UDK 621.791.92:669.14.018.298 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC9, 37(1-2)63(2003) R. KEJŽAR, A. LAGOJA: KVALITETA NAVARJENIH KOROZIJSKO OBSTOJNIH PREVLEK ... KVALITETA NAVARJENIH KOROZIJSKO OBSTOJNIH PREVLEK NA KONSTRUKCIJSKEM JEKLU QUALITY OF SURFACED CORROSION-RESISTANT DEPOSITS ON STRUCTURAL STEEL Rajko Kejžar1, Aleš Lagoja2 1Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija 2ACRONI, Jesenice, d.o.o., Cesta železarjev 8, 4270 Jesenice, Slovenija Prejem rokopisa - received: 2002-11-12; sprejem za objavo - accepted for publication: 2003-02-25 Močno legirana jekla z visoko vsebnostjo kroma in niklja ter zelo malo ogljika so korozijsko obstojna. Legiranje visokih vsebnosti kroma in niklja v navar je pri navarjanju z oplaščenimi elektrodami, strženskimi žicami in pod legirnimi praški enostavno. Zaradi uvarjanja pa je pri enoslojnih navarih na konstrukcijskem jeklu nemogoče zagotoviti nizko vsebnost ogljika. Korozijsko obstojnost takih navarov zagotovimo z legiranjem niobija v navar. Niobij veže ogljik ter tako prepreči interkristalno korozijo, ki jo povzroči izločanje kromovih karbidov po mejah kristalnih zrn. Navarjanje po TIG- in ročno obločnem postopku je neproduktivno. Pri navarjanjih po MIG- in EPP-postopku pa je uvarjanje v osnovno konstrukcijsko jeklo intenzivno, zato moramo pogosto navarjati večslojno, da so zgornji navari dovolj legirani s kromom, nikljem in niobijem, da so korozijsko obstojni. Z intenzivnim legiranjem navara preko elektrodne obloge, polnitve strženske žice in legirnega varilnega praška pa lahko dobimo korozijsko obstojne navare na konstrukcijskem jeklu že z enoslojnim navarjanjem. Pri navarjanju po MIG-postopku in pod praškom je priporočljivo navarjanje z večžično elektrodo, da zmanjšamo uvarjanje v konstrukcijsko jeklo. Najbolj legirane avstenitne korozijsko obstojne enoslojne nanose na konstrukcijskem jeklu dobimo pri navarjanju z večžično elektrodo, ki je legirana ali strženska žica, pod legirnim varilnim praškom. Ključne besede: navarjanje, korozijsko obstojni nanosi, navarjanje po MIG-postopku in pod legirnim praškom High-alloyed steels with high contents of chromium and nickel and a low content of carbon are corrosion-resistant. Alloying of the surfacing weld with high contents of chromium and nickel are made possible by covered electrodes, cored wires, and alloyed welding fluxes. Because of penetration, however, it is impossible to ensure a low content of carbon in one-layer surfacing welds on structural steel. The corrosion resistance of such surfacing welds can be ensured by alloying them with niobium. Niobium will bond with carbon and thus prevent intergranular corrosion produced by the precipitation of chrome carbides at grain boundaries. Surfacing by TIG welding and manualmetalarc-welding processes is unproductive. In surfacing with MIG and submerged-arc welding processes, however, the penetration in common structuralsteelis very intense; therefore, very frequently surfacing has to be carried out in several layers so that the upper welding beads may be sufficiently alloyed with chromium, nickel, and niobium to be wear-resistant. Intense alloying of the surfacing weld by an electrode covering, a cored-wire filling and an alloyed welding flux, however, makes it possible to obtain corrosion-resistant surfacing welds on structural steel in a single layer. In surfacing with MIG and submerged-arc processes, it is recommended to surface with a multiple-wire electrode in order to reduce penetration into the structuralsteel. The most strongly alloyed corrosion-resistant single-layer austenitic deposits on structural steel are obtained when surfacing with an alloyed multiple-wire electrode or with an alloyed welding flux. Key words: surfacing, corrosion-resistant deposits, surfacing with MIG and submenged-arc processes 1 UVOD V skupino nerjavečih in korozijsko obstojnih jekel spadajo tista, ki so kemično obstojna pri delovanju vlažne atmosfere, vodne pare ter vodnih raztopin nekaterih kislin, baz in soli. Omenjena nerjaveča in korozijsko obstojna jekla delimo v tri skupine glede na njihovo kemično sestavo (mas. %) in metalografsko strukturo: – feritna Cr-jekla, (maks. 0,12 % C, 13 do 20 % Cr oz. maks. 29 % Cr in maks. 2 % Mo). – martenzitna Cr-jekla, (0,10 do 0,35 % C, 13 do 19 % Cr ter maks. 2 % Mo in maks. 2 % Ni) – avstenitna CrNi-jekla, (maks. 0,2 % C, 10 do 26 % Cr, 8 do 14 % Ni oz. maks. 20 % Ni in maks. 2 % Mo) Feritna in martenzitna Cr-jekla so v primerjavi z avstenitnimi CrNi-jekli korozijsko manj odporna. Korozijska odpornost opisanih močno legiranih jekel je posledica pasiviranja površine zaradi nastajanja Cr-oksidnih prevlek. Z naraščanjem deleža kroma v jeklu pada hitrost korozije zaradi tvorbe stabilnejše pasivne plasti Cr-oksidne prevleke na površini jekla (slika 1). Izločanje karbidov po kristalnih mejah pri počasnem ohlajanju v temperaturnem območju od 870 °C do okoli 425 °C (pri varjenju) pa v močno legiranih Cr- in CrNi-jeklih povzroči znižanje vsebnosti kroma ob kristalni meji. V tako osiromašenih predelih se zmanjša delež kroma pod kritično mejo 12 %, ki še omogoča pasiva-cijo. Razlike v koncentraciji kroma ob meji in v kristalnem zrnu privedejo do nastanka mikrogalvanskega MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 1-2 63 R. KEJŽAR, A. LAGOJA: KVALITETA NAVARJENIH KOROZIJSKO OBSTOJNIH PREVLEK Slika 1: Korozijska hitrost v odvisnosti od vsebnosti kroma v močno legiranih jeklih 1 Figure 1: Corrosion speed as a function of chromium content in high-alloyed steels 1 Slika 2: Vpliv temperature, časa in deleža ogljika na izločanje karbidov 1 Figure 2: Temperature, time and carbon content influence on precipitation of carbides 1 člena, kar povzroči anodno raztapljanje osiromašenih predelov na kristalnih mejah - interkristalno korozijo 1. Na izločanje karbidov v avstenitnem CrNi-nerja-večem in korozijsko obstojnem jeklu pa ne vpliva samo količina ogljika in temperatura. Zelo pomemben je tudi čas. Z naraščanjem vsebnosti ogljika se hitrost izločanja karbidov hitro povečuje (slika 2). Pojav interkristalne korozije preprečujemo z dodatkom stabilizatorjev (titana, niobija in tantala). Ti elementi imajo večjo afiniteto do ogljika, zato krom ne tvori karbidov. Pri varjenju in navarjanju avstenitnih CrNi-koro-zijsko obstojnih nanosov pa z izbiro tehnologije lahko vplivamo tudi na čas za izločanje karbidov, ki naj bo čim krajši. CrNi-nerjaveča in korozijsko obstojna jekla zato varimo brez predgrevanja in z majhnim vnosom toplote, da tako zagotovimo čim večjo hitrost ohlajanja vara in toplotno vplivanega področja. 2 NAVARJANJE KOROZIJSKO OBSTOJNIH NANOSOV NA KONSTRUKCIJSKA JEKLA Korozijsko obstojna jekla največ varimo po TIG- in MIG-postopku z močno legiranimi žicami ter ročno obločno z oplaščenimi elektrodami. Sestave čistih varov so v vseh navedenih primerih nerjaveča in korozijsko obstojna jekla. Pri varjenju konstrukcijskega jekla pa je korozijska obstojnost varov zelo odvisna od uvarjanja in sestave jekla (tabela 1). Korozijska obstojnost enoslojnih navarov je zaradi zvišane vsebnosti ogljika problematična, pri navarjanju po MIG- postopku pa lahko pričakujemo, zaradi inten-zivnejšega uvarjanja v osnovno konstrukcijsko jeklo, slabo korozijsko obstojnost tudi dvoslojnih navarov. Pri produktivnejših postopkih navarjanja, to je navarjanju po MIG-postopku in pod praškom (EPP), ki ju spremlja intenzivnejše uvarjanje, lahko izboljšamo Tabela 1: Navarjanje po TIG- in MIG-postopku z dodajnimi materiali TIG 19/9 NbSi in MIG 19/9NbSi na konstrukcijsko jeklo sestave: 0,16 % C; 0,21 % Si in 0,42 % Mn Table 1: TIG- and MIG-surfacing with filler material TIG 19/9 NbSi and MIG 19/9NbSi on structural steel: 0,16 % C; 0,21 % Si and 0,42 % Mn Postopek % uvara %C % Si %Mn %Cr %Ni %Nb TIG 1 sloj 2 sloj 20 20 0,08 0,06 0,60 0,68 1,68 1,94 15,2 18,2 7,2 8,6 0,56 0,67 MIG 1 sloj 2 sloj 50 50 0,11 0,09 0,46 0,58 1,21 1,61 9,5 14,3 4,5 6,8 0,35 0,53 Tabela 2: Sestavi izbranih strženskih žic, čistih varov in enoslojnih navarov z dvojno elektrodo ? 2,75 mm po MIG-postopku (33 V, 500 A) na konstrukcijsko jeklo sestave: 0,16 % C, 0,21 % Si in 0,42 % Mn Table 2: Compositions of selected cored wires, deposited metals and single-layer MIG-surfacing weld obtained with two cored wires ? 2,75 mm (33 V, 500 A) on structuralsteel: 0,16 % C, 0,21 % Si and 0,42 % Mn Strženska žica %C % Si %Mn %Cr %Ni %Nb S-18/8LC; sestava žice 0,04 0,02 0,22 20,0 9,2 - čisti var 0,04 0,15 0,22 20,2 9,3 - enosloini navar 0,07 0,16 0,28 15,2 7,0 - S-18/8Nb; sestava žice 0,04 0,02 0,22 17,5 7,2 1,3 čisti var 0,04 0,15 0,22 17,6 7,3 1,3 enoslojni navar 0,07 0,16 0,28 13,2 5,5 1,0 64 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 1-2 R. KEJŽAR, A. LAGOJA: KVALITETA NAVARJENIH KOROZIJSKO OBSTOJNIH PREVLEK korozijsko obstojnost enoslojnih in dvoslojnih navarov na konstrukcijskem jeklu le z intenzivnejšim legiranjem navara s kromom, nikljem in niobom preko polnitve strženske žice in preko legiranega varilnega praška. Za enoslojno navarjanje korozijsko obstojnih nanosov na konstrukcijsko jeklo smo pripravili strženski žici S-18/8 LC in S-18/8 Nb. Masni delež polnitve, ki vsebuje le okoli 8 % mineralov (drugo so kovine), je pri omenjenih dveh strženskih žicah 30,7 % in 28,1 %. Sestave strženskih žic, čistih varov in enoslojnih navarov na konstrukcijsko jeklo (navarjali smo z dvojno elektrodo po MIG-postopku; delež uvarjanja v osnovo je bil 25-odstoten), so podane v tabeli 2. Zaradi prenizke vsebnosti kroma in niklja so eno-slojni navari s stržensko žico "S-18/8 Nb" na konstrukcijskem jeklu korozijsko neodporni. Nekoliko bolj korozijsko odporni pa so nanosi s stržensko žico "S-18/8 LC". V tabeli 3 je podana korozijska odpornost, trdota in struktura (sliki 3 in 4) enoslojnih navarov s strženskima žicama S-18/8 LC in S-18/8 Nb 2. Slaba korozijska obstojnost prikazanih enoslojnih navarov je posledica martenzitno bainitne strukture in notranjih napetosti (visoke trdote) v navarih. Korozijsko obstojnost smo določali v skladu z ISO - standardi 3,4 z raztapljanjem izrezanih vzorcev navarov v 18-odstotni H2SO4 pri 60 °C (1h) ter obrabo podali v g/m2 ploščine vzorca. Slika 3: Mikrostruktura enoslojnega navara z dvojno stržensko žico S-18/8 LC po MIG- postopku na izbranem konst. jeklu (martenzit ter delno bainit in avstenit; precej karbidov) Figure 3: Microstructure of single-layer MIG-surfacing weld obtained with two cored wires S-18/8 LC on structuralsteel(martensite and partly bainite and austenite; many carbides) Boljšo obrabno obstojnost in bolj legirane avstenitne enoslojne navare pa dobimo pri navarjanju z dvojno nelegirano žico EPP 2 ali dvojno stržensko žico S-18/8 Nb pod legirnim varilnim praškom AB-CrNiNb (masni delež kovin 48 %) 5. Sestave kovin dodajnih materialov (masivna in strženska žica) in pomožnega materiala (legirni varilni prašek), ki se pri varjenju porabljajo približno v razmerju 1:2, ter čistih varov in enoslojnih Tabela 3: Korozijska obstojnost, trdota in struktura enoslojnih navarov z dvojno elektrodo po MIG-postopku na izbranem konstrukcijskem jeklu Table 3: Corrosion resistance, hardness and structure of single-layer MIG-surfacing weld obtained with two cored wires on selected structural steel Vzorec Korozijska obstojnost Trdota (HV) Struktura (g/m2) Koeficient relativne obrabe Teme Koren Konstrukcijsko jeklo 192 1,00 Feritno-perlitna Nerjaveče jeklo 18,2 0,095 Avstenitna Enoslojni navar S-18/8 Nb 223 1,16 419 450 Martenzitno-bainitna Enoslojni navar S-18/8 LC 89,3 0,47 395 402 Martenzitno-bainitna Koeficient relativne obrabe Korozijska obraba vzorca (g) Korozijska obraba izbranega konst. jekla (g) Tabela 4: Sestave kovin dodajnih in pomožnih materialov ter čistih varov in enoslojnih navarov z dvojno masivno in stržensko žico (?2 in 2,75 mm) pod legirnim varilnim praškom (32 V, 533 A) na konstrukcijsko jeklo sestave: 0,16 % C; 0,21 % Si in 0,42 % Mn (ca. 20-odstotno uvarjanje) Table 4: Compositions of filler and auxiliary materials (metals), deposited metals and single-layer submerged-arc surfacing weld obtained with two massive and cored wires (?2 and 2,75 mm) and alloyed flux (32 V, 533 A) on structural steel: 0,16 % C; 0,21 % Si and 0,42 % Mn (about 20 % penetration) Dodajni in pomožni material | % C % Si %Mn %Cr %Ni %Nb EPP2, (|>2 mm in AB-CrNiNb sestava kovin (žica + prašek) čisti var enoslojni navar 0,02 0,06 0,08 0,07 0,77 0,66 0,36 0,49 0,48 21,1 30,8 24,6 8,4 12,6 10,1 1,5 2,2 1,8 S-18/8 Nb, (|> 2,75 mm in AB-CrNiNb sestava kovin (žica + prašek) čisti var enoslojni navar 0,02 0,05 0,07 0,01 0,82 0,69 0,08 0,11 0,17 27,1 40,2 32,2 10,9 16,4 13,1 1,9 2,8 2,2 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 1-2 65 R. KEJŽAR, A. LAGOJA: KVALITETA NAVARJENIH KOROZIJSKO OBSTOJNIH PREVLEK Tabela 5: Korozijska obstojnost, trdota in struktura enoslojnih navarov z dvojno elektrodo pod praškom AB-Cr-NiNb na izbranem konstrukcijskem jeklu Table 5: Corrosion resistance, hardness and structure of single-layer submerged-arc surfacing weld obtained with two electrodes and flux AB-Cr-NiNb on selected structural steel Vzorec Korozijska obstojnost Trdota (HV) Struktura (g/m2) Koeficient relativne obrabe Teme Koren Enoslojni navar EPP2/AB-CrNiNb 31,2 0,163 350 310 Avstenitna Enoslojni navar S-18/8Nb/AB-CrNiNb 12,0 0,063 275 280 Avstenitna Opomba: Korozijska obstojnost izbranega konstrukcijskega jekla je 192 g/m2 Slika 4: Mikrostruktura enoslojnega navara z dvojno stržensko žico S-18/8 Nb po MIG- postopku na izbranem konst. jeklu (martenzit in bainit) Figure 4: Microstructure of single-layer MIG-surfacing weld obtained with two cored wires S-18/8 Nb on structuralsteel(martensite and bainite) navarov na izbranem konstrukcijskem jeklu (0,16 % C; 0,21 % Si in 0,42 % Mn) so podane v tabeli 4. Korozijska odpornost, trdota in struktura (slika 5) enoslojnih navarov pod legirnim praškom AB - CrNiNb je podana v tabeli 5. Dobro korozijsko obstojnost navarov zagotavlja avstenitna struktura z visoko vsebnostjo kroma, niklja in nioba že v enoslojnih navarih na konstrukcijskem jeklu, če navarjamo z večžično elektrodo pod legirnimi varilnimi praški. 3 SKLEP Močno legirana korozijsko obstojna avstenitna jekla lahko navarjamo na konstrukcijsko jeklo po ročno obločnem postopku z oplaščenimi elektrodami ter po TIG- in MIG-postopku z legiranimi in strženskimi žicami ter pod legirnimi varilnimi praški. Navarjanje po TIG- in ročno obločnem postopku je neproduktivno. Pri navarjanjih po MIG- in EPP-postopku pa je uvarjanje v osnovno konstrukcijsko jeklo intenzivno, zato moramo navarjati pogosto večslojno, da so zgornji navari dovolj legirani s kromom, nikljem in niobom, da so korozijsko obstojni. Z intenzivnim legiranjem navara preko elektrodne obloge, polnitve strženske žice in legirnega varilnega Slika 5: Mikrostruktura enoslojnega navara z dvojno žico EPP2 pod praškom AB-CrNiNb na izbranem konstrukcijskem jeklu (avstenitna osnova z večjimi karbidi na površini) Figure 5: Microstructure of single-layer submerged-arc surfacing weld obtained with two wires EPP2 and alloyed flux AB-CrNiNb on structuralsteel(austenitic base with larger carbides on surface) praška pa lahko dobimo korozijsko obstojne navare na konstrukcijskem jeklu že z enoslojnim navarjanjem. Pri navarjanju po MIG-postopku in pod praškom je pripo-ročljivo navarjanje z večžično elektrodo, da zmanjšamo uvarjanje v konstrukcijsko jeklo. Najbolj legirane avstenitne korozijsko obstojne enoslojne nanose na konstrukcijskem jeklu dobimo pri navarjanju z večžično elektrodo, ki je legirana ali strženska žica, pod legirnim varilnim praškom. 4 LITERATURA 1 Vehovar L.: Korozija kovin in korozijsko preskušanje, Ljubljana, 1991 2 Kuhar M.: Navarjanje po TIG- in MIG-postopku s strženskimi žica-mi, Diplomska naloga, Ljubljana, 1999 3 Internationalstandard ISO 3651-1. Determination of resistance to intergranular corrosion of stainless steels; Part 1, Second edition 1998 4 Internationalstandard ISO 3651-2. Determination of resistance to intergranular corrosion of stainless steels; Part 2, Second edition, 1998 5 Kraljič V.: Navarjanje korozijsko obstojnih navarov na konstrukcijsko jeklo pod varilnim praškom, Diplomska naloga, 5048, Ljubljana, 2000 66 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 37 (2003) 1-2