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 dobi@eik.bme.hu A példát kidolgozta: Faltay László (2009)
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!
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.
Bevezetés
Az LDX2101 acél kémiai összetétele
5%
0,3%
1,5%
21,5%
0,22%
0,03%
1.4162 LDX2101
Mn Mo
Ni Cr
N C
EN Acél neve
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.
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 hőmérséklet- tartományban,
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.
Értékelés
A Fe-Cr-Ni egyensúlyi diagram 68% Fe esetére
Ausztenitképződés a duplex acélokban
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.
Kísérletek
A hegesztéstechnológiai adatok összefoglaló táblázata
1,6 1,6
1,6 1,6
1,6 Huzalelőtolási sebesség m/perc 1,6
- -
- -
- -
Gyökvédőgáz
10% N2 5% N2
2% N2 100% Ar
100% Ar 100% Ar
Védőgáz
160 160
160 160
100 140
Áram A
13,8 13,5
13,5 12,8
12,5 13,5
Feszültség V
2101 2101
2101 2101
2101 2101
Hegesztőhuzal
2 2
2 2
2 2
Illesztési hézag mm
3 3
3 3
2,5 2,5
Anyagvastagság mm
2101 2101
2101 2101
1.4562 1.4562
Alapanyag
9/2 9/1
8/2 8/1
4 2
Minta sorszám
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.
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.
Eredmények
A A duplex acélok varrataiban mért szövetszerkezeti összetételekről az 5. táblázat ad felvilágosítást:
51 / 49 70,5 / 29,5
70 / 30 2. foto
58 / 42 70 / 30
62 / 38 71 / 29
1. foto Fázisarány
Ferrit / Ausztenit (eredeti: 48 / 52)
9/2 9/1
8/2 8/1
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.
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.
1,2 1,63
2,85 2,39
Átlagos számított arány
51/49 70,5/29,5
70/30
58/42 62/38
70/30 71/29
Fázisarány F/A (eredeti: 48/52)
1,227 1,2
1,2 1,138
Hőbevitel kJ/mm
1,8 1,8
1,8 1,8
Hegesztési sebesség mm/s
1,6 1,6
1,6 1,6
Huzalelőtolási sebesség m/perc
10% N2 2% N2
5% N2 100% Ar
Védőgáz
160 160
160 160
Áram A
13,8 13,5
13,5 12,8
Feszültség V
9/2 8/2
9/1 8/1
Minta sorszám
A nitrogéntartalom hatása
8/2. (duplex) minta: ZÖLD = Ausztenit
9/2. (duplex) minta
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.
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
