UDK 621.791.05:669.14.018.298 ISSN 1580-2949 Strokovni ~lanek MTAEC9, 37(3-4)199(2003) IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL THE IMPLANT STRENGTH OF THREE STRUCTURAL CARBON STEELS Toma` Vuherer1, Vladimir Gliha1, Anton Vavpoti~2 1Fakulteta za strojni{tvo, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija 2Montavar, Cesta ob ribniku 41, 2204 Miklav` na dravskem polju, Slovenija tomaz.vuherer@uni-mb.si Prejem rokopisa -received: 2001-11-15; sprejem za objavo -accepted for publication: 2003-05-05 V predstavljenem delu smo {tudirali ob~utljivost treh jekel za pokljivost v hladnem pri uporabi implant-preizkusov. Ta vrsta pokljivosti se pojavi v varu ali v toplotno vplivanem podro~ju v odvisnosti od tega, kateri del zvara je bolj kaljiv. Odlo~ilni dejavniki za pojav pokljivosti v hladnem so vodik, kaljene strukture in zaostale napetosti. Trajna implantna trdnost je prag napetosti, pri kateri pri danih pogojih ne pride do pokljivosti v hladnem v grobozrnatem delu toplotno vplivanega podro~ja preizku{anega jekla. To smo dolo~ili pri jeklih CrNiMoV, CrMoV in SUMITEN 80 P pri razli~nih pogojih. Pri tej raziskavi je zmanj{anje vlage v dodajnem materialu in predgrevanje mo~no pove~alo implantno trdnost. Klju~ne besede: pokljivost v hladnem, implant-preizkus, implantna trdnost, var, toplotno vplivano podro~je In the presented research work the sensitivity of three steels on cold cracking were studied using an implant test. Cold cracking appearsin the weld metalsor in the heat-affected zones, depending on which part of the weld joint ismore hardenable. The crucial factors for cold cracking are hydrogen, the hardened microstructure and the residual stresses. The implant strength is defined as the threshold stress for the appearance at no cold cracks in the coarse-grain heat-affected zone under certain condition. The implant strengths were determined on CrNiMoV steel, CrMoV steel, and SUMITEN 80 P steel under different conditions. In the presented research the lowering of the humidity in the consumable and preheating drastically increase the implant strength. Key words: cold cracking, implant test, implant strength, weld metal, heat-affected zone ob~utljiv za pojav razpok v hladnem. Ob~utljivost 1 UVOD ogljikovih jekel za pokljivost v hladnem se meri s parametrom PCM. Pri varjenju ogljikovih konstrukcijskih jekel s ^e je osnovni material pri dolo~eni hitrosti ohlajanja povi{ano trdnostjo se pokljivost v hladnem pojavi v varu z najvi{jih temperatur pri varjenju bolj kaljiv kot ali na toplotno vplivanem podro~ju (TVP). Za nastanek material vara, pomeni, da ima vi{ji tudi parameter PCM in razpok v hladnem mora biti v materialu raztopljen vodik, da je bolj ob~utljiv za pojav razpok v hladnem. Razpoke pri ohlajanju mora nastati trda mikrostruktura, material s tako mikrostrukturo se mora nahajati v nateznem v hladnem v tem primeru nastanejo v TVP. Tak{en napetostnem polju. primer prikazuje slika 1a. V avstenitnem podro~ju . je Vodik se lahko na mestu varjenja znajde iz razli~nih lahko raztopljena ve~ja koli~ina vodika H+ kot po vzrokov, kot na primer zaradi vlage v atmosferi, premeni v .-podro~ju. Ker ima osnovni material vi{ji one~i{~enih povr{in pri varjenju, vla`nega dodajnega PCM kot var, nastopi v TVP premena kasneje kot v varu. materiala, lahko izvira iz samega materiala itd. Zaradi Ko var `e prestane premeno, se TVP {e ni transformiral. visoke temperature obloka voda v njem disociira, nastali Vodik iz vara difundira v TVP, ker je topnost v avstenitu vodik pa se raztopi v talini. Ta vodik ima veliko ve~ja. Najve~ vodika se nabere v grobozrnatem delu sposobnost difuzije v trdnem materialu. TVP tik ob ~rti taljenja, ker za difuzijo na ve~je razdalje Hitrosti ohlajanja pri varjenju so velike, zlasti pri zmanjka ~asa, saj se TVP hitro ohlaja. Po nekem ~asu manj{ih vnosih toplote. Prav hitrost ohlajanja ima nastopi premena tudi v TVP in sposobnost raztapljanja odlo~ilno vlogo pri izoblikovanju mikrostrukture v varu vodika je mo~no zmanj{ana. Na mikrostrukturno in v TVP. ^im ve~je so hitrosti ohlajanja, tem tr{i bo ugodnih mestih pride do njegove rekombinacije v material. ^e je hitrost zelo velika, lahko pri~akujemo molekularno obliko. Posledica je pove~an tlak, ki z celo nastanek martenzita. Na hitrost ohlajanja lahko nara{~anjem koli~ine molekularnega vodika s~asoma vplivamo spredgrevanjem. tako mo~no naraste, da povzro~i zelo velike napetosti. Kaljivost ogljikovih konstrukcijskih jekel se meri s Tem se premalo duktilna trda mikrostruktura ni spo­parametrom CE. Od kemi~ne sestave osnovnega in sobna upirati. V sodelovanju z nateznimi zaostalimi dodajnega materiala je odvisno, kateri del zvara je bolj napetostmi se zato s~asoma pojavijo razpoke v hladnem. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 3-4 T. VUHERER ET AL.: IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL Glede na smer varjenja so nastale razpoke v hladnem v TVP razli~no usmerjene. Najpogostej{e pa so to vzdol`ne razpoke v hladnem. Razlog so velike natezne pre~ne zaostale napetosti v TVP, ki so navadno ve~je od vzdol`nih. ^e pa ima osnovni material ni`ji PCM kot material vara, je za pokljivost v hladnem bolj ob~utljiv material vara. Ta primer je prikazan na sliki 1b. Premena nastopi prej v TVP kot v varu. Zato vodik sploh ne difundira iz vara v TVP, ampak tam ostane. Ko premena nastopi tudi Tabela 1: Kemi~na sestava jekla CrNiMoV (mas. %) Table 1: Chemical composition of CrNiMoV steel (wt.%) Tabela 2: Kemi~na sestava jekla CrMoV (mas. %) Table 2: Chemical composition of CrMoV steel (wt.%) Tabela 3: Kemi~na sestava jekla SUMITEN 80P (mas. %) Table 3: Chemical composition of SUMITEN 80P steel (wt.%) v varu, se sposobnost raztapljanja vodika v njem zmanj{a. Vodik se izlo~a in se kopi~i na napakah. Odvija se podoben proces, kot je prej opisano v TVP. V varu se pojavijo razpoke v hladnem najpogosteje pre~no na os zvara. Razlog za to so velike natezne vzdol`ne zaostale napetosti v varu. Zaostale napetosti v zvarnem spoju so posledica oviranega raztezanja in kr~enja pri varjenju. Material se pri varjenju neenakomerno segreva in tudi neenako­merno ohlaja. Za vse to pa je vzrok "to~kovni" vir toplote za taljenje materiala, ki se pri varjenju giblje. Nastale zaostale napetosti so po navadi blizu napetosti te~enja materiala in so najve~je prav v varu in TVP. Mednarodni in{titut za varjenje (IIW) predvideva za preizku{anje ob~utljivosti materiala za pokljivost v hladnem uporabo razli~nih metod. Z nekaterimi preiz­kusi so dosegljivi kvantitativni, z drugimi pa le kvalitativni podatki o stopnji ob~utljivosti jekel za pokljivost v hladnem 1. V tej raziskavi smo se osredoto~ili na razpoke v hladnem, ki nastanejo v grobozrnatem delu TVP osnov­nega materiala. Za to je primerno uporabiti implant­preizkusali preizkusz vstavkom. Z njim dolo~imo implantno trdnost varjenega materiala, ki pomeni prag, pri katerem se razpoke v hladnem v grobozrnatem delu TVP pri varjenju ne morejo ve~ pojaviti. 2 EKSPERIMENTALNO DELO V pri~ujo~i eksperimentalni raziskavi smo dolo~ili ob~utljivost treh jekel za pokljivost v hladnem. Uporabili smo implant-metodo in opredelili njihovo implantno trdnost. Preizku{ali smo naslednja jekla: -CrNiMoV z oznako 15Ch2NMFA – CrMoV z oznako 15ChMFA – visokotrdnostno pobolj{ano SUMITEN 80 P CrNiMoV-jeklo ima napetost te~enja Rp = 500 MPa. Kemi~na sestava jekla je prikazana v tabeli 1. CrMoV­jeklo ima napetost te~enja Rp = 440 MPa. Njegova kemi~na sestava je podana v tabeli 2. Obe jekli sta C Si Mn Cr Ni Mo V S P Cu PCM 0,17 0,27 0,45 2,05 1,25 0,60 – – – – 0,355 C Si Mn Cr Ni Mo V S P Cu PCM 0,17 0,27 0,50 2,69 0,06 0,61 0,30 0,016 0,013 0,06 0,413 C Si Mn Cr Ni Mo V S P Cu PCM 0,11 0,31 0,85 0,40 0,98 0,45 0,04 0,006 0,009 0,24 0,252 T. VUHERER ET AL.: IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL namenjeni za jedrske reaktorske posode. Kemi~na sestava jekla SUMITEN 80 P je prikazana v tabeli 3. To jeklo ima napetost te~enja 775 MPa. Namenjeno je za gradnjo mo~no obremenjenih tla~nih cevovodov in tla~nih posod. Podlo`ne plo{~e za implant-preizkuse na jeklih CrNiMoV in CrMoV so bile narejene iz jekla NIOMOL 490 K. Podlo`ne plo{~e za implant-preizkuse na jeklu SUMITEN 80 P so bile iz jekla St 37-2. Kemi~na sestava jekel za podlo`ne plo{~e je prikazana v tabeli 4. Za varjenje navarka pri preizkusih na jeklih CrNiMoV in CrMoV smo uporabili bazi~no opla{~eno elektrodo EVB NiMo .4 mm, na jeklu SUMITEN 80 P pa bazi~no opla{~eno elektrodo LB 118 .4 mm. Nesu{ena elektroda EVB NiMo je imela vsebnost vodika ~ 8,5 ml/100 g vara, elektroda, dve uri su{ena na 350 °C, pa ~ 4,5 ml/100 g vara. Elektroda LB 118, su{ena dve uri na 350 °C, je imela vsebnost vodika ~ 0,5 ml/100 g vara. Vnostoplote pri varjenju je bil 17 KJ/cm navarka 2,3. Trajno implantno trdnost smo dolo~ili pri razli~nih stanjih, in sicer glede na stopnjo posu{enosti opla{~ene elektrode in temperaturo predgrevanja. V tabeli 5 je prikazan obseg opravljene raziskave. Oblika in dimenzije obeh uporabljenih vrst preizku{ancev so prikazane na sliki 2. Tabela 4: Kemi~na sestava jekel za podlo`no plo{~o (mas.%) Table 4: Chemical composition of backing-plate steels (wt.%) Material C Si Mn Cr Mo V S P NIOMOL 490 K 0,07 0,54 0,56 0,67 0,35 0,01 0,002 0,0008 St 37-2 0,17 1,40 0,045 0,045 Tabela 5: Obseg raziskav Table 5: Plan of research Stanje / Material CrNiMoV CrMoV SUMITEN 80 P Nesu{ena elektroda Brez predgrevanja •M6 • M6 – Su{ena elektroda Brez predgrevanja • M6 • M6 • I87 Nesu{ena elektroda Predgrevanje 200 °C •M6 • M6 – Oznaki M6 in I87 pomenita vrsto implant-preiz­ku{anca: – preizku{anec z oznako M6 (slika 2a) ima vrezan metrski normalni navoj M6 – preizku{anec I87 (sliki 2b) ima vrezano kro`no zarezo. Pri preizku{ancih skro`no zarezo moramo poskrbeti, da se po varjenju navarka njen dovolj velik del nahaja na grobozrnatem delu nastalega TVP. Ta pogoj je izpolnjen, ~e je v pre~nem prerezu preizku{anca na zarezi povr{ina vara od2%do20% celotne povr{ine prereza. ^e nam tega pogoja pri varjenju navarka ne uspe izpolniti, preizkusni veljaven. Oblika zareze pri preizku{ancu M6 zagotavlja, da je ta zahteva vedno izpolnjena. Ko so izpolnjene zahteve po potrebni prevaritvi za­reze, so v implantu ob zarezi zdru`eni vsi trije pogoji za nastanek razpok v hladnem: – vodik je difundiral iz navarka v implant in se v njem akumuliral, saj je PCM implanta ve~ji od navarka; – obstaja trdi grobozrnati del TVP, ki se je izoblikoval pod vplivom varjenja navarka; – napetosti, ki so posledica obremenitve implanta, so zaradi vpliva koncentracije pove~ane. Shema implant-preizkusa je prikazana na sliki 3. Implant vstavimo v podlo`no plo{~o (200 mm x 150 mm x 20 mm), ki ima na sredini luknjo. Po podlo`ni plo{~i preko povr{ine vstavljenega implanta zavarimo navarek v dol`ini 130 mm. Ko se implant oziroma navarek po varjenju ohladi na temperaturo 150 °C, postopoma obremenimo implant z vnaprej dolo~eno natezno obremenitvijo. Obremenilna sila mora dose~i predvideno velikost, {e preden se implant ohladi pod 100 °C. ^astrajanja obremenitve do morebitne poru{itve MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 3-4 T. VUHERER ET AL.: IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL implanta za~nemo meriti, ko je preizku{anec dokon~no obremenjen. Vzrok za poru{itev implanta pri nastavljeni obreme­nitvi so razpoke v hladnem, ki nastanejo v grobozrnatem delu TVP, v podro~ju koncentrirane napetosti zaradi vpliva zareze. ^e ni poru{itve v ~asu 24 ur (1440 min) sklepamo, da se na grobozrnatem delu TVP v implantu niso pojavile razpoke v hladnem. Kasneje tak{ne razpoke ne morejo ve~ nastati, saj ves vodik z difuzijo zapusti TVP materiala, v katerem je bil pred tem raztopljen. Ker ni ve~ izlo~anja vodika, ki bi zaostril napetostne razmere v obremenjenem implantu, se pokljivost v hladnem ne more ve~ pojaviti. 3 REZULTATI Na sliki 4 in sliki 5 so prikazani rezultati treh skupin implant-preizkusov na jeklih CrNiMoV in CrMoV. Vsaka skupina ustreza enemu stanju pri izvedbi preizku­sov (tabela 5). Na sliki 6 so prikazani rezultati implant-preizkusov na jeklu SUMITEN 80 P. To jeklo smo preizkusili le pri enem stanju. 4 RAZPRAVA Najni`jo implantno trdnost smo izmerili pri varjenju navarkov z nesu{eno elektrodo pri preizkusih brez predgrevanja. Implantna trdnost jekel CrNiMoV in CrMoV je pri tem stanju pribli`no enaka in je okrog 150 MPa. Pri jeklu CrNiMoV je to 30 % velikosti napetosti te~enja, pri jeklu CrMoV pa 35 %. ^e elektrode pred varjenjem navarka su{imo, kot predpisuje proizvajalec elektrod, se vsebnost vodika v elektrodah zmanj{a iz ~ 8,5 ml/100 g na ~ 4,5 ml/ 100 g vara. To je razlog za pove~anje implantne trdnosti, saj je pri manj{i koli~ini raztopljenega vodika potrebna ve~jo napetost za pojav pokljivosti v hladnem. Pri jeklu CrNiMoV se tako implantna trdnost pove~a na 375 MPa, kar je 75 % velikosti napetosti te~enja. Pri jeklu CrMoV smo izmerili znatno ni`ji implantno trdnost, le 220 MPa, t/ Slika 4: Dolo~itev treh implantnih trdnosti pri jeklu CrNiMoV 4 za razli~na stanja (vsebnost vodika: 8,5 ml/100 g ali 4,5 ml/100 g zvara; brez predgrevanja ali z njim) Figure 4: Determination of three implant strengths on CrNiMoV steel for different conditions 4 (content of hydrogen: 8.5 or 4.5 ml/100 g of weld; with or without preheating) t/ Slika 5: Dolo~itev treh implantnih trdnosti pri jeklu CrMoV 5 za razli~na stanja (vsebnost vodika: 8,5 ml/100 g ali 4,5 ml/100 g zvara; brez predgrevanja ali z njim) Figure 5: Determination of three implant strengths on CrMoV steel for different conditions 5 (content of hydrogen: 8.5 or 4.5 ml/100 g of weld; with or without preheating) kar je komaj 50 % velikosti napetosti te~eja osnovnega materiala. Pri jeklu SUMITEN 80 P je implatna trdnost okoli 490 MPa, kar je komaj nekaj ~ez 60 % velikosti nape­tosti te~enja tega jekla. To je dokaj nizko, ~e upo{te­vamo, da smo s su{eno elektrodo LB 118 v material vnesli le okoli 0,5 ml vodika na 100 g vara. Ko smo pri preizkusih na jeklih CrNiMoV in CrMoV varili navarek z nesu{eno elektrodo in ob tem predgre­vali na 200 °C, se je implantna trdnost glede na enako koli~ino vnesenega vodika seveda pove~ala. Pri jeklu CrNiMoV je bila 450 MPa, kar je kar 90 % velikosti napetosti te~enja osnovnega materiala. Pri jeklu CrMoV je bila implantna trdnost le 264 MPa, kar je samo 60 % velikosti napetosti te~enja. ^e primerjamo CrNiMoV in CrNiMo, ugotovimo, da je jeklo CrMoV bolj ob~utljivo za pokljivost v hladnem kot jeklo CrNiMoV. Kljub nizki implantni trdnosti pri uporabljeni nesu{eni elektrodi lahko to precej pove~amo z zmanj{anjem koli~ine vlage v opla{~enju elektrode. Predgrevanje na 200 °C ima {e ve~ji vpliv kot su{enje. Rezultatov implant-preizkusov na jeklu Sumiten 80 P ne moremo tako enostavno primerjati z rezultati preiz­kusov na jeklih CrNiMoV in CrNiMo. Elektroda in T. VUHERER ET AL.: IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL vsebnost vlage sta razli~ni, poleg tega pa tudi tip implanta ni bil isti. 5 SKLEPI Ugotovitve so naslednje: – CrMoV jeklo je bolj ob~utljivo za pojav razpok v hladnem kot jeklo CrNiMoV; – jeklo Sumiten 80 P je zelo ob~utljivo za pokljivost v hladnem, vendar ga te`ko primerjamo z drugima dvema, saj ne gre za enaki vsebnosti vodika v elektrodi; – zmanj{anje vsebnosti vodika v elektrodi s su{enjem elektrode vpliva na precej{en porast implantne trdosti; – zmanj{anje hitrosti ohlajanja, ki ga dose`emo s predgrevanjem, mo~no povi{a implantno trdnost obeh jekel. 6 LITERATURA 1 I. Rak: Technology of welding (in Slovene), Lecture note, High Technical School, Maribor, VTO strojni{tvo Maribor, 1981 2 IIW French group: Cold Cracking test Methods using Implants, International Institute of Welding, doc. IIW IX-1240-82 (rev. 4), 1982 3 K. Satoh, S. Matsui, H. Horikawa, K. Bessyo, T. Okumura: JSSC Guidance Report on Determination of Safe Preheating Conditions Without Weld Crack in Steel Structures, International Institute of Welding, doc. IIW-IX-834-73, 1973 4 V. Gliha, T. Vuherer: Report on Implant Testing, Internal report – COST, Maribor, 2000 5 A. Vavpoti~: Implant-method in The Institute of Metalna (in Slovene), Technical bulletin of the Metalna '84, Maribor 1984 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 3-4 T. VUHERER ET AL.: IMPLANTNA TRDNOST TREH OGLJIKOVIH KONSTRUKCIJSKIH JEKEL