SEOSAINEIDEN VAIKUTUKSET TERÄSTEN HITSATTAVUUTEEN. MIKRORAKENTEEN MUUTOKSET HITSAUSLIITOKSESSA.

Transkriptio

1 1 HITSAVONIA PROJEKTI Teemapäivä DI Seppo Vartiainen Savonia-amk/tekniikka/Kuopio SEOSAINEIDEN VAIKUTUKSET TERÄSTEN HITSATTAVUUTEEN. MIKRORAKENTEEN MUUTOKSET HITSAUSLIITOKSESSA. 1. Hitsiaine 2. Sekoittumisvyöhyke 3. Rakeenkasvuvyöhyke 4. Normalisoitunut vyöhyke 5. Osittain austenitoitunut vyöhyke 6. Karbidien palloutumisvyöhyke

2 2 TERÄSTEN HITSATTAVUUDEN ARVIOINTI. Terästen hitsattavuuden arviointiperusteina käytetään niiden - taipumusta kuumahalkeiluun - kymähalkeiluun - taipumusta vanhenemisilmiöön sekä - hitsisauman eri vyöhykkeiden sitkeys ( ja haurausilmiöt) Kuumahalkeama syntyy hitsin keskelle hitsin kutistuessa jäähtyessään. Hitsauksessa myös perusaine sulaa ja sekoittuu hitsiin ja siten se vaikuttaa koostumuksellaan sauman ominaisuuksiin. Pahin kuumahalkeamien aiheuttaja on rikki ( S ). Kylmähalkeamia syntyy hitsin jäähtyessä muutosvyöhykkeeseen. Yleensä niiden syynä on hitsisulaan joutunut vety tai muutosvyöhykkeeseen syntynyt martensiitti,joka aiheuttaa ns. transformaatiojännityksiä alle 300 C asteen jäähtyneessä teräksessä. Jännitykset johtuvat siitä, että martensiitin ominaistilavuus on suurempi kuin ferriittis-perliittisen rakenteen. Vety puolestaan aiheuttaa lamellirepeämiä muodostaessaan molekylaarista vetyä. Tämä nostaa vedyn paineen hyvinkin suureksi ja säröt syntyvät. Nämä säröt syntyvät yleensä materiaalin valssaussuuntaan. Kylmähalkeamia hitsausliitoksen muutosvyöhykkeessä.

3 3 Teräksen hitsattavuutta arvioidaan yleisesti ns. hiiliekvivalentin (CEV) avulla, joka lasketaan seuraavasti: Kaavasta nähdään, että siinä on arvioitu yleisimpien seosaineiden vaikutusta hitsaukseen muunnettuna hiilen vaikutukseksi. Hitsattavuusrajat standardin EN SFS 10025/ 1993 ovat: CEV<0,41 on hyvä hitsata 0,41<CEV>0,45 on kohtalaista hitsata CEV>0,45 on huonoa hitsata. Rajoja kannattaa tarkastella kriittisesti, sillä nykyseostuksella yli 0,45 CEV:n terästen hitsaus vielä taataan ( esim. S355 ) Mikäli teräksen toimituksessa on sovittu tietyn suuruisesta CEV:sta, on tähän vaikuttavat seosainepitoisuudet ilmoitettava ainestodistuksessa. SEOSAINEIDEN VAIKUTUKSET YKSILÖIDYSTI. HIILI vaikuttaa hitsattavuuteen voimakkaasti huonontaen niitä. Tämä johtuu siitä, että se aiheuttaa karkenemista sekä karbidien muodostumista hitsisaumaan ja muutosvyöhykkeeseen. Hiili ottaa osaa myös vetyhaurauteen metaanikaasun syntymisen kautta. (Yli 225 C asteessa.) Kasvattaa eniten CEV:a ( kerroin on 1) PII on hitsauksessa lähes neutraali seosaine. Sillä on jopa parantava vaikutus. Se on tiivistysaine ja muodostaa siten epäpuhtauksien kanssa kuonaa hitsin pinnalle sekä tekee sulan juoksevammaksi. Se lujittaa ferriittiä liuoslujittamisen kautta korvausliuoksena ja lisää siten haurautta. ( ei vaikuta CEV:iin) ALUMIINI on myös tiivistysaine, joka sitoo myös typen tehokkaasti vaarattomaksi alumiininitridiksi ja estää näin hitsin vanhenemisilmiön. Alumiinilla ei ole haittavaikutuksia hitsaukseen normaaliseostuksillaan. ( ei vaikuta CEV:iin)

4 4 MANGAANI on myös tiivistysaine ja sitä seostetaan kaikkiin teräksiin sitomaan haitallista vapaata rikkiä. Mangaani sitoo myös happea tehokkaasti. Se alentaa transitiolämpötilaa ja laajentaa austeniittialuetta. Mangaani parantaa myös syväänkarkenevuutta, mikä on huono asia hitsauksen kannalta, koska myös hitaammin jäähtynyt sauma saattaa kareta martensiitiksi. Lisäksi se edistää austeniitin rakeenkasvua ja aiheuttaa ns. sinihaurautta.( päästöhaurausmuoto) (Kasvattaa CEV:a kertoimella 1/6 kerrottuna) KROMI on hitsauksen kannalta haitallinen seosaine. Se edistää rakeenkasvua, aiheuttaa syväänkarkenemista sekä monia haurausilmiöitä. (kasvattaa CEV:a kertoimella 1/5 kerottuna) NIKKELI vaikuttaa teräkseen sitkistävästi ja estää haurautta. Muutamien prosenttien seostus kuitenkin aiheuttaa jo teräsen osittaisen austenitoitumisen. Tämä aiheuttaa hitsauksessa jonkin verran muodonmuutosten kasvua eli vetelyä. Kappale ei tahdo pysyä muodossaan. Hauraampia ja kovempia materiaaleja ( esim. valuraudat) hitsatessa usein on edullista hitsausjännitysten takia käyttää nikkeliseosteisia lisäaineita, jolloin austeniittinen faasi antaa myöten jännitysten noustessa paikallisesti yli MPa:n.( hieman kuitenkin kasvattaa CEV:a. Kerroin on 1/15) MOLYBDEENI ehkäiseen kromin aiheuttamia haurausongelmia. On karbidienmuodostaja ja parantaa myös kuumalujuutta. Se parantaa myös karkenevuutta, joten hitsisaumasta pyrkii tulemaan muuta rakennetta kovempaa joskin haurausongelmia ei esiinny. Hiiliekvivalentin laskukaavasta näkyy, että sillä on kuitenkin hitsattavuutta heikentävä vaikutus. ( kasvattaa CEV:a kertoimella 1/5 kerrottuna) VANADIINI on tehokas karkenevuuden lisääjä ja muodostaa hyvin kovia karbideja. Nämä ominaisuudet ovat hitsauksen kannalta huonoja, mutta toisaalta vanadiini ehkäisee rakeenkasvua jo pieninäkin pitoisuuksina ja näin ollen se on hyvä seosaine, jota käytetään nimenomaan mikroraeteräksissä. Hitsattavuusarvioinnissa se kuitenkin katsotaan haitalliseksi aineeksi.(kts.cev)

5 5 KUPARI on mm. säänkestävien terästen seosaine ja esiintyy sen takia usein hitsattavissa teräksissä. Kupari laajentaa austeniittialuetta ja parantaa iskusitkeyttä. Ei aiheuta erkautumiskarkenemisen lisäksi muita murheita, joten esiintyy CEV:n kaavassa kertoimella 1/15 kerrottuna. Yksinomaan CEV:n käyttäminen hitsattavuuden arvioinnissa on hyvin suppea-alaista, koska kaavasta puuttuu monta nykyisin käytössä olevaa seosainetta. Näitä ovat mm. epäpuhtausaineet ja niiden lisäksi esim. boori. BOORI on hyvin voimakkaasti karkenemista lisäävä seosaine, jota käytetään parantamaan teräksen kulumisen kestävyyttä. Seostus on muutamia tuhannesosaprosentteja. (0,001% 0,003%) Boori aiheuttaa myös erkaumakarkaistumista. Erkaumakarkaisusta pitää kuitenkin muistaa, että erkautuminen vaatii yleensä pitempiaikaista kohotettua lämpötilaa. Mikäli hitsattava materiaali on kohtalaisen paksua ja hitsaussauma on jonkin aikaa kuumana monipalkohitsauksesta johtuen, boori voi yhtyä raudan kanssa FeB:ksi tai Fe2B:ksi, jotka ovat hauraita faaseja. Näin iskusitkeys pienenee. Rautaboridien tehokas syntymislämpötila on C astetta. ( kts. booraus ) Boridien syntymisen ohella boorin vaikutus liittyy lähinnä karkenemiseen ja siten hitsisaumojen jälkikäsittely määrää sen vaikutuksen sauman lujuusominaisuuksiin. TITAANI on hitsauksen kannalta hyvä seosaine. Se sitoo tehokkaasti kaikkia epäpuhtauksia kuten kaasuja sekä sitoo hiilen omiksi karbideikseen jo 1100 C asteessa joten se ei aiheuta mm. karkenemisongelmia myöhemmin. Titaani ehkäisee tehokkaasti myös typen ja vedyn aiheuttamat ongelmat, koska se sitoo ne omiksi yhdisteikseen eikä jätä niitä vapaaksi aiheuttamaan sauman vanhenemista tai vetyhaurautta. Titaani estää myös rakeenkasvua. NIOBIUM on myös hitsauksen kannalta hyödyllinen seosaine. Se omalta osaltaan sitoo hiilen karbideiksi ja estää sen aiheuttamat ongelmat. Se estää myös tehokkaasti rakeen kasvua, joten rakeenkasvu jää ko. vyöhykkeessä lähes olemattomaksi.

6 6 FOSFORI on hitsauksenkin kannalta haitta-aine. Se aiheuttaa päästöhaurautta ( sinihauraus). Se kohottaa myös transitiolämpötilaa ja parantaa karkenevuutta. Todelliseksi haitaksi se muodostuu yleensä jos sitä on teräksessä yli 0,4 %. Yleisissä rakenneteräksissä pitoisuus on rajattu alle 0,035%:n ja laadukkaimmissa teräksissä alle 0,025%:n. RIKKI aiheuttaa teräksessä kuumahaurautta. Vapaana ollessaan se muodostaa raudan kanssa raerajoilla rautasulfiittia, pysyy kiteytyessä sulana alhaiseen lämpötilaan asti ja näin syntyy kuumahalkeamia. Hitsattavissa teräksissä sen pitoisuus on rajattu alle 0,035:n, mutta esim. lastuttavuuden parantamiseksi sitä voi olla seostettuna jopa 0.2 %. Näin ollen rikillä höystetyt automaattiteräkset eivät ole hyvin hitsattavia eikä niitä kannata valita hitsattaviin kohteisiin. HITSAUSAUMAN MIKRORAKENNE SEOSAINEIDEN FUNKTIONA RUNSASSEOSTEISILLA TERÄKSILLÄ. ( Ruostumattomien terästen hitsaus ja sekaliitokset) Arvioinnissa käytetään yleensä ns. Schaeffler-piirrosta, joka on tuttu ruostumatonteräslaatujen seostuksesta. Arviointiperusteena käytetään seostumista niin, että lisäainetta saumassa on 70% ja perusainetta 30%.Toiminta: ensin lasketaan piirroksen kaavoilla kromiekvivalentti ( vaaka-akseli )ja nikkeliekvivalentti ( pystyakseli) sekä perusaineelle, että lisäaineelle.

7 7 Sen jälkeen vedetään jana ko. pisteiden välille. Syntyvän sauman piste on ko. janan piste, joka on joko 30%:n päässä lisäaineen pisteestä tai 70%:n päässä perusaineenpisteestä. SEKALIITOSKSEN MIKRORAKENNE. Arviointiperusteena on taas, että saumaan tulee sekoittumaan lisäainetta 70% ja kumpaakin perusainetta 15%, yhteensä 30%. Toimenpiteet: Lasketaan kunkin aineen kromi- ja nikkeliekvivalentit ja määritetään kunkin aineen toimintapiste. Piirretään jana perusaineiden pisteiden välille ja niiden yhteinen toimintapiste on ko. janan keskipiste. Sen jälkeen piirretään jana lisäaineen pisteen ja perusaineiden yhteisen toimintapisteen välille. Sauman mikrorakenne luetaan pisteestä, joka on taas joko 30% janan mitan päässä lisäaineen pisteestä tai 70% perusaineiden yhteisestä pisteestä.

8 8 RUNSASSEOSTEISTEN TERÄSTEN ONGELMA-ALUEET. Kuvasta nähdään, että runsasseosteisilla teräksillä on aina hitsattaessa ongelmia, mutta niiden kanssa vaan on tultava toimeen ja jaksettava tehdä kokeiluja hitsauksen laadun parantamiseksi. Tässä on lyhyt leikkaus seosaineiden vaikutuksista hitsaukseen. Teoria ei aina toteudu, eli vasta hitsauskokeet antavat lopullisen tuomion hitsausliitoksiin.