B.1 Johdatus teräkseen

Transkriptio

1 B.1 Johdatus teräkseen 1 B.1.1 Terästen valmistus B Terästen valmistus raakaraudasta Masuunissa valmistettu raakarauta sisältää 4-5 % hiiltä. Teräksissä pitoisuus on tavallisimmin alle 1 % ja yleisissä rakenneteräksissä, jotka muodostavat suurimman teräslajiryhmän, alle 0,2 %. Teräksen valmistusprosessissa hiilipitoisuus alennetaan halutulle tasolle polttamalla ylimääräinen hiili eli mellottamalla rauta. Lisäksi raakaraudassa on siihen liuenneena malmista peräisin olevia haitallisia aineita enemmän kuin teräksissä niitä voidaan sallia. Teräsprosessissa alennetaan myös näiden aineiden pitoisuuksia. Lopuksi suoritetaan vielä seostus haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Mellotus Mellotuksessa raudan hiili reagoi sulaan tuodun hapen kanssa muodostaen CO-kaasua, joka poistuu prosessista. Aikaisemmin mellotukseen käytettiin ilmaa. Ilmaa käyttävät Bessemer- ja Thomas-prosessit ovat jääneet pois käytöstä. Nykyisin mellotukseen käytetään puhdasta happea. Hapen etuina ovat suuri mellotusnopeus ja vastaavasti lyhyt mellotusaika, kaasumäärän ja vastaavasti kaasun mukana menetetyn hukkalämmön väheneminen ja kaasun puhdistuksen helpottuminen. Säästyvä energia käytetään kierrätysteräksen sulatukseen. Hapen käytöllä vältytään myös haitalliselta teräksen typpipitoisuuden kohoamiselta, mikä oli tyypillistä ilmaa käyttäneille menetelmille. Happipuhallusprosessit eli konvertteriprosessit Happipuhallusprosessissa käytettävää reaktioastiaa kutsutaan konvertteriksi (kuva). Tämä on sylinterinmuotoinen, ylöspäin suippeneva ja ylhäältä auki oleva astia. Vaippa on tehty teräksestä ja sisällä on tulenkestävä vuoraus. Prosessista on olemassa erilaisia muunnelmia, jotka eroavat toisistaan siinä, miten hapen puhallus tapahtuu. Prosessin raaka-aineet ovat sula raakarauta (lämpötila noin ºC), kierrrätysteräs sekä poltettu kalkki. Kierrätysteräksen rinnalla voidaan käyttää myös pellettiä, sintteriä tms. sulan jäähdytykseen. Kalkin tarkoituksena on sitoa raudasta poistuvat aineet ja muodostaa näiden kanssa koostumukseltaan sopiva, sula kuona. Kuonan muodostuksen helpottamiseksi käytetään usein ns. fluksiaineita. LD-menetelmä Kuva Konvertteri. LD-menetelmä on happipuhallusmenetelmien perusprosessi. Nimi tulee itävaltalaisista Linzin ja Donawitzin kaupungeista, joissa menetelmä kehitettiin 1950-luvulla. Tässä happi puhalletaan konvertteriin ylhäältä lasketun vesijäähdytetyn putken eli lanssin kautta. Lanssin päässä on 3-6 reikää, joista happisuihkut suuntautuvat raakarautasulaan. Konvertteriin panostetaan sula raakarauta ja jäähdyttävä kierrätysteräs sekä lisätään poltettu kalkki ja mahdolliset fluksiaineet. Happipuhallus tapahtuu noin 2-kertaisella äänen nopeudella. Happivirran ja mellotuksessa kehittyvän CO-kaasun vaikutuksesta syntyy sulan kuonan

2 2 rautapisaroiden ja kaasun muodostama emulsio. Prosessin kulkua ohjataan lanssin korkeutta säätelemällä. Reaktiot puhalluksen aikana ovat kiivaita ja lämpötila nousee nopeasti. Aluksi hapettuu pii muodostaen piidioksidia (SiO 2 ). Myös mangaania ja jonkin verran rautaa hapettuu. Mangaani- ja rautaoksidit edistävät CaO:n liukenemista ja kuonan syntymistä. Yleensä kalkkia lisätään niin paljon, että lopullisessa kuonassa CaO:n ja SiO 2 :n painosuhde on vähintään 3, eli kuona on emäksinen. Emäksinen kuona edistää sellaisten haitallisten epäpuhtauksien kuten fosforin ja rikin siirtymistä kuonaan. Voimakas hiilen palaminen alkaa vasta piin hapetuttua. Puhallus lopetetaan, kun haluttu hiilipitoisuus on saavutettu. Puhalluksen päätyttyä konvertteri kallistetaan ja sula teräs kaadetaan konvertterin kyljessä olevan aukon kautta valusenkkaan. Lopuksi kuona kaadetaan vaunuissa olevaan kuonapataan. Teräksen lämpötila on n C. Puhallusaika on yleensä min ja kokonaisaika konvertterin kaadosta seuraavaan kaatoon min. Puhallusaika ei riipu konvertterin koosta, sillä hapen puhallusnopeutta voidaan lisätä konvertterin kokoa vastaavaksi. Suurimmat konvertterit pystyvät valmistamaan kerralla jopa 400 tonnia terästä. Tavallisesti terässulatolla on joko kaksi tai kolme konvertteria. Näistä yksi on uudelleen muurauksessa ja toinen tai kaksi muuta on käytössä. Sulatolla, jossa on kaksi konvertteria ja näistä toinen käytössä, voidaan käsitellä vuodessa panosta, 3-konvertterilaitoksella vastaavasti 2- kertainen määrä. Raahen tehtaalla on kolme 120 tonnin konvertteria ja Koverharin tehtaalla kaksi 55 tonnin konvertteria. Pohjapuhallus- (OBM) konvertterit Happi puhalletaan pohjassa olevien suuttimien kautta. Suuttimet ovat kahden sisäkkäisen putken muodostamia rengassuuttimia. Happi puhalletaan sisäputkesta ja ulommasta raosta puhalletaan hiilivetyä, joka sulaan metalliin joutuessaan hajoaa, krakkautuu ja siten jäähdyttää suuttimen ympäristön. Muuten happipuhalluksen synnyttämä lämpö tuhoaisi suuttimen ja sitä ympäröivän vuorauksen. Periaatteessa prosessin kulku on samanlainen kuin LD-menetelmässä. Fosforin kuonautuminen pohjapuhalluksessa on täydellisempää kuin LD-konvertterissa paremmasta sulan sekoittumisesta johtuen. Yhdistelmäpuhallus Sekä LD- että OBM-konverttereissa on tiettyjä etuja ja haittoja toisiinsa verrattuna. Puhallustekniikkaa on kehitetty etujen maksimoimiseksi ja haittojen välttämiseksi. LDkonverttereita on varustettu pohjasuuttimilla, joiden kautta puhalletaan neutraalia (inerttiä) kaasua, typpeä tai argonia. OBM-konverttereita on vastaavasti varustettu ylälanssilla. Nykyään valtaosa konverttereista onkin erityyppisiä yhdistelmäkonverttereja.

3 3 Lisäaineet Konverttereissa käytetty kalkki (CaO) valmistetaan kalkkikivestä (CaCO 3 ) polttamalla se kalkinpolttouunissa. Käytössä on rumpu- ja kuilu-uuneja. Konvertterissa käytettävälle kalkille asetetaan erityisvaatimuksia lujuuden ja kappalekoon suhteen. Sitä ei voida valmistaa suomalaisista kalkkikiviesiintymistä vaan yleensä Gotlannista tuodusta kalkkikivestä. Happi valmistetaan happitehtaissa. Ilma nesteytetään, minkä jälkeen typpi ja happi erotetaan toisistaan tislaamalla. Erotus perustuu siihen, että typen kiehumispiste on -196 ºC ja hapen -183 ºC, ts. typpi kiehuu happea aikaisemmin. B Teräksen valmistus kierrätysteräksestä Kierrätysteräksen sulatukseen tarvitaan lämpöenergiaa, joka on tuotava prosessiin ulkopuolelta. Aikaisemmin vallitseva menetelmä oli Siemens-Martin-prosessi. Nykyaikainen kierrätysteräksen sulatusmenetelmä on valokaariuuniprosessi, jossa kierrätysteräs sulatetaan sähkön aikaansaaman lämmön avulla. Kuva Valokaariuunin kaavio. Valokaariuunissa on lieriömäinen, matala uunikammio, jossa on tavallisesti emäksinen vuoraus. Uunia voidaan kallistaa kahteen suuntaan. Toinen suunta tarvitaan kuonan vetoa ja laskua ja toinen teräksen laskua varten (kuva 9.3) Katon eli holvin läpi työntyy kolme elektrodia. Holvi ja elektrodit käännetään sivuun, kun uuni panostetaan. Elektrodit ovat paksuja grafiittisauvoja. Sähköenergia muuttuu lämpöenergiaksi valokaarissa, jotka muodostuvat elektrodien ja panoksen välille. Valokaarien korkean lämpötilan ( ºC) ansiosta lämpöenergia siirtyy nopeasti panokseen. Jotta valokaari olisi mahdollisimman tehokas, elektrodien kärjen ja panoksen välinen etäisyys on pidettävä jatkuvasti sopivana. Tämä tapahtuu automaattisten elektrodinsäätimien avulla. Kuva Valmistusreitti kierrätysteräksestä aihioiksi. Nykyään valokaariuunissa tehdään vain kierrätysteräksen sulatus ja mellotus tavoitehiilipitoisuuteen. Hapetuksen yhteydessä tapahtuu fosforin kuonautuminen. Sähkön ja muiden energiamuotojen hintasuhteista riippuen tai tuotantonopeuden kasvattamiseksi käytetään

4 4 sulatuksessa yleisesti sähköä korvaavaa energiaa happi-, öljy- tai maakaasupolttimoiden ja hiili-injektion muodossa. Perinteisesti valokaariuunit ovat olleet vaihtovirtauuneja. Tasavirtatekniikan kehitys on johtanut 1990-luvulla tasavirtauunien voimakkaaseen yleistymiseen kierrätysteräksen sulatuksessa. Lopulliset terässulan ominaisuudet seostuksineen tehdään uunivaiheen jälkeen yleensä senkkauunissa. Tätä vaihetta kutsutaan toisiometallurgiaksi (sekundäärimetallurgiaksi). Ruostumattoman teräksen valmistuksessa seuraava vaihe on AODkonvertterikäsittely. Valokaariuunit ovat monipuolisia ja joustavia. Uunien panoskoko on yleensä tonnia, mutta suurimmat voivat olla jopa 300 tonnin vetoisia. Nykyisillä valokaariuuneilla on uuniaika lyhyt, noin 1 tunti, mikä sopii jatkuvavalukoneiden tahtiin valettaessa perättäisvaluja. Suomessa valokaariuuneja on Imatran ja Tornion terästehtailla sekä Karhulan ja Lokomon valimoissa. Terästen luokittelu Teräkset luokitellaan standardin SFS-EN mukaan seostamattomiin teräksiin ruostumattomiin teräksiin ja muihin seosteräksiin. Jako riippuu kemiallisesta koostumuksesta alla olevan taulukon mukaisesti. Seosainepitoisuuksien raja-arvot seostamattomaan teräkseen ja seos teräksen välillä (sulatusanalyysi) Seosaine Raja-arvo (paino-%) Al B Bi Co Cr Cu La Mn Mo Nb Ni Pb Se Si Te Ti V W Zr Muut a) Alumiini Boori Vismutti Koboltti Kromi Kupari Lantanidit (jokainen) Mangaani Molybdeeni Niobi Nikkeli Lyijy Seleeni Pii Telluuri Titaani Vanadiini Volframi Zirkonium (paitsi hiili, fosfori, rikki, typpi) (jokainen) 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 0,40 0,10 1,65 a) 0,08 0,06 0,30 0,40 0,10 0,60 0,10 0,05 0,10 0,30 0,05 0,10 Jos mangaanilla on määritelty vain enimmäispitoisuus, raja-arvo on 1,80 % ja 70 % sääntö (ks ) ei ole voimassa. Ruostumattomissa teräksissä on matala hiilipitoisuus (korkeintaan 1,2%) sekä kromia (vähintään 10,5%) ja nikkeliä seosaineina.

5 5 Muita seosteräksiä ovat teräkset, jotka eivät täytä ruostumattoman teräksen määritelmää ja joissa vähintään yhden seosaineen pitoisuus on yhtä suuri tai suurempi kuin taulukossa esitetty raja-arvo. Tällaisia teräksiä ovat esimerkiksi hitsattavat hienoraeteräkset. Terästen nimikkeet on niiden muodostamisperiaatteen mukaan luokiteltu kahteen pääryhmään: Ryhmä 1 Teräksen käyttötarkoitukseen ja mekaanisiin tai fysikaalisiin ominaisuuksiin perustuvat nimikkeet. Käyttötarkoitus on esimerkiksi S = Rakenneteräs ja P = paineastiateräs. Mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet ilmaistaan myötölujuudella R el. Esim. S360. Ryhmä 2 Teräksen kemialliseen koostumukseen perustuvat nimikkeet. Esim. X2CrNi18-9. Kirjain X tarkoittaa seosteräs, numero 2 hiilipitoisuus x100, eli 0,02%C. Kromia on 18% ja nikkeliä 9%. B.1.2 Terästen luonne Seostamattomat teräkset Mustiksi teräksiksi kutsutaan usein yleisiä rakenneteräksiä ja paineastiateräksiä. Teräs on menemättä syvemmin valmistusprosessiin raudan (Fe) ja hiilen (C) seos. Lisäksi hiilipitoisuuden pitää olla alle kaksi prosenttia. Hiilipitoisuus määrää suuressa määrin seostamattomien terästen ominaisuudet esimerkiksi sen sitkeyden, lujuuden ja karkaistavuuden. Seostamattomissa teräksissä on hiilen lisäksi haluttujen ominaisuuksien takia seosaineita, kuten piitä, mangaania, kromi, nikkeli ja molybdeeni. Sen lisäksi on olemassa epäpuhtauksia, kuten fosforia ja rikkiä. Huolimatta pienistä pitoisuuksista, prosentin kymmenysosia, voivat ne vaikuttaa voimakkaasti teräksen ominaisuuksiin. Standardissa SFS-EN esitetään seostamattomien rakenneterästen tekniset toimitusehdot. Hienoraeteräkset Näiden terästen myötöraja on yleensä N/mm 2. Termomekaanisesti valssatuilla hienoraeteräksillä voi olla vielä korkeampi myötöraja. Hienoraekäsittely tapahtuu lisäämällä alumiinia tai titaania. Kummassakin tapauksessa on tuloksena typen ja alkuaineen seos (AlN tai TiN). Nämä seosaineet sijouttuvat raerajoille ja tekevät raekoon pieneksi ja teräksen sitkeäksi. Mikroseosaineita käytetään samassa tarkoituksessa eli tekemään raekoko pieneksi. Näitä aineita ovat niobi tai vanadiini, jotka typen kanssa muodostavat yhdisteitä (NbN tai VN). Mikroseostus vaikuttaa kiteen sisällä. Nuorrutusteräkset Nuorrutusteräksillä myötöraja on yleensä N/mm 2. Toki on myös olemassa nuorrutusteräksiä, joilla myötöraja voi nousta aina 900 N/mm 2. Nuorrutus tarkoittaa karkaisua austeniittialueelta eli nopeaa jäähdytystä sekä sen jälkeen suoritettavaa päästöä noin 600 C. Teräkset on tarkoitettu hitsattaviin rakenteisiin ja niillä on korkeammat lujuusarvot kuin M-teräksillä ja normaaleilla normalisoiduilla rakenneteräksillä.

6 6 Näitä teräksiä on suhteellisen helppo hitsata huolimatta lämpökäsittelystä. Tämä johtuu matalasta hiilipitoisuudesta ( 0,20%) ja hyvin hienorakeisesta martensiitista. Kromia ja booria (B) käytetään lisäämään karkenevuutta. Termomekaanisesti valssatut teräkset (M-teräkset) Kuten nimikin kertoo näitä teräksiä on muokattu mekaanisesti tavallisesti valssaamalla tietyssä lämpötilassa. Ne ovat mikroseostettuja niobilla, titaanilla tai boorilla ja niitä käytetään usein öljy- ja kaasuputkissa. Paksummissa mitoissa aina 120 mm asti niitä käytetään offshoreteollisuudessa. ( poraustornit yms.). Termomekaanisesti valssattujen terästen valmistuksessa tietyt parametrit ovat hyvin tärkeitä. Näistä parametreistä voidaan mainita: valssauslämpötila valssauspaine epäpuhtauksien pienet pitoisuudet matala seosainepitoisuus matala hiilipitoisuus ( ,08%) nopea jäähdytys viimeisen valssauksen jälkeen Kylmämuovattavat teräkset Kylmämuovattavat teräkset ovat jatkokehitelmiä tietyistä seostamattomista teräksistä ja ne korvaavat yhä suuremmassa määrin vanhempia teräksiä. Niiden myötörajat ovat N/mm 2. Teräs valmistetaan joko valssattuna leveinä levyinä tai litteinä tankoina ja ne ovat tiivistettyjä ja mikroseostettuja. Sillä on paremmat muovattavuusominaisuudet kuin vanhemmalla teräksellä (sallii pienemmän taivutussäteen) ja sillä on suhteellisen alhainen murtolujuus mutta suuri murtovenymä. Syy hyviin muovattavuusominaisuuksiin on teräksen sisältämissä pienissä ja lyhyissä sulfidisulkeumissa esim. cerium-, kalsium- ja titaanisulfidisulkeumissa. Virheet metalleissa Useimmat metallit lujittuvat usein valmistuksen ja jatkojalostuksen yhteydessä. Tämä johtuu siitä, että niiden rakenteessa on pinoutumis- eli rakennevirheitä, jotka mahdollistavat ao toimenpiteet. Metallisissa materiaaleissa esiintyy erilaisia virheitä (puutteita) kuten vakansseja. Vakanssilla eli tyhjällä atomipaikalla tarkoitetaan pistemäistä hilavikaa, jossa säännöllisen hilajärjestyksen mukainen atomi puuttuu. Vakanssit voivat siirtyä paikasta toiseen. Silloin jokin atomeista täyttää vakanssin ja jättää oman paikkansa tyhjäksi, eli uudeksi vakanssiksi. Jos materiaaliin kohdistuu jännitys (veto- tai puristusjännitys), voi siinä ajanmittaan ilmetä halkeama. Vieraat atomit voivat myös olla virheitä. Vieraiden aineiden atomit, jotka ovat pieniä kuten rikillä, fosforilla, hiilellä ja typellä, tunkeutuvat rauta-atomien välissä oleviin tyhjiin tiloihin. Kolmas virhe on dislokaatiot, joita voitaisiin kuvata luonnon oikkuina. Niitä voidaan kuvata ylimääräisenä atomitasona, mikä voi päättyä missä tahansa rakenteen sisällä.

7 7 Kaikki metalliset materiaalit sisältävät suuria määriä dislokaatioita ja niitä on kaikissa mahdollisissa suunnissa. Niin kauan kuin materiaalia ei muokata (eli ei muuteta muotoa), dislokaatiot ovat passiivisia. Mutta heti kun muokkaus alkaa, dislokaatiot edesauttavat venymien syntymistä. Materiaalista tulee kimmoisa. Dislokaatiot liikkuvat siten, että niiden asema siirtyy viereisille atomitasoille ja äskeiset vajaat tasot täydentyvät kokonaisiksi tasoiksi. Jos kuormitus jatkuu, niin dislokaatiot kulkevat läpi koko kiteen. Silloin syntyy pysyvä muodonmuutos. Kiteet ovat muuttuneet plastisesti, eli saaneet uudet muodot. Vakanssissa puuttuu atomi. Dislokaatiot ovat ylimääräisiä atomitasoja, joilla on kyky siirtyä läpi kiteen. Dislokaatiot yhdessä muiden virheiden kanssa mahdollistavat siis materiaalin muokkautumisominaisuudet eli kyvyn saada uusi muoto. Jos materiaalit olisivat täysin virheettömiä -ilman näitä synnynnäisiä virheitä -, teräs olisi monta kertaa lujempaa kuin nykyisin. Mutta dislokaatiot ja muut virheet ovat olemassa metalleissa. Jos siis haluamme lujempia materiaaleja, näiden virheiden syntyminen pitäisi ehkäistä tavalla tai toisella. Silloin olemme takaisin karkaisussa, mutta ehkä toisella tavalla kuin rautahiilitasapainopiirros selittää. B.1.3 Hitsauksen vaikutus Hitsausliitoksen vyöhykkeet Hitsauksessa perusaine joutuu suurien lämpötilarasitusten alaiseksi. Eri ominaisuusmuutosten takia hitsausliitos on jaettu vyöhykkeisiin. Hitsiaine (a). Hitsauksen yhteydessä sulassa tilassa ollut aine (hitsausaine ja sulanut perusaine). Sulamisvyöhyke (b). Se osa perusainetta, joka on sulanut hitsauksen aikana. Muutosvyöhyke (c). Se osa perusainetta, johon hitsaus on aiheuttanut mikrorakennemuutoksia. Lämpövyöhyke (c+d). Se osa perusainetta, jonka lämpötila on ollut hitsauksen takia työlämpötilaa korkeampi. Hitsausvyöhyke (a+b+c) on hitsin ja muutosvyöhykkeen yhteinen vyöhyke.

8 8 Rakenteesta tulee karkearakeinen, mikä on haitta, koska karkearakeisella rakenteella on heikompi sitkeys ja se on huomattavasti kovempaa kuin hienorakeinen rakenne. Ajalla, minkä materiaali on tässä lämpötila-alueessa, on ratkaiseva merkitys karkearakeisen rakenteen määrään. Mitä kauemman aikaa - sitä enemmän karkearakeisuutta. Hitsauksen vaikutus teräkseen Seostamattomien terästen hitsauksessa ei yleensä ole juuri minkäänlaisia vaikeuksia. Teräkset sallivat suuret liikkumavarat tuodulle lämpömäärälle, jännityksille jne. Ne ovat myös suhteellisen yksinkertaisia hitsata. Niitä voidaan hitsata kaikilla hitsausprosesseilla ja saatavilla oleva lisäainevalikoima on runsas. Sen sijaan seostettujen ja lujien terästen hitsaus on vaativampaa ja vaatii taitoa niin hitsaajalta kuin myös suunnittelijalta. Nämä teräkset on kehitetty vaativiin kohteisiin esim. paineastioiden, öljynporauslauttojen, siltojen, nosturien jne. valmistukseen ja käyttöön. Nämä teräkset vaativat huolellisuutta hitsattaessa ja ne edellyttävät hitsaajan ammattitaidon lisäksi myös hyväksyttyjä hitsausohjeita. Vaatimukset Mutta eivät ainoastaan teräksen ominaisuudet määritä hitsausmenetelmiä ja hitsin laatua. Asiakkaat, viranomaiset, luokituslaitokset ynnä muut asettavat myös omia vaatimuksiaan hitsin laadulle. Myös tuotestandardit, kuten esim. paineastiat, laivat, nosturit, sillat jne. asettavat materiaaleille ja hitseille vaatimuksia. Maailmalla on hallitsevia ja vaikuttavia organisaatioita ja viranomaisia kuten amerikkalainen ASME (The American Society for Mechanical Engineers), saksalainen TÜV (Technischer Übervachungs Verein), jotka asettavat omia vaatimuksia. Luokituslaitoksista voidaan mainita Lloyds Register of Shipping, Bureau Veritas, Det Norske Veritas jne. Mitä tapahtuu hitsattaessa? Tavallisia seostamattomia teräksiä voidaan hitsata useimmissa tapauksissa niin, että niiden lujuusarvot eivät sanottavasti heikkene. Mutta hitsaajalla pitää koko ajan olla mielessä, että jokainen lämpötilan nousu materiaalissa edistää sen ominaisuuksien heikentymistä. Hitsaus pilaa teräksen tavalla tai toisella. Tarkoitus on kuitenkin muuttaa teräksen ominaisuuksia niin vähän kuin mahdollista. Sulahitsauksessa muodostuu korkeita lämpötiloja materiaaliin. Hitsauksen ideahan on se, että työkappaleen eri osat sulatetaan yhteen - tavalla tai toisella. Korkea lämpötila vaikuttaa dramaattisella tavalla muutoksiin teräksen ominaisuuksissa. Rauta-hiilitasapainopiirroksessa voidaan seurata eri faaseja, tilakeskisestä kuutiollisesta ferriittis-perliittisestä rakenteesta huoneenlämpötilasta, pintakeskiseen kuutiolliseen austeniittiseen rakenteeseen lämpötilasta 850 C alkaen ja vähitellen sulamislämpötilaan, joka raudalla on 1536 C. Tähän asti ei ole tapahtunut mitään dramaattista. Dramaattisuus alkaa vasta, kun hitsaus on ohi ja teräs

9 9 jälleen alkaa jäähtyä. Silloin muutos alkaa todella. Huonosti koulutettu hitsaaja voi tehdä muutoksesta todella dramaattiseni. Kuten aikaisemmin mainittiin, matalahiilisillä teräksillä vaikutukset eivät ole kovin kummoisia, koska liikkumavarat ovat suuria. Mutta kun parempi laatuisia teräksiä hitsataan, niin on syytä olla varovainen. Mitä tapahtuu hitsin vieressä? 1. Täällä ei hitsauslämpö ole vielä ehtinyt vaikuttaa perusaineen rakenteeseen vaan se on alkuperäisessä muodossaan, eli ferriittis-perliittinen. 2. Tällä alueella perliitti on hitsauslämmön vaikutuksesta hajaantunut austeniitiksi, johon perliitin hiili on myös liuennut. Lämpötila on yli 750 C. 3. Hitsauslämpö on alkanut muuttaa ferriittiä austeniitiksi. 4. Kaikki ferriitti on muuttunut austeniitiksi. 5. Tällä alueella austeniittirakeet kasvavat hitsauslämmön vaikutuksesta. Mitä kauemmin hitsauslämpö saa vaikuttaa perusaineeseen sitä suuremmiksi tulevat austeniittirakeet. 6. Nyt on valokaari ehtinyt niin kauas, että lämpötila on alkanut laskea. Kun lämpötila alittaa 900 C, ferriittiä alkaa muodostua austeniittirakeiden raerajoille. 7. Suunnilleen tällä alueella alkaa muodostua ferriittineulasia, jotka kasvavat usteniittirakeisiin, ns. Widmannstätferriitti. 8. Näin kaukana hitsauskohdasta ollaan saatu lopullinen mikrorakenne (lämpötila alle 700 C), mikä koostuu vapaasta ferriitistä ja hienolaminaarisesta perliitista. Tämä on se rakenne, mikä halutaan saada hitsauksessa, jolloin kova ja hauras sementiitti on sitkeän ferriitin ympäröimänä. Mitä tapahtuu hitsattaessa. Mitä tapahtuu jäähtyvässä hitsissä? Jos jäähtyminen tapahtuu 5:stä askeleesta 8:teen askeleeseen (kuva yllä) nopeasti, hiili liuenneena austeniittiin - ei ehdi muodostaa sementiittilevyjä vaan jää pakkotilaan liuenneeksi, jolloin syntyy martensiittia. Tämä martensiitti on kovaa ja haurasta. Taulukossa (alla) on esitetty eri mikrorakenteiden kovuudet ja venymät.

10 10 Mikrorakenne Kovuus (Vickers) Venymä (noin) % Ferriitti Perliitti Martensiitti Sementiitti Erilaisilla jäähtymisnopeuksilla saadaan erilaisia mikrorakenteita eli martensiitin ja muiden mikrorakenteiden osuudet vaihtelevat, mikä antaa erilaisia ominaisuuksia hitsausliitokselle. Martensiitin muodostumisen ehkäisemiseksi käytetään usein korotettua työlämpötilaa, mikä pienentää jäähtymisnopeutta. Kaikki hitsaustyöt tulisi tapahtua korotetussa lämpötilassa - myös silloitushitsaukset. Mitä nopealla jäähtymisellä tässä yhteydessä tarkoitetaan riippuu muun muassa seostuksesta. Martensiitin muodostumisen ehkäisemiseksi pitää seostetun teräksen jäähtyä hitaammin kuin seostamattoman teräksen. Paksuja kappaleita, matalassa lämpötilassa ja seosteräksiä hitsattaessa jäähtymisnopeus on suurempi. Kun lämpötila laskee alle n. 900 C, austeniitti alkaa hajaantua ferriitiksi ja perliitiksi (kuten kuvassa) ja saadaan kohdan 8 mukainen lopputulos mikrorakenteeksi. Mitä tapahtuu hitsissä? Jos nyt tutkitaan vaihteeksi hitsiä, huomataan, että aluksi lisäaine ja osa perusaineesta ovat sulassa tilassa. Kun lämpötila laskee noin 1500 C, sula alkaa jähmettyä kiinteäksi aineeksi. Jähmettyminen tapahtuu kohtisuorasti hitsin reunalta hitsin keskiosaa kohti sormimaisina austeniittikiteinä eli dendriitteinä. Austeniittidendriitit, johon epäpuhtaudet liukenevat hyvin heikosti, painaa näitä epäpuhtauksia kohti hitsin keskustaa. Hitsin jähmettyminen Toinen ilmiö, mikä tapahtuu hitsin jähmettyessä, on että kuumat kohdat alkavat kutistua. Jos hitsataan V-railoa kuten kuvassa alhaalla, niin yläosassa on suurin sulamäärä. Tämän takia siellä siis tapahtuu suurin kutistuminen ja työkappaleen osat kun hitsi jähmettyy eivät pysy tasona vaan muodostavat kulman. Levyn vääntyminen V-hitsissä. Jos kaksi levyä ovat jäykästi kiinni, niin vetovoimat, jotka vääntävät työkappaletta, aiheuttavat vetojännityksiä hitsiin ja sen ympäristöön. Sellaisia vetojännityksiä - jäännösjännityksiä ei ole vain poikittain hitsissä vaan myös pitkittäin ja paksuussuunnassa. Tulee siis muistaa, että hitsissä

11 11 on aina vetojännityksiä (jos hitsiä ei ole jännitystenpoistohehkutettu), jotka ovat yhtä suuria kuin perusaineen myötöraja. B.1.4 Seosaineiden lisäys seosten muodostamiseksi Seosaineiden vaikutus teräkseen Seosaineiksi kutsutaan aineita, joiden tarkoituksellinen lisäys antaa teräkselle tiettyjä ominaisuuksia ja jotka vaikuttavat teräksen: lujuuteen muovattavuuteen (sitkeys) hitsattavuuteen kulutuskestävyyteen kovuuteen korroosionkestävyyteen Seosaineilla halutaan muun muassa vaikuttaa valmiin teräksen lujuuteen, sitkeyteen sekä hitsattavuuteen. Ohessa on taulukko, jossa on esitetty tiettyjen lisäaineiden vaikutuksia teräksen ominaisuuksiin. Seosaine pitoisuus % Kemiallinen merkki Ominaisuudet Hiili 0,1-0,3 C Kovuus ja lujuus kasvavat hiilipitoisuuden noustessa, kun taas sitkeys, iskusitkeys ja hitsattavuus huononevat Pii > 0,15 Si Nostaa lujuutta ja karkaisulämpötilaa sekä antaa tasaisemman analyysin materiaalin koko poikkipinnassa. (0,15% piitä = tiivistetty teräs) Mangaani Mn Nostaa lujuutta ja kulutuskestävyyttä. Kromi Cr Nostaa kovuutta, kuumalujuutta sekä sitkeyttä. Yli 12% kromia antaa hyvän korroosiokestävyyden (ruostumattomuuden). Koska kromi suurina määrinä huonontaa teräksen lujuutta, kompensoidaan tämä yleensä lisäämällä nikkeliä. (Kromi stabilisoi ferriittiä haurasta). Nikkeli Ni Lisää lujuutta ja sitkeyttä. (Nikkeli stabilisoi austeniittia- sitkeää). Molybdeeni Mo Lisää kovuutta, iskusitkeyttä, murtolujuutta sekä kuumalujuutta. Volframi W Parantaa karkenevuutta. Muodostaa hiilen kanssa kovaa volframikarbidia. Koboltti Co Nostaa lujuutta ja sitkeyttä. Parantaa korroosiokestävyyttä. Vanadiini V Nostaa lujuutta ja sitkeyttä. Hienontaa raekokoa.

12 12 Lämpökäsittelyt Lämpökäsittelyllä voidaan myös saavuttaa uusia ominaisuuksia. Jotta teräs saisi paremmat lujuusarvot, pitää virheitä tai muita erilaisia häiriötekijöitä poistaa tai ehkäistä. Monenlaisia tapoja on olemassa, mutta tässä esitellään nyt muutamia. Normalisointi Normalisoinnilla tarkoitetaan lämpökäsittely, jossa raekoon hienontamiseksi teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja jäähdytetään sieltä ilmassa huoneen lämpötilaan. Nuorrutus Nuorrutuksella tarkoitetaan karkenevien terästen kaksiosaista lämpökäsittelyä, jossa teräs ensin normalisoidaan ja jäähdytetään pikaisesti ja sen jälkeen kuumennetaan alemman muutoslämpötilan alapuolelle (päästö) suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Erkautuskarkeneminen Alumiini ja myös muut metallit voidaan erkautuskarkeuttaa. Tällöin materiaalia kuumennetaan, jolloin atomien uudelleen ryhmittäytymistä tapahtuu. Tämä prosessi vaatii hieman aikaa, joten sitä kutsutaan myös vanhentamiseksi. Atomien uudelleen ryhmittyminen luo myös sisäisiä jännityksiä materiaaliin ja dislokaatioiden liikkuminen vaikeutuu. Teräksen erkautuskarkenemisessa seostetaan siihen aineita kuten niobi ja vanadiini, jotka yhdessä typen kanssa muodostavat lujittavia partikkeleja (Nb + N ja V + N). Nämä aineet vaikuttavat kiteen sisällä. Eräs erkautuskarkeneva teräs on ruotsalainen SS2135, joka on karkaistavissa partikkelien ansiosta kovemmaksi. Nostaa myötörajaa vähentää sitkeyttä.

13 13 B.1.5 Perusaineiden ryhmittely Raportin CEN ISO/TR mukaan teräkset on jaoteltu ryhmiin ja alaryhmiin alla olevan taulukon mukaisesti. Ryhmä Alaryhmä Teräslaji 1 Teräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh 460 N/mm² a ja analyysipitoisuudet ovat % : C 0,25 Si 0,60 Mn 1,80 Mo 0,70 b S 0,045 P 0,045 Cu 0,40 b Ni 0,5 b Cr 0,3 (0,4 valuteräksille) b Nb 0,06 V 0,1 b Ti 0, Teräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh 275 N/mm² 1.2 Teräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja 275 N/mm² < R eh 360 N/mm² 1.3 Normalisoidut hienoraeteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh > 360 N/mm² 1.4 Säänkestävät teräkset, joiden analyysipitoisuudet saattavat ylittää annetut pitoisuudet ryhmän 1 seosaineille 2 Termomekaanisesti valssatut hienoraeteräkset ja valuteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh > 360 N/mm² 2.1 Termomekaanisesti valssatut hienoraeteräkset ja valuteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja 360 N/mm² < R eh 460 N/mm² 2.2 Termomekaanisesti valssatut hienoraeteräkset ja valuteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh > 460 N/mm² 3 Nuorrutusteräkset ja erkautuskarkenevat teräkset, paitsi ruostumattomat tereäkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh > 360 N/mm² 3.1 Nuorrutusteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja 360 N/mm < R eh 690 N/mm² 3.2 Nuorrutusteräkset, joiden ohjeellinen ylempi myötöraja R eh > 690 N/mm² 3.3 Erkautuskarkenevat teräkset, paitsi ruostumattomat teräkset 4 Niukasti vanadiinilla seostetut Cr-Mo-(Ni) teräkset, joissa Mo 0,7 % ja V 0,1 % 4.1 Teräkset, joissa Cr 0,3 % ja Ni 0,7 % 4.2 Teräkset, joissa Cr 0,7 % ja Ni 1,5 % (jatkuu)

14 14 Vanadiinia sisältämättömät Cr-Mo teräkset, joissa C 0,35 % c Ryhmä Alaryhmä Teräslaji Teräkset, joissa 0,75 % < Cr 1,5 % ja Mo 0,7 % 5.2 Teräkset, joissa 1,5 % < Cr 3,5 % ja 0,7 % < Mo 1,2 % 5.3 Teräkset, joissa 3,5 % < Cr 7,0 % ja 0,4 % < Mo 0,7 % 5.4 Teräkset, joissa 7,0 % < Cr 10,0 % ja 0,7 % < Mo 1,2 % 6 Runsaasti vanadiinilla seostetut Cr-Mo-(Ni) teräkset 6.1 Teräkset, joissa 0,3 % < Cr 0,75 %, Mo 0,7 % ja V 0,35 % 6.2 Teräkset, joissa 0,75 % < Cr 3,5 %, 0,7 % < Mo 1,2 % ja V 0,35 % 6.3 Teräkset, joissa 3,5 % < Cr 7,0 %, Mo 0,7 % ja 0,45 % V 0,55 % 6.4 Teräkset, joissa 7,0 % < Cr 12,5 %, 0,7 % < Mo 1,2 % ja V 0,35 % 7 Ferriittiset, martensiittiset tai erkautuskarkenevat ruostumattomat teräkset, joissa C 0,35 % ja 10,5 % < Cr 30 % 7.1 Ferriittiset ruostumattomat teräkset 7.2 Martensiittiset ruostumattomat teräkset 7.3 Erkautuskarkenevat ruostumattomat teräkset 8 Austeniittiset ruostumattomat teräkset, Ni 31% 8.1 Austeniittiset ruostumattomat teräkset, joissa Cr 19 % 8.2 Austeniittiset ruostumattomat teräkset Cr > 19 % 8.3 Mangaaniseosteiset austeniittiset ruostumattomat teräkset, joissa 4,0 % < Mn 12,0 % 9 Nikkeliseostetut teräkset, joissa Ni 10,0 % 9.1 Nikkeliseostetut teräkset, joissa Ni 3,0 % 9.2 Nikkeliseostetut teräkset, joissa 3,0 % < Ni 8,0 % 9.3 Nikkeliseostetut teräkset, joissa 8,0 % < Ni 10,0 % 10 Austeniittis-ferriittiset teräkset (duplex-teräkset) 10.1 Austeniittis-ferriittiset teräkset, joissa Cr 24,0 % 10.2 Austeniittis-ferriittiset teräkset, joissa Cr > 24,0 % 11 Teräkset, jotka kuuluvat ryhmään 1 d, paitsi, että 0,25 % < C 0,85 % 11.1 Ryhmän 11 teräkset, joissa 0,25 % < C 0,35 % 11.2 Ryhmän 11 teräkset, joissa 0,35 % < C 0,5 % 11.3 Ryhmän 11 teräkset, joissa 0,5 % < C 0,85 % HUOM. Kappaleanalyysin perusteella voidaan ryhmän 2 terästen arvioida kuuluvan ryhmään 1 a Terästen tuotestandardien spesifikaation mukaan, R eh voidaan korvata R p0,2 tai R t0,5. b Korkeampi arvo sallitaan, edellyttäen, että Cr + Mo + Ni + Cu + V 0,75 %. c Korkeampi arvo sallitaan, edellyttäen, että Cr + Mo + Ni + Cu + V 1 %.