VLIV STOPOVÝCH PRVKŮ NA HOUŽEVNATOST OCELI TRACE ELEMENTS EFFECT ON THE STEEL TOUGHNESS

Transkript

1 Abstrakt VLIV STOPOVÝCH PRVKŮ NA HOUŽEVNATOST OCELI TRACE ELEMENTS EFFECT ON THE STEEL TOUGHNESS Martin Balcar, Libuše Havelková, Libor Sochor, Pavel Fila, Ludvík Martínek ŽĎAS, a.s., Strojírenská 6, Žďár nad Sázavou, Problematika stopových prvků je dlouhodobě řešena především z pohledu podmínek provozu součástí energetických zařízení. Stopové prvky tzv. Tramp Elements Cu, Sn, Sb, As, Pb však ovlivňují užitné vlastnosti všech typů oceli. Posouzení vlivu zvýšeného obsahu stopových prvků na houževnatost oceli a úroveň přechodové teploty FATT T 50 bylo provedeno u jakosti ČSN Vlastnosti oceli po provedení STEP COOLING dokladují vliv stopových prvků na tepelnou degradaci materiálu. Abstract The trace element problem has been solved for a long time, mainly with respect to power equipment operating conditions. The trace elements Cu, Sn, Sb, As, Pb effected the use properties of all types of steel. The effect of increased trace-element content on the steel toughness and FATT T50 level has been carried out for the steel grade EN S355J2G3. Properties of the steel after carrying out the STEP COOLING process give proof of the effect of trace elements on the thermal degradation of material. 1. LITERÁRNÍ STUDIE V oblasti ocelí pro energetiku jsou dostupné dílčí nebo úplné studie vlivu koncentrace mědi, antimonu, cínu a arsenu na vlastnosti a chování teplotně namáhaných ocelí a to jak pro kryogenní podmínky, tak pro podmínky vysokých teplot a tlaků odpovídajících parametrům přehřáté páry. Odlitky pro aplikace v oblasti energetiky, chemického a petrochemického průmyslu, jsou vyráběny především z žáropevných ocelí Cr Mo, Cr Mo V. Jedná se o oceli, které odolávají tečení v rozmezí teplot (350 až 550) C. U těchto materiálů je důležitá také odolnost proti zkřehnutí materiálu při dlouhodobém termomechanickém zatížení. Tato odolnost se snižuje současným vlivem difúze atomů nečistot a zhrubnutím karbidů na hranicích zrn. [2] Oceli legované Cr a Ni jsou rovněž citlivé na vznik popouštěcí křehkosti (Temper Embrittlement). Mezi prvky, které výrazně zvyšují stupeň křehkosti, patří antimon, fosfor, cín a arsen. Popouštěcí křehkost je způsobena segregací stopových prvků (Tramp Elements) na hranicích austenitických zrn s následkem vzniku interkrystalického lomu. [3] U žáropevných ocelí je proto třeba věnovat pozornost stopovým prvkům, protože zhoršují užitné vlastnosti, zejména křehko-lomové charakteristiky. Mezi škodlivé prvky snižující vlastnosti žáropevných ocelí patří: cín, olovo, antimon, vizmut, arsen, fosfor, síra, kyslík, dusík a vodík. Na hranicích zrn byly nalezeny několikanásobně vyšší obsahy fosforu, antimonu a cínu, než byl jejich průměrný obsah v oceli. [4]

2 Vliv prvků na zkřehnutí udávají faktory chemické čistoty: (koncentrace prvků v hm. %) J faktor = (Mn+Si)*(P+Sn)*10000 (Watanabe). Zpočátku bylo omezení J faktor<200, v současné době se běžně ve specifikacích objevuje požadavek na J faktor J<120. [5], [6], [7] X faktor = (10*P+5*Sb+4*Sn+As)*100 (Bruscato). Požadovaná hodnota X faktoru byla zpočátku X<20, nyní X<15 a oceli pro speciální použití (rotory kompresorů a generátorů) vyžadují hodnotu X<8. [6], [7], [8] Dále byl formulován faktor chemické čistoty resp. odolnosti materiálů a svarových spojů proti zkřehnutí: K faktor = (Mn+Si)*(10*P+5*Sb+4*Sn+As)*1000 Požadavek na nízký obsah Mn a Si v těchto ocelích souvisí s jejich výrazným vlivem na zvýšenou segregaci P, Sn, As a Sb. Segregované prvky vyloučené na hranicích zrn následně způsobují křehnutí oceli. Pro oceli tvářené za tepla se uvádí faktor tvařitelnosti = Cu+6*(Sn+Sb) 0,4% a Is faktor =16,1*Sb+13,8*Sn+12,6*P+10,5*As+8,8*S 0,50%, přičemž při obsahu nežádoucích prvků v oceli převyšující v rámci uvedených faktorů limitní hodnoty, dochází k výraznému zhoršení schopnosti materiálu podléhat plastickým deformacím za tepla s následkem porušením materiálu. Oceli s výrazně nízkými hodnotami J, X a K faktoru jsou podstatně odolnější proti popouštěcí křehkosti při dlouhodobém zatížení za teplot v rozmezí (350 až 550) C. Zkouška odolnosti materiálu proti zkřehnutí při dlouhodobém zatížení se provádí pomocí tzv. STEP COOLING - simulované tepelné zpracování v rozsahu cca 230hod, zahrnující ohřev a následné dlouhodobé stupňovité ochlazování viz. obrázek 1. Obr. 1: Teplotní režim stupňovitého ochlazování (STEP COOLING) Následně po STEP COOLING se realizuje hodnocení zkušebního tělíska zkouškou vrubové houževnatosti a stanovení přechodové teploty FATT T 50. [6], [11], [12] Přechodová teplota FATT T 50 odpovídá teplotě, kdy po zkoušce vrubové houževnatosti je na lomové ploše vzorku podíl křehkého lomu 50%. Výsledek zkoušky STEP COOLING vychází z vyhodnocení minimálně šesti zkušebních tělísek při různých teplotách zkoušení, přičemž minimálně dvě tělíska musí vykazovat na lomové ploše podíl více než 50% houževnatého lomu a dvě tělíska podíl méně než 50% houževnatého lomu. Jedna informativní zkouška je rovněž prováděna při pokojové teplotě. [1], [2] Hodnocení nízkolegované oceli pro tlakové nádoby s rozdílnou chemickou čistotou dle tabulky 1 dokumentuje vliv stopových prvků a aplikace STEP COOLING na dosažené hodnoty FATT T 50.

3 Tab. 1: Chemické složení zkušebních taveb Tabulka 2 uvádí výsledky hodnocení mechanických vlastností po různých režimech tepelného zpracování, zejména aplikace STEP COOLING. Tab. 2: Mechanické vlastnosti experimentálního materiálu Vyhodnocení nárazové práce KV [J] v závislosti na teplotě zkoušení a vyhodnocení FATT T 50 (tranzitní teploty odpovídající 50% křehkého lomu) je pro tavbu A uvedeno na obrázku 2 a pro tavbu B na obrázku 3. Obr. 2: Teplotní závislost nárazové práce pro dva stavy oceli s běžným obsahem nečistot Obr. 3: Teplotní závislost nárazové práce pro dva stavy oceli se zvýšeným obsahem nečistot Z uvedeného vyhodnocení je patrné, že u tavby B (obsahující vyšší obsahy stopových prvků) vyvolalo stupňovité ochlazování posuv tranzitní teploty o 85 C. Dle [7] by stopové prvky za tehdejších (r.1985) doporučených podmínek neměly přesáhnout hodnoty: 0,0040 hm.% Sb, 0,0200 hm.% Sn, 0,0200 hm.% As, 0,020 hm.% P. Vývoj omezení limitní úrovně obsahu diskutovaných prvků v ocelových výrobcích stále směřuje k dosahování nižších koncentrací. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ZKOUŠKY STEP COOLING Na základě literární rešerše byl realizován experiment posouzení vlivu stopových prvků na posun teploty FATT T 50 metodou STEP COOLING.

4 Pro posouzení vlivu stopových prvků na posun teploty FATT a na vlastnosti materiálů byl zajištěn zkušební materiál ze 2 taveb jakosti oceli na výkovky dle ČSN : tavba A tavba B ocel s nízkým obsahem stopových prvků s vyšším obsahem stopových prvků Byly provedeny kompletní analýzy chemického složení oceli, včetně měření obsahu plynů a přesného stanovení koncentrace stopových prvků. Výsledky měření pak uvádí tab. 3. Tab. 3: Výsledky měření chemického složení vzorků oceli taveb A, B ARL C, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, Cu, Mo, V, Al, Ca, As, Sn, Sb, Ti TC O 2, N 2 (označeno *) RH H 2 (označeno **) AAS - As, Sn, Sb, Pb, (označeno *** ) Pro laboratorní zkoušky byly provozně volným kováním vyrobeny z každé experimentální tavby 2 bloky o rozměrech 100 x 50 x 200 ve stavu po tepelném zpracování (normalizace + popouštění). Bloky s označením A1, A2, B1 a B2 byly orientovány tak, aby vzorky pro zkoušku vrubové houževnatosti byly umístěny tangenciálně k ose výkovku. Z bloků byly vždy odebrány pro 6 teplot zkoušení 3 vzorky na zkoušku vrubové houževnatosti. Výsledky zkoušky vrubové houževnatosti, resp. naměřené hodnoty nárazové práce pro stav A1 a B1, znázorňuje graf. Z grafu vyplývá nižší úroveň vrubové houževnatosti u oceli vzorku B1 s vyšší koncentrací nežádoucích prvků Cu, As, Sn, Sb, Pb. Bloky A2, B2 byly tepelně zpracovány režimem dle obr. 1. Z každého bloku byl proveden odběr vzorků pro zkoušky vrubové houževnatosti.

5 Výsledky zkoušky vrubové houževnatosti po STEP COOLING, resp. naměřené hodnoty nárazové práce pro stav A2 a B2 znázorňuje další graf. Z grafu je patrná nižší úroveň houževnatosti u oceli vzorku B2 s vyšší koncentrací nežádoucích prvků Cu, As, Sn, Sb, Pb. Vyhodnocení vrubové houževnatosti vzorků z bloků A1, A2, B1, B2, dále umožnilo sestrojení křivek přechodové teploty a stanovení FATT T 50. Diagramy sestavené z dat výsledků zkoušek uvádí obrázky 4 až 7. Obr. 4: A1 stanovení FATT T 50 Obr. 5: B1 stanovení FATT T 50

6 Obr. 6: A2 stanovení FATT T 50 Obr. 7: B2 stanovení FATT T 50 Z diagramů na obrázcích 4 až 7 můžeme pro jednotlivé případy odečíst dosažené úrovně přechodové teploty FATT T 50. U materiálu ve stavu po tepelném zpracování (A1, B1) dochází díky vyšší koncentraci stopových prvků k posunu tranzitní křivky a hodnoty FATT T 50 A1 = -16 C na teplotu FATT T 50 B1 = 0 C, tedy lze konstatovat posun přechodové teploty o 16 C. Provedením dodatečného STEP COOLING na materiálu ve stavu po tepelném zpracování (A2, B2) došlo díky vyšší koncentraci stopových prvků k posunu tranzitní křivky a hodnoty FATT T 50 A2 = -8 C na teplotu FATT T 50 B2 = +26 C, tedy lze konstatovat posun přechodové teploty o 34 C. Z porovnáním rozdílu přechodových teplot (A1, B1) = 16 C a (A2, B2) = 34 C vidíme, že při simulování podmínek dlouhodobého tepelného namáhání dochází díky vyšší koncentraci stopových prvků k výrazné ztrátě houževnatosti materiálu. 4. ZÁVĚR Cílem práce bylo ověřit vliv zvýšeného obsahu doprovodných prvků v ocelové vsázce na dosažené parametry mechanických vlastností výrobku z konstrukční oceli ČSN Z literární studie vyplývá, že vyšší obsah stopových prvků vyvolává u chróm niklové oceli při stupňovitém ochlazování (STEP COOLING) posuv přechodové teploty až o 85 C. Experimentální práce zaměřené na posouzení vlivu stopových prvků na houževnatost oceli byly realizovány v rámci dvou taveb jakosti oceli na výkovky dle ČSN Výsledky zkoušek rázem v ohybu dokladují nepříznivý vliv vyšší koncentrace stopových prvků Cu, Sn, Sb, As, Pb na dosažené hodnoty nárazové práce. Provedení zkoušky STEP COOLING pro posouzení vlivu stopových prvků a dlouhodobého popouštění na teplotu FATT T 50 dokladuje, že u materiálu došlo vlivem vyšší koncentrace stopových prvků k posunu tranzitní křivky a hodnoty FATT T 50 A2 = -8 C na teplotu FATT T 50 B2 = +26 C, tedy k posunu přechodové teploty o 34 C. Výsledky se shodují se závěry literární studie. Výraznější posun přechodové teploty vlivem zvýšené koncentrace stopových prvků lze očekávat u materiálů legovaných chrómem a molybdenem. Práce byla řešena v rámci programu EUREKA projektu E!4092 MICROST OE08009 za finanční podpory Ministerstva školství mládeže a tělovýchovy České republiky.

7 5. LITERATURA [1] Dlouhý I., Němec O.: Provozní degradace a konkurence štěpného a interkrystalického lomu, sborník 18. dny tepelného zpracování, 2000, s [2] Dlouhý I., Hadraba H., Strnadel B.: Konkurence transkrystalického a interkrystalického lomu jako projev degradace oceli, sborník 21.dny tepelného zpracování, 2006, s [3] Lancaster J.F: Metallurgy of Welding, [4] Fremunt P., Podrábský T.: Konstrukční oceli, CERM, Brno, 1996 [5] Hernández S.G., Conejo A.N.: Creep properties of 1,25Cr-1Mo-0,25V steels for turbine casings,13 [6] Newell W.F.: Challenges Meeting Temper Embritlement Criteria with Welding Consumables, IPEIA 2007 [7] Libra O., Soukup K.: Křehnutí svarových spojů a materiálů tlakových nádob při provozních teplotách, Zváranie 34 (1985), č.1, s [8] [9] Fila P., Martínek L., Balcar M., BažanJ., Adolf Z.: Evaluation of super clean steels according to chemical composition, sborník Metalurgija 44 (2003) 3, s [11] Arabi H., Mirdamadi S., Abdolmaleki A.R.: Temper Embrittlement Sensitivities of 3Cr- 1Mo and 2,25Cr-1Mo Low Alloy Steels, [10] Nutting J.: Clean steel, dirty steel, Ironmaking and Steelmaking, 1989, Vol 16, No.4, s [12] Veverka J.: Svařování modifikovaných chromových ocelí