svakog prolaza izvoditi pažljivo da ne dođe do pregrevanja materijala.

LITERATURA [1] Juraga, I., Klisura, R.: Zavarivanje, br. 26/1983, str. 269-274,

Zagreb, Hrvatska [2] Drobnjak, Đ.: Fizička metalurgija, TMF, Beograd, 1986. [3] Linnert, G.: Welding Metallurgy, Vol. 2, AWS, 1967., str 549, SAD [4] Drobnjak, Đ.: Izbor materijala, Skripte TMF, Beograd, 1993. [5] Metals Handbook, vol.1, 10th Editionn, ASM, 1990., SAD [6] Doc IIW-IX-1310/84: Guide to the welding and weldability of

cryiogenic steels, maj 1984., Bratislava, Slovačka [7] Ažman, S.: Dodajni Materijali Železarne Jesenice – Zbornik

radova, Bled, 1987, str. 31-47, Slovenija [8] Skripta SLV, Munchen, 1999., Nemačka

vhm

Documents

Transcript of vhm