LUJIEN TERÄSTEN HITSAUSMETALLURGIA

Transkriptio

1 1 LUJIEN TERÄSTEN HITSAUSMETALLURGIA Jouko Leinonen Oulun yliopisto Konetekniikan osasto Lujien terästen mahdollisuudet ja tekniikka -seminaari Raahe

2 2 Lujien terästen sovelluskohteita Nosturit (Rautaruukki)

3 Lujien terästen sovelluskohteita 3 Puutavara-auton pankot (Rautaruukki)

4 Lujien terästen sovelluskohteita 4 Ajoneuvojen kuljetusjärjestelmät (Rautaruukki)

5 5 Lujien terästen sovelluskohteita Betonin sekoittaja (Rautaruukki)

6 6 Mustan teräksen olotilat (= faasit) - Ferriitti: kuten puhdas rauta (ei hiiltä), yleensä melko pehmyt - Perliitti: pehmyttä ferriittiä ja kovaa karbidia (Fe 3 C) lamelleina - Bainiitti: ferriitissä karbidierkaumia, erittäin luja - Martensiitti: karkaistu ja kova, ei karbideja - Tavalliset rakenneteräkset (S355) ovat pehmeän ferriitin ja melko kovan perliitin seos - Nykyiset ultralujat teräkset ovat yleensä bainiittia ja/tai martensiittia

7 7 Terästen olotilat ja niiden muutokset Ferriitti (Lindroos, Sulonen, Veistinen: Uudistettu Miekkojan metallioppi)

8 Terästen olotilat ja niiden muutokset 8

9 9 Terästen olotilat ja niiden muutokset Karkealamellinen perliitti: vaaleat alueet ferriittiä, tummat suomut rautakarbidia (Fe 3 C) (Lindroos, Sulonen, Veistinen)

10 10 Terästen olotilat ja niiden muutokset Rakenneteräksen ferriitti+perliitti: ferriittirakeet näkyvät vaaleina, perliitti tummana (Lindroos, Sulonen, Veistinen)

11 11 Terästen olotilat ja niiden muutokset Alabainiitti. (Bhadeshia, Edmonds, Met. Trans. A, vol. 10A (1979) )

12 12 Terästen olotilat ja niiden muutokset Martensiitti ja siinä olevien rauta-atomien sijoittuminen ns. avaruushilan yksikkökopissa.

13 13 Terästen olotilat ja niiden muutokset Hitsauslämpö aiheuttaa olotilamuutoksia: - Ferriitti, perliitti, bainiitti, martensiitti muuttuvat austeniitiksi C:ssa - Jäähtymisen aikana austeniitti muuttuu takaisin jo(i)ksikin noista mainituista olotiloista eli faaseista

14 14 Terästen olotilat ja niiden muutokset - Kova martensiitti voi aiheuttaa ongelmia (esim. vetyhalkeilu); esikuumennus ehkä tarpeen - Aivan hitsisulan vieressä korkea lämpötila (yli 1100 C), jolloin syntyy haitallinen iso raekoko (huono iskusitkeys) - Ultralujilla teräksillä bainiitti/martensiitti- rakenne heikkenee hitsisulan vierestä (pehmeneminen) - Yleensäkin epäjatkuvuuskohta hitsiliitoksessa: perusaineen ja hitsiliitoksen ominaisuudet erilaiset

15 15 Vetyhalkeilu lujan teräksen hitsissä Chracteristic transverse weld metal hydrogen cracks recorded from the OK weld metal in specimen U11 (P. Nevasmaa, Doctoral Thesis, 2003).

16 16 Terästen olotilat ja niiden muutokset Erään voimakkaasti karkenevan teräksen CCT (Continuous Cooling Transformation) diagrammi.

17 17 Terästen olotilat ja niiden muutokset Hitsiliitoksen sulavyöhyke ja muutosvyöhyke. Rakennemuutoksia tapahtuu hitsisulassa ja myös sen ulkopuolella muutosvyöhykkeellä (heat-affected-zone, HAZ).

18 18 Hitsiliitoksen erilaisia faasirakenteita Mikrorakenne (a) perusaineessa ja (b...e) eri osissa muutosvyöhykettä (R. Laitinen, Doctoral Thesis, 2006)

19 19 Jähmettyneen hitsimetallin ominaisuuksia Jähmettynyt hitsi on valurakennetta Ominaisuudet eri suunnissa saattavat vaihdella Perusaineen ominaisuudet yleensä paremmat kuin hitsimetallin Hitsin suuri lujuus ja hyvä sitkeys saadaan pääosin lisäaineilla: hiilipitoisuus matalahko ja seostus korkeahko - nikkeli parantaa sitkeyttä

20 Ultralujia teräksiä Rautaruukin nauhavalssaamolta 20

21 Lujien rakenneterästen ja kulutusterästen hitsaus MAG-hitsaus käyttäen alhaista lämmöntuontia Koehitsien kovuusprofiilit käytettäessä erilaisia hitsausenergioita (J. Kumpulainen, Diplomityö 2008) 21

22 Ruostumattomat teräkset (alla oleva sovellus OBAS Oy:n sivuilta) 22

23 Ruostumattomat teräkset 23 (Kyröläinen, Lukkari, 1999)

24 Ruostumattomat teräkset 24

25 25 Austeniittinen ruostumaton teräs, tavanomainen rakenne

26 Austeniittinen ruostumaton teräs 26

27 27 Austeniittinen ruostumaton teräs, kylmävalssaamalla lujitettu rakenne

28 28 Austeniittinen ruostumaton teräs, hienon raekoon avulla lujitettu rakenne (tutkimus- ja kehitystyö vielä vaiheessa )

29 29 Austeniittinen ruostumaton teräs - lujien laatujen hitsattavuus Austeniittisten terästen hitsattavuus on erittäin hyvä Ei kovaa martensiittia, ei vetyhalkeilua, yleensä hyvä sitkeys jopa -200 C:ssa Muutosvyöhykkeen pehmeneminen on ongelma Matala lämmöntuonti eduksi, koska tällöin pehmenemistä tapahtuu vain kapealla vyöhykkeellä Hitsimetallin lujittaminen on haasteellista

30 30 Austeniittis-ferriittiset eli duplexteräkset Kaksifaasinen: austeniitti ja ferriitti Luja: myötölujuus luokkaa 500 N/mm 2 Hyvä sitkeys Hyvä hitsattavuus Erittäin hyvä korroosionkestävyys

31 Austeniittis-ferriittiset eli duplexteräkset 31

32 32 Duplex-terästen hitsaus Lämmöntuonti kj/mm (Lean- ja superduplex kj/mm) Sula jähmettyy ferriittinä, osa muuttuu jäähtyessä austeniitiksi Nopeassa jäähtymisessä voi jäädä liikaa ferriittiä hitsimetalliin (sitkeys heikkenee) Lisäaineen nikkeli melko korkea, n. 9% Hitsausta ilman lisäainetta ei suositella Palkojen välinen lämpötila max 150 C

33 33 Loppuyhteenvetona voidaan todeta, että... Lujien terästen hitsaaminen konepajassa onnistuu, kunhan sovelletaan hyviksi havaittuja periaatteita Ongelmien välttämiseksi on kiinnitettävä huomiota hitsiliitoksen alueella tapahtuviin metallurgisiin ilmiöihin Rakenteen oikea suunnittelu, perusaineen ja lisäaineen koostumus sekä hitsauksen suoritus ratkaisevat lopputuloksen