PS 7 2016 WWW.pdf 41PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 Wpływ obróbki cieplnej na mikrostrukturę  i odporność korozyjną bimetalu   stal 904L – nikiel N02201   wytworzonego zgrzewaniem wybuchowym Influence of heat treatment on microstructure and corrosion resistance of the bimetal steel 904L – nickel N02201 produced by explosive welding Mgr  inż.  Urszula  Sobczak  –  Wojskowa Akademia Techniczna Warszawa;  mgr  inż.  Michał  Najwer,  mgr  inż.  Grzegorz  Kwiatkowski – Politechnika Opolska, Zakład Technologii Wysokoenergetycznych EXPLOMET. Autor korespondencyjny/Corresponding author: urszula.sobczak@wat.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań bimetalu 904L – – N02201 połączonego metodą zgrzewania wybuchowego. Plater wykonano technologią zgrzewania wybuchowego, a następnie przeprowadzono wstępną obróbkę cieplną - wy- żarzanie odprężające. Określono mikrostruktury złącza po wstępnej obróbce cieplnej, a zarazem w celu sprawdzenia odporności złącza na korozję, przeprowadzono dodatkową obróbkę cieplną. Kolejno, przy użyciu mikroskopu optyczne- go oraz skaningowego, wykonano badanie mikrostruktury po obróbce cieplnej. Przeprowadzono pomiary wielkości elektrycznych podczas korozji swobodnej w badaniach po- tencjodynamicznych, umożliwiające ocenę odporności na korozję. Słowa kluczowe: zgrzewanie wybuchowe, obróbka cieplna, odporność korozyjna Abstract This paper presents the results research of bimetal 904L – – N02201 connected using explosive welding method. Plat- er was performed using explosive welding technology, heat treatment was carried out pre-stress relief. The joint micro- structure was defined after initial heat treatment and also to verify the corrosion resistance of the joint additional heat treatment was carried out. Consecutively, using an optical and scanning microscope, examination of the microstruc- ture after heat treatment were performed. The electrical measurements were examined during free corrosion in the potentiodynamic studies enabling the evaluation of corro- sion resistance. Keywords:  explosive welding, heat treatment, corrosion resistance Wstęp Zgrzewanie wybuchowe jest to proces technologiczny polegający na połączeniu dwóch lub więcej elementów me- talowych za pomocą energii wyzwalającej się przy detonacji ładunku wybuchowego [1]. Uzyskane połączenia mogą mieć charakter adhezyjny, mechaniczny bądź dyfuzyjny. W przypadku połączeń me- chaniczno – adhezyjnych otrzymane połączenie cechuje się wysoką jakością, natomiast połączenia dyfuzyjne powodują pogorszenie właściwości materiałów i odporności korozyj- nej [2,3]. Wysokoenergetyczny proces łączenia wprowadza również do struktury wielowarstwowego materiału nie ko- rzystne naprężenia i umocnienie, co negatywnie wpływa na właściwości użytkowe i ogranicza możliwości jego dalszego kształtowania metodami przeróbki plastycznej, czy obróbki ubytkowej [1]. W celu poprawy właściwości wytrzymałościo- wych normy PN-EN 13455-2 przewidują wykonanie obróbki cieplnej [4]. W przypadku kompozytów warstwowych wyma- gane jest, aby temperatura obróbki cieplnej była niższa od temperatury przejścia w stan ciekły warstwy złącza o najniż- szej temperaturze topnienia. Analizowany w tym artykule bimetal ma znaleźć swo- je zastosowanie jako materiał w przemyśle chemicznym i zbrojeniowym. Warunki pracy elementów wykonanych z opisywanego bimetalu wymagają szczelnego połączenia, wysokiej odporności na korozję, a także jak najlepszych wła- ściwości mechanicznych, dlatego przeprowadzona została Urszula Sobczak, Michał Najwer, Grzegorz Kwiatkowski przeglad Welding Technology Review 42 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 obróbka cieplna mająca na celu usunięcie skutków zgniotu, uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury oraz odporności na korozję [5]. W tym celu przeprowadzono analizę wpływu ob- róbki cieplnej na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne plateru stal – stop niklu. Badania własne Materiał do badań W ramach realizowanych badań wytworzono metodą zgrzewania wybuchowego bimetal, w którego skład wcho- dziła stal austenityczna 904L stanowiąca blachę podsta- wową o grubości 25 mm oraz stop niklu N02201 będący blachą nakładaną o grubości 6 mm. Składy chemiczne łączonych materiałów zostały przedstawione w tabli- cach I i II. Wymiary końcowe łączonych blach wynosiły: (25+6)×2000×5000. Do analizy mikrostruktury oraz odporności na korozję materiał poddano początkowo wyżarzaniu odprężającemu w temperaturze 540 °C przez 90 min. Następnie badany ma- teriał poddano dwuetapowej obróbce cieplnej. Etap pierw- szy stanowiło przesycanie, próbki (1-4) o wymiarach (25+6) ×30×20 zostały wygrzane w temperaturze 1050 °C przez 1h. Próbki chłodzone były w wodzie. Etap drugi stanowiło wy- grzewanie próbek (2-4) w temperaturze 550 °C przez 1 (prób- ka 2), 3 (próbka 3) oraz 5 (próbka 4) godzin. Próbki chłodzo- ne były na powietrzu. Badanie mikrostruktury po obróbce cieplnej Zgłady metalograficzne trawiono dwuetapowo, naj- pierw wykonano trawienie stali austenitycznej odczynni- kiem zawierającym 100 ml H20 + 100 ml HCl +10 ml HNO3, który podgrzano do temperatury 50 °C. Następnie wytrawio- no nikiel odczynnikiem zawierającym 4 g CuSO4 + 20 ml HCl + 20 ml C2H5OH. Mikrostruktury obserwowano na mikrosko- pie optycznym i skaningowym. Na rysunku 1 przedstawiono mikrostrukturę złącza platerowanego po przesycaniu w tem- peraturze 1050 °C przez 1 godzinę. Na rysunku 2 przedstawiono przykłady mikrostruktur ujawnionych na wytrawionym zgładzie metalograficznym w obszarze złącza oraz w materiałach zgrzewanych. C S Ni Mn Si Ti P Cr Cu Mo Nb N 904L 0,01 0,0005 24,235 1,535 0,1836 0,013 0,0162 19,69 1,3098 4,0054 0,008 0,057 Skład Nr C S Ni Mn Si Ti Cu Fe Mg N02201 0,01 <0,0002 99,7 0,09 0,06 0,02 <0,01 0,03 0,02 Skład Nr Tablica I. Skład chemiczny badanej stali 904L [w % wag.] Table I. Chemical composition of investigated steel 904L [in % wt.] Tablica II. Skład chemiczny stopu niklu N02201 [w % wag.] Table II. Chemical composition of investigated nickel alloy N02201 [in % wt.] Rys. 1. Mikrostruktura złącza platerowanego Fig. 1. The microstructure of the joint Rys. 2. Mikrostruktury próbki po przesycaniu (1050°/1h/H2O): a) ob- szar złącza, b) stal 904L, c) nikiel N02201 Fig. 2. Microstructure of the sample after annealing (1050°/1h/H2O): a) the area of joint, b) steel 904L, c) nickel b) c) nadtopienie a) 43PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 Wielkość ziarna niklu (rys. 2c) jest wielokrotnie większa od wielkości ziarna stali 904L (rys. 2b). W obu materiałach występują bliźniaki wyżarzania. W niektórych obszarach ob- serwuje się efekty nadtopienia, charakteryzujące się budo- wą drobnoziarnistą (rys. 2a). Analiza mikrostruktury za pomocą SEM Za pomocą programu komputerowego CarbNit i mikro- skopu skaningowego Hitachi 3500 N, wykonano analizę termodynamiczną wydzieleń w zgrzewanym materiale. Podczas przeprowadzonej analizy węglikoazotków wykaza- no, że węgiel i azot nie został w całości związany (rys. 3). Zauważono, że zawartość węgla praktycznie się nie zmie- nia a wraz z obniżeniem temperatury maleje ilość azotu roz- puszczonego w stali. Wewnątrz ziarn stwierdzono występowanie azotków i wę- glików. Po wykonaniu analizy składu chemicznego stwier- dzono, że są to azotki tytanu TiN (rys. 4a) oraz węgliki chro- mu Cr23C6 (rysunek 4b). Badania odporności na korozję Dla próbki 1 (linia przerywana) oraz 4 (linia ciągła) wy- konano pomiar potencjału korozyjnego OCP (Open Circuit Potential). Jest to istotny parametr pozwalający na prze- widywanie odporności korozyjnej badanego materiału me- talicznego [7]. Badanie polegało na pomiarze potencjału bimetalu, w warunkach bezprądowych, względem elektrody odniesienia [8]. Na rysunku 5 przedstawiono zbiorczy wy- kres parametru OCP dla badanych materiałów. Próbki po przesycaniu (4) mają wyższy potencjał, świadczący o ich odporności korozyjnej. Rys. 3. Skład chemiczny austenitu Fig. 3. Chemical composition of the austenite Potwierdzeniem tych obliczeń są wydzielenia zaobserwo- wane w badanym materiale (rys. 4). Rys. 4. Analiza mikrostruktury: a) wydzielenie azotku TiN w próbce po wyżarzaniu 550 °C/5h, b) wydzielenie węglika Cr23C6 w próbce po wyżarzaniu 550 °C/5h Fig. 4. Analysis of the microstructure: a) eduction the nitride TiN in the sample after annealing 550 °C/5h, b) eduction carbide Cr23C6 in the sample after annealing 550 °C/5h Rys. 5. Zbiorczy wykres parametru OCP Fig. 5. Cumulative parameter graph of OCP 44 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 7/2016 Aby ocenić zachowanie korozyjne badanego bimetalu, przeprowadzono pomiary liniowej woltamperometrii LSV (Linear Sweep Voltammetry). Schemat wyznaczania parame- trów krzywej otrzymanej w wyniku pomiarów woltampero- metrycznych został przedstawiony na rysunku 6. Pomiar po- legał na rejestrowaniu odpowiedzi prądowej w zależności od liniowo rosnącego potencjału, który zadany był na badanej próbce. Dzięki temu otrzymano krzywe polaryzacyjne. Rys. 6. Schemat wyznaczania parametrów LSV [7,8] Fig. 6. Determining scheme parameters LSV [7,8] Badania polaryzacyjne dla próbek przeprowadzono w 0,1M roztworze chlorku sodu, szybkość skanowania po- tencjału przeprowadzono dla pięciu wariantów: 16,6 mV/s, 50 mV/s, 83,3 mV/s, 166 mV/s, 332 mV/s. Na rysunku 7 przedstawiono otrzymane krzywe polaryzacji katodowej Rys. 7. Krzywe polaryzacji katodowej i anodowej dla potencjału 16,6 mV Fig. 7. Polarization curves for the anodic and cathodic potential of 16,6 mV Na powierzchnię stali austenitycznej jest nałożony nikiel, w związku z tym, reakcja jaka zachodzi, to utlenianie niklu zgodne z reakcją: N0 -2e → N2+. Ze wzrostem potencjału wzrasta wysokość piku, świadcząca o tym, że zachodząca reakcja jest szybka, potencjodynamiczna [8]. Podsumowanie Plater, wykonany technologią zgrzewania wybuchowego poddano analizie wpływu obróbki cieplnej na jego mikrostruk- turę i odporność korozyjną. Podczas przeprowadzonych badań zauważono, że wielkość ziaren stali austenitycznej różniła się kilkakrotnie od wielkości ziarna niklu, w linii złącza widoczne były obszary przetopione o drobnoziarnistej mikrostruktu- rze. Zarówno w mikrostrukturze stali austenitycznej, jak i niklu zaobserwowano bliźniaki wyżarzania. Na obrazach pocho- dzących z mikroskopu skaningowego zaobserwowano liczne wydzielenia takie jak: TiN, Cr23C6 oraz fazy międzymetaliczne molibdenu. Na podstawie obserwacji mikrostruktury wykonanej przy pomocy mikroskopu skaningowego i analizy termody- namicznej węglikoazotków stwierdzono, że tytan i niob, które powinny stabilizować austenit, nie spełniły swojej roli w bada- nym materiale. Zatem węgiel może w badanej stali wchodzić w relację z Cr, co w środowisku korozyjnym może powodować korozję międzykrystaliczną. Jednak jego mała zawartość (0,01%) nie powinna znacznie obniżać odporność stali na korozję. W dalszej części wykonano badanie odporności na korozję, a analiza parametru OCP wykazała, że próbki przesycone w temperaturze 1050 °C posiadają mniejszą tendencję do korozji w porównaniu z materiałem surowym. Otrzymane wyniki świadczą o tym, że pojawiająca się korozja ma charakter potencjodynamiczny i nie powinna wpływać znacząco na własno- ści mechaniczne wykonanego plateru. Literatura [1] Najwer M., Niesłony P.: Ocena mikrotwardości oraz własności wytrzyma- łościowych trimetalu AA2519-AA1050-Ti6Al4V po różnych obróbkach cieplnych, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 16-18, 2016 [2] Kurek A.: Trwałość zmęczeniowa elementów maszyn wykonanych z bimeta- lu stal – tytan zgrzewanego wybuchowo, Politechnika Opolska, Opole, 2011 [3] Prażmowski M., Rozumek D., Paul H.: Trwałość zmęczeniowa bimetalu cyrkon-stal w aspekcie charakterystyki złącza, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 12-15, 2016 [4] Pocica A., Najwer M.: Obróbka cieplna zgrzewanych wybuchowo bimetali ze stali austenitycznych, Przegląd Spawalnictwa, nr 5, s. 54-58, 2014 [5] Schweitzer P.A.: Fundamentals of Corrosion – Mechanism, Causes and Preventative Methods, CRC Press, 2009 [6] Kozłowski J., Kozłowski J.: Spawanie to nie wszystko Zabezpieczenie an- tykorozyjne spawanych konstrukcji stalowych – kontrola i badania, Prze- gląd Spawalnictwa, nr 5, 10-15, 2016 [7] Adamiec J., Januszkiewicz M.: Ocena odporności na korozję wysokotem- peraturową złączy spawanych laserowo rur ożebrowanych wykonanych ze stopów niklu, Przegląd Spawalnictwa, nr 10, 88-91, 2015 [8] Bard A.J., Inzelt G., Scholz F.: Electrochemical Dictionary Springer – Ver- lag, Berlin, Heidelberg, 2008. i anodowej poprzez zastosowanie pomiaru potencjału bi- metalu względem półogniwa kalomelowego w funkcji czasu przy stałej gęstości prądu. W celu otrzymania dokładnych wyników dla każdego pomiaru wykonano po trzy cykle. Odnosząc się do schematu zamieszczonego na rysunku 5 zauważono, że w materiale nie występuje korozja wżerowa. Największe potencjały wystąpiły dla pików wyznaczonych dla wariantu 16,6 mV/s. Ilość pików świadczy o ilości zacho- dzących reakcji. Dla każdej z badanych próbek występuje jeden pik prądu anodowego związany z reakcją utleniania.