Tehnične novice Dodajni material za varjenje konstrukcijskih jekel s povišano odpornostjo proti atmosferski koroziji, ki ga proizvaja železarna Jesenice Ivan Mesec Miha Stojan I. UVOD Navadna konstrukcijska jekla, ki so stalno izpostavljena delovanju atmosfere, so podvržena procesu oksidaoije, kar vodi do počasnega propadanja, oziroma okvare, če jekla niso na neki način zaščitena. Najenostavnejši način zaščite takih jekel proti atmosferski koroziji je nanos raznih zaščitnih premazov na površino. Da bi pri posameznih konstrukcijah povečali ekonomičnost, obstojnost ter s tem daljšo življenjsko dobo ob istočasnem zmanjšanju stroškov vzdrževanja, so mnogi jeklarski laboratoriji poskušali ta problem rešiti z dodatki različnih legirnih elementov. Raziskave v tej smeri so pripeljale do cele vrste novih nizkolegi-ranih jekel, legiranih s Cu, Ni, Cr, V, P, katerih obstojnost proti atmosferski koroziji je 4—6-krat večja od navadnih konstrukcijskih jekel z istimi fizikalnimi lastnostmi. S skupnim imenom imenujemo to jeklo »jeklo s povišano odpornostjo proti atmosferski koroziji«. Vzrok povečane korozijske odpornosti je pojav, da se na površini tvori, v nasprotju z navadnimi jekli, gosta in trdno oprijeta prevleka (patina), ki nima por in ščiti jeklo pred nadaljnjo korozijo. Lahko rečemo, da jeklo ščiti samo sebe. Hitrost tvorbe zaščitne prevleke je odvisna od letnega časa, vremena in same atmosfere. Najhitrejša je v krajih z višjim S02 v ozračju (industrijsko področje). Proces tvorbe površinske prevleke je končan po približno dveh letih. Po tem času se proces oksidacije toliko zmanjša, da je konstrukcija lahko izpostavljena normalnim atmosferskim vplivom brez zaščitnega sloja barve ali kakega drugega zaščitnega sredstva. Mehanizem tvorbe zaščitne prevleke do danes še ni popolnoma razjasnjen. Poznamo pa, da je zaščitni sloj bogatejši z dodanimi legirnimi elementi, kot sama osnova (jeklo) in da se po strukturi razlikuje od strukture rje navadnih jekel. Legirni elementi, ki povišajo odpornost proti atmosferski koroziji, istočasno povečajo tudi odpornost proti obrabi in obstojnost pri višjih temperaturah. Jekla s povišano odpornostjo proti atmosferski koroziji so žilava, se dajo dobro obdelovati in se dajo zelo dobro variti. Variti jih je možno plamen- sko in elektroobločno, kar je osnovni pogoj njihove ekonomske uporabe. Elektroobločno jih je mogoče variti po vseh znanih postopkih varjenja: ročno, avtomatsko pod praškom (EPP), v zaščitni atmosferi (TIG, MIG, MAG) in pod žlindro (EPŽ). Da bi bil zavarjeni spoj korozijsko enako odporen kot osnovno jeklo, mora biti tudi dodajni material za varjenje odgovarjajoče legiran. Normalno je dodajni material enake sestave kot osnovni, to je legirana s Cu, Ni (Cr). Pri tem mora vsota Cu + + Cr + Ni + V + P znašati minimalno 1 %. Uporablja pa se tudi dodajni material, legiran samo z Ni v območju 1—2,5 % Ni, odvisno od kvalitetnih zahtev vara. Danes so na razpolago in v uporabi legirani dodajni materiali že za vse postopke varjenja. Legirni dodajni material je nujno uporabljati predvsem pri večslojnem varjenju. Pri eno-slojnem varjenju (I zvari) pa ta zahteva ni tako nujna in je možno variti tudi z nelegiranim dodaj-nim materialom. Zaradi velikega mešanja z osnovo dobimo v var zadosti legirnih elementov in s tem zadovoljivo korozijsko obstojnost. Pri večslojnem varjenju večjih dimenzij je tudi ekonomično prve sloje variti z nelegiranim dodaj-nim materialom, zadnje površinske pa z legira-nim. Nelegiran dodajni material se lahko uporablja tudi v primerih, ko konstrukcija nd izpostavljena atmosferski koroziji. Zaradi povišane odpornosti proti atmosferski koroziji se ta jekla uporabljajo predvsem pri gradnji hal, mostov, cevovodov, oljnih tankov, oblog fasad ter v avtomobilski in vagonski industriji. Zaradi velike ekonomičnosti pa se uporabljajo vedno več tudi pri izgradnji industrijskih objektov. Danes poznamo že več vrst teh jekel, ki so na trgu z različnimi komercialnimi imeni, kot npr.: COR — TEN A, B, C Patinax 37 (HOAG) Resista (Hoesch) Korralpin (Alpina) Alcodur (Bohler) A cor 37 A cor 50 itd. Istočasno je za varjenje na razpolago odgovarjajoči dodajni material za naslednje namene: 1. Rutilne elektrode — za nižje kvalitetne zahteve in za varjenje kotnih varov 2. Bazične elektrode — za višje kvalitetne zahteve 3. Žice in praški za avtomatsko EPP varjenje 4. Žice za varjenje v zaščitni atmosferi po TIG, MIG in MAG postopku 5. Polnjena žica za varjenje po MIG in MAG postopku. II. JEKLA IN DODAJNI MATERIAL PROIZVODNJE ŽELEZARNE JESENICE V vrsti novih konstrukcijskih jekel, ki jih proizvaja Železarna Jesenice, se nahajajo tudi jekla s povišano odpornostjo proti atmosferski koroziji. Za te namene proizvajamo naslednje kvalitete jekel: Je-Kor, Nionicral 40, Nionicral 45 (Tabela št. 1). Navedena jekla so ca. 4-krat bolj odporna proti atmosferski koroziji kot fizikalno enakovredna navadna jekla. Jeklo kvalitete Je-Kor se uporablja za manj zahtevne konstrukcije, katerih debelina ne presega 10 mm. Jeklo kvalitete Nionicral 40 in Nionicral 45 se lahko uporabi tudi za bolj obremenjene konstrukcije, ki morajo imeti povečano odpornost proti atmosferski koroziji in istočasno visoko žilavost pri normalni in nizkih temperaturah. Za varjenje teh jekel je na razpolago lastni dodajni material, in to: 1. Elektrode za ročno obločno varjenje: EVB CuNi, EVB Ni 2. Žica in praški za avtomatsko EPP varjenje: žica: EPP 2 CuNi, EPP 2 Ni Praški: EP 40, EP 45, OP40TT 3. Varilne žice za varjenje v zaščitni atmosferi C02: VAC 60 CuNi VAC 60 Ni 4. Polnjena žica za varjenje v zaščitni atmosferi C02: Fluxofil 40 Fluxofi'l 48 Kemijske in fizikalne lastnosti posameznih do-dajnih materialov so podane v tabeli št. 2. III. VARILNO TEHNOLOŠKE RAZISKAVE Z ustreznim dodajnim materialom je raziskovalni oddelek Železarne Jesenice omenjena jekla že varilno tehnološke preiskal. Izvršeni so bili številni preizkusi vpliva vrste dodajnega materiala, pogojev varjenja, dovedene energije in priprave žlebov. Tabela št. 1: Lastnosti jekel 1. Kemijska sestava Kvaliteta C Si Mn Cr Ni Ou Je-Kor max. 0.14 0.50 0.40 0.50 0.50 0.40 % Nionicral 40 max. 0.18 0.40 0.70 0.50 0.50 0.35 % Nionicral 45 mi max. 0.19 0.40 0.70 0.50 0.60 0.35 2. Mehanske lastnosti (pločevine) meja raztez. trdnost raztezak 5 d upogib upogib (fcp/mim2) (kp/mm2) % vzdolž. prečno Je-Kor 35 50—65 min. 20 2 a 3 a Nionicral 40 40 50—65 min. 20 2 a 3 a Nionicral 45 45 55—70 min.20 3 a 4 a 3. Žilavost nestarano (V-Notch) starano 5 % (DVM) Kvaliteta smer kpm/cm2 kpm/cm2 20 0 —20 —40 20 0 Je-Kor vzdolžno 6 6 — — 3.5 — prečno 6 6 — — 3.5 — Nionicral 40 vzdolžno 6 6 6 5 6 5 prečno 6 6 5 4 5 — Nionicral 45 vzdolžno 6 6 5 3.5 5 4 prečno 6 6 5 4 6 — Tabela št. 2 — Lastnosti dodajnih materialov 1. Lastnosti varilnih žic (kemijska sestava) vrsta varilne žice C Si Mn Cu Ni EPP 2 CuNi 0.10 0.20 1.10 0.45 0.55 % EPP 2 Ni 0.09 0.20 1.0 — 1.10 % VAC 60 CuNi 0.10 0.85 1.5 0.5 0.5 % VAC 60 Ni 0.09 0.70 1.50 — 1.05 % 2. Lastnosti čistih varov kemijska analiza mehanske lastnosti Žilavost V ^Notch vrsta dodajnega ___ materiala meja raz. trdnost raztez. minimalno bl Mn Lu Nl kp/mm2 kp/mm2 L5d % 20 0 —20 —40 -60 EVB CuNi .07 .50 .90 .45 .60 47—55 55—63 22—26 14 10 8 7 5 EVB Ni .06 .50 .95 — 1.10 50—58 58—66 22—26 14 12 10 8 6 EPP 2 CuNi/EP 40 .08 .25 1.25 .45 .50 45—55 55—65 22—28 12 8 6 5 4 EPP 2 CuNi/EP 45 .07 .40 .70 .45 .50 42—52 52—62 22—28 12 8 6 4 — EPP 2 CuNi/OP 40 TT .06 .30 .80 .45 .50 42—50 52—60 22—26 14 12 10 8 6 EPP 2 Ni/EP 40 .08 .25 1.25 — 1.0 45—55 55—65 22—26 12 8 6 5 4 EPP 2 Ni/EP 45 .08 .40 .70 — 1.0 42—52 52—62 22—28 12 8 6 4 — EPP 2 Ni/OP 40 TT .06 .30 .80 — 1.0 42—50 52—60 22—26 14 12 10 8 6 VAC 60 CuNi/C02 .09 .55 1.0 .5 .5 44—54 55—65 22—30 10 8 6 4 — VAC 60 Ni/C02 .08 .45 1.0 — — 45—52 57—64 22—30 10 8 6 4 — Fluxofil 40/C02 .06 .30 1.40 — 1.2 48—54 56—62 24—28 18 16 12 8 4 Fluxofil 48/C02 .06 .30 1.20 .5 1.2 48—54 50—62 22—26 18 16 12 8 4 Rezultati preiskav so naslednji: Jekla Nionicral 40, Nionicral 45 in Je-kor 35 se dobro varijo. Pred varjenjem predgrevanje do debeline 15 mm ni potrebno, kar velja še posebno za jeklo Nionicral 45. Nad debelino pločevine 15 mm je priporočljivo predgrevanje na 100° C. Med varjenjem naj se pločevina ne pregreva, po vsakem varku se mora okolica vara ohladiti do 200° C. Zaželjeno je variti s čim več varkov, če hočemo dobiti dobro žilavost pri nizkih temperaturah. Preiskave so bile izvršene tudi na staranih vzorcih. Med varjenjem naj se oblok čim manj prekinja. Pogoji varjenja: a) Pri ročnem varjenju z elektrodo je potrebno koren variti z elektrodo 0 3,25 mm, nato z 0 4 mm in polnilne varke z elektrodo 0 5 mm. Za vertikalno in nadglavno lego se uporablja premer elektrode 4 mm. Ugodno je variti s sledečimi pogoji: 0 3,25 mm 100 A 10 cm/min. 0 4 mm 165 A lOcm/min. 0 5 mm 220 A 15—20 cm/min. Suhe elektrode naj bodo pred uporabo ogrete na temperaturo 100—150° C. b) Pri polavtomatskem varjenju v zaščitnem plinu C02 naj se vari z žico premera 0 1,2 mm s tokom 180—220 A, napetostjo 30 V ter hitrostjo varjenja 10—25 cm/min pri pretoku plina 16 l/min. Če hočemo doseči še boljše mehanske lastnosti, varimo v mešanicah plinov Ar/C02 80 : 20, kar velja še posebno za jeklo Nionicral 45. c) Pri avtomatskem varjenju pod praškom varimo korenski var s tokom 580 A, napetostjo 35 V in hitrostjo varjenja 40 cm/min. Vlažen prašek je potrebno pred uporabo sušiti na 200° C. S praškom EP 40 in EP 45 lahko varimo z izmeničnim ali isto-smernim tokom. Boljše rezultate dobimo z isto-smernim tokom. Tudi pri tej vrsti varjenja velja. Tabela št. 3 — Je-Kor 35, debelina 10 mm, V zvar vrsta dodajnega materiala meja razt. kp/mm2 trdnost kp/mm2 upogib D = 3 a minimalna žilavost mkp/cm2, 0" C, v zvaru varjeno V-Notch mkp/cm2 stanje starano 5 %, 250° C Trdota HV TVC var EVB 60 CuNi 40 55 180 12—16 5—10 230 210 EPP 2 CuNi - EP 40 42 57 180 7—9 4—6 250 200 VAC 60 CuNi/CCh 40 54 180 8—10 6—8 250 210 da z večjim številom varkov dobimo boljše mehanske lastnosti. Po varjenju je koristno počasno ohlajanje posebno v hladnejšem vremenu. Priprava robov za varjenje je lahko plamenska s sekatorjem, na škarjah ali skobelnem stroju. Za večje debeline je priporočljivo, pri plamenskem rezanju, predhodno predgrevanje. Običajno varimo pločevino različne debeline z naslednjim število varkov: 6 mm I var 2 varka 10—15 mm V var 4—6 varkov nad 15 mm 2/3 X var nad 6 varkov Površina pločevine na mestu varjenja mora biti čista. Spenjanje pred varjenjem naj bo z odgovarjajočo elektrodo. Pri večjih debelinah pločevine mora biti uvedeno predgrevanje, kar velja še posebno za jeklo Nionicral 45. V tabelah št. 3, 4, 5 so navedene minimalne mehanske vrednosti zvarnega spoja, ki jih dobimo na zvarjenih vzorcih z ustreznim dodajnim materialom. Na osnovi dobljenih rezultatov je razvidno, da je za varjenje pri temperaturah do 0° C možno uporabiti vse navedene kombinacije, ki so podane v tabelah. Pri nižjih temperaturah pa se za posamezne temperaturne zahteve priporoča uporaba naslednjega dodajnega materiala: VAC 60 CuNi/C02 VAC 60 Ni/C02 Fluxofil 48/C02 1. Za zahteve do —40° C: EVB CuNi EPP 2 CuNi (EP-40 EP 45) EPP 2 Ni (EP 40 EP 45) 2. Za zahteve do —60° C: EVB Ni EPP 2 Ni/OP 40 TT VAC 60 Ni/.meš. plini Fluxofil 40/meš. plini Opomba: a) Za potrebe, kjer ni potrebno, da so jekla antikorozijsko odporna, se lahko uporabi tudi dodajni material, ki ni legiran s Cu, Ni kot npr. EVB 50, EVB 60, EPP 3, VAC 60. b) Elektrode EVB CuNi, EVB Ni ter varilne žice EPP 2 CuNi, EPP 2 Ni, VAC 60 CuNi, VAC 60 Ni proizvajamo v lastni proizvodnji. c) Praški EP 40 in EP 45 so taljeni praški. Proizvajamo jih v lastni proizvodnji in so namenjeni za kvalitetne zahteve varov do —20°C, oziroma —40° C. Prašek OP 40 TT je aglomeriran in je namenjen za kvalitetne zahteve do —60° C. Trenutno še ni v lastni proizvodnji, temveč ga dobavljamo na osnovi kooperacije s firmo Oerlikon. Zato je za njegovo nabavo potrebno daljše predhodno naročilo po dogovoru. Isto velja tudi za polnjeno žico Fluxofil 48 in Fluxofil 40. Tabela št. 4 — Nionicral 40, debelina 10 mm, »V« zvar minimalna žilavost mkp/cm2, 0° C, v zvaru maximalna trd. HV vrsta dodajnega materiala meja razt. kp/mm2 trdnost kp/mm2 upogib D = 3 a varjeno starano 5 % 250» C žarj eno 580° C 3h peč žarj. + star. TVC var EVB 60 CuNi 42 58,5 180 12- -15 5- -8 10- -12 6—9 240 220 EVB 60 Ni 43 58,2 - 180 15- -20 9- -12 12- -14 8—10 240 220 EPP 2 Ni — EP 40 44,2 60,6 180 8- -10 4- -6 6- -8 3,5—5 230 210 EPP 2 CuNi — EP 40 42,0 58,0 180 7- -9 3,5- -5 4- -6 3,5—5 250 220 VAC 60 CuNi/COz 42,5 60,5 180 8- -10 6- -8 6- -8 8—10 250 210 VAC 60 Ni/C02 42,0 60,7 180 8- -14 8- -10 8- -10 4—6 250 230 Tabela št. 5 — Nionicral 45, 12 mm, V zvar vrsta dodajnega materiala meja razt. kp/mm2 EVB 60 CuNi 47 EVB 60 Ni 50 EPP 2 Ni — EP 40 48 EPP 2 CuNi — EP 40 46 VAC 60 CuNi/COz 45 VAC 60 Ni/C02 50 trdnost kp/mm2 62 63 64 62 60 62 upogib minimalna žilavost mkp/cm2, 0° C, v zvaru maximalna trdota = 3 a varjeno starano 5% 250° C žarj eno 580° C 3h žarj. + star. TVC var 180 12—14 10—12 8—10 6—9 300 250 180 18—18 10—12 8—10 8—10 320 240 180 8—10 6—8 4—6 4—6 280 220 180 7—9 4—6 3,5—5 3,5—5 260 220 180 7—9 6—8 4—6 4—6 300 250 180 8—12 8—10 4—6 4—6 320 260