Navarjanje posebnih Ni-zlitin na konstrucijsko jeklo Surfacing of Special Ni-Based Alloys on a Structural Steel R. Kejžar1, ZRMK, Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22 Pri navarjanju močno Iegiranih nanosov ter zlitin na osnovi Ni in Co na nelegirana in malolegirana konstrukcijska jekla moramo zagotoviti čim manjše taljenje osnovnega materiala. To omogočajo postopki navarjanja z majhnim vnosom energije (TIG), ki pa niso zmogljivi. Pri zmogljivejših postopkih znižujemo uvarjanje (taljenje osnovnega materiala) z dodajanjem kovin v elektrodno oblogo (ročno obtočno varjanje) oz. v varilni prašek (varjenje EPP). Tudi navarjanje s trakom in večžično elektrodo zelo ugodno vpliva na zmanjšanje uvarjanja v osnovo. Zaradi taljenja osnove pa posebnih Ni-zlitin z omejeno vsebnostjo železa (max. 5% Fe) nikakor ne moremo navarjati na konstrukcijsko jeklo enoplastno. V teh primerih je zaradi ekonomike priporočljivo navarjati vmesne plasti. Namesto dvo - ali tri plastnega navarjanja drage Ni-zlitine z legiranimi oplaščenimi elektrodami ali večžično Ni-elektrodo pod legiranimi aglomeriranimi praški je bolj gospodarno, da na konstrukcijsko jeklo navarimo najprej cenejšo plast niklja ter šele na vmesno plast drago, posebno Ni-zlitino. Ključne besede: navarjanje, debelo oplaščene visokozmogljive elektrode, močno legirani aglomerirani varilni praški, posebne Ni-zlitine, navarjanje z večžično Ni-elektrodo, vmesne in vrhnje plasti When surfacing high-alloyed claddings and nickel and copper based alloys on unalloyed and low-alloy structual steels, care should be taken that melting of the parent metal is as low as possible. This is permitted by surfacing vvith low energy input (TIG), which, hovvever, is not productive. With more productive processes, penetration, i.e. melting of the parent metal, is reduced by metal addition into the elektrode cover (manual are welding) and into the vvelding flux (submerged are welding) respectively. Also surfacing vvith strip electrode and multiple-wire electrode has a very good influence on reduetion of penetration into the parent metal. Ovving to melting of the parent metal, special Ni-based alloys vvith limited iron content (max. 5% Fe) can in no way be surfaced on a structural steel in one layer. In this čase it is recommended. because of cost-effectiveness, to surface intermediate layers. Instead of two-layer or three-tayer surfacing of the expensive Ni-alloy vvith alloyed covered elektrodes or submerged are surfacing vvith multiple-wire electrode and vvith alloyed agglomerated fluxes, it is more cost-effective to surface, on a structural steel, first an intermediate layer of a cheaper Ni-layer and only then an intermediate layer of the special, expensive Ni-based alloy. Key vvords: surfacing, thick-coated high-produetion electrodes, high-alloyed welding fluxes, special Ni-based alloys, surfacing vvith multiple-vvire Ni-electrode, intermediate and upper layers 1 Izbira postopkov navarjanja Postopki navarjanja omogočajo, da izdelamo iz posebnih korozijsko ali obrabno odpornih jekel in zlitin le tiste obremenjene ploskve in robove, ki se med obratovanjem obrabljajo zaradi kemičnih, mehanskih in toplotnih obremenitev. Ker je delež navara v primerjavi s celotno napravo, strojnim elementom ali orodjem večinoma zelo majhen (pod 10%), je ekonomično, da navarjamo izbrane ter najustreznejše in najkvalitetnejše nanose korozijsko in obrabno odpornih zlitin1"5. Pri navarjanju močno Iegiranih nanosov ter zlitin na osnovi Ni in Co na nelegirana in malolegirana konstrukcijska jekla moramo zagotoviti čim manjše taljenje osnovnega materiala (slika 1). Majhno uvarjanje (taljenje osnovnega materiala) omogočajo postopki z majhnim vnosom energije, npr. postopek TIG. Hiba teh postopkov pa je nizka produktivnost (tabela 1). Pri zmogljivejših postopkih znižujemo taljenje osnove (% uvara) z dodajanjem kovin v elektrodno oblogo oz. v varilni prašek. Tabela 1: Produktivnost izbranih postopkov navarjanja Postopek navarjanja TIG RO MIG EPP Produktivnost (kg/h) 0,3-1,0 0,5-2,5 1,5-6,0 3,0-20,0 1 Prof.dr. Rajko KEJŽAR. dipl.inž.kem. Zavod za raziskavi) materiala in konstrukcij I0(M) Ljubljana, Dimičeva 12 Posebno zahtevno je navarjanje Ni-zlitin z omejeno vsebnostjo železa (npr.: max. 5% Fe) na konstrukcijska jekla. Ta navarjanja so vedno večplastna. Zaradi ekonomike je priporočljivo navarjati po postopkih, za katere je značilno majhno taljenje osnovnega materiala (nizek % uvara) ter na konstrukcijsko jeklo navariti najprej plast niklja in šele na vmesno plast drago, posebno Ni-zlitino6. 2 Dodajni materiali 2.1 Navarjanje po postopku TIG Kot dodajni material za navarjanje Ni in Ni-zlitin po postopku TIG lahko uporabimo žice iz čistega niklja (Nikelin) in žice iz izbranih Ni-zlitin (Ravnin 4 in Ni-monic C. 263; Železarna Ravne - tabela 2). Tabela 2: Kemična sestava izbranih žic iz Ni in Ni-zlitin7"9 Dodajni material (TIG-post.) C (%) Cr (%) Co (%) Mo (%) Ti (%) Al (%) Ni (%) Ostalo (%) Nikelin ca.99 ca.l%Fe Ravnin 4 0,1 19 - - - - ca.78 ca.l%Fe inl%Mn Nimonic C.263 0,06 20 20 5,8 2,2 0,5 ca.50 ca.1% Fe R. 0. MIG EPP -1 EPP - 3 navar uvar K = uvar navar + uvar K= ca • 0.2 K= ca ■ 0.3 K=ca - 0,; Slika 1: Taljenje osnovnega materiala pri izbranih obločnih postopkih navarjanja Figure 1: Fusion of the parent metal in are surfacing processes selected K= ca 0,5 K^ca 0,2-0,3 Pri navarjanju Ni in Ni-zlitin na konstrukcijsko jeklo po postopku TIG moramo upoštevati prekrivanje varkov (slika 2). Zaradi prekrivanja varkov je večvarkovni enoplastni nanos nehomogen in bolj legiran kot prvi varek (tabela 3). Tabela 3: Kemična sestava večvarkovnega enoplastnega nanosa niklja na konstrukcijsko jeklo Varek (postopek TIG) -prvi -drugi -tretji -četrti -deveti -deseti %uvara 20 13,6 13,1 13,0 13,0 13,0 (talj.osnove) % Fe 20,6 14,3 13,8 13,8 13,8 13,8 % Ni 79,2 85,5 86,0 86,1 86,1 86.1 Sestavo varkov pri 50%-nem prekrivanju izračunamo po enačbi 1: % Me„ = (l-K)-%MeSv+0,4 K-%Men.,+0,6-K-%MeOM Legenda oznak: %Meev, %MeoM, %Men in %Me„-i - odstotni delež izbranega elementa v čistem varu, osnovnem materialu ter varkih "n" in "n-1". K - koeficient mešanja n - varek (-prvi, -drugi ... -deseti) Da zagotovimo kar najboljšo homogenost celotnega nanosa, je priporočljivo navarjati drugo plast tako, da prvi varek navarimo na zadnji varek prve plasti (tabela 4). *t0%uvara v predhodnem varku 2. plast (izbrana Ni -zlitina) 1.plast (nikelj) Slika 2: Shema navarjanja ploskve po postopku TIG (uvar = 20%) Figure 2: Scheme of TIG surfacing of a surface (penetration = 20%) Tabela 4: Kemična sestava druge plasti večvarkovnega nanosa niklja na konstrukcijsko jeklo Varek -prvi -drugi -tretji -četrti -deveti -deseti (postopek TIG) % Fe 3,6 2,7 2,7 2,7 2,7 3,5 % Ni 96,4 97,2 97,3 97,3 97,2 96,5 Če priporočila ne upoštevamo, bo druga plast večvarkovnega nanosa znatno bolj nehomogena (tabela 5). Tabela 5: Kemična sestava druge plasti večvarkovnega nanosa niklja na konstrukcijsko jeklo Varek -prvi -drugi -tretji -četrti -deveti -deseti (postopek TIG)_ 2,7 % Fe % Ni 4,9 95,0 2,9 97,1 2,7 97,3 2,7 97,3 2,7 97,3 97,3 Iz tabele 5 (neugoden razpored varkov) je razvidno, da pri navarjanju Ni in Ni-zlitin na konstrukcijsko jeklo po postopku TIG zadostuje že dvoplastno navarjanje, da vsebnost železa v vrhnji plasti ne preseže 5 %. 2.2 Navarjanje z oplaščenimi elektrodami Za ročno obločno navarjanje Ni in Ni-zlitin na konstrukcijsko jeklo sta zanimivi elektrodi Superfonte Ni (Železarna Jesenice) in Fox SACA (Bohler). Elektroda Superfonte Ni je tanko oplaščena, v elektrodni oblogi so poleg mineralnih komponent le dodatki za dezoksidacijo vara. Nasprotno pa je elektroda Fox SACA debelo oplaščena z visoko vsebnostjo kovin za legiranje navara v elektrodni oblogi, kar zelo poveča izkoristek varjenja (rj) ter zaradi hlajenja kopeli vara znižuje taljenje osnovnega materiala (tabela 6). Tabela 6: Osnovni podatki in kemični sestavi čistih varov za elektrodi Superforte Ni in Fox SACA10'11 Elektroda rj uvar C Cr Mo W Ni Ostalo _(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%)_ Superfonte Ni 98 40 - - - - ca.98 ca.l%Fe in l%Mn Fox SACA 180 22 0,06 17 17 5 ca.55 <5%Fe _(ca.3%Fe) Prekrivanje varkov tudi pri ročno obločnem navarjanju Ni in Ni-zlitin na jeklo pomembno vpliva na kemično sestavo in s tem tudi lastnosti zgornje plasti navara (tabela 7 in 8). Tabela 7: Kemična sestava prve, druge in tretje plasti večvarkovnega nanosa niklja na konstrukcijsko jeklo Varek (Superfonte Ni) -prvi -drugi -tretji -četrti -deseti -prvi prva plast % Fe 40,2 30,8 29,3 29,0 29,0 40,2 % Ni 58,8 68,2 69,7 70,0 70,0 58,8 druga plast % Fe 12,2 9,5 9,1 9,0 11,8 16,7 % Ni 86,8 89,5 89,9 90,0 87,2 82,3 tretja plast % Fe 5,3 3,7 3,4 3,3 4,1 7,3 % Ni 93,7 95,3 95,6 95,7 94,9 91,7 * prvi varki pri najbolj neugodnem vrstnem redu navarjanja Tabela 8: Kemična sestava prve in druge plasti večvarkovnega nanosa posebne Ni-zlitine na konstrukcijsko jeklo Varek (Fox SACA) -prvi -drugi -tretji -četrti -deseti -prvi* prva plast % Fe 24,1 17,5 17,0 16,9 16,9 24,1 % Cr 13,3 14,4 14,5 14,5 14,5 13,3 % Mo 13,3 14,4 14,5 14,5 14,5 13,3 % W 3,9 4,2 4,3 4,3 4,3 3,9 % Ni 42,9 46,7 47,0 47,0 47,0 42,9 druga plast % Fe 6,1 5,1 5,0 5,0 6,0 7,6 % Cr 16,5 16,6 16,6 16,6 16,5 16,2 % Mo 16,5 16,6 16,6 16,6 16,5 16,2 % W 4,8 4,9 4,9 4,9 4,8 4,8 % Ni 53,2 53,8 53,8 53,8 53,3 52,3 * prvi varki pri najboj neugodnem vrstnem redu navarjanja 2.3 Navarjanje pod močno legiranimi praški Za platiranje večjih površin in navarjanje daljših navarov posebnih Ni-zlitin na nelegirana in malo legi-rana konstrukcijska in cenena orodna jekla je zelo perspektivno navarjanje pod močno legiranimi aglomerira-nimi praški. Posebno vzpodbudni so rezultati navarjanja pod legiranimi praški z večžično elektrodo6'12-15. Za navarjanje Ni in Ni-zlitin na kosntrukcijsko jeklo lahko uporabimo žice iz čistega niklja in izbranih Ni-zlitin (Nikelin, Ravnin 4, Nimonic C. 263 ... tabela 2). Izdelali pa smo tudi posebna legirana aglomerirana praška za navarjanje vmesnih slojev niklja (SM-Ni 200) in vrhnje plasti posebne Ni-zlitine (SM-Ni Mo) na jeklo. Kemični sestavi čistega vara, za navarjanja s kombinacijami žica/prašek: Nikelin/SM-Ni 200 in Ravnin 4/SM-Ni Mo, sta podani v tabeli 9. Tabela 9: Osnovni podatki in kemični sestavi čistih varov za navarjanje z večkratno elektrodo 2 mm) pod legiranim aglomeriranim praškom (I = 200 A/žico, U = 40 V) Varilni Varilna t| uvar C Cr Mo W Ni Fe prašek žica (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) SM-Ni 200 Nikelin 200 20 pod0,l - - - ca.98 ca. 1 SM-Ni Mo Ravnin 4 220 20 podO.l 18 18 5 ca.55 ca. 1 Zaradi intenzivnega taljenja osnovnega materiala (% uvara) elektroda Superforte Ni ni primerna za navarjanje niklja na konstrukcijsko jeklo. Vsaj triplastno navarjanje je potrebno, da bo vsebnost železa v zgornji navarjeni plasti pod 5% (Tabela 7). Za navarjanje Ni-zlitin na konstrukcijsko jeklo je znatno primernejša debelo oplaščena močno legirana elektroda Fox SACA. Z njo že z dvoplastnim navarjanjem (pod pogojem, da je vsebnost železa v čistem varu pod 3%) zagotovimo zelo nizke vsebnosti železa v vrhnji plasti (Tabela 8 - izračun za 3%-no vsebnost Fe v čistem varu). 10%uyara v predhodnem varku 2.plast(izbrana Ni- zlitina] t.plast (nikelj I Slika 3: Shema navarjanja ploskev z večžično elektrodo pod legiranimi aglomeriranimi praški Figure 3: Scheme of submerged are surfacing of a surface vvith multiple-wire electrode and with alloyed agglomerated fluxes Prekrivanje varkov je pri navarjanjih z večžično elektrodo nepomembno za kemično sestavo večvarkovno navarjenih nanosov. Tako izdelane prevleke so zato kemično homogene in zelo kvalitetne (slika 3 in tabela 10). Tabela 10: Kemična sestava prvega in drugega večvarkovnega nanosa niklja (prva plast) in posebne Ni-zlitine (druga plast) na konstrukcijsko jeklo po postopku navarjanja z večkratno elektrodo (3 žice, 2 mm) pod legiranim aglomeriranim praškom (1 = 200 A/žico, U = 40 V) Varek -prvi -drugi -tretji -četrti -deseti -prvi* prva plast(Nikelin/SM-Ni 200) Fe 20,6 19,0 19,0 19,0 19,0 20,6 Ni 78,4 80,0 80.0 80,0 80,0 78,4 druga plast(Ravnin 4/SM-Ni Mo) Fe 4,6 4,3 4,3 4,3 4,6 4,9 Cr 14,4 14.7 14,7 14,7 14,7 14,4 Mo 14,4 14,7 14,7 14,7 14,7 14,4 W 4.0 4,1 4,1 4,1 4,1 4,0 Ni 60,0 59,6 59,6 59,6 59,3 59,7 * prvi varki pri najbolj neugodnem vrstnem redu navarjanja Sestavo varkov pri 10%-nem prekrivanju izračunamo po enačbi 2: %Men = (l-K)%Mečv4-0,l-K-%Men.,+0,9-K-%MeOM Pri opisanem navarjanju z večkratno elektrodo pod močno legiranimi praški (tabela 10) zadostuje že dvoplastno navarjanje, da v zgornji navarjeni plasti vsebnost železa ne bo presegala zahtevane vrednosti (max. 5% Fe). Z navarjanjem cenejše plasti niklja na konstrukcijsko jeklo (navarjanje vmesne plasti) znatno zmanjšamo porabo dragih kovin (Mo, W ...) in istočasno zagotovimo tudi njihovo maximalno izrabo, saj so dragi legirni elementi samo v zgornji navarjeni plasti, ki je kemično zelo homogena (tabela 10). 3 Sklep Posebne Ni-zlitine lahko navarjamo na nelegirana in malolegirana konstrukcijska ter cenena orodna jekla po različnih varilnih postopkih. Navarjanje po postopku TIG je enostavno in kvalitetno, toda nezmogljivo. Primerno je le za manjša popravila. Nekoliko bolj zmogljivo je ročno obločno navarjanje. Z elektrodo Fox SACA dobimo zelo kvalitetne nanose. Za ekonomično navarjanje Ni-zlitin na konstrukcijska jekla pa bi morali namesto elektorde Superfonte Ni razviti novo debelo oplaščeno visokozmogljivo elektrodo za navarjanje vmesnih plasti. Za platiranje večjih površin in navarjanje daljših nanosov posebnih Ni-zlitin pa je posebno primerno avtomatsko navarjanje z večžično elektrodo (Nikelin, Ravnin 4 ...) pod visokozmogljivimi in močno legiranimi aglomeriranimi praški (SM-Ni 200, SM-Ni Mo...). Hiba avtomatskega navarjanja z večžično elektrodo pod praškom so omejitve, vezane na geometrijo strojnih delov in naprav. Omenjeno težavo lahko premostimo s polavtomatskim navarjanjem s strženskimi žicami na Ni - osnovi po postopku MIG/MAG (primer: Soudometal/ Intervveld - strženska žica "C 95-0"; lit. 16). 4 Literatura 1 R. Kejžar: Platiranje konstrukcijskih jekel z navarjanjem. Kovine, zlitine, tehnologije, 28, 1994, 1-2, 95-100 2R. Kejžar: Navarjanje močno legiranih nanosov na kosntrukcijska jekla. Varilna tehnika, 41, 1992, 4, 96-101 3 A. Diebold: Verschleiss- und Korrosionsmindenjng. Schweisstechnik, 32, 1978, 7, 129-133 ■*R. Kejžar: Izdelava in obnavljanje orodij z navarjanjem. Zbornik seminarja "Materiali in sodobna izdelava". Ljubljana 1991, 117-136 5 R. Kejžar: Hardfacing by Submerged Are Welding. Proceedings of the 2nd International Conference on Tooling "Neue Werkstoffe und Verfa-hrenfur Werkzeuge", Bochum 1989, 301-314 6R. Kejžar: Submerged Are Surfacing with Multiple - Wire Electrode and A!loyed Agglomerated Fluxes. Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials, JOM 4, Helsingor 1989, 273-279 7 F. Grešovnik: Razvojne tendence Železarne Ravne na področju proizvodnje materiala. Zbornik savjetovanja o sadašnjoj i budučoj proizvodnji specijalnih slitina u Željezari Ravne, Kotlje 1989, 10 strani " D. Dobi: Superlegure na bazi niklja. Zbornik savjetovanja o sadašnjoj i budučoj proizvodnji specijalnih slitina u Željezarni Ravne, Kotlje 1989, 40 strani 9 S. Petovar: Tehnološke posebnosti izrade specialnih slitina. Zbornik savjetovanja o sadašnjoj i budučoj proizvodnji specijalnih slitina u Željezari Ravne, Kotlje 1989, 10 strani 10Dodajni materiali za varjenje. Katalog Železarne Jesenice 1991 11 Bohler Sweisszusatzwerkstoffe fur Werkzeugstiihle (s. 25) 12 R. Kejžar: One-Layer Submerged Are Surfacing of High-Alloyed Claddings with Single and Multiple Electrodes and with Alloyed Agglomerated Powders. Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials. JOM 6, Helsingor 1993, 455-463 13 R, Kejžar: Legirani aglomerirani praški za posebna navarjanja. Rudar-sko-metalurški zbornik, 38, 1991, 2, 275-290 14 R. Kejžar: Alloying Processes in Submerged Are Surfacing with Al-loyed Agglomerated Fluxes. /1W Doc. 212-844-93 15 R. Kejžar: Some Results Refferring to Alloying of Submerged Are Surfacing in Multiple Electrode Welding. IIW Doc. 212-813-92 I6Fulldrathe fiir die Auftragschweissung. Soudometal/Intenveld (s. 33)