SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 1 5/2.7.10.3 Austenitické vysokolegované žáruvzdorné oceli Austenitické vysokolegované chrómniklové oceli obsahují min. 16,5 hm. % Cr s dostatečným množstvím Ni a Mn a dále C (N) k dosažení austenitické struktury. Další prvky k získání požadovaných vlastností mohou být Mo, Ti, Nb, Cu, Al, Si. Předběžně lze strukturu austenitických ocelí určit s využitím výpočtu ekvivalentů Cr a Ni s následným znázorněním v Schaefflerově, DeLongově, W.R.C. nebo v implant diagramech (Folkhard, E.: Welding Metallurgy of Stainless Steels, Springer Verlag, Wien, 1988, 279s). Oceli jsou dodávány z hlediska potlačení vzniku trhlin za horka s různým obsahem feritu delta. Množství feritu delta se vyjadřuje feritovým číslem (FN). V rozsahu 0 až 10 % se stanovuje podle EN ISO 8249. Podle ČSN EN 1011-3 optimální tepelné zpracování austenitických ocelí je rozpouštěcí žíhání za teploty 1 050 C, po prohřátí 20 minut na teplotě, s následným ochlazením ve vodě.
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 2 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI Další možností stabilizace austenitické oceli je snížit obsah uhlíku na méně než 0,03 hmot. %, tj. na množství uhlíku ještě rozpustné v austenitu. Potom není volný uhlík k tvorbě karbidů chrómu. Nevýhodou může být heterogenita v chemickém složení uhlíku po průřezu a délce, a tudíž se často používá kombinace sníženého obsahu uhlíku se stabilizací oceli (Ti, Nb, Ta). Stabilizované austenitické oceli jsou před odlitím legovány, nejlépe v rafinační pánvi, silně karbidotvornými a nitridotvornými prvky, jmenovitě titanem, niobem, nebo oběma prvky. Množství titanu nebo niobu se určuje s rezervou podle poměru jejich atomové hmotnosti ke hmotnosti uhlíku, kupř. množství Ti = 5x(C-0,03), Nb = 10x(C-0,03). Standardní austenitické oceli mohou obsahovat malý podíl feritu delta (3 až 10 %) s tím, že obsah uhlíku by měl být max. 0,06 hm. %. S cílem potlačení tvorby karbidů po hranicích zrn při svařování jsou vyráběny austenitické oceli s obsahem uhlíku max. 0,03 hm. %. Strukturní stálost vysokolegované oceli je zvyšována stabilizováním austenitických ocelí Ti, Nb, kombinací Ti Nb, případně Ta. Plně austenitické oceli zaručují požadované vlastnosti, jmenovitě nízkou permeabilitu, zvýšenou odolnost proti tečení a oxidaci při vyšších a vysokých teplotách (zvýšenou žáruvzdornost) a jsou vhodné též pro použití za hlubokých teplot. Superaustenitické oceli jsou řazeny do skupiny plně austenitických ocelí a mají zvýšený obsah chrómu a niklu. Ke zvýšení stability ocelí obsahují molybden a dusík. Austenitické oceli se zvýšeným obsahem Cr, Ni a Si (X6NiCrSiNCe35-25) jsou vysoce žáruvzdorné s tím, že vzdorují prostředí do teploty 1 170 C včetně.
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 3 Klasické žáruvzdorné austenitické oceli 1.4841 (X15CrNiSi25-20) mají vyšší obsah Cr, Si, Al, Mo s cílem dosažení vyšší odolnosti proti žáru do teploty 1 150 C včetně. Chemické složení (rozbor tavby) austenitických ocelí žáruvzdorných ve shodě s ČSN EN 10095 T Označení Hmotnostní podíl v % Značka Číselné označení C Si Cr Ni N X8CrNiTi18-1.4878 max. 0,10 max. 1,00 17,00 9,00 1) 10 až 19,00 až 12,00 X15CrNiSi20-1.4828 max. 0,20 1,50 až 2,00 19,00 11,00 max. 0,11 12 až 21,00 až 13,00 X9CrNiSiN- 1.4835 0,05 až 0,12 1,40 až 2,50 20,00 10,00 0,12 Ce21-11-2 až 22,00 až 12,00 až 0,20 2) X12CrNi23-13 1.4833 max. 0,15 max. 1,00 22,00 12,00 max. 0,11 až 24,00 až 14,00 X8CrNi25-21 1.4845 max. 0,10 max. 1,50 24,00 19,00 max. 0,11 až 26,00 až 22,00 X15CrNiSi25-1.4841 max. 0,20 1,50 až 2,50 24,00 19,00 max. 0,11 21 až 26,00 až 22,00 X12NiCrSi35-1.4864 max. 0,15 1,00 až 2,00 15,00 33,00 max. 0,11 16 až 17,00 až 37,00 X10NiCrAl- 1.4876 max. 0,12 max. 1,00 19,00 30,00 3) Ti32-21 až 23,00 až 34,00 X6NiCrNb- 1.4877 0,04 až 0,08 max. 0,30 26,00 31,00 max. 0,11 4) Ce32-27 až 28,00 až 33,00 X25CrMnNi- 1.4872 0,20 až 0,30 max. 1,00 24,00 6,00 až 8,00 0,20 N25-9-7 až 26,00 až 0,40 5) X6CrNiSiN- 1.4818 0,04 až 0,08 1,00 až 2,00 18,00 9,00 0,12 Ce19-10 až 20,00 až 11,00 až 0,20 6)
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 4 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI X6NiCrSiN- 1.4854 0,04 až 0,08 1,20 až 2,00 24,00 34,00 0,12 Ce35-25 až 26,00 až 36,00 až 0,20 7) X10NiCrSi35-1.4886 max. 0,15 1,00 až 2,00 17,00 33,00 max. 0,11 19 až 20,00 až 37,00 X10NiCrSi- 1.4887 max. 0,15 1,00 až 2,00 20,00 33,00 max. 0,11 8) Nb35-22 až 23,00 až 37,00 Ostatní: 1) Ti: 5x% C Ti 0,80, 2) Ce: 0,03 až 0,08, 3) Al: 0,15 až 0,60; Ti: 0,15 až 0,60, 4) Al: max. 0,025; Ce: 0,05 až 0,10; Nb: 0,60 až 1,00, 5) Mn: 8,00 až 10,00, 6) Ce: 0,03 až 0,08, 7) Ce: 0,03 až 0,08, 8) Nb: 1,00 až 1,50 Obsah Mn max. 2,00. Tepelné zpracování a vlastnosti žáruvzdorných austenitických ocelí Žáruvzdornost austenitických ocelí na vzduchu Austenitické žáruvzdorné oceli jsou v celém rozsahu tepelně zpracovány rozpouštěcím žíháním v rozsahu teplot 1 050 až 1 150 C s poměrně krátkou dobou výdrže na teplotě, pohybující se po vyrovnání teploty v rozsahu 20 až 30 minut, s následujícím dostatečně rychlým ochlazením ve vodě, ve sprše nebo ve chladném proudícím vzduchu. Nejvyšší možné provozní teploty u žáruvzdorných austenitických ocelí s křemíkem jsou až 1 150 C (1.4877, 1.4872). Hodnoty meze pevnosti při tečení za teploty 900 C po dobu 10 4 hodin dosahují 8,5 až 13 MPa. Žáruvzdornost byla hodnocena obdobně jako u feritických ocelí podle ztráty hmotnosti: 2 g/m 2 při T a + 50 C pro 120 h namáhání se 4 meziochlazeními (ČSN EN 10095).
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 5 Austenitické oceli žáruvzdorné CrNi nejvyšší teploty pro použití na vzduchu T Značka Číselné označení T a max. ( C) X8CrNi8-10 1.4878 850 X15CrNiSi20-12 1.4828 1 000 X9CrNiSiNCe21-11-2 1.4835 1 150 X12CrNi23-13 1.4833 1 000 X8CrNi25-21 1.4845 1 050 X15CrNiSi25-21 1.4841 1 150 X12NiCrSi35-16 1.4864 1 100 X10NiCrAlTi32-21 1.4876 1 100 X6NiCrNbCe32-27 1.4877 1 150 X25CrMnNiN25-9-7 1.4872 1 150 X6CrNiSiNCe19-10 1.4818 1 050 X6NiCrSiNCe35-25 1.4854 1 170 X10NiCrSi35-19 1.4886 1 100 X10NiCrSiNb35-22 1.4887 1 100 Žáruvzdorné austenitické oceli jsou dodávány ve stavu po rozpouštěcím žíhání (1 020 C) s následným ochlazením ve vodě nebo v prostředí chladného vzduchu. Pro svařování jsou voleny oceli tepelně zpracované rozpouštěcím žíháním (1 050 C s následným prudkým ochlazením) nebo u stabilizovaných austenitických ocelí (kupř. 1.4550) stabilizačním žíháním za teploty 850 C. Austenitické vysokolegované oceli se svařují v zásadě bez předehřevu s cílem vyloučit vznik trhlin za horka v TOO (tepelně ovlivněné oblasti) a ve svarovém kovu. Trhliny vznikají v důsledku tahové napjatosti při výskytu nízkotavitelných eutektických směsí fází v dendritických oblastech svarového kovu Postup svařování austenitických vysokolegovaných žáruvzdorných ocelí
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 6 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI a po hranicích zrn v TOO. Z uvedeného důvodu se doporučuje u normálních austenitických ocelí a svarových kovů 3 max. 15 obj. % feritu delta. Svařuje se velmi malým vneseným teplem minimálním tepelným příkonem, tj do hodnoty 1,5 kj.mm -1. Pro svařování zcela austenitických ocelí lze použít elektrody se zvýšeným obsahem Ni a s velmi nízkým obsahem nečistot (S a P). Interpass teplota nemá přesáhnout 150 C a poměr mezi šířkou a hloubkou svarové lázně má být nejvýše 1,5. U ocelí s vyšším obsahem Cr, Mo, Si a Al je nutné upozornit na možný výskyt intermetalických fází, jmenovitě fáze sigma. Náchylnost k tvorbě karbidů po hranicích zrn lze snížit redukcí obsahu uhlíku (max. 0,03 hm. %) a stabilizací struktury (Ti, Nb, Ta). Z důvodu potlačení nauhličení lze doporučit používat ochranné plyny s obsahem CO 2 do 2,5 obj. %. Je nutné upozornit na vyšší teplotní roztažnost austenitických ocelí v porovnání s feritickými ocelemi. Doporučuje se svařovat metodou TIG (metoda 141) stejnosměrným proudem s minus pólem na W elektrodě s pulsním nebo sprchovým přenosem kovu s dostatečným odvodem tepla z místa spoje. Z důvodu propalu prvků se používají chrómem a molybdenem výše legované přídavné materiály v porovnání se svařovanou žáruvzdornou ocelí. Austenitické vysokolegované oceli a svarové kovy mohou krystalizovat v závislosti na chemickém složení jako směs fází feritu a austenitu. Následkem feritické krystalizace je nižší citlivost na vznik trhlin za horka. Standardní austenitické oceli mají proto k potlačení vzniku trhlin za horka obsah feritu 3 FN (měřeno podle EN ISO 8249). Pro svařování standardních korozivzdorných a žáruvzdorných ocelí je vhodné použít svařovací materiály s obsahem feritu ve svarovém kovu mezi 3 a 15 FN a zajistit minimální tuhost
SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 7 upnutí spoje. Austenitické korozivzdorné oceli se po svařování tepelně nezpracovávají. Náchylnost k trhlinám za horka korozivzdorných a žáruvzdorných austenitických ocelí lze kontrolovat podle vzorce H = 700.C + 17.Cr 37.Ni + 29.Mo + 188. Je-li H 100, je ocel náchylná k tvorbě trhlin za horka. Vzorec zviditelňuje nepříznivý účinek uhlíku. Jak již bylo uvedeno, závažným problémem nestabilizovaných austenitických ocelí a svarových spojů je jejich snížená odolnost proti mezikrystalové korozi, jmenovitě za vyšších teplot. Za teplot 450 až 850 C dochází u nestabilizovaných austenitických ocelí k intenzivní tvorbě (precipitaci) karbidů chrómu Cr 23 C 6 po hranicích zrn za současného ochuzování (denudaci) oblastí přilehlých ke karbidům o chróm. Následným účinkem korozního činidla dochází v ochuzených místech o chróm k intenzivní mezikrystalové korozi. Obdobný je při svařování u nestabilizovaných austenitických ocelí vznik ochuzených pásem v oblastech svarového spoje ohřátých na teploty 450 až 850 C a dále vystavených účinkům korozního činidla. Dalším problémem při svařování žáruvzdorných austenitických ocelí je jejich náchylnost ke vzniku karbidických a intermetalických fází v TOO, kde může rovněž dojít v procesu svařování k mikrosegregaci fosforu a síry podél dendritů a hranic zrn. Mikroanalyzátorem bylo zjištěno, že rozdíl v obsahu chrómu mezi dendrity a výplní se pohybuje mezi 2 a 3 hm. % Cr, přičemž nejvyšší odmíšení je ve středu návaru. Ke stanovení náchylnosti austenitických ocelí důsledkem svařování v oblastech ohřátých na teploty 500 až 800 C se používají elektrochemické potenciokine- Zvláštnosti při svařování austenitických ocelí
část 5, díl 2, kap. 7.10.3, str. 8 SVAŘOVÁNÍ KOVŮ V PRAXI tické reaktivní testy, které umožňují dokonale vyhodnotit vzorek cestou kvantitativního rozvoje procesů vedoucích k precipitaci částic podél hranic zrn a vyvolávajících chemickou heterogenitu. V porovnání s testem leptatelnosti vzorků v kyselině šťavelové, kde dochází k rozpouštění sekundárních fází bohatých na chróm vyloučených na hranicích zrn, se u reaktivních testů detekují ochuzené části o chróm okolo vyprecipitovaných částic na hranicích zrn, okolo karbidů chrómu. V případě reaktivního testu lze po hranicích zrn, popřípadě dvojčat, pozorovat v okolí karbidů a sigma ( ) fáze brázdy, neboť testem nejsou napadeny karbidy a fáze bohaté na chróm, ale anodicky reaktivovaná zóna ochuzená o chróm. Morfologické znaky míst ochuzených o chróm lze dobře pozorovat optickou a skenovací mikroskopií nebo moderním 3 D obrysovým způsobem a stanovit tak strukturní stabilitu austenitických ocelí. Z porovnávacích zkoušek náchylnosti svarových spojů nestabilizovaných austenitických ocelí ke strukturnímu zcitlivění vyplynulo, že kritické jsou v ovlivněných zónách teploty 480 až 650 C a je nutné při svařování volit postupy a metody zaručující nejmenší dobu setrvání v uvedeném rozsahu teplot (příkon Q 1,5 kj.mm -1 ). Korozi pod napětím vzdorují superaustenitické oceli s vysokým obsahem niklu, s těsnou austenitickou mřížkou. Lépe je však použít duplexní nebo feritické oceli.