UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Maša VIDMAR
IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE
Diplomsko delo
univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, september 2018
IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE Diplomsko delo
Študent(ka): Maša VIDMAR
Študijski program: univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo
Smer: konstrukterstvo
Mentor: red. prof. dr. Ivan ANŽEL
Maribor, september 2018
II
I Z J A V A
Podpisana Maša VIDMAR, izjavljam, da:
• je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,
• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe
po študijskem programu druge fakultete ali univerze,
• so rezultati korektno navedeni,
• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter
Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in
elektronske verzije zaključnega dela.
Maribor,_____________________ Podpis: ________________________
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, red. prof. dr. Ivanu Anželu za
pomoč, usmerjanje in vodenje pri opravljanju
diplomskega dela.
Najlepša hvala Lidiji Rozman Zorko, Andražu Jugu ter
Roku Šuleku za pomoč pri delu v metalografskem
laboratoriju.
Zahvala gre tudi zaposlenim v enoti vzdrževanja PP
Profilarna, Impol PCP d.o.o., za predano znanje v času
praktičnega usposabljanja ter seznanitev s temo
obravnavano v diplomski nalogi.
In seveda še velika zahvala moji družini in fantu
Gorazdu, ki so me podpirali, spodbujali ter mi stali ob
strani ves čas študija.
IV
IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE
Ključne besede: avstenitno nerjavno jeklo, avstenit, δ-ferit, mikrostruktura, obrabna
odpornost, valjčnica
UDK: 620.17/.18:669.15-194.56(043.2)
POVZETEK
V diplomski nalogi je bila preverjena ustreznost izbire materiala valjčnic v peči za predgrevanje
aluminijastih drogov. Izvedena je bila toplotna in konstrukcijska analiza trenutnega stanja ter
mikrostrukturna karakterizacija materiala iz katerega so narejene valjčnice. Analiza materiala
je razkrila dvofazno mikrostrukturo v kateri se avstenitna matica pojavlja v obliki dendritov, v
meddentritnem prostoru pa se nahaja δ-ferit. Analiziran je bil tudi vpliv δ-ferita ter drugih
mikrostrukturnih elementov na obrabno odpornost valjčnic.
V
SELECTION OF MATERIALS FOR ROLLERS IN PREHEATING FURNACES
Key words: austenitic stainless steel, austenit, δ-ferit, microstructure, wear resistance,
roller.
UDK: 620.17/.18:669.15-194.56(043.2)
ABSTRACT
In the thesis, the suitability of the selection of material for rollers in preheating furnaces for
aluminium billets was checked. We performed a thermal and structural analysis of the current
state and the microstructural characterization of the material of the rollers. The material
analysis revealed the two-phase microstructure in which the austenitic matrix appears in the
form of dendrites and δ-ferrite in the interdendritic region. The influence of δ-ferrite and other
microstructural elements on the wear resistance of the rollers was also analysed.
VI
KAZALO VSEBINE
UVOD ....................................................................................................... 1
TEORETIČNE OSNOVE ............................................................................... 3
2.1 Splošne značilnosti nerjavnih jekel ..................................................... 3
2.2 Schaefflerjev diagram ......................................................................... 4
2.3 Feritna jekla ....................................................................................... 5
2.4 Martenzitna jekla ............................................................................... 6
2.5 Dupleks nerjavna jekla ....................................................................... 7
2.6 Avstenitna nerjavna jekla ................................................................... 7
2.6.1 Topnost ogljika v avstenitnem nerjavnem jeklu 18-8 .......................................... 9
2.6.2 Občutljivost avstenitnih nerjavnih jekel na interkristalno korozijo ................... 11
2.7 Legirni elementi ................................................................................ 13
2.8 Označevanje nerjavnih jekel ............................................................. 17
2.8.1 Poimenovanje glede na kemijsko sestavo po standardu SIST EN 10027-1:2016 17
2.8.2 Poimenovanje po številčnem sistemu po standardu EN 10027-2:2015 ............ 17
PREGLED TRENUTNEGA STANJA ....................................................................... 19
3.1 Valjčnice pri konkurenčnih podjetjih ................................................ 19
3.2 Material za valjčnice ......................................................................... 20
3.3 Pogoji delovanja valjčnic .................................................................. 21
3.4 Želje podjetja ................................................................................... 23
3.5 Stanje materiala po dveh letih uporabe ............................................ 23
3.6 Možni mehanski razlogi za neenakomerno obrabo valjčnice............. 25
UPORABLJENE METODE DELA ................................................................ 26
4.1 Priprava vzorcev ............................................................................... 26
4.1.1 Rezanje s tračno žago ......................................................................................... 26
4.1.2 Brušenje in poliranje ........................................................................................... 27
VII
4.1.3 Jedkanje .............................................................................................................. 27
4.2 Določitev natančne kemične sestave materiala ................................ 28
4.3 Meritev trdote vzorcev ..................................................................... 28
4.4 Analiza mikrostrukture ..................................................................... 28
REZULTATI IN DISKUSIJA REZULTATOV ............................................................ 29
5.1 Kemična sestava vzorca .................................................................... 29
5.2 Analiza mikrostrukture ..................................................................... 30
5.3 Meritev mikrotrdote ........................................................................ 37
5.4 Vpliv δ-ferita na trdoto in obrabno odpornost materiala .................. 39
SKLEP ..................................................................................................... 41
VIRI ........................................................................................................ 42
VIII
KAZALO SLIK
Slika 1: Schaefflerjev diagram ..................................................................................................... 4
Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture ..................................................... 8
Slika 3: Diagram izločanja karbidov iz avstenita pri ohlajanju oziroma segrevanju avstenitnih
nerjavnih jekel .................................................................................................................. 10
Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn ............................................................. 11
Slika 5: Kontinuirani premenski diagram. ................................................................................. 12
Slika 6: Interkristalna korozija .................................................................................................. 13
Slika 7: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filtra ....................... 14
Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo ...................................................................................... 14
Slika 9: Odprta peč za predgrevanje drogov ............................................................................ 22
Slika 10: Valjčnica po dveh letih uporabe ................................................................................. 23
Slika 11: Močno obrabljena gred valjčnice ............................................................................... 24
Slika 12: Ena izmed puš valjčnice po dveh letih uporabe ......................................................... 24
Slika 13: Vzorci za preučevanje mikrostrukture ....................................................................... 26
Slika 14: Napaka na vzorcu N1.................................................................................................. 27
Slika 15: Mikrostruktura vzorca O1 .......................................................................................... 30
Slika 16: Povečano področje z dendriti .................................................................................... 31
Slika 17: Povečano področje med dendriti – prisotnost δ-faze ............................................... 31
Slika 18: Jasno vidna prisotnost δ-faze ..................................................................................... 32
Slika 19: Povečano področje δ-faze .......................................................................................... 32
Slika 20: Vzorec O1 ................................................................................................................... 33
Slika 21: Vzorec N1 ................................................................................................................... 33
Slika 22: Vzorec O2 ................................................................................................................... 34
Slika 23: Vzorec N2 ................................................................................................................... 34
Slika 24: Vzorec O1 ................................................................................................................... 35
Slika 25: Vzorec N1 ................................................................................................................... 35
Slika 26: Vzorec O2 ................................................................................................................... 36
Slika 27: Vzorec N2 ................................................................................................................... 37
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
1
UVOD
Predmet obravnave diplomske naloge je prekomerna obraba valjčnic v peči za predgrevanje
aluminijastih drogov. S problemom sem se seznanila med opravljanjem obveznega
praktičnega usposabljanja v oddelku vzdrževanja proizvodnega procesa Profili, v podjetju
Impol PCP d.o.o.
Predgrevanje drogov je prva stopnja pri izdelavi profilov na stiskalni liniji za izdelavo profilov.
V peči se hladen drog, premera 8'', ki je pred vstopom v peč na odlagalni rampi zunaj
proizvodne hale, v nekaj minutah segreje na temperaturo 470°C. Drog skozi peč potuje po 76
valjčnicah. Kontrola stanja valjčnic v času obratovanja peči ni možna, zato se lahko stopnja
obrabe ugotavlja le ob glavnih remontih, ki se odvijajo vsaki dve leti. Valjčnice pa zaradi
prevelike obrabe običajno predstavljajo težavo.
Stanje valjčnic po dveh letih delovanja močno odstopa od želenega. Na vseh so prisotni odtisi
aluminijastih drogov, gredi valjčnic so močno obrabljene, prav tako puše, pri katerih so že pri
opazovanju s prostim očesom vidna odstopanja od okrogle oblike. Predpostavljamo, da je
prevelika obraba valjčnic posledica predvsem dveh glavnih faktorjev – neustrezna konstrukcija
valjčne proge ali nepravilna izbira materiala. Po mnenju zaposlenih v podjetju, je glavna težava
obrabe valjčnic predvsem neustrezno izbran material le teh.
Namen diplomskega dela je raziskati kemijsko in mikrostrukturno primernost materiala
valjčnic. Predvidevamo, da bi z optimiziranjem izbire materiala in mikrostrukture, podaljšali
življenjsko dobo valjčnic.
Prvi del diplomske naloge vsebuje teoretične osnove nerjavnih jekel ter predstavitev feritnih,
martenzitnih, dupleks ter avstenitnih nerjavnih jekel. Predstavljeno je označevanje teh jekel
po standardu SIST EN 10027 glede na mehanske in fizikalne lastnosti. V nadaljevanju so
določene zahtevane lastnosti valjčnic glede na pogoje pri katerih delujejo, čas delovanja ter
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
2
želje podjetja. Praktičnemu delu diplomske naloge, kjer je analiziran obstoječ material, sledi
predstavitev rezultatov z diskusijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
3
TEORETIČNE OSNOVE
2.1 Splošne značilnosti nerjavnih jekel
Železove zlitine, ki poleg osnovne komponente železa, kot najpomembnejši zlitinski element
vsebujejo ogljik, imenujemo jekla. Čeprav je vsebnost ogljika v jeklih relativno majhna, masni
delež je navadno manjši kot 1%, ima ogljik najpomembnejši vpliv na njihove uporabne
lastnosti. Železove zlitine zraven ogljika vsebujejo še nekatere druge elemente. Glede na vrsto
in količino dodanih elementov ločimo - ogljikova jekla ter legirana jekla.
V ogljikovih jeklih so zraven železa in ogljika v manjši količini prisotni mangan, silicij in aluminij,
ki zmanjšujejo oziroma izničujejo negativen vpliv nečistoč, kot so žveplo, fosfor, kisik in dušik.
V legiranih jeklih so zlitinski elementi dodani v količini, pri kateri se bistveno spremenijo fazna
ravnotežja v sistemih Fe-C in Fe-Fe3C.
Nerjavna jekla sodijo v skupino legiranih jekel. Najpomembnejši legirni element je krom, ki
omogoča korozijsko odpornost. [1] Površina nerjavnih jekel je zaščitena s pasivno plastjo, ki
močno zavira ali celo zaustavi korozijske reakcije v vlažnem okolju, ki vsebuje kisik. [2]
Zaradi korozijske odpornosti se uporabljajo v »zahtevnih« okoljih, kot so kemična in naftna
industrija, jedrske elektrarne ter parne turbine. Ob odličnih mehanskih lastnostih, ima
nerjavno jeklo tudi estetski videz. Tako se uporablja pri raznih zaključnih letvah, avtomobilskih
pragovih, gospodinjskih aparatih in drugod.
Nerjavna jekla so glede na mikrostrukturo pri sobni temperaturi razdeljena v štiri skupine –
feritna, avstenitna, martenzitna ter dupleks nerjavna jekla. V nekaterih virih se kot samostojna
skupina pojavijo še izločevalno utrjena nerjavna jekla.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
4
2.2 Schaefflerjev diagram
Schaefflerjev diagram ponazarja deleže faz v mikrostrukturi nerjavnih jeklih, v odvisnosti od
kromovega oziroma nikljevega ekvivalenta. Diagram je metastabilen, pri čemer so
mikrostrukture dobljene s hitrim ohlajanjem od 1050°C do sobne temperature. [3]
Vpliv različnih elementov na mikrostrukturo je izražen z že prej omenjenima ekvivalentoma,
pri čemer je krom stabilizator ferita, nikelj pa stabilizator avstenita. Ekvivalenta se izračunata
po formulah:
%Niekv. = %Ni + %Co + 30 (%C) + 25 (%N) + 0,5 (%Mn) + 0,3 (%Cu)
%Crekv. = %Cr + 2 (%Si) + 1,5 (%Mo) + 5 (%V) + 5,5 (%Al) + 1,75 (%Nb) + 1,5 (%Ti) + 0,75 (%Wo)
Prvoten Schaefflerjev diagram pri izračunu nikljevega ekvivalenta ni upošteval dodatka dušika,
ki se kot legirni element dodaja k avstenitnim ter avstenitno feritnim jeklom z namenom
povečati trdnost ter odpornost jekla. V sedemdesetih letih 20. stoletja je Schaefflerjev diagram
nadgradil De Long. Izpopolnil je del diagrama nad avstenitno martenzitno črto, torej v
področju avstenitno – feritnih jekel, kjer je vpliv dodanega dušika največji. [4]
Slika 1: Schaefflerjev diagram
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
5
V diagramu so prikazana enofazna področja – martenzitno, avstenitno, feritno ter vmesno
večfazno področje. Jekla z avstenitno in feritno fazo, z različnim deležem posamezne faze, so
poznana kot dupleks nerjavna jekla.
Schaefflerjev diagram kaže sočasen vpliv dveh ali več legirnih elementov nerjavnih jekel, pri
čemer lahko določimo mikrostrukturo doseženo z različnimi kombinacijami in vsebnostmi
legirnih elementov.
Upoštevati je potrebno, da Schaefflerjev diagram podaja mikrostrukture, ki se tvorijo pod
pogojem hitrega ohlajanja zlitine od temperature 1050°C do sobne temperature. Takšni pogoji
so doseženi npr. pri varjenju. [3]
2.3 Feritna jekla
Feritna nerjavna jekla imajo enofazno mikrostrukturo iz feritnih kristalnih zrn, ki imajo
prostorsko centrirano kristalno strukturo – PCK. Delež ogljika je manjši od 0,08%. Zaradi feritne
mikrostrukture so magnetna. V tuji literaturi se označujejo tudi kot »Cr-steels« oz. kromova
jekla.
Vsebnost kroma v feritnih jeklih se giblje med 11,2 – 19% [5]. Krom vpliva na stabilnost feritne
strukture. Z večanjem deleža kroma stabilnost feritne strukture narašča. Na stabilnost feritne
strukture vplivajo tudi drugi legirni elementi, ki jih prav tako prištevamo med stabilizatorje
ferita. Najpomembnejši med njimi so: molibden, ki izboljšuje korozijsko odpornost, ter niobij
in titan, ki izboljšujeta varivost.
Feritna jekla z manjšim deležem kroma so bolje variva, z boljšo žilavostjo, trdnostjo in trdoto.
Naraščanje deleža kroma vodi do poslabšanja mehanskih lastnosti (predvsem žilavosti) in do
boljše korozijske odpornosti, kar pride posebej do izraza pri nitratnih medijih.
Nikelj, kot stabilizator avstenita, v feritnih jeklih ni prisoten, oziroma je njegova vsebnost
izredno majhna (največ 2,5% [3]).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
6
Nikelj velja za enega izmed najdražjih zlitinskih elementov, čeprav se njegova cena precej
spreminja. Zaradi skorajda nične vsebnosti niklja so feritna nerjavna jekla najcenejša, njihova
cena pa dokaj stabilna.
Feritna nerjavna jekla predstavljajo večinski delež v proizvodnji nerjavnih jekel. Uporabljajo se
za izdelavo ladijskih kontejnerjev, kuhinjskih pripomočkov, bobnov pralnih strojev, izpušnih
sistemov … Izdelki iz feritnih nerjavnih jekel se dobro obnesejo v območjih z večjo nevarnostjo
korozije, npr. obalna območja. [2]
2.4 Martenzitna jekla
Martenzitna jekla predstavljajo najmanjšo skupino nerjavnih jekel. Vsebujejo več kot 11,5%
kroma ter med 0,07 do 0,5% ogljika, kar je več kot pri ostalih skupinah nerjavnih jekel. Tipični
predstavniki so tipi 410/420/440.
Pri povišanih temperaturah imajo martenzitna jekla avstenitno mikrostrukturo, ki se z
ohlajanjem do sobne temperature transformira v martenzit. [3]
Najpomembnejša značilnost martenzitnih nerjavnih jekel sta temperaturni premeni Ms –
martenzit start in Mf – martenzit finish. Pri martenzitnih jeklih sta obe temperaturi nad sobno
temperaturo, kar zagotavlja popolnoma martenzitno mikrostrukturo pri sobni temperaturi.
Nasprotno sta v primeru avstenitnih nerjavnih jekel začetek in konec premene globoko pod
lediščem, kar zagotovlja popolnoma avstenitno mikrostrukturo pri sobni temperaturi.
Martenzitna jekla veljajo za nekoliko slabše korozijsko odporna, vendar najbolj abrazijsko
obstojna. Ustrezno martenzitno nerjavno jeklo se izbira na podlagi željene kombinacije
trdnosti, meje plastičnosti oziroma žilavosti, korozijske ter abrazijske odpornosti in dinamične
trdnosti. [3]
Uporabljajo se v okoljih, kjer je pomembna predvsem trdnost materiala, žilavost pa ni
bistvena. Takšni izdelki so turbinske lopatice, rezila, kirurški instrumenti, zobozdravstveni
instrumenti, jedilni pribor …
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
7
Razvijajo se nove vrste martenzitnih nerjavnih jekel za delovanje na visokih temperaturah.
Takšna jekla so legirana z molibdenom, vanadijem in niobijem (Mo, V in Nb), za povečanje
trdote je dodanega do 2% niklja. Martenzitno nerjavno jeklo 12Cr-Mo-V-Nb se uporablja pri
temperaturah okoli 600°C, kot lopatice za parno turbino, raziskave pa se usmerjajo v območje
še višjih temperatur: 630-650°C, pri napetosti 30 MPa. [6]
2.5 Dupleks nerjavna jekla
Dupleks nerjavna jekla so sestavljena iz feritno-avstenitnih zrn, pri čemer je razmerje med
avstenitno ter feritno fazo približno 1:1 (vsake izmed faz je okoli 50%). Ob enaki zastopanosti
faz je žilavost materiala največja.
Imajo visoko vsebnost kroma (med 20.1-25.4%), vsebnost niklja pa je v primerjavi z vsebnostjo
v avstenitnih nerjavnih jeklih nizka (1.4-7%). Razmerje med vsebnostjo kroma in niklja je
odvisno od prisotnosti drugih stabilizatorjev avstenita in ferita.
Kot legirna elementa se uporabljata molibden (0.3-4%) in dušik, da povečata korozijsko
odpornost ter uravnotežita mikrostrukturo. Dupleks jekla z dodatkom molibdena lahko
dosežejo korozijsko odpornost primerljivo z najboljšimi feritnimi jekli, pri čemer so mehanske
lastnosti kot pri avstenitnih jeklih. Z dodatkom mangana, ki se ponekod dodaja kot
nadomestek niklja, se poveča topnost dušika, dušik pa izboljša trdnost materiala. [5]
Za dupleks nerjavna jekla je značilna kombinacija velike trdnosti, dobre žilavosti ter velike
korozijske odpornosti. [3]
2.6 Avstenitna nerjavna jekla
Avstenitna nerjavna jekla predstavljajo največjo skupino nerjavnih jekel. Zaradi
nespremenjene mikrostrukture od sobne temperature do tališča, se ne dajo toplotno
utrjevati. Za doseg avstenitne mikrostrukture pri sobni temperaturi mora material vsebovati
najmanj 17-18% kroma ter 8-9% niklja, ki stabilizira avstenit.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
8
Del niklja je lahko nadomeščen z manganom, ki je prav tako stabilizator avstenita. Pri preveliki
vsebnosti mangana prihaja do tvorjenja manganovega sulfida, ki močno vpliva na nastanek
jamičaste korozije, tako da se popolna zamenjava niklja z manganom ni smiselna.
Osnovna celica ferita (telesno centrirana kubična zgradba) se z dodatkom niklja transformira
celico avstenita (ploskovno centrirana kubična zgradba).
Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture
Zaradi drugačne zgradbe osnovne celice, se lastnosti avstenitnih ter feritnih oziroma
martenzitnih nerjavnih jekel precej razlikujejo.
Avstenitna nerjavna jekla so nemagnetna, vendar je mogoče da se pri hladnem preoblikovanju
material zaradi vsebnosti delcev martenzita rahlo namagneti. Nastajanje martenzita je možno
tudi pri navodičenju avstenitnih jekel, pri čemer vodik pri velikih tlakih deformira kristalno
strukturo.
Dolžinski toplotni raztezek avstenitnih nerjavnih jekel je v primerjavi s feritnimi in
martenzitnimi jekli 50-60% večji, pri čemer je toplotna prevodnost 40-50% manjša.
Avstenitna nerjavna jekla se delijo v pet podskupin [5]:
- Cr-Ni skupina
Avstenitna jekla za splošno uporabo, z vsebnostjo kroma okoli 18% ter niklja 8%.
+ Ni
TCK PCK
Ferit Avstenit
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
9
- Cr-Mn skupina
Vsebnost niklja je manjša - kot stabilizator avstenita ga nadomesti molibden, v nekaterih
primerih so dodani še dušik, žveplo, titan in niobij.
- Cr-Ni-Mo skupina
Avstenitna jekla za splošno uporabo z večjo korozijsko odpornostjo zaradi dodatka
molibdena. Vsebnost kroma je okoli 17%, niklja med 10-13%.
- Visoko zmogljiva avstenitna jekla
Jekla za zahtevna okolja, z visoko korozijsko odpornostjo in trdoto. Vsebujejo visok delež
legirnih elementov: 17-25% kroma, 14-25% niklja ter 3-7% molibdena. Prisoten je tudi
dušik.
- Visoko temperaturna avstenitna jekla
Visokotemperaturna avstenitna jekla so izdelana za delovanje na temperaturah, ki
presegajo 500°C ter dosežejo do 1150°C. Vsebnost kroma je med 17-25%, niklja med 8-
20% vendar ne vsebujejo molibdena. V suhih atmosferah s temperaturo do 1150°C lahko
obratujejo daljše časovno obdobje.
2.6.1 Topnost ogljika v avstenitnem nerjavnem jeklu 18-8
Topnost ogljika v avstenitu je omejena. Spreminjanje topnosti s temperaturo prikazuje solvus
krivulja. Z ohlajanjem se ogljik izloča v obliki karbidov M23C6, pri čemer M predstavlja element,
ki tvori karbide (Cr23C6 – kromov karbid).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
10
Slika 3: Diagram izločanja karbidov iz avstenita pri ohlajanju oziroma segrevanju avstenitnih nerjavnih jekel [3]
Pri sobni temperaturi je avstenitno nerjavno jeklo do deleža ogljika C<0,03% sestavljeno iz
ferita in karbidov. Z ohlajanjem nastajajo po reakciji:
𝛾 → 𝛼 + 𝑀23 𝐶6 (1)
Reakcija 1 je v praksi povsem zanemarljiva zaradi prevlade neravnotežnih reakcij. Del
diagrama v območju C<0,03% se tako lahko poenostavi in prikaže, da je avstenit pri sobni
temperaturi, do vsebnosti ogljika C<0,03%, stabilen.
V območju z deležem ogljika med 0,03% ter 0,7%, je avstenitno nerjavno jeklo pri sobni
temperaturi sestavljeno iz avstenita, ferita ter karbidov. Z ohlajanjem nastajajo po reakciji
vzdolž črte SK:
𝛾 + 𝑀23 𝐶6 → 𝛾 + 𝛼 + 𝑀23 𝐶6 (2)
V območju C>0,03%, se bodo pri ohlajanju po črti topnosti SK izločali karbidi M23C6.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
11
Reakcija 2 je lahko delno ali v celoti zavrta s hitrim ohlajanjem, ko ogljik ostane v avstenitu
prenasičen. Če se prenasičeno nerjavno jeklo segreje do temperatur v območju 𝛾 + 𝑀23 𝐶6,
se karbidi M23C6 izločijo po mejah avstenitnih zrn.
V avstenitnih nerjavnih jeklih se tvorijo predvsem kromovi karbidi Cr23C6, saj je glavni
karbidotvorni element krom. Zaradi izločanja karbidov na mejah avstenitnih zrn, so nekatera
avstenitna nerjavna jekla podvržena interkristalni koroziji. [3]
2.6.2 Občutljivost avstenitnih nerjavnih jekel na interkristalno korozijo
Ena izmed težav avstenitnih nerjavnih jekel je majhna topnost ogljika v avstenitu ter
posledična tvorba kromovih karbidov na kristalnih mejah.
Interkristalna korozija se lahko pojavi v primeru daljše izpostavljenosti avstenitnih nerjavnih
jekel temperaturam med 550-850°C [5], ter pri počasnem ohlajanju skozi temperaturno
območje od 870°C do 425°C [3].
Zaradi tvorbe kromovega karbida na meji avstenitnih zrn se neposredna okolica karbida
osiromaši s kromom. Delež kroma v neposredni okolici lahko posledično pade pod kritično
vrednost 12%, ki še omogoča pasivacijo kovine.
Zaradi neenakomerno porazdeljene vsebnosti kroma začno nastajati potencialne razlike med
osiromašeno cono in osnovo ter mejami kristalnih zrn, ki vsebujejo karbide bogate s kromom.
S kromom osiromašeno področje deluje kot anoda, matica ter kristalna meja pa kot katoda.
Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn [M. Vidmar]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
12
S kromom osiromašena področja na meji zrn so tako zelo dovzetna za pojav razpok, kot
posledico korozije.
Za preprečevanje tvorbe kromovih karbidov na mejah kristalnih zrn so avstenitnim nerjavnim
jeklom dodani stabilizatorji, ki imajo večjo afiniteto do ogljika kot krom. Stabilizatorji, med
katere sodita titan in niobij, tvorijo karbide po celotni avstenitni matrici. Celotni delež kroma
tako ostane v sami matrici ter s tvorbo pasivnih filmov material ščiti pred korozijo.
Druga metoda, ki preprečuje tvorbo kromovih karbidov, je zmanjšanje deleža ogljika v jeklu.
Čas potreben za nastanek karbidov v avstenitnih jeklih, ki delujejo na visokih temperaturah
(nad 480°C), z manjšanjem deleža ogljika strmo narašča.
Graf na sliki 5 prikazuje čas za nastanek karbidov. Pri nerjavnem avstenitnem jeklu z
vsebnostjo 0,080% C, je čas za nastanek karbidov manjši od minute medtem ko je pri vsebnosti
0,019% C, daljši od 100 ur. Z večanjem deleža ogljika eksponentno narašča tudi hitrost širjenja
interkristalne korozije.
Slika 5: Kontinuirani premenski diagram prikazuje čas nastanka karbidov glede na vsebnost ogljika za avstenitno nerjavno jeklo z 18% kroma in 9% niklja. [4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
13
V ta namen se razvijajo avstenitna nerjavna jekla, ki vsebujejo med 0,02% in 0,03% ogljika.
Avstenitna nerjavna jekla z zmanjšanim deležem ogljika (okoli 0,03%C) imajo po AISI standardu
za številčno oznako še črko L, ki pomeni »low carbon« - nizek delež ogljika, npr. AISI 304L, AISI
316L … [4]
Slika 6: Interkristalna korozija
2.7 Legirni elementi
Krom (Cr)
Krom je najpomembnejši zlitinski element, nerjavnim jeklom daje osnovno korozijsko
odpornost. Kot edini legirni element samostojno vpliva na nastanek pasivnega filma. Vsi ostali
legirni elementi lahko zgolj pospešujejo vpliv kroma na oblikovanje oziroma vzdrževanje
pasivnega filma.
Vsa nerjavna jekla vsebujejo vsaj 10,5% kroma – pri tej vrednosti se začne pojavljati še
nepopolni pasivni film, ki je obstojen le v milejših atmosferskih razmerah (slika 7). Z
naraščanjem vsebnosti kroma (26%-29%), se stabilnost pasivnega filma izboljšuje, hkrati pa se
slabšajo mehanske lastnosti – preoblikovalnost, varivost ter obstojnost v atmosferah z
različnimi toplotnimi vplivi.
Da bi ohranili ustrezne mehanske lastnosti, se pri nespremenjeni vsebnosti kroma za
doseganje boljše korozijske odpornosti dodajajo še drugi legirni elementi – nikelj, molibden,
baker.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
14
Slika 7: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filtra
Nikelj (Ni)
Glavni razlog za dodajanje niklja je spodbujanje avstenitne mikrostrukture, s čimer se močno
izboljšajo mehanske lastnosti (duktilnost, trdota) ter preoblikovalnost. Ni izboljša sposobnost
repasivacije nerjavnih jekel, še posebej v redukcijskih medijih. Pri izločevalno utrjenih jeklih
formira kovinske vključke, ki povečujejo trdoto.
Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo
Pri naraščanju vsebnosti niklja do 10%, se zmanjšuje odpornost proti napetostni koroziji,
vendar se odpornost v večini medijev znova doseže, ko vrednosti niklja dosežejo 30%. V
martenzitnem območju nikelj v kombinaciji z zmanjšano vsebnostjo ogljika izboljšuje varivost.
0% Ni Feritna
mikrostruktura
5% Ni Dupleksna
mikrostruktura
Več kot 8% Ni Avstenitna
mikrostruktura
+ Ni + Ni
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
15
Molibden (Mo)
Molibden zviša trdnost in močno spodbuja feritno mikrostrukturo. Zaradi izločenih karbidov v
martenzitnih jeklih izboljša trdoto pri višjih temperaturah. Poveča nevarnost tvorbe
sekundarnih faz v feritnem, avstenitnem ter dupleks jeklu.
Izboljša odpornost proti jamičasti in španjski koroziji. Korozijsko odpornost pri visokih
temperaturah dosega na podoben način kot krom – na površini ustvari stabilen adherentni
film MoO3. Za zagotavljanje korozijske zaščite temperatura materiala ne sme preseči 795°C.
Pri tej temperaturi se oksidni film utekočini, kar povzroči katastrofalno korozijo.
Mangan (Mn)
Izboljša vročo duktilnost. Njegov vpliv na ravnotežje ferita in avstenita se spreminja s
temperaturo. Pri nizkih temperaturah stabilizira avstenit, pri visokih pa ferit. Mangan poveča
topnost dušika in je uporabljen pri velikih količinah dušika v dupleks in avstenitnih nerjavnih
jeklih.
Kot tvorec avstenita lahko v zmernih količinah in v kombinaciji z nikljem prevzame nekatere
izmed funkcij niklja. V povečanih količinah skupaj z žveplom tvori manganov sulfid, ki
pospešuje nastanek jamičaste korozije, tako da je popolna zamenjava niklja z manganov
nepraktična.
Silicij (Si)
Silicij izboljša odpornost proti oksidaciji, tako pri visokih temperaturah kot tudi pri močnem
oksidativnem raztapljanju pri nizkih temperaturah. Spodbuja rast feritne mikrostrukture in
dvigne trdnost.
Ogljik (C)
Ogljik je močan spodbujevalec avstenita in pomembno poveča trdnost. Zmanjšuje odpornost
do interkristalne korozije, povzročeno zaradi nastajanja karbidov, kar je bil problem pri
zgodnjih nerjavnih jeklih. Moderna nerjavna jekla zaradi nizke vsebnosti ogljika z interkristalno
korozijo nimajo problemov. V feritnih nerjavnih jeklih ogljik močno znižuje trdnost in
korozijsko odpornost. V martenzitnih jeklih zvišuje trdoto in trdnost in zmanjšuje trdoto.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
16
Dušik (N)
Je δ-geni legirni element, ki dvigne mehansko trdnost. Izboljša odpornost do jamičaste
korozije, zmanjšuje nastajanje izcej kroma in molibdena ter zavira nastajanje krom-
molibdenove delta faze. Poveča korozijsko odpornost avstenitne faze. V feritnih nerjavnih
jeklih dušik močno znižuje mehanske lastnosti in korozijsko odpornost.
Niobij (Nb)
Je močan feritni in karbidni spodbujevalec. Kot titan spodbuja feritno strukturo. V avstenitna
jekla je dodan za zvečanje odpornosti proti interkristalni koroziji, pri visokih temperaturah
izboljša mehanske lastnosti.
Aluminij (Al)
Če je dodan v večjih količinah, povečuje odpornost proti oksidaciji.
Žveplo (S)
Žveplo je dodano v določena nerjavna jekla z namenom boljše preoblikovalnosti. Pri teh vrstah
rahlo zmanjša korozijsko odpornost, duktilnost, varivost in preoblikovalnost. Manjši deleži
žvepla so lahko dodani za zmanjšanje deformacijskega utrjanja v razredih z izboljšano
preoblikovalnostjo. Rahlo povečana vsebnost žvepla lahko izboljša varivost jekla. [3] [5]
Tabela 1: Stabilizatorji ferita in avstenita
Stabilizatorji ferita Stabilizatorji avstenita
Železo (Fe) Nikelj (Ni)
Krom (Cr) Dušik (N)
Molibden (Mo) Ogljik (C)
Silicij (Si) Mangan (Mn)
Baker (Cu)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
17
2.8 Označevanje nerjavnih jekel
Jekla označujemo po standardu z osnovno oznako SIST EN 10027. 1. del SIST EN 10027-1:2016
obsega poimenovanje z osnovnimi znaki - jekla označujemo glede na mehanske in fizikalne
lastnosti ter glede na kemijsko sestavo, 2. del SIST EN 10027-2:2015 pa označevanje s
številčnim sistemom.
2.8.1 Poimenovanje glede na kemijsko sestavo po standardu SIST EN 10027-1:2016 [9]
Vsa nerjavna jekla spadajo v skupino legiranih jekel. Legirana jekla (razen hitroreznih jekel),
kjer je masni delež vsaj enega elementa večji kot 5 % so označena po sledečem kriteriju:
Primer: X8CrNi25-21
Pomen oznake:
• X pomeni, da je to legirano jeklo
• 8 je stokratnik masnega deleža ogljika v odstotkih: 0,08 % C
• zlitinski elementi v padajočem vrstnem redu glede na masni delež: Cr, Ni
• masni deleži zlitinskih elementov v %: 25 % Cr, 21 % Ni.
Opomba: Nerjavno jeklo 1.4845, AISI 310S.
2.8.2 Poimenovanje po številčnem sistemu po standardu EN 10027-2:2015 [9]
Kot dodatek »opisnemu« sistemu po standardu EN 10027-1, drugi del standarda - EN 10027-
2 vrste jekla razvršča po številčnem sistemu, ki je preglednejši in lažji za razvrščanje.
Število je zapisano v formatu: x.yyzz(zz)
Znaki predstavljajo sledeče:
x – tip materiala – za številčenje jekel se uporablja število 1, za železove litine število 0
ter za nikljeve zlitine število 2
yy – število skupine jekla, ki jih določa standard EN 10027-2 (tabela 1)
zz(zz) – zaporedno število jekla (tabela 2), število v oklepaju je rezervirano za kasnejšo
uporabo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
18
Nerjavna ter toplotno odporna jekla spadajo v skupino jekel z oznako 1.4XX.
Tabela 2: Razdelitev skupine nerjavnih in toplotno odpornih jekel – 1.4XXX
Oznaka Opis
1.40XX
Nerjavno jeklo z Ni < 2.5 %, brez Mo, Nb in Ti
1.41XX Nerjavno jeklo z Ni < 2.5 % in Mo, brez Nb in Ti
1.43XX Nerjavno jeklo z Ni >= 2.5 %, brez Mo, Nb in Ti
1.44XX Nerjavno jeklo z Ni > = 2.5 % z Mo, brez Nb in Ti
1.45XX Posebno nerjavno jeklo
1.46XX Kemično in toplotno odporne Ni zlitine
1.47XX Toplotno odporno nerjavno jeklo z Ni < 2.5 %
1.48XX Toplotno odporno nerjavno jeklo z Ni > = 2.5 %
1.49XX Materiali z zvišanimi temperaturnimi lastnostmi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
19
PREGLED TRENUTNEGA STANJA
3.1 Valjčnice pri konkurenčnih podjetjih
Poskusili smo pridobiti informacije o valjčnicah, ki jih uporabljajo Impolu konkurenčna
podjetja, ki se ukvarjajo s stiskanjem aluminija. Z iskanjem po spletu so bila najdena podjetja
s sedežem na Portugalskem, v Španiji, Nemčiji, Turčiji, Rusiji in Združenih državah Amerike.
Elektronska sporočila s povpraševanjem so bila poslana na deset različnih podjetij.
Odziva na elektronsko pošto ni bilo iz nobenega podjetja. Razlogov za to je lahko več.
Dejstvo je, da podjetja vsak dan dobivajo ogromno količino elektronske pošte. Zelo verjetno
je, da pošta sploh ni prišla do osebe, ki bi znala odgovoriti ali pa ta oseba ni želela odgovoriti
ali pa poslovni kodeks zaposlenim ne dovoljuje delitev izkušenj iz vzdrževanja.
Že pred pisanjem elektronskih sporočil je bilo pričakovati, da se podjetja v večini ne bodo
odzvala. Vsaka izboljšava, inovacija, v podjetju predstavlja dodano vrednost, kar pa niso
informacije, ki bi jih želeli deliti s konkurenčnimi podjetji. Večina informacij je tako zaupnih
oziroma internih
Na podjetje Kintner (Pensilvanija, ZDA), katerega valjčnico preučujemo, je bilo poslano
sporočilo s prošnjo po katalogu njihovih valjčnic ter ohišja za le te. Iz sedeža podjetja so poslali
takojšen odgovor naj se z vprašanjem obrnemo na podjetje, ki se ukvarja s prodajo njihovih
izdelkov v Evropi. Iz tega podjetja ni bilo odgovora.
Fizični osebi je zelo težko pridobiti informacije iz podjetij, četudi gre zgolj za kataloge, ki ne
veljajo za zaupno informacijo. Podatke se posreduje zgolj podjetjem, ki so obstoječi imetniki
proizvodov ali bodočim kupcem. Na sporočilo poslano iz službenega naslova so odgovorili
takoj ter postregli z vsemi željenimi informacijami.
Povpraševanja so bila poslana sledečim podjetjem:
- PROFinAL (Nemčija)
- Akpa Alüminyum Tic. Aş. (Turčija)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
20
- ILSCO Extrusions (Pensilvanija, ZDA)
- Raesa (Španija)
- Anicolor (Portugalska)
- Atlas Aluminium (Kalifornija, ZDA)
- Sial, Sial Group (Rusija)
- Segal, Sial Group (Rusija)
- Realit (Rusija)
- Tatprof (Rusija)
3.2 Material za valjčnice
V načrtih proizvajalcev peči (različni proizvajalci), so se pojavljali različni podatki o
priporočenem materialu valjčnic. V preteklih letih so bili preizkušeni v tabeli zapisani materiali.
Največja težava je, da so bile vse uporabljene valjčnice videne le ob času menjave, kar pomeni,
da so bile v uporabi dve leti brez vmesnih opazovanj stanja. Tako imamo zgolj podatke o stanju
materiala po dveh letih uporabe.
Vsi že uporabljeni materiali so obstojni do temperature, ki presega najvišjo temperaturo, za
katero smo predpostavili 800°C. Vrednosti obstojnosti materiala služijo za orientacijo, saj se
glede na okolje delovanja materiala lahko spreminjajo.
Preglednica 3: Materiali uporabljeni do danes [11]
Št. jekla
C Si Mn P S N Cr Ni Obstojno do [°C]
1.4301 ≤0.07 ≤1.0 ≤2.0 ≤0.045 ≤0.015 ≤0.11 17.0-19.5
8.0-10.5
870 [12]
1.4841 ≤0.20 1.5-2.5
≤2.0 ≤0.045 ≤0.030 ≤0.11 24.0-26.0
19.0-22.0
1150
1.4845 ≤0.10 ≤1.5 ≤2.0 ≤0.035 ≤0.030 ≤0.11 24.0-26.0
19.0-22.0
1050
1.4848 0.30-0.50
1.5-2.5
≤1.5 ≤0.035 ≤0.030 Ni podatka
24.0-26.0
19.0-21.0
1100
1.4855 0.25-0.40
0.5-2.0
≤1.5 ≤0.035 ≤0.030 Ni podatka
23.0-25.0
23.0-25.0
1050
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
21
3.3 Pogoji delovanja valjčnic
Največjo težavo predstavlja določitev maksimalne temperature, ki jo valjčnice dosežejo.
Valjčnice dosežejo najvišjo temperaturo v času velikega odvzema aluminijastih drogov. To se
zgodi, ko je pretok materiala skozi stiskalnico največji. Takrat se mora surovec v plinski peči v
najkrajšem času zagreti na predpisano temperaturo, ki lahko po predpisih proizvajalca doseže
največ 540 stopinj Celzija.
Temperatura aluminijastega droga, ki sem jo zabeležila na monitorjih je znašala 480 stopinj
Celzija. Merilci temperature v peči merijo temperaturo aluminijastega droga v štirih conah.
Okolje, v katerem drog doseže zahtevano temperaturo, je bistveno bolj vroče.
Maksimalno temperaturo valjčnic bi bilo mogoče izračunati preko formul za prenos toplote.
Za izračun bi potrebovali tudi natančne podatke o času, v katerem je drog v notranjosti peči.
Meritve bi morale biti opravljene v času maksimalne obremenitve peči – ko se drogovi na
zahtevano temperaturo segrejejo v najkrajšem času.
Drug način je določitev temperature valjčnic glede na njihovo barvo, ki bi bila vidna ob
maksimalnem delovanju peči. Zaposleni v podjetju so na podlagi opazovanja barve mnenja, da
se valjčnice segrejejo do 800°C.
Najbolj obremenjene so valjčnice v izhodni coni, saj se v tem delu peči temperatura najbolj
spreminja zaradi odpiranja lopute. Ko se loputa odpre, se celotni drog premakne za približno
meter naprej, nato leteča žaga odreže del droga, ki nadaljuje pot proti stiskalnici. Drug
mehanizem preostali del droga potisne nazaj v peč in loputa se zapre. Valjčnice na izhodnem
delu peči se tako vrtijo v obe smeri.
Valjčnice delujejo v atmosferi zemeljskega plina.
Čas delovanja valjčnic je posledično odvisen od delovanja peči za segrevanje drogov. Le ta
deluje vse dni v tednu, 24 ur na dan.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
22
Izjemi sta:
• načrtovani remonti konec meseca aprila in
• načrtovani remonti konec leta, v mesecu decembru,
ko se celotni proizvodni proces za teden dni ustavi. V tem času se peč ugasne in valjčnice se
ohladijo na sobno temperaturo. Med manjšimi vzdrževalnimi posegi, ko je delovanje
proizvodne linije prekinjeno, se peči ne ugaša.
Menjava valjčnic se izvede na pomladnem remontu, vsaki dve leti. Od valjčnic se tako
pričakuje, da obdobje dveh let prestanejo v čim boljšem stanju.
Slika 9: Odprta peč za predgrevanje drogov
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
23
3.4 Želje podjetja
V podjetju so izrazili željo po valjčnicah proizvajalca Kintner, s katerimi so v splošnem najbolj
zadovoljni.
Obraba valjčnic mora biti dovolj majhna, da ne vpliva na celoten proizvodni proces. To pomeni,
da jih v obdobju dveh let ni potrebno menjavati oziroma zaradi težav z valjčnicami ustavljali
proizvodnega procesa.
3.5 Stanje materiala po dveh letih uporabe
Slika 10: Valjčnica po dveh letih uporabe
Slika 10 prikazuje valjčnico po dveh letih obratovanja, katere obraba je vidna že s prostim
očesom. Na celotni površini, ki ima stik z aluminijastim drogom, je viden konkaven odtis droga.
Omenjena površina je gladka. Površina med odtisoma droga nima s prostim očesom vidnih
poškodb, jasno je vidna tudi oznaka valjčnice na sredinskem delu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
24
Slika 11: Močno obrabljena gred valjčnice
Gredi nista obrabljeni enakomerno. Na manj obrabljeni strani je viden sijaj nerjavnega jekla
ter globoke praske po celotni širini in obsegu gredi. Premer meri 33 milimetrov. Druga stran
gredi je bistveno bolj obrabljena, na najožjem delu je premer le 27 mm, kar pomeni približno
18% zmanjšanje premera. Material se je začel nabirati na robu gredi.
Močno sta obrabljeni tudi puši. Vidno je veliko odstopanje od prvotne okrogle oblike. Na
notranji strani puše je pobranega veliko materiala, stik valjčnice in puše je bil pretesen.
Podobno kot na delu gredi je tudi na zunanji strani puše vidno nabiranje materiala.
Slika 12: Ena izmed puš valjčnice po dveh letih uporabe
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
25
Vsekakor je obraba valjčnice po dveh letih pričakovana, vendar ne v takšnem obsegu kot pri
obravnavanem primeru. Največjo težavo predstavljajo gredi in puše, kjer se je material stalil
in začel lepiti dele med sabo.
3.6 Možni mehanski razlogi za neenakomerno obrabo valjčnice
Za optimalno uporabo valjčnice bi morala biti obremenitev na obe gredi in posledično puši
enaka. V tem primeru predvidevamo enakomernejšo in manjšo obrabo valjčnice. Možna
mehanska razloga za neenakomerno obrabo valjčnice sta dva:
• Neravno montirani puši glede na z os.
Tako je že brez obremenitve droga in v statičnem stanju valjčnica neenakomerno
obremenjena, sila na eno izmed gredi bo tako večja.
Pri menjavi valjčnic priporočamo natančno, vzporedno postavitev ohišij za puše.
• Zamik valjčnice glede na x os.
V tem primeru aluminijast drog ne potuje po sredini valjčnice.
Vidna sta dva odtisa droga na obeh poševnih površinah. Sredina valjčnice ni obrabljena.
Smiselno bi bilo, da se aluminijast drog valjčnice dotika v treh točkah. Na sredini ter na obeh
poševnih površinah. S tem bi se obremenitev aluminijastega droga porazdelila do te mere, da
bi bila morebitna odtisa na straneh manjša.
Za stik v treh točkah, je potrebno ujemanje geometrij aluminijastega droga ter oblike valjčnice
v ravnini xy, kar v primeru obravnavane valjčnice, po vidnih obrabah, ni upoštevano.
Ko je valjčnica zmontirana, se lahko še vedno za nekaj milimetrov premika po osi x. Ko se v eni
smeri premakne do puše, pride do stika med površinama puše in valjčnice v ravnini yz.
Pri obravnavani valjčnici je bil stik med površinama dovolj močan, da je prišlo do hude obrabe
in lepljenja materiala. Opazno je posnetje, ki je nastalo po obodu odprtine puše. Poškodovana
je tudi površina valjčnice (sliki 10 in 11).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
26
UPORABLJENE METODE DELA
4.1 Priprava vzorcev
4.1.1 Rezanje s tračno žago
Valjčnica je bila dvakrat prečno prerezana na delu, kjer je poškodba materiala zaradi pritiska
aluminijastega droga največja. Dobljen kolut je bil razrezan na manjše kose. Za preučevanje
mikrostrukture sta bila uporabljena vzorec iz sredine koluta ter vzorec iz roba koluta. Preostala
vzorca sta bila odrezana od gredi na obeh straneh valjčnice.
Vzorci:
- O1 – obrabljena puša
- N1 – manj obrabljena puša
- O2 – obrabljen vzorec iz roba valjčnice
- N2 – neobrabljen vzorec iz sredine valjčnice
Slika 13: Vzorci za preučevanje mikrostrukture
O1
N1
O2
N2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
27
4.1.2 Brušenje in poliranje
Vzorci so bili brušeni postopoma, z brusnimi papirji hrapavosti 120, 180, 400, 600, 800, 2500
in 4000. V zadnjem koraku so bili polirani z 1µm suspenzijo. Na pripravljenih vzorcih so se
pojavile napake, vidne s prostim očesom. Najvidnejše napake so bile pore, na vzorcu N1.
Slika 14: Napaka na vzorcu N1
4.1.3 Jedkanje
Uporabljeno je bilo jedkalo za avstenitno jeklo, ki je bilo pripravljeno iz:
- 500 ml destilirane vode,
- 300 ml HCl,
- 200 ml HNO3,
- 50 ml nasičene raztopine železovega-III-klorida,
- 2,5 mg bakrovega-II-klorida.
Po uspešnem postopnem jedkanju dvakrat po tri sekunde – vmes smo vzorec pogledali pod
mikroskopom, smo na naslednjem vzorcu jedkalo pustili delovati pet sekund. Rezultata sta bila
primerljiva. Vidimo, da je v primeru postopnega jedkanja, skupni čas delovanja jedkala (za
enak učinek), daljši.
Zjedkani vzorci so v času 48 ur neuporabe reagirali, mikrostruktura več ni bila vidna. Sledila je
ponovna priprava vzorca. Za odstranitev jedkala je bilo vzorec potrebno zbrusiti (dovolj je bila
najfinejša stopnja) ter spolirati. Vsi vzorci so bili pred fotografiranjem mikrostrukture v jedkalu
pet sekund.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
28
4.2 Določitev natančne kemične sestave materiala
Za potrditev, da je obravnavani material ustreza standardu avstenitnega nerjavnega z oznako
EN 1.4848, smo vzorec materiala približne velikosti 30x50mm poslali na analizo kemične
sestave v podjetje SIJ Metal Ravne d.o.o. Vsebnost ogljika (C) ter žvepla (S) je bila določena z
IR metodo, za določitev ostalih elementov je bila uporabljena metoda OES.
4.3 Meritev trdote vzorcev
Za meritev trdote materiala smo uporabili metodo po Vickersu. V površino vzorca smo vtisnili
diamantno piramido s kotom 136°, z obremenitvijo 0,4903N. Izmerili smo dolžini obeh
diagonal vtisnjene piramide, z njuno povprečno vrednostjo pa tabelarično določili trdoto HV
0,05.
Trdoto po Vickersu izračunamo z enačbo:
HV=0,102F
A (3)
Kjer je:
HV – oznaka trdote po Vickersu
F [N] – sila vtiska
A [mm2] – površina vtiska
4.4 Analiza mikrostrukture
Analiza mikrostrukture je bil opravljena na svetlobnem mikroskopu NIKON EPIPHOT 300, z 10-
kratno povečavo okularja. Uporabljeni so bili objektivi s 5, 10, 20, 50 in 100-kratno povečavo.
Skupna povečava preučevanih vzorcev je tako 50, 100, 200, 500 ter 1000-kratna.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
29
REZULTATI IN DISKUSIJA REZULTATOV
5.1 Kemična sestava vzorca
Preglednica 4: Kemijska analiza vzorca
Element Vrednost v vzorcu [%]
Standarizirana vrednost [9]
Element Vrednost v vzorcu [%]
C 0,41 0,30 - 0,50 V 0,05
Si 1,15 1,0 - 2,5 Cu 0,05
Mn 0,93 ≤2,00 W 0,20
P 0,018 ≤0,040 Al 0,003
S 0,006 ≤0,030 Ti 0,02
Cr 24,4 24,0 - 27,0 Co 0,03
Ni 22,6 19 - 22 Sn 0,006
Mo 0,03 ≤0,05 Nb 1,03
V preglednici 4 so prikazani rezultati kemične analize vzorca. Standard podaja dovoljene mejne
vrednosti določenega elementa – te so zapisane v tretjem stolpcu. Vsebnost elementov v
četrtem stolpcu je prikazana zgolj informativno, saj je vpliv teh elementov na lastnosti
materiala majhen in zahteva podrobnejšo raziskavo.
Izstopa podatek o vrednosti niklja. Standardizirana vrednost le tega znaša med 19 – 22%.
Vrednost niklja v analiziranem materialu je višja, z 22,6% precej presega dovoljeno vrednost
22%.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
30
5.2 Analiza mikrostrukture
Slika 15: Mikrostruktura vzorca O1
Pri 50-kratni povečavi dobimo celosten pogled na mikrostrukturo. Pričakovana je bila
avstenitna mikrostruktura, z ostrimi ter jasno določljivimi mejami med zrni. Temno obarvana
okolica svetle avstenitne matice kaže na dvofazno mikrostrukturo.
Avstenitna matica se pojavlja v obliki dendritov. Fazo v meddendritnem prostoru smo lahko
določili pri večji povečavi (sliki 18, 19). V meddendritnem prostoru se pojavlja δ-ferit.
Kljub natančnemu poliranju vzorca je površina le tega reliefna. Reliefnost vzorca je vidna že s
prostim očesom. Deli, ki so najgloblji, so zaradi močnejše reakcije z jedkalom obarvani bistveno
temneje. Tam se je jedkalo zadrževalo najdlje časa, saj ga prvotni curek vode ni dosegel in
spral s površine.
Črn krog označuje območje, ki bo približano pri večjih povečavah vzorca O1.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
31
Slika 16: Povečano področje z dendriti
Slika 17: Povečano področje med dendriti – prisotnost δ-faze
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
32
Slika 18: Jasno vidna prisotnost δ-faze
e
Slika 19: Povečano področje δ-faze
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
33
Sledijo vzorci pri največji, 1000-kratni povečavi. Preverili smo, ali se δ-ferit pojavlja na vseh
vzorcih, torej po celem območju valjčnice.
Slika 20: Vzorec O1
Slika 21: Vzorec N1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
34
Slika 22: Vzorec O2
Slika 23: Vzorec N2
Na vseh vzorcih je prisotna ista faza. Razlikuje se le območje okoli faze, ki je na nekaterih
vzorcih temnejše, kar je posledica nekoliko različnih časov jedkanja (merilna negotovost
človeškega faktorja).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
35
Sledijo vzorci pri 50-kratni povečavi, kjer smo opazovali delež δ-faze.
Slika 24: Vzorec O1
V vzorcu O1 je δ-ferit prisoten v obliki delno povezanih območij.
Slika 25: Vzorec N1
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
36
Slika mikrostrukture vzorca N1 nekoliko odstopa od ostalih. Razlika je nastala zaradi težave z
jedkalom. Vidno je, da jedkalo ni enakomerno pokrilo celotne površine vzorca. Na močneje
obarvanih delih je avstenitna matica lepo vidna, v temno obarvanem meddendritnem
prostoru je mogoče prepoznati δ-ferit.
Ponovno je vidna posledica neravne površine oziroma prisotnosti por – daljša reakcija površine
vzorca z jedkalom, ki povzroča močno temno obarvane dele vzorca. Prisotnost por v vzorcu
N1 je prikazana tudi na sliki 14, kjer so le te vidne brez uporabe mikroskopa.
Na prisotnost por nas je opozorila tudi težava z ostrenjem vzorca pri opazovanju s svetlobnim
mikroskopom. V primeru opazovanja ravne površine lahko izostrimo celotno trenutno
opazovano površino vzorca, medtem ko se v primeru pojava pore le ta ne izostri zaradi večje
oddaljenosti od objektiva oziroma obratno – v primeru ostrenja pore se okolica zamegli.
Slika 26: Vzorec O2
Na mikrostrukturi vzorca O2 so dendriti najlepše vidni. V svoji značilni obliki jih vidimo na
zgornjem delu slike.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
37
Slika 27: Vzorec N2
V primerjavi z vzorcem O2, so v mikrostrukturi N2 vidni večji dendriti avstenita ter manj
meddendritnega prostora, ki vsebuje δ-ferit.
5.3 Meritev mikrotrdote
Opravili smo meritev mikrotrdote. Ločeno smo merili trdoto vzorca na mestih dendrita ter v
meddendritnem prostoru. Na ta način lahko primerjamo trdoto avstenitne matice ter faze δ-
ferita po različnih območjih valjčnice ter njuno medsebojno razliko.
Pri merjenju smo za vtisnjenje piramide uporabili silo 0,4903N oziroma maso 50 gramske uteži.
To pomeni, da smo merili trdoto pri HV 0,05. Rezultat je število brez enote, ki se zapiše v obliki
xxx HV 0,05, pri čemer je xxx izmerjena trdota podana v preglednici 5.
Pozorni smo morali biti, da je vtis dovolj majhen, da je s celotno površino zgolj na eni fazi –
torej ali v avstenitnem dendritu ali v δ-feritu. V primeru uporabe večje sile bi bil vtis večji in
tako ne bi izmerili trdote zgolj ene faze.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
38
Preglednica 5: Meritev mikrotrdote po Vikersu HV 0,05
Oznaka vzorca Avstenitna
matica Povprečje δ-ferit Povprečje
O1
obrabljena gred
171
151
210
207 148 201
134 210
N1 manj obrabljena
gred
161
168
244
227 201 192
142 232
O2
obrabljen kos iz roba
161
182
386
343 201 341
183 303
N2
neobrabljen kos iz sredine valjčnice
161
169
441
452 127 441
221 473
Trdota avstenitne matice je manjša kot trdota δ-ferita. Pri analizi rezultatov trdote avstenitne
matice opazimo, da sta trdoti v vzorcih N1 in N2 skoraj enaki. Obema vzorcema je skupno, da
sta odvzeta iz manj obrabljenih delov valjčnice. Najmanjša trdota avstenita se pojavi v vzorcu
O1, ki je bil odvzet iz najbolj obrabljenega dela valjčnice, ki je bil izpostavljen največjim
obremenitvam. Iz rezultata lahko sklepamo, da je močna deformacija materiala vplivala na
zmanjšanje trdote. Omenjenega sklepa pa ne moremo potrditi s četrtim rezultatom, vzorcem
O2. V vzorcu O2 je bila izmerjena najvišja trdota avstenitne matice, kar kaže na to, da se je del
materiala, ki je bil izpostavljen stalni obremenitvi aluminijastega droga, utrdi. Možno je tudi,
da je bil raztros podatkov pri merjenju trdote vzorca N2 prevelik, ujemanje s trdoto N1 pa zgolj
naključje.
Trdota faze δ-ferita se med vzorci bistveno bolj spreminja. Najmehkejši je vzorec O1, ki je
odvzet iz najbolj obrabljene gredi. Nasprotno, največjo trdoto ima δ-ferit v vzorcu, ki velja za
najmanj poškodovanega. Tudi tukaj lahko sklepamo, da se z večanjem obrabe materiala trdota
manjša.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
39
5.4 Vpliv δ-ferita na trdoto in obrabno odpornost materiala
Po pojavu δ-ferita v meddendritnem prostoru dendritne avstenitne matice, smo preučili vpliv
δ-ferita na lastnosti materiala.
Po opravljenih meritvah mikrotrdote lahko sklepamo, da pojav δ-ferita zvišuje skupno trdoto
materiala, kar pa ima določen vpliv na obrabno odpornost materiala. Visoka obrabna
odpornost materiala je z veliko trdoto povezana zgolj do neke mere - visoka trdota materiala
namreč ni zagotovilo dobre obrabne odpornosti zaradi možnosti pojava krhkosti materiala.
Na obrabno odpornost pomembno vpliva mikrostruktura. Primerjava avstenitne, feritne ter
martenzitne mikrosture z enako vsebnostjo evtektičnega karbida (M7C3) (in z različnima
vrednostma kroma in ogljika s katerimi je bila dosežena različna osnova mikrostrukture), je
najboljšo obrabno odpornost razkrila pri materialu z matico iz avstenitne mikrostrukture.
Prisotnost δ-ferita negativno vpliva na korozijsko odpornost, saj je faza bogata s kromom. δ-
ferit ni stabilen, pri 300°C se razgradi, kar poveča trdoto ter zmanjša žilavost materiala.
Največji vpliv na količino δ-ferita ter njegovo porazdelitev po avstenitni osnovi ima kemična
sestava zlitine. [11] Glede na to, da obravnavana valjčnica deluje na temperaturah, ki krepko
presegajo 300°C, se lastnosti materiala, ko je v uporabi, bistveno razlikujejo od izmerjenih.
Delež δ-ferita močno vpliva na odpornost proti korozijskim razpokam. Feritna faza je zaradi
segregacij in nečistoč bolj občutljiva na pojav razpok, kot avstenitna faza.
V primeru 4% vsebnosti δ-ferita, se le ta tvori na posameznih, zaključenih delih avstenitne
osnove. Morebitne razpoke v feritnem zrnu se tako ne morejo razširiti naprej po celotni
mikrostrukturi. Pri vsebnosti 6%, se δ-ferit tvori povezano, po vseh mejah avstenitnih zrn. Tako
je omogočeno napredovanje razpoke po celotnem vzorcu. Razpok v obravnavani
mikrostrukturi ni bilo opaziti.
Prisotnost δ-ferita je v avstenitnem nerjavnem jeklu dobrodošla v nepovezanih sferičnih
oblikah. S tem zmanjšuje možnost kopičenja napak na mejah avstenitnih zrn, kjer bi se lahko
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
40
razvila interkristalna korozija, hkrati pa se deli δ-ferita ne stikajo med sabo in tako
napredovanje razpoke po večjem delu mikrostrukture ni mogoče.
Mejne vrednosti še koristne vsebnosti ferita se razlikujejo glede na pogoje v katerih so bili
vzorci testirani. Najvišje vrednosti, ki se pojavljajo v uporabljeni strokovni literaturi so med 7-
8%. [11]
δ-ferit se v obravnavanem vzorcu ni pojavljal v optimalni, sferični obliki. Opažena niso bila niti
večja, povezana območja δ-ferita. Glede na opažanja pri analizi mikrostrukture lahko ocenimo,
da delež δ-ferita ne presega mejne vrednosti, kjer bi katastrofalno škodoval materialu.
Za konkretnejše sklepe bi potrebovali natančno izmerjen podatek o vsebnosti deleža δ-ferita
sestavi materiala ter o vsebnosti δ-ferita na območjih valjčnice, ki so izpostavljene direktnemu
stiku z aluminijastim drogom. Povezavo med δ-feritom, trdnostjo materiala in obrabno
odpornostjo le tega si želim bolje raziskati v morebitnem nadaljnjem delu, ki bo nadgradilo
dosedanjo diplomsko nalogo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
41
SKLEP
Ustrezna metalografska priprava vzorcev je temeljni pogoj za uspešno analizo materiala.
Površina mora biti ravna, morebitni ostanki preteklih poskusov jedkanja v celoti odstranjeni,
da ne pride do pojava bistveno močnejših reakcij v okolici napak, saj zakrijejo mikrostrukturne
elemente.
Analiza mikrostrukture materiala valjčnice je pokazala dvofazno mikrostrukturo. Avstenitna
matica se pojavlja v obliki dendritov, meddendritni prostor je zaseden s fazo δ-ferita. Faza δ-
ferita se je izkazala za bistveno tršo od avstenitne matice.
Opravljena kemična analiza materiala je pokazala previsoko vrednost niklja, ki presega zgornjo
dovoljeno standardizirano mejo. Glede na to, da je pojav δ-ferita v največji meri odvisen od
kemične sestave materiala, se razkriva vprašanje o vplivu previsoke vrednosti niklja na sam
pojav ter količino nastalega δ-ferita, ki v prevelikih količinah negativno vpliva na lastnosti
materiala. Na tem mestu potrebno opraviti meritev vsebnosti faze δ-ferita v celotnem
materialu. V prihodnje si želim bolje raziskati povezavo med trdoto in obrabno odpornostjo
materiala.
V materialu valjčnic so se pojavljale napake, vendar močna in neenakomerna obraba valjčnice
nima zgolj metalurškega ozadja. V osnovi je potrebno poskrbeti, da bo valjčnica obremenjena
čim bolj enakomerno. Zaradi neustrezne montaže izdelka se lahko pogoji, v katerih material
obratuje, spremenijo do te mere, da v osnovi povsem ustrezen material naenkrat postane
neprimeren.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
42
VIRI
[1] F. Zupanič in I. Anžel, Gradiva. Maribor: Fakulteta za strojništvo Maribor, 2007.
[2] F. Vodopivec, Kovine in zlitine. Ljubljna: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije,
2002.
[3] L. Vehovar, Korozija kovin in korozijsko preskušanje. Ljubljana: samozaložba, 1991.
[4] M. Boniardi in A. Casaroli. Stainless Steels. (2014). Dosegljivo: http://www.fa-
fe.com/files/pdf/libri_articoli/en/2_Stainless_steels.pdf. [Datum dostopa: 18. 3. 2018].
[5] Outokumpu Oyj. Handbook of Stainless Steel. (2013). Dosegljivo:
https://www.outokumpu.com/zh-cn/choose-stainless/stainless-basics/handbooks.
[Datum dostopa: 21. 1. 2018]
[6] Stainless Steels [splet], Dosegljivo: http://www.phase-
trans.msm.cam.ac.uk/2005/Stainless_steels/stainless.html. [Datum dostopa: 26.1.
2018].
[7] SIST EN 10027-1:2016, " Označevanja jekel - 1. del: Oznake jekel", Ljubljana: SIST, 2016.
[8] SIST EN 10027-2:2015, "Sistemi označevanja jekel - 2. del: Številčni sistem", Ljubljana:
SIST, 2015.
[9] B. Jocić, Jekla in železove litine. Ravne na Koroškem: Bio-top, 2008.
[10] Maximum service temperatures in air for stainless steels [splet], Dosegljivo:
https://www.bssa.org.uk/topics.php?article=42. [Datum dostopa: 28.7.2018]
[11] G. Sui, E. A. Charles in J. Congleton, „The effect of delta-ferrite content on the stress
corrosion cracking of austenitic stainless steels in a sulphate solution,“ v Corrosion
Science, Newcastle upon Tyne, U.K., 1996, str. 687-703.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
43
VIRI SLIK
[1] Slika 1: Schaefflerjev diagram, dosegljivo na:
https://www.materials.sandvik/en/products/welding-products/welding-handbook3/ferrite-
content-diagrams/. [Datum dostopa: 26. januar 2018]
[2] Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture, dosegljivo na:
http://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-stainless-steels/metallurgy-
of-molybdenum-in-stainless-steel.php. [Datum dostopa: 22. marec 2018]
[3] Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn. Vir: M. Vidmar, 2018.
[4] Slika 6: Interkristalna korozija, dosegljivo na: http://www.ssina.com/corrosion/igc.html .
[Datum dostopa: 27. 5. 2018]
[5] Slika 28: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filma, dosegljivo
na: https://www.bladeforums.com/threads/which-tool-steel-is-most-corrosion-resistant-
d2.1543958/ . [Datum dostopa: 30. 7. 2018]
[6] Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo, dosegljivo na: http://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-stainless-steels/metallurgy-of-molybdenum-in-stainless-steel.php [7] Vir preostalih slik: M. Vidmar, 2018