Stale spawalne NiOJM [tryb zgodności]

Normalizacja i ocena jakości metali
Stale spawalne o
podwyższonej wytrzymałości
1
Spawalność - podstawowa własność niskostopowych stali
spawalnych
Spawalność jest właściwością technologiczną określającą zdolność
materiału do uzyskania założonych właściwości mechanicznych po
spawaniu.
O przydatności do spawania elementu konstrukcji współdecydują trzy
główne czynniki:
spawalność metalurgiczna - charakteryzująca zachowanie się materiału
podczas spawania i wpływu spawania na właściwości spawanego
materiału i złącza,
spawalność technologiczna, związana z technologią spawania i jej
wpływem na właściwości złącza,
spawalność konstrukcyjna, ujmująca znaczenie rozwiązania
konstrukcyjnego elementu oraz wpływ grubości materiału na jakość i
właściwości złącza
2
Spawalność metalurgiczna
Skład chemiczny stali powinien być tak dobrany, aby ograniczyć zmiany
struktury, występujące po spawaniu w SWC
Należy uniemożliwić tworzenie się struktur hartowania o dużej twardości
i małej plastyczności
Określenie spawalności stali za pomocą składu chemicznego materiału
rodzimego - za pomocą równoważnika węgla CE
Mn
Dla stali typu C-Mn
Ce = C +
[%]
6
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu
CE IIW = C +
+
+
[%]
6
5
15
Pcm = C +
CEIIW stosowany
dla stali PW
Si Mn Cu Cr Ni Mo V
+
+
+
+
+
+
+ 5B, [%]
30 20
20 20 60 15 10
Pcm wskazany dla stali niskostopowych ulepszonych cieplnie
CE - wskaźnik hartowności i spawalności stali. CE<0,45%
Wysoka wartość CE - ryzyko pęknięć zimnych w SWC.
.
.
3
Podział stali na grupy materiałowe
wg ISO/TR 15608
Materiały o podobnych charakterystykach metalurgicznych i spawalniczych
stanowią grupę materiałową
Spawacz może spawać dowolny materiał podstawowy z danej grupy
materiałowej, jeśli jest wymieniona w jego uprawnieniach
4
Podział stali na grupy
materiałowe
wg ISO/TR 15608
5
Podział stali na grupy
materiałowe
wg ISO/TR 15608
6
Podział stali spawalnych
Stale o normalnej wytrzymałości (NW)
- Re min = 240-270 MPa
Stale o podwyższonej wytrzymałości (PW) - Re min = 270-420 MPa
Stale o wysokiej wytrzymałości (WW)
Stale o bardzo wysokiej wytrzymałości
- Re min = 420-690 MPa
Re min > 690 MPa
7
Stale konstrukcyjne spawalne o podwyższonej wytrzymałości
Dążenie do obniżenia masy konstrukcji przy zapewnieniu dobrej spawalności stali
było przyczyną opracowania stali konstrukcyjnych, zwanych stalami o podwyższonej
wytrzymałości (PW).
Stale PW są definiowane jako stale o minimalnej granicy plastyczności powyżej 275
MPa oraz tak dobranym składzie chemicznym i procesie wytwarzania, aby
charakteryzowały się zarówno dobrą wytrzymałością, odpornością na pękanie,
ciągliwością oraz spawalnością.
W stalach PW, przy zawartości węgla ograniczonej warunkiem dobrej spawalności,
granica plastyczności może być zwiększona przez:
umocnienie ferrytu rozpuszczonymi dodatkami stopowymi,
umocnienie ferrytu drobnodyspersyjnymi węglikami, azotkami czy
węglikoazotkami mikrododatków stopowych,
silne rozdrobnienie ziarna ferrytu,
obróbkę cieplną - normalizowanie lub ulepszanie cieplne.
8
Podział stali spawalnych PW ze względu na skład
chemiczny i technologię wytwarzania
stale PW typu C-Mn (normalizowane)
stale PW mikrostopowe, C-Mn z dodatkami stopowymi
V, Nb, Ti (normalizowane)
Mechanizmy umocnienia stali:
umocnienie roztworowe różnowęzłowe
rozdrobnienie ziaren
umocnienie wydzieleniowe
zwiększenie zawartości perlitu w strukturze stali
9
Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn
Stale PW typu C-Mn zawierają zwiększoną zawartość manganu do 2,0%.
Wyroby walcowane z tych stali dostarczane są w stanie wyżarzonym
normalizująco lub walcowanym normalizująco.
Mangan jest pierwiastkiem stosunkowo tanim i stąd powszechnie
stosowanym jako dodatek stopowy, a jego oddziaływanie w stali polega
na umacnianiu roztworowym ferrytu.
Zawartość Mn w stalach spawalnych ponad 2% jest już szkodliwa ze
względu na pogarszanie plastyczności stali
10
Stale spawalne o podwyższonej wytrzymałości C-Mn
Stale o zwiększonej zawartości manganu do 1,5 - 2,0%
Re = 300 - 360 MPa
Znak
stali
09G2
15GA
18G2
%C
%Mn
%Si
%Cu
%Al
max
0,12
max
0,18
max
0,20
1,20
1,80
1,00
1,50
1,00
1,50
0,15
0,40
0,20
0,55
0,20
0,55
max
0,30
max
0,30
max
0,30
max
0,02
max
0,02
max
0,02
inne
%
V max. 0,1
Mo max. 0,1
V max. 0,1
Mo max. 0,1
N max. 0,09
Ce max
%
0,44
0,45
0,48
Oznaczenia stali wg PN-86/H-84018.
Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J2G3 wg PN-EN 10025:2007
11
Stale spawalne PW mikrostopowe
Stale niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości NSPW zawierają
0,02–0,2% C, zwiększoną zawartość manganu do 2,0% oraz do 0,15%
jednego lub kilku z następujących pierwiastków (mikrododatków): Nb, V,
Ti i Al.
Stale te zazwyczaj mają niski poziom zanieczyszczeń, a niska zawartość
węgla zapewnia dobrą spawalność.
Pierwiastki mikrostopowe wpływają na wielkość ziarna austenitu stali
nagrzanej do walcowania, na przebieg rekrystalizacji podczas
walcowania, przebieg przemiany γ → α, oraz powodują umocnienie
wydzieleniowe.
12
Stale spawalne PW mikrostopowe
Stale typu C-Mn z mikrododatkami Nb, V, Ti, Zr w ilości < 0,1%
Najważniejsze mechanizmy umocnienia:
umocnienie wydzieleniowe
rozdrobnienie ziarna
σ pl
σpl - naprężenie dolnej gr. plastyczności
σo -naprężenie tarcia wew. sieci Feα
k - stała
d - średnica ziarna
Re - do 460 MPa
Znak
stali
15G2ANb
18G2AV
1
= σo + k
d
%C
%Mn
%Si
%Cu
%Al
max
0,18
1,20
1,65
0,10
0,55
max
0,30
max
0,02
max
0,20
1,20
1,65
0,20
0,65
max
0,30
max
0,02
inne
Ce max
%
%
Nb 0,02-0,06
0,47
V max. 0,1
Mo max. 0,1
V 0,05-0,20
0,50
Oznaczenia stali wg PN-86/H-84018.
Przykład obecnego oznaczania stali tej klasy - S355J2G3 wg PN-EN 10025:2007
13
Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco
ze spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po normalizowaniu
lub walcowaniu normalizującym wg PN-EN 10025-3:2007
Maksymalne zawartości pierwiastków, %
Znak stali
C
Si
Mn
V
Inne
CE
Min. własności mechaniczne1)
ReH
Rm
A
MPa
MPa
%
S275N
0,18 0,40 0,5-1,5 0,05
0,40
275
370
Nb
S275NL
0,16
0,05
S355N
0,20 0,50 0,9-1,6
0,43
355
470
0,12
S355NL
0,18
Ti
S420N
0,48
420
520
0,05
0,20 0,60 1,0-1,7 0,20
S420NL
0,53
460
550
S460N
S460NL
1)
wyroby o grubości ≤16 mm
N – stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20°C
L – grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50°C,
zawartość P≤0,030% i S≤0,025% dla stali typu N, oraz P≤0,025% i S≤0,020% dla stali typu NL
24
22
19
17
14
Stale spawalne o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości zastosowanie
Konstrukcje przybrzeżne
rurociągi do przesyłania
ropy naftowej i gazu
ziemnego
kadłuby okrętów
zbiorniki ciśnieniowe
ciężkie pojazdy i maszyny
robocze
Stale WW
15
Wymagania stawiane stalom spawalnym PW i WW
Dobra spawalność (mała skłonność do tworzenia pęknięć zimnych)
Wysoka wytrzymałość
Ciągliwość materiału rodzimego i strefy wpływu ciepła złączy
spawanych w niskich temperaturach
Odporność na pękanie lamelarne (mała anizotropia właściwości
mechanicznych)
Odporność na pękanie pod wpływem środowiska ropy naftowej i gazu
ziemnego (dla stali na rurociągi)
16
Kierunki rozwoju stali PW i WW
Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej
Zastosowanie ciągłego odlewania stali
Zastosowanie obróbki cieplno-plastycznej z przyśpieszonym
chłodzeniem
Modyfikacja składu chemicznego stali dla wykorzystania
efektu utwardzenia wydzieleniowego
17
Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej
Etap oczyszczania
Wstępne oczyszczanie
surówki
Zabiegi metalurgiczne
usunięcie nadmiaru Si
usunięcie nadmiaru P i S
Proces konwertorowy
regulacja zawartości C
Powtórne oczyszczanie
usunięcie nadmiaru C
usunięcie nadmiaru P
odgazowanie
odgazowanie próżniowe
próżniowe
kontrola kształtu wydzieleń
surówki
18
Otrzymywanie stali o wysokiej czystości metalurgicznej
Uzyskiwane zawartości zanieczyszczeń w stali
C = 8 ppm, P = 25 ppm, S = 3 ppm,
N = 15 ppm, H = 1 ppm, O = 5 ppm
19
Ciągłe odlewanie stali
Porównanie
Ciągłe odlewanie
Odlewanie do wlewnic
stali
i wstępne walcowanie
0,5 - 1 godz.
24 - 48 godz.
Uzysk stali
96 - 99 %
80 - 90 %
Oszczędność energii
0,25 - 0,5
1
Zatrudnienie
6 -10 osób/zmianę
20 - 30 osób/zmianę
Oszczędność
<0,33
1
Czasochłonność
(dla uzyskania kęsów)
powierzchni
produkcyjnej
Porównanie ciągłego odlewania stali z odlewaniem do
wlewnic i wstępnym walcowaniem
20
Metody wytwarzania półwyrobów ze stali PW i WW
Obróbka cieplno-plastyczna z przyśpieszonym
chłodzeniem
Ulepszanie cieplne
Utwardzanie wydzieleniowe.
21
Stale spawalne PW po obróbce cieplno-plastycznej
Drobnoziarnistą mikrostrukturę można uzyskać przez wyżarzanie
normalizujące, ale dużo lepsze efekty uzyskuje się w wyniku zastosowania
obróbki termoplastycznej przy wytwarzaniu wyrobów stalowych.
Obróbka ta polega na regulowanym walcowaniu tj. kontrolowaniu
poszczególnych gniotów oraz temperatury walcowania na gorąco w celu
uzyskania drobnoziarnistej mikrostruktury bezpośrednio po obróbce
plastycznej, dzięki czemu eliminuje się kosztowną obróbkę cieplną
(normalizowanie).
Regulowane walcowanie może być uzupełnione regulowanym chłodzeniem
kształtującym końcową mikrostrukturę.
Obróbka termo-plastyczna jest najbardziej efektywnym sposobem poprawy
własności mechanicznych dzięki zmianie mikrostruktury. Może być
stosowana do stali typu C-Mn oraz do stali z mikrododatkami. Istotną zaletą
jest możliwość uzyskania wysokiej granicy plastyczności stali przy
stosunkowo małej zawartości węgla, co znacznie poprawia spawalność stali.
22
Obróbka cieplno-plastyczna (TMCP)
AC
TMCP = CR +
DQ - T
TMCP (Thermo-Mechanical Controlled Process) - obróbka cieplno-plastyczna
CR (Controlled Rolling) - kontrolowane walcowanie
AC (Accelerated Cooling) - przyśpieszone chłodzenie
DQ-T (Direct Quenching and Tempering) -bezpośrednie hartowanie z temperatury
końca walcowania z odpuszczaniem
23
Kontrolowane walcowanie (CR)
Kontrolowane walcowanie jest metodą polepszenia właściwości mechanicznych
stali poprzez rozdrobnienie ziarna z zastosowaniem kontrolowania:
temperatury podgrzewania wlewków,
temperatury początku i końca walcowania,
wielkości gniotów i odstępów czasowych pomiędzy nimi.
24
Kontrolowane walcowanie (CR)
Walcowanie konwencjonalne
Przyspieszone chłodzenie (woda)
R - walcowanie wstępne
F - walcowanie wykańczające
Czas
25
Przyspieszone chłodzenie po walcowaniu (TMCP)
Przyśpieszone chłodzenie po kontrolowanym walcowaniu powoduje
wzrost wytrzymałości i ciągliwości stali przez:
dalsze rozdrobnienie ziarna,
umocnienie osnowy ferrytu,
zwiększanie udziału perlitu i bainitu w strukturze
26
Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco ze
spawalnych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych po walcowaniu
termomechanicznym wg PN-EN 10025-4:2007
Maksymalne zawartości pierwiastków, %
Znak stali
C
Si
Mn
V
Inne
CE
Min. własności mechaniczne1)
ReH,
Rm ,
A, %
MPa
MPa
0,13 0,50
1,50
0,08
0,34
275
360
S275M
S275ML
S355M
0,14
0,39
355
450
0,10
S355ML
S420M
0,43
420
500
0,16 0,60
1,70
0,12
S420ML
0,45
460
530
S460M
S460ML
1)
wyroby o grubości ≤16 mm
M – stan dostawy, stale z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -20°C
L – grupa jakościowa stali z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze -50°C,
zawartość P≤0,035% i S≤0,030% dla stali typu M, oraz P≤0,030% i S≤0,025% dla stali typu ML
24
22
19
17
27
Stale TMCP
Wielkość
udział perlitu, %
CR
14.7
CR + AC
21.0
Wielkość ziarna ferrytu
wg ASTM
8.0
10.7
HV ferrytu
95
109
Gatunek
wg API
Re
KV
-20°C
MPa
J
Wpływ przyśpieszonego
chłodzenia po
kontrolowanym walcowaniu
na mikrostrukturę stali
ferrytyczno-perlitycznej
C
Si
Mn
Skład chemiczny , %
P max
S
Nb
V
max
Ti
inne
-
X70
525
113
0,110
0,32
1,58
0.016
0.003
0,04
0,06
-
X65 HIC
LC
482
379
0,03
0,19
0,82
0,005
0,001
0,04
-
+
0,001B
0,3Ni
X80
579
133
0,075
0,31
1,59
0,006
0,004
0,04
-
+
0,22 Mo
60ppm N
Skład chemiczny i właściwości mechaniczne wybranych gatunków stali wg API
na rurociągi ropy i gazu
28
Proces TMCP
Accelerated Cooling (AC)
Contorolled Rolling (CR)
29
Mikrostruktura stali TMCP
20ｵ m
Wielkość ziarna
Walcowanie konwencjonalne
5ｵm
TMCP
Źródło: Tomoyuki Yokota “Ferrite grain size refinement through γ - α transformation” Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group)
30
Czy jest możliwe dalsze rozdrobnienie ziaren w procesie
TMCP?
UFG - ultrafine grain steels
20ｵm
Konwencjonalne
walcowanie
5ｵm
1ｵ m
TMCP
UFG
Źródło: Tomoyuki Yokota “Ferrite grain size refinement through γ - α transformation” Technical Rapport, NKK Corp. (JFE group)
31
Stale spawalne PW ulepszone cieplnie
Stale konstrukcyjne ulepszone cieplnie mają najwyższą wytrzymałość w
grupie stali spawalnych (Re 500-960 MPa) i są stosowane na konstrukcje
przenoszące duże obciążenia zarówno w temperaturze pokojowej jak i
obniżonej.
Jednoczesne spełnienie wymogów wysokiej wytrzymałości i spawalności
stali narzuca określone ograniczenia w składzie chemicznym, a
zwłaszcza ograniczenia wartości równoważnika węgla CE.
Stale te zawierają około 0,15% węgla, dodatki Mn, Mo, Ni, Cr i
mikrododatki V, Zr i B. Stale ulepszane cieplnie mogą być hartowane
bezpośrednio z temperatury końca walcowania lub nagrzewane ponownie
do hartowania. Temperatury odpuszczania mieszczą się w granicach 500700°C.
Po obróbce cieplnej stale mają mikrostrukturę sorbityczną, co zapewnia
najwyższe własności wytrzymałościowe.
Spawalność oraz plastyczność takich stali jest jednak niższa w
porównaniu do stali otrzymanych w procesie termomechanicznym.
32
Stale spawalne wysokiej wytrzymałości ulepszane cieplnie
Skład chemiczny: C <0,20%, Mn ~1,0%, Ni ~1,0%, Cr i Mo
~0,50% oraz dodatki Ti, V, B
Struktura - martenzyt wysoko odpuszczony (niskowęglowy)
Problemy spawalności
obniżenie ciągliwości i wytrzymałości materiału w obszarze SWC
skłonność do tworzenia pęknięć zimnych
konieczność podgrzewania wstępnego przed spawaniem
Gatunek
T1
Re
MPa
USA 690
C
Si
Mn
P max
0.10
0.20
0.15
0.35
0.60
1.00
0.035
Skład chemiczny , %
S
Cr
Ni
max
0.040
0.40
0.70
0.80
1.00
Mo
inne
0.40
0.60
Cu-0,15-0,50
V-0,03-0,10
B-0,002-0,006
Cu max -0,25
Vmax 0,03
Timax 0,02
Cu-0,25-0,40
V-0,03-0,08
B-0,002-0,005
HY-80
USA
550
0.10
0.20
0.12
0.38
0.10
0.45
0.020
0.020
1.29
1.86
2.43
3.32
0.27
0.63
14HMN
BCu
Pol
690
0,11
0,18
0,15
0,35
0,60
1,00
0,030
0,030
0,40
0,65
0,70
1,00
0,40
0,60
33
Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na
gorąco ze stali spawalnych o podwyższonej granicy plastyczności w stanie
ulepszonym cieplnie wg PN-EN 10025-6:2007
Znak stali
S460Q
S460QL
S460QL1
S500Q
S500QL
S500QL1
S550Q
S550QL
S550QL1
S620Q
S620QL
S620QL1
S690Q
S690QL
S690QL1
S890Q
S890QL
S890QL1
S960Q
S960QL
Maksymalne zawartości pierwiastków, %
C
Si
Mn
Inne
0,20
1,70
0,80
Cr; 1,50
Ni; 2,0
Mo; 0,70
Cu; 0,50
V; 0,12
Nb; 0,06
Ti; 0,05
Zr ; 0,15
N ; 0,015
B ; 0,005
Min. własności mechaniczne 1)
Rm
A
R eH
MPa
MPa
%
550-720
≥ 460
≥ 17
≥ 500
590-770
≥ 17
≥ 550
640-820
≥ 16
≥ 620
700-890
≥ 15
≥690
770-890
≥14
≥890
940-1100
≥11
≥960
980-1150
≥10
1)
W yroby w stanie ulepszonym cieplnie o grubości 3-50 mm. Minimalna praca łamania na próbkach
poprzecznych dla grupy jakości bez symbolu L w temp. 0°C wynosi 30J, w temp -20°C – 27J; dla grupy
jakości z symbolem L w temp. 0°C – 35J, w temp -20°C – 30J, w temp -40°C – 27J, dla grupy jakości L1
w temp. 0°C – 40J, w temp -20°C – 35J, w temp -40°C – 30J, w temp -60°C – 27J
34
35
36
37
38
Stale utwardzane wydzieleniowo
Stale zawierają poniżej 0,07%C i 1,0 - 2,0 % Cu oraz dodatki Ni, Cr, Mo
Obróbka cieplna blach:
walcowanie na gorąco i starzenie
normalizowane i starzenie
przesycanie i starzenie
Struktura:
drobnoziarnisty ferryt z niewielkim udziałem perlitu + wydzielenia miedzi
o wielkości 1-3 x10-12 m
Gatunek
Re
C
Si
Mn
P max
MPa
Skład chemiczny , %
S
Cr
Ni
max
Mo
inne
Cu 1,00- 1,30
Nb 0,02 -0,06
HSLA80
USA
550
max
0,07
max
0,40
0,40
0,70
0,025
0,010
0,60
0,90
0,70
1,0
0,15
0,25
HT-80
Jap.
690
0,05
0,20
1,30
0,003
0,001
-
1,50
-
Cu 1,10
Ti
0,015
Skład chemiczny i właściwości mechaniczne wybranych gatunków stali
utwardzanych wydzieleniowo
39
Stale spawalne PW trudnordzewiejące
Do grupy stali spawalnych o normalnej i podwyższonej wytrzymałości
należą również stale konstrukcyjne trudnordzewiejące.
Są to stale odporne na korozję atmosferyczną na powietrzu, na których w
wyniku zawartości niewielkiej ilości określonych składników stopowych,
wytwarza się przez dłuższe oddziaływanie atmosfery zwarta warstewka
ochronna produktów korozji, skutecznie hamująca przebieg dalszego
procesu rdzewienia stali.
Konstrukcje wykonane z tych stali nie muszą być malowane w celu
ochrony przed korozją atmosferyczną.
Stale trudnordzewiejące zawierają dodatki stopowe Cu, P, Si, Cr. Fosfor
w ilości co najmniej 0,1% najsilniej zwiększa odporność stali na korozję
atmosferyczną jednak istotnie zmniejsza plastyczność i spawalność stali.
Miedź jest najczęściej dodawanym pierwiastkiem do stali
trudnordzewiejących do zawartości 0,3%.
40
Skład chemiczny i własności mechaniczne wyrobów walcowanych na gorąco
ze stali konstrukcyjnych trudnordzewiejących wg PN-EN 10025-5:2007
Znak stali
S235J0W
S235J2W
S355J0WP
S355J2WP
S355J0W
S355J2G1W
S355J2G2W
S355K2G1W
S355K2G2W
1
Maksymalne zawartości pierwiastków, %
C
Si
Mn
P
Cr
≤ 0,13
≤ 0,40
≤ 0,04
≤ 0,12
≤ 0,75
0,20,6
≤ 1,0
0,40,8
0,31,25
≤ 0,16
≤ 0,50
0,51,5
0,06015
≤ 0,04
≤ 0,035
0,-08
Cu
Min. własności mechaniczne1
ReH,
Rm
A
MPa
MPa
%
235
340
26
0,250,55
355
490
22
dla wyrobów o grubości ≤16 mm
41
Spawalność stali wysokiej wytrzymałości
Zalety stali otrzymywanych w procesach TMPC i utwardzanych
wydzieleniowo
Zmniejszenie skłonności do pęknięć zimnych
Eliminacja podgrzewania wstępnego blach przed spawaniem
Możliwość spawania z dużymi energiami liniowymi (stale utwardzane wydzieleniowo)
Wpływ zawartości węgla i
równoważnika węgla na skłonność
SWC do pęknięć zimnych.
1- strefa braku skłonności do pęknięć,
2 - strefa skłonności do pęknięć
zależnie od warunków spawania,
3 - strefa dużej skłonności do pęknięć
42