mikrolegirani konstrukcioni Čelici prve generacije s...

NAUKAISTRAŽIVANJERAZVOJ SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2013, str. 23-30 23

Slavko Ažman, Matjaž Marčetič, Jure Bernetič

MIKROLEGIRANI KONSTRUKCIONI ČELICI PRVE GENERACIJE S VISOKIM CEKV I DRUGE GENERACIJE S NISKIM CEKV SA ASPEKTA UPOTREBE U

ZAVARENIM KONSTRUKCIJAMA

USING ASPECTS FOR WELDED CONSTRUCTIONS OF HSLA STRUCTURAL STEELS FIRST GENERATION WITH HIGH CEQ AND SECOND GENERATION

WITH LOW CEQ

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK / UDC: 669.15.018.29:621.77

Rad primljen / Paper received: 01.10.2013.

Adresa autora / Author's address: Dr Slavko Ažman dipl.inž. Stručni savetnik železare Acroni d.o.o. Kidričeva cesta 44, 4270 Jesenice, Slovenija.

Matjaž Marčetič, dipl.inž. Dr Jure Bernetič, dipl.inž. Samostalni istraživači u Istraživačkom odeljenju železare Acroni d.o.o. Kidričeva cesta 44, 4270 Jesenice, Slovenija.

Ključne reči: mikrolegirani konstrukcioni čelici prve i druge generacije, termomehaničko valjanje s kontrolisanim hlađenjem, mikrostrukture i osobine, vodonična krtost, zavarivanje.

Keywords: first and second generation of HSLA steels, thermomechanical rolling with controlled cooling, microstructures and properties, hydrogen brittleness , welding.

Izvod

Prva generacija mikrolegiranih konstrukcionih čelika bazirana je na C - Mn konstrukcionim čelicima sa visokim sadržajem C i Mn, kojima su se dodavali elementi V i Nb u stotim delovima % za smanjenje kristalnog zrna i povećanje napona tečenja i čvrstoće, ali se pogoršavala žilavost i zavarljivost čelika. Kod zavarivanja su potrebne prilično visoke temperature predgrevanja. Ispitivanja dejstva absorbovanog vodonika na tim čelicima u agresivnim medijima, pokazala su lošu otpornost na vodoničnu krtost i zbog čega dolazi do krtih lomova i na inače vrlo žilavim konstrukcijama. Druga generacija mikrolegiranih konstrukcionih čelika je projektovana tako da se izbegnu nedostaci prve generacije. Ugljenik je smanjen sa 0,20% na ispod 0,10%, a u nekim termomehanički valjanim i kontrolisano hlađenim čelicima čak na izpod 0,05%. Glavni legirajući elementi su Nb, Mo, Cr, Ni i Ti u minimalnim količinama. Ponekad se dodaje i B u hiljaditim delovima %. Sa intenzivnim usitnjavanjem kristalnog zrna postupkom termomehaničkog valjanja i ubrzanog kontrolisanog hlađenja odmah posle završetka valjanja, ili ponekad sa konačnim poboljšanjem, ovi čelici pored visokih vrednosti napona tečenja i čvrstoće, imaju zbog niskog Cekv odličnu zavarljivost i sposobnost deformacije na hladno. Ispitivanja dejstva absorbovanog vodonika na tim čelicima u agresivnim medijima potvrdila su dobru otpornost na vodoničnu krtost. Čelici prve i druge generacije razlikuju se po žilavosti i zavarljivosti, dok su im čvrstoće i naponi tečenja slični. Prva generacija čelika mora se predgrevati, dok se druga zavaruje na hladno, bez predgrevanja.

* Rad je izlagan na 27. savetovanju Zavarivanje 2012 - Divčibare

Abstract

The basis for the first generation of HSLA structural steels were C - Mn structural steels with high values of C and Mn, to which the elements V and Nb were added for the decreasing of crystal grain size and increasing of yield stress and ultimate tensile strength were obtained, but the impact toughness and weldability were deteriorated. Relatively high preheating temperatures are needed before welding. The investigations of absorbed hydrogen effect on these steels in aggressive media had showed poor resistance to hydrogen brittleness, and therefore brittle fractures were appeared also on normally very tough structures. The second generation of HSLA structural steels is designed to avoid the imperfections of the first generation. Content of carbon was decreased from 0,20% to below 0,10% and in some termomechanically rolled and controlled acceleratory cooled steels even lower than 0,05%. The main alloying elements are Nb, Mo and Ti in minimal quantities. Sometimes B in thousandths of % is also added. With very high crystal grain size reduction by thermo mechanical rolling procedure, and accelerated cooling after finishing TMR, and sometimes with final quenching and tempering of the steel, these HSLA structural steels have, because of low Ceq, excellent weldability and can be welded without preheating and excellent deformability in cold. Investigations of the absorbed hydrogen influence on these steels in aggressive agents proved good hydrogen brittleness resistance. The first and second generations of HSLA steels differentiate in the impact toughness and weldabilitty, while their yield stresses and ultimate tensile strengths are almost the same. First generation of HSLA steels must be preheated before welding, second generation can be welded in cold, without preheating.


24 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE, 1/2013, str. 23-30

UVOD

Čelici su su vrlo komplikovane legure železa i ugljenika i drugih elemenata, te su već više hiljada godina pored kamena i drveta najupotrebljavaniji konstrukcioni materijal, koji se tokom dugogodišnje upotrebe vekovima stalno usavršavao, kako u procesu izrade, prerade i termičke obrade, tako i povećanjem količine i proširenja područija upotrebe. Njihova velika prednost je potpuna sposobnost reciklaže (staro gvožđe). Najveći razvoj u čeličarstvu, kao i u mnogim drugim oblastima, urađen je za poslednjih tridesetak godina, razvojem novih tenologija izrade i prerade čelika: vakumiranje, izrada čelika u EOP i kazanskoj peći, konvertorima ili kombinacijom tih agregata, kontrola oblika nemetalnih uključaka obradom sa CaSi, konti-livenje, precizno legiranje itd., te istovremenim razvojem tehnologije zavarivanja.

Istina je da danas čelike već prilično dobro poznajemo, ali ipak ostaje još mnogo interesantnog posla za sadašnje i buduće generacije stručnjaka na tim područjima.

TOPLO VALJANJE MIKROLEGIRANIH ČELIKA

Za mikrolegirane čelike prve generacije upotrebljavalo se klasično toplo valjanje, kao kod običnih kostrukcionih čelika sa tom razlikom, da se strogo kontrolisala temperatura zadnjih prolaza toplog valjanja.

Manji sadržaj C i Mn u mikrolegiranim čelicima druge generacije, kod klasičnog toplog valjanog mikrolegiranog čelika bi uzrokovao manje napone tečenja i čvrstoće, ali se kod mikrolegiranih čelika druge generacije to kompenzuje sa vrlo jakim usitnjavanjem kristalnog zrna postupkom termomehaničkog valjanja i ubrzanog hlađenja odmah posle završetka valjanja, ili ponekad sa završnim poboljšanjem čelika (slika 1) [2].

Najsitnije zrno i najbolje mehaničke osobine, najbolju žilavost i zavarljivost daju varijante A i B, a daleko najbolju otpotnost prema vodoničnoj krtosti daje varijanta B (sa konačnim poboljšanjem čelika).

HEMIJSKI SASTAV, MEHANIČKE OSOBINE I MIKROSTRUKTURE

Hemijski sastav i mehaničke osobine za tipičan mikrolegirani čelik prve generacije Nioval 47 izrađen najnovijom čeličarskom tehnologijom, i za mikrolegirani čelik druge generacije Niomol 490K izrađen po istoj čeličarskoj tehnologiji, date su u tabelama 1 i 2.

Čelik Niomol 490 K ima nešto viši napon tečenja od čelika Nioval 47, a zatezne čvrstoće su im prilibližno jednake [1] .

Tipične mikrostrukture mikrolegiranog čelika prve generacije Nioval 47 i mikrolegiranog čelika druge generacije Niomol 490 K Železarne Jesenice - Acroni, prikazane su na slikama 2 i 3 [2].

Slika 1: Različite varijante toplog valjanja čelika. V – klasično toplo valjanje, N – normalizacija, C i D – termomehaničko valjanje bez kontrolisanog hlađenja, A i B – termomehaničko valjanje s početkom u čistom austenitu i završetkom u zoni metastabilnog

austenita sa kontrolisanim hlađenjem: A - na vazduhu , B -vodom ili naknadnim poboljšanjem

Tabela 1: Hemijski sastav čelika

Čelik Hemijski sastav, (mas. %)

C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo V Sn Nb Al

Niomol 490 K 0,08 0,34 0,36 0,011 0,004 0,54 0,17 0,35 0,27 - 0,017 0,03 0,040

Nioval 47 0,17 0,41 1,48 0,012 0,002 0,12 0,09 0,21 0,02 0,07 0,007 0,045 0,061



Tabela 2: Mehaničke osobine čelika

Čelik Napon tečenja Rp

(MPa) Zatezna čvrstoća Rm

(MPa) Izduženje A50

(%) Kontrakcija Z

(%)

Niomol 490 K 516 587 26 79

Nioval 47 456 581 26 76

Slika 2: Mikrostruktura mikrolegiranog čelika Nioval 47 (uvećanje 100 x)

Slika 3: Mikrostruktura mikrolegiranog čelika Niomol 490 K (uvećanje 100 x)

TTT DIJAGRAMI

Za poređenje različitih karakteristika čelika Nioval 47 i Niomol 490 K prikazani su i TTT dijagrami tih čelika na slici 4 [2]. Iz TTT dijagrama za Nioval 47 (slika 4a) se vidi da se kod brzog hlađenja čelika Nioval 47 u mikrostrukturi pojavljuje martenzit. To znači da je kod zavarivanja potrebno predgrevanje do prilično visokh temperatura, što se može zaključiti i iz visokog ugljeničnog Cekv.

TTT diagram za čelik Niomol 490 K (slika 4b) je potpuno drugačiji i vrlo je sličan TTT dijagramu kotlovskog lima. To znači da je u stvari čelik Niomol 490K kotlovski lim sa duplo višim naponom tečenja i većom čvrstoćom. Taj čelik praktično nije moguće ohladiti tako brzo, da bi se u mikrostrukturi pojavio martenzit. Predgrevanje kod zavarivanja nije potrebno zbog niskog ugljeničnog ekvivalenta.

ŽILAVOST ČELIKA NA NISKIM TEMPE-RATURAMA

Iako mikrolegirani čelici prve i druge generacije imaju prilično slične mehaničke osobine, oni se ipak po žilavosti bitno razlikuju. Čelik prve generacije Nioval 47 ima garantovanu žilavost u poprečnom pravcu do - 20° C (minimalno 27 J), a čelik druge generacije Niomol 490 K ima garantovanu žilavost u poprečnom pravcu do -60°C (minimalno 102 J).

Još veća je razlika u starenom stanju, jer za čelik Nioval 47 u tom stanju u poprečnom pravcu uopšte nema garancije, iako ga je sada moguće izraditi sa vrlo niskim sumporom i azotom. Kod čelika Niomol 490 K u

starenom stanju u poprečnom pravcu garantuje se žilavost do – 60°C (minimalno 31J). Stvarne vrednosti žilavosti mnogo su veće od garantovanog minimuma za sva tri čelika, koji su bili izrađeni po najnovijoj čeličarskoj tehnologiji, posebnoj proceduri za dobijanje najviše moguće žilavosti, i na kojima je bila ispitana otpornost protiv vodonične krtosti, a vrednosti su date u tabeli 3 [1].

OTPORNOST PREMA VODONIČNOJ KRTOSTI

U pojedinim industrijama, a najčešće u procesnoj industriji, dešavaju se oštećenja i havarije na čeličnim konstrukcijama, koje su izrađene od prvoklasnih čelika visoke žilavosti, sa potpunim poštovanjem svih zahteva tehnologije zavarivanja, ali su izložene dejstvu agresivnog medija, u kojem se pojavljuje vodonik.

Istraživanjem se ustanovilo, da je za pomenuta oštećenja ili čak havarije, obično krivo zajedničko dejstvo korozije i vodonika, a ponekad samo dejstvo vodonika iz korozionog medija, u kojem se nalazi konstrukcija, ili se korozioni medij nalazi u samoj konstrukciji (posuda pod pritiskom).

I kada je korozija praktično zanemarljiva, procesi vodoničenja su vrlo jaki. Isto tako je ustanovljena veća ili manja otpornost pojedinih čelika prema vodoničnoj krtosti, pa nekad čak i vrlo žilavi čelici pređu u krto stanje i nisu za upotrebu [1].

Istraživanja vodonične krtosti pokazala su da je čelik Niomol 490 K otporan na vodoničnu krtost, a čelici Nioval 47 i S355J2 su potpuno neotporni i ne smeju se upotrebiti za konstrukcije, koje su u kontaktu sa agresivnim medijem koji sadrži vodonik [1].



a) b)

Slika 4: TTT dijagram: a) čelik Nioval 47, b) čelik Niomol 490 K

Tabela 3: Žilavost ispitivanih čelika

Čelik Žilavost (J) kod temperatura (°C)

+20 0 -20 -40 -60

Niomol490K 318 308 302 295 290

Nioval 47 126 118 110 97 71

S 355J2 138 126 117 104 78

ZAVARLJIVOST MIKROLEGIRANIH ČELIKA PRVE I DRUGE GENERACIJE

Zavarivanje

Mikrolegirani čelici mogu se zavarivati svim uobičajenim postupcima elektrolučnog zavarivanja: REL, MAG, MIG, EPP sa punom ili punjenom žicom. Kod REL postupka potrebno je obavezno upotrebiti bazičnu obloženu elektrodu adekvatne čvrstoće, da bi se postigla bolja žilavost zavarenog spoja.

Za poređenje zavarljivosti oba čelika izabrano je ručno elektrolučno zavarivanje. Zavarivan je lim debljine 15 mm. Za zavarivanje čelika Nioval 47 upotrebljena je obložena elektroda EVB Ni Ø 3,25mm i Ø 4mm, a za

zavarivanje čelika Niomol 490 K elektroda EVB NiMo istih dimenzija. Elektrode su bile sušene u peći 2 sata na 400°C, da bi se izbegao unos vodonika u zavareni spoj. Za vreme zavarivanja elektrode su držane u tobolcu na 150°C iz istog razloga.

Zavarivalo se u vodoravnom položaju sa popravkom korena mehaničkim brušenjem. Parametri zavarivanja su bili približno jednaki za oba čelika (tabela 4) [3].

Ploče čelika Nioval 47 bile su pre zavarivanja predgrejane na 150°C i međuslojna temperatura je bila 200°C, a ploče čelika Niomol 490 K zavarene su na hladno sa međuslojnim temperaturama ispod 120°C. Slaganje slojeva - prolaza kod pojedinih spojeva je prikazano na skici na slici 5.

Tabela 4: Parametri zavarivanja

Ø [mm] I [A] U [V] v [mm/min Q [KJ/mm]

Var 1 3,25 150 24 156 1,2

Var 2 - 4 4,0 170 24 225 1,1

Var 5 – 8 3,25 160 24 180 0,8



Slika 5: Slaganje slojeva - prolaza kod pojedinih spojeva

Tvrdoće zavarenog spoja

Tvrdoće kroz zavarene spojeve za oba mikrolegirana čelika prikazane su na slikama 6 i 7. Metoda je po Brinell-u (HB) kroz zavarene spojeve: metal šava i u ZUT – u i dodate su mikro tvrdoće, da bi se sa potpunom sigurnošću pogodila najviša tvrdoća [3].

Tvrdoće u zavarenom spoju čelika Nioval 47 su i pored predgrevanja pre zavarivanja, mnogo više nego tvrdoće u zavarenom spoju čelika Niomol 490 K, što znači da

kod zavarenog spoja čelika Nioval 47 još uvek postoji opasnost nastanka prslina u ZUT- u, pogotovo ako je konstrukcija u kontaktu sa agesivnim medijem koji sadrži vodonik. Kod čelika Niomol 490 K takve opasnosti nema, iako je zavaren na hladno bez predgrevanja.

Mikrostrukture zavarenog spoja

Mikrostrukture kroz zavareni spoj mikrolegiranih čelika prikazane su na slikama 8 i 9 [3].

Slika 6: Tvrdoće kroz zavareni spoj za čelik Nioval 47 Slika 7: Tvrdoće kroz zavareni spoja za čelik Niomol 490 K

a) OM b) ZUT c) MŠ

Slika 8: Mikrostrukture zavarenog spoja od čelika Nioval 47



a) OM b) ZUT c) MŠ

Slika 9: Mikrostrukture zavarenog spoja od čelika Niomol 490 K

Mehaničke osobine zavarenog spoja

Mehaničke osobine zavarenih spojeva su ispitane na epruvetama sa paralelnim stranicama za određivanje mehaničkih osobina zavarenog spoja i dodatno na epruvetama sa urezanim stranicama za određivanje čvrstoće metala šava (tabela 5 i slika 10) [3].

Žilavost zavarenog spoja

Žilavost je ispitana za svaki čelik na tri temperature, u osnovnom materijalu (O), u sredini šava (S), i u zoni uticaja toplote (ZUT), a rezultati su prikazani u Tabeli 6 [3].

Daleko najbolju žilavost na niskim temperaturama do -60°C ima zavareni spoj mikrolegiranog čelika druge generacije Niomol 490 K, dok zavareni spoj mikrolegiranog čelika prve generacije

Nioval 47 ima dovoljno visoku žilavost kod -20°C i nesigurnu minimalnu žilavost 27 J kod -40°C. Za konstrukcije, koje rade na temperaturama ispod -20°C, preporučuje se upotreba čelika Niomol 490 K.

Savijanje zavarenog spoja

Zavareni spoj čelika Nioval 47 izdržao je savijanje preko trna d = 3a, dok je zavareni spoj čelika Niomol 490 K izdržao čak savijanje preko trna d = a, gde je a - debljina lima.

Zavareni spojevi oba čelika su bili savijani preko lica i korena šava (slike 11 i 12) [3].

Na slikama 11 i 12 razlika između mikrolegiranih čelika prve i druge generacije je vrlo očigledna i zbog toga komentar nije potreban.

Tabela 5: Rezultati ispitivanja zatezanjem

Vrsta probe Čelik Napon tečenja

Rp, (MPa) Zatezna črstoća

Rm, (MPa) Izduženje

A5, (%) Mesto loma

Paralelne stranice

Niomol 490K 511 580 25 Osnovni material

Urezane stranice

Niomol 490K - 631 - Zavar

Paralelne stranice

Nioval 47 467 592 24 Osnovni material

Urezane stranice

Nioval 47 - 620 - Zavar

Slika 10: Izgled epruveta posle ispitivanja zatezanjem



Tabela 6: Žilavost zavarenog spoja mikrolegiranih čelika

Čelik Mesto ispitivanja Temperatura (°C) Žilavost ISO – V (J)

Niomol 490 K

O -20 270

S -20 134

ZUT -20 160

O -40 255

S -40 78

ZUT -40 126

O -60 235

S -60 60

ZUT -60 118

Nioval 47

O -20 72

S -20 64

ZUT -20 48

O -40 63

S -40 34

ZUT -40 27

O -60 31

S -60 27

ZUT -60 18

Slika 11: Savijanje zavarenog spoja čelika Nioval 47

Slika 12: Savijanje zavarenog spoja čelika Niomol 490 K



DISKUSIJA I ZAKLJUČCI

Razlika između mikrolegiranih čelika prve i druge generacije je velika, kako u sistemu legiranja, tako i u izradi čelika, iako je za sve čelike upotrebljena najmodernija čeličarska tehnologija.

Za mikrolegirane čelike druge generacije se upotrebljava drugačije toplo valjanje i to termomehaničko sa kontrolisanim hlađenjem, ili drugčija termička obrada i zbog toga imaju vrlo sitnozrnastu mikrostrukturu, koja daje dobre mehaničke osobine, pogotovo visoki napon tečenja, dobru žilavost do najnižih temperatura i nizak ugljenični ekvivalent. Mikrolegirani čelici prve generacije su u tom smislu znatno lošiji i zbog toga se ne preporučuju za najteže uslove ekspoatacije.

Zbog niskog ugljeničnog ekvivalenta, većinu mikrolegiranih čelika druge generacije kod zavarivanja nije potrebno predgrevati i zavaruju se na hladno, jer se u ZUT – u zavarenih spojeva tih čelika ne pojavljuju krte faze sa visokom tvrdoćom (nema martenzita) i nema opasnosti za nastanak prslina.

Mikrolegirani čelici prve generacije imaju visok ugljenični ekvivalent i zbog toga ih je pre zavarivanja potrebno predgrevati minimalno do temperatura iznad 150°C, jer se kod tih čelika u ZUT – u zavarenih spojeva pojavljuju krte faze sa visokim tvrdoćama, (martenzit) i posledično prsline.

Zavareni spojevi mikrolegiranih čelika druge generacije imaju bolju žilavost kod niskih temperatura od zavarenih spojeva mikrolegiranih

čelika prve generacije i mogu se oštrije savijati na hladno.

Zbog zavarivanja na hladno, niži su troškovi izrade konstrukcije od mikrolegiranog čelika druge generacije Niomol 490 K, u poređenju sa istom konstrukcijom, izrađenom od mikrolegiranog čelika prve generacije Nioval 47. Još veća je ušteda troškova izgradnje većih objekata od mikrolegiranog čelika druge generacije Niomol 490 K u poređenju sa objektom od običnog konstrukcionog čelika, usprkos višoj ceni mikrolegiranog čelika zbog: manje količine čelika (manje debljine), manje dodatnog materijala za zavarivanje, jeftinijeg transporta zbog manje količine potrebnog čelika, manjih temelja objekta, brže izgradnje i predaje objekta u eksploataciju.

Daleko najotporniji na vodoničnu krtost je poboljšani mikrolegirani čelik druge generacije Niomol 490K sa beinitno - feritnom mikrostrukturom, i zbog toga je to najbolji čelik za izgradnju objekata koji su u kontaktu sa agresivnim medijem sa aktivnim vodonikom.

Mikrolegirani čelik prve generacije Nioval 47 nije otporan na vodoničnu krtost, zbog čega se ne sme upotrebljavati za izradu konstrukcija, koje su u kontaktu sa agresivnim medijem sa aktivnim vodonikom. Isto važi za konstrukcioni čelik S355J2.

Za manje objekte, koji su u kontaktu sa agresivnom medijem sa aktivnim vodonikom, može se upotrebiti čelik S235J2 ili kotlovski lim H2.

LITERATURA

[1] Ažman, S., Vpliv prehodnih elementov Ti, Nb, V in Mo na procese vodičenja mikrolegiranih jekel, Doktorska disertacija, Univerza v Ljublani, Naravoslovnotehniška fakulteta, Odelek za materiale in metalurgijo, Slovenija, 1998.

[2] Raziskave in Razvoj Acroni Jesenice, Interni izveštaji o istraživanju mikrolegiranih čelika u železari Jesenice - Acroni (M1/10, M1/11, M1/13, M1/15, M1/18), 1964 - 1996, Jesenice, Slovenija

[3] Raziskave in Razvoj Acroni Jesenice, Interni izveštaji o istraživanju zavarivanja mikrolegiranih čelika u železari Jesenice – Acroni (J4/4, J4/7, J4/8, J4/11, J4/14, J4/27, J4/33, J4/40, J4/43, J4/51, J4/11, J4/52, J4/52a, J4/11, J4/59), 1965 – 1998, Jesenice, Slovenija

mikrolegirani konstrukcioni Čelici prve generacije s...

Documents