stal duplex mikro

34 PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008

Jerzy Nowacki,

Jerzy Nowacki,Jerzy Nowacki

Stal dupleks i jej spawalno

Duplex steel and its weldability

WstpStal dupleks dziki skadowi chemicznemu i ferrytyczno-

-austenitycznej mikrostrukturze skupia najlepsze waciwoci chromowej stali ferrytycznej i chromowo-niklowej stali auste-nitycznej. Charakteryzuje si wysokimi waciwociami me-chanicznymi: granic plastycznoci, wytrzymaoci na roz-ciganie i cigliwoci oraz odpornoci na korozj ogln, werow i napreniow. Stosunkowo niski, w porwnaniu z stal austenityczn, koszt wytwarzania stali dupleks jest, mi-dzy innymi efektem obnionej zawartoci deficytowego i dro-giego niklu, co stanowi jej kolejn zalet. Doskonalenie skadu chemicznego stali, w kolejnych latach, midzy innymi w wyniku powikszenia zawartoci molibdenu i azotu zwikszyo stabil-no jej mikrostruktury i dalszy wzrost jej waciwoci. Zastoso-wanie stali austenityczno-ferrytycznej, gwnie na konstrukcje spawane stao si powodem szczeglnego zainteresowania jej spawalnoci. Powszechnie uwaa si, e stal dupleks naley do stosunkowo atwo spawalnych. Jednak znane s przyka-dy powanych trudnoci wystpujcych szczeglnie podczas spawania konstrukcji o duych rozmiarach, ktre doprowadziy do znacznych strat finansowych zwizanych z koniecznoci napraw i dodatkowych bada zczy spawanych.

Rozwj stali odpornej na korozjRozwj stali odpornej na korozj ma swj pocztek w dru-

gim dziesicioleciu dwudziestego wieku spostrzeeniem, e stal zawierajca ok. 13% chromu nie ulega korozji elektroche-micznej. W latach dwudziestych, jako pierwsze wyprodukowa-no stale ferrytyczne i martenzytyczne, nastpnie stale austeni-tyczne typu 18-8, a w latach czterdziestych pierwsze nierdzew-

StreszczenieNa podstawie rde i wasnych dowiadcze dokona-

no analizy mikrostruktury, waciwoci, zastosowa i ma- teriaowo-technologicznych problemw spawania stali dupleks. Przedstawiono obszar zastosowa spawania, szczeglnie konstrukcji wysokogabarytowych, na przy-kadzie spawania FCAW stali dupleks typu UNS S31803 w budowie statkw do transportu chemikaliw. Analizo-wano wpyw wybranych aspektw technologii spawania, w tym energii liniowej i temperatury midzyciegowej, ma-teriaw dodatkowych na przemiany mikrostruktury i wa-ciwoci zczy spawanych.

AbstractMicrostructure, properties, applications and material

and technological problems of duplex steel welding were analysed basing on the sources and on our own experien-ce. The area of welding applications was presented, in case of high-dimensioned constructions in particular, illustrated by FCAW welding of duplex steel type UNS S31803 for building of ships for transportation of chemicals. The influ-ence of selected aspects of welding technology, including linear energy and inter-welding sequence temperature, au-xiliary materials used for the change of microstructure and properties of welded joints, was analysed.

ne stale ferrytyczno-austenityczne. W latach 60-tych ubiege-go stulecia opracowano stale dupleks zawierajce 3555% ferrytu, co byo moliwe dziki zwikszeniu stenia chromu i zmniejszeniu stenia niklu w porwnaniu do stali austenitycz-nych. Pierwsze stale dupleks, nazywane stalami dupleks pierw-szej generacji, zawieray 18% Cr, 46% Ni oraz dodatek Mo i stosunkowo duo wgla, przez co charakteryzoway si nisk spawalnoci.

Udoskonalenie procesw produkcyjnych stali na przeo-mie lat 60-tych i 70-tych XX wieku w wyniku wprowadzenia procesw odwglania argonowo-tlenowego (AOD argon-oxygen decarburization) i odwglania prniowo-tlenowego (VOD vacuum-oxygen decarburization), umoliwio produkcj stali odpornych na korozje o wikszej czystoci metalurgicznej i niszym steniu wgla oraz lepszej kontroli ich skadu che-micznego, przede wszystkim stenia azotu. Optymalizacja skadu chemicznego, ze wzgldu na struktur i waciwoci, doprowadzia do opracowania wielu nowych gatunkw stali odpornych na korozj. Stale odporne na korozj zawieraj zgodnie z PN-EN 10020:1966 powyej 10,5% chromu, co za-pewnia tworzenie si warstewki pasywnej i zmian potencjau elektrochemicznego.

Stopy Fe-Cr krystalizuj jako roztwr stay . Stopy Fe-Cr zawierajce ponad 12,5% Cr zachowuj jednofazow struktur roztworu staego od linii solidus do temperatury pokojowej (rys. 1). Wobec braku przemian fazowych ich waciwoci me-chaniczne stopw Fe-Cr nie ksztatuj si w wyniku obrbki cieplnej, a wycznie przez obrbk plastyczn na gorco lub na zimno. W zakresie stenia chromu od 42,3 do 48,2% roz-twr stay podczas chodzenia ulega przemianie w temperatu-rze 815C w faz midzymetaliczn o skadzie zblionym do Fe-Cr. Dua twardo i krucho fazy powoduje ograniczo-ne znaczenie praktyczne stopw Fe-Cr o strukturze i + w zakresie stenia chromu od 24,7 do 69,5% [1]. Zakres wy-stpowania obszaru dwufazowego + przemieszcza si w kierunku mniejszego stenia Cr w stopach zawierajcych Mo, Si i Mn. W przeciwnym kierunku oddziaywaj C i N oraz Al przy zawartoci kilku procent.

Prof. dr hab. in. Jerzy Nowacki Politechnika Szczeciska.

35PRZEGLD SPAWALNICTWA 10/2008

Ferryt wysokochromowy w stopach Fe-Cr rni si od ferrytu w stopach Fe-C rozpuszczalnoci C i N oraz stabil-noci. Dugotrwae wygrzewanie w temperaturze od 450 do 500C powoduje spinodalny rozpad ferrytu wysokochromo-wego powodujcy rozsegregowanie na mikroobszary bogate i ubogie w Cr. Niedopasowanie sieci midzy tymi obszarami powoduje wzrost twardoci i kruchoci stopw o zawartoci chromu przekraczajcym ok. 20% (krucho 475C) [1]. Ze wzrostem stenia chromu i ilorazu Cr/C w stopach Fe-Cr two-rzy si wglik chromu (Cr, Fe)7C3 oraz (Cr, Fe)23C6 (rys. 2).

Wzrastajca zawarto wgla powoduje te przesunicie za-kresu stabilnoci fazy w kierunku wikszej zawartoci Cr [1].

Stale wysokochromowe s odporne na korozj w atmosfe-rze powietrza, wody i pary wodnej, wodnych roztworw alka-licznych, kwasw i soli, a take na dziaanie ropy naftowej, pa-liw, olejw i rodkw spoywczych. Nie s odporne na korozj w rodowisku chlorkw i jodkw [1].

Podzia stali odpornych na korozj i ich rozwj stanowi-cy wynik doskonalenia ich skadu chemicznego przedstawiony jest na rysunku 3, 4.

Rys. 3. Porwnanie stali Cr-Ni odpornych na korozj z przykadami oznacze Fig. 3. Comparison of Cr-Ni steels resistant to corrosion illustrated by the examples of markings

Rys. 2. Wpyw stenia wgla i chromu na skad fa-zowy stali wyarzonych [3]Fig. 2. Influence of carbon and chromium concentra-tion on phase composition of annealed steels [3]

Rys. 1. Dwuskadniko-wy ukad rwnowagi fa-zowej stopw Fe-Cr [2]Fig. 1. Two-component system of alloy phase equilibrium Fe-Cr [2]


Rys. 4. Zakres zawartoci chromu i niklu w stali odpornej na korozj: 1 austenitycznej, 2 ferrytyczno-austenitycznej, 3 utwardzanej wydzieleniowo, 4 ferrytycznej, 5 martenzytycznej [4] Fig. 4. Content range of chromium and nickel in steel resistant to corro-sion: 1 austenitic, 2 ferritic-austenitic, 3 hardened by precipitation, 4 ferritic, 5 martensitic [4]

Mikrostruktura i waciwoci stali dupleks

Stal ferrytyczno-austenityczna dupleks Cr-Ni-Mo, w po-rwnaniu ze stal austenityczn, zawiera mniej drogiego niklu i ma znacznie lepsze waciwoci wytrzymaociowe, przy do-brej odksztacalnoci i odpornoci na korozj, take w rodowi-skach zawierajcych jony chlorkowe (tabl. I). Podobny udzia ferrytu wysokochromowego i austenitu cechujcego si wy-sok cigliwoci decyduje, e stal dupleks zachowuje dobr odporno na pkanie w temperaturze do ok. -40C. Ferryt wy-sokochromowy jest jednak faz metastabiln, przez co zakres temperatury stosowania tej stali jest ograniczony do ok. 300C. Stal o zawartoci ok. 22% Cr, 5% Ni, 3% Mo i 0,2% N krystalizuje jako roztwr stay , czciowo przemieniajcy si od tempe-ratury okoo 1200C do 850C w faz . Stabiln struktur roz-patrywanych stali w temperaturze powyej 850C jest ferryt, a w niszych temperaturach mieszanina faz + + + (rys. 5) [1].

Struktur dwufazow + uzyskuje stal po przesycaniu z temperatury stabilnoci mieszaniny faz + , a udzia faz zaley od warunkw przesycania. Przesycanie z temperatury

Tablica I. Orientacyjny skad chemiczny i warunki obrbki cieplnej stali dupleks [5]Table I. Approximate chemical composition and heat treatment conditions of duplex steel [5]

Znak staliStenie pierwiastkw1), % Temperatura przesycania,

C/orodek chodzcy2)C Cr Ni N Mo inneX2CrNiN23-4 0,03 23 4,5 0,13 0,35 Cu:0,35 9501050/w, p

X2CrNiCuN23-4 0,03 23 4,5 0,13 0,35 Cu:2 9501050/w, p

X2CrNiMoSi18-5-3 0,03 18,5 4,9 0,08 2,8 Si:1,7 10001100/w, pX3CrNiMoN27-5-2 0,05 26,5 5,5 0,13 1,7 - 10201100/w, p

X2CrNiMoN22-5-3 0,03 22 5,5 0,16 3 - 10201100/w, p

X2CrNiMoN29-7-2 0,03 29 6,7 0,35 2,1 Cu 0,8 10401120/w, p

X2CrNiMoCuN25-6-3 0,03 25 7 0,25 3,5 Cu:1,8 10401120/w, p

X2CrNiMoN25-7-4 0,03 25 7 0,3 3,8 - 10401120/w, p

X2CrNiMoCuWN25-7-4 0,03 25 7 0,25 3,5 Cu:0,8, W:0,8 10401120/w, p

l) P 0,030,035, S 0,015, Si 0,51, Mn 12; wartoci bez znaku oznaczaj stenie rednie.2) w woda, p powietrze.

3) Wedug PN-EN 10088-3:2007.

bliskiej 1200C w wodzie zapewnia wystpienie w struktu-rze stali duego udziau ferrytu wysokochromowego i mae-go udziau austenitu. Powoduje to zwikszenie waciwoci wytrzymaociowych i zmniejszenie plastycznoci stali oraz odpornoci na pkanie i korozj. Wolniejsze chodzenie z wy-mienionej temperatury, np. w powietrzu, umoliwia czciow przemian i zwikszenie udziau austenitu w strukturze stali, polepszajcego wasnoci plastyczne. Wielko szybko-ci chodzenia z temperatury koca obrbki plastycznej stali na gorco lub spawania w powietrzu nie prowadzi do przemiany ferrytu wysokochromowego w fazy + [1]. Stal ferrytyczno- -austenityczna winna zawiera od ok. 40 do 60% fazy . Udzia fazy poza warunkami przesycania zaley istotnie od skadu chemicznego stali, tj. od rodzaju i stenia skadnikw ferryto- i austenitotwrczych.

Due zainteresowanie, jako skadnik stopowy w stalach dupleks wzbudza azot, pozwalajcy na zmniejszenie stenia deficytowego niklu, moliwe w wyniku wprowadzenia do stali azotu w iloci ponad 0,2%, co wymaga stosowania specjalnych technologii, np. cinieniowego przetapiania elektroulowego lub metalurgii proszkw [1].

Stal dupleks ma ograniczone stenie wgla do < 0,03% w celu obnienia temperatury przejcia ferrytu wysokochro-mowego ze stanu cigliwego w stan kruchy oraz 2128% Cr, 3,58% Ni, 0,14,5% Mo, 0,050,35% N, a niekiedy take 0,12,5% Cu i do 1% W.

Rys. 5. Przekrj ukadu rwnowagi fazowej sto-pw Fe-Cr-Ni przy ste-niu 70% [6]Fig. 5. Cross-section of phase equilibrium system of Fe-Cr-Ni alloys for con-centration of 70% [6]


W stanie przesyconym stal osiga wysokie waciwoci mechaniczne, R0,2 od 400 do 530 MPa, Rm od 600 do 930 MPa, wyduenie ponad 20 oraz > 25%, energi amania prbek Charpy V wzdunych KV20C ponad 80 oraz > 100 J i dobr odporno na korozj midzykrystaliczn rwnie po spawaniu. Podczas wygrzewania w zakresie temperatury od ok. 350 do ponad 500C faza ulega przemianie spino-dalnej na obszary izomorficzne o zrnicowanym steniu Cr, powodujcej wystpienie kruchoci 475C. Krtkotrwae wygrzewanie stali w temperaturze ponad 600C powoduje utwardzanie wydzieleniowe fazy, a przez dyspersyjne czstki azotkw Cr2N i Mo2N oraz CrN i MoN, wgliki M23C6 i faz -Fe36Cr12Mo10, podczas dugotrwaego wygrzewania w tych warunkach nastpuje cakowita przemiana ferrytu w faz , i austenit niskostopowy [1].

W przedziale temperatury 30010000C w wyniku pro-cesw wydzieleniowych zalenych od warunkw obrbki cieplnej lub cyklu cieplnego spawania, w stalach dupleks w osnowie ferrytu i austenitu mog zarodkowa i wzrasta zrnicowane pod wzgldem skadu chemicznego i struktury fazy wtrne (rys. 6) [5, 9]: ferryt wysokochromowy ` kruchy, obniajcy cigliwo-

ci stali i powodujcy krucho 475C, austenit wtrny 2 rnicy si skadem, morfologi

i waciwociami od pierwotnego, powstajcy pod wpy-wem aktywacji cieplnej, np. od kolejnego ciegu spoiny w wyniku trzech mechanizmw: reakcji eutektoidalnej > + 2, przemiany dyfuzyjnej (powstanie wydziele o strukturze Widmanstttena), wzgldnie przemiany izo-termicznej stanowicej analogi do przemiany martenzy-tycznej,

faza typu AB (Fe-Cr-Mo) tworzca si w zakresie tem-peratury 6501000C jako twarda midzymetaliczna faza bogata w Cr i Mo powodujca znaczny wzrost kruchoci stali i zmniejszenie odpornoci na korozj werow i mi-dzykrystaliczn stali,

faza (Fe36Cr12Mo10) typu A48B10 powstajca w wyniku dugo-trwaego wygrzewania w temperaturze 700900C, obnia-jca odporno korozyjn i zwikszajca krucho stali,

wgliki M7C3 i M23C6 powstajce w wyniku krtkotrwaego wygrzewania w temperaturze ok. 9501050C na grani-cach /, a drugie w temperaturze 6001000C powoduj-ce uboenie w chrom obszarw przylegych do granic zia-ren, co moe by przyczyn korozji midzykrystalicznej,

Rys. 6. Wpyw dodatkw stopowych na krzywe CTP procesy wydziele-niowe w stali dupleks [7, 8]Fig. 6. Influence of alloy additions on CTP uneven precipitation proces-ses in duplex steel [7, 8]

azotek typu M5N (Fe7Mo3N4) wewntrz ziaren ferrytu w spawanych stalach dupleks poddanych wygrzewaniu przez kilka godzin w temperaturze 600C, znaczenie azotka jest mao znane,

azotki chromu Cr2N i CrN powstajce po stosunkowo dugim wytrzymaniu stali w temperaturze 700900C lub wskutek gwatownego chodzenia z wysokiej temperatury np. po spawaniu w wyniku maej rozpuszczalnoci azotu w ferrycie, powodujce zuboenie ferrytu w chrom, co ob-nia odporno korozyjn stali,

faza R (Fe28Cr13Mo12) o strukturze romboedrycznej i fazy Lavesa typu A2B (Fe2Mo) bogate w molibden wydziela-jce si w temperaturze 550650C na granicy / oraz wewntrz fazy obniajce odporno na korozj wero-w oraz udarno stali dupleks,

faza (Fe, Cr, Mo, Ni) powstajca na granicach / w temperaturze od 550650C w wyniku dugotrwaego wygrzewania,

faza G towarzyszca wydzielaniu ferrytu wysokochro-mowego podczas wygrzewania stali w temperaturze 300400C,

faza bogata w mied wydzielajca si dyspersyjnie w temperaturze 500600C w fazie , powodujca jego utwardzenie i zmniejszajca stabilno warstwy pasywnej, w nastpstwie czego uwraliwiaj powierzchni stali na dziaanie korozji.

O waciwociach mechanicznych i odpornoci na koro-zj stali dupleks decyduje jej mikrostruktura, gwnie objto wzgldna ferrytu i austenitu. Wzrost objtoci wzgldnej au-stenitu zapewnia cigliwo i udarno oraz zwiksza odpor-no na dziaanie korozji, a wzrost objtoci wzgldnej ferrytu zwiksza wytrzymao na rozciganie, granic plastycznoci i twardo stali. Korzystne waciwoci mechaniczne stal za-wdzicza drobnoziarnistej strukturze oraz obecnoci roztworu midzywzowego azotu w austenicie. Azot rozpuszczajc si w austenicie powoduje wzrost jego waciwoci wytrzy-maociowych do poziomu waciwoci ferrytu. Wytrzymao na rozciganie stali dupleks jest okoo dwa razy wysza od jej granicy plastycznoci, natomiast w stalach austenitycz-nych ten iloraz wynosi ok. 0,35. Obrbka plastyczna na zim-no moe spowodowa wzrost wartoci granicy plastyczno-ci stali nawet do ok. 1000 MPa. W trakcie eksploatacji stali w podwyszonych temperaturach warto granicy plastyczno-ci obnia si, co jest spowodowane osabieniem umacniaj-cego wpywu azotu, ktrego atomy staj si bardziej ruchliwe i w mniejszym stopniu blokuj ruch dyslokacji.

Udarno stali dupleks w temperaturze pokojowej jest porwnywalna do stali austenitycznej, jednak z obnianiem temperatury badania wyranie maleje. Temperatura przejcia w stan kruchy stali ferrytyczno-austenitycznych wynosi ok. 50C (rys. 7, 8, tabl. II). Wysza twardo stali dupleks, w porwnaniu ze stal austenityczn, zwizana jest efektem wikszej wytrzymaoci struktury dwufazowej i sprawia, e stal dupleks ma dobr odporno na zuycie cierne i erozj.

Korzystny wpyw na odporno korozyjn w skoncen-trowanym kwasie azotowym, a take zwikszenie odpor-noci na utlenianie w wysokiej temperaturze zapewnia do-datek krzemu do 2%. Znane s stale dupleks zawierajce 3,55,5% Si o podwyszonej odpornoci na korozj werow i napreniow [10]. Stabilizujcy ferryt wolfram o zawartoci do 2% zwiksza odporno stali na korozj werow, a take szczelinow w gorcych roztworach chlorkw [11].

W celu uzyskania struktury ferrytyczno-austenitycznej dla zrwnowaenia wpywu pierwiastkw ferrytotwrczych, ko-nieczne jest wprowadzenie do stali pierwiastkw stabilizuj-cych austenit, np. niklu o zawartoci 38%, ktry jednocze-nie zwikszenia pasywno stali i odporno korozyjn stali w rodowiskach kwasw organicznych i nieorganicznych.


Rys. 7. Wpyw objtoci wzgldnej ferrytu na waciwoci mecha-niczne stali austenityczno-ferrytycznej zawierajcej 23% Cr, 3% Mo, 0,05% C i zmienn ilo niklu [12]Fig. 7. Influence of ferrite relative volume on mechanical properties of austenitic-ferritic steel containing 23% Cr, 3% Mo, 0,05% C and variable quantity of nickel [12]

Rys. 8. Zaleno pracy amania w funkcji temperatury badania stali odpornych na korozj; 1 stal austenityczna, 2 stal ferrytyczna, 3 stal austenityczno-ferrytyczna, 4 stal martenzytyczna [8, 1315]Fig. 8. Dependence of fracture resistance work as a function of tem-perature for testing of steels resistant to corrosion; 1 austenitic ste-el, 2 ferritic steel, 3 austenitic-ferritic steel, 4 martensitic steel [8, 1315]

Tablica II. Waciwoci mechaniczne w temperaturze poko-jowej stali dupleks w stanie przesyconym i stali ferrytycznych w stanie wyarzonym [16]Table II. Mechanical properties of duplex steel in supersatu-rated state and of ferritic steel in annealed state at room tem-perature [16]

Znak stali

Umowna granica plastycznoci

0,2%Re0,2, MPa

Wytrzymaona rozciganie

Rm, MPa

Wyduenie A, %

Energia amania,

J

Twardo, HB

X2CrNiN234 400420 620830 20 100 260X2CrNiMoN2253 460480 650880 25 100 270X2CrNiMoCuN256-3 490510 700900 25 100 270X2CrNiMoN2574 530550 730930 25 100 290X2CrNiMoCuWN2574 550 730930 25 100 290

Azot pozwala na obnienie zawartoci niklu. Zwiksza spawalno, waciwoci mechaniczne oraz odporno stali na dziaanie korozji werowej. Wprowadzenie do stali powy-ej 0,2% azotu wymaga zastosowania specjalnych techno-logii np. metalurgii proszkw lub cinieniowego przetapiania elektroulowego. Zawarto azotu w stali dupleks wynosi ok.

0,15%, a w stalach superdupleks ok. 0,3%, co umoliwia wik-sz rozpuszczalno azotu w stopach o wikszej zawartoci pierwiastkw stopowych, zwaszcza chromu, manganu i molib-denu zwikszajcych jego rozpuszczalno w austenicie [17].

Mangan w stali dupleks zwiksza odporno na zuy-cie cierne i adhezyjne oraz waciwoci wytrzymaociowe bez obnienia cigliwoci stali. Zawarto manganu w stali dupleks nie przekracza 2%, poniewa powyej 3% obnia krytyczn temperatur powstawania werw CPT (Critical Pitting Temperature) w wyniku tworzenia zarodkw korozji werowej, jakimi s siarczki manganu.

Mied zwiksza odporno stali na korozj w rodowi-skach nie utleniajcych. Wysokie stenie miedzi wpywa na pogorszenie plastycznoci na gorco i spawalnoci, z tego wzgldu jej stenie w stali ogranicza si do ok. 2% [18].

Maa zawarto wgla ma zasadniczy pozytywny wpyw na odporno stali dupleks na korozj. W stalach Cr-Ni rozpusz-czalno wgla w austenicie w temperaturze pokojowej wyno-si ok. 0,04% i zmniejsza si wraz z obnianiem temperatury. Zawarto wgla w stali dupleks ograniczono do ok. 0,03% w celu powstrzymania wydziele wglikw chromu, ktre przyczyniaj si do zuboenia w chrom obszarw przylegych do granic ziaren i uczulenia na korozj midzykrystaliczn.

Waciwoci stali dupleks istotnie zale od segrega-cji skadnikw stopowych w austenicie i ferrycie. Ferryt jest bogatszy w Cr, Si, Mo, W i P, a austenit w Mn, Cu, Ni i N. Prawidowa zawarto skadnikw stopowych, gwnie Cr, Mo i Ni w stali zapewnia uzyskanie trwaego stanu pasywne-go stali w powietrzu i rodowiskach korozyjnie agresywnych (rys. 9, tabl. III, IV).

W celu okrelenia odpornoci na korozj werow oma-wianych stali stosowany jest rwnowanik PRE (Pitting Resi-stance Equivalent):

PREN = % Cr + 3,3% Mo +16% N (1)

W stalach z dodatkiem wolframu rwnowanik PRE wyznaczany jest zgodnie z:

PREW = % Cr + 3,3 (% Mo + 0,5 % W) +16% N (2)

Stopy o rwnowaniku PRE wikszym od 40 s szcze-glnie odporne na korozj werow i stosowane w bardzo agresywnych rodowiskach, np. w wodzie morskiej, w ro-dowisku rozcieczonego kwasu solnego i siarkowego. Innym sposobem oceny podatnoci stali na ten typ korozji jest kry-tyczna temperatura tworzenia si werw CTP (Critical Pit-ting Temperature) okrelajca doln temperatur, w ktrej wystpi korozja werowa w roztworze FeCl3 przy zmiennej temperaturze badania.

Wysoka odporno stali dupleks na korozj midzykry-staliczn zwizana jest z jej odpornoci na uczulenie oraz wysokiej wartoci wspczynnika dyfuzji w ferrycie, 100 razy wikszej ni w austenicie, umoliwiajcej ujednorodnienie zawartoci chromu w obszarach wntrza i granic ziaren. Stal ferrytyczno-austenityczna jest bardziej odporna na dziaanie korozji midzykrystalicznej od stali austenitycznej o tej samej zawartoci wgla, a dla zawartoci wgla mniejszej od 0,02% mog by cakowicie odporne na ten typ korozji. Odporno na korozj w kwasach nieorganicznych dwufazowych stali du-pleks jest porwnywalna do odpornoci wysokochromowych stali austenitycznych. Odporno stali dupleks na korozj w kwasach o waciwociach redukujcych zaley od skonno-ci do pasywacji stali, natomiast w obecnoci kwasw o wa-ciwociach utleniajcych od odpornoci warstwy wierzchniej na korozj. Stal dupleks charakteryzuje si rwnie dobr od-pornoci na oddziaywanie kwasw organicznych.


Rys. 9. Skonno do korozji napreniowej w funkcji temperatury i stenia jonw Cl-; prby przy staym obcieniu rwnym granicy plastycznoci, czas prby 1000 h [19]Fig. 9. Susceptibility to stress corrosion as a function of temperature Cl- ions concentration; tests at constant load equal to yield point, test duration of 1000 h [19]

Tablica III. Porwnanie odpornoci na korozj napreniow stali austenitycznych i stali stali dupleks [13]Table III. Comparison of resistance to stress corrosion of austenitic and duplex steels [13]

Znak stali

Orodek korozyjny

42% MgCl2154C

35% MgCl2125C

parowanie kropli 0,1 M NaCl

120C

test Wicka1500 ppm Cl

w NaCl, 100C

33% LiCl2,120C

40% CaCl2,100C

2528%NaCl,155C

26%NaCl,200C

Stal austenityczna X2CrNiMo17-12-2 - - - - - - - -

Stal ferrytyczno-austenityczna X2CrNiN23-4 - - - - + + + - X3CrNiMoN22-5-3 - - - + + + + - X2CrNiMoN25-7-4 - - - + + + + - X2CrNiMoCuWN25-7-4 - - - + + + + - - prawdopodobiestwo pkania, + brak pkni

Tablica IV. Oznaczenia, skad chemiczny i rwnowaniki PRE stali dupleks [12, 20]Table IV. Markings, chemical composition and PRE equivalents of duplex steel [12, 20]

Znak stali Oznaczenie handloweZawarto dodatkw stopowych, %5)

PREN PREWC Cr Ni Mo N inne

X2CrNiN23-4 SAF 23041) UR 35 N2) 0,03 23 4 0,2 0,1 Cu: 0,35 24

X3CrNiMoN22-5-3UR 45 N2) SAF 22051)

UR 45 N+2) 0,05 22 5 2,8 0,15 - 32/33

0,03 22,8 6 3,3 0,18 - 35/36

X2CrNiMoCuN25-6-3

UR 52 N2)

0,03

25 6,5 3 0,22 Cu: 1,5 38/39

UR 47 N2) 25 6,5 3 0,22 38/39

DP 33) 27 7 3 0,16 Cu: 0,5 W: 0,3 37 38

X2CrNiMoCuN25-6-3 UR 52 N+2)

0,03

25 7 3,5 0,25 Cu: 1,5 41

X2CrNiMoN25-7-4 SAF 25071) 25 7 3,8 0,28 - 41

X2CrNiMoCuWN25-7-4

Zeron 1004) 25 7 3,5 0,24 Cu: 0,7 W: 0,7 40 41,5

DTS 25.7 NW3) 27 7,5 3,8 0,27 Cu: 0,7 W: 0,7 44 45

DTS 25.7 NW Cu3) 25 7,5 4 0,27 Cu: 1,7 W: 0,7 42,5 44

Producent 1) Avesta Sheffield Ltd, 2) Creusot-Loire Industrie, 3) Sumitomo Metal Industries, 4) Weir Materials Ltd, 5) P 0,035; S 0,0150,03; Si 0,71; Mn 12

Zastosowanie stali dupleksStal dupleks najczciej znajduje zastosowanie po wy-

arzaniu w temperaturze 10201100oC i chodzeniu w wo-dzie zapewniajcym udzia ok. 50% ferrytu i 50% austenitu w strukturze. Udzia stali dupleks w zuyciu stali stopowych wynosi ok. 1%, lecz zapotrzebowanie na t stal cigle ronie. Odporna na korozj stal ferrytyczno-austenityczna stanowi atrakcyjn alternatyw dla klasycznej jednofazowej stali au-stenitycznej i ferrytycznej [21]. O obszarze zastosowania stali dupleks decyduj jej zalety i wady. Do gwnych zalet stali dupleks zalicza si: umiarkowan cen w porwnaniu ze stal wysokoniklow, wysok granic plastycznoci, prawie dwa razy wiksz

od granicy plastycznoci stali austenitycznej, may wspczynnik rozszerzalnoci cieplnej, wysok odporno korozyjn, wynikajc gwnie z duej

zawartoci pierwiastkw stopowych Cr, Mo, N.Gwn wad stali dupleks jest ograniczenie temperatury

jej zastosowania do ok. 250300C oraz wzrost jej kruchoci w wyniku dugotrwaego oddziaywania podwyszonej tem-peratury powodujcej krucho 475C [21].

Nowoczesna stal dupleks ma bardzo dobre waciwoci mechaniczne w przedziale temperatur od ok. 50250C i dobr spawalno. Charakteryzuje si ona wysok odpor-noci na korozj werow, korozj napreniow i posiada


w wielu rodowiskach korozyjnych lepsze waciwoci od sta-li austenitycznej zawierajcej porwnywalne iloci dodatkw Cr i Mo. Jest stosowana do budowy konstrukcji i urzdze eksploatowanych w wodzie morskiej oraz w atmosferze za-nieczyszczonej siarkowodorem i innymi substancjami agre-sywnymi chemicznie, konstrukcji i urzdze w przemyle wydobywczym ropy i gazu, w budowie statkw do transportu substancji chemicznych oraz w przemysach papierniczym, chemicznym i spoywczym [1].

Gwnymi przykadami zastosowania stali dupleks s: elementy wymiennikw ciepa (rury cienkie i grube do

gazu i oleju), elementy rurocigw instalacji odsalania, elementy zbiornikw cinieniowych (rury, instalacje do

technologicznego przetwarzania i transportu chemikaliw), rurocigi w przemyle przetwrczym do transportu roz-

tworw zawierajcych chlorki, wirniki, wentylatory, way i walce prasownicze, od kt-

rych wymagana jest wysoka wytrzymao na zmczenie korozyjne,

zbiorniki i rurocigi w przemyle okrtowym, w statkach do transportu chemikaliw,

instalacje przybrzene (off-shore), czci maszyn i urzdze w przemyle papierniczym, przemys wydobywczy ropy naftowej i gazu, instalacje na

polach naftowych i do transportu ropy naftowej, zbiorniki i instalacje w przemyle petrochemicznym.

Stal dupleks stosuje si rwnie w polskim przemyle chemicznym, np. w konstrukcji wymiennikw ciepa, w kt-rym zastosowano stal dupleks jako powok antykorozyjn napawan na stali niestopowej w celu zabezpieczenia jej przed korodujcym dziaaniem karbaminianu amonu. Jed-nym z waniejszych obszarw zastosowa stali dupleks jest przemys okrtowy, w ktrym jest stosowana w konstrukcji statkw do transportu chemikaliw. W roku 1970 zosta wy-budowany w stoczni Dunkerque Shipyard pierwszy statek do transportu chemikaliw ze stali dupleks.

Technologia spawania stali dupleks w konstrukcji wiel-kogabarytowych stwarza wiele problemw, dlatego nielicz-

Rys. 10. Przykad rozmieszczenia zbiornikw adunkowych ze stali austenityczno-ferrytycznej w nowoczesnym statku do transportu chemikaliw; przestrze, w ktrej znajduj si zbiorniki adunkowe zaznaczono kolorem szarym wg [22]Fig. 10. Example of the arrangement of loading containers, made of austenitic-ferritic steel, on the modern ship for transportation of chemicals; the space where the loading containers are located is marked with grey colour acc. to [22]

ne orodki na wiecie podjy ryzyko produkcji statkw do transportu chemikaliw z tej stali [22]. Statki chemikaliowce dostosowane s do transportu adunkw chemicznych, jak rwnie produktw rafinacji ropy naftowej, kwasw, olejw rolinnych, tuszczw zwierzcych, wina i melasy. Dodatko-wo przystosowane s one do przewozu takich adunkw jak np. hexamethylenedimene, n- pentane, i pentane, naphta-lene, kwas fosforowy. Konstrukcja kaduba uwzgldnia stan napre wewntrznych i obcie zewntrznych, rodzaj i rozmieszczenie przewoonego adunku oraz potrzeb eks-ploatacyjnych: m.in. jednoczesny przewz rnych substan-cji chemicznych w osobnych zbiornikach adunkowych oraz wymagania przepisw towarzystw klasyfikacyjnych i warunki eksploatacji.

W przypadku statkw do transportu chemikaliw o mniej-szej wypornoci (poniej 40 000 DWT) przestrze adunko-wa podzielona jest na odrbne czci, gdzie wyrni mona zbiorniki boczne z lewej i prawej burty oraz zbiorniki rod-kowe. Zbiorniki wzdunie podzielone s ukadem grodzi falistych wzdunych o fali pionowej. Zewntrznie zbiorniki ograniczone s dnem podwjnym, grodziami burtowymi po-dwjnymi i pokadem gwnym.

Podziau na mniejsze zbiorniki dokonuje si za pomo-c grodzi falistych o ukadzie fali poziomej lub fali pionowej [22]. Dziki mniejszej adownoci, mniejszym obcieniom zewntrznym i napreniom wewntrznym konstrukcja gro-dzi falistych w peni zabezpiecza sztywno konstrukcji we-wntrznej kaduba, a wszystkie usztywnienia umieszcza si na zewntrz zbiornikw adunkowych (tj. w dnie podwjnym, grodziach burtowych i na pokadzie gwnym).

W przypadku statkw o wikszej wypornoci (powyej 40 000 DWT) konstrukcja kaduba jest nieco inna. Rejon zbiornikw adunkowych statkwchemikaliowcw posiada wydzielon sekcj rodkow i sekcje burtowe, oddzielone przy pomocy grodzi wzdunych paskich typu koferdamo-wego [22]. Sekcja rodkowa jest podzielona na zbiorniki, wczajc w to zbiorniki na odpady pynne. Sekcje burtowe rwnie s podzielone na zbiorniki. Podzia na zbiorniki doko-nany jest przy pomocy grodzi falistych (rys. 10).


Grubo stosowanych blach ze stali dupleks na kon-strukcje zbiornikw adunkowych chemikaliowcw mieci si w zakresie od 8,5 do 32 mm i zwykle jest zrnicowana w poszczeglnych rejonach konstrukcji zbiornikw [22].

Wszystkie zbiorniki adunkowe ze stali dupleks chemika-liowcw maj powierzchni wewntrzn woln od elementw konstrukcyjnych. W konstrukcji paszcza zbiornikw statkw wszystkie zcza, zarwno doczoowe jak i teowe wykona-ne s najczciej jako spoiny czoowe o penym przetopie, tworzc poczenia jednorodne ze stali dupleks. Pozostae elementy konstrukcyjne w zczach z elementami zbiornikw ze stali dupleks tworz poczenia mieszane ze stal wglo-w lub o podwyszonej wytrzymaoci. Poczenia mieszane w zczach doczoowych wykonane s jako spoiny czoowe z penym przetopem, natomiast zcza teowe w wikszoci uksztatowane s spoinami pachwinowymi. Wystpowanie elementw konstrukcyjnych od strony powierzchni zewntrz-nej zbiornikw, powoduje konieczno wykonania po-cze mieszanych i jednorodnych na duej iloci elementw uszczelniajcych o niewielkich wymiarach, ktre tworz za-rwno zcza nakadkowe spawane spoinami pachwinowymi jak i teowe spawane w zalenoci od rodzaju wza spoinami pachwinowymi lub czoowymi z penym przetopem. Wymie-nione rodzaje zczy spawanych jednorodnych i mieszanych powoduj zapotrzebowanie na wykonanie prac spawalni-czych o cznej dugoci ok. 48 000 m na statek, w tym z-cza doczoowe ze spoinami czoowymi (ok. 10 000 m), zcza teowe ze spoinami czoowymi (ok. 8000 m), spoiny pachwi-nowe w zczach teowych i nakadkowych (ok. 30 000 m).

Spawalno metalurgiczna stali dupleks

Przemiany fazowe w stali dupleks podczas nagrzewania i chodzenia wywieraj istotny wpyw na struktur, skad fa-zowy i morfologi faz oraz wasnoci mechaniczne zcza spawanego. Zastosowanie dodatkowych materiaw spa-walniczych o skadzie zblionym do skadu stali powoduje, e spoina bezporednio po zakrzepniciu ma struktur roz-tworu staego , ktry podczas chodzenia ulega czciowej przemianie w austenit (rys. 11). Udzia fazy i jej morfologia zale od szybkoci chodzenia zczy w zakresie stabilnoci fazy , tj. do ok. 850C. Dotyczy to take strefy wtopienia oraz strefy wpywu ciepa nagrzanej do temperatury przekra-czajcej lini przemiany + / [1].

Istotny wpyw na szeroko strefy wpywu ciepa, objto wzgldn, wielko i morfologi ziaren faz i wywiera ener-gia liniowa spawania, wielko czonych elementw oraz wielko temperatury midzyciegowej. Dua warto energii liniowej, powoduje zwikszenie szerokoci strefy wpywu cie-pa, rozrost ziaren fazy i zmniejszenie szybkoci chodze-nia zcza spawanego oraz zwikszenie objtoci wzgldnej fazy . Austenit tworzcy si w strefie wpywu ciepa, ozna-czany niekiedy jako 2, jest uboszy w Cr i bogatszy w Ni, w porwnaniu z faz wystpujc w stali. Przy maej ener-gii liniowej spawania szybko chodzenia zczy jest dua w wyniku intensywnego odprowadzenia ciepa przez czo-ne elementy o duej pojemnoci cieplnej. Wtedy przemianie w faz ulega tylko niewielka cz fazy , a struktura zcza ma morfologi zblion do morfologii struktury Widmanstate-na. Cykl przemian fazowych zachodzcych podczas nagrze-wania w procesie spawania i chodzenia zczy powtarza si podczas nakadania kolejnej warstwy. Zrnicowane warunki chodzenia po nakadaniu kolejnych warstw powoduj r-ny udzia faz i oraz ich morfologii w licu i grani zcza

spawanego [1]. Szybko chodzenia zcza spawanego z temperatury stabilnoci fazy , tj. z ok. 850C, powinna by dostatecznie dua, aby nie dopuci do procesw wydzie-leniowych i przemian ferrytu wysokochromowego w fazy , i im pokrewne pod wzgldem strukturalnym oraz austenit niskostopowy, gdy powoduje to zmniejszenie cigliwoci, a take odpornoci na korozj zcza spawanego. Wynika std take konieczno ograniczenia temperatury midzy-ciegowej do < 200C [1].

Krtkie czasy oddziaywania wysokich temperatur i du- e gradienty temperatur w strefie wpywu ciepa decyduj o specyfice procesw wydzieleniowych i przemian ferrytu w austenit i austenit wtrny 2. W zalenoci od temperatu-ry, jak osignie strefa wpywu ciepa w czasie wykonywania kolejnego ciegu tworz si warunki zarodkowania i wzrostu bardzo zrnicowanych pod wzgldem skadu chemicznego, struktury i znaczenia rodzajw wydziele faz midzymeta-licznych (, z, R, G, , T), wglikw (M23C6, M7C3), azotkw (CrN, Cr2N) i austenitu (2).

W wyniku chodzenia z temperatur powyej linii prze-miany + w ukadzie rwnowagi termodynamicznej Fe-Cr-Ni tworzy si austenit pierwotny , jako produkt prze-miany . Austenit wtrny 2, zasadniczo rnicy si skadem, morfologi i waciwociami od pierwotnego, po-wstaje w stali dupleks w wyniku przemiany + + + 2 w strukturze austenityczno-ferrytycznej po nagrzaniu jej do temperatury poniej linii przemiany + w ukadzie rw-nowagi termodynamicznej Fe-Cr-Ni.

O waciwociach mechanicznych i odpornoci korozyjnej strefy wpywu ciepa stali dupleks decyduje objto wzgld-na ferrytu i austenitu, morfologia i wielko ziaren ferrytu i austenitu oraz rodzaj, morfologia i rozkad wglikw, azot-kw i szeregu faz midzymetalicznych, ktrych wpyw na waciwoci strefy wpywu ciepa jest najczciej niekorzyst-ny. Szeroko strefy wpywu ciepa zaley przede wszystkim od wielkoci energii liniowej spawania oraz przekroju spa-wanego zcza. Przy spawaniu z niewielk energi liniow, rozrost ziaren ferrytu oraz intensywno przemiany s ograniczone. W przypadku duej koncentracji pierwiastkw austenitotwrczych (Ni, Mn, Cu, N, C) i duej szybkoci na-grzewania, temperatura przemiany moe wzrosn tak, e wzrost ziaren ferrytu rwnie zostanie ograniczony [23].

Techniki spawania stali dupleksSpawanie ukowe stali dupleks moliwe jest w zalenoci

od warunkw i wielkoci produkcji za pomoc metod spawania: spawanie rczne elektrodami otulonymi (SMAW),

Rys. 11. Mikrostruktura strefy wpywu ciepa, ferryt ciemna faza, austenit pierwotny jasna faza, energia liniowa spawania: a 1,6 kJ/mm, objto wzgldna ferrytu 54%, b 2,2 kJ/mm, obj-to wzgldna ferrytu 48%, [24]Fig. 11. Microstructure of the heat-affected zone, ferrite dark pha-se, primary austenite light phase, linear energy of welding: a 1,6 kJ/mm, ferrite relative volume 54%, b 2,2 kJ/mm, ferrite relative volume 48%, [24]

a b


Rys. 12. Sekcja zbiornika spawana metoda FCAW w czasie montau na pochylni [22]Fig. 12. The section of the container, which was welded by FCAW method during installation on the slipway [22]

Rys. 13. Sekcja dna wewnetrznego spawana metod FCAW w czasie montau na pochylni [22]Fig. 13. The section of the inner bottom, which was welded by FCAW method during installation on the slipway [22]

spawanie elektrod nietopliw w osonie gazu obojtnego (GTA),

spawanie elektrod topliw w osonie gazu aktywnego (GMAW),

spawanie drutem proszkowym w osonie gazw (FCAW), spawanie ukiem krytym pod topnikiem (SAW), spawanie plazmowe (PAW).

W duych zakadach o zrnicowanym programie pro-dukcji proces spawania ukowego najczciej realizowany jest z zastosowaniem metod [22]: 121 (SAW) drutem litym pod topnikiem, 111 (SMAW) elektrod otulon, 136 (FCAW) drutem proszkowym.

Materiay rodzime i dodatkoweNajczciej stosowanym materiaem rodzimym jest stal

UNS 31803 (X2CrNiMo 22-5-3) ( 0,03% C; 2123% Cr; 4,56,5% Ni; 2,753,5% Mo; 2,0% Mn; 1,0% Si; 0,150,19 N; 0,03% P; 0,02% S) spawana drutami rdzeniowymi metod FCAW jako jedn z najbardziej rozwojowych metod spawa-nia ukowego stali dupleks majc najwikszy udzia w zuy-ciu stopiwa. Spawanie drutami rdzeniowymi metod FCAW stanowi najwikszy udzia w realizacji procesu budowy che-mikaliowcw. W znacznym stopniu wykorzystuje si spawa-nie na podkadkach ceramicznych [108]. W przypadku zczy teowych i zczy doczoowych o gruboci powyej 17 mm najczciej stosuje si podkadki okrge o rednicy zalenej o odstpu progowego (zwykle 10 lub 12 mm). Stosowane jest spawanie dwustronne. W zczach doczoowych o gruboci blach poniej 17 mm wykorzystuje si metod spawania jednostronnego przy zastosowaniu podkadek paskich. Na rysunku 12, 13 przedstawiono zakres zastosowania metody FCAW przy spawaniu zczy montaowych (grodzi falistych, koferdamowych i dna wewntrznego) chemikaliowcw budo-wanych w SSN.

W celu uzyskania waciwej struktury zcza spawanego, waciwoci mechanicznych i odpornoci korozyjnej druty proszkowe do spawania stali dupleks, musz zawiera wik-sz ilo skadnikw stopowych (przede wszystkim Cr, Ni, N) w porwnaniu do materiau podstawowego. Ni i N, jako pierwiastki stabilizujce struktur austenityczna gwarantuj uzyskanie odpowiedniego udziau tej fazy w strukturze po-czenia. Obecnie produkowanych jest kilkanacie rodzajw drutw proszkowych (tabl. V, VI).

Tablica V. Skad chemiczny stopiwa wybranych drutw proszkowych [22]; bd brak danychTable V. Chemical composition of weld deposit for selected tubular electrode wires [22]; bd no data

Producent/OznaczenieKlasyfikacja

wg AWS A5.22Skad chemiczny, % wag.

C Cr Ni Mo Si Mn N V Nb Cu P SElga/Cromacore DW 329A E2209T0-4/-1 0,02 22,9 9,2 3,0 0,8 1,3 0,10 0,1 0,08 0,02 0,020 0,007Elga/Cromacore DW 329AP E2209T1-4/-1 0,02 22,9 9,2 3,0 0,8 1,3 0,10 0,1 0,08 0,02 0,020 0,007

Esab/OK Tubrod 14.27 E2209T1-4/-1 < 0,04 22,0 9,0 3,0 0,85 0,9 0,11 bd bd bd

0,025

0,025

Esab/OK Tubrod 14.37 E2209T0-1 0,03 22,6 9,0 3,1 0,8 1,0 0,13 bd bd bd 0,035

0,025NST/ duplex 329 J3L E2209T1-4 0,028 22,8 8,84 2,97 0,39 1,22 0,12 bd bd 0,04 0,018 0,008Avesta Welding/ FCW-2D 2205 E2209T0-4/-1 0,025 23,3 9,2 3,3 0,6 0,8 0,14 bd bd bd bd bdAvesta Welding/ FCW 2205-PW E2209T1-4 0,03 23,0 9,5 3,5 0,6 0,8 0,16 bd bd bd bd bdSAF/ Lexal T22093N bd 0,03 22,5 8,5 2,8 0,5 1,1 0,14 bd bd bd 0,03 0,03SAF/Lexal TA22093N bd 0,03 22,5 8,5 2,8 0,6 0,8 0,14 bd bd bd 0,03 0,03Lincoln Electric/ Cor-A-Rosta 4462 E2209T0-4 0,03 22,9 9,3 3,4 0,6 0,9 0,14 bd bd bd bd bdLincoln Electric/ Cor-A-Rosta P4462 E2209T1-4 0,03 22,9 9,2 3,4 0,6 0,7 0,14 bd bd bd bd bdNSW/ Nittetsu SF-329J3LP E2209T1-4 0,033 24,1 9,41 3,53 0,44 1,88 0,16 bd bd bd 0,023 0,004Bohler/ CN 2209 N-FD E2209T0-4/-1 0,03 22,7 9,0 3,2 0,7 1,1 0,13 bd bd bd bd bdBohler/ CN 2209 PW-FD E2209T1-1/-4 0,03 22,7 9,0 3,2 0,7 1,0 0,13 bd bd bd bd bd


Tablica VI. Waciwoci stopiwa drutw proszkowych do spawania stali dupleks [22]; bd brak danychTable VI. Properties of weld deposit for tubular electrode wires used for welding of duplex steel [22]; bd no data

Producent/Oznaczenie

Gaz osonowyZawarto

ferrytu

WaciwociRe0.2,

N/mm2Rm,

N/mm2 A5,% KVC, JCPT,C PREN

Elga/Cromacore DW 329A M21 (80% Ar + 20% CO2) FN40 610 800 32 40 (-20oC) 30 35

Elga/Cromacore DW 329AP M21 (80% Ar + 20% CO2) FN40 610 800 32 42 (-46oC) 30 35

Esab/ OK Tubrod 14.27 M21 bd min. 500

min. 690

min. 20 47 (-20oC) bd bd

Esab/ OK Tubrod 14.37 M21 bd 633 768 31 bd bd bdNST/duplex 329 J3L M21 FN50 633 792 29,5 42 (-20oC) bd 34,4Avesta Welding/ FCW-2D 2205 M21 FN50 630 820 25 44 (-20oC) bd bdAvesta Welding/ FCW 2205-PW M21 (80% Ar + 20% CO2) FN45 610 840 28 60 (+20

oC) bd bdSAF/ Lexal T22093N M21 (82% Ar + 18% CO2) WRC92 39 585 700 28 50 (-20

oC) bd >35SAF/ Lexal TA22093N M21 (82% Ar + 18% CO2) WRC92 39 580 700 28 50 (-20

oC) bd >35Lincoln Electric/ Cor-A-Rosta 4462 M21 FN40 665 825 29 38 (-20oC) bd bdLincoln Electric/ Cor-A-Rosta P4462 M21 FN40 660 830 29 40 (-20oC) bd bdNSW/ Nittetsu SF-329J3LP C1 (100% CO2) FN30-43 bd 763 27,6 40 (-20

oC) bd bdBohler/ CN 2209 N-FD M21 FN30-50 600 800 27 40 (-40oC) 22 35Bohler/ CN 2209 PW-FD M21 bd 600 800 27 32 (-46oC) 22 35

Tablica VII. Gazy osonowe stosowane w procesie spawania metod FCAW stali typu UNS S31803 [22]Table VII. Shielding gases used in welding process of steels type UNS S31803 by FCAW method [22]Producent drutu proszkowego Oznaczenie drutu Zalecany gaz osonowyLincoln Cor-A-Rosta 4462 M21 Ar + (525% CO2)Lincoln Cor-A-Rosta P4462 M21 Ar + (525% CO2)Elga Cromacore DW329A M21 80% Ar + 20% CO2 lub C1 100% CO2Elga Cromacore DW329AP M21 80% Ar + 20% CO2 lub C1 100% CO2Esab OK Tubrod 14.27 M21 Ar + (525% CO2) lub C1 100% CO2Avesta Welding 2205 FCW-2D M21 Ar + (1525% CO2) lub C1 100% CO2Avesta Welding 2205-PW M21 Ar + (1525% CO2) lub C1 100% CO2SAF LEXAL TA 22 9 3 N M21 Ar + (525% CO2)SAF LEXAL T 22 9 3 N M21 Ar + (525% CO2) lub C1 100% CO2NST NST Duplex 329J3L M21 Ar + (1525% CO2)

Tablica VIII. Zalecane gazy osonowe stosowane w procesie spawania metod FCAW stali typu UNS S31803 [22]Table VIII. Recommended shielding gases used in welding process of steels type UNS S31803 by FCAW method [22]

Producent gazu osonowego

Oznaczenie gazu osonowego

Skad chemiczny gazu osonowego

Linde Gaz Mison 18 Ar + 18% CO2 + 0,03% NOLinde Gaz Mison 25 Ar + 25% CO2 + 0,03% NOLinde Gaz Corgon 18 Ar + 18% CO2Linde Gaz Corgon 25 Ar + 25% CO2BOC gazy Argomiks C-18 Ar + 18% CO2BOC gazy Argomiks C-20 Ar + 20% CO2Messer FERROMIX C 18 Ar + 18% CO2

Jako gaz ochronny przy spawaniu stali dupleks stosuje si gazy lub mieszaniny gazw aktywne chemicznie (tabl. VII, VIII). W przypadku zastosowania czystego CO2, jako osony uku elektrycznego drutu proszkowego, wystpuje szersza powierzchnia wprowadzania ciepa uku do jeziorka spoiny w porwnaniu do mieszanek na bazie Ar. Dzieje si tak dziki wyszemu wspczynnikowi przewodnictwa ciepl-nego czystego CO2, co z kolei zapewnia korzystny, koowy ksztat linii przetopienia, wikszy ni w przypadku mieszanek Ar + CO2 szczeglnie przy stosowaniu wyszych parametrw spawania. Wpywa to na mniejsze zagroenie wystpienia przykleje i wtrce ulowych w zczu spawanym. Czyste CO2 destabilizuje jarzenie si uku elektrycznego, dlatego w celu zapewnienia natryskowego przenoszenia metalu w uku stosuje si odpowiedni skad topnika oraz wprowadza si odtleniacze redukujce utleniajce oddziaywanie na me-tal jeziorka spoiny. Natenie przepywu gazu osonowego

powinno zawiera si w granicach 2025 l/min. Przeprowa-dzone badania wpywu osony gazowej na parametry geome-tryczno-strukturalne napoin wykonywanych drutami proszko-wymi na stalach dupleks pozwoliy stwierdzi, e waciwoci geometryczne wikszoci napoin byy lepsze przy zastoso-waniu CO2 jako gazu osonowego, za mieszanka gazowa M21 (Ar + 25% CO2) zapewnia korzystniejsz zawarto ferrytu.

Energia liniowa i temperatura midzyciegowa

Zakres rekomendowanej energii liniowej powinien wyno-si od 0,5 do 2,5 KJ/mm. Zalecane wartoci Esp. i tempera-tury midzyciegowej przy spawaniu rnych gatunkw stali dupleks przedstawiono w tablicy IX. Wielko dopuszczalnej

Tablica IX. Wartoci Esp i temperatury midzyciegowej pod-czas spawania stali dupleks [22]Table IX. Values of Esp and inter-welding sequence during welding process of duplex steel [22]

Gatunek staliEnergia liniowa

spawania Esp.1,

kJ/mm

Max. temperatura midzyciegowa,

C22% Cr standardowa stal dupleks 0,52,5 1252002

23% Cr stal dupleks bez molibdenu 0,52,5 15020025% Cr stal dupleks, do 2,5% Cu 0,21,5 1001502)

1. EL. powinna by dobrana odpowiednio do gruboci materiau. 2. Temperatura dobierana w zalenoci od gruboci materiau.


wielkoci energii liniowej spawania w kadym przypadku winna podlega weryfikacji w oparciu o badania, ktre od-powiedz, czy zaprojektowana technologia dla konkretnego gatunku stali od konkretnego producenta, przyjtej geometrii zcza, zakresu gruboci cianek, pozycji spawania, przewi-dywanych materiaw spawalniczych i spodziewanej sztyw-

noci zczy oraz wielkoci obcienia ich napreniami montaowymi speni kryteria odbiorowe inwestora (wasnoci wytrzymaociowe, parametry mikrostruktury, poziom odpor-noci korozyjnej oraz jakoci spoin) okrelone wymaganym poziomem niezgodnoci spawalniczych wg bada nienisz-czcych) [22].

PodsumowanieRozwj zastosowa stali dupleks jest wyrany i doty-

czy gwnie konstrukcji spawanych w przemyle wydo-bywczym ropy i gazu, chemicznym, petrochemicznym, stoczniowym, papierniczym oraz farmaceutycznym.

Podstawowym problemem w spawaniu stali dupleks jest zapewnienie rwnowagi objtoci wzgldnej ferrytu i austenitu oraz niedopuszczenie do procesw wydziela-nia si wglikw i faz midzymetalicznych powodujcych zmniejszenie waciwoci mechanicznych oraz odpornoci korozyjnej. Stal dupleks krystalizuje pierwotnie jako ferry-tyczna, a przemiana ferrytu w austenit zachodzi dopiero w stanie staym. Zbyt dua prdko stygnicia moe ha-mowa proces przemiany ferrytu w austenit, co wpynie na rwnowag objtoci wzgldnej ferrytu i austenitu.

Wielko energii liniowej spawania EL i temperatury midzyciegowej ma zasadnicze znaczenie w spawaniu stali dupleks w zwizku z ich wpywem na kinetyk prze-mian fazowych i procesw wydzieleniowych, i winna wy-nosi od 0,5 do 2,5 KJ/mm, a temperatura midzyciego-wa 1502000C.

Nie stosuje si podgrzewania wstpnego. Wielko do-puszczalnej wielkoci energii liniowej spawania w kadym przypadku winna podlega weryfikacji eksperymentalnej.

Wanym zagadnieniem jest waciwy dobr mate-

riaw dodatkowych do spawania stali dupleks, majcy wpyw na objto wzgldn ferrytu i austenitu w zczu i w efekcie na waciwoci mechaniczne i odporno koro-zyjn zcza. Gazy osonowe i gazy stosowane do osony grani mog regulowa zawarto azotu w spoinie i obj-to wzgldn ferrytu i austenitu. Brak azotu w gazie oso-nowym powodowa moe zmniejszenie odpornoci koro-zyjnej zcza, np. w spawaniu metod TIG.

Wysoki stopie trudnoci technologii spawania wielko-gabarytowych konstrukcji okrtowych powodowany jest: ma tolerancj na odchylenia od wymaganych warun-kw spawania, znaczn sztywnoci przygotowanych do spawania dugich zczy midzysekcyjnych w powizaniu z umiar-kowan cigliwoci stopiwa zastosowanych materiaw spawalniczych, wysokimi wymaganiami odbioru wykonanych pocze.

Uzyskanie wysokich waciwoci mechanicznych i odpornoci na korozj zczy jest moliwe dziki skrupulatne-mu przestrzeganiu parametrw technologicznych spawa-nia, minimalizacji napre montaowych w obszarze zcz spawanych w wyniku przestrzegania kolejnoci montau i spawania oraz uwzgldniania wynikw pomiarw geome-trii konstrukcji, automatyzacji i mechanizacji procesw spa-wania stabilizujcych parametry prdowe, oraz szczego-wej kontroli na wszystkich etapach produkcji [22].

Literatura[1] Adamczyk. J.: Inynieria materiaw metalowych, Wydawni-

ctwo Politechniki lskiej, Gliwice, 2004.[2] Askeland D. R.: The Science and Engineering of Materials,

Van Nonstrand Reinhold International, London, 1988.[3] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopw elaza, PWN,

WarszawaKrakw, 1978.[4] Young-Hwan Park, Zin-Hyoung Lee: The effect of nitrogen

and heat treatment on microstructure and tensile properties of 25Cr-7Ni-l,5Mo-3W-xN duplex stainless steel casting; Materiale Scence and Engineering A297, 2001.

[5] Dobrzaski L. A.: Metaloznawstwo opisowe stopw elaza Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice, 2007.

[6] Atamert S., King J. E.: Super duplex stainless steels. Part 1: Heat affected zone microstructures, Materials Science and Technology, vol. 8, 1992.

[7] Avesta Polarit Welding Katalog, 2002.[8] Messner C., Silberschmidt V. V., Werner E. A.: Thermally

induced surface roughness in austenitic-ferritic duplex stain-less steels, Acta Materialia, 51/2003.

[9] Cholewa M., Gawroski J., Przyby M.: Podstawy proce-sw metalurgicznych, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice, 2004.

[10] Welding duplex stainless steels the ESAB way, Materiay informacyjne firmy ESAB, 2000.

[11] Karlsson L, Ryen L., Pak S.: Precipitation of intermetallic phases in 22% Cr duplex stainless weld metals. The kine-tics of intermetallic phase formation in the temperature ran-ge 675-1000oC (1274-1832oF) and effects on mechanical properties and corrosion resistance. Welding Research Supplement, 1995.

[12] Czyowicz S.: Odporno korozyjna nowych austenityczno-ferrytycznych stali odpornych na korozj, Prace IM nr 12, 1990.

[13] Kordatos J. D., Fourlaris G., Papadimitriou G.: The effect

of cooling rate on the mechanical and corrosion properties of SAF 2205 (UNS 31803) duplex stainless steel welds, Scripta Materialia, 44/2001.

[14] abanowski J., Effect of microstructure on mechanical pro-perties of duplex stainless steel for marine applications, Ma-rine Technology Transactions, Vol. 10/1999).

[15] abanowski J., Krzysztofowicz K., Ossowska A.: Napre-niowe pkanie korozyjne symulowanych stref wpywu ciepa zczy spawanych stali dupleks, Inynieria Materiaowa nr 6, 2003.

[16] PN-EN 10088-1,1998, Stale odporne na korozj Gatunki.[17] Abdel-Karim R., Elmahallawi I., El-Menshawy K.: Microstruc-

ture and corrosion properties of nitrogen stainless steel 316L produced by hipping, Powder Mettalurgy, vol. 47, no. 1, 2004.

[18] Banas J., Mazurkiewicz A.: The effect of copper on passi-vity and corrosion behaviour of ferritic and ferritic-austenitic stainless steels, Materials Science and Engineering, A277, 2000.

[19] Lu X.-C., Shi K., Li S.-Z., Jiang X.-X.: Effects of surface deformation on corrosive wear of stainless steel in sulfuric acid solution, Wear, 225-229, 1999.

[20] Charles J.: Composition and properties of duplex stainless steels, Welding in the World, vol. 36, 1995.

[21] Przetakiewicz W., Tomczak R.: Niektre aspekty spawalno-ci ferrytyczno-austenitycznych stali typu dupleks i superdu-pleks, Przegld Spawalnictwa nr 3, 1995.

[22] Nowacki J., Urbaski M., Zajc P.: Spawanie FCAW stali dupleks w budowie statkw do transportu chemikaliw, Przegld Spawalnictwa nr 4, 2008.

[23] Jimenez J. A., Carsi M., Ruano O. A., Penalba F.: Characte-rization of a / duplex stainless steel, Journal of Materials Science, 35, 2000.

[24] Nowacki J., ukoj A.: Microstructure transformations of duplex steels welded joints heat affected zone, Materials Characterization, 56, 2006.

stal duplex mikro

Documents