Dr. Palotás Béla: KORSZERŰ KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK HEGESZTÉSE Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Dunaújvárosi Főiskola Műszaki Intézet Anyagtudományi Tanszék Anyagtudomány és Technológia Tanszék Korrózió jelensége, Korrózió fajtái, Tartalom Ferrites korrózióálló acélok és hegesztésük, Martenzites korrózióálló acélok és hegesztésük, Ausztenites korrózióálló acélok és hegesztésük, Új fejlesztésű korrózióálló acélok és hegesztésük, Hőálló acélok és hegesztésük. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 2 1
A korrózió definíciója A korróziót általában úgy definiálják, hogy kémiai vagy elektrokémiai folyamat játszódik le adott anyag és a környezet között, amelynek következtében az anyag változása (leromlása), vagy tulajdonságainak változása játszódik le, A korrózió több formában is lejátszódhat. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 3 A vas korróziója vízcseppben Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 4 2
Pourbaix diagram vasra (E ph) Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 5 A korrózió tipikus fajtái Egyenletes korrózió, Helyi korrózió, Metallurgiai hatásokra kialakuló korrózió, Mikrobiológiai hatásokra kialakuló korrózió, Mechanikai hatásokra lejátszódó leromlás, Környezeti hatásokra kialakuló repedések. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 6 3
Általános korrózió Víz alatti korrózió, Atmoszférikus korrózió. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 7 Galván korrózió Galván korrózió akkor jöhet létre, ha két különböző fém (fémötvözet) vagy fém és elektromosan vezető nem fém találkozik ugyanabban az elektrolitban. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 8 4
Kóbor áram okozta korrózió A korrózió egy anódosan védett tartály és csővezeték között játszódott le. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 9 Olvadt só okozta korrózió A Cr oldódott ki mind a négy esetben. (a) Microstructure of Hastelloy alloy N exposed to LiF-BeF 2 -ThF 4 -UF 4 (68, 20, 11.7, 0.3 mol%, respectively) for 4741 h at 700 C (b) Microstructure of Hastelloy alloy N after 2000 h exposure to LiF-BeF 2 -ThF 4 (73, 2, 25 mol%, respectively) at 676 C. (c) Microstructure of type 304L stainless steel exposed to LiF-BeF 2 -ZrF 4 -ThF 4 -UF 4 (70, 23, 5, 1, 1 mol%, respectively) for 5700 h at 688 C (1270 F). (d) Microstructure of type 304L stainless steel exposed to LiF-BeF 2 -ZrF 4 -ThF 4 -UF 4 (70, 23, 5, 1, 1 mol%, respectively) for 5724 h at 685 C (1265 F). Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 10 5
Folyékony fém okozta korrózió Corrosion of type 316 stainless steel exposed to thermally convective lithium for 7488 h at the maximum loop temperature of 600 C (1110 F). (a) Light micrograph of polished and etched cross section. (b) SEM showing the top view of the porous surface. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 11 Magas hőmérsékletű gáz okozta korrózió Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 12 6
A helyi korrózió kialakulása Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 13 Pontkorrózió (pitting) Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 14 7
Rés korrózió Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 15 Fém felületét ha szerves anyaggal vonják be, és azt egyenetlen vastagságban viszik fel, akkor alakulhat ki. A korrózió pl. lakkozott felületeken jön létre főleg ott ahol megsérül a bevonat. Fonal korrózió Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 16 8
Metallurgiai hatásokra kialakuló korrózió Interkrisztallin = szemcsehatár menti korrózió Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 17 Korrózióálló acélok korróziója Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 18 9
Eróziós korrózió Bemaródásos korrózió Mechanikai hatásokra lejátszódó leromlás Bemaródásból kiinduló fáradt törés Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 19 Környezeti hatásokra kialakuló repedések Feszültségi korrózió Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 20 10
Feszültségi korróziós repedés Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 21 Hidrogén okozta degradáció Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 22 11
Folyékony fém okozta ridegedés Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 23 Szilárd fém okozta ridegedés Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 24 12
Mikrobiológiai hatásokra kialakuló korrózió Schematic of the anaerobic corrosion of iron and steel showing the action of sulfatereducing bacteria (SRB) in removing hydrogen from the surface to form FeS and H 2 S Schematic of pit initiation and tubercle formation due to an oxygen concentration cell under a biological deposit. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 25 Korrózióvédelem az alapanyag oldaláról Jó korrózióálló anyagok Homogén szövetszerkezetű anyagok Nemes szövetek keveréke Ferrites Duplex Ausztenites Martenzites Passzivitás Felületi réteg Þ Cr 2 O 3 Rezisztencia Þ Ötvözés legalább az I. rezisztencia szintre Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 26 13
Ötvözés legalább az I. rezisztencia szintre E 1/8 molnyi 2/8 molnyi II. Rez. szint Ötvöző I. Rezisztencia szint ACÉLOKNÁL A KORRÓZIÓÁLLÓSÁGOT a Cr okozza, I. rezisztencia szint: 11,7 % II. 23,4% Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 27 Ferrites szövetszerkezet T T A 4 A 4 g a A3 g a A3 Mo, V, Ti, Nb, Si, stb. Cr ötv. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 28 14
Ausztenites acélok T A 4 A 3 g Ni, Mn, C, N, Cu Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 29 Martenzites acélok C ³ 0,22% A 3 T Ausztenitesítés Edzés v le ³ v krit Kis hőmérsékletű megeresztés t Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 30 15
Új fejlesztésű acélok Szuper ferrites acélok, Szuper ausztenites acélok, Duplex acélok, Szuper duplex acélok, Kiválásosan keményíthető korrózióálló acélok. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 31 Korrózióálló acélok helye a Schaeffler diagramon Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 32 16
Ferrites korrózióálló acélok Ötvözés Fő ötvöző a Cr Passzíváló hatás Ferritképző I. rezisztencia szint Si, Mn 1 % Ni 0,6 % C 0,1 % Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 33 Ferrites korrózióálló acélok (Rozsdaálló acél) Mechanikai tulajdonságok: R e 250 300 MPa A 5 20 % R m 450 500 MPa Nem a lágy ferrit! Fő ötvözet csoportok, jellegzetes típusok X2 CrNi 12 X6 Cr 13 X6 Cr 17 X2 CrTi 17 X6 CrMo 17 1 X6 CrMoS 17 X2 CrMoTi 18-2 Mérsékelt, legfeljebb közepes korróziós igénybevétel esetén (tej-, sör,- szeszipar, kozmetikumok gyártása) Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 34 17
Ferrites korrózióálló acélok hegesztési szabályai Fő probléma a kis alakváltozó képesség ELŐMELEGÍTÉS 150 300 ºC-ra a hegesztési zsugorodásból származó keresztirányú repedések elkerülésére HEGESZTÉS Homogén kötés Heterogén kötés Kombinált kötés UTÓLAGOS HŐKEZELÉS? Szükséges, 700 760 ºC, 1 órás hőntartással. (Vékony lemezeknél kis falvastagságnál elhagyható.) Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 35 Homogén kötés Hegesztés sajátanyaggal Probléma kis alakváltozó képesség miatti repedés érzékenység Kombinált kötés Hegesztőanyag választás A varrat ausztenites hegesztőanyaggal készül, de takarás a korróziós közeg oldaláról sajátanyaggal. Ez repedés mentes és korróziós probléma sincsen Heterogén kötés Hegesztés ausztenites acél hegesztőanyaggal. Nem repedés érzékeny, de a korróziós tulajdonságok romlanak az inhomogenitás miatt. Hőbevitel, hegesztési technika? Kis hőbevitel a szemcsedurvulás elkerülésére Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 36 18
Martenzites korrózióálló acélok (Rozsdaálló acél) Nagy szilárdság, nagy keménység mellett, mérsékelten korrózióálló acél. Edzéssel hozzák létre a martenzites szövetszerkezetet, de nemesített állapotban is használják A 3 T Ausztenitesítés Edzés v le ³ v krit Kis hőmérsékletű megeresztés t Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 37 Martenzites acélok Alkalmazás: Vegyipari- és élelmiszeripari kések, vágó- és forgácsoló szerszámok, darálók, szelepek, rugók, orvosi eszközök, fogok, kések stb. Ötvözés Cr = 12 18 %, C = 0,1 1,2 % Fő ötvözet csoportok Martenzites Félmartenzites Jellegzetes típusok X12 Cr 13 X20 Cr 13 X30 Cr 13 X29 CrS 13 X39 Cr 13 X46 Cr 13 X50 CrMoV 15 X39 CrMo 17-1 X105 CrMo 17 X90 CrMoV 18 X5 CrNiCuNb 16 4 X5 CrNiMoCuNb 14-5 Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 38 19
Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai Fő probléma a kis alakváltozó képesség, így hegesztésnél rendkívül érzékeny a repedésekre. Előmelegítés? 240 400 ºC - os előmelegítés szükséges Hegesztőanyag választás? Hegesztés sajátanyaggal, vagy ausztenites hegesztőanyaggal. Hőbevitel, hegesztési technika? Nagy hőbevitellel kell hegeszteni. Utólagos hőkezelés? 740 800 ºC, 2 4 h hőntartással, az utólagos hőkezelést a darab lehűlése előtt el kell kezdeni. Saját anyagnál teljes keresztmetszetű, ausztenites acélnál helyi hőkezelés is elég lehet. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 39 Ausztenites korrózióálló acélok (Saválló acélok) Alaptípus: 18/8, 18/10? A C %- tartalomtól függ: C = 0,1 0,12 % Akkor 18/8 ausztenites. C = 0,06 0,08 Akkor 18/9 ausztenites. C = 0,04 0,06 % Akkor 18/10 ausztenites. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 40 20
Alaptípusok (Hegesztő anyagok) 19/9 18/8 19/12/3 17/12/2,5 Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 41 Jellemző tulajdonságok Cr ötvözés az I. rezisztencia szint fölött van. A Cr okozta korrózióállóságot a Ni tovább javítja. Túlhűtött állapot, vízhűtéssel is ausztenites marad, mert M s messze a szobahőmérséklet alatt van. Leglágyabb állapot edzéssel (ausztenites lágyítással) érhető el. R e 170 250 MPa R m 440 500 MPa A 5 40 45 % Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 42 21
Fő ötvözők Cr Rezisztencia, passziválás, ferritképző, Ni Ausztenitképző, korr. állóságot javít, Mn Ausztenitképző, Hatfield-acél (12-16%), Si Hőállóságot növel, melegrepedést okoz, Mo Helyi korrózióval szemben javít, Cu Kénsavban javít, N Szilárdságnövelő, ausztenitképző, C Ausztenitképző, karbidkiválások és egyéb kiválások jöhetnek létre, mennyiségét korlátozni kell, max. 0,08 % (régebben: 0,12 %). Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 43 Típusok, fejlesztések X10 CrNi 18-8 X2 CrNi 19-11 X5 CrNi 18-10; X8CrNiS18-9 X6 CrNiTi 18-10; X6 CrNiNb ~ X4 CrNi 18 12; X1 CrNi 25-21 X2 CrNiMo 17-12 - 2 X2 CrNiMo 17 12-3 X2 CrNiMoN 18 12-4 X3 CrNiCuMo 17 11 3-2 X1 NiCrMoCuN 25-20 - 7 Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 44 22
Hegesztési problémák Melegrepedések (kristályosodási repedések) kialakulása, Kiválások létrejötte: - Szenzibilizáció, interkrisztallin korrózióra érzékennyé válik az anyag, - Különböző fázisok kiválása: - Khi fázis (c fázis), - Laves fázis (h fázis), - 475 C os elridegedés, - Nitridek, karbidok kiválása, - Delta ferrit kiválása az ausztenit szemcsén belül, - σ fázis kiválása. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 45 Melegrepedés oka Oka elsősorban a sziliciumhártya kialakulása a szemcsehatáron. A hártya kialakulásáért nem csak a Si felelős, de a S, P és O is elősegíti a melegrepedést. A hártya csökkenti a szemcsék közötti koherenciát. Durvaszemcsés anyag érzékenyebb a repedésre. Elkerülése úgy lehetséges, hogy a Si ot oldjuk ferritben! Tehát a varratfémben mindig kell legyen ferrit (a lágy ferrittől megkülönböztetve d - ferritnek nevezzük). Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 46 23
Melegrepedés elkerülése Korszerű a WRC diagramon kell beállítani a varrat összetételét, annak az az FA tartományba kell esnie. Hegesztőanyag részaránya X a hegesztőanyag részaránya Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 47 A Schaeffler diagramon az (4 8 %) 5-10 % - os ferrit sávba kell essen a varrat eredő kémiai összetétele. Melegrepedés elkerülése Hegesztőanyag részaránya X: a hegesztőanyag részaránya Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 48 24
Interkrisztallin korróziós hajlam Krómkarbid kiválása a szemcsehatáron (Cr 23 C 6 ) Szenzibilizációs diagram: INTERKRISZTALLIN KORRÓZIÓRA ÉRZÉKENNYÉ VÁLIK Elkerülése: C tartalom korlátozásával (C 0,03%) Stabilizálással: Ti = (4 6 ) x C % Nb = (8 10) x C % Hőkezeléssel: Ausztenites edzéssel: 1050 1100 ºC Vízhűtés Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 49 Kiválások a hő hatására Szigma fázis (σ-fázis), Khi fázis (c fázis), Laves fázis (h fázis), 475 C os elridegedés, Nitridek, karbidok kiválása, Delta ferrit kiválása az ausztenit szemcsén belül. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 50 25
Szigma fázis (σ-fázis) A 21 % feletti Cr tartalom esetén kiváló σ fázis hosszú távú szilárdoldat rendeződés, amely rendkívül rideg. Ha az anyag érzékeny a σ fázisra, akkor elkerülni nem tudjuk az adott hőmérséklet tartományban, csak úgy kerülhető el, ha az anyagot 500 800 ºC tartományban nem üzemeltetik tartósan. A 25/20-as acél érzékeny, Napjainkban inkább 25/20-as acélokban a Ni a 25 % és a Cr a 20 %. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 51 Hegesztési problémák összesítve Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 52 26
A hegesztés szabályai Figyelembe kell venni a nagy hőtágulást, a rossz hővezető képességet, a rossz villamos vezetőképességet. Előmelegítés? Nem szükséges, sőt az előmelegítés krómkarbid kiválást is okozhat. Hegesztőanyag választás? A varrat eredő δ - ferrit tartalma 4 8 % (5 10 %) legyen a melegrepedés elkerülése érdekében. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 53 A hegesztés szabályai Hőbevitel, hegesztési technika? Kis hőbevitellel kell hegeszteni. Bevonatos elektródát szokás átmérőben aláválasztani. A tisztaságra ügyelni kell. Csöveknél a gyökvédelemre is gondolni kell védőgázas hegesztéseknél. Ívelés nélkül kell hegeszteni, a végkrátert vissza kell tölteni. Utólagos hőkezelés? Természetesen az utólagos hőkezelés is kiválásokhoz vezethet. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 54 27
Új fejlesztésű korrózióálló acélok Szuper ferrites acélok, Szuper ausztenites acélok, Kiválásosan keményíthető korrózióálló acélok, Duplex acélok, Szuper duplex acélok. PREN= Cr + 3,3Mo + 16N Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 55 Legújabb fejlesztések Szuper-ausztenites acélok: C= 0,02-0,035 % Cr=20 26 % Ni= 18 40% Mo= 4 7 % Cu= 0,5 0,6 % N= 0,1 0,3 % 6MOLY PREN= 30 36 INCONEL 625-el hegesztik ( ENiCrMo-3) Szuper-ferrites acélok: Inconel 625 C = 0,03% Ni = 60 % Cr = 20 % Mo = 8,5 % Nb = 3,5 % C= 0,005-0,025% Cr=18 29 % Ni= 1 4 % Mo= 1 4 % Ti és (Ti + Nb) stabilizálás Saját anyaggal, vagy INCONEL 625-el hegesztik Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 56 28
Kiválásosan keményíthető korrózióálló acélok Kiválásosan keményíthető korrózióálló acélok (precipitation hardening): Martenzites, félausztenites és ausztenites szövetszerkezet, kiválásokkal: nitrid- és karbid vegyület fázisokkal. Ezek szilárdsága így jelentősen növelhető (Rm = 1200-1700 Mpa). 15-5PH, 17-4PH martenzites; 17-7PH félausztenites Cr-Ni. Ausztenites: 15-25-1 (Cr-Ni-Mo) Hegesztésük: Előmelegítés nélkül, illeszkedő hegesztőanyaggal, utólagos hőkezelés alapanyag szerint. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 57 Hőálló acélok A hőállóság definíciója: Hőálló az acél adott hőmérsékleten, ha az oxidációs (revésedési) sebesség maximum 1 g/m 2 h de a hőmérséklet 50 ºC-os növelése esetén sem nagyobb, mint 2 g/m 2 h. Típusok: Ferrites C 0,12 %, Cr =12 %, 18 %, 25 %, Félferrites Cr = 25 %, Ni = 4 %, Si = 1,5 %, Ausztenites 18/8-as, 25/20-as, 18/35-ös. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 58 29
Hőálló acélok 1. Ferrites hőálló acélok X10 CrAlSi 7 800 ºC Si= 0,5 1,0 % Al= 0,5 1,0 % X10 CrAlSi 13 850 ºC Si= 0,7 1,4 % Al = 0,7 1,2 % X10 CrAlSi 18 1000 ºC X3 CrAlTi 18 2 1000 ºC Ausztenites ferrites hőálló acélok X15 CrNiSi 25 4 1100 ºC ig Si = 0,8 1,5 % Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 59 Hőálló acélok 2. Ausztenites hőálló acélok X8 CrNiTi 18 10 850 ºC - ig X9 CrNiSiNCe 21 11 2 Si = 1,5 2,5 % Ce = 0,03 0,08% X8 CrNi 25 21 (σ- fázis érzékeny!) X12 NiCrSi 35 16 1150 ºC - ig X10 NiCrAlTi 32 21 X25 CrMnNiN 25 9 7 1150 ºC ig X6 CrNiSiNCe 19 10 X10 NiCrSiNb 35-22 Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 60 30
Hőálló acélok hegesztése Hegeszteni az adott szövetszerkezetnek megfelelően kell, úgy mint a korrózióálló acélokat. Ferrites és félferrites acélokat: Előmelegítéssel, kombinált kötéssel, utólagos hőkezeléssel. Ausztenites acélokat Előmelegítés és utólagos hőkezelés nélkül, nagyobb δ - ferrit tartalommal (8-10% legyen a varratban mert a Si több ezekben az acélokban). A 25/20-as acél érzékeny a σ - fázisra! Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 61 Köszönöm a figyelmüket! Az előadása nagy részében, dr. Bödök Károly: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött szerkezeti acélok korrózióállósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére CORWELD Kft. Budapest, 1997. című szakkönyv felhasználásával készült. Messer Hungarogáz Szakmai nap 2010 Korr. acélok hegesztése 62 31