ΥΑΛΤΒΕ ΒΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ

Transcript

1 ΥΑΛΤΒΕ ΒΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ 1. ΕΙΑΓΩΓΗ Οι κραματωμζνοι χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ (Quenched and tempered - Q&T) χρθςιμοποιοφνται όλο και περιςςότερο τα τελευταία χρόνια ςε δομικζσ εφαρμογζσ και εφαρμογζσ που απαιτοφν αντοχι ςε τριβι. Σο κφριο πλεονζκτθμα τθσ χριςθσ αυτϊν των χαλφβων είναι θ μείωςθ του βάρουσ τθσ καταςκευισ, θ μεγαλφτερθ ικανότθτα φορτίου και θ αφξθςθ τθσ διάρκειασ ηωισ μιασ καταςκευισ. Αυτοί οι χάλυβεσ χρθςιμοποιοφνται ςε πολλζσ ςφγχρονεσ εφαρμογζσ υπάρχουν μεγάλα φορτία και θ μείωςθ του βάρουσ είναι ςθμαντικι, όπωσ γζφυρεσ, κτίρια, δεξαμενζσ αποκικευςθσ, γερανοφσ, εμπορικά πλοία, υποβρφχια κτλ. Όλοι αυτοί οι χάλυβεσ, απαιτοφν ςυγκολλιςεισ υψθλισ ποιότθτασ οι οποίεσ διατθροφν τισ ιδιότθτεσ του αρχικοφ μετάλλου προκειμζνου να μποροφν χρθςιμοποιθκοφν αποτελεςματικά ςτισ καταςκευζσ τθν Ευρϊπθ αυτοί οι χάλυβεσ παραςκευάηονται κυρίωσ ςφμφωνα με τα παρακάτω πρότυπα: ΕΝ "Hot rolled products of structural steels. Part 6: "Technical delivery conditions for flat products of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition" EN "Flat products made of steels for pressure purposes. Part 6:Weldable fine grain steels, Quench and Tempered" EN "Plates and wide flats made of high yield strength structural steels in the quenched and tempered or precipitation hardened conditions. Part 2: Delivery conditions for quenched and tempered steels" 2. ΚΑΣΗΓΟΡΟΙΟΠΟΙΗΗ Η ονομαςία των χαλφβων ςτο ΕΝ , 4 ςφμφωνα με όςα ζχουν ιδθ αναφερκεί για το ΕΝ αποτελείται από τα ακόλουκα μζρθ: Ονομασία (i.e. S 355QL1) Πρϊτο γράμμα S η P :χάλυβασ structural ή pressure vessel τρία νοφμεραxxx: ελάχιςτο εγγυθμζνο όριο διαρροισ ςε N/mm2 δεφτερο γράμμα Q :κατάςταςθ παράδοςθσquenched and Tempered τρίτο γράμμα: L, L1, L2, H όπου: L κακορίηει τθν ελάχιςτθ απαίτθςθ τθσ ενζργειασ ςε κροφςθ ςε κερμοκραςίεσ όχι χαμθλότερεσ των -40 C L1 κακορίηει τθν ελάχιςτθ απαίτθςθ τθσ ενζργειασ ςε κροφςθ ςε κερμοκραςίεσ όχι χαμθλότερεσ των -60 C /12

2 L2 ζχει εφαρμογι ςτουσ χάλυβεσ για εφαρμογζσ εξοπλιςμοφ υπό πίεςθ και κακορίηει τθν ποιότθτα χαλφβων με εγγυθμζνεσ μζχρι τουσ -50 C H ζχει εφαρμογι ςτουσ χάλυβεσ για εφαρμογζσ εξοπλιςμοφ υπό πίεςθ και κακορίηει τθν ποιότθτα χαλφβων με ιδιότθτεσ ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Οι πίνακεσ 1-10 δείχνουν τισ απαιτιςεισ χθμικισ ςφςταςθσ και μθχανικϊν ιδιοτιτων των χαλφβων βαφισ και επαναφοράσ που αναφζρονται ςτο EN ,EN και EN , 5. Πίνακας 1. Χθμικι ανάλυςθ(προϊόντοσ) για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN Πίνακας 2. Μζγιςτεσ τιμζσ CEV για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN /12

3 Πίνακας 3. Μθχανικζσ ιδιότθτεσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN /12

4 Πίνακας 4. ΕλάχιςτεσΑπαιτιςεισ κροφςθσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN Πίνακας 5. Χθμικι ανάλυςθ(προϊόντοσ) για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN /12

5 Πίνακας 6. Μθχανικζσ ιδιότθτεσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN /12

6 Πίνακας 7.ΕλάχιςτεσΑπαιτιςεισ κροφςθσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτοen Πίνακας 8. Χθμικι ανάλυςθ(προϊόντοσ) για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN /12

7 Πίνακας 9. Μθχανικζσ ιδιότθτεσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN Πίνακας10. Ιδιότθτεσ κροφςθσ για τουσ χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ που περιζχονται ςτο EN ΜΕΣΑΛΛΟΤΡΓΙΑ ΣΩΝ ΥΑΛΤΒΩΝ ΒΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ Με τον όρο χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ εννοοφμε χάλυβεσ των οποίων θ χθμικι τουσ ςφςταςθ ζχει ρυκμιςτεί ζτςι ϊςτε να αποκτοφν μπαινιτικι και μαρτενςιτικι δομι, κατά τθν διάρκεια μιασ διαδικαςίασ βαφισ θ οποία όπωσ ζχει αναφερκεί περιλαμβάνει κζρμανςθ μζχρι τουσ 900 C και ςτθν ςυνζχεια ψφξθ προκειμζνου θ ωςτενιτικι φάςθ να μετατραπεί ςε φάςεισ με ψθλι ςκλθρότθτα όπωσ π.χ. ο μπαινίτθσ και ο μαρτενςίτθσ. Η χαμθλι ςχετικά περιεκτικότθτα αυτϊν των χαλφβων ςε άνκρακα (ςυνικωσ 0.2%) επιτρζπει ανεβάηει ςε ςχετικά ψθλά επίπεδα τθν κερμοκραςία ςχθματιςμοφ μαρτενςίτθ (περίπου μεταξφ 400 και 440 C) ενϊ παράλλθλα και ο ςχθματιηόμενοσ μαρτενςίτθσ περιζχει ςχετικά λίγο άνκρακα με αποτζλεςμα να είναι δυνατι θ πολφ γριγορθ ψφξθ χωρίσ τθν δθμιουργία ρωγμϊν και άλλων προβλθμάτων. Σα υπόλοιπα κραματικά ςτοιχεία που χρθςιμοποιοφνται ςε αυτοφσ του χάλυβεσ, ςε περιεκτικότθτεσ μζχρι 1.5% Mn, 2,5% Ni, 1,5% Cr, 1% Mo, 0.2% V και 0.10% Nb, αυξάνουν τθν εμβαπτότθτα του χάλυβα. ε γενικζσ γραμμζσ όςο μεγαλφτερθ είναι θ περιεκτικότθτα ςε κραματικά ςτοιχεία, τόςο μεγαλφτερθ είναι θ τάςθ για ςκλιρυνςθ του χάλυβα (εμβαπτότθτα), ενϊ όςο μεγαλφτερο είναι το ποςοςτό του άνκρακα τόςο πιο μεγάλθ είναι θ αντοχι ςε εφελκυςμό. Η εμβαπτότθτα ενόσ χάλυβα, είναι θ ιδιότθτα που κακορίηει το βάκοσ και τθν κατανομι του μαρτενςίτθ μετά από μία διαδικαςία βαφισ. υνικωσ είναι το πιο ςθμαντικό κριτιριο για /12

8 τθν επιλογι ενόσ χάλυβα βαφισ και επαναφοράσ. Προκειμζνου να υπάρχει θ αναγκαία τάςθ για ςκλιρυνςθ τα κραματικά ςτοιχεία πρζπει να βρίςκονται ςε διάλυμα μζςα ςτθν φάςθ του ωςτενίτθ ζτςι ϊςτε να κακυςτεριςουν τον διαχυτικό μεταςχθματιςμό του ωςτενίτθ ςε φερρίτθ και περλίτθ. Αυτόσ ο μθχανιςμόσ επιτρζπει μία πιο αργι ψφξθ ι τθν βαφι ενόσ μεγαλφτερου εξαρτιματοσ χωρίσ τον μεταςχθματιςμό του ωςτενίτθ ςε φερρίτθ και περλίτθ οι οποίοι ςτισ ςυγκεκριμζνεσ εφαρμογζσ δεν είναι επικυμθτοί. Σα κραματικά ςτοιχεία μπορεί να διαχωριςτοφν ανάλογα με το ςτακεροποιοφν τθν φάςθ του ωςτενίτθ (austenite stabilizers) όπωσ π.χ. το μαγγάνιο, το νικζλιο και ο χαλκόσ, ι αν ςτακεροποιοφν τθν φάςθ του φερρίτθ (ferrite stabilizers) όπωσ το μολυβδαίνιο, το πυρίτιο, το τιτάνιο το βανάδιο, το νιόβιο κτλ. Οι ςτακεροποιθτζσ του φερρίτθ χρειάηονται πολφ μικρότερεσ ποςότθτεσ για να επιτφχουν τθν ίδια εμβαπτότθτα ςε ςχζςθ με τουσ ςτακεροποιθτζσ του φερρίτθ. Από τθν άλλθ, πολλά από τα ςτοιχεία που ςτακεροποιοφν τον φερρίτθ ςχθματίηουν καρβίδια, με αποτζλεςμα να μειϊνουν τθν περιεκτικότθτα του ωςτενίτθ και ςτα κραματικά αυτά ςτοιχεία και ςτον άνκρακα, με αποτζλεςμα αυτι θ ανταγωνιςτικι διεργαςία να μειϊνει τθν εμβαπτότθτα. Η τάςθ για ςκλιρυνςθ των χαλφβων μπορεί να μετρθκεί με τθν πραγματοποίθςθ μιασ δοκιμισ ψφξθσ Jominy θ οποία ζχει ιδθ περιγραφεί ςτο κεφάλαιο 2.8. ε αυτι τθν δοκιμι το βάκοσ ςτο οποίο προχωράει θ ςκλιρυνςθ μετά τθν ψφξθ ενόσ κυλινδρικοφ δοκιμίου ςτθν μία άκρθ του, είναι το μζτρο τθσ εμβαπτότθτασ του θ οποία όπωσ αναφζραμε βελτιϊνεται με τθν προςκικθ των υπόλοιπων κραματικϊν ςτοιχείων εκτόσ του άνκρακα. Η τάςθ ςκλιρυνςθσ ενόσ χάλυβα είναι μία ςθμαντικι ιδιότθτα όταν μασ ενδιαφζρουν οι μθχανικζσ του ιδιότθτεσ και θ ςυγκολλθςιμότθτα του. Προκειμζνου, εκτόσ τθσ ςκλθρότθτασ, οι χάλυβεσ αυτοί να ζχουν και αποδεκτι ολκιμότθτα για διάφορεσ μθχανολογικζσ χριςεισ, είναι απαραίτθτθ και θ πραγματοποίθςθ μίασ κερμικισ κατεργαςίασ επαναφοράσ θ οποία μαλακϊνει τθν φάςθ του μαρτενςίτθ με αποτζλεςμα τθν μείωςθ τθσ ςκλθρότθτασ και τθσ αντοχισ ςε εφελκυςμό του χάλυβα, αλλά παράλλθλα τθν αφξθςθ τθσ ολκιμότθτασ. Αυτι θ μείωςθ τθσ ςκλθρότθτασ οφείλεται κυρίωσ ςτθν ταχφτατθ αφξθςθ του μεγζκουσ των κόκκων του ςεμεντίτθ όςο αυξάνεται θ κερμοκραςία τθσ επαναφοράσ, και ςτθν μείωςθ τθσ πυκνότθτασ των διαταραχϊν. 4. ΤΓΚΟΛΛΗΕΙ ΥΑΛΤΒΩΝ ΒΑΦΗ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ Όπωσ ζχει αναφερκεί θ χθμικι ςφςταςθ των χαλφβων βαφισ και επαναφοράσ είναι τζτοια ϊςτε κατά τθν βαφι και τθν γριγορθ ψφξθ που τθν ςυνοδεφει θ ΘΕΖ αποτελείται από φάςεισ μαρτενςίτθ χαμθλοφ άνκρακα και μπαινίτθ. Αυτοφ του τφπου θ δομι ςτθν ΘΕΖ ζχει τισ επικυμθτζσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ που ταιριάηουν με αυτζσ του μθτρικοφ μετάλλου. αν αποτζλεςμα ςε γενικζσ γραμμζσ αυτά τα υλικά δεν απαιτοφν μία κερμικι κατεργαςία μετά τθν ςυγκόλλθςθ εκτόσ ειδικϊν περιπτϊςεων. ε αντίκεςθ με άλλουσ κραματωμζνουσ χάλυβεσ που απαιτοφν τθν χριςθ υψθλισ κερμικισ παροχισ προκειμζνου να αποφευχκεί θ δθμιουργία μαρτενςίτθ ςτθν ΘΕΖ, κατά τθν ςυγκόλλθςθ των χαλφβων βαφισ και /12

9 επαναφοράσ απαιτείται θ χριςθ παραμζτρων ςυγκόλλθςθσ, κατάλλθλων ϊςτε θ ταχφτθτα ψφξθσ ςτθν ΘΕΖ να οδθγεί ςτον ςχθματιςμό μαρτενςίτθ και μπαινίτθ. Αυτό είναι απαραίτθτο γιατί ςε αυτοφσ τουσ χάλυβεσ ζνασ αργόσ ρυκμόσ ψφξθσ ςτθν ΘΕΖ κα δθμιουργιςει μία μεικτι δομι από προευτθκτοειδι φερρίτθ, μπαινίτθ και μαρτενςίτθ με αποτζλεςμα τθν ςθμαντικι ευκραυςτοποίθςθ τθσ περιοχισ τθσ ΘΕΖ με αυξθμζνο μζγεκοσ κόκκου (coarsed grain HAZ). Όςο πιο αργόσ είναι ο ρυκμόσ ψφξθσ τόςο μεγαλφτερθ είναι θ ευκραυςτότθτα που παρατθρείται ςτθν ΘΕΖ. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ υλικϊν με μικρότερθ ευαιςκθςία ςτθν ςκλιρυνςθ ι μικρότερου πάχουσ, ακόμα γρθγορότερεσ ταχφτθτεσ ψφξθσ είναι απαραίτθτεσ ςτθν ΘΕΖ και άρα γίνεται χριςθ πολφ μικρισ κερμικισ παροχισ Άλλο ζνα ςθμείο που χριηει προςοχισ κατά τθν ςυγκόλλθςθ των χαλφβων βαφισ και επαναφοράσ είναι θ εφαρμογι πολφ αυςτθρϊν πρακτικϊν μείωςθσ του υδρογόνου ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ προκειμζνου να αποφευχκεί θ ψυχρι ρθγμάτωςθ υδρογόνου. Η χριςθ προκζρμανςθσ είναι ζνασ από τουσ πιο αποτελεςματικοφσ τρόπουσ ϊςτε να μειωκεί θ εμφάνιςθ ψυχρϊν ρωγμϊν υδρογόνου. Από τθν άλλθ, θ χριςθ προκζρμανςθσ επίςθσ μειϊνει τον ρυκμό ψφξθσ ςτθν ΘΕΖ. Επομζνωσ θ προκζρμανςθ ςε αυτοφσ του χάλυβεσ πρζπει να εφαρμόηεται με τζτοιο τρόπο ϊςτε να επιτρζπει αρκετά γριγορθ ψφξθ και ςχθματιςμό μαρτενςίτθ ςτθν ΘΕΖ. Κατά τθν ςυγκόλλθςθ χαλφβων βαφισ και επαναφοράσ με πιο υψθλά όρια εφελκυςμοφ, θ τάςθ για τθν εμφάνιςθ ρωγμϊν υδρογόνου ςτο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ αυξάνει ςθμαντικά. αν αποτζλεςμα, θ περιεχόμενθ υγραςία ςτθν επικάλυψθ του θλεκτροδίου και τα άλλα αναλϊςιμα κακϊσ και ο χειριςμόσ τουσ γίνονται κρίςιμοι παράγοντεσ για τθν επιτυχία τθσ ςυγκόλλθςθσ. Για παράδειγμα, για χάλυβεσ Q&T με ζνα όριο διαρροισ μικρότερο από 483 MPa ζνα ποςοςτό υγραςίασ 0,4 wt% ςτθν επικάλυψθ του θλεκτροδίου είναι αποδεκτό, ενϊ ςε αντιδιαςτολι για χάλυβεσ Q&T με όριο διαρροισ πάνω από 690 MPa, το αποδεκτό όριο είναι 0,1 wt%. Η χριςθ μίασ τεχνικισ κορδονιϊν ανόπτθςθσ (temper bead welding) όπωσ φαίνεται ςτα ςχιματα 1 και 2 μπορεί επίςθσ να βοθκιςει ςτθν αποφυγι περιοχϊν με υψθλι ςκλθρότθτα και μειωμζνθ ολκιμότθτα ςτθν ΘΕΖ /12

10 Σχήμα 1. Σεχνικι κορδονιϊν ανόπτθςθσ για μία ςυγκόλλθςθ πολλαπλϊν πάςςων μίασ μετωπικισ ςυγκόλλθςθσ ςε χάλυβα βαφισ και επαναφοράσ. Η κατανομι τθσ ςκλθρότθτασ είναι ςχεδόν παρόμοια ςε όλθ τθν εγκάρςια τομι εκτόσ από το ςθμείο D το οποίο δεν ανοπτικθκε από τα επόμενα κορδόνια. Σχήμα 2. Σα κόκκινα βζλθ υποδεικνφουν ςθμεία όπου υπάρχει θ πικανότθτα να ζχουν μείνει περιοχζσ υψθλισ ςκλθρότθτασ. Σο ςκίτςο ςτο πάνω μζροσ δείχνει τα προτεινόμενα κορδόνια ανόπτθςθσ ϊςτε να εξαλείφει θ υψθλι ςκλθρότθτα /12

11 Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, κατά τθν ςυγκόλλθςθ των χαλφβων βαφισ και επαναφοράσ πρζπει να αποφεφγεται θ πραγματοποίθςθ κερμικισ κατεργαςίασ μετά τθν ςυγκόλλθςθ εκτόσ ειδικϊν περιπτϊςεων. Η πραγματοποίθςθ μιασ κερμικισ κατεργαςίασ μετά τθν ςυγκόλλθςθ μπορεί να είναι επικυμθτι για μερικζσ εφαρμογζσ που απαιτοφν διαςταςιακι ςτακερότθτα ι όταν θ ςυγκόλλθςθ είναι επιρρεπισ ςε ρθγματϊςεισ εργοδιάβρωςθσ (stress corrosion cracking) μετά τθν ςυγκόλλθςθ ι παραμόρφωςθ εν ψυχρϊ. Η πραγματοποίθςθ κερμικισ κατεργαςίασ μετά τθν ςυγκόλλθςθ ςε χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ μπορεί να οδθγιςει ςε μείωςθ τθσ ολκιμότθτασ ςτθν ΘΕΖ ι ακόμα και ςτον ςχθματιςμό ρθγματϊςεων ανακζρμανςθσ. Οι ρθγματϊςεισ ανακζρμανςθσ είναι το αποτζλεςμα τθσ ευκραυςτοποίθςθσ τθσ ΘΕΖ λόγω τθσ ςυνδυαςτικισ δράςθσ κατακριμνιςθσ φάςεων και παραμόρφωςθσ κατά τθν απόταςθ των τάςεων. Ο μθχανιςμόσ απλά μπορεί να περιγραφεί ωσ εξισ: ε υψθλζσ κερμοκραςίεσ κατά τθν κερμικι κατεργαςία αποτατικισ ανόπτθςθσ πραγματοποιείται κατακριμνιςθ καρβιδίων ςτο εςωτερικό των κόκκων αλλά όχι ςτα όρια αυτϊν, ενϊ ακόμα δεν ζχει ολοκλθρωκεί θ ανακοφφιςθ των παραμενουςϊν τάςεων. Αυτό ζχει ςαν αποτζλεςμα, το εςωτερικό των κόκκων να ζχει υψθλότερθ ςκλθρότθτα ςε ςχζςθ με τα όρια των κόκκων και όταν ςυμβαίνει θ ανακοφφιςθ των παραμενουςϊν τάςεων θ παραμόρφωςθ ςυγκεντρϊνεται ςτα όρια των κόκκων τα οποία ρθγματϊνονται μόλισ ξεπεραςτεί το όριο τθσ ολκιμότθτασ τουσ Οι ρωγμζσ ανακζρμανςθσ είναι περικρυςταλλικζσ. Μπορεί να ξεκινιςουν ςε περιοχζσ ςυγκζντρωςθσ τάςεων ι μπορεί να μθν εμφανίηονται ςτθν εξωτερικι επιφάνεια. Η ρθγμάτωςθ μπορεί επίςθσ να εμφανιςτεί ςε ςυγκολλιςεισ με μεγάλθ ακαμψία. Παράγοντεσ που ςυνειςφζρουν ςτισ ρθγματϊςεισ ανακζρμανςθσ είναι: Επιρρεπισ χθμικι ςφςταςθ του κράματοσ Επιρρεπισ μικροδομι τθσ ΘΕΖ Τψθλά επίπεδα παραμενουςϊν τάςεων Θερμοκραςία ςτθν περιοχι τθσ ανακοφφιςθσ των τάςεων Πολλοί κραματωμζνοι χάλυβεσ παρουςιάηουν κάποια μορφι ευκραυςτοποίθςθσ ςτθ περιοχι τθσ μεγζκυνςθσ των κόκκων ςτθν ΘΕΖ όταν κερμανκοφν ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ (π.χ. 600 C). Σα κραματικά ςτοιχεία που βοθκοφν τθν εμφάνιςθ του φαινομζνου είναι Cr, Cu, Mo, B, V, Nb, and Ti. Οι χάλυβεσ Mo-V και Mo-B είναι ιδιαίτερα επιρρεπισ ειδικά εάν το βανάδιο βρίςκεται ςε περιεκτικότθτεσ πάνω από 0.1%. Εάν για κάποιο λόγο πραγματοποιθκεί αποτατικι ανόπτθςθ μετά τθν ςυγκόλλθςθ ςε χάλυβεσ βαφισ και επαναφοράσ θ κερμοκραςία δεν πρζπει να υπερβεί αυτι που χρθςιμοποιικθκε κατά τθν επαναφορά του χάλυβα. Μία κερμοκραςία 30 με 60 C χαμθλότερθ από τθν κερμοκραςία επαναφοράσ είναι επικυμθτι προκειμζνου να αποφευχκεί θ μείωςθ τθσ αντοχισ του χάλυβα /12

12 /12