PROBLEMATIKA NAVAŘOVÁNÍ POVRCHOVĚ KALENÝCH UHLÍKOVÝCH OCELÍ

Transkript

1 PROBLEMATIKA NAVAŘOVÁNÍ POVRCHOVĚ KALENÝCH UHLÍKOVÝCH OCELÍ Ivo Hlavatý a Miroslav Grée a Václav Foldyna b Zdeněk Kübel b a VŠB Technická univerzita, 17. listopadu 15, Ostrava-Poruba, ČR b JINPO PLUS, a.s., Křišťanova 2, Ostrava-Přívoz, ČR Abstract: Welding of surface hardened high carbon steel is carried out in various engineering branches and this includes refurbishing of shaping tool components, roll stands, abrasion stressed parts such as plough blades and even train and tram tracks. All these have one thing in common - over 0.4% carbon content in steel. In the papers presented, the technology of resurfacing tram rails (chemical composition of surface hardened high carbon steels 0.71 % C, 0.95 % Mn, 0.36 % Si) with not alloyed welds carried out by automatic sub-merged arc. During this process certain problematic areas have been noted in the welds and are described in accordance with the welding parameters, pre-heating and its own metallurgical steps. Evaluations of unwanted structures and minimizing its occurrence have been most emphasized upon. The applicability limit of this technology, in view of the resulting quality and service life of welds, closes the papers. 1. ÚVOD Renovační technologie patří k odzkoušeným způsobům prodloužení životnosti dílů používaných v technické praxi. Návary vysokouhlíkových ocelí, v našem případě kolejnic, se provádějí několika technologiemi, ať už ručně obalovanou elektrodou, trubičkovou elektrodou, tak rovněž automatem pod tavidlem. Výsledné návary jsou podle použitého přídavného materiálu v celém spektru mechanických vlastností, resp. tvrdostí, které se pohybují od cca 250 HV30 do 550HV30. Kolejnice se vyrábějí z materiálů o různém chemickém složení, které můžou mít vliv na výsledný návar. 2. ROZBOR PROBLEMATIKY Hlavním cílem bylo prověření vlivu základního materiálu na návary provedené dvěmi přídavnými materiály ESAB A 234 v kombinaci s tavidlem OK a trubičkovým drátem ESAB OK Tubrodur technologií bez předehřevu.

2 Při navařování kolejnic vyrobených z ocelí s vysokým obsahem uhlíku vyvstávají problémy v návarech a zejména v tepelně ovlivněných oblastech [4]. Tento problém je znásobován u kolejnic s obsahem chrómu (do 1,3 hm.%) typ UIC 1100 a kolejnic povrchově kalených, jejichž chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Na těchto kolejnicích byly provedeny návary bez předehřevu výše uvedeným přídavným materiálem a úkolem bylo posoudit vliv základního materiálu (ZM) na návar a tepelně ovlivněnou oblast (TOO) při zachování shodných svařovacích parametrů. Základní podmínkou při navařování vysokouhlíkových materiálů je získat požadovanou kvalitu návaru, ale současně zajistit vyhovující TOO základního materiálu. TOO je kritickým místem svarového spoje hlavně u kolejnicových materiálů [6]. Z tohoto důvodu byly provedeny návary bez předehřevu, kde lze předpokládat výskyt zákalných struktur. První typ kolejnic jsou povrchově kalené kolejnice o chemickém složení viz tab. 1. Hlava kolejnice je u těchto kolejnic povrchově kalená na tvrdosti až 370 HV30 do hloubky prokalení cca 16 mm. Z teoretického hlediska může nastat problém při ohřevu a ochlazování tohoto materiálu z důvodu rozdílné struktury pod povrchem a uvnitř hlavy kolejnice. Ve výsledku pak můžeme očekávat výskyt trhlin v oblasti prokalení zejména tam, kde nedošlo k vyžíhání této oblasti teplotním cyklem svařování. Pro porovnání byla použita druhá skupina kolejnic UIC 1100 problémová z hlediska obsahu chrómu (0,89 hm.%), který spolu s obsahem uhlíku (0,64 hm.%) může prokazatelně způsobit zakalení v TOO. Výrobce nedoporučuje tento materiál navařovat ani s aplikovaným předehřevem. Tabulka 1: Chemická složení základních a přídavných materiálů Základní materiály Chemické složení hmot. % Rm Tvrdost C Mn Si P S Cu Ni Cr Mo MPa HV30 Povrchově kalené kol. 0,71 1,02 0,28 0,010 0,018 0,04-0, /340* UIC ,64 1,00 0,36 0,019 0,011 0,03 0,02 0,89 0, Přídavné materiály A 234 drát 0,06 1,26 0,32 0,019 0,010 0,08 2,35 0,08 0, OK Tubrodur ,15 1,10 0, ,30 1,00 0, A 106 0,06 1,06 0,10 0,024 0,017 0, , VLASTNÍ PROVEDENÍ A HODNOCENÍ NÁVARŮ Návary byly prováděny jedno a dvouvrstvě dle obr. 1 (vzorky č , 432.7) s tím, že první vrstva byla provedena na všech kolejnicích materiálem ESAB A 234 v kombinaci s tavidlem OK do cca poloviny hlavy kolejnice (klínovitý tvar návaru z levé strany). Druhá vrstva byla navařena na první vrstvu s přechodem na hlavu kolejnice (jako první vrstva) z důvodu posouzení tohoto přechodu a zároveň vlivu obsahu uhlíku v materiálu kolejnice na svarový kov zhotovený přídavným materiálem ESAB OK Tubrodur viz tabulka 1. Ve druhém případě byly provedeny návary druhé, resp. třetí vrstvy na předchozí vzorky viz obr. 2 (vzorky č a 432.8) materiálem ESAB OK Tubrodur [2].

3 Parametry navařování byly voleny s ohledem na vnesené teplo a to pro A 234 7,4 kj.cm -1 a pro OK Tubrodur ,9 kj.cm -1 [5]. Návary byly posuzovány z několika hledisek : sledování výskytu trhlin hodnocení mikro a makrostruktury TOO a svarového kovu sledování průběhů tvrdostí u jedno a dvouvrstvého návaru porovnání výsledných tvrdostí a struktur z hlediska použitého základního materiálu Obr. 1: Makrostruktura jedno a dvouvrstvého návaru vzorků (1,7x) Obr. 2: Makrostruktura dvou a trojvrstvého návaru vzorků (1,7x) Z hlediska trhlin byly hodnoceny všechny návary a ani v jednom případě se trhliny nevyskytovaly [3].

4 Návary lze rozdělit do skupin: jednovrstvé materiálem OK Tubrodur dvouvrstvé materiálem OK Tubrodur dvouvrstvé s první vrstvou A 234 a druhou vrstvou OK Tubrodur třívrstvé s první vrstvou A 234 a dvěmi vrstvami OK Tubrodur Jednovrstvé návary OK Tubrodur vykazují struktury popuštěného bainitu viz obr. 3. Tvrdosti se však liší viz tabulka 2. V případě návaru na povrchově kalenou kolejnici (vz ) se tvrdost pohybuje kolem 440 HV30. Tyto tvrdosti jsou způsobeny promísením návaru se základním materiálem s obsahem uhlíku 0,71 hm. %. V tomto případě nebyl pozorován vliv povrchového kalení kolejnice. U kolejnice UIC 1100 je tvrdost návaru podstatně vyšší 527 HV30, způsobená přítomností chrómu v ZM i při nižším obsahu uhlíku (0,63 hm. %). Z tohoto měření je jednoznačně patrný vliv základního materiálu na návar. Obr. 3. Mikrostruktura hranice ztavení vzorku (500x) Tabulka 2: Hodnoty tvrdostí v jednotlivých oblastech návaru a TOO Vzorek 1.vrstv a 2.vrstva 1.vrstva 2.vrstva 3.vrstva TOO TOO Základní Typ základního č A pod pod materiál materiálu 1 vrstvou více vrst. Tvrdost HV30 Povrchově kalené kol /340* UIC Povrchově kalené kol /340* UIC Pozn. * - hodnota tvrdosti zákl. materiálu / hodnota tvrdosti zakaleného povrchu hlavy kolejnice

5 Dvouvrstvé návary OK Tubrodur vykazují ve druhé vrstvě struktury zejména popuštěného bainitu, místy popuštěného martenzitu. Naměřené hodnoty tvrdosti se ve druhé vrstvě pohybují u povrchově kalených kolejnic na hodnotách 440 a 460 HV30. U UIC 1100 je opět patrný nárůst tvrdosti na 506 HV30. První vrstva je u všech návarů popuštěná krycí vrstvou na hodnoty 370 HV30, resp. u materiálu UIC1100 na hodnotu 434 HV30. Dalším ověřením vlivu základního materiálu na návar jsou dvouvrstvé návary s první vrstvou A 234 a druhou vrstvou OK Tubrodur V případě povrchově kalené kolejnice dosáhla druhá vrstva tvrdosti 417 HV30 a opět vyšších hodnot bylo dosaženo u UIC HV30. Ve srovnání s jednovrstvým návarem OK Tubrodur je patrný pokles tvrdosti z důvodu úbytku uhlíku v mezivrstvě A 234. Mezivrstva provedená A 234 vykazuje vyšší tvrdosti než krycí vrstva. U povrchově kalených kolejnic je tvrdost cca 420 HV30. UIC 1100 je opět patrný vliv chrómu se základního materiálu. Projevuje se zde i 2,5 hm.% niklu v A 234, která společně s chrómem zvyšuje tvrdost na již nepřípustnou hranici 530 HV30. Posledním ověřením byly třívrstvé návary, první návarová vrstva A 234, druhá a třetí vrstva OK Tubrodur Ve všech případech je patrný jen minimální vliv základního materiálu. Krycí vrstva má strukturu převážně popuštěného bainitu čemuž odpovídá tvrdost návaru v rozmezí 380 až 425 HV30 srovnatelná s katalogovými hodnotami ESAB. Na prostředních vrstvách u povrchově kalené je patrné popuštění a tím snížení tvrdosti. U UIC 1100 je naměřená vyšší tvrdost než v krycí vrstvě 455 HV30. První vrstva provedená A 234 na povrchově kalenou kolejnici je popuštěná na hodnoty 340 HV30. Problémová je opět UIC 1100 s tvrdostí odpovídající popuštěnému martenzitu, tj. 506 HV30 viz obr. 4. Tato hodnota je nepřípustná. Obr. 4: Mikrostruktura hranice ztavení vzorku (500x)

6 Pro posouzení tepelně ovlivněné oblasti lze vycházet z tvrdosti základního materiálu, která se u povrchově kalené je 280 HV30, resp. v zakalené oblasti 340 HV30. U kolejnice UIC 1100 pak 340 HV30. Z hodnot tvrdostí v TOO pod jednovrstvým návarem OK Tubrodur 15.43, které se pohybují u povrchově kalené 608 HV30 a u UIC HV30 je zřejmé, že vnesené teplo 8,9 kj/cm spolu s trubičkovým drátem, který nevytváří na povrchu dostatečnou strusku zajišťující pomalejší ochlazování, způsobuje překročení kritické rychlosti ochlazování [1], čímž v TOO vzniká zákalná struktura o nepřípustné tvrdosti. Na tyto vysoké hodnoty má vliv i difúze chrómu společně s niklem ze svarového kovu do TOO, který zapříčiňuje vyšší prokalitelnost materiálu. V případě dvou a vícevrstvých návarů je situace podstatně příznivější. O povrchově kalené kolejnice jsou vyhovující hodnoty tvrdosti kolem 300 HV30. Mezivrstva A 234 napomáhá ke snížení uhlíku do hodnot max. 0,3 hm. % [6], což upravuje průběh tvrdosti ve vlastní mezivrstvě a zajišťuje tvrdost horních vrstvách kolem 420 HV30. Na obr. 5 je znázorněn způsob měření tvrdosti od hranice ztavení do základního materiálu (- hodnoty) a do svarového kovu (+ hodnoty) shodný u všech vzorků. Výsledné průběhy tvrdostí jsou patrny z obr. 6 a 7. Výsledky u kolejnice UIC 1100 jsou i v TOO problematické, tvrdost v TOO je v tomto případě je 625 HV30. V tomto případě mezivrstva A 234 nevyřešila problém, naopak 2,5 hm. % niklu v kombinaci s 0,89 hm. % chrómu v ZM způsobilo vytvoření zákalné struktury o vysoké tvrdosti [7] a ani žíhání dalšími vrstvami nepomohlo upravit hodnoty tvrdosti. V tomto případě lze doporučit použití mezivrstvy nelegovaným materiálem A 106, který by neměl zvyšovat tvrdost v návaru ani TOO. Tuto kombinaci je nutné ověřit obdobnými zkouškami. Obr. 5: Způsob měření tvrdostí přes návar do základního materiálu vzorku (2,5x)

7 Hranice ztavení Tvrdost HV Vzdálenost tvrdostí od hranice ztavení [mm] jednovrstvý dvouvrstvý Obr. 6: Průběhy tvrdostí vzorku jedno a dvouvrstvý návar OK Tubrodur Hranice ztavení Tvrdost HV dvouvrstvý trojvrstvý Vzdálenost tvrdostí od hranice ztavení [mm] Obr. 7: Průběhy tvrdostí vzorku dvou a trojvrstvý návar

8 (první vrstva A 234, druhá a třetí vrstva OK Tubrodur 15.43) 4. ZÁVĚR Předmětem příspěvku bylo porovnání vlivu základního materiálu na výsledný návar při přesně specifikovaných parametrech navařování a shodných přídavných materiálech. Získané výsledky dokumentují zásadní vliv základního materiálu na návar, resp. svarový kov, který vykazuje rozdílné mechanické vlastnosti při jejich záměně. Rovněž v tepelně ovlivněné oblasti je velký rozdíl ve strukturách i výsledné tvrdosti. Výsledky lze shrnout do několika bodů: při navařování jedné vrstvy trubičkou OK Tubrodur je tvrdost návarů vyšší (nad 440 HV30) z důvodu vlivu uhlíku se základního materiálu a u kolejnice materiálu UIC 1100 i chrómu, kde je tvrdost návaru až na hodnotě 527 HV30. Tepelně ovlivněná oblast je při jednovrstvém návaru ve všech případech nevyhovující s martenzitickou strukturou o tvrdostech nad 532 HV30. při navařování dvou a více vrstev trubičkou OK Tubrodur lze konstatovat, že dosahovaná tvrdost horní vrstvy je na úrovni austenitických návarů zpevněných provozem, tj. nad 460 HV30, u kolejnice UIC 1100 hodnoty až 506 HV30 odpovídající bainitické a martenzitické struktuře svarového kovu. Oproti tomu první vrstva na kolejnici po vyžíhání krycí vrstvou, dosahuje u povrchově kalené kolejnice vyhovujících hodnot do 380 HV30. U kolejnice UIC 1100 jsou hodnoty tvrdosti nevyhovující. Tepelně ovlivněná oblast první kolejnice je z hlediska tvrdosti vyhovující a to do 350 HV30. U UIC 1100 je TOO nevyhovující s hodnotami nad 600 HV30. u návarů s použitou první vrstvou A 234 a druhou a další vrstvou trubičkou OK Tubrodur je patrný vliv niklu u obou materiálů. Tato kombinace je u povrchově kalené kolejnice těsně nad hranicí únosnosti kolem 410 HV30. Krycí vrstvy u tohoto případu dosahuje uváděných katalogových hodnot kolem 400 HV30. U kolejnic z materiálu UIC 1100 bylo dosaženo nevyhovujících výsledků v první vrstvě A 234, kde jsou hodnoty tvrdosti nad 500 HV30 způsobené niklem a chrómem po promísení v této vrstvě. Tepelně ovlivněná oblast je vyhovující u kolejnic povrchově kalených. Zcela nepříznivá je TOO u UIC 1100, kde došlo ke vzniku martenzitické struktury o tvrdostech až 625 HV30. V toto případě nepomohlo ani žíhání krycí vrstvou návaru a možné řešení je použitím nelegované mezivrstvy přídavným materiálem A 106, která eliminuje vliv niklu z A 234. Tuto kombinaci je však nutné ověřit dalšími zkouškami. Z uvedených závěrů je patrné, že ne vždy rozhoduje o výsledném návaru pouze přídavný materiál, ale je nutné vždy sledovat chemické složení základního materiálu, který po vytvoření svarového kovu, může mít zásadní vliv na výsledný návar zejména u vysokouhlíkových materiálů používaných pro výrobu kolejnic.

9 Literatura [1] Hlavatý, I. - Foldyna, V. - Kübel, Z: Navařování vysokouhlíkových ocelí bez předehřevu. In: Sborník - Pokrok vo zváraní 20. mezinárodního kongresu VÚZ Bratislava, Stará Lesná, svazek 1, 1999, s [2] Foldyna, V. - Hlavatý, I. - Pětroš, K. - Kübel, Z. Polach, J.: Problematika navařování kolejnic materiály s vyšší pevností. In: XXIII. Dny svařovací techniky, Vamberk, 1998, s [3] Beneš, L. - Schmidová, E.: Analýza příčin defektů v návarech tramvajových kolejnic, Scientific Papers of The University of Pardubice, 4-98, s [4] Hlavatý, I. Beneš, L. Schmidová, E. - Foldyna, V. - Kübel, Z.: Vliv teploty předehřevu na mikrostrukturu přechodové oblasti kolejnic s austenitickým návarem pojezdové hrany. In: Sborník vědeckých prací VŠB - TU Ostrava, XLIV, 1998, č.1, řada strojní, s [5] Foldyna, V. - Hlavatý, I. - Pětroš, K. - Kübel, Z. - Polach, J. - Hrotík, M.: Certifikace technologie navařování kolejnic technologií automatem pod tavidlem TÜV Bayern Hessen Sachsen Südwest e.v. dle předpisu VdTÜV Merkblat 1156 a EN [Technická zpráva pro TÜV Bayern]. Ostrava, JINPO PLUS a.s s. [6] Vynález CZ č. PV ; JINPO PLUS a.s., Foldyna, V. - Hlavatý, I. - Pětroš, K. - Polach, J. - Kübel, Z. - Hrotík, M.: Způsob automatického nebo poloautomatického navařování kolejnic, [7] Hlavatý, I. a kol.: Svařitelnost uhlíkových ocelí. Materiály a jejich svařitelnost, ZEROSS Ostrava, 1999, s