Zvariteľnosť vysokolegovaných oceli

Vysokolegované ocele sa najviac používajú na výrobu zariadení v energetike, v chemickom a potravinárskom priemysle. Možno ich rozdeliť na:


  1. feritické a poloferitické ocele,
  2. martenzitické alebo martenziticky starnúce ocele,
  3. austenitické CrNi ocele.

Feritické a poloferitické ocele

Feritické chrómové ocele obsahujú 18 až 30 % Cr. Sú to magnetické a nekaliteľné ocele. Ohrevom ich nemožno dostať do austenitického stavu, lebo oblasť alfa fázy dosahuje až k solidu.
Pri obsahu chrómu nad 25 % pri pomalom ochladzovaní a pri dlhšej výdrži na teplote 500 až 800°C vzniká v týchto oceliach intermetalická fáza, tzv. sigma fáza. Je tvrdá, krehká a spôsobuje krehkosť oceli. Vo zvarových spojoch vzniká sigma fáza v TOZ pri nevhodne zvolenom postupe zvárania.
Feritické ocele sú obťažne zvariteľné. V teplom ovplyvnenej zóne vzniká pri väčších teplotných príkonoch hrubozrnná štruktúra, ktorú vzhľadom na to, že feritická oceľ nemá transformačné premeny, nemožno odstrániť.

Martenzitické ocele

Martenzitické ocele sú magnetické a kaliteľné na vzduchu. Martenzit vzniká pri pomerne nízkych teplotách (300 až 200°C) a vyznačuje sa vysokou tvrdosťou a nízkou ťažnosťou. Preto pri zváraní sa musí používať predhrev a po zváraní tepelné spracovanie.
Voľba prehrevu závisí od chemického zloženia, zložitosti konštrukcie, hrúbky steny a pod. Naj­častejšie sa používa predhrev na teploty 200 až 250°C ak C 0,1 % ale 0,2 % a nad 250 ak C 0,2 %.
V  tomto prípade sa používa aj dohrev. Ak C 0,1 %, predhrev sa nemusí použiť.
Po tepelnom spracovaní po vzniku disperzných karbidov vo feritickej štruktúre získava zvarový spoj vhodnú kombináciu pevnostných a plastických vlastností. Na zabezpečenie lepšej zvariteľnosti znižuje sa pri týchto oceliach obsah uhlíka a pri oceliach sa zvoli také zloženie, aby obsah delta feritu po austenitizačnej teplote bol čo najmenší.
Pri nesprávnom zváracom režime vznikne v podhúsenicovej zóne tvrdý a krehký martenzit, citlivý na vruby. Súčasne sa zvyšuje hladina vnútorných napätí, a tým sa zvyšuje náchylnosť zvarového spoja na krehké porušenie.
Ocele určené pre vyššie teploty sú v porovnaní s klasickými legovanétíSte molybdénom a vanádom. Ocele pre stavbu vodných turbín niklom (1 až 6 % Ni).
Martenziticky vytvrditeľné ocele
Martenziticky vytvrditeľné ocele sa uplatňujú vo zváraných konštrukciách a v chemickom priemys­le. Ide o ocele s obsahom 8,5 až 9 % mangánu, 0,10 až 0,13 % uhlíka, 0,15 až 0,30 % kremíka a znížený obsah síry a fosforu. Majú veľmi dobré plastické vlastnosti aj pri záporných teplotách, dobrú zvaritcľnosť a štruktúrnu stabilitu.

Mechanické vlastnosti týchto oceli závisia od charakteru martinzitu (od jeho subštruktúry, hustoty mricžkových porúch, stupňa rekrystalizácie, morfológie, prítomnosti iných fáz a pod.).
Konkrétny postup zvárania a voľba parametrov sa určuje podľa chemického zloženia.
Auslenitické ocele
Austenitické CrNi ocele sa od feritkkých a martenzitických oceli odlišujú predovšetkým vyššou húževnatosťou, ťažnosťou a nižšími tranzitnými teplotami. V žíhanom stave nemajú medzu klzu a môžu sa deformačné spevniť bez vzniku skrchnutia.
Zvariteľnosť austenitických CrNi oceli ovplyvňuje:

  1. citlivosť na tvorenie trhlín za tepla vo zvarovom kove,
  2. vznik karbidov chrómu a karbidových filmov v tepelne ovplyvnenej zóne pri nestabilizovaných oceliach,
  3. vznik intermetalickej sigma fázy.

Vznik trhlín za tepla najčastejšie podnecuje tvorba tenkých oxidových filmov alebo karbidových obalov po hraniciach zŕn, ktoré okrem trhlín spôsobujú krehkosť teplom ovplyvnenej zóny a náchylnosť
ku korózii.
Vznik karbidov závisi od viacerých faktorov, z ktorých najdôležitejšie sú:

  1. chemické zloženie (obsah uhlíka má byť menší ako 0,03 %).
  2. čas zotrvania na teplote 650 až 850°C (čím dlhší čas, tým vhodnejšie podmienky pre tvorbu kar­bidov).

Tvorbe karbidov chrómu zabraňuje prítomnosť stabilizačných prvkov, ak sú v oceli prítomné. Uhlík sa viaže prednostne s týmito prvkami a netvoria sa karbidy chrómu.

Zvariteľnosť mikrolegovaných oceli

Mikrolegované ocele sa vyrábajú ako konštrukčné ocele a ich prednosťou sú zvýšené mechanické vlastnosti, najmä medza klzu (až do 700 MPa). Zvýšenie pevnostných vlastností sa získa:


  1. zjemnením zŕn (brzdením rekryštalizacie austenitu alebo prekážkami pri migrácii zŕn z hraníc),
  2. precipitačným vytvrdzovaním.

Ako mikrolegovacie prvky najčastejšie sa používajú Al, Nb, Ti a V, resp. Zr. Mikrolegúry v úhrnnom množstve neprevyšujú 0,15 % hmotnosti (pri Nb maximálne 0,05 %).
Zvariteľnosť týchto oceli závisí od základného zloženia a obsahu nečistôt. Čím je menší obsah uhlíka a nečistôt, tým je zvariteľnosť lepšia
Znižovaním obsahu uhlíka znižuje sa obsah perlitu, a tým sa oblasť rastu primárnych’ zŕn posúva k teplote 1200oC. To umožňuje zvárať niektoré ocele bez predhrevu.
Nevýhodou mikrolegovaných oceli z hľadiska zvariteľnosti je prítomnosť sulfidov, sulfokarbidov a oxisulfidov. Množstvo týchto nečistôt a ich tvar vytvárajú podmienky pre vznik lamelárnych alebo horúcich trhlín.
Na vznik horúcich (likvačných) trhlín vplýva precipitácia sulfonitridov na hraniciach zŕn.
Pri tavnom zváraní časť mikrolegúr (predovšetkým Nb a V) premiešanim zvarového kovu so základným prechádza do zvarového kovu, kde pôsobí nepriaznivo. Znižuje jeho plastické vlastnosti a zvyšuje teplotu vrubovej húževnatosti.
Vplyv prvkov
Uhlík v maximálnej miere sa viaže na mikrolegujúce prvky a vytvára s nimi karbidy a karbonitridy. Tieto svojím rozložením vo feritických zrnách zvyšujú mechanické vlastnosti mikrolegovaných ocelí.
Mikrolegujúce prvky okrem schopnosti tvoriť s uhlíkom karbidy z hľadiska zvárania prejavujú sa ďalšími vlastnosťami.
Hliník má vysokú afinitu ku kyslíku a k dusíku. S kyslíkom vytvára oxid hlinitý (Al2Oj), ktorý sťažuje zváranie najmä pri rýchlom chladnuti zvarového kúpeľa. S dusíkom vytvára stabilné nitridy, a tým potláča náchylnosť na starnutie zv árových spojov.
Niób pri transformácii austenitu precipituje v tvare karbonitridov, a tým vytvrdzuje feritické zrná. zabraňuje rastu austenitických zŕn, zvyšuje počet kryštalizačných zárodkov, a tým zjemňuje feritické zrno. Znižuje kaliteľnosť, zvyšuje medzu tečenia a pevnosti. Pri tavných zváracích procesoch urýchľuje nitridačné procesy, a tým zlepšuje zvariteľnosť oceli.
Titán má veľkú afinitu ku kyslíku, dusíku a uhlíku. V dôsledku toho je veľmi dobrým dezoxidač-ným prvkom. Viazaním dusíka na nitridy titánu potláča náchylnosť na starnutie zvarových spojov.
V  teplom ovplyvnených zónach stabilizuje uhlík.    .
Vanád má podobné účinky ako pri nízkolegovaných oceliach.
Zirkón z hľadiska zvárania má veľmi dobrý dezoxidačný a denitridačný účinok. Jeho nevýhodou je, že oxidy zirkónu netvoria zoskupenia, a preto veľmi pomaly vyplávajú zo zvarového kovu, čo veľmi sťažuje zváranie pri rýchlom chladnuti zvarového kúpeľa.
Pri tavnom zváraní mikrolegovaných oceli vzniká vo zvare a vedľa zvaru podobne ako aj pri uhlíkových a nízkolegovaných oceliach zhrubnutie zŕn, a tým aj pokles pevnosti. Pokles pevnosti kom­penzuje transformačné spevnenie tvorbou bainitickej rozopadovej zmesi alebo martenzitu.

Zvariteľnosť nízkolegovaných ocelí

Zvariteľnosť nízkolegovaných ocelí


Nízkolegované konštrukčné ocele v porovnaní s uhlíkovými konštrukčnými oceľami obvyklých akostí majú lepšie a rovnomernejšie vlastnosti a vyššiu čistotu. Prísadové prvky zvyšujú pevnosť, prekaliteľnosť, húževnatosť, žiarupevnosť a pod Z prísadových prvkov sa pri týchto oceliach najviac používa mangán, chróm, nikel, molybdén a vanád Úplne rozpustný v železe je nikel. Ostatné prísadové prvky tvoria so železom substitučné tuhé roztoky.

V oceliach, ktoré obsahujú chróm, sa pri zváraní tvorí žiaruvzdorný oxid chromitý, ktorý výrazne zhoršuje zvariteľnosť najmä pri zváraní plameňom. Vo zvarovom kove a v teplom ovplyvnenej zóne pri pomalom ochladzovaní, ak zváraný a prídavný materiál neobsahuje stabilizačné prvky, vznikajú karbidy chrómu, ktoré ochudobňujú okolie o chróm a pôsobia ako vtrúseniny s vysokou tvrdosťou a krehkosťou. Okrem toho chróm zvyšuje prekalitefnosť.
Molybdén zvyšuje prekalitcľnosť a v teplom ovplyvnenej zóne spôsobuje vytvrdzovanie feritických zŕn karbidmi Mo2C, Fe^OjC.
Podobné vlastnosti má aj vanád. Často sa používa v kombinácii s molybdémom alebo nióbom.
Z hľadiska zvaritečnosti možno nizkolegované ocele rozdeliť:

  1. so zaručenou zvaritéľnosťou napr. 13 030, 15 124,15 130, 15 131, 15 222, 15 230, 15 231, 16 121, 16 220 a 16 231 do hrúbky 10 mm (resp. aj viac),
  2. s podmienečnou zvaritéľnosťou (najčastejšie s použitím predhrevu, dohrevu alebo tepelného spraco­vania, resp. ich kombináciou) napr. 13 320, 14 331,15 240, 15 513, 15 520, 16 221, 16 222, 16 320 a 16 322,
  3. s veľmi obťažnou zvaritéľnosťou napr. 15 241, 15 260, 15 261 a 15 334.

Tieto ocele sa neodporúča zvárať.
Nizkolegované ocele sú náchylné na vznik studených trhlín. Náchylnosť ocele na vznik studených trhlín pri zváraní podmieňuje štruktúrne skrehnutie (tvorba štruktúry citlivej na účinok vodíka), obsah difúzneho vodíka a tuhosť zváraného uzla.

Zvariteľnosť uhlíkových oceli

Zvariteľnosť uhlíkových oceli


Uhlíkové ocele patria k najpoužívanejším technickým materiálom. Zvariteľnosť týchto ocelí ovplyv­ňuje predovšetkým: chemické zloženie, spôsob výroby a technológia zvárania (najmä množstvo privede­ného tepla a rýchlosť jeho odvádzania zo zvaru – tepelný spád).
Z hľadiska chemického zloženia k najdôležitejším prvkom sa zaraďuje: množstvo uhlíka, mangánu, kremíka, síry, fosforu, pričom obsah kyslíka a dusíka je limitovaný.
Uhlík (C) pri uhlíkových oceliach je základný prvok a rozhodujúco vplýva na vlastnosti uhlíkovej ocele.
Okrem uhlíka na vlastnosti uhlíkových ocelí vplývajú aj sprievodné prvky:

  1. škodlivé nečistoty, síra, fosfor, kyslík, dusík a vodík,
  2. prospešné: mangán, kremík, hliník a meď.

Síra sa do ocele dostáva z rúd alebo z paliva. So železom tvorí sulfid železnatý (FeS), ktorý je v tuhom železe takmer nerozpustný. So železom gama tvorí síra eutektikum Fe+FeS s veľmi nízkou teplotou tavenia (985°C), a preto ak nie je viazaná ináč, sústreďuje sa pri zváraní po hraniciach zŕn, kde vytvára obálky austenitických zŕn a oslabuje ich súdržnosť. Znížená pevnosť na hraniciach zŕn často zapríčiňuje vznik horúcich trhlín.
Okrem sulfidov môžu sa v oceliach vyskytovať aj sulfokarbidy alebo sulfonitridy, resp. oxisulfidy.
Za prítomnosti mangánu sa viaže síra prednostne na sulfid mangánatý (MnS) s teplotou tavenia 1620°C, ktorý z väčšej časti prechádza do trosky. Zvyšok tvoria v oceli vtrúseniny.
Fosfor sa do ocele dostáva z použitých surovín. Vo zvarových spojoch zhoršuje vrubovú húževnatosť, spôsobuje lámavosť za studená a zvyšuje prechodovú teplotu.
Kyslík, ktorý zostáva v oceli, pri výrobe sa viaže na oxidy (FeO, MnO, Al2Oj) alebo v kremiči­tanoch (napr. MnO-SiO,). Do zvarového kovu sa dostáva uvoľnením pri metalurgických reakciách alebo z atmosféry. Pri poklese teploty zvarového kúpeľa z taveniny jeho rozpustnosť klesá a uvoľnený kyslík reaguje s ďalšími prvkami a vytvára oxidy. Časť kyslíka zostáva rozpustená v mriežke železa a v priebehu ochladzovania vytvára jemné oxidické častice, ktoré často zapríčiňujú skrehnutia ocele.
Dusík sa do ocele dostáva pri výrobe alebo z atmosféry. Rozpúšťa sa v železe gama a železe alfa. Vytvára intersticiálny tuhý roztok. V železe alfa sa rozpúšťa asi 0,1 %. S klesajúcou teplotou sa rozpustnosť rýchle zmenšuje a nadbytočný dusík sa pri pomalom ochladzovaní vylučuje ako nitrid Fe^N.
Nitridy sa vylučujú prednostne po hraniciach zŕn a v sklzových rovinách, v ktorých sa tvárnením zvýšila hladina energie. Pri zváraní, kde je ochladzovanie rýchle, vzniká nestabilný roztok dusíka v železe alfa. Po určitom čase a za vhodných podmienok z presýteného tuhého roztoku precipitáciou vznikajú nitridy, resp. karbonitridy. Táto zmena sa prejavuje zmenou mechanických vlastnosti, najmä výrazným znížením vrubovej húževnatosti – starnutie zvarových spojov. Mechanizmus starnutia sa spája s precipitáciou najskôr koherentných súvislých, a potom semikoherentných nesúvislých tetragonálnych nitridov železa. Druhým spôsobom starnutia zvarových spojov je určité presýtenie dusíka spojené s deformáciou ocele. Toto tzv. deformačné starnutie sa líši od predchádzajúceho nielen kinetikou, ale aj mechanizmom.
V prvej etape nastáva interakcia (vzájomné pôsobenie) intersticiálnych atómov dusíka a uhlíka s dislokáciami, čím sa zakotvujú. Zvýši sa medza klzu, tvrdosť a poklesnú plastické vlastnosti. V druhej etape nastáva precipitácia nitridov (vznik nitridov z presýteného tuhého roztoku) na dislokáciách a v tretej precipitácia v celom objeme alfa železa.
Deformačné starnutie zvarových spojov je výraznejšie pri použití viacvrstvových zvarov, kde sa účinky jednotlivých deformačných cyklov sčítavajú.
Náchylnosť ocelí na starnutie sa najčastejšie znižuje viazaním dusíka na stabilné nitridy alebo karbonitridy pomocou hliníka, titánu, nióbu, resp. vanádu alebo zirkónu.
Vodík sa do zvarového kúpeľa dostáva z okolitej atmosféry, z obalu elektród, z taviva, zo znečistených ochranných plynov, vlhkosťou, zo znečistených zvarových plôch alebo drôtov. Vodík zo zvarového kovu prechádza difúziou aj do teplom ovplyvnenej zóne. V oceliach sa môže nachádzať ako plynová vmie-šanina na hraniciach blokov mozaikovej štruktúry, ako atomámy vodík alebo vodíkový ión v mriežke alfa železa (v intersticiálnej polohe).
Vo zvarových spojoch sa vodík prejavuje takto:

  • Pri poklese teploty pod 250°C prechádza z disociovaného stavu do molekulového stavu, pričom vznikajú vysoké tlaky, ktoré spôsobujú praskavosť spojov hneď po zvarení.
  • Určitá časť vodíka môže zostať v mriežkach feritu alfa a po určitom čase difunduje do miest najväčších zaťažení, kde premenou do molekulového stavu vytvára vo zvare dutiny (rybie oká), ktoré zoslabujú nosnosť zvaru a zvarový spoj sa láme.
  • Ak pri ochladzovaní vzniká v teplom ovplyvnenej zóne martenzit alebo tvrdá rozpadová fáza dolné bainitického typu, vplýva vodík na vznik oneskorených trhlín a lomov.

Mangán sa nachádza v oceli ako základná dezoxidačná a odsírovacia prísada. Je rozpustený zväčša vo ferite a zvyšuje jeho pevnosť a húževnatosť. Veľmi malá časť je rozpustná v cementite a zväčšuje jeho stabilitu. Z hľadiska zvariteľnosti sa prejavuje znížením teploty premeny pri ochladzovaní a zvy­šovaním prekaliteľnosti.
Kremík sa do ocele dostáva ako dezoxidačná prísada. Zväčšuje pevnosť feritu, zhoršuje tvárnosť ocelí za studená a spomaľuje fázové premeny v tuhom stave, čo sa veľmi nepriaznivo prejavuje v kvalite zvarových spojov najmä pri takom zváraní, kde zvar rýchlo chladne.
Hliník znižuje stabilitu cementitu a podporuje vznik feritu. Je silne dezoxidačným prvkom a má vysokú afinitu k dusíku, čo z hľadiska stability zvarových spojov je veľmi výhodné. V uhlíkových oceliach obyčajne sa nachádza v množstve 0,015 až 0,02 %.
Meď sa do ocelí dostáva najčastejšie z odpadu, resp. z niektorých druhov rúd. Zvyšuje odolnosť zvarových spojov proti korózii. V uhlíkových oceliach sa jej množstvo pohybuje maximálne do 0,35 %.