Tehnične novice
Novi konstrukcijski mikrotegirani jekii Niomol 390 in Niomol 490
ŽELEZARNA JESENICE
S. Ažman, D. Sikošek, A. Šteblaj, J. Triplat, J. Arh
UVOD
Dolga leta je za konstrukcijska jekla veljalo, da je predstavljala meja plastičnosti glavno karakteristiko trdnostnih lastnosti. Za kriterij žilavosti pa je veljala temperatura prehoda iz žilavega v krhki lom. Žahteve v zvezi z obema lastnostma niso bile preveč ostre, zato so jih lahko zadovoljili z C-Mn jekli, ki so bila toplo valjana in normalizirana. V 60. letih pa so se pojavile povečane zahteve po višjih mejah plastičnosti in po dobrih žilavostih pri nizkih temperaturah, obenem pa so morala biti jekla dobro variva. Tega ni bilo mogoče več doseči s poviševanjem C in Mn, ker se je preveč znižala žilavost in zmanjšala varivost, zato so jeklom začeli dodajati manjše količine karbidotvornih elementov (Ti, Nb, V, Mo), pa tudi Al. Ti elementi z izločevalnim utrjevanjem in zmanjševanjem kristalnega zrna zagotovijo višje trdnostne lastnosti jekla brez poslabšanja žilavosti ali vari-vosti. Z vpeljavo termomehanskega valjanja se je zmanjšanje kristalnega zrna, in s tem povezano izboljšanje žilavosti, še stopnjevalo. Pri tem je bilo možno precejšnje znižanje ogljika, kar je pomenilo izboljšanje žilavosti in varivosti pri enakih trdnostnih lastnostih.
Tako so nastala mikrolegirana konstrukcijska jekla, ki doživljajo svoj razcvet z razvojem tehnologije izdelave jekla. Z uvedbo ponovčne metalurgije, vakuumiranja in možnosti zelo visoke stopnje odžveplanja in z uvedbo termomehanske obdelave je metalurgija sposobna obvladati nove zahteve potrošnikov. Nekatere posebne lastnosti, ki iz teh novitet izhajajo, npr.: visoke meje plastičnosti, dobre žilavosti, dobra odpornost proti napetostni koroziji, enakomernost lastnosti preko preseka izdelka, in predvsem dobra varivost, uvrščajo mikrolegirana jekla med najprimernejši, množično uporaben konstrukcijski kovinski material.
Mikrolegirana jekla uporabljamo predvsem za izdelavo pločevine ter trakov za izgradnjo plinovodov, posod pod tlakom, transportnih sredstev ter raznih drugih varjenih konstrukcij, kjer je važna čimmanjša teža ali pa so ostre zahteve po dobri žilavosti do nizkih temperatur ca. — 60 °C. Po trdnostnih lastnostih (meja plastičnosti) ta jekla pokrivajo območje od 290 do ca. 700 MPa. Vsebnost ogljika pri najnovejših jeklih va-rira od ca. 0,03 % do 0,12 % in je višja pri jeklih, ki so termično obdelana z normalizacijo, kot pri termome-hansko obdelanih jeklih, medtem ko so starejša jekla vsebovala okrog 0,20 % C.
Mikrolegirana jekla s približno 0,20% C in 1,5% Mn imajo že precej visok C-ekvivalent, zato zahtevajo predgrevanje pri varjenju in plamenskem rezanju. Pri debelinah nad 15 mm jih lahko preoblikujemo le v vročem, kar predstavlja še dodatne tehnološke težave in zahteva strogo izvajanje posebne tehnologije preoblikovanja in eventualne naknadne toplotne obdelave.
Pri varjenju teh jekel je potrebno upoštevati tehnologijo varjenja, sicer lahko pride do hudih napak na objektih, predvsem do razpok v zvarnih spojih ali toplotno vplivani coni.
Na podlagi navedenih zahtev in spoznanj za izdelavo modernih mikrolegiranih jekel smo v železarni Jesenice razvili dve vrsti mikrolegiranih konstrukcijskih jekel z mejo plastičnosti Rp = min. 390 MPa in min. 490 MPa.
To sta kvaliteti NIOMOL 390 in NIOMOL 490. Z zmožnostjo termomehanske obdelave bomo v bodočnosti lahko izdelali tudi kvalitetna jekla z mejo plastičnosti do 1000 MPa ob istočasni dobri žilavosti in varivosti.
IZDELAVA JEKLA VRSTE NIOMOL
Ta jekla spadajo med feritno bainitna z Mn in Mo legirana in z Nb mikrolegirana finozrnata jekla z visoko mejo plastičnosti. Zaradi zahtev po visoki žilavosti tudi pri nizkih temperaturah (do — 60°C) in sposobnosti upogibanja uporabljamo pri izdelavi teh in podobnih jekel najsodobnejšo tehnologijo za obdelavo jekla v ponovci.
Jeklo izdelamo v električni obločni peči po dvožlin-drnem postopku zato, da dosežemo dovolj nizko vsebnost žvepla pred sekundarno obdelavo v ponovci in da je rafinacijska žlindra bela (z majhno vsebnostjo oksidov FeO in MnO).
Sledi sekundarna obdelava jekla v ponovci z vpiho-vanjem CaSi ali kombinacijo taljene sintetične žlindre in CaSi.
Rezultat takšne obdelave je nadaljnja dezoksidacija in odžveplanje taline z modifikacijo nekovinskih vključkov, sulfidov in aluminatov v kalcijeve aluminate, v glavnem drobne okrogle vključke, ki med valjanjem ohranijo svojo obliko in s tem vplivajo na mehanske in plastične lastnosti jekla, kot so: raztezek, kontrakcija in žilavost, ki se močno izboljšajo.
Osnovne lastnosti novih jekel so naslednje: Kemična sestava — smerne vrednosti
Vrsta jekla
Si
Mn
Cr Ni
Al
NIOMOL 390 NIOMOL 490
maks. 0,10 0,35 1,00 maks. 0,020 maks. 0,020 — — min. 0,020 maks. 0,10 0,35 1,20 maks. 0,020 maks. 0,020 — - min. 0,020
Jekli sta legirani z Nb in Mo posamezno ali v kombinaciji. Mehanske lastnosti
Vrsta jekla
Meja plastičnosti Rp M Pa pri debelini (mm)
Trdnost RM M Pa
Raztezek
A<%
Upogib za 180° preko radiusa D
	<10	11-15	16-25	>25			min	vzdolž.	prečno
NIOMOL 390	390	390	380	370	460	-640	20	2.5 a	3 a
NIOMOL 490	490	490	480	470	560	-740	19	2.5 a	3 a
Trdnostne lastnosti veljajo pravokotno na smer valjanja. Žilavost (J)
V tabeli so garantirane minimalne vrednosti žilavosti. Dejanske žilavosti, ki so bile dosežene na pločevini, so mnogo višje.
Vrsta jekla
Smer valjanja
Žilavost ISO-V (J) Nestarano stanje Temperatura preiz. (°C)
Žilavost DVM (J) Starano stanje Temp. preizkušanja (°C)
+ 20	0	— 20	-40	-50	-60
63	63	63	55	47	39
55	55	47	39	34	31
63	63	63	55	47	39
55	55	47	39	34	31
+ 20	+ 5	-20	-40	-60
47	41	41	31	27
35	31	31	27	27
47	41	41	31	27
35	31	31	27	—
NIOMOL 390 NIOMOL 490
vzdolž, prečno vzdolž, prečno
Preizkus staranja je bil izveden na 10% deformiranih vzorcih, žarjenih pol ure pri temperaturi T = 250°C.
Preoblikovalna sposobnost
Jekli NIOMOL 390 in NIOMOL 490 lahko preoblikujemo v hladnem do debeline najmanj 25 mm.
Vroče preoblikovanje uporabimo le izjemoma za pločevine, ki so debelejše od 25 mm, in za zelo visoke stopnje deformacije. Temperature vročega preoblikovanja so med 900 in 1000°C! Po vročem oblikovanju izdelke poboljšamo.
Termična obdelava
Jekli NIOMOL 390 in 490 dobavljamo v poboljšanem stanju (kaljeno in popuščeno).
'ITI' diagram:
Iz I IT diagrama na sliki št. 1 je razvidno, da v jeklu pri kakršnikoli hitrosti ohlajanja oz. termični obdelavi ne more nastati martenzitna mikrostruktura. To pomeni, da tudi pri varjenju v prehodni coni ni martenzita, zato so tudi izmerjene trdote preko zvarnega spoja enakomernejše in na diagramih trdot ni opaziti izrazitejših konic. Zaradi teh lastnosti jekla pripravo zvarnih robov lahko izvajamo brez predgrevanja. To pomeni, da pločevino lahko obrezujemo plamensko, naknadna mehan-' ska obdelava zvarnih robov ni potrebna. Prav tako tudi pri varjenju predgrevanje ni potrebno. Izračuni C-ekvi-valentov in temperature predgrevanja po različnih avtorjih to tudi potrjujejo.
Slika 1 111 diagram
V praksi je konstrukcijsko jeklo uporabno toliko, kolikor obvladamo tehnologijo varjenja, kajti končni izdelek je vedno varjena konstrukcija.
Ker sta jekli NIOMOL 390 in NIOMOL 490 bistveno drugačni od dosedanjih domačih mikrolegiranih jekel, smo v železarni Jesenice razvili tudi ustrezen dodaj-ni material, in sicer:
—	za ročno obločno varjenje oplaščeno elektrodo EVB NiMo,
—	za varjenje v zaščitnih plinih žico MIG 65,
— za avtomatsko varjenje pod praškom žico EPP 2	V preiskave je vključena tudi preiskava zvarnih spo-
NiMo 2 in aglomerirani varilni prašek OP 40 TT.	jev, zavarjenih s polnjeno žico Fluxofil 41.
V nadaljevanju so prikazani rezultati preiskav zvarnih spojev, izdelanih z omenjenimi dodajnimi materiali.	Oglejmo si primere:
VARJENJE SOCELNEGA ZVARNEGA SPOJA NA PLOČEVINI DEBELINE D = 12 mm OSNOVNI MATERIAL: NIOMOL 490 šarža 18 1303 Kemična sestava jekla:
C	Si	Mn	P S	Cr	Ni	Cu	Al	Sn	As	Mo	Nb
0,07	0,33	1,14	0,016 0,005	0,17	0,15	0,30	0,015	0,015	0,017	0,28	0,042
Termična obdelava jekla:
Poboljšano (kaljeno in popuščeno)
DODAJNI MATERIAL ZA VARJENJE
1.	Polnjena žica Fluxofil 41
2.	Oplaščena bazična elektroda na bazi Ni in Mo — EVB NiMo
3.	Dodajni material za varjenje v mešanici plinov MIG 65
1. Polnjena žica Fluxofil 41 Preiskave čistega vara: Kemična sestava:
Slika 2
Mikrostruktura osnovnega materiala (pov. 100 x ) Ferit + bainit Mehanske lastnosti jekla:
vfp;
R-m
As Z
a M Pa % %
Žilavost ISO-V (J) Temperatura preizkušanja (°C) + 20 0 -20 -40 -60
C	Si	Mn	Ni Mo
0,05	0,35	1,4	1,2 0,40
Mehanske lastnosti čistega vara:			
MČa	rm M Pa	a5 %	Žilavost ISO-V (J) Temperatura preizkušanja (° C) 0 -20 -40 -60
560	650-750	20	110 80 50 30
510 590 22 70 185 180 190
190
180
Vrednosti veljajo za smer prečno na smer valjanja.
7
Izvedba spoja:
Sočelni V — spoj, priprava robov plamensko, ni potrebna naknadna meh. obdelava. Gradnja posameznih varkov je razvidna iz skice na si. 3.
Mehanske lastnosti spoja:
Natezni preizkus (epruveta s paralelnimi boki)
&
Slika 3
Položaj varjenja: vodoravno
Dimenzija žice: 0 = 1,2 mm
Zaščitni plin: CO2, pretok 12 l/min
Ohlajanje vmesnih slojev: pod temperaturo T =
Varilni parametri:
Var 2—7 1= 165A, U = 21 V
Hitrost varjenja v = 40 cm/min Q = 5,2 KJ/cm
Var 1-8 1= 140A, U = 20 V
Hitrost varjenja v = 40 cm/min Q = 4,2 KJ/cm
Povprečen vnos energije je 4,7 KJ/cm.
	MPa	Rm MPa	a5 %	Mesto pretrga
	490	582	22,5	v osnovnem materialu
Natezni preizkus (epruveta			z vdrtimi boki)	
M^a		rm MPa	a5 %	Mesto pretrga
120 "C	—	615	—	v zvaru
Upogibni preizkus a = 2 d
koren zvara = 180° teme zvara = 180°
g]jka 5	Osnovni material pov. 100 x
Upogibni preizkus
Žilavost zvarnega spoja ISO-V (J)
T preizk.	Mesto zareze	Vrednost	
-20	O	190	
	S	90	
	p	136	
-40	o	180	
	s	85	
	p	115	
-60	0	180	O = osnovni material
	s	47	S = sredina zvara
	p	84	P = prehodna cona
Metalografske preiskave: Makrostruktura in trdote
Slika 8
Prehodna in TVC pov. 100 x
Slika 9 Sredina zvara pov. 100 x
Trdoto HB (merjeno z Rc 60) Oddol|enost od sredine zvara (mm)
Slika 6
Diagram trdot preko zvarnega spoja in makrostruktura
2. Oplaščena bazična elektroda na bazi Ni in Mo EVB NiMo
Preiskave čistega vara:
Kemična sestava:
C Si Mn P S	Ni Mo Cr Cu
0,05 0,44 0,85 0,010 0,012	1,15 0,33 0,06 0,22
Mehanske lastnosti čistega	vara:
Rp Rm A^ Z MPa MPa % %	Žilavost ISO-V (J) Temperature preizkušanja (°C) 0 -20 -40 -60
548 601 24 73	140 130 100 80
Izvedba spoja:
Sočelni V-spoj, priprava robov plamensko, ni potrebna naknadna meh. obdelava. Gradnja posameznbih varkov je razvidna s skice na sliki 10.
Upogibni preizkus a = 2 d
teme zvara = 180° koren zvara = 180°
Slika 11 Natezni preizkus
Slika 12 Upogibni preizkus
Žilavost zvarnega spoja ISO-V (J)
T preizk.	Mesto zareze	Vrednost
— 20°C	O	190
	s	60
	p	160
— 40°C	0	190
	s	46
	p	62
— 60°C	0	180
	s	40
	p	47
O = osnovni material S = sredina zvara P = prehodna cona
Metalografske preiskave:
Makrostruktura in trdote
MPa	MPa	%	Mesto pretrga
487	570	19	v osnovnem
materialu
Natezni preizkus (epruveta z vdrtimi boki)
Mh	MPa	%	Mesto pretrga
611	—	v zvaru
Varilni parametri:
Vari 0 3,25 mm I=110AU = 22V v = 14,6 cm/min Q = 9,9 KJ/cm
Var 2—6 0 4 mm 1= 160 A U = 22 V v = 22,5 cm/min Q = 9,4 KJ/cm
Var 7—10 0 3,25 mm 1= 110 A U =22 V v = 20,0 cm/min Q = 7,2 KJ/cm
Povprečni vnos energije 7,85 KJ/cm.
Mehanske lastnosti spoja:
Natezni preizkus (epruveta s paralelnimi boki)
Slika 10
Položaj varjenja: vodoravno
Dimenzije elektrode: 0 3,25 mm in 0 4 mm
Ohlajanje vmesnih slojev: pod temperaturo T=120"C
U 8 12 16
zvar	|p.c. | osn mat.
osn mater |p.c !zwl p-c.! osn mater
Oddaljenost od sredine zvara (mm)
Trdota HB (merjeno z Rc60 )
Slika 13
Diagram trdot preko zvarnega spoja in makrostruktura
„	p	a	7	Žilavost ISO-V (J)
»7d	0/	T preizk. (°C)	Topi. obdel.
MPa	MPa	%	%	+2Q Q _20v	_6Q
647	732	18	59	128	116	70	35	35
				110	86	72	32	45
552	640	23	68,5	125	112	62	35	30
				120	100	95	59	51
varjeno stanje
napetostno odžarjeno
C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo Al
Mehanske lastnosti čistega vara:
ŽILAVOST ISO-V (J) TEMPERATURA PREIZKUŠANJA + 20 0	-20 -40 -60
1	104	108
2	130	130
3	131	132
4	135	145
5	125	140
6	128	150
7	132	142
8	142	142
9	130	136
10	135	146
150	42	46
60	60	32
118	72	24
133	92	40
140	91	38
142	88	45
151	80	42
150	94	42
144	58	51
135	90	61
Mikrostrukture sredine zvara, prehodne cone in toplotno vplivane cone ter osnovnega materiala kažejo slike od 14—16.
Slika 14 Osnovni material pov. 100 x
3. Dodajni material za varjenje v mešanici plinov MIG 65
Kvaliteta MIG 65
Štev. chg.: 14 4448 Dimenzija: 0 1.2 mm Zaščitni plin: Ar + C02 (80 : 20)
Kemična analiza:
Slika 15 Prehodna in TVC pov. 100x
Slika 16 Sredina zvara pov. 100 x
Zvarni spoj:
Osn. material: Niomol 490 d = 12 mm Dodajni material: MIG 65 chg.: 14 4448 Zaščitni plin: Ar + CO, (80 : 20) Oblika spoja: V spoj
Mehanske lastnosti zvarnega spoja
250
K.	Rm2	As	Z
M Pa	M Pa	%	%
s parelelnimi boki 470	506	18	
z vdrtimi boki	644	—	
Žilavost ISO-V (J) sredine	zv. spoja		
T preizk. (°C)			
+ 20 0	-20	-40	-60
120 85	60	39	30
114 73	74	47	39
98 86	58	58	90
O en
i/i
o >
>M
-40 -20 0 Temperatura (°C )
Slika 17 Žilavost sredine zvarnega spoja
Upogib (d = 4 a):
na teme : ocena 5 a =180" na koren : ocena S a =180°
Izdelane so žilavosti pri T = +20° do —60° v prehodnih conah, in sicer tako, da je prvi žil. preizkušanec oddaljen od zvarnega robu 2 mm in prehaja v osnovni material (po skici).


o
c/l
o
>M
2 3 4 5 6 7
preh cona^ j ^ osn material_
Zaporedna št. žilavostnega vzorca
Slika 18 Žilavost preko prehodne cone
----koen zvara
240
220
200
m i
180
160
140
J_L
	
	
	
	
\	
	
	
	
	
14 10 6
osn malj Pr | osn mat
2 0 2 zvar
6 10 14
|Pr| osn.mat.
jP1*! zvar j Pr ; osn mat
200 240 280 Trdota HB
10 vzorcev čez prehodno cono
Oddaljenost od sredine zvara (mm) Slika 19
Diagram trdot preko zvarnega spoja
Vse trdote se nahajajo v območju med 146 do 222 HB.
Poleg navedenih varilno-tehničnih preiskav so izdelane še številne druge preiskave, tako v laboratorijskem kot v industrijskem merilu. Tako npr. je bila izoblikovana podnica varjene izvedbe v hladnem na preši in na izoblikovalnem stroju Boldrini.
ZAKLJUČKI
Preiskave na novem mikrolegiranem jeklu z mejo plastičnosti 490 M Pa so pokazale naslednje:
—	Jeklo ima odlične mehanske lastnosti, predvsem žilavost pri nizkih temperaturah.
—	Jeklo je sposobno preoblikovanja v hladnem.
—	Zaradi nizkega C-ekvivalenta ga je mogoče pla-mensko rezati brez predgrevanja.
—	Jeklo je zelo dobro varivo. Z uporabo omenjenih dodajnih materialov ima zvarni spoj dobro žilavost do — 60°C.
—	Potrebno je strogo upoštevati prikazano tehnologijo varjenja od parametrov do števila varkov in vnosa energije, če hočemo dobiti dobro žilavost.
—	Dodajni material mora vsebovati Mo.
—	Predgrevanje ni potrebno.
—	Trdote v prehodnih conah ne presegajo 220 HB.
—	Jeklo ni občutljivo na nastanek razpok v hladnem, ker v nobenem primeru ne pride do nastanka mar-tenzita.
—	Jeklo je vsesplošno uporabno, predvsem je namenjeno za zahtevnejše konstrukcije.
—	Vse ugotovitve veljajo tudi za jeklo z mejo plastičnosti 390 M Pa.
Literatura :
1.	INTERNATIONAL INSTITUTE OF WELDING COM-MISSION IX.
Behavion of Metals Subjected to Welding — Recommen-dations for Welding of High strengt Steel. May 1984.
2.	SUZUKI HARUYOSHI
NEW HT 50 STEEL FOR MARINE AND OFFSHORE CONSTRUCTIONS WITH SUPERIOR WELDABILITY
3.	SUMITOMOTEHNICAL BULLETIN
NORIHIKO NOZAKY: KIYOSHI BESSEYO, TAMOT-SU HASHIMOTO Julij 1979, Vol. 11, str. 7
4.	METALCONSTRUCTION Avgust 1985
High Strenght and tempered Steels — Production, Proper-ties and aplications. B. Musgen
5.	STAHL UND EISEN Julij 1985, št. 13
Thermomechanische gewalzte bainitische Stahle mit Streekgrenzen von 500 bis 700 N/mm' fiir Grobblech und Warmbreitband. Heinpich, Baumgardt, Harold de Boer, Bruno Musgen, Udo Schriever.
6.	METALS TECHNOLOGY Julij 1979
Effect of Cooling Rate on Mechanical Properties and Mi-crostructure of Controlled — Rolled — C — Mn — Nb Steels. E. A. Almond, D. S. Mitchell, R. S. Irani.
7.	JOURNAL OF METALS Januar 1972
Microduplex Processing of Low Aloy Steels. F. Snape, N. L. Church.
8.	SCANDINAVIAN JOURNAL OF METALLURGY 1980, št. 9
Controlled Rolling of Mn-Mo HSLA-Steel Plate. Tony Nilsson, M. T. Crooks, J. M. Chilton.
9.	H. B. Cary, Troy, Fulldrahtelektroden neue Entvvicklun-gen und Anwendungen in den USA und in Europa, DVS Berichte 7, Essen 1969.
10.	A. VVerner, H. Baach, Oerlikon Fluxofil Flux — cored Wiers, Bulletin of the Oerlikon Welding Organisation 1985.
11.	B. Bertolaso, Flux Cored Wire, Schweissindustrie Oerli-kon-Buehrle AG, Ziirich 1986.
12.	G. Bommel, Fiilldrahte und ihr praktischer Einsatz Zeit-schrift fiir Schvveisstechnik Nr. 9/1972.
13.	Metallichtbogenschvveissen mit Fiilldrahtenelektrode Der Praktiker 4/1976.