201201_PSpaw.pdf 15Przegląd sPawalnictwa 1/2012 Krzysztof Pańcikiewicz Sławomir Kwiecień Edmund Tasak Właściwości połączeń spawanych stali 7CrMoVtiB10-10 (t24) po obróbce cieplnej the properties of joints of 7crMoVtiB10-10 (t24) steel  after heat treatment   Mgr inż. Krzysztof Pańcikiewicz, prof. dr hab. inż. Edmund Tasak – Akademia Górniczo-Hutni- cza, Kraków, mgr inż. Sławomir Kwiecień – poli- mex Mostostal Zakład ZRE, Kraków. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki oceny twardości i pracy łamania spoin po obróbce cieplnej złączy spawa- nych żarowytrzymałej stali niskostopowej T24 (7CrMo- -VTiB10-10). Wykazano, że otrzymanie jednocześnie wymaganych właściwości plastycznych i twardości jest możliwe jedynie po wyżarzaniu w temperaturze co naj- mniej 700ºC. Podjęto również próbę wyjaśnienia przy- czyn występowania niezadowalającej twardości złączy i udarności spoin po obróbce cieplnej w stosunkowo do niskiej temperaturze wyżarzania. Abstract The paper presents the results of hardness test and nominal energy of impact test of welds after heat treat- ment of low alloy T24 (7CrMoVTiB10-10) steel. It is obta- ined that the required plasticity properties and hardness is possible only after annealing at a temperature of at least 700°C. It is made an effort to clarify the causes of unsa- tisfactory weld hardness and weld notch toughness after heat treatment at relatively low annealing temperature. Wstęp Stal T24 (7CrMoVTiB10-10) należy do grupy no- woczesnych stali bainitycznych stosowanych w ener- getyce na ściany szczelne kotłów. Charakteryzuje się dużo lepszą czasową wytrzymałością na pełzanie w porównaniu do konwencjonalnych stali, dzięki czemu może być z powodzeniem stosowana w konstrukcjach pracujących w warunkach nadkrytycznych. Osobnym zagadnieniem są jej właściwości mechaniczne po spa- waniu. Literatura polska i zagraniczna dostarcza infor- macji o udanych próbach spawania doczołowego me- todą GTAW rur o grubościach do 7,1 mm bez stoso- wania zabiegów obróbki cieplnej po spawaniu [1÷4]. W przypadku oceny technologii spawania wg normy PN-EN ISO 15614-1 [5] uzyskujemy ściśle określony zakres kwalifikowania dla grubości materiału, wyszcze- gólniony w tablicy. Kwalifikowanie technologii na złączach próbnych o grubości 6,3 lub 7,1 mm (w przypadku badania pracy łamania) obejmuje zakres grubości 3÷12 mm. Chociaż złącze w tych przypadkach zostałoby zakwalifikowane, zwiększenie grubości do 11,2 mm (będącej w zakresie kwalifikacji) może nie spełnić założonych kryteriów, co pokazano w [6]. Z badań tych wynika, że dla połączeń spawanych doczołowo rur o grubości 11,2 mm meto- dą GTAW nie jest możliwe otrzymanie twardości po- niżej 350 HV10 i pracy łamania w spoinie większej niż 27 J bez obróbki cieplnej w temperaturze wyższej od 300ºC. Tablica. Zakres kwalifikowania wg PN–EN ISO 15614-1 dla grubości materiału spoin czołowych i grubości metalu spoiny [5] Table. The scope of qualifying acc. to PN-EN ISO 15614-1 for the butt welds and weld metal thickness [5] Grubość złącza próbnego t, mm Zakres kwalifikowania jednościegowe wielościegowe t ≤ 3 0,7-1,3t 0,7-2t 3 < t ≤ 12 0,5 (3 min.)-1,3ta 3-2ta 12 < t ≤ 100 0,5-1,1t 0,5-2t t > 100 niestosowane 50-2t a Jeśli wymagania udarności są określone, górna granica kwalifi- kowania wynosi 12 mm, chyba że nie bada się udarności. 16 Przegląd sPawalnictwa 1/2012 Przebieg badań Do badań użyto króćców spawanych doczołowo w pozycji H-L045 metodą 141 ze stali T24 o wymia- rach: ø 48,3x11,2 mm. Po wstępnym przygotowaniu próbek o wymiarach poprzecznych 10x10 mm wykona- no obróbkę cieplną w temperaturze 500÷740ºC. Czas wyżarzania w każdym przypadku wynosił dwie godzi- ny. Ze względu na brak możliwości wyznaczenia cza- su t8/5 został wyznaczony zastępczy czas t7/4=102 s, opisujący przebieg chłodzenia w powietrzu po obrób- ce cieplnej. Następnie nacięto karby do próby Char- py-V w osi spoiny (VWT). Wyniki badania pracy łama- nia przedstawiono na rysunku 1 (z uwzględnieniem po- przednich prób [6]). Wykonano również pomiary twar- dości połączeń spawanych metodą Vickersa przy ob- ciążeniu 98,1 N. Na rysunku 2 przedstawiono maksy- malne twardości poszczególnych stref złącza spawa- nego po obróbce cieplnej. Analiza wyników Badania dylatometryczne wykazały, że przyczy- ną występowania niezadowalającej udarności spoin i twardości połączeń spawanych po obróbce cieplnej w zakresie temperatury 300÷400°C są przemiany fa- zowe zachodzące podczas nagrzewania i wygrzewa- nia w tej temperaturze. Wykres dylatometryczny przed- stawiony na rysunku 3 pokazuje, że w zakresie tem- peratury 230÷370°C dochodzi do przemiany austeni- tu szczątkowego w przesycony ferryt i bainit. W wyż- szej temperaturze dodatni efekt dylatometryczny od przemiany austenitu może zostać „wytłumiony” przez ujemny efekt dylatometryczny pochodzący od wydzie- lania się cementytu. Powyżej 500°C zachodzi wydzie- lanie węglików MC, powodujących wystąpienie dodat- niego efektu dylatometrycznego. Wydzielenia te dopro- wadzają do tzw. efektu twardości wtórnej, widocznego na rysunku 2. Optymalizacja obróbki cieplnej Ze względu na wysoki koszt obróbki cieplnej istot- na jest optymalizacja tego procesu. Dokonano zatem wyżarzania w temperaturze zapewniającej wymaga- ną pracę łamania, ograniczając czas tych zabiegów do nagrzania, wytrzymania przez 2 min. celem wyrówna- nia temperatury na przekroju próbki i schłodzenia na wolnym powietrzu. Otrzymane wyniki badań zestawio- no na rysunkach 4 i 5. Rys. 1. Średnia wartość pracy łamania spoin ze stali T24 po obrób- ce cieplnej Fig. 1. Average value of nominal KV energy of T24 steel welds after heat treatment Rys. 2. Maksymalne twardości poszczególnych stref złącza spawa- nego stali T24 po obróbce cieplnej Fig. 2. The maximum hardness of the joint zones for T24 steel after heat treatment Rys. 3. Dylatogram nagrzewania z szybkością 0,05°C/s próbki ze spoiny wykonanej łukiem krytym Fig. 3. Dilatograph of heating with a rate of 0,05°C/s samples of the submerged arc weld Rys. 4. Średnia wartość pracy łamania spoin ze stali T24 po obrób- ce cieplnej przez 2 h i przez 2 min Fig. 4. Average value of nominal KV energy for T24 steel welds after heat treatment for 2 h and for 2 min 17Przegląd sPawalnictwa 1/2012 Z danych przedstawionych na rysunkach 4 i 5 wyni- ka, że już nagrzanie do temperatury wyżarzania, krót- kie wytrzymanie przez 2 min i następnie schłodzenie na wolnym powietrzu umożliwia uzyskanie wysokich wartości pracy łamania. Ponadto największa zmierzo- na twardość strefy wpływu ciepła i spoiny nie przekro- czyła wartości 350 HV10, co pozwala na spełnienie wy- magań norm [5]. Rys. 5. Maksymalne twardości poszczególnych stref złącza spawa- nego stali T24 po obróbce cieplnej przez 2 h i przez 2 min Fig. 5. The maximum hardness of the zones in the T24 steel weld after heat treatment for 2 h and for 2 min Literatura [1] Brózda J., Zeman M., Pasternak J., Fudali S.: Żarowytrzyma- łe stale bainityczne nowej generacji – ich spawalność i właści- wości złączy spawanych [w:] Materiały i technologie stosowa- ne w budownictwie kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów, Katowice, 2009, s. 27-46. [2] Heuser H.: Filler Metals for T/P23 and T/P24, Seminarium Ra- fako, 15.01.2009. [3] Urzynicok M., Kwieciński K., Słania J.: Właściwości złączy spawanych ze stali bainitycznej 7CrMoVTiB10-10 (T24) stoso- wanej w elektrowniach pracujących przy parametrach nadkry- tycznych, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach, 2009, R. 53, nr 6, s. 63-68. [4] Urzynicok M., Kwieciński K., Słania J.: Doświadczenia przy wykonywaniu połączeń doczołowych rur ze stali 7CrMo- VTiB10-10 (T24), Materiały i technologie stosowane w budow- nictwie kotłów nadkrytycznych i spalarni odpadów. Katowice, 2009, s. 172-183. [5] PN-EN ISO 15614-1:2008 – Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali – Badanie technologii spawania – Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łuko- we niklu i stopów niklu. [6] Pańcikiewicz K. , Kwiecień S., Tasak E. : Właściwości połą- czeń spawanych stali bainitycznej 7CrMoVTiB10-10, Przegląd Spawalnictwa, 2010, R. 82, nr 8, s. 8-14. Referat pt. „Wpływ obróbki cieplnej na właściwości połączeń spawanych stali 7CrMoVTiB10-10” został wygłoszony przez Krzyszto- fa Pańcikiewicza na XLVIII Sesji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH 2011 w Sekcji Inżynieria Spajania oraz wyróżnio- ny I nagrodą. Opiekun pracy ze strony Polimex Mostostal Zakład ZRE Kraków – mgr inż. Sławomir Kwiecień, opiekun naukowy refera- tu – prof. dr hab. inż. Edmund Tasak. Badania wykonano w ramach pracy statutowej nr 11.11.110.790 Podsumowanie Przeprowadzone badania wykazały, że aby za- pewnić odpowiednie właściwości plastyczne spoin doczołowych rur o grubości 11,2 mm wykonanych metodą GTAW oraz wymaganą twardość złączy ze stali T24, należy wykonać obróbkę cieplną po spa- waniu w temperaturze co najmniej 700ºC. Otrzy- manie wymaganych wartości w niższej tempera- turze wyżarzania nie jest możliwe ze względu na występowanie przemian fazowych zachodzących podczas odpuszczania, takich jak przemiana au- stenitu szczątkowego w przesycony ferryt i ba- init, wydzielanie cementytu czy wydzielanie węgli- ków typu MC. Ponadto stwierdzono, że jest moż- liwa optymalizacja obróbki cieplnej, polegająca na nagrzaniu złącza do temperatury wyżarzania, wy- trzymaniu przez dwie minuty w celu ujednorodnie- nia temperatury w elemencie, a następnie bezpo- średnim schłodzeniu na powietrzu. W następnym numerze Temat wiodący numeru 2/2012 miesięcznika naukowo-technicznego Przegląd Spawalnictwa – plany Spawania