Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής ΥΛΙΚΑ 1 L10 2.8 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΒΑΣΗΣ 2.9 ΜΗ ΚΡΑΜΑΤΩΜΕΝΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής

1. ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΩΝ Ανοπτήσεις (annealing) Σκλήρυνση (hardening) Ο σκοπός της σκλήρυνσης είναι να αποκτηθεί μία σκληρή δομή. Υπάρχουν διάφορες διεργασίες σκλήρυνσης όπως η τυπική ή επιφανειακή σκλήρυνση που όλες βασίζονται στο υλικό. Βαφή και Επαναφορά Το χαρακτηριστικό ενός υλικού που έχει σκληρυνθεί είναι η σκληρότητα που από την άλλη πλευρά οδηγεί σε μια μειωμένη ολκιμότητα και δυσθραυστότητα. Για να πάρουμε ένα σκληρό αλλά με αποδεκτή ολκιμότητα υλικό θα πρέπει να γίνει μία άλλη θερμική κατεργασία που ονομάζεται βαφή και επαναφορά.

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Επιφανειακή Σκλήρυνση (Case Hardening) Ενανθράκωση (Carburising) Εναζώτωση (Nitriding)

Επιφανειακή Σκλήρυνση (Case Hardening) Η επιφάνεια πολλών μηχανολογικών εξαρτημάτων όπως π.χ. στροφαλοφόροι άξονες, γρανάζια, εκκεντροφόροι άξονες κτλ. είναι εκτεθειμένη στη φθορά. Αυτά τα εξαρτήματα απαιτούν ένα υψηλό βαθμό επιφανειακής σκληρότητας σε συνδυασμό με επαρκή ολκιμότητα στον πυρήνα τους. Αυτός ο συνδυασμός ιδιοτήτων μπορεί να αποκτηθεί με ωστενιτοποίηση της επιφάνειας των χαλύβων και την μετέπειτα βαφή της, ενώ την ίδια στιγμή η εσωτερική διατομή του εξαρτήματος δεν έχει ωστενιτοποιηθεί και ως εκ τούτου δεν υφίσταται καμία διαδικασία σκλήρυνσης. Η θέρμανση πραγματοποιείται από: Λουτρά μετάλλου (σκλήρυνση με εμβάπτιση) Φλόγα Αερίου (σκλήρυνση με φλόγα) Ρεύμα Υψηλής συχνότητας (σκλήρυνση με επαγωγή) Η βαφή συχνά πραγματοποιείται με τον ψεκασμό νερού.

Ενανθράκωση (Carburising) Μία επιπλέον εναλλακτική σκλήρυνση της επιφανειακή στρώσης είναι η ενανθράκωση της εξωτερικής στοιβάδας του εξαρτήματος (case hardening steels), και μία επακόλουθη βαφή. Τα τυπικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ενανθράκωσης, είναι χάλυβες με περιεκτικότητα σε άνθρακα χαμηλότερη από 0.25% (case hardening steels) οι οποίοι ουσιαστικά δε συνεισφέρουν στην αύξηση της σκληρότητας κατά τη σκλήρυνση. Κατά τη διάρκεια της ενανθράκωσης ο άνθρακας διαχέεται στην εξωτερική στοιβάδα του υλικού. Με αυτό τον τρόπο, στοχεύουμε σε μία περιεκτικότητα C ίση με 0.8 % στην εξωτερική επιφάνεια. Η ενανθράκωση μπορεί να πραγματοποιηθεί με μέσα που μπορεί να είναι: στερεά T = 850 °C - 950 °C t = 8h - 12h ρευστά T = 850 °C - 950 °C t = 2h - 6h αέρια T = 800 °C - 900 °C t = 2h - 6h Κατά την διάρκεια της σκλήρυνσης με ενανθράκωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν μία σειρά από διαφορετικές αλληλουχίες θερμικών κατεργασιών όπως φαίνεται στο σχήμα 14.

Κατά την διάρκεια της σκλήρυνσης με ενανθράκωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν μία σειρά από διαφορετικές αλληλουχίες θερμικών κατεργασιών όπως φαίνεται στο σχήμα 14. Α Β Σχήμα 14. Παραλλαγές κατεργασιών σκλήρυνσης κατά την ενανθράκωση της εξωτερικής στοιβάδας. (Α) ευθεία ψύξη, (Β) σκλήρυνση της επιφάνειας μετά από εξομάλυνση του πυρήνα, (Γ) κατεργασία διπλής σκλήρυνσης.

Εναζώτωση Κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης με άζωτο, το άζωτο διαχέεται στην επιφάνεια του χάλυβα. Η στρώση εναζώτωσης είναι πολύ λεπτή και μετριέται σε μερικά δέκατα του χιλιοστόμετρου μόνο. Η εναζώτωση πραγματοποιείται με αέριο αμμωνία (ΝΗ3) σε μία θερμοκρασία των 500°C ή 600°C για μία χρονική περίοδο 30h με 60h. Η ψύξη πραγματοποιείται ομοιόμορφα σε φούρνο, αποφεύγοντας έτσι τις θερμικές τάσεις. Η σκλήρυνση ενός εναζωτωμένου επιφανειακού στρώματος είναι υψηλότερη από αυτή των επιφανειακών σκληρύνσεων με άλλες μεθόδους και βασίζεται στις λεπτόκοκκες κατακρημνίσεις νιτριδίων μετάλλων. Η σκληρότητα των χαλύβων με σκλήρυνση αζώτου μειώνεται από τη σκληρή επιφανειακή στρώση εναζώτωσης προς τον μαλακό πυρήνα. Αυτή η μείωση της σκληρότητας μπορεί να ελαττωθεί από μία κατεργασία σκλήρυνσης. Η στρώση εναζώτωσης δεν επηρεάζεται από τη διαδικασία σκλήρυνσης.

2.9 ΜΗ ΚΡΑΜΑΤΩΜΕΝΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ Στην Ευρώπη οι μη κραματωμένοι κατασκευαστικοί χάλυβες παρασκευάζονται συνήθως σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ 10025-2 "Hot rolled products of structural steels. Part 2 Technical delivery conditions for non-alloy structural steels« Παρόμοιου τύπου χάλυβες είναι επίσης οι χαμηλότερου βαθμού χάλυβες που αναφέρονται στα πρότυπα:

industries. Steel pipe for pipeline transportation systems« EN 10028-2 "Flat products made of steels for pressure purposes. Part 2 Non-alloy and alloy steels with specified elevated temperature properties" ΕΝISO 3183 (αντικατέστησε την σειρά ΕΝ 10208) "Petroleum and natural gas industries. Steel pipe for pipeline transportation systems« EN 10216-2"Seamless steel tubes for pressure purposes Technical delivery conditions Part 2: Non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties" EN 10217-2 "Welded steel tubes for pressure purposes Technical delivery conditions Part 2: Electric welded non-alloy and alloy steel tubes with specified elevated temperature properties" ΕΝ 10296-1 "Welded circular steel tubes for mechanical and general engineering purposes. Technical delivery conditions. Non-alloy and alloy steel tubes ΕΝ 10297-1 " Seamless circular steel tubes for mechanical and general engineering purposes. Technical delivery conditions. Non-alloy and alloy steel tubes Κοίλα προφίλ για μεταλλικές κατασκευές κατασκευάζονται από παρόμοιουςχάλυβες σύμφωνα με τα πρότυπα ΕΝ 10219 και ΕΝ 10210.

ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΙΜΟΤΗΤΑ ΜΗ ΚΡΑΜΑΤΩΜΕΝΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ Ψυχρή Ρηγμάτωση Υδρογόνου Αυτού του είδους οι ρηγματώσεις συμβαίνουν σε χαμηλές θερμοκρασίες και μπορεί να επηρεάσουν είτε την ΘΕΖ είτε το μέταλλο της συγκόλλησης. Οι ρωγμές αυτές εμφανίζονται ώρες ή ακόμα και μέρες μετά την ολοκλήρωση της συγκόλλησης και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι πολλές φόρες η μορφολογία τους κάνει δύσκολο τον εντοπισμό τους είναι ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα για την ακεραιότητα μιας συγκολλητής κατασκευής. Η δημιουργία ρωγμών υδρογόνου είναι αποτέλεσμα της παρουσίας : διαλυτοποιημένου ατομικού υδρογόνου σε επαρκή συγκέντρωση σκληρών φάσεων στην μικροδομή του υλικού τάσεων στη περιοχή της συγκόλλησης.

Σε χάλυβες όπου η ρηγμάτωση υδρογόνου είναι σημαντικό πρόβλημα, η εμφάνιση της έχει συνδεθεί με την σκληρότητα, την ύπαρξη συγκεκριμένων μικροδομών και την αντοχή του υλικού σε εφελκυσμό. Οι χάλυβες υψηλότερης αντοχής και αυτοί που υφίστανται μαρτενσιτικό μετασχηματισμό κατά την διάρκεια της συγκόλλησης έχουν ιδιαίτερη ευαισθησία στην ψυχρή ρηγμάτωση υδρογόνου. Η ανάγκη να μειωθούν τα προβλήματα ψυχρής ρηγμάτωσης υδρογόνου έχουν οδηγήσει τις τελευταίες δεκαετίες στην ανάπτυξη των χαμηλά κραματωμένων υψηλής αντοχής χαλύβων οι οποίοι χρησιμοποιούν την προσθήκη μικρών ποσοτήτων κραματικών στοιχείων (για παράδειγμα ΑΙ, Τi, V, Νb) τα οποία σε συνδυασμό με προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες έλασης επιτυγχάνουν μία πολύ λεπτόκοκκη δομή με υψηλή αντοχή, ολκιμότητα και βελτιωμένη συμπεριφορά στην ψυχρή ρηγμάτωση υδρογόνου.

Ένας πολύ χρήσιμος τρόπος για να εκτιμηθεί η ευαισθησία ενός υλικού στην ρηγμάτωση υδρογόνου, είναι η χρήση του ισοδύναμου άνθρακα, η οποία είναι μία εμπειρική φόρμουλα που χρησιμοποιείται ώστε να εκφραστεί η τάση ενός χάλυβα στον σχηματισμό σκληρών φάσεων με έναν μοναδικό αριθμό. Η πιο διαδεδομένη φόρμουλα για τον υπολογισμό του ισοδυνάμου άνθρακα είναι CEV = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 Από μεταλλουργική άποψη, το ισοδύναμο άνθρακα σχετίζεται με την δημιουργία σκληρών φάσεων που είναι επιρρεπείς στην ψυχρή ρηγμάτωση υδρογόνου. Όσο η τιμή του ισοδύναμου άνθρακα αυξάνεται, τόσο οι δομές που δημιουργούνται κατά την ψύξη του χάλυβα, είναι πιο ευαίσθητες στην ρηγμάτωση υδρογόνου. Ανάλογα με την εφαρμογή, το πάχος των προς συγκόλληση τεμαχίων και τις τιμές του ισοδύναμου άνθρακα, έχουν αναπτυχθεί οδηγίες οι οποίες δίνουν την προθέρμανση που απαιτείται, ώστε να αποφευχθεί η δημιουργία σκληρών φάσεων.

Το παράρτημα C του ΕΝ 1011-2 είναι ένα παράδειγμα τέτοιας οδηγίας που προτείνει δύο μεθοδολογίες για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας προθέρμανσης λαμβάνοντας υπόψη τις υπόλοιπες παραμέτρους μίας συγκόλλησης. Σύμφωνα με την πρώτη από αυτές τις μεθοδολογίες που περιγράφεται στο παράρτημα C2 ακολουθούνται τα παρακάτω στάδια: Αρχικά υπολογίζεται το ισοδύναμο άνθρακα του υλικού Στην συνέχεια καθορίζεται η κλάση υδρογόνου στην οποία ανήκει η μέθοδος συγκόλλησης και τα ηλεκτρόδια που θα χρησιμοποιηθούν Καθορισμός του τύπου της σύνδεσης Καθορισμός του συνδυαστικού πάχους των προς συγκόλληση υλικών Καθορισμός της θερμικής παροχής της μεθόδου και του ηλεκτροδίου που θα χρησιμοποιηθεί Χρήση όλων αυτών των στοιχείων στο κατάλληλο διάγραμμα από τα C2a – m προκειμένου να υπολογιστεί η θερμοκρασία προθέρμανσης

Η δεύτερη μέθοδος που περιγράφεται στο παράρτημα C3 υπολογίζει την απαιτούμενη θερμοκρασία προθέρμανσης σαν άθροισμα τεσσάρων διαφορετικών θερμοκρασιών οι οποίες συνδέονται με το ισοδύναμο άνθρακα του υλικού, την περιεκτικότητα υδρογόνου, το πάχος των προς συγκόλληση τεμαχίων, και την θερμική παροχή. Ο συνολικός υπολογιστικός τύπος για την θερμοκρασία προθέρμανσης, σύμφωνα με αυτή την μέθοδο δίνεται από την εξίσωση:

Όπου: Tp= Θερμοκρασία προθέρμανσης σε °C CET = Ισοδύναμο άνθρακα d= Συνδυαστικό Πάχος Υλικών προς συγκόλληση Q= Θερμική παροχή σε kJ/mm

Σύμφωνα με όσα αναφέρονται στο πρότυπο, η πρώτη μέθοδος θεωρείται καταλληλότερη για χρήση σε C-Μη χάλυβες, ενώ η δεύτερη για εφαρμογή σε χαμηλά κραματωμένους χάλυβες υψηλής αντοχής. Περιληπτικά η ψυχρή ρηγμάτωση υδρογόνου στους μη κραματωμένους κατασκευαστικούς χάλυβες αποφεύγεται με τα παρακάτω μέτρα:

Χρήση του χάλυβα με το χαμηλότερο ισοδύναμο άνθρακα για ένα δεδομένο επίπεδο αντοχής Εφαρμογή πρακτικών συγκόλλησης με όσο το δυνατόν μικρότερη περιεκτικότητα σε υδρογόνο Προσεκτική εφαρμογή των απαιτήσεων προθέρμανσης και θερμικής κατεργασίας μετά την συγκόλληση.

Διαστρωματική Ρηγμάτωση Η διαστρωματική ρηγμάτωση συμβαίνει σε περιοχές κάτω από τις συγκολλήσεις και συνήθως έξω από την ΘΕΖ, με προσανατολισμό παράλληλο στην γραμμή τήξης της συγκόλλησης. Το ελάττωμα αυτό δημιουργείται από συγκολλήσεις οι οποίες δημιουργούν εφελκυστικές τάσεις στο μέταλλο της συγκόλλησης στην κατεύθυνση του πάχους του υλικού. Συνήθως αυτού του τύπου η ρηγμάτωση δεν εμφανίζεται στην επιφάνεια του υλικού και εντοπίζεται μόνο με την χρήση υπερήχων. Η διαστρωματική ρηγμάτωση εμφανίζεται όταν υπάρχουν ταυτόχρονα οι παρακάτω συνθήκες: Ύπαρξη τάσεων στην κατεύθυνση του πάχους του υλικού. Οι τάσεις αυτές δημιουργούνται λόγω της συστολής του μετάλλου της συγκόλλησης κατά την ψύξη του και μπορεί να αυξηθούν περαιτέρω από τις παραμένουσες τάσεις και τα φορτία της συγκολλητής κατασκευής. Ο προσανατολισμός της συγκόλλησης είναι τέτοιος ώστε οι τάσεις να δρουν κατά την διεύθυνση του πάχους του ελάσματος. Το υλικό παρουσιάζει μειωμένη ολκιμότητα στην διεύθυνση του πάχους.

Η μειωμένη ολκιμότητα του υλικού στην διεύθυνση του πάχους οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη ομάδων επιμηκών εγκλεισμάτων σουλφιδίων του μαγγανίου. Τα σουλφίδια του μαγγανίου στους χάλυβες κατηγοριοποιούνται σαν τύπος I, II και III ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους στο τήγμα κατά την παραγωγή του χάλυβα. Σε γενικές γραμμές τα εγκλείσματα τύπου I και III σχετίζονται με μερικώς καθησυχασμένους χάλυβες και τα εγκλείσματα τύπου II με πλήρως καθησυχασμένους (Al treated) χάλυβες. Τα εγκλείσματα τύπου II είναι αυτά που επιμηκύνονται κατά την έλαση των χαλύβων και δημιουργούν σοβαρά προβλήματα όσον αφορά την διαστρωματική ρηγμάτωση. Έτσι οι πλήρως καθησυχασμένοι χάλυβες αν και καλύτερης ποιότητας, έχουν μεγαλύτερη ευαισθησία στην εκδήλωση της διαστρωματικής ρηγμάτωσης λόγω των έντονα επιμηκυμένων εγκλεισμάτων τύπου II που μπορεί να βρίσκονται στην δομή τους.

Χρήση χαλύβων με πολύ χαμηλά ποσοστά θείου (<0.010%) Η διαστρωματική ρηγμάτωση στους μη κραματωμένους κατασκευαστικούς χάλυβες αποφεύγεται με τα παρακάτω μέτρα: Χρήση χαλύβων με πολύ χαμηλά ποσοστά θείου (<0.010%) Επεξεργασία του τήγματος με στοιχεία σπάνιων γαιών έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την αλλαγή του σχήματος των εγκλεισμάτων. Χρήση τεχνικών buttering κάτω από την περιοχή της συγκόλλησης Επανασχεδιασμός των συνδέσεων της συγκόλλησης ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία τάσεων στην διεύθυνση του πάχους του υλικού.