5/2.7.10.3 Austenitické vysokolegované žáruvzdorné oceli

SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 1
díl 2, Oceli
5/2.7.10.3
Austenitické vysokolegované žáruvzdorné oceli
Austenitické vysokolegované chrómniklové oceli obsahují min. 16,5 hm. % Cr s dostatečným množstvím
Ni a Mn a dále C (N) k dosažení austenitické struktury. Další prvky k získání požadovaných vlastností
mohou být Mo, Ti, Nb, Cu, Al, Si. Předběžně lze strukturu austenitických ocelí určit s využitím výpočtu
ekvivalentů Cr a Ni s následným znázorněním v Schaefflerově, DeLongově, W.R.C. nebo v implant diagramech (Folkhard, E.: Welding Metallurgy of Stainless Steels, Springer Verlag, Wien, 1988, 279s).
Oceli jsou dodávány z hlediska potlačení vzniku trhlin za horka s různým obsahem feritu delta. Množství
feritu delta se vyjadřuje feritovým číslem (FN). V rozsahu 0 až 10 % se stanovuje podle EN ISO 8249.
Podle ČSN EN 1011-3 optimální tepelné zpracování
austenitických ocelí je rozpouštěcí žíhání za teploty
1 050 °C, po prohřátí 20 minut na teplotě, s následným ochlazením ve vodě.
červen 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 2
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
Další možností stabilizace austenitické oceli je snížit
obsah uhlíku na méně než 0,03 hmot. %, tj. na množství uhlíku ještě rozpustné v austenitu. Potom není volný
uhlík k tvorbě karbidů chrómu. Nevýhodou může být
heterogenita v chemickém složení uhlíku po průřezu
a délce, a tudíž se často používá kombinace sníženého
obsahu uhlíku se stabilizací oceli (Ti, Nb, Ta).
Stabilizované austenitické oceli jsou před odlitím
legovány, nejlépe v rafinační pánvi, silně karbidotvornými a nitridotvornými prvky, jmenovitě titanem, niobem, nebo oběma prvky. Množství titanu
nebo niobu se určuje s rezervou podle poměru jejich
atomové hmotnosti ke hmotnosti uhlíku, kupř. množství Ti = 5x(C-0,03), Nb = 10x(C-0,03).
Standardní austenitické oceli mohou obsahovat
malý podíl feritu delta (3 až 10 %) s tím, že obsah
uhlíku by měl být max. 0,06 hm. %. S cílem potlačení
tvorby karbidů po hranicích zrn při svařování jsou vyráběny austenitické oceli s obsahem uhlíku max. 0,03
hm. %. Strukturní stálost vysokolegované oceli je zvyšována stabilizováním austenitických ocelí Ti, Nb,
kombinací Ti–Nb, případně Ta.
Plně austenitické oceli zaručují požadované vlastnosti, jmenovitě nízkou permeabilitu, zvýšenou odolnost proti tečení a oxidaci při vyšších a vysokých teplotách (zvýšenou žáruvzdornost) a jsou vhodné též pro
použití za hlubokých teplot.
Superaustenitické oceli jsou řazeny do skupiny plně
austenitických ocelí a mají zvýšený obsah chrómu
a niklu. Ke zvýšení stability ocelí obsahují molybden
a dusík. Austenitické oceli se zvýšeným obsahem Cr,
Ni a Si (X6NiCrSiNCe35-25) jsou vysoce žáruvzdorné
s tím, že vzdorují prostředí do teploty 1 170 °C včetně.
červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 3
díl 2, Oceli
Klasické žáruvzdorné austenitické oceli 1.4841
(X15CrNiSi25-20) mají vyšší obsah Cr, Si, Al, Mo
s cílem dosažení vyšší odolnosti proti žáru do teploty
1 150 °C včetně.
T
Chemické složení (rozbor tavby) austenitických ocelí
žáruvzdorných ve shodě s ČSN EN 10095
Označení
Hmotnostní podíl v %
Číselné
označení
C
Si
Cr
Ni
N
X8CrNiTi1810
1.4878
max. 0,10
max. 1,00
17,00
až 19,00
9,00
až 12,00
1)
X15CrNiSi2012
1.4828
max. 0,20 1,50 až 2,00
19,00
až 21,00
11,00
až 13,00
max. 0,11
X9CrNiSiNCe21-11-2
1.4835
0,05 až 0,12 1,40 až 2,50
20,00
až 22,00
10,00
až 12,00
0,12
až 0,202)
X12CrNi23-13
1.4833
max. 0,15
max. 1,00
22,00
až 24,00
12,00
až 14,00
max. 0,11
X8CrNi25-21
1.4845
max. 0,10
max. 1,50
24,00
až 26,00
19,00
až 22,00
max. 0,11
X15CrNiSi2521
1.4841
max. 0,20 1,50 až 2,50
24,00
až 26,00
19,00
až 22,00
max. 0,11
X12NiCrSi3516
1.4864
max. 0,15 1,00 až 2,00
15,00
až 17,00
33,00
až 37,00
max. 0,11
X10NiCrAlTi32-21
1.4876
max. 0,12
max. 1,00
19,00
až 23,00
30,00
až 34,00
3)
X6NiCrNbCe32-27
1.4877
0,04 až 0,08 max. 0,30
26,00
až 28,00
31,00
až 33,00
max. 0,114)
X25CrMnNiN25-9-7
1.4872
0,20 až 0,30 max. 1,00
24,00
až 26,00
6,00 až 8,00
0,20
až 0,405)
X6CrNiSiNCe19-10
1.4818
0,04 až 0,08 1,00 až 2,00
18,00
až 20,00
9,00
až 11,00
0,12
až 0,206)
Značka
červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 4
díl 2, Oceli
X6NiCrSiNCe35-25
1.4854
0,04 až 0,08 1,20 až 2,00
24,00
až 26,00
34,00
až 36,00
0,12
až 0,207)
X10NiCrSi3519
1.4886
max. 0,15 1,00 až 2,00
17,00
až 20,00
33,00
až 37,00
max. 0,11
X10NiCrSiNb35-22
1.4887
max. 0,15 1,00 až 2,00
20,00
až 23,00
33,00
až 37,00
max. 0,118)
Ostatní:
Ti: 5x% C ⱕ Ti ⱕ 0,80,
Ce: 0,03 až 0,08,
3)
Al: 0,15 až 0,60; Ti: 0,15 až 0,60,
4)
Al: max. 0,025; Ce: 0,05 až 0,10; Nb: 0,60 až 1,00,
5)
Mn: 8,00 až 10,00,
6)
Ce: 0,03 až 0,08,
7)
Ce: 0,03 až 0,08,
8)
Nb: 1,00 až 1,50 – Obsah Mn max. 2,00.
1)
2)
Tepelné zpracování
a vlastnosti
žáruvzdorných
austenitických ocelí
Austenitické žáruvzdorné oceli jsou v celém rozsahu
tepelně zpracovány rozpouštěcím žíháním v rozsahu
teplot 1 050 až 1 150 °C s poměrně krátkou dobou výdrže na teplotě, pohybující se po vyrovnání teploty
v rozsahu 20 až 30 minut, s následujícím dostatečně
rychlým ochlazením ve vodě, ve sprše nebo ve chladném proudícím vzduchu.
Nejvyšší možné provozní teploty u žáruvzdorných austenitických ocelí s křemíkem jsou až 1 150 °C
(1.4877, 1.4872). Hodnoty meze pevnosti při tečení
za teploty 900 °C po dobu 104 hodin dosahují 8,5 až
13 MPa.
Žáruvzdornost
austenitických ocelí
na vzduchu
červen 2011
Žáruvzdornost byla hodnocena obdobně jako u feritických ocelí podle ztráty hmotnosti: ⱕ 2 g/m2 při
Ta + 50 °C pro 120 h namáhání se 4 meziochlazeními
(ČSN EN 10095).
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 5
díl 2, Oceli
T
Austenitické oceli žáruvzdorné CrNi – nejvyšší teploty pro
použití na vzduchu
Značka
Číselné označení
Ta max. (°C)
X8CrNi8-10
1.4878
850
X15CrNiSi20-12
1.4828
1 000
X9CrNiSiNCe21-11-2
1.4835
1 150
X12CrNi23-13
1.4833
1 000
X8CrNi25-21
1.4845
1 050
X15CrNiSi25-21
1.4841
1 150
X12NiCrSi35-16
1.4864
1 100
X10NiCrAlTi32-21
1.4876
1 100
X6NiCrNbCe32-27
1.4877
1 150
X25CrMnNiN25-9-7
1.4872
1 150
X6CrNiSiNCe19-10
1.4818
1 050
X6NiCrSiNCe35-25
1.4854
1 170
X10NiCrSi35-19
1.4886
1 100
X10NiCrSiNb35-22
1.4887
1 100
Žáruvzdorné austenitické oceli jsou dodávány ve
stavu po rozpouštěcím žíhání (1 020 °C) s následným
ochlazením ve vodě nebo v prostředí chladného vzduchu.
Pro svařování jsou voleny oceli tepelně zpracované
rozpouštěcím žíháním (1 050 °C – s následným prudkým ochlazením) nebo u stabilizovaných austenitických ocelí (kupř. 1.4550) stabilizačním žíháním za
teploty 850 °C. Austenitické vysokolegované oceli se
svařují v zásadě bez předehřevu s cílem vyloučit vznik
trhlin za horka v TOO (tepelně ovlivněné oblasti) a ve
svarovém kovu. Trhliny vznikají v důsledku tahové
napjatosti při výskytu nízkotavitelných eutektických
směsí fází v dendritických oblastech svarového kovu
Postup svařování
austenitických
vysokolegovaných
žáruvzdorných ocelí
červen 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 6
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
a po hranicích zrn v TOO. Z uvedeného důvodu se doporučuje u normálních austenitických ocelí a svarových kovů 3 max. 15 obj. % feritu delta. Svařuje se
velmi malým vneseným teplem – minimálním tepelným příkonem, tj do hodnoty 1,5 kJ.mm-1. Pro svařování zcela austenitických ocelí lze použít elektrody se
zvýšeným obsahem Ni a s velmi nízkým obsahem nečistot (S a P). Interpass teplota nemá přesáhnout 150 °C
a poměr mezi šířkou a hloubkou svarové lázně má být
nejvýše 1,5. U ocelí s vyšším obsahem Cr, Mo, Si a Al
je nutné upozornit na možný výskyt intermetalických
fází, jmenovitě fáze sigma. Náchylnost k tvorbě karbidů po hranicích zrn lze snížit redukcí obsahu uhlíku
(max. 0,03 hm. %) a stabilizací struktury (Ti, Nb, Ta).
Z důvodu potlačení nauhličení lze doporučit používat
ochranné plyny s obsahem CO2 do 2,5 obj. %. Je nutné
upozornit na vyšší teplotní roztažnost austenitických
ocelí v porovnání s feritickými ocelemi. Doporučuje
se svařovat metodou TIG (metoda 141) stejnosměrným proudem s minus pólem na W elektrodě s pulsním nebo sprchovým přenosem kovu s dostatečným
odvodem tepla z místa spoje. Z důvodu propalu prvků
se používají chrómem a molybdenem výše legované
přídavné materiály v porovnání se svařovanou žáruvzdornou ocelí.
Austenitické vysokolegované oceli a svarové kovy
mohou krystalizovat v závislosti na chemickém složení jako směs fází feritu a austenitu. Následkem feritické krystalizace je nižší citlivost na vznik trhlin za
horka. Standardní austenitické oceli mají proto k potlačení vzniku trhlin za horka obsah feritu ⱖ 3 FN (měřeno podle EN ISO 8249). Pro svařování standardních
korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí je vhodné
použít svařovací materiály s obsahem feritu ve svarovém kovu mezi 3 a 15 FN a zajistit minimální tuhost
červen 2011
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 7
díl 2, Oceli
upnutí spoje. Austenitické korozivzdorné oceli se po
svařování tepelně nezpracovávají.
Náchylnost k trhlinám za horka korozivzdorných a žáruvzdorných austenitických ocelí lze kontrolovat podle
vzorce ⌬H = –700.C + 17.Cr – 37.Ni + 29.Mo + 188.
Je-li ⌬H ⱕ 100, je ocel náchylná k tvorbě trhlin za
horka. Vzorec zviditelňuje nepříznivý účinek uhlíku.
Jak již bylo uvedeno, závažným problémem nestabilizovaných austenitických ocelí a svarových spojů je
jejich snížená odolnost proti mezikrystalové korozi,
jmenovitě za vyšších teplot. Za teplot 450 až 850 °C
dochází u nestabilizovaných austenitických ocelí k intenzivní tvorbě (precipitaci) karbidů chrómu Cr23C6
po hranicích zrn za současného ochuzování (denudaci)
oblastí přilehlých ke karbidům o chróm. Následným
účinkem korozního činidla dochází v ochuzených místech o chróm k intenzivní mezikrystalové korozi. Obdobný je při svařování u nestabilizovaných austenitických ocelí vznik ochuzených pásem v oblastech
svarového spoje ohřátých na teploty 450 až 850 °C
a dále vystavených účinkům korozního činidla.
Zvláštnosti při
svařování
austenitických ocelí
Dalším problémem při svařování žáruvzdorných austenitických ocelí je jejich náchylnost ke vzniku karbidických a intermetalických fází v TOO, kde může
rovněž dojít v procesu svařování k mikrosegregaci fosforu a síry podél dendritů a hranic zrn.
Mikroanalyzátorem bylo zjištěno, že rozdíl v obsahu
chrómu mezi dendrity a výplní se pohybuje mezi 2
a 3 hm. % Cr, přičemž nejvyšší odmíšení je ve středu
návaru.
Ke stanovení náchylnosti austenitických ocelí důsledkem svařování v oblastech ohřátých na teploty 500 až
800 °C se používají elektrochemické potenciokinečerven 2011
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 8
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI
díl 2, Oceli
tické reaktivní testy, které umožňují dokonale vyhodnotit vzorek cestou kvantitativního rozvoje procesů
vedoucích k precipitaci částic podél hranic zrn a vyvolávajících chemickou heterogenitu. V porovnání
s testem leptatelnosti vzorků v kyselině šťavelové, kde
dochází k rozpouštění sekundárních fází bohatých na
chróm vyloučených na hranicích zrn, se u reaktivních
testů detekují ochuzené části o chróm okolo vyprecipitovaných částic na hranicích zrn, okolo karbidů
chrómu. V případě reaktivního testu lze po hranicích
zrn, popřípadě dvojčat, pozorovat v okolí karbidů
a sigma (␴) fáze brázdy, neboť testem nejsou napadeny karbidy a fáze bohaté na chróm, ale anodicky reaktivovaná zóna ochuzená o chróm. Morfologické
znaky míst ochuzených o chróm lze dobře pozorovat
optickou a skenovací mikroskopií nebo moderním 3 D
obrysovým způsobem a stanovit tak strukturní stabilitu austenitických ocelí. Z porovnávacích zkoušek náchylnosti svarových spojů nestabilizovaných austenitických ocelí ke strukturnímu zcitlivění vyplynulo, že
kritické jsou v ovlivněných zónách teploty 480 až
650 °C a je nutné při svařování volit postupy a metody zaručující nejmenší dobu setrvání v uvedeném
rozsahu teplot (příkon Q ⱕ 1,5 kJ.mm-1).
Korozi pod napětím vzdorují superaustenitické oceli
s vysokým obsahem niklu, s těsnou austenitickou
mřížkou. Lépe je však použít duplexní nebo feritické
oceli.
červen 2011