APLIKACE KOVÁŘSKÉHO SVAŘOVÁNÍ PŘI VÝROBĚ DAMASCENSKÉ OCELI David ŽÁČEK a, Martin ČERNÝ a, Jiří KLIBER a a VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA, FMMI (KAT. 633), 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, Czech Republic, david.zacek.st@vsb.cz, martin.cerny1@vsb.cz, jiri.kliber@vsb.cz Abstract Article present results of analysis microstructure and mechanical properties of composite material, produced by forge welding technology The Damascus steel, which combinate high karbon Cr steel CSN 41 9418 and Cr-Ni-W-Mo steel CSN 41 9655. Final material include properties of the used steels and increases his application. Study microstructure was performed by optical matallography and electron microscopy related to energy - dispersive spectral microanalysis (EDS). Scan electron microscope effected study of samples by secondary electrons (SEI) and back scattered electrons material s contrast (BEC). Technology of forge welding was extended ability to make consistent forge joint. The structure of normalize damascus steel is ferritic with secondary cementite grains and pearlite. Hardened and tempering samples has function to strenghtening martensitic transformation, where was founded fine martensite phase in the composite. Technique EDS detect oxid segregation between welded lamells. This oxid segregation could be efect to mechanical properties like strength and notch toughness. Abstrakt V této práci jsou prezentovány výsledky studia struktury a mechanických vlastností kompozitního materiálu, vzniklého technologií kovářského svařování, tzv. damascenské oceli, která je kombinací nástrojové chromové oceli ČSN 41 9418 a nástrojové Cr-Ni-W-Mo oceli ČSN 41 9655. Výsledný materiál spojuje vlastnosti obou použitých materiálů, čímž rozšiřuje oblast svého použití. Studium mikrostruktury bylo provedeno za použití světelné metalografie a řádkovací elektronové mikroskopie ve spojení s energiově - disperzní spektrální mikroanalýzou (EDS). Studium vzorků v řádkovacím elektronovém mikroskopu bylo provedeno v režimu sekundárních elektronů (SEI) a zpětně odražených elektronů materiálový kontrast (BEC). Bylo prokázáno, že metodou kovářského svařování je u daných materiálů možné dosáhnout vytvoření pevného svarového spoje s vysokou tvrdostí. Materiál je v žíhaném stavu tvořen feritem s rozptýlenými sekundárními karbidy a perlitem. Ve stavu popuštěném je v materiálu obsažen vysoký podíl rozpadlých martenzitických jehlic. Pomocí techniky EDS bylo zjištěno, že ve svarových rozhraních se vyskytují oxidické vměstky s vyšším obsahem železa a chrómu, které mají vliv na výsledné mechanické vlastnosti, jako jsou pevnost a vrubová houževnatost. 1. PODSTATA VZNIKU SVAROVÉHO SPOJE Ke spojení povrchu dvou částí (monokrystalu, polykrystalu), ve výchozím stavu Obr 1.a), je nezbytné uskutečnit vzájemné vazby okrajových povrchových krystalů na celém povrchu, a je nutné ve směru styku svařovaných ploch dostatečně vysoký tlak p ke stlačení výstupků, tzn. uskutečnit místní pružně-plastickou deformaci. Obr 1 b). Podmínky pro uplatnění interakcí elektronových polí a tím i uplatnění meziatomových sil, při současném snížení energie charakteristické pro mřížku každého monokrystalu,
Obr. 1 Schéma spojení a svaření dvou povrchů plastických kovových těles v pevném stavu [2] a. po opracování, bez následného stlačení b. po aplikaci tlaku, vyvolaná plastická deformace a stlačení výstupků; je to stav při vzniku spoje okrajových krystalů na povrchu stykových ploch c. po difuzi, rekrystalizaci a překrystalizaci kovu v místě vzniku svarového spoje Fig. 1. Scheme of connection and welding the two plastic surfaces of metal objects in solid state a. after processing, without subsequent compression b. the application of pressure, caused by plastic deformation and compression lugs, it is a state of the peripheral joints crystals on the surface of contact areas c. diffusion, recrystallization, and secondary crystalization metal site of welded joint [1] nastanou po přiblížení povrchů ploch na vzdálenost rovnající se parametru mřížky. Takto realizovaný proces umožní spojení krystalů polykrystalických kovových dílů na obou stranách osy svaru. Vlastnosti spoje nedosáhnou však hodnot vlastností svařovaného kovu např. v řezu A A. Obr 1 b), který je veden po hranicích zrn i přes zrna. Bude-li tento proces doprovázen difuzními pochody, tj. mechanismem oboustranného přerozdělování částic přes stykovou plochu svařovaných dílů za vzniku nových zrn, zmizí původní styková plocha. Obr 1 c).vlastnosti tohoto spoje se velmi blíží vlastnostem výchozích spojovaných dílů v libovolném jiném řezu. Ve skutečnosti je vznik svarového spoje při tlakovém svařování dle Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..c mnohem složitější. V průběhu svařování se mohou na stykových plochách a přilehlých vrstvách kovu probíhat další procesy. Jsou to např. elastické a plastické deformace, zpevnění, snížení zpevnění, objemová a povrchová difuze, rekrystalizace, překrystalizace, precipitace a rozpouštění nových fází, vznik a rozpouštění oxidických blan, aj. [2] Jejich úloha při vzniku spoje a také vliv na vlastnosti spoje jsou dány technologickým charakterem procesu. Obecně lze všechny procesy probíhající při svařování kovů rozdělit na základní a průvodní. Základní procesy jsou ty, které jsou bezprostředně odpovědné za formování svarového spoje.libovolné technologické procesy svařování tlakem jsou ovládány částečně nebo úplně následujícími pěti parametry: tlakem (deformací), teplotou, časem, prostředím (složení plynné fáze), rychlostí vzájemného přemisťování (třením). Některé parametry jsou natolik svázány tak, že nemohou být samostatně regulovány a kontrolovány. [1] 2. STRUKTURA A CHEMICKÉ SLOŽENÍ DAM Cílem měření je prozkoumat složení svařených plátů oceli, svarový spoj a další strukturní složky. Materiál uvedený na Obr. 2, zastupuje obě skupiny damascenské oceli (tj. 30. a 60. vrstev) v závislosti na uvedeném tepelném zpracování.
3. Svarový spoj 5000x (SEI) 2 Cr ocel 1 Cr-Ni-W-Mo ocel 4 Svarový spoj 10 000x (SEI) Obr. 2 Zkoumaná oblast vzorku DAM 30.x v žíhaném stavu - 500x (BEC) Fig. 2 Investigated area of the annealed sample DAM 30.x 500x (BEC) Z hlediska svařování je chemické složení v oblasti svaru, i po dalším svaření po přeložení paketu totožné a nepatrné odchylky ve složení jednotlivých fází mohou být zanedbány. Jednotlivé měřené oblasti kompozitu jsou přehledně očíslovány a hodnoty EDS analýzy udává Tabulka 1. Tabulka 1 Chemické složení jednotlivých oblastí vzorku DAM 30.3 (EDS) Table 1 Chemical composition particular areas of the sample DAM 30.3 (EDS) Prvek [%] Oblast-materiál Si Cr Mn Fe Ni O Na Mg Al Ca Ti 1-ČSN EN 41 9655 0,4 1,4 0,4 94,0 3,7 - - - - - - 2-ČSN EN 41 9418 0,4 0,4 0,8 98,4 - - - - - - - 3-Svarový spoj 0,5 0,4 0,7 98,5 - - - - - - - 4-Oxidický vměstek 1. typu 5,5 1,0 1,7 53,1-26,0 4,3 1,2 5,2 1,9-5-Oxidický vměstek 2. typu - 32,7 12,5 7,2-37,9-2,5 5,4-1,7 V místě označeném č. 1, se nachází Cr-Ni-W-Mo ocel ČSN 41 9655, při 5000x zvětšení, kde můžeme pozorovat vyloučení proeutektoidních feritických zrn v bainitické matrici s výskytem nerozpuštěných
sekundárních karbidů. Ve vedlejší oblasti označené číslem 2, sledujeme ukázkový příklad eutektoidního složení struktury chromové oceli ČSN 41 9418. V oblasti č. 3 je zobrazen svarový spoj v místě přeložení chromové oceli. Zřejmá struktura stejnoměrného perlitu svědčí o eutektoidní složení oceli a dokonalém prožíhání vzorku bez výskytu zákalných struktur. Svarový spoj je však tvořen zejména feritickou strukturu, která se zde vyskytuje v důsledku lokálního oduhličení povrchu, což je nezbytné pro vytvoření svaru.[2], [3] Obsah uhlíku je následně difuzí vyrovnán, a ocel může být zakalena na hodnoty až cca 700 HV. Po hranicích svaru se vyskytuje zvýšený podíl komplexních oxidických vměstků železa s proměnným obsahem Mn, Si, Na, Mg, Al, Ca, Ti a chrómu. Ostrohranné útvary v oblasti č. 4 jsou vměstky s vyšším obsahem chrómu, nazývané též chromity. 4 Svarový spoj 4 500x (SEI) 3 Svarový spoj 2000x (SEI) 2 Cr ocel 5 Svarový spoj 10 000x (SEI) 1 Cr-Ni-W-Mo ocel Obr. 3 Zkoumaná oblast vzorku DAM 30.x v kaleném stavu - 500x (BEC) Fig. 3 Investigated area of the hardened sample DAM 30.x 500x (BEC) Vzorek DAM 30.5 na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů., je ve stavu po tepelném zpracování kalením a popouštěním. V této formě je damascénská ocel využívaná u čepelí nožů. Ve struktuře napříč celým vzorkem je převážně obsažen popuštěný martenzit. V oblasti označené číslem 1 se vyskytuje Cr-Ni-W-Mo ocel, kde lze pozorovat jemné jehlice martenzitu. V místě č. 2 můžeme rozlišit jednoznačně nižší stupeň
popuštěného martenzitu s hrubšími jehlicemi. V oblasti svarového spoje č. 3 je zvýšený výskyt globulárních oxidických vměstků o specifickém chemickém složení. Kompletní chemické složení EDS analýzy vybraných oblastí udává Tabulka 2. U oxidických vměstků nebyl však prokázán výskyt niklu. V rámci těchto komplexních sloučenin je třeba poukázat na oblasti se zvýšeným obsahem hliníku, který se zde ve vyšší míře objevuje v důsledku předchozích výrobních procesů. Hliník byl rovněž potvrzen i u vzorku v žíhaném stavu. Strukturu matrice lamelárního perlitu a komplexních sloučenin, resp. vměstků lze sledovat při 2000x zvětšení v oblasti č. 3, kde jsou rovněž rozeznatelné hranice původního austenitického zrna v oblasti č. 4.[3] Celkově bylo prokázáno, že se v oceli, při použití BORAXU (tetra boritanu sodného) během svařování, vyskytuje zvýšený obsah sodíku. To je způsobeno zejména uzamčením tavidla při svařování. Ten se pak spolu s ostatními prvky, v různých koncentracích váže a následně vylučuje ve formě podélných nebo globulárních vměstků viditelných v oblasti č. 4. U svarového spoje, v oblasti č. 5 při 10 000x zvětšení, můžeme s určitostí tvrdit, že se jedná o velmi jemný lamelární perlit s volně rozptýlenými globulárními vměstky tvořené prvky komplexních sloučenin s obsahy uvedenými v Tabulka 2, s přechodem do oblasti zakaleného materiálu s rozeznatelnými rysy hrubších martenzitických jehlic Tabulka 2 Chemické složení jednotlivých oblastí vzorku DAM 30.5 Table 2 Chemical composition particular areas of the sample DAM 30.3 (EDS) Prvek [%] Oblast-materiál Si Cr Mn Fe Ni O Na Mg Al Ca Ti 1-ČSN EN 41 9655-1.3 0.3 94.4 3.9 - - - - - - 2-ČSN EN 41 9418 0.4 0.4 0.8 98.3 - - - - - - - 3-Svarový spoj 0.5 0.3 0.4 98.2 - - - - - - - 4-Oxidický vměstek 1. typu 5.9-5.4 46.9-28.5 4.9 1.0 4.1 2.2 0.5 5-Oxidický vměstek 2. typu 0.6 19.5 4.9 27.4-37.6-2.2 6.8 0.3 0.6 3. APLIKACE TECHNOLOGIE KOVÁŘSKÉHO SVAŘOVÁNÍ Současné využití damascenské oceli lze rozdělit: k rekonstrukcím historických chladných a palných zbraní zejména pak hlavní pro výrobu řezných nástrojů jako jsou čepele luxusních nožů a mečů k výrobě šperků při restaurování, kde je nutné zachovat původní technologii svařování v ohni. Na Obr. 4 je uvedena práce uměleckého kováře Pavla Ševečka z Holešova. Zabývá se výrobou funkčních, výstavních nožů. Své nože zdobí i rytinou. K jejich výrobě využívá zejména chromovou ocel ČSN 41 9418 a ocel ČSN 41 9312, v kombinaci s Cr-Ni-W-Mo ocelí třídy ČSN 41 9655 nebo niklen o specifické čistotě 2N (99%). Jedná se o kompaktní nůž z mozaikovým vzorem damascenské oceli zdobený takzvaným mrožím klem.
Obr. 4 Kompaktní nůž Fig. 4. Compact knive 4. ZÁVĚR Mechanické vlastnosti damascenské oceli by se v podstatě měly zlepšovat s rostoucím počtem vrstev až do stadia, kdy se materiál znovu začne chovat jako homogenní blok. Pevnost kaleného vzorku se 60 vrstvami se pohybovala kolem hodnoty 1400 MPa. Mez kluzu kalených vzorků nebyla na množství vrstev závislá, přičemž nabývala přibližných hodnot 1100 MPa při 0,4% tažnosti. Žíhané vzorky u obou skupin tj. 30 i 60 vrstev dosahovaly stejných hodnot jak na mezi kluzu (540 MPa), tak i na mezi pevnosti (1050 MPa). Je žádoucí dosáhnout cílového počtu vrstev při co nejmenším počtu svařování. Při vysokých teplotách během svařování dochází k okysličení, resp. okujení oceli (propal materiálu, vznik oxidických vměstků, apod.). Abychom se tomuto problému vyhnuli při výrobě vzorků, zvýšili jsme počet vrstev v paketu, čímž se dosáhne vyššího počtu vrstev v polotovaru při co menším počtu překládání. Z analýzy vzorků dále vyplývá, že v důsledku vysokého obsahu nečistot v oblasti svarového spoje, by mohl být ohřev ve výhni nahrazen jinými zdroji tepla jako je např. vakuová pec, pec s inertní atmosférou, ohřev v roztavených solích, aj. Zdrojem nečistot, resp. vměstků, je i používané tavidlo borax, které se uzavírá mezi svařovanými díly, čímž snižuje mechanické vlastnosti kompozitu. Na tomto místě lze doporučit technologii k navařování tvrdých ploch z vysokouhlíkových ocelí na houževnatou nízkolegovanou matrici oceli, u nichž je v důsledku vyššího obsahu uhlíku ztíženo, nebo znemožněno použití jiné metody svařování. Hlavním přínosem této práce je rozšíření poznatků chování konkrétních, námi použitých materiálů při spojování metodou kovářského svařování. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] KUČERA, J. Teorie svařování 1. vyd. Ostrava: VŠB TU Ostrava, 1987, 402 s. [2] HOCKING, B.MARTIN Handbook of chemical technology and pollution control 3. vyd. Oxford: Academic press 2005, 768 s. [3] JECH, J. Tepelné zpracování oceli: Metalografická příručka. 4., přeprac. a dopl. vyd. Praha SNTL, 1983. 391s.