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 %.