ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: HUTNICTWO z. 19 Nr kol. 607
1979
Stanisław LALIK, Zbigniew MATERKA Instytut Inżynierii Materiałowej Politechnika Śląska
PROBLEMY SPAWALNOŚCI NOWYCH STALI TYPU FERMANAL I FERCHROMAN
Streszczenie.Przedstawiono wyniki badań skłonności stali Ó0G30J9 i 50H17G17 do tworzenia pęknięć gorącyoh w procesie spawania, a w szczególności określono temperaturowy zakres kruchości TZK oraz war
tości odkształcenia krytycznego i dopuszczalnej grubości odkształ
cenia w TZK. Przedstawiono także wyniki badań własności mechanicz
nych i struktury połączeń spawanych wykonanych wiązką elektronów, metodą TIG oraz ręcznie elektrodą ES-18-8-6B.
1. WSTĘP
Prowadzone w Instytuoie Inżynierii Materiałowej Politechniki Śląskiej praoe nad wysokostopowymi manganowymi stalami austenitycznymi pozwoliły na opracowanie nowych stali typu FERMANAL i FERCHROMAN, które oznaczono odpowiednio 60G30J9 i 50H17G17- Stale te charakteryzują się wysokimi włas
nościami mechanicznymi CRta około 960 MPa) oraz szeregiem interesującyoh własności technologicznych, z których charakterystyczne są przydatność do praoy w tempera tur a„oh kriogenicznych oraz dla stali FERMANAL obniżony o około 12# w stosunku do stali konstrukcyjnych ciężar właściwy przy wyso
kiej plastyczności (a^ około 30$) i dla stali FERCHROMAN dobra żaroodpor- ność oraz odporność na kawitaoyjne oddziaływanie ośrodka D»2,3,^].
Przydatność tyoh stali do celów konstrukcyjnych uwarunkowana jest w du
żym stopniu możliwością ioh spawania, dlatego konieczne jest określenie spawalności tyoh stali. W związku ze skłonnością stali austenitycznych do pękania gorącego, badania spawalności przeprowadzono w kierunku określe
nia ich skłonności do tworzenia tego rodzaju pęknięć w trakcie procesu spa wania oraz określenia własności mechanicznych i struktury złącz spawanych elektrodami otulonymi, elektrodą wolframową w osłonie argonu oraz wiązką elektronów.
162 St. Lalik, Z. Materka
2. BADANIA WŁASNE
2.1. Materiał do badań
Badania przeprowadzono na płytach wyciętych z gorąoo walcowanych blach o grubośoi 4 mm. Płyty próbne spawano przy użyciu elektrod ES 18-8-6B,dru
tu SP13 oraz pasków blachy wyciętych z analizowanych stali. Skład chemicz
ny badanych stali oraz materiałów dodatkowych do spawania podano w tabli- oy 1.
Tablica 1
Skład chemiozny materiałów użytych do badań
Materiał C Mn Al Cr Ni Si P S
60G30J9 50H17G17 ES 18-8-6B SP13
0,60 0,50 0,18 0,06
29.7 1 7 . 8 5-8 1-2
8,75
1 6,6 17r21 18-20
0,22 7-10 10-12
0,4 0,7 maks.
1,5 0,6
0,02 0,35 maks, 0,04 maks.
0,015 0,02 0,001 maks.
0,025 maks.
0,018
2.2. Badania odporności stall na pęknięcia gorące
Badania odporności analizowanyoh stali na pęknięoia gorące przeprowa
dzono stosując próbę o zmiennej wielkości odkształcenia Trans-Varestraint [5].
Na podstawie badań ołcreślono zależność ilości oraz długości powstają
cych pęknięć w zależności od wielkości odkształcenia i prądu spawania, a także temperaturowy zakres kruchości TZK, wartość odkształcenia krytyczne
go w TZK CST (Critical Strain for Temperature drop) i dopuszczalną szyb
kość odkształcania w TZK CSS (Critical Strain Rate to time required to cau
se cracking). Badania przeprowadzono na plytkaoh o wymiarach 100x80 mm przez natapianie ich powierzchni metodą TIG energią liniową łuku wynoszą- cą 5,4 ^ (J = 150 A, U = 12T, V = 12 .
W czasie natapiania do płytki (rys. i) przykładano dynamiczną siłę zgi
na jąoą P, która odkształoała płytkę w stopniu zależnym od krzywizny wy
miennych bloków B. Stopień odkształcenia zmniejszano aż do zaniku pęknięć na gorąoo. Odkształcenie próbki powodowało w obszarze tuż : za jeziorkiem spawalniozym, znajdująoym się w przedziale temperatur obejmujących tempe
raturowy zakres kruchości, powstawanie pęknięć. Obszar przetopionego ma
teriału poddawano badaniom penetraoyjnym w oelu identyfikacji pęknięć.
Oceny skłonności badanyoh stali do pękania gorącego dokonano przyjmu
jąc jako kryterium stosunek sumy długośoi pęjcnięć do wielkości odkształ
cenia oraz wielkośoią TZK, a także wartośoiami CST i CSS, które jak wy
nika z danych literaturowy [5] - zależą jedynie od składu • chemicznego
Problemy spawalności nowych stali 1ĆJ
s to piwa. Rosnąca waitości wskaźników CST i CSS wskazuje o rosnącej odpor
ności metalu na pękanie gorące.
F f
i
Rys. 1. Schemat przebiegu próby Trans-Varestraint
Rys. 2. Zależność ogólnej długości pęknięć £ 1, od wielkości odkształ
cenia Z
Wpływ wielkości odkształcenia oraz wartości prądu spawania na długość pęknięcia gorącego przedstawiono na rys. 2 i 3.
Wpływ prądu spawania na długość powsta
jących pęknięć określono stosując nastę
pujące odkształcenia: dla stali 600301°
- Z = 0,5 6?; i dla stali 5 0H1 7G1 7 - Z =
— o,15?». W celu wyznaczenia temperaturo
wego zakresu kruchości rejestrowano cykl cieplny, jakiemu był poddawany krzepną
cy metal badanej stali v osi napoiny.
Znając wielkość odkształceń i czas po- , .. trzebny do wytworzenia pęknięć o okre- Rys. 3. Zależność ogólnej dłu
gości pęknięć od wielkości prą- ślonej długości, wyznaczono przebieg zmian du spawania
164 St. Lalik, Z. Materka
Rys. U. Przebieg zmian plastyczności w funkcji ozasu
Problemy spawalności nowych atali 163
odkształcenia krzepnącego metalu w funkoji czasu (rys. k). Znajomość tej zaleźnośoi umożliwiła wyznaczenie pierwszego wskaźnika ooeny skłonności stali do gorącego pękania CSS. Wskaźnik CSS określony Jest Jako tangens kąta zawartego między styczną do krzywej plastyczności i osią czasu. Tem
peraturę końca powstającego pęknięcia wyznaczono wykreślnie na krzywej cy
klu cieplnego, odcinając na osi czasu od temperatury krzepnięcia jeziorka ozas potrzebny na przemieszozenie łuku o odcinek równy długości powstałe
go pęknięoia. Znajomość tej temperatury i odpowiadająoym tym pęknięciom odkształceń pozwoliła na wyznaczenie przebiegu zmian plastyczności w funk
cji temperatury (rys. 5) a na tej podstawie określono wartość odkształce
nia krytycznego CST.
Rys. 5. Przebieg zmian plastyoznośoi w funkcji temperatury
2.3* Badanie własności mechanicznych złącz spawanych
W celu określenia własnośoi mechanicznyoh złącz spawanych wykonano pły
ty próbne elektrodą otuloną, metodą TIG oraz wiązką elektronów.Metodą TIG oraz elektrodą ES 18-8-6B wykonano złącza dwustronne na styk,a wiązką elek-
166 St. LaJik. Z. Matoil -
tronów - Jednostronnie na styk. Złącza wykonvwane elektrodą ES 18-8-6B ¡»pa vano elektrodami o średnicy 0 = 3 , 2 5 mm przy następu jąoych, zbliżonych dla obydwu stali parametrach.: J = 100 A, U = 30 V. Metodą TXG spawano przy na>- stępujących parametrach J = 100 - 120 A, V = 4 2Eł# przy przepływie Ar r:
j sp s
= 15 --Ti 4* przy sj>a»/anxu wiązką elektronów U = 30 kV. J = 50 mA, V =
I n 1 1« T S D
irni r
= Í — • i>ykoniuic złącza poddano statycznej próbie rozoiągania i statycz
nej próbie zginania zgodnie z PN 64/M-69710 i PN 64/M-69720. Uzyskane wy- n i k i przedstawiono w tablicy 2.
Tablica 2
Wyniki badań meohanicznyoh złącz spawanych Material
spawany
Metoda spawania
Materiał
dodatkowy «“ śr [MPa]
Miejsoo zerwania
Kąt zgięcia
«• 0 3 elektrodą
otuloną
ES 18-8-613 793 w spoinie 105 60G30J9 T.1G paski mate
riału rodzi
mego
904 w spoinie 1 1 7
SP13 877 w spoinie 121
wiązką elektronów
- 1036 poza spoiną 140
elektrodą otuloną
ES-18-8-6B 857 W spoinie 1 2 6
50H17G17
TIG paski mate
riału rodzi
mego
899 w spornie 87
SP13 812 w spoinie 92
*
wiązką elektronów
1120 poza spoiną 45
Uzyskane wyniki wykazały, że najwyższą wytrzymałość na rozciąganie,zbli
żoną do wytrzymałości badanych stali, posiadają złącza wykonane wiązką e- loktrorów. Złącza wykonane elektrodami otulonymi oraz metodą TIG posiada
ły wytrzymałość na rozciąganie wyższą od wytrzymałości stojiw użytych do wykonania złącz. Plastyczność złąoz mierzona kątem zgięcia była ograniczo
na, przy czym najniższą plastyczność posiadały złącza wykonane ze stali 50H17G17.
» celu poprawienia własności płastycznyoh złącza próbne poddano obrób
ce cieplnej polegającej na wygrzaniu złącz spawenych w temperaturach dla stali 50H17G17 - 1420 K, a dla stali Ó0G30J9 - t320K przez 20 minut i na
stępnie przesycaniu w wodzie. Złącza po obróbce oieplnoj poddano statycz
nej prób o rozciąganiu i zginania, a uzyskane wyniki przedstawiono w ta
blicy
rroblemy spawalnośoi noyyoh atali 16?
Tablica j
Wyniki badań mechanicznyoh złącz spawanych, obrobionych cieplnie Mat er lał
s pawany
Metoda spawania
Materiał dodatkowy ^ ś r
[MPa]
Miejsce zerwania
Kąt zgięcia
«• l > ] elektrodą
otuloną
ES 18-8-6B 6 46 w spoinie 180
60&30J9
paski mate
riału ro
dzimego
889 w spoinie 180
TIG SP13 841 w spoinie 180
wiązka elektronów
- 962 w spoinie 180
elektroaą
otuloną ES 18-8-6B 829 W spoinie 180
50H17G17 TIG
paski mate
riału Rodzi
mego
886 w spoinie 180
SP13 783 W spoinie 180
wiązka elektronów
- 990 w spoinie 180
Otrzymane wyniki wykazały, że przesyoanie zapewnia otrzymanie złącz spa
wanych o wysokiej plastyczności, wyrażonej kątem zgięcia wynoszącym 180°
przy niewielkim spadku wytrzymałości na rozciąganio.
2.4. Badania metalograficzne
Obserwaoje metalograficzne przeprowadzono na próbkach złącz spawa
nych, wyciętyoh z płyt próbnyoh oraz na próbkach otrzymanych podczas ba
dań skłonności stali do pękania gorącego. Wybrane struktury złącz przed
stawiono na rys. 6— 13. W stanie wyjściowym stal 60G30J9 posiadała struk
turę austenityczną z pasmowymi ziarnami ferrytu irys. 6), a stal 30H17G1?
silnie zdefektowaną strukturę austenityczną rj wydzieleniami węglików chro
mu typu M 23C6 7)■ Złącza wykonane wiązką elektronów frys. 8) charak
teryzowały Się wąską strefą wpływu ciepła (rys. 9), przy czym w złączu ze stali Ó0G30J9 wystąpiła wyraźna granica wtopienia (rys. 10).V strefiewpły- wu ciepła złącz wykonanych metodą TIG oraz elektrodami otulonymi nastąpił zanik pasmowośoi struktury, a dodatkowo w złączach ze stali ÓGG30J9 nastą
pił wzrost ilości oraz rozdrobnienie ziara ferrytu (rys. 11). Obserwacje nie ujawniły wad wewnętrznych w analizowanych złączach. Charakter prze
biegu pęknięó na gorąoo powstałych w czasie próby Trans-Varestraint przed
stawiono na rys. 12 i 13.
168 St. Lalik, Z. Matorka
Rys. 7. Mikrostruktura stali 50H17G17. Pov. kOOx
Problemy spawalnośol nowyoh stali 169
Rys. 8. Makrostruktura złąoza spawanego wiązką elektronów ze stall 50H17G17
Ry«. 9. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła złącza ze stali 50H17G17, wy
konanego wiązką elektronów. Pow. 100x
St. Lnlik, Z. Mat orka
Rys. 11. Mikrostruktura strofy wpływu oiepła złącza ze stali 60G30J9, wy
konanego elektrodą ES 18-8-6B. Pow. 100x
Problemy spawalnośoi nowyoh stali 171
Rys. 13* Mikrostruktura pęknięcia gorącego powstałego w stali 50H17G17.
Pow. 70x '
172 St. Lalik, Z. Matorka
3. ANALIZA WYNIKÓW
Przeprowadzone badania wykazały zróżnicowaną skłonność analizowanych stali do pękania gorącego. Stal 60G30J9 wykazuje małą skłonność do "pęka
nia gorącego w prooesie spawania. Pęknięcia pojawiają się przy odkształ
ceniach powyżej 0,37$. Stal ta oeohuje się wąskim zakresem kruchości wy
sokotemperaturowej, nie przekraczającym 60 K oraz stosunkowo wysokimi war
tościami wskaźników CST = 9.10“-’k -1 i CSS = 15.10- 3 s”1 (rys. 4,5),potwier
dzającymi małą skłonność do pękania gorącego.
Stal 60H17G17 charakteryzuje się stosunkowo wysoką skłonnością do pę
kania gorącego, wyższą od stali typu 18-8. Zakres kruohośoi wysokotempera
turowej Jest znacznie wyższy niż dla stali 60G30J9 i wynosi 470 K, nato
miast wartośoi wskaźników CSS i CST są niskie i wynoszą^odpowiednio 2,23.
. 10~3 s_1 i 0,64.10“5 K-1.
Badania własnośoi mechanicznych złącz spawanyoh wykazały, że najwyższą wytrzymałość na rozciąganie posiadają złącza wykonane wiązką elektronów.
Plastyozność złącz jest ograniczona i można ją podnieść, poddając elemen
ty spawane obróbce cieplnej, polegającej na przesyceniu obszaru złącza.
Badania metalograf iozne wykazały brak wad wewnętrznyoh i niewielkie zmiany struktury w strefie wpływu oiepła, polegająoe na rozroście z i a m i zaniku pasmowości struktury oraz wzroście ilośoi fazy ferrytycznej w złąozach ze stali 60G30J9. Spoiny wszystkich złąoz miały strukturę ■'dendry- tyczną. Obserwaoje metalografiozne powstałych w ozasie badań pęknięć go- rąoyoh wykazały, że mają one oharakter międzydendrytyozny, a ioh ilość i długość jest większa w stali 50H17G17.
4. WNIOSKI
1. Stal Ć0G30J9 posiada niską skłonność do tworzenia pęknięć gorących w pro
oesie spawania.
2. Stal 50H17G17 posiada znaczną skłonność do pękania gorącego, wzrasta
jącą ze wzrostem energii liniowej łuku.
3. Najwyższe własności wytrzymałościowe posiadają złąoza spawane przy za
stosowaniu jako spoiwa materiału rodzimego.
4. Plastyozność złąoz spawanyoh podwyższyć można przez zastosowanie obrób
ki cieplnej, polegająóej na przesycaniu złącz z temperatury 1320 K dla stali 60G30J9 i z 1420 K dla stali 50H17G17.
LITERATURA
[1] Woinioa H. i inni: Przemiany fazowe w stali typu FERMANAL i próba in
terpretacji meohanizmów umoonienia. Sprawozdanie z badań w ramach pro
blemu 1-22. Katowioe 1977 (niepublikowanej.
Problemy spawalnośoi nowych stall 173
[2] Gierek A., Woźnica H. , Mazan J.! Wysokostopowa manganowo-aluminiowa stal typu FERMANAL - próby wdrożenia oraz podstawowe własności me—
chaniozne. Hutnik nr 2, 1978.
[3] Maciejny A. i inni: Opraoowanie nowyoh stali Cr-Mn. Sprawozdanie z badań w ramach problemu 1-22. Katowice 1976 (niepublikowane).
P*3 Maoiejny A., Hetmańozyk M . , Niewielski G . : Mechaniczne i fizykoche
miczne własności stali austenityoznej 17Cr-17Mn. Zbiór artykułów z międzynarodowego sympozjum nt. Materiały o wysokich własnościach fi- zyozno-mechanioznyoh. Dratysława 1977.
[53 Senda T. , Matsuda F. : Fundamental Investigations on Solidification Craok Susceptibility for Weld Metals with Trans-Warestraint Test.
Transaction of Japan Welding Society nr 2, 1971.
[6] Gierek A., Woźnica H. , Lalik St.: Badania spawalnośoi nowej wysoko- stopowej manganowo-aluminiowej stali typu FERMANAL. Przegląd Spawal
nictwa Nr 12, 1977.
[73 Lalik St., Mazan J.: Badania spawalnośoi chromowo-manganowej stali austenitycznej 50H17G17. Przegląd Spawalnictwa Nr 7, 1978.
[83 Audo S., Kimata N. : Niektóry ja problemy swarki wysoko-margancowi- stych stali (tłum. 90k/Wz) wg Kikaj no kenkju nr 2, 197(!.
[93 Barysznikow A., Pietrow G. : Stojkost* austenitnogo marganoiewo-al ji>- miniewogo mietałła 3zwa protiw obrazowanija goriaozioh trieszozin.
Awtom. Swarka nr 11, 1967.
[lO] Klimpel A., Mazur W., Szymański A.: Spawalność blach z nowyoh stali kwasoodpornych. Przegląd Spawalnictwa nr 7-8, 1975.
11P0BJIEMŁI CBAPH BAEM OCTH HOBHX C TA JIEii T H IU "< fEB£AH AJIb" H "SE P U P O M A H "
? e 3 10 m e
B p a f i o i e n p e a c T a B J ie H H p e 3 y j i f c x a T t i H c cJie Ä O B a H H ä c k j i o h h o c t h c x a j i e ß 6 0 G 3 0 0 G h 5 0 H I 7 G 0 7 k 0 Ó pa30B aH H x> ro p a w H X i p e ą H H b n p o i j e c o e C B a p K H , b y a c x H o c m o n p e - A eJieH H T e M n e p a T y p H t ie n p e ,ą e jiH x p y n t c o c i H TZK a l a o c e p a 3 M e p b i K p m n ą e c K o 8 £ e -
$ o p M an H H h f l o n y c i H M o i ł C K O pocT H fle $ o p M aĘ H H b T Z K . Ilp e A C T a B Jie H H l a x x t e p e 3 y j i b - TaTŁi H ccjieflO B a H H ft M e x a m m e c K H x o b o J I c t b h c i p y i c x y p u b b o b , B u n o jiH eH H X nyąKOM 3 JI6 K T p 0 H 0 B M elO ^O M TOG H DyąHhlM CIIOCO6 OM SJieKpOAOM E S - 1 8 - 8 - 6 B .
THE PROBLEMS OF WELDING NEW STEELS TYPE FERMANAL AND FERCHROMAN
S u m m a r y
The paper presents the results of research on the tendency of 60G30J9 and 50H17G17 steels to hot cracking during welding, and particularly do termines the temperature sphere (scope) of embrittelement TZK, and the of oritical strain and the allowable rate of strain in TZK. The
St ■ Lai ik, Z ■ Mat erkr.
results of research on mechanical properties and on the structure of wel
ded connections performed by means of the eleotrone beam,by means of the TIG method, and manually, be means of ES-18-8-6B electrode are presented.
