Zavarivanje i navarivanje visokilegiranih feritnih (F), martenzitnih (M) i austenitnih (A)

elika

e karakteristike krom

elika

Osnovni legiraju

i element kod ovih

elika je krom. Krom se koristi za

elike otporne na koroziju

i za rad na visokim temperaturama, na primjer 500-1200 oC kada se traži

vrsto

a, otpornost na

puzanje i otpornost na oksidaciju pri povišenim temperaturama (feritni Cr

elici) ili visoka

vrsto

a i

antikorozivnost pri visokim temperaturama (martenzitni Cr

elici). Pove

ana

vrsto

a pri visokim

temperaturama postiže se sastavom strukturnih faza i raspršenim sitnim

esticama karbida Cr, Mo, V i

eventualno drugih elemenata.

Kod antikorozivnih

elika sadržaj Cr preko 12% daje materijalu pozitivni elektrokemijski

potencijal, materijal postaje "plemenitiji", što ga

ini otpornijim na djelovanje elektrolita, a

istovremeno se stvara i površinski sloj Cr oksida, koji štiti materijal od korozijski aktivnog medija. Na
taj na

in je visokolegirani Cr

elik otporan na kemijsku i elektrokemijsku koroziju kiselih medija.

Uz dobra mehani

ka i antikorozijska svojstva ovi

elici su slabo zavarljivi - skloni pukotinama

i osjetljivi na toplinske operacije grijanja i hla

enja, koje uzrokuju pove

anje krhkosti.

Struktura i svojstva

Krom je alfageni element, koji stabilizira i piri podru

je ferita, a smanjuje podru

je austenita. Pored Cr

alfageni su i Mo, Si, V, Nb, Ti, Al i W.

Gamageni elementi Ni, Mn, C, N i Cu proširuju podru

je austenita, a smanjuju podru

je ferita.

Strukturu zavarenog spoja može se odrediti pomo

u Cr i Ni ekvivalenta iz dijagrama Schaefflera.

Visoko legirani Cr

elici mogu biti martenzitnog (M), martenzitno-feritnog (M+F), martenzitno-

feritno-austenitnog (M+F+A) i feritnog (F) tipa. Martenzitni

elici su samozakaljivi, pri zavarivanju i

naknadnom, uobi

ajenom, hla

enju na zraku prelaze iz austenitne u potpuno martenzitnu strukturu,

koju treba popustiti žarenjem. Feritni

elici se ne mogu kaliti.

elici s Cr > 15% i C<0.1% nemaju austenitnu fazu i feritna faza je prisutna od sobnih temperatura

do tališta.

Izlu

ivanje Cr karbida.

Krom ima veliki afinitet prema ugljiku, pa stvara na granici primarnih zrna

neke od ovih karbida Cr23C6, Cr7C3, (Fe, Cr)23C6, (Fe,Cr)7C3, (Fe,Cr)3C. Karbide u kojima atomi
metala Fe i Cr mogu zamijeniti mjesta ozna

ava se tako

er (Me)23C6, (Me)7C3, (Me)3C. Karbidi

kroma su stabilniji od karbida željeza. Težinski na mjestu Cr23C6 (atomska težina za Cr = 52, za
C=12.011) sadržaj Cr se izra

unava:

Error!

. 100 = 94,3% Cr, dok su okolna mjesta osiromašena na sadržaju Cr i imaju ga manje od 12%,

koliko je minimalno potrebno za antikorozivnost.
Dok Cr pove

ava prokaljivost, C utje

e na zakaljivost, (tvrdo

vrsto

u i žilavost martenzita), a

smanjuje antikorozivnost, Vanadij stvara karbid V4 C3 i pove

ava prokaljivost. Po

etak pretvorbe

austenita u martenzit je obi

no na Ms=280 - 350 oC, a završetak na Mf = 160-180 oC. Temperaturu

etka pretvorbe austenita u martenzit orijentaciono može se odrediti iz izraza:

Ms = 832 - 29 Cr - 39 Ni - 5 Cu - 56 Mo, oC

% Cr

% C

380

390

400

410

420

430

440

450

460

0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

% C

12,00

12,25

12,50

12,75

13,00

% Cr

Austenitizirano na

980°C 30min i kaljeno u ulju

750

850

T,°C

100

200

300

400

500

600

Utjecaj C na tvrdo

u Cr

elika.

Zavisnost tvrdo

e 12 Cr

elika o sadržaju C i o temperaturi

s koje se vrši kaljenje.
1.)

12 Cr, 0.35 C 2.) 12 Cr, 0.12 C 3.) 12 Cr, 0.15 C

4.)

12 Cr, 0.10 C 5.) 12 Cr, 0.01 C

Svojstva Cr

elika ovise o kemijskom sastavu, režimima toplinske obrade kao i o temperaturi i vijeku

eksploatacije. Krhkost 475 oC javlja se pri zagrijavanju

elika s 15-70% Cr na 400-540 oC , a naro

ito

na 475 oC. Ako se

eliku doda Ti i Nb oslabit

e pojava krhkosti kod 475 oC.

+ 550°

100

+ 20°

+ 40°

Probe DVM u ZT

Tip I

100

+ 20°

+ 50° + 80°

Tip II

Tip I

Probe ISO - V u ZT

TEMPERATURA ISPITIVANJA ( °C )

Ovisnost žilavosti o sadržaju ugljika u zavaru.

Tip

elika I: 12Cr 1Mo 0.3V 0.5W 0.20C

Tip

e lika II: 12Cr 1Mo 0.3V 0.5W 0.15C

Visokolegirani martenzitni (M) Cr

elici

Visokolegirani martenzitni i martenzitno-feritni krom

elici sadrže 8 - 16%Cr, 0.06 - 1% C, te

ostale elemente po potrebi (Mo, V, Ti, Al). Ovi

elici se mogu kaliti, jer imaju transformaciju

↔

pa imaju pored antikorozivnosti i poboljšanu

vrsto

u kidanja, granicu razvla

enja i otpor puzanju pri

povišenim temperaturama. Koriste se za visokooptere

ene dijelove, koji rade pri visokim

temperaturama: turbinske lopatice, armature, kotlovske cijevi, komore i druge proizvode. Nisko i
srednje legirani Cr i Cr Mo

elici imaju znatno slabija mehani

ka svojstva pri povišenim

temperaturama u odnosu na visokolegirane Cr martenzitne i martenzitno-feritne

elike.

Martenzitni

elici

kristaliziraju iz taline u delta ferit, a zatim pri hla

enju prelaze u austenit,

koji daljnim hla

enjem prelazi u martenzit ili se pri veoma sporom hla

enju pretvara u ferit i karbide .

Martenzitni

elici se obi

no koriste u poboljšanom stanju.

Martenzitno - feritni

elici.

Ako se sadržaj kroma pove

a na 17-18% uz C ispod 0.1% dobit

e se kod zavarivanja feritno-austenitna struktura pri hla

enju, koja

e nakon hla

enja postati feritno -

martenzitna. To je nepovoljno jer se martenzit može prostirati po granicama zrna što smanjuje
istezljivost u zavarenom stanju. Tako

er, pri zavarivanju može do

i do izlu

ivanja Cr karbida u ZUT.

Toplinska obrada na 750-850 oC rastvorit

e karbide, vratiti antikorozivnost i istezljivost.

100

200

300

400

500

600

700

0,5

F+C

A+F

A+F+C

Brzo hla

enje Sporo hla

enje

Vrijeme , s

Temp. °C

1. min

1. sat

1. dan

TTT dijagram za martenzitni

elik 12 Cr 0.15C (AISI 410)

Prikaz strukture i svojstava karakteristi

nih za 3 tipa

elika

elik 12 Cr 0.1C se

esto koristi za dijelove koji rade pri povišenim temperaturama.

5 Cr 1.3Mo 0.6V 0.4C je

elik za alate (kalupe) koji rade pri temperaturama iznad 500 oC

(Utop Mo1

elik iz Željezare Ravne).

12Cr 1Mo 0.3V 0.2C se koristi za cijevne sisteme u parnim kotlovima koji rade na visokim

temperaturama do 550 oC.

Kemijski sastav i mehani

ka svojstva ova tri

elika su dana u tablicama 1 i 2.

Tablica 1 Kemijski sastav, %

Kemijski sastav, %

Red.
br.

Vrsta

elika

Struktura

410
(AISI)

< 0.15

1.00

11.5
13.5

M + F

H11 Mod
(AISI)

0.37
0.43

0.20
0.40

0.80
1.00

4.75
5.25

1.2
1.4

0.4
0.6

X20CrMoV12.1
(DIN)

0.17
0.23

0.3
0.8

0.1
0.5

11.0
12.5

0.30
0.80

0.8
1.2

0.25
0.35

M+F

Tablica 2 Mehani

ka svojstva

Odžareno stanje

Poboljšano stanje

Red. br.

Vrsta

elika

Rm, MPa

Re, MPa

As, %

Rm, MPa

Re, Mpa

A5, %

410

500

250

155

840

730

241

H11 Mod

< 830

250

1540

1320

13.1

440

X20CrMoV12 1

800

500

250

Zavarivanje martenzitnih (M)

elika

Primjenjivi postupci zavarivanja

REL

s elektrodama standardne izvedbe je uobi

ajeno.

TIG

se koristi uz istosmjernu struju i minus pol na elektrodi. Postupak je vrlo prikladan za

zavarivanje cijevi malih promjera, i za prolaz u korijenu kod bilo koje veli

ine cijevi, te za

zavarivanje plo

a. Unos dodatnog metala se preporu

uje radi rizika stvaranja poroznosti i pukotina,

ako bi se samo pretaljivalo OM. Unutrašnjost cijevi je potrebno ispuniti inertnim plinom kako bi se
sprije

ilo stvaranje sloja željeznog oksida (cundera). Ako ne bismo osigurali zaštitnu atmosferu

rastaljenog i usijanog materijala na korijenskoj strani, stvorene

estice oksida bi u eksploataciji strujale

kroz cijevni sistem do turbinskih lopatica uzrokuju

i ošte

enja.

- koristi obrnuti polaritet istosmjerne struje, žica na + polu. Kao zaštitni plin koristi se

argon ili helij. Mali dodaci kisika ili CO2 dodaju se argonu ili smjesi argon - helij da pove

aju

stabilnost luka i da doprinesu boljoj kvaliteti zavara. Prijenos kapi u luku može biti u kratkim
spojevima ili kontinuirano. Raspršeni luk ovisi o promjeru žice, debljini i stijenki, položaju
zavarivanja, postotku miješanja i koli

ini taljenja.

se tako

er koristi za zavarivanje martenzitnih

elika. Visok postotak miješanja (30-50%) i

izgaranja Cr i ostalih legirnih elemenata može se nadoknaditi dodatkom istih u prašak. Upotrebljava se
i istosmjerna i izmjeni

na struja.

Dodatni materijali

Dva se osnovna tipa DM koriste kod zavarivanja martenzitnih

elika;

1. Približno istog kemijskog sastava kao i OM, da bismo dobili martenzitnu strukturu nakon
zavarivanja.
2. Austenitni (AISI 300) tipovi ili Inconel metal sa sadržajem Cr i Ni za potreban omjer miješanja (kao
rezultat spajanja s OM), odabranog da kona

ni depozit osigura prihvatljivu koli

inu austenita koji

pove

ava žilavost i istezljivost zavara. Primjenom austenitnog DM smanjuje se koli

ina difuzijskog

vodika, a time je vjerojatnost pojave hladnih pukotina tako|er smanjena.

ZT se ne zakaljuje i zadržava visoku žilavost. Elektrode ovog tipa se upotrebljavaju kada se ne

vrši naknadna toplinska obrada. Unato

svemu ZUT (2-3 mm)

e se ipak zakaliti na zraku. Ali to može

biti riješeno samopopuštanjem martenzitne strukture boravkom na visokoj radnoj temperaturi u
eksploataciji.

Ako ipak koristimo DM istog kemijskog sastava kao i OM, ZT se može naknadno toplinski

obra|ivati. Tako

er ZT ima isti koeficijent toplinske istezljivosti kao OM-a, što je u nekim slu

ajevima

povoljnije (napr. kod navarivanja radnih površina izloženih naglim temperaturnim promjenama), jer
ne

e uzrokovati termi

ka naprezanja pri zagrijavanju i hla

enju.

Zaštita od oksidacije pri zavarivanju

Cr oksid ima temperaturu taljenja, 1972 oC, pa je potrebno osigurati zaštitu kapi u luku i kupke kao i
korijenske strane zavara. Tako

er se koriste sredstva za odstranjivanje Cr oksida s površine. Fluoridi

su najefikasniji dodaci u oblozi elektrode za odstranjivanje Cr oksida. Ostatke troske s flouridima treba
brižljivo odstraniti jer mogu djelovati korozijski na metal pri povišenim temperaturama, napr. pri
naknadnoj toplinskoj obradi.

Predgrijavanje, temperatura izme

u prolaza i dogrijavanje

Budu

i da su martenzitni i martenzitno - feritni

elici jako prokaljivi, to

e i pri sporom hla

enju ZT i

ZUT koje su bile austenitne, prije

i u martenzit. Iako predgrijavanje smanjuje brzinu hla

enja, ona

još uvijek biti dovoljna da se ZT i ZUT potpuno transformiraju u martenzit i pri usporenom hla

enju,

Talište

t (vrijeme)

T °C

Predgrijavanje

250°C

200°C

Ms = 280°C

3
2

Zavarivanje uz stalno predgrijavanje ispod Ms za vrijeme zavarivanja zbog unosa topline u toku zavarivanja.

utim uspješno zavarivanje mogu

e je izvesti i na drugi na

in; predgrijati na oko 500 oC, te

isklju

iti ure

aj za predgrijavanje. Zatim se polažu svi prolazi jedan za drugim,

ime osiguravamo

dovoljno unošenje topline zavarivanjem, kako temperatura za vrijeme zavarivanja ne bi pala ispod Ms
linije. Ako se radi o velikim unosima topline ili tanjim dijelovima predgrijavanje se može izvoditi i na
temperaturi nešto ispod Ms.

Talište

t (vrijeme)

Predgrij -

avanje

plinskim

plamenom

Zavarivanje

20°C

500°C

Kalenje

T, °C

1.prolaz