Wrażliwość złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T na działanie karbu

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Serias MECHANIKA'z. 44

_______ 1971 Nr kol. 304

ANDRZEJ KUMPEL

Katedra Technologii Budowy Maszyn

WRAŻUWOŚĆ ZŁĄCZY ZGRZEWANYCH PRĘTÓW ZE STAU H25T NA DZIAŁANIE KARBU ’

Streszczenlet Zbadano własności plastyczne przy obciążeniach dynamicznych złączy zgrzewanych prę­

tów ze stali H25T poddanych po zgrzewaniu różnym zabiegom obróbki cieplnej. Na zgładach złączy zgrzewanych wykonano badania metalograficzne, mi kroskopowe, a także badania rentgenograficzne izolatów próbek stali H?5T w różnych stanach prze mian strukturalnych.

Wstęp

Nowoczesne technologie wdrażane w przemyśle chemicznym wymagają wy­

sokiej jakości staili nierdzewnych i kwasoodpornych, Intensywny rozwój grzejnictwa elektrycznego zwiększa zapotrzebowanie na wysokiej jakości materiały oporowe, między innymi z żaroodpornych stali chromowych, Sto­

sowane dotychczas prawie wyłącznie stale austenityczne ohromcwo-niklo- we z uwagi na ogólnoświatowy deficyt niklu zastępowane są coraz czę­

ściej przez znacznie tańsze stała ferrytyczne chromowo,które pod. wzglę­

dem odporności na utlenianie w wysokich temperaturaoh, jak i na dzia­

łanie różnego rodzaju ośrodków agresywnych - zwłaszcza zawiorających związki siarki - nie ustępują stałem austenitycznym [1] .

Własności mechaniczne stali ferrytycznych chromowych są wystarcza­

jąco wysokie, aby stale te można było stosować w warunkach znacznego obciążenia statycznego. Jednakże wykazują one bardzo dużą wrażliwość na działanie karbu, co wyraźnie ogranicza możliwości stosowania ich w przemyśle [3-5].

Podczas zgrzewania zwarciowego tworzące się złącze przechodzi cykl cieplny polegający na uderowym nagrzaniu łączonych części i stosunknwo

42 Andrzej KLinęel

szybkim ochłodzeniu. Powoduje to szereg zmian strukturalnych ferrytu stopowego, prowadzących do tak dużej kruchości połączenia, że nawet przy niedużych kątach gięcia może nastąpić jego zniszczenie. Zagadnie­

nie kruchości ferrytycznych stali chromowych było przedmiotem wielu bardzo dokładnych i obszernych badań [5-9], na podstawie których można wyodrębnić kilka zasadniczych przyczyn wrażliwości złączy zgrzewanych z tych stali na działanie karbu, wywołanych:

- rozrostem ziamj - kruchością 475°Cj - wystąpieniem fazy 6" j - korozją raiędzykrystaliczną}

- utwardzeniem w wyniku częściowej przemiany martenzytyoznej j - przesyceniem roztworu stałego węglem i azotem.

Celem pracy jest określenie przyczyn wrażliwości złączy zgrzewanych ze stali ferrytycznej chromowej na działanie karbu.

Materiał do badań

Badania przeprowadzono na złączach zgrzewanych doczołowo zwarćiowo prętów ze stali ferrytycznej chromowej gatunku H25T (tablica 1 ). W ce­

lu dokładniejszego poznania wpływu składu chemicznego, a zwłaszcza za­

wartości węgla na zgrzewalność stali, badania przeprowadzono na sześ­

ciu wytopach o nieco zróżnicowanym składzie chemicznym: trzy wytopy przemysłowe produkcji Huty Baildon, dwa próżniowe oraz jeden wytop

elektrożużlowy, otrzymany w urządzeniu prototypowym, przeznaczonym w Instytucie Spawalnictwa do elektrożużlowego przetapiania stali, przez stopienie odpowiednio zaprojektowanej i wykonanej elektrody rdzenio­

wej (rys. 1).

Zgrzewanie zwarciowe prętów ze stali H25T przeprowadzono według ustalonej technologii zgrzewania w osłonie argonu na zgrzewarce zwar­

ciowej doczołowej ZZbTN o mocy 2,4 kVA przy pracy 50$.

Składchemicznymateriałówprzeznaczonychdobadań-

Wrażliwość złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T,,. 43

cdo

&

EHcd

£N O

<D O 3 CO

&

pq

0,0128 0,0139 0,0173 0,0254 0,0174 0,0112

<

0,007 P-

oo•>

o 0,022 0,013 LP>

Or-* O 0,011

EH

09*0

m

•>

o 0,53 0,70 o

’St«-k o

C^kCO

<D

CO

0,005 0,005

so

o• 0,015 0,022 0,022

0,023 0,019 020*0 0,010 CM

OCM cT 0,021

Ni VO

c^v•>

O VDo cT

LTNLfN•>

O 0,05 0,05 0,06

Si 0,52 r—

O«k 0,33 k£>

CM• *

1,10

O- c—

IT\CM t-•k LT\CM

O inCM

CM CM

co•k CM

CMCM

•k CM

Mn 09*0

VX>

m•»

o 0,53 1,27 8

t—

&

c*

O 8_•>

O

60*0 0,12

&

O* 0,07 ¿0*0

C-

•>

vo

• co

* P- P- tr-

e

f ©

r~Oh

iTkPO B59275 VDVD 5 6 Elektro- żużlowy

M r i vOU

Próżniowy II

44 Andrzej KLimpel

Fe -orm co

M $ o ( J

Rys. 1. Kształt elektrody rdzeniowej do .ytopu elektrożużlowego

Badania mechaniczne

Złącza zgrzewane prętów ze stali H25T, mimo wysokich własności wy­

trzymałościowych nie wykazały zadowalających dynamicznych własności plastycznych (tablica 2). Wstępne badania gięcia udarowego złączy zgrzewanych z naciętym karbem walcowym typu Mesnagera wykazały bardzo

O O

niską udarr-ość, rzędu 0,2-1,0 kdn/cm (xO,1MJ/m~), przy równocześnie du­

żych kątach gięcia pc próbie gięcia statycznego. Karb Mesnagera naci­

nano na głębokość 2 mm dla prętów o średnicy 7 i 8 mm. Teza, że kru­

chość stali ferrytycznych chromowych wywołana jest przesyceniem roz­

tworu stałego węglem i azotem oraz obecnością koherentnych wydzieleń, nasunęła przypuszczenia, że po odpowiedniej obróbce cieplnej usuwają­

cej stan przesycenia, udarność złączy wyraźnie wzrośnie. Wykonano więc badania udarności złączy zgrzewanych przy optymalnych parametrach w osłonie argonu, które po zgrzewaniu poddano dalszej obróbce cieplnej w różnych warunkach (tablica 2).

Badania w/łasności plastycznych złączy zgrzewanych prętów z wytopów przemysłowych poddanych po zgrzewaniu wyżarzaniu wykazały, że mają one

WłasnościplastycznezłączyzestaliH25Tzgrzewanychorazwyżarzanych

Wrażliwości złączy zgrzewnych prętów ze stall H25T.. 45

46 Andrzej Klimpel

bardzo małą udamość bez względu na temperaturę obróbki cieplnej i spo­

sób chłodzenia. Udamość złączy zgrzewanych studzonych z piecem po wy­

żarzeniu w temperaturze 100 i 900°C była bliska zeru, a kąty gięcia zmniejszyły się do wartości 10-30°. Ponieważ szybkość chłodzenia wy­

nosiła w tym przypadku około 2°C/min można przypuszczać, że przyczyną tak znacznego spadku własności plastycznych jest zjawisko kruchości 475°C [10]. Badania własności plastycznych złączy zgrzewanych prętów z wytopów próżniowych stali H25T wykazały bardzo małą ich udamość. Po wyżarzeniu złączy w temperaturze 700 i 900°C przez 3 godziny i chło­

dzeniu w wodzie i powietrzu, zaznaczyła się wyraźna poprawa udamości, szczególnie po wygrzaniu w 900°C i chłodzeniu w wodzie. Natomiast po wyżarzeniu złączy w 700 i 900°C i studzeniu z piecem udamość wydatnie się zmniejszyła w' wyniku wystąpienia kruchości 475°C.

W celu uzyskania możliwości określenia własności plastycznych od­

cinka przesycenia strefy wpływu ciepła złącza zgrzewanego, bez oddzia­

ływania czynników zniekształcających obraz rzeczywistych własności te­

go obszaru, na przykład przez działanie karbu, utlenienia czy też są­

siednich odcinków strefy wpływu ciepła o wyższych własnościach pla­

stycznych, wykonano badania prętów ze stali H25T nagrzewanych udarowo w szczękach zgrzewarki do około 1300°C i chłodzonych w osłonie argonu i spokojnym powietrzu.

Wyniki badań zestawione w tablicy 3 pokrywają się z wynikami badań własności plastycznych złączy zgrzewanych, tak dla wytopów przemysło­

wych, jak i próżniowych. Pręty z wytopu elektrożużlowego stali H25T na­

grzewane udarowo, jak też i złącza zgrzewane, bez względu na tempera- turę wyżarzania i sposób chłodzenia, wykazały udamość bliską zeru, mi­

mo małej zawartości węgla (0,07%c). Wywołane jest to obecnością w tym wytopie stali znacznej ilości krzemu (2,36$Si), wprowadzonego do stali w wyniku redukcji tytanem si°2 zawartego w topniku podczas wytopu

elektrożużlowego.

Badania wpływu temperatury na udamość złączy zgrzewanych ze stali H25T, ujawniły wyraźne różnice w przebiegu tej zależności dla różnych wytopów (rys. 2). Najniższą temperaturę przejścia w stan kruchości ma­

ją złącza zgrzewane prętów z wytopów próżniowych, przyjmując za wskaż-

WłasnościplastycznestaliH25Tponagrzewaniuudarowymdotemperaturypowyżej1300°C w osłonieargonui bez osłonyorazpodalszymwyżarzaniu

Wrażliwości złączy zgrzewnych prętów ze stali H25T.. 47

o)

o

3

'a

■a© TJN rMO AO

<§

8

&

N i ł

‘e aN 0

§

©g

&

+»©

©

1 1

Ś 5

£

o o co co

0,78 0,78 o o co co 8 8

180 180 o- r -

o o 180 180 CM CM IP IP o o

o o co co

4,15 4.2 o o CO CU LP

o- o- KJi KO

8 VO

° o i o 1 1Pi

o o co co

03 C-co o * o "

o o

co co8 8 o o co CD

ip t—co o o

o o co co•M M-

o“ o * o o CD COr - CM

"'ł- o o co coOJ VO

CP CM

i T l §

(4O

IP CD co co co

03 VO co co o * o

IP T- CJ fp fp

CO CM o o CP M3

fp fp CMŁPVO o o * •»*- a-.

fP CM CO KOIP o“ cT

IP co cn CM CM

sO KO CM OJ o * o

KO

■M- lP CM CM

-O VJ3 CM CM o o*

tN3 O•;

r"

oi 8t -

g

o o co co r - T—

o- t -CD o o

o o co coco co

cn en o o

o o co co

IPM3 C~- o o

o o co coCM CM

IP IP o o

o o co co

IP _ t - o KO KO o o

CD co<n o CO OJ

© 1 1Pi

o o co CD

ipo- tO vO o * o

o o co coco co

en o cT cT

o o CO CDr - co

o o o o co coCM CM

IP IP o o

o o

CO CD00 IP o o CO CDcn

CO M3

i

• ¿ iO N

Ił- lP co co

.O vO CO CJ o " cT

U3 • IP CO IP CM

co co cT o

IP CM CO fp fp

CM ip lPVO o * o *

CM CO CP CM

CM CM IP IP o * cT

O fp fp ip

KO KO CM CM o o

Tj- Ki, CM Oj

vO '.O CJ OJ o cT

4

g

o c CO CDCD CO

o- o- o o

o o co coCD CO

cn en cT cT

o o CO CDco

p - VO cT o*

o o CD COCvJ CM

IP IP o cT

o o CO OJIP

KO KO o o

o o c - er.

o * o 'VO

u r \ c •

° 8 O ©1

1 1Pi

o o co coCO CD

c- c- o o

o o co coco co

cn cn o * cT

o o CO cor - (O

0 * ^ 1 o

o o co coco co

o o o o co co

IP Co M3 o * o

o c CO a;

t— t—

cn cn CP o * o *

•hL a Pi © H O

o o co cot~ t -

o o o o CD CDco co

cn cn o * o "

o o co co•O IP

o * o o o co coCM CM

IP IP a o

o o co co

IP lP o- c- KO ko o o

o o CO COIP

0- IP o cT

N P 331 0 -0 r

JOO TM5. R © Ul

n a p. Q> 3

o o CO CDco co

c - c- o o

o o co coCO KO

cn cn o o

o o co coco

o- ko o o

o o cc coCM CM

IP IP a cT

o o co coLP

M- li- o o to a.'IP

O- i f ' kO KO

w u o ^ s o rt

h z H Z ¿>.8^N N

-b z H Z^NH Z^N 3 . 2^N N

H Z b ^Ni h ©w

< p N

H Z <^{h oN}

+* o* 3 h” ° bO

»o ''~v

'W ł\J 1 §

g i s

H 75

p•b 'Ulu t5

o■b u

’6 "

*n p

u H

p

*CJFi p

u u

p•Ul

Wytop- średnica a — lP.-0i

o-1 8 5ip

«

TIP e-CM CTsJP m

f -1 vovO 3IP m

s k E S© -N rH 3 W -N

VM

i•N 'Ou Pi

S r - '? 1 p M

Pi H

48 Andrzej Kllmpel

niki udarnośoi granicznej udamość materiału rodzimego. Natomiast złą­

cza zgrzewane prętów z wytopu B50466 oraz elektrożużlowego nawet w tem­

peraturze 200°C nie osiągają udarnośoi materiału rodzimego.

Rys. 2. Zależność udarnośoi złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T od temperatury. Karb Mesnagera na głębokość 2 mm. Pręty z wszystkich wy­

topów stali H25T o średnicy d = 7 mm tylko wytop B59275 - d = 8 mm

Badania mikroskopowe

Badania wykonane na zgładach złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T'oraz na ekstrakcyjnych replikach węglowych zdjętych z poszczegól­

nych stref złącza potwierdziły wyniki badań mechanicznych. W obszarze zgrzeiny złącza zgrzewanego stwierdzono duży rozrost z i a m ferrytu sto­

powego (rys. 3 i 4). W strefie wpływu ciepła, w odcinku przyległym do zgrzeiny, proces przesycenia zachodzi w nieco mniejszym stopniu. Część węglików nie doznała rozpuszczenia, skupiając się na granicach z i a m i w mniejszym stopniu w osnowie {rys. 5 i 6).

V< dalszych odcinkach strefy wpływu ciepła, aż do materiału rodzime­

go, struktura stali charakteryzuje się silnym rozrostem z i a m ferrytu,

Wrażliwość złączy zgrzebnych prętów ze stali H25T.», 49

i i i g - g s

( D r i p , N U <U

N • • O cd vx) ä co NVD d

O ^ £ •

Cd* O *H £

A l L A H O N PQ bO p^

^ ft ^Qy

P O

I H s

Sb'— E ił

n eh o cd lArl fc N* r

•ri W r)

W 01 cn r o k

TJ 0 1 » ! o CsJ 0

•H•H i—10

O bO

g vo CV <9 cd g - R

P.

Ż •H

'P

a oO cT_p*A! g ^tece

f.- h‘0 • o rP M ííó

Al o O PH

S bO

0 cj

<h ■S cd

P O

O § o cd

P N 0 P

•H g •H^•ru O

%U3

03N Z) O bû a ^{> i}O O p 1 0 N ^»jH

Al C O Vj

W N^* * O p 0 \ D Ph p rH cd vo o

s Tl N *$■p 'H

O O O w p 0

£ $

LAW p P ci cdN p O te Phy . N b g & O

p B O N rH -p *H Pi 0 bû

9 av AÍ 0 S<H

A N v_^ P<

P Ö, en ^O N CO N LA C P *HO

AJ CO 0 rH

• A W •rl

■äPh

vo Ł CSJ

• N i •

£ W cd cd R A> p Al CD Pi O 10 Ph

łjfe

X

rt i i0 *

£ -H

<D ? N O N • fr

Cd KD o H

Nvû O) O Pn

“ o

LA ^

N W Ö

#

b p .

n

fi o §

N EH P

L A > 5

•ri OJ £=

co W

O

g

cd -p \f\

f i co

^ o

s s - ä

S

^{Ê N(l)}

s s s

. *r CA P«

p bO• O

>j © PÍ P

■ 3 Ł

>

■ A

X -

Tl 0 I O N ©

•H

1*6 g_{P ? fA}

r* Qy P*j H

• P rM O o p< p, o

H o CdS S S W

° § ^

H £ P O 0 CO •

CO N £

o P I cd M tó fH

bû tSJ ~ 0 Tl O

VO 1>5

cti NO O •

# £ < §

cti P c L A

s P

•H0 O

1

•

o

"s N

e . P s

p Ê!) Eh • c o N L A

A I cd

• rH

L A g K P c

•_{N Í-1} cd

g ,&^COp

P i o 0

50 Andrzej KLimpel

malejącym w miarę zbliżania się do materiału rodzimego oraz licznymi wydzieleniami węglików i azotków. Złącza zgrzewane prętów ze ali H25T poddane następnemu wyżarzaniu wykazały w strukturze dużą ilość węgli- ków i azotków, szczególnie po wyżarzeniu złączy w temperaturach 700 i 900°C przez 3 godziny z następnym studzeniem z piecem (rys. 7 i 8).

Rys. 7. Struktura w osi zgrzeiny złącza zgrzewanego prętów ze stali H25T (wytop B50466). Złącze wyżarzone w temperaturze 900 0 przez 3

godz, i studzone z piecem Pow. 500 x. Wytraw, w 10$ PeCl^

Rys. 8. Struktura w osi zgrzeiny złącza zgrzewanego prętów ze stali H25T (wytop B50466). Złącze wyżarzone w temp. 900°C przez 3 godz. i studzone z piecem. Granica ziarna ferrytu stopowego z licznymi wydzie­

leniami węglików. Replika węglowa ekstrakcyjna. Pow. 8000 x

Wrażliwość złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T., 51

Badajiia i zolat ów

Rentgenowska analiza fazowa v/yizolovanych preparatów proszkcrwych poz­

woliła stwie -dzić, że fazą występującą najliczniej w izolatach stali H25T w stanie surowym tak z wytopów przemysłowych, jak i próżniowych jest węglik tytanu TiC. Na debajogramach izolatów z próbek przesyco­

nych udaro,vo w szczękach zgrzewarki, wystąpiły refleksy odpowiadające węglikowi oraz TiC, Natomiast w izolatach z próbek przesyco­

nych udarowo i wyżarzonych w temperaturze 90C°C przez 3 godziny z na­

stępnym oziębieniem w wodzie, ujawniono węgliki TiC oraz

2 3 b

Wnioski

1. Przyczyną wrażliwości złączy zgrzewanych prętów ze stali H25T na działanie karbu jest przesycenie ferrytu stepowego w obszarze zgrze­

iny i strefy wpływu ciepła węglem i azotem oraz prawdopodobnie obec­

ność koherentnych wydzieleń węglików i azotków, jak również silny rozrost z i a m ferrytu w złączu,

2. Obróbka cieplna złączy zgrzewanych prętów z wytopów przemysłowycb stali H25T, o większej zawartości węgla i azotu, nie usuwa wrażli­

wości złączy na działanie karbuj celowe więc jeet obniżenie zawar­

tości węgla i azetu w stalach I125T przeznaczonych do zgrzewania do możliwie najmniejszych ilości.

3. Złącza zgrzewana prętów ze stali H25T z wytopów próżniowych o małej zawartości węgla, po wyżarzeniu w temperaturze 900°C przez 3 godzi­

ny i chłodzeniu w wodzie, cechują się dobrymi własnościami plastycz­

nymi przy obciążeniach dynamicznych.

4» Złącza zgrzewane studzone z piecem po wyżarzeniu w temperaturze 700 i 900°C przez 3 godziny, wykazują znaczny spadek własności pla­

stycznych, wywołany prawdopodobnie kruchością 475°C.

52 Andrzej KLlmpel

LITERATURA

[1] MROWEC S., WEBER T.s Nowoczesne tworzywa żaroodporne, WNT 1968, s. 302-325.

[2] FUJTI C., MEUSSNER R.: J. Elektrochem. Soc. 111, 1964s s. 1214.

[3] WĘGRZYN J.: Spawalność nierdzewnych stali o zawartości 17iSCr, pra­

ca habilitacyjna, Zeszyty Naukowe Politechniki ¿laskiej, Mechani­

ka 32, 01ivd.ce, 1962.

[4] COLOMBXER L., HÖCKMANN J.t Stale odporne na korozję i stale żaro­

odporne, Wyd. "Śląsk", Katowice, 1964, s. 61-77.

[5] HOUBREMONT E.: Handbuch der Sonderstehlkunde, 1956, s. 154.

[6] VARGA T., MAR1NCEK B.j Archiv., Eisenhütteriw., 2, 1967, s„ 129.

[7] PFEIFER G., THOMAS H.s Zunderf. Legierun., Springer Verlag, 1963 [8] OUDEN den G.: British Welding J., 1968, s. 436.

[9] LULA J., LAKE K.: Trans, A.I.M.E. 197, 1954, s, 137-230.

[10] SALBERT J.t Badanie zjawiska kruchości 475 w stopie oporowym H25J5, praca doktorska., maszynopis, Biblioteka Politechniki Ślą­

skiej, Gliwico, 1968.

3 G H P O O r i P O T U f l O G T o a i w a H A t t m y ü o í ® ¿ H E t a , S n p y T K O B K 3 C T A J U i H 2 5 T i l O J i y H E H H Ł E K D H T A K T H O Ü C 3 A P K 0 Í 1

C c j t e p x a H a e

E i W i i n c c r e j o B U K b i m i a C T K v e c K n e C B O ü c T a a n p n . H M H a i i a q e C K w x a a r p y 3 K a x C B a p - H a o : c o e j i , M K e H M i í i n p y T K O E K 3 c T é u u i H 2 5 T n o r B e p r a e s i i K n o c i e C B a p j t H p e 3 J J M 4 H H M B i i s a w T e p s a o o 6 p a 5 o T K K , H a u i z i u p a x C B a p H Ł D C c o e i H H f c H i t ä 6łUi h n p o i t 3 B e ^ c - H t i m i i- K p o n c c a e j o B a H u a u p e H T r e a o B C x n e H C c r e ^ o c a H u a K 3 0 J i a T 0 B n p o 6 ctojia H 2 5 T b p a 3 i i v t H H M x c o C T o a H i t a x c T p v K T y p H t c c • n p e B p a q e H H Í i ,

Wrailiwosd z3^czy zgrzewanyoh pr^tdw ze stall H25T.. 53

THE NOTCH DUCTILITY OP RESISTANCE HITT WELDS ON H25T STEEL RODS

S u m m a r y

The plastic properties of resistance butt upset welds on H25T steel rods under dynamic loading was investigated and. the influence of dif­

ferent heat treatments on the plastic properties assesed. During these investigations the microstructure of the resistance welded joints was checked and X-ray microanalyzia of K25T steel in different transforma­

tion stages performed.