A szerkezeti anyagok felhasználása a történelem folyamán A kérdés körbejárásához érdemes egy pillantást vetni az alábbi ábrára, amely a szerkezeti anyagok felhasználási arányát és jelentőségét szemlélteti a történelem során. Az, hogy az emberiség éppen milyen anyagokat használt fel, nagyban függött többek között az alapanyagok hozzáférhetőségétől, feldolgozhatóságától, valamint a rendelkezésre álló ismeretektől és technológiáktól. Nem véletlen, hogy a régészeti korszakokat is az alapján határozták meg, hogy milyen alapanyagból készültek a használati eszközök, így követte egymást a kő-, a réz-, a bronz-, és a vaskor. A műanyagoknak is fontos szerep jutott már ezekben a korszakokban is, viszont ezekben az időkben a természetes eredetűek jelentősége volt nagy, míg napjainkban inkább a mesterséges eredetű típusokat preferáljuk.
A műanyagok térhódítása A műanyagok számos kedvező tulajdonsággal rendelkeznek: könnyű, olcsó, jól gyártható, így nem meglepő, hogy több iparágban (pl. csomagolás, élelmiszer-, autóipar) is relatív rövid idő alatt exponenciálisan megnőtt a műanyag felhasználás. 2018-ban közel 400 millió tonna műanyagot termeltek világszerte. Önmagában a mennyiség nem is tűnik soknak, ha mellé tesszük az éves vastermelés mennyiségét a maga 1500 millió tonnájával, viszont nem szabad figyelmen kívül hagynunk azt, hogy ez az előállított mennyiség hol és milyen formában köt ki. Míg az előállított acél javarészt épületekben, hidakban, gépjárművekben, hajókban és egyéb kisebb-nagyobb konstrukciókban kapnak helyet, a műanyagokra jellemzően más sors vár. A fogyasztói társadalom ugyanis berendezkedett az egyszer használatos műanyagok kényelmes világába, előállítva ezzel korunk egyik legnagyobb környezeti problémáját: az elképzelhetetlen mennyiségű műanyag szemetet mindenütt.
Barátból ellenség? Becslések alapján a műanyagtermelés fellendülése, azaz az ’50-es évek óta nagyjából 5 milliárd tonna műanyaghulladék halmozódott fel. Szemléltetésképp a román parlament becsült tömege is kb. 5 milliárd tonna, viszont az építéséhez nagyjából 1 millió köbméter márványt és 700000 tonna acélt használtak fel, így térfogatára a legnagyobb ember által épített szerkezet befoglaló mérete közel sincs az ember által termelt hulladékmennyiség térfogatával. A hulladékmennyiség mellett egyre többször kerül a figyelem középpontjába a műanyagok egészségkárosító hatása. Annak ellenére, hogy a műanyagokra előszeretettel hivatkoznak biokompatibilis (azaz a szervezettel jól összeférhető) anyagként, előfordul köztük rákkeltő és gyulladáskeltő típus is. A műanyagok bomlása folyamán a benne lévő kötések felszakadoznak és apró részegységekre tagolódnak fel. Az így keletkező ún. mikroműanyagok a vízzel, levegővel vagy táplálékokkal bekerülnek az emberi szervezetbe. Ezekhez a kis részecskékhez a légszennyezettségből eredő por vagy nehézfém is könnyebben hozzátapad, így nagyobb koncentrációban juthatnak a szervezetbe. A műanyagok megsemmisítése sem egyszerű feladat: az előszeretettel alkalmazott égetés során felszabaduló káros anyagok még tovább növelik a légszennyezettséget és fejtik ki negatív hatásukat a környezeten.
A fenti problémák és a műanyagok alkalmazhatósági korlátai miatt egyre több helyen térnek vissza a „jó öreg” fémek használatára. Bejegyzés sorozatunkban olyan területeket fogunk részletesen bemutatni, ahol a fémeknek még mindmáig jelentős szerep jut, és nem várható a jövőben, hogy műanyagokkal váltsák ki, valamint olyan alkalmazási célokat is górcső alá veszünk, ahol a fémekkel igyekeznek kiváltani a műanyagokat azok környezeti hatása miatt.
Repedésre érzékeny anyagok hegesztésénél a nikkel alapú elektródák használata segít a rideg anyag zsugorodás okozta feszültségeit a nagy alakváltozó képességű varrat képlékeny alakváltozás közben repedés nélkül elviselje. Különböző nagy karbon-tartalmú acél és vasöntvények hegeszthetők hidegen nikkeles elektródákkal. Természetesen lemezgrafitos vasöntvények szobahőmérsékleten rideg állapota miatt előmelegítésre az öntvény alakjától és vastagságától függően szükség lehet, de sokkal csekélyebb mértékben, mintha vas alapú elektródával hegesztenénk. Szürke és temperöntvényekhez kb. 1% karbontartalmú nikkel elektródákat alkalmaznak. Az így készült varrat keménysége kicsi. Nagyobb szilárdság érhető el vasöntvényekhez és azok vegyes kötéseihez kifejlesztett ún. ferro-nikkel elektródákkal, amelynek alkalmazásával a hegesztési ömledék összetétele az invar ötvözetekhez hasonló, kis hőtágulású lesz.
Az ötvözetlen acél fajlagos hőtágulása 12×10-6/K, 304/309-es korrózióálló acélé pedig 19×10-6/K. Az ilyen vegyes kötés elkészítésénél a hőtágulási képesség erőteljes változása a varrat határán hőmérséklet ingadozás hatására nagy feszültségek kialakulásához vezethet. A nikkel fajlagos hőtágulása az ötvözetlen acél és a korrózióálló acél között van (15×10-6/K), amely kisebb feszültségeket ébreszthet a varrat és az alapanyag határán. A hegesztőanyag kiválasztása szempontjából minden alapanyag-párosítást külön kell megvizsgálni. A hegesztőanyag kiválasztásánál figyelembe kell venni a felhasználási feltételeket is. Nikkelbázisú anyag más acélhoz történő hegesztésénél általában a nikkelbázisú ötvözetnek megfelelő, vagy hasonló ötvözésű hegesztőanyagot szükséges választani.
A nikkel ötvözetek hegesztési ömledéke kevésbé hígfolyós, mint az ötvözetlen acéloké, sőt némileg még a korrózióálló acélokénál is. Természetesen az ömledék viszkozitása és a beolvadás mértéke nagymértékben függ az ötvözet típusától, vagyis attól, hogy mennyi a nikkel mennyisége az ötvözetben. Technológiától függően a nikkel ötvözetek hegesztésénél nagyobb leélezési szöget és nagyobb gyökhézagot kell alkalmazni.
Nikkel, nikkel-réz és nikkel-molibdén ötvözetű hegesztőanyagok
A tiszta nikkel anyagok védő oxidrétegüknek köszönhetően jó ellenállnak a korrózióval szemben, akár klórid-tartalmú közegben is. Jellemző anyagai az Alloy 200 sorozat, amely anyagokat vegyipari, élelmiszeripari és energia ipari berendezések gyártására használnak. Ilyen anyagokból készült berendezések hegesztésére fejlesztették ki a 2. táblázatban szereplő UTP 80 Ni hegesztőanyagot.
Az ötvözetlen nikkelnek az acélhoz képest a folyáshatára csekély, ezért ez a tulajdonság gátolja a nikkel alkalmazását olyan szerkezetekben, amely üzemelés közben bizonyos mértékű feszültséggel terhelt. A nikkellel a legtöbb ötvöző eleme szubsztitúciós szilárd oldatot alkot, amely szilárdságnövelő hatású. Az egyik ilyen elem a réz, amely a nikkelben teljes mértékben képes oldódni. Ilyen 30% rezet és nikkelt tartalmazó ötvözetrendszert a MONEL-nek nevezik. Jellegzetes képviselőjük az Alloy 400-as nevű sorozat. Jellemző alkalmazásuk az ún. „offshore” területen, azaz tengervízben és hasonló sós közegben üzemelő berendezések gyártása. Erre a célra fejlesztett hegesztőanyagokat tartalmaz a 2. táblázat. Nikkel-réz hegesztőanyaggal készített varrat nagy koncentrációjú NaOH lúgos közegben, valamint gyengébb savas közegben is kiváló korrózióállóságot mutat, amint az a 2. ábrán látható.
2. ábra. Réz-nikkel ötvözetek korróziós sebessége
R405 ötvözet a 400-as sorozat tagja, amely 0.025-0.060% ként tartalmaz a könnyű forgácsolhatóság érdekében. Az R405 ötvözet nehezen hegeszthető. Hegesztése során törekedni kell az alapanyag minél csekélyebb mértékű felkeveredésére, annak érdekében, hogy a varratban a kéndúsulás mértéke ne legyen nagy. Hidrogénfluorid, vagy folypátsavas környezetben a 400-as ötvözet hegesztése után 550-650 C-on végzett feszültségcsökkentő izzításra van szükség a feszültségkorróziós károsodás elkerülése érdekében.
Nikkel-molibdén ötvözetek különböző típusai hasonlóak. A molibdén ötvözésnek köszönhetően az ilyen anyagok korrózióval szembeni ellenálló képességűk kiváló, különösen a lyukkorróziós ellenállásúk klórid-tartalmú redukáló közegben. Míg a régebbi Alloy B típust a hegesztésük során hőhatás övezetben való karbidkiválás miatt 1175 oC-on oldó hőkezelésnek kellett alávetni, addig a továbbfejlesztett Alloy B-2 már használható hegesztett állapotban. Mivel ezek az ötvözetek krómot nem tartalmaznak oxidáló közeggel szemben kevésbé ellenállóak. Az Alloy B-2 ötvözet bármilyen koncentrációjú sósavas közegben, akár emelt hőmérsékleten is használható. Az ötvözet hegesztésére az alkalmazott technológia függvényében az UTP 703 Kb bázikus bevonatú elektróda, vagy az UTP A 703 védőgázos huzal, illetve avi pálca a legalkalmasabb.
Az elmúlt 50 évben történt fejlesztések az erőművek területén azt a változást hozták, hogy beépített kazánok,hőcserélők, illetve turbinák anyagainak akár háromszor akkora nyomást és ebből adódó feszültséget és akár 200-300 oC-kal magasabb hőmérsékletet is el kell viselniük. Ez a változás újabb anyagok kifejlesztéséhez és alkalmazásához vezetett nukleáris erőművektől a hagyományos erőműveken át a hulladék égető és hasznosító erőművekig. A nikkel-króm ötvözet legfőbb előnye, hogy szilárdságát nagyobb hőmérsékleten is megtartja, miközben a képződő oxidrétegnek köszönhetően az oxidációnak is kiválóan ellenáll. Legelterjedtebb ilyen ötvözet az Alloy 600-as anyag, amely kb. 15% krómot tartalmaz. Ilyen anyagból készült kemencebélések, reaktorok hegesztőanyaga az UTP 068 HH típus, amely kiváló oxidáló, valamint cementáló közegben is. Újabb fejlesztésű anyag a 29% krómot tartalmazó Alloy 690, amely jellemző felhasználási területe atomerőművi csővezetékek kötő és felrakó hegesztése. Az ötvözet kiváló ellenállást tanúsít szemcseközi feszültségkorróziós repedéssel szemben. Bár az alapanyag melegrepedésre hajlamos, megfelelő technológiával UTP 6229Mn, vagy Thermanit 690 hegesztőanyagokkal biztonságosan hegeszthető.
A Ni-Cr, Ni-Fe-Cr és Ni-Cr-Mo ötvözetek hajlamosak a karbidkiválásra, a legtöbb esetben ez nincs olyan hatással a korrózióállóságra, hogy utólagos oldó hőkezelésre lenne szükség. Annak érdekében, hogy a karbidkiválási hajlamot csökkentsék általában kis karbontartalmú és stabilizáló elemeket tartalmazó hegesztőanyagot használnak. 600-as ötvözet hegesztése után a feszültségkorrózió kialakulásának megakadályozása érdekében 900 oC-on feszültségcsökkentő hőkezelést hajtanak végre, abban az esetben, ha a berendezés magas hőmérsékleten és lúgos környezetben dolgozik.
A nikkel ötvözetekben jelenlévő elemek közül sok karbidképző elem. A karbidok nikkel alapú ötvözetekben vegyületet képeznek. A karbidok eloszlásuktól és megjelenési formájuktól függően nagymértékben befolyásolják az anyag mechanikai tulajdonságait, valamint nagyobb hőmérsékleten a kúszással szembeni ellenálló képességét. A kiválásosan keményíthető nikkel ötvözetek alkalmazási területe olyan korróziós közegben üzemelő berendezések, ahol a mechanikai igénybevétel nagyobb szilárdságú anyagot követel meg. Ilyen ötvözeteket hegesztést követően hőkezelni szükséges. A hőkezelési hőmérséklet ötvözet típustól függően 600-760 oC között változhat. Amennyiben szilárdsági követelmények nem tartják szükségesnek megfelelően kiválasztott más típusú hegesztőanyag is alkalmazható.
Hagyományos fosszilis tüzelőanyaggal működő kazánok hőcserélő csöveinek alapanyagául használnak Alloy 617-es ötvözeteket. A 3. ábrából egyértelműen megállapítható, hogy amíg egy ferrites krómacél kúszási szilárdsága 100000 üzemóra és 600 oC-os üzemi hőmérséklet után kb. 100 MPa, addig egy 617 nikkel ötvözet mintegy 700 oC üzemi hőmérséklet esetén is képest ezt a feszültséget elviselni.
3. ábra. Különböző anyagok kúszási törési szilárdsága hőmérséklet függvényében 100000 óra után
Ilyen ötvözet UTP 6170 Co hegesztőanyaggal készített varrata melegrepedéssel szemben ellenálló és oxidáló, illetve cementáló közegben 1100 °C üzemi homérsékletig alkalmazható.
Hagyományos erőműveknél füstgáz összetétele nagy mennyiségű, egészségre és környezetre ártalmas kéndioxidot tartalmaz. A füstgázt kéntelenítőbe vezetik, a kéndioxidot mészkő segítségével megkötik és kálcium-szulfiddá és széndioxiddá alakítják át. A nagy mennyiségű ként tartalmazó közegben a korábban említett nikkel-króm ötvözetek nem használhatóak, mivel a kén az alapanyagban található nikkellel alacsony olvadáspontú szulfidokat képez és magas hőmérsékleten az anyag tönkremegy. Ilyen közegben Alloy 59 típusú ötvözetet és UTP A 759 hegesztőanyagot alkalmazzák, amely ellenáll a kéndioxid káros hatásának.
A nikkel ötvözetű hegesztőanyagok további alkalmazási lehetőségét adja a nikkel azon tulajdonsága, hogy ausztenites szövetszerkezete miatt kis hőmérsékleten sem rideg, ezért kriogén tartályok anyagai lehetnek. Böhler által gyártott hegesztőanyagok varrata több mint 700 MPA szilárdságú, miközben -196 C-on mért ütőmunka értéke 60-120 J között van az alkalmazott technológia és hegesztőanyag függvényében. Ma már 200000 m3 térfogatú X8Ni9 alapanyagból készült folyékony földgáz tároló tartályokat is építettek, amelyben mindegy hatszázszor ennyi térfogatú cseppfolyós halmazállapotú állapotú gázt tárolhatnak.
Nikkel előfordulása a földön meglehetősen ritka. Érceit többnyire szulfid, oxid, vagy szilikát formájában bányásszák. Ezt követő feldolgozás során az ércet dúsítják, majd a nikkelt elektrolízis, vagy redukció útján állítják elő. Az így előállított tiszta nikkel drótot, lemezt, csöveket az iparban széles körben használják fel. Annak ellenére, hogy alapanyagként nikkelötvözeteket gyártására és felületbevonásra is használják, legnagyobb mennyiségben az acélok ötvözőjeként használják. Ezen belül a nikkel alapú hegesztőanyagok alkalmazási területe meglehetősen széles. Ilyen alkalmazások közé tartozik a, speciális korrózióálló és/vagy hőálló igénybevételt elviselő nikkel alapú alkatrészek hasonló összetételű hegesztőanyagokkal való kötőhegesztése, alacsony hőmérsékleten üzemelő folyékony gáztartályok hegesztése és vízturbinák plattírozása, valamint különböző javítóhegesztések és vasöntvények hegesztése. Felhasználják továbbá különböző alkatrészek gyártásánál is, ahol erősen ötvözött és ötvözetlen acél vegyes kötéseit készítik el. A nikkel alapú hegesztőanyag széleskörű alkalmazását fizikai és kémiai tulajdonságai határozzák meg. Többféle fémötvözet fizikai tulajdonságait az 1. táblázat tartalmazza.
1. táblázat. Ötvözetek néhány alapvető fizikai tulajdonsága
Különböző nikkel ötvözetek legfontosabb sajátosságainak tekinthető tulajdonságok: szövetszerkezetük ausztenites, felületükön védő oxidréteg alakul ki, nincs allotróp átalakulásuk, valamint kiválásosan keményíthető ötvözeteket is képzenek. Ezek a különböző tulajdonságok az ötvözetek eltérő felhasználási területeit is meghatározzák. Az 1. ábra különböző fizikai tulajdonságú nikkel ötvözetek csoportosítását mutatja ötvöző elemek szerint csoportosítva.
1. ábra. Nikkel alapú ötvözetek csoportosítása ötvöző tartalom szerint
Az 1. ábrán látható ötvözőelemek közül a réz korlátlanul, a vas, króm viszonylag jól oldódik nikkelben, de ezenkívül a molibdén és kobalt, volfrám, vanádium, nióbium és titán is. Az feltűntetett különböző nikkel ötvözet típusoknak megfelelően a hegesztőanyag gyártók, így a Böhler is számos hegesztőanyag fajtát fejlesztett ki. A következőkben a fenti csoportosítás alapján mutatunk be hegesztőanyagokat és példákat azok jellemző felhasználási területére. A cikkben említett alapanyagok és hegesztőanyagok adatait tartalmazza a 2. táblázat.
2. táblázat. Jellemző nikkel ötvözetek és hegesztőanyagaik néhány adatai
A duplex acélok hegesztésekor a fajlagos hőbevitelt viszonylag szűk határon belül kell tartani, azaz mind alulról, mind felülről korlátozni kell. A felülről korlátozás oka, hogy a vegyi összetételük miatt a duplex acélok hajlamosak kiválások képződésére, ha nagyon magas hőmérsékletnek vannak kitéve hosszú időn keresztül. Fontos említést tenni a 475 °C-os elridegedésről, valamint 600 °C-on szigmafázis képződéséről. Az ilyen jelenségek kockázata nő a Cr-tartalommal. (A duplex acélok korlátozott /max. 250 °C, szuper-duplex acélok esetén max. 220 °C/ üzemeltetési hőmérsékletének is ez az oka.) A hegesztési hő hatása ezáltal csökkentheti a korrózióállóságot és ronthatja a mechanikai tulajdonságokat, különösen akkor, ha túl magas a sorközi hőmérséklet, vagy a hegesztett alkatrész különleges alakja miatt a hő nem tud hatékonyan eltávozni a hegesztés helyéről. Ezért a fenti szempontok alapján általános követelmény a lehető legalacsonyabb hegesztési hőbevitel. Ezzel szemben a magasabb hőmérséklet és a kisebb hűlési sebesség is kedvező lehet, azaz célszerű a hőbevitel minimumát is előírni. Korábban említettük már, hogy a megolvasztást követően a primer kristályosodás ferrites, és a ferrit-ausztenit allotróp alakulás szilárd állapotban következik be, azaz a túl nagy hűlési sebesség (túl kicsi hőbevitel) korlátozza az ausztenit képződését. Ebből a szempontból meghatározó az az időtartam, amíg a hegfürdő 1200 °C-ról 800 °C-ra hűl el. Előmelegítés általában nem szükséges, legfeljebb olyan mértékben, hogy a nedvességet az acél felületéről eltávolítsuk. (Ebben az esetben ügyelni kell arra, hogy az alkalmazott redukáló gázlángból a felület karbontartalma a diffúziós folyamatok révén ne emelkedjen.) Ha figyelembe vesszük, hogy ferrit-ausztenit átalakulás 1200-800 °C között megy végbe, akkor a max. 250-300 °C előmelegítési hőmérséklet nem tudja számottevően csökkenteni a magasabb hőmérsékletről való lehűlés sebességét, vagyis növelni a kialakult ausztenitet. Ezzel szemben a 800 °C alatti lehűlés ideje növekedni fog (a hűlési sebesség csökken), és így a kiválások veszélye megnövekszik, azaz előmelegítés valószínűleg negatív hatást fejt ki. Hasonló okból többrétegű hegesztésnél a sorközi hőmérséklet nem haladhatja meg a 150 °C-ot. Duplex acélok hegesztésénél a technológiák tényleges megvalósításkor az acél fizikai tulajdonságait is figyelembe kell venni. A hővezetési-, hőtágulási tényező jelentősen különbözik a normál hegeszthető szénacéloktól, de eltér a klasszikusnak mondható ausztenites korrózióálló acéloktól is. Mindezek alapján az átlagosnál nagyobb deformációval kell számolnunk, így a szerkezetek összeállításakor (fűzési, hegesztési sorrend) erre különösen figyelni kell.
A duplex acélok megfelelően hegeszthetők a legegyszerűbb és legrégebbi bevonatos kézi ívhegesztő eljárással (SMAW/MMA). Az eljárás rugalmasan alkalmazható már 2 mm lemezvastagságtól. Helyszíni és javítóhegesztéshez is ajánlott, amely különösen hasznos az „offshore” és vegyipari készülékek csöveinek hegesztésénél. Fokozott korrózióállóságra vonatkozó igények miatt a hegesztést követő tisztítás, majd pácolási és passziválási eljárások alkalmazása indokolt. A pácolási folyamat során alkalmazott marószer 304 és 316 típusoknál használtakhoz képest agresszívebb hatású, illetve a marószer szükséges ható ideje hosszabb. Természetesen a szükséges pácolási idő alapanyag, környezeti hőmérséklet függvényében eltérő. Bevont elektródás eljárást gyakran alkalmazzák TIG/AVI hegesztéssel kombinálva, ahol a gyöksort volfrámelektródás eljárással hegesztik meg, majd a töltősorokat bevonatos elektródákkal készítik el. Vastagabb varratok elkészítéséhez, illetve hideg üzemi körülmények között működő berendezéseknél bázikus bevonatú elektróda javasolt. Ez esetben a gyártó akár -60 C-ig szavatolja a szabványoknak is megfelelő ütőmunka értéket.
2. táblázat. Különböző duplex acélokhoz használt hegesztőanyagok vegyi összetétele.
A (TIG/GTAW, ill. AVI) és MIG/MAG (fogyóelektródás védőgázos) hegesztés hegesztőanyagai összetételüket illetően szükségképpen azonosak. Különböző duplex alapanyagokhoz az egyes eljárásoknál használt hegesztőanyagtípusokat tartalmazza a 2. táblázat [5]. A hegesztőanyag összetételén kívül a védőgázos technológiáknál a munkagáz valamint a gyök védelmét biztosító gáz megválasztásával is befolyásolhatjuk a szövetszerkezet ausztenit-ferrit arányát. Noha a leolvadó elektródás, védőgázos hegesztés nem képzelhető el hegesztőanyag nélkül, a TIG hegesztés bizonyos feltételek mellett megvalósítható hegesztőanyag nélkül is, ha speciális védőgázokat használunk. Ilyen feltételek adódhatnak vékony lemezek tompavarratainak hegesztésénél. Ennél a hegesztési technikánál a N2-tartalmú védőgázok alkalmazása előnyős. Ahogy a hegesztőanyag növelt Ni-tartalmával egy kiegyensúlyozott ferrit-ausztenit arány biztosítható, úgy a hegesztőanyag nélküli hegesztésnél a védőgázból származó nitrogénnel érhető el ugyanez a cél. A nitrogén erősen ausztenitképző elem, és hegesztéskor az alapanyagba kerülve elősegíti, hogy ott ausztenit keletkezzen. Továbbá a nitrogénnek van a legnagyobb hatása a lyukkorróziós ellenállóképességre és kis mennyiségben javítja a mechanikai tulajdonságokat is. A nitrogén oldhatósága 1600 oC-on 0,045% és gyorsan nő a krómtartalom növekedésével [6]. Pl. ausztenites acélok N-oldhatóképessége kb. 0,4% körül van. Ahogy azt már említettük az alapanyag N-tartalma mellett a védőgáz túl magas N2-tartalma azonban a dermedés során a nitrogén dúsulásának és a ferrit kis nitrogénoldó-képességének tulajdoníthatóan gázporozitást okozhat. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy a volfrám elektróda gyorsabban „fogy” a védőgáz nitrogén-tartalma miatt. Az elektródát gyakrabban kell újra köszörülni, cserélni, mint a tiszta argon atmoszférában végzett hegesztésnél.
A duplex acélok AVI hegesztésére alkalmazott normál védőgáz a tiszta argon. Ezzel a gázzal a hegesztési munkák nagy része megbízhatóan és költséghatékonyan elvégezhető. Az argon-hidrogén keverékek – amelyeket ausztenites acélok hegesztésére gyakran használnak a hegesztési sebesség növelése céljából – nem javasolhatók, mert hidrogén okozta repedések keletkezhetnek a varrat nagy ferrittartalma miatt. Az argon-hélium keverékek a hőbevitel növelésének lehetőségét kínálják, ami kedvező hatást gyakorol az alapanyag viszkozitására is, és a hegesztési paraméterek beállítását szélesebb tartományban teszik lehetővé. Az ívfeszültség és a fajlagos hőbevitel szintén nő a héliumtartalom növelésével. Összefoglalva az AVI eljárás a korrózióállóság és a mechanikai tulajdonságokat szem előtt tartva a „legtisztább” jó minőségű varratot biztosítja, mindazonáltal termelékenysége csekély. Alkalmazása vékony lemezek hegesztésénél, illetve gyökvarratok elkészítésénél nagyon előnyös.
A duplex acélok fogyóelektródás védőgázos hegesztésénél (MIG/GMAW) a hőbevitel értéket alulról és felülről is korlátozni kell. Pl. túl vékony varratsorokat hegesztve, túl kicsi lesz a hőbevitel, ami azt eredményezi, hogy a varrat szövetszerkezete az kívánttól eltér, túl sok ferrit képződik. Ezzel szemben, ha túl nagy hőbevitel az ausztenit képződésének kedvez, valamint 2 kJ/mm-t meghaladó szakaszenergia esetén megnő az intermetallikus fázisok (szigma, chi) képződésének veszélye, ami a mechanikai tulajdonságokat és korrózióállóságot jelentősen rontja. Szuperduplex acélok hegesztésénél a maximális 1.5 kJ/mm szakaszenergia, valamint max. 100-150 oC sorközi hőmérséklet alkalmazható [7]. Általában a legjobb hegesztési minőséget impulzus üzemmódú hegesztőgép használatával érhetjük el. A megfelelő hegesztési paramétereket minden egyes munkára külön kell meghatározni és ellenőrizni. A duplex acélok fogyóelektródás védőgázos hegesztéséhez általában az ausztenites acéloknál is alkalmazott védőgázokat használjuk. A fogyóelektródás hegesztést tiszta argonban jellemzően nem használjuk, mert az ív bizonytalan, és a beolvadás csekély. Általában argonban gazdag, és oxigént vagy széndioxidot tartalmazó gázkeveréket alkalmaznak. Az argon-oxigén kevert gázokban (az oxigéntartalom általában 1-3 %) az ív stabil, és az anyagátmenet fröcskölésmentes. Az argon-széndioxid keverékkel összehasonlítva a beolvadás alakja kedvezőtlenebb, és a varrat felszíne erősebben oxidált. A beolvadási mélység növelhető az oxigéntartalom növelésével, de ennek következtében a hegesztett kötés felülete még inkább oxidált lesz, így az argon-széndioxid gázkeveréket alkalmazzák széleskörűen, amely 2-3% CO2-t tartalmaz, ami mélyebb beolvadást és kisebb mértékű oxidációt eredményez [6]. A normál ausztenites acélokkal összehasonlítva hegesztés során a beolvadási mélység rosszabb, az ömledék viszkozitása alacsony, így nagyobb a kötéshiba kialakulásának veszélye. Amennyiben – jellemzően 30% – héliumot is adunk a gázkeverékhez az ömledék hígfolyósabb lesz, ami kedvezőbb átmenetet biztosít a varrat és az alapanyag között. A tisztán argon vagy argon-széndioxid gázkeverékkel összehasonlítva a nagyobb ívfeszültség azt jelenti, hogy azonos egyéb paraméterek mellett a hőbevitel lényegesen nagyobb. Ez előnyös lehet főleg olyankor, amikor egy kiegyenlített ferrit-ausztenit arány fontos követelmény. Amennyiben az alapanyag nitrogén tartalma magas, a ferrit kis nitrogénoldó-képességének köszönhetően a dermedés során nitrogéndúsulás következhet be, mellyel növekedik a porozitás képződés veszélye is.
Duplex acélok fogyóelektródás hegesztésénél jó eredményeket érhetünk el portöltetű huzalelektródák felhasználásával (FCAW eljárás). Portöltetű huzalelektródával végzett hegesztés termelékenysége a nagyobb, mint a tömörhuzallal végzett hegesztésé, valamint védőgázként a hagyományos 15-25% széndioxidot tartalmazó argon keverék, vagy akár a gazdaságos hegesztési célra szánt széndioxid gáz is alkalmazható. Az ömledék védelmét részben a portöltet biztosítja, ezért a magasabb aktívgáz tartalom megengedett. Az eljárás további előnye, hogy széles és egyenletes ív miatt a kötéshiba kialakulásának veszélye kisebb, valamint az eljárás kevésbé hajlamos a porozitás képződésre és fröcskölésre. A varrat elszíneződése és az oxidképződés mértéke a felületen csekély, ami csökkenti a hegesztés utáni varrat tisztítás szükségességét. Az eljárás hátránya, hogy a salak gondos eltávolítására ügyelni kell. Visszamaradt salak zárványt képez, ami kötéshibát okoz. Megfelelő minőségű huzal és jó paraméterek alkalmazásával a salakleválás megtörténik, illetve a salak könnyen eltávolítható a varrat felületéről.
Mindez szintén kötéshibához, esetleg salakzárvány keletkezéséhez vezethet. A fenti tulajdonságok miatt az átlagosnál nagyobb (szélesebb) gyökhézagot, és nyitottabb élelőkészítést (nagyobb leélezési szöget) célszerű alkalmazni. Hagyományos rutilos töltetű porbeles huzal vályúhelyzetben alkalmazható. Normál hegesztőgéppel nagy teljesítmény tartományban alkalmazható a kedvező finomszemcsés szórt ívű anyagátmenet. A legjobb eredményt 4 görgős tolóegységgel ellátott hegesztőgéppel és kerámia gyökvédelem alkalmazásával érhetjük el. Léteznek ún. gyors dermedésű salakot képező portöltetű huzalelektródák is kifejezett kényszerhelyezű hegesztéshez. A gyorsan megszilárduló salak segít megtámasztani az ömledéket, amíg az meg nem szilárdul teljesen. A pozíció hegesztésre alkalmas huzalok salakja általában nehezebben válik le és az áramterhelhetősége is kisebb, mint a hagyományos töltetű huzaloké. A portöltetű huzalokkal készített varratok ütőmunka értéke kisebb, mint azonos fajtájú tömör huzalelektródával hegesztett varratoké.
A fenti eljárások esetén a duplex acélok korrózióval szembeni ellenállásának biztosításához célszerű valamilyen gyökvédelmet biztosítani. Az egyik módszer a korábban már említett gyökvédő kerámia alátétek alkalmazása, a másik pedig a megfelelő gázvédelm alkalmazása a gyökoldalon a levegő távoltartására. Általában ugyanolyan gázokat használunk gyökvédelemre, mint ausztenites acéloknál [8]. Hidegrepedés keletkezésének veszélye miatt a védőgáz hidrogéntartalmát azonban ebben az esetben kerülni kell. Ezért gyökvédelemre argon, nitrogén, vagy azok keveréke használható. Általánosságban elmondható, hogy a gyökoldali oxidáció megakadályozására és a korrózióval szembeni ellenállás növelésére a maradó oxigéntartalom a gyökoldalon nem haladhatja meg a 30 ppm-et. Általános szabály, hogy a lyukkorrózióval szembeni ellenállás nő a gyökoldali maradó oxigéntartalom csökkenésével. Ennek ellenőrzésére célszerű egy, az oxigéntartalom mérésére készült, műszert alkalmazni.
Végül, de nem utolsó sorban duplex acél hegesztésére fedettívű por alatti hegesztési eljárás (SAW/UP) is alkalmazható. Az eljárás sajátosságából adódóan csak vízszintes pozícióban, de nagy termelékenység mellett 10 mm-t meghaladó vastagságú lemezek esetén kiválóan alkalmazható. A gyöksort általában más eljárással készítik el. A beolvadás mértéke kisebb, mint standard ausztenites korrózióálló acélok hegesztésénél. A megfelelő fedőpor alkalmazásával jó a mechanikai tulajdonságok érhetők el. Például egy magas bázikussági fokú fedőporral a legmagasabb ütőmunkaértéket tudjuk elérni alacsony hőmérsékleten is. Az így elkészített varrat szívóssága nagy. A nagy hegesztési ömledék kialakulását és a nagy felkeveredés méretkét kerülni kell. A hőbevitelt 2205 és 2304-es duplex típusoknál 3 kJ/mm-ben, az LDX2101 lean-duplex és 2507/P100 szuperduplex acéloknál pedig 1 kJ/mm-ben maximalizálni kell [7].
Felhasznált irodalom:
[1]Yrjöla,P.: Stainless steel hollow sections handbook, Finish Constructional Steelwork Association (2008), Helsinki
[5]How to weld duplex steinless steels, Avesta Welding
[6]Young,H.P,Zin-Hyoung,L.: The effect of nitrogen and heat treatment on the microstructure and tensile properties of 25Cr-7Ni-1.5Mo-3W-xN duplex stainless steel castings, Materials Science and Engineering,A297 (2001), pp.78-84
Duplex acélok nevüket speciális kétfázisú, kb. egyenlő arányú ferritet és ausztenitet tartalmazó szövetszerkezetükről kapták. Kedvező tulajdonságaik speciális mikroszerkezetüknek tulajdonítható. Akár azt is mondhatjuk, hogy egyesítik a két különböző típusú korrózióálló acélok előnyeit.
Az egyik oldalon ott állnak a ferrites és martenzites „krómacélok”, amelyek nagy – 18%-ot meghaladó – Cr-tartalma biztosítja a viszonylag nagy szívósságukat, illetve szövetszerkezetük miatti nagy szilárdságukat és ebből kifolyólag feszültségkorrózióval szembeni jó ellenállásukat klorid tartalmú közegekben. Ezzel szemben helyi korróziós ellenállásuk rosszabb és hegeszthetőségük korlátozott az ausztenites korrózióálló acélokéhoz képest. A hegesztés során az esetlegesen fellépő nagy hűlési sebesség miatt az ilyen acélok nagymértékben hajlamosak „beedződésre”, azaz a martenzites szövet keletkezése miatt felkeményedésre és elridegedésre.
A másik oldalon pedig az ausztenites szövetű korrózióálló acélok találhatók, amelyek jól hegeszthetők, jó szívóssági tulajdonságokkal rendelkeznek és nagyon jó ellenállást tanúsítanak a rés- és lyukkorrózióval szemben.
A duplex acélokban a Cr-tartalom 20-26% között, a Ni-tartalom 3-8% tartományban van, valamint általában ezek az anyagok 1.5-5.5% molibdént is tartalmaznak. Az ilyen ötvözés tovább növeli a lyukkorrózióval szembeni ellenállást, ahogy az a már bemutatott 1. ábrán is jól látható. A jelenleg leggyakrabban használatos duplex acélok megnevezését, besorolását és azok vegyi összetételét az 1. táblázat mutatja be [5].
1. táblázat: Különböző dulpex acélok vegyi összetétele, tulajdonságai és szabványjele.
Duplex acélok hegeszthetősége
Ideálisan a duplex acélok mikroszerkezete megközelítően 50% ausztenitet és 50% ferritet tartalmaz (2. ábra). Ilyen ideális mikroszerkezet úgy érhető el, ha az acélt 1020–1100 °C-on, megközelítően 5 percig lágyítjuk, majd ezt követően „szabályozott körülmények” között (vízben) lehűtjük. A korrózióálló anyagok szövetszerkezetét meghatározó, a szakmai körökben jól ismert Schaeffler-diagramban a duplex acélok az „ausztenit + delta ferrit” mező közepén helyezkednek el.
2. ábra. Duplex acélra jellemző szövetszerkezet az alapanyagban 50% ferrit aránnyal (bal oldali kép) és hegesztést követően a varratban (jobb oldali kép) [5].
Valójában hegesztést követően ideális szövetszerkezetet a helyi „szabályozatlan” felhevítést követően nem tudjuk elérni. A hegesztés során kialakuló hőmérsékletváltozások és hűlési sebességek hatására komplex mikroszerkezeti átalakulások történnek, amelynek eredményeképpen az alapanyagtól eltérő, a kötés különböző részein sem azonos szövetszerkezetet találhatunk (2. ábra). A hőhatásövezetben és a megolvadt zónában a gyors hőciklusok hatására az ausztenit-ferrit aránya nagymértékben különbözhet az alapanyagéhoz viszonyítva. Ez természetesen hatással lehet a varrat mechanikai és korróziós tulajdonságaira is. Jellemzően több a ferrit a hőhatásövezetben, míg a varrat „közepén” inkább az ausztenit van nagyobb mennyiségben jelen. Általában hegesztés után a kötés különböző részein 20-70% közötti ferrit mennyiség alakul ki.
Mivel az ömlesztést követően a primer kristályosodás ferrites, és a ferrit-ausztenit allotróp alakulás szilárd állapotban következik be, a túl nagy hűlési sebesség korlátozhatja az ausztenitképződést. A hőhatásövezetben ugyanakkor a magas hőmérsékletre hevült, nem megolvadt ausztenites szövet egy esetleges hosszabb hőntartásnak köszönhetően eldurvul, egy lassú lehűlés során ferrites átalakulásnak indulhat. A két folyamatnak köszönhetően a kötés ferrit tartalma mind a hőhatásövezetben, mind a megolvasztott részben jelentősen megnövekedhet.
Ahhoz, hogy a megfelelő szövetszerkezeti egyensúly legyen a varratban hegesztés után fontos az alapanyagnak megfelelő hegesztőanyag kiválasztása. Általános szabály, hogy a duplex acélok hegesztéséhez használt hegesztőanyag gyakorlatilag azonos típusú, mint az alapanyag. A hegesztőanyagok Ni-tartalma azonban jellemzően 2-4%-kal nagyobb mint az alapanyagé. Ez biztosítja – nikkel ausztenitképző hatása révén – a jól kiegyenlített ausztenit-ferrit arányt a varratban. A 2. táblázat mutatja az általánosan alkalmazott hegesztőanyagokat és azok összetételét [5].
Esetenként, különösen 22% Cr-tartalmú acélok gyökvarratának hegesztésénél, nagyobb króm-tartalmú hegesztőanyagokat használnak a lyukkorrózióval szembeni ellenállás növelése céljából. Gondolni kell azonban arra, hogy ezek a hegesztőanyagok – a megfelelő alapanyagokhoz hasonlóan – érzékenyebbek az ún. intermetallikus fázisok képződésére. Ennek következtében a szívósság csökkenhet, ezért a hegesztési paramétereket gondosan kell megválasztani, szigorúan be kell tartani. Amennyiben a duplex, vagy szuperduplex hegesztett kötéseknek a korrózióállósággal és a mechanikai tulajdonságokkal szembeni legmagasabb követelményeket kell kielégítenie, akkor túlötvözött hegesztőanyagok használata ajánlott. Ilyen esetben Ni-alapú ötvözet (amelynél PRE=55…60) biztosítja a legnagyobb ellenállást feszültség- és lyukkorrózióval szemben.
A duplex acélok alkalmazását jó korrózióállóságuk és különösen kedvező szilárdsági tulajdonságaik mellett viszonylag könnyű hegeszthetőségük indokolja. Ezt szemlélteti a különböző duplex- , ausztenites, illetve szuperausztenites acélok szilárdsági és korrózióval szembeni ellenálló képességüket mutató 1. ábra [1]. Jelen írásunkban a duplex acélok hegeszthetőségét tárgyaljuk. Bemutatjuk az anyag kémiai összetételének hatását, a korróziós és mechanikai tulajdonságokat, a hegesztés során lezajló metallurgiai folyamatokat, valamint az alkalmazható hegesztési eljárásokat és azok technológiai paramétereinek hatását.
1. ábra: Különböző acélok szilárdsági adatai és korróziós ellenállása.
Duplex acélok csoportosítása korrózióállóságuk alapján
A korróziós mechanizmusok egyik leggyakoribb fajtája a helyi korrózió, mint a lyuk- és réskorrózió. A korrózióálló acélokat gyakran rangsorolják a kémiai összetétel alapján annak függvényében, hogy mekkora korrózióval szembeni ellenállást érnek el. A PRE (pitting resistance equivalent number) lyukkorróziós ellenállás egyenértéke egy empirikus formulával számítható szám, amelyben az egyes ötvözőelemek olyan együtthatóval szerepelnek, amely kifejezi a lyukkorrózióval szembeni kedvező hatásukat. Ilyen elemek a Cr, Mo, valamint a N. Egy ilyen, leginkább elterjedt formula a Herbsleb-féle [2] egyenlet:
PRE = % Cr + 3.3 % Mo + 30 % N
A képletből látható, hogy a nitrogén tartalomnak van a legnagyobb hatása a PRE-re, ami nem is meglepő, hiszen a nitrogén egy nagyon erős ausztenitképző elem.
Többen publikálták már a fentihez hasonló egyenletüket a PRE kiszámítására, amely egyes acéltípusokra pontosabb megközelítést ad. Ezek közül ismertebb számítási képlet:
A képletben a volfrám lyukkorróziós ellenállásra gyakorolt hatása is megjelenik. Ennek a volfrámmal ötvözött ún. szuperduplex acéltípusoknál lehet jelentőssége, mint az 1.4501-es. A legtöbb saválló acélban a nitrogén mennyisége a főbb ötvözőkéhez képest elenyésző, ezért az „a” szorzótényezőnek hatása a lyukkorróziós ellenálló képességre nem számottevő.
A lyukkorrózió mérését hagyományos súlyveszteségen alapuló korróziós mérési eljárással nem vizsgálják. Habár a korrózió jelei egyértelműen látszanak a súlyveszteség nagyon kismértékű. Természetesen létezik szabványos mérési eljárás a lyukkorrózió kiértékelésére, ahol klórid-ionokkal teli agresszív környezetben „oldják” a mintákat, majd tisztítás után kiértékelik annak felületét. Ezeket a vizsgálatokat különböző hőmérsékleten elvégzik és azt a legkisebb hőmérsékletet, ahol korrózió megjelenik (critical pitting temperature) CTP-nek nevezték el [4]. A vizsgálatok egyértelműen bizonyítják, hogy a korróziós ellenállás növekedésével gyakorlatilag lineárisan növekszik az a hőmérséklet, ahol a korróziós károsodás megindul. A duplex-, ill. szuperausztenites anyagok tehát magasabb hőmérsékleten is biztonságosabban üzemeltethetők, mint a hagyományos korrózióálló acélok.
