Stal typu duplex wykorzystuje się w konstrukcjach oraz instalacjach przemysłowych dla przemysłu stoczniowego (np. chemikaliowce), instalacjach odsalania wody, w produkcji części maszyn wykorzystywanych w przemyśle papierniczym i celulozowym oraz w wirnikach i wałach o wysokiej wytrzymałości ze względu na występujące zmęczenie korozyjne. Istotnym sektorem przemysłu, w którym stale typu duplex znalazły zastosowanie, jest również przemysł chemiczny i petrochemiczny, gdzie wykorzystywane są one do budowy zbiorników i rurociągów do przesyłu m.in. ropy naftowej oraz jej produktów rafinacji czy różnego rodzaju kwasów i produktów przemysłu spożywczego [1–6].

Konstrukcje wykonywane ze stali duplex to najczęściej wielkogabarytowe instalacje złożone z wielu segmentów łączonych ze sobą przez spawanie dla uzyskania odpowiedniej wytrzymałości, szczelności i trwałości. Ze względu na dwufazową budowę tej stali i złożony skład chemiczny, wynikający z zastosowania takich składników stopowych jak chrom, nikiel i molibden, proces jej spawania jest trudny, jeśli chodzi o uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych, budowy strukturalnej w obszarze złącza spawanego czy odporności korozyjnej. Sam cykl cieplny spawania wywołany łukiem elektrycznym powoduje występowanie niekorzystnych zmian strukturalnych związanych z zachodzeniem procesów wydzieleniowych, jak i z przemianami fazowymi [1, 7]. Przemiany fazowe δ→γ i γ→δ mogą zachodzić zarówno w strefie wpływu ciepła, jak i w spoinie podczas układania kolejnych ściegów [8–11].

Problemy przy spawaniu stali duplex

Stale duplex charakteryzują się złożonym składem chemicznym i wymagają kontrolowania czasu i temperatury obróbki plastycznej dla uzyskania odpowiedniej ilości ferrytu i austenitu. Uzyskuje się w ten sposób stale o unikalnych właściwościach mechanicznych, plastycznych i dobrej odporności na korozję.

Procesy spawania, które lokalnie oddziałują na materiał ciepłem, powodując szybkie nagrzanie stali i stosunkowo szybkie chłodzenie ze względu na przewodność cieplną, wywołują nieodwracalne zmiany strukturalne poprzez wydzielanie się poszczególnych związków stali. Wymaga to zachowania wysokich reżimów procesu spawania, aby zachodzące podczas krystalizacji spoiny i chłodzenia złącza nie powodowały utraty właściwości materiału rodzimego i zapewniały korzystne właściwości złączy.

Ponieważ krystalizacja stali duplex w znaczącym stopniu ma charakter ferrytyczny, konieczne jest zapewnienie odpowiednio długiego czasu stygnięcia spoiny dla uzyskania odpowiedniej ilości ferrytu i austenitu. Przy spawaniu wielościegowym dochodzi jeszcze efekt powtórnego nagrzewania kolejnymi ściegami. Efektem oddziaływania ciepła wprowadzonego podczas spawania są przemiany dyfuzyjne prowadzące do lokalnej zmiany koncentracji pierwiastków austenito- i ferrytotwórczych, które mogą być dalekie od równowagowych. Konsekwencją jest wzrost zawartości którejś z faz.

Dodatkowo w obszarach powtórnie nagrzewanych może dojąć do tworzenia się austenitu wtórnego o składzie chemicznym, morfologii i właściwości zasadniczo różnych od austenitu pierwotnego (w SWC). Jego obecność poprawia ciągliwość spoiny, szczególnie w spawaniu wielościegowym, gdzie przez odpowiednio dobraną energię liniową spawania można stworzyć warunki sprzyjające jego powstawaniu. W zależności od temperatury przemiana ferrytu w austenit będzie miała wówczas charakter przemiany dyfuzyjnej, bezdyfuzyjnej lub eutektoidalnej. Obecność austenitu wtórnego powoduje jednak obniżenie odporności na korozję wżerową inicjowaną na granicy ferryt-austenit wtórny.

Cykl cieplny spawania powoduje również tworzenie się szeregu faz wtórnych w mikrostrukturze, a nawet niewielka ich ilość może powodować znaczące obniżenie właściwości eksploatacyjnych. Do tych faz należy zaliczyć, poza austenitem wtórnym, tworzenie się węglików chromu typu M23C6 lub M7C3 i azotków chromu Cr2N i CrN oraz wysokochromowego ferrytu α’ bądź faz międzymetalicznych, np. σ, χ.

Faza międzymetaliczna σ, składająca się z Fe, Cr i Mo, tworzy się w przedziale temperatur 600–1000°C w obszarze granic ziaren ferrytu lub na granicach ferryt/austenit (rys. 1). Obecność tej fazy znacząco obniża odporność na korozję tych obszarów stali ze względu na obniżenie składników stopowych w ferrycie i wzrost kruchości. Za wzrost kruchości odpowiedzialna jest również faz α’, tworząca się w zakresie temperatury 300–525°C – to tzw. kruchość 475°C.

Węgliki chromu z kolei tworzą się przy stosunkowo krótkich czasach wytrzymania w temperaturze powyżej 600°C na granicach ziaren ferrytu, ferrytu i austenitu, jak i austenitu (rys. 2).

Rys. 1. Faza σ powstała na granicy między powłoką natryskiwaną i stalą duplex 2205

Rys. 2. Wydzielenia węglików i azotków chromu w obszarze SWC

Wyniki badań

Badania oceny jakości złącza spawanego pod kątem strukturalnym wykonano dla doczołowego złącza spawanego stanowiącego element zbiornika do transportu substancji agresywnych korozyjnie. Złącze wykonano metodą MAG drutem elektrodowym proszkowym o rdzeniu topnikowym w pozycji PF. Gazem osłonowym była mieszanina 80% Ar i 20% CO2 (ISO 14175-M21). Do formowania grani użyto podkładki ceramicznej. Materiał podstawowy stanowiła stal X2CrNiMoN22-5-3 (1.4462), a jako materiału dodatkowego użyto drutu proszkowego Cromacore DW 329AP o oznaczeniu ISO 17633-A: T 22 9 3 N L P M/C 1. Skład chemiczny wykorzystanej stali i drutu proszkowego według odpowiednich norm przedstawiają tablice 1 i 2.

W ramach badań przeprowadzono badania wizualne (VT) oraz badania radiograficzne (RT) złącza doczołowego, następnie – po przygotowaniu próbek – wykonano obserwacje metalograficzne za pomocą mikroskopu świetlnego. W celu określenia zawartości fazy magnetycznej wykonano także pomiary za pomocą ferrytoskopu.

Badania nieniszczące, obejmujące badania wizualne i radiograficzne, wskazały na poziom jakości B według PN-EN ISO 5817 uzyskanego złącza spawanego. Spoina charakteryzowała się regularną łuskowatością. Wokół spoiny nie zaobserwowano rozprysku i podtopień.
Badania mikroskopowe prowadzono z wykorzystaniem mikroskopii świetlnej na zgładzie trawionym elektrolitycznie dwuetapowo w roztworach CrO3 i NaOH. Ujawniona struktura stali (materiał rodzimy) posiada dwufazową mikrostrukturę składającą się z ziaren austenitu (γ), które znajdują się w osnowie składającej się z ferrytu (δ) (rys. 3).

Otrzymana w procesie przeróbki plastycznej dwufazowa struktura blachy charakteryzuje się niejednorodnością pod względem wielkości i kształtu ziarna, przy czym dominuje pasmowa struktura, w której ziarna austenitu są wydłużone równolegle do płaszczyzny walcowania.

Rys. 3. Mikrostruktura materiału rodzimego

Wraz ze zbliżaniem się do linii topienia, tj. w SWC, następuje stopniowy zanik wydłużonych pasm austenitu i zmianie ulega morfologia granicy międzyfazowej (rys 4). W obszarze tym obserwuje się również wzrost zawartości ferrytu z ok. 49% dla materiału rodzimego (rys. 4a) do ok. 62% w SWC (rys. 4c). Zmiany te wywołane są szybkimi cyklami cieplnymi wywołanymi w procesie spawania i wynikają z procesu wytwarzania stali.

Zarówno wyżarzanie stali duplex, jak i obróbka plastyczna na gorąco prowadzone są w temperaturach poniżej krzywej rozpuszczalności granicznej ferrytu, gdzie kontrola czasu chłodzenia i temperatury umożliwia kontrolę ilości austenitu i ferrytu, zachowując je w równowadze. Obniżanie temperatury wyżarzania powoduje zwiększenie ilości austenitu, który tworzy się na granicach ziaren ferrytu, aż do ich całkowitego pokrycia.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Budownictwo przemysłowe

Złącza w konstrukcjach stalowych

Do konstrukcji stalowych zalicza się korpusy obrabiarek, jak i budowlane konstrukcje nośne. We wszystkich trzeba zapewnić właściwe połączenie elementów.

Szybkie chłodzenie z wysokiej temperatury (przy linii wtopienia), typowe dla procesu spawania, powoduje zaburzenie przemiany ferrytu w austenit, w wyniku czego następuje zwiększenie udziału ferrytu. Przemiana ta ze względu na charakter dyfuzyjny wymaga odpowiednio długiego czasu i odpowiedniej temperatury, zależnej od składu chemicznego i mieszczącej się zazwyczaj w zakresie od 1300 do 800°C podczas chłodzenia. Obniżanie temperatury powoduje zmniejszenie szybkości dyfuzji pierwiastków ferrytotwórczych (Cr, Mo, W) do ferrytu, a austenitotwórczych (Ni, C, N, Cu) do austenitu, co uniemożliwia uzyskanie składów równowagowych obu faz. Obszar SWC przy linii wtopienia charakteryzuje się zatem strukturą gruboziarnistą z austenitem wtórnym na granicach ziaren, jak i wewnątrz ziaren ferrytu (rys. 5).

Rys. 4. Mikrostruktura materiału rodzimego (a) oraz obszaru na granicy MR/SWC (b, c)

Rys. 5. Mikrostruktura obszaru SWC ze wskazanymi strzałkami austenitem na granicach ziaren i wewnątrz ziaren ferrytu

W obszarze spoiny obserwowana jest struktura kolumnowa powstała w wyniku narastania krystalitów od linii wtopienia w kierunku osi spoiny. Spoina charakteryzuje się strukturą austenityczno-ferrytyczną o zwiększonej zawartości austenitu (ok. 65–75%). Taka budowa strukturalna wynika z dużej zawartości niklu w zastosowanym stopiwie (rys. 6). Wysoka zawartość austenitu zapewnia spoinie wysoką ciągliwość, jak i odporność na korozję. Ponieważ proces spawania prowadzony był ruchem zakolowym w obszarze spoiny zaobserwować można było charakterystyczne „języczki” o skaldzie chemicznym odpowiadającym materiałowi rodzimemu. W obszarach tych obserwowano wzrost ilości ferrytu oraz niewielkie ilości austenitu wtórnego.

Rys. 6. Mikrostruktura spoiny

Podsumowanie

Zachodzące przemiany i procesy wydzieleniowe podczas spawania stali duplex powodują, że zarówno ilość ciepła wprowadzonego, jak i prędkość chłodzenia podczas spawania stali duplex muszą być ściśle kontrolowane. Niezachowanie reżimów technologicznych powoduje albo obniżenie plastyczności spoiny, SWC, albo uwrażliwienie stali na procesy korozji wżerowej, prowadzące w konsekwencji do obniżenia walorów eksploatacyjnych instalacji. Sprzyjające warunki procesu niesie ze sobą automatyzacja i robotyzacja procesów konstrukcji ze stli duplex – dzięki zapewnieniu stałej ilości wprowadzonego ciepła i możliwości ciągłego kontrolowania temperatury międzyściegowej podczas spawania oraz wykonywania złączy w odpowiedniej kolejności, pozwalającej na „sterowanie” czasem stygnięcia złączy po spawaniu.

------------------------------

dr inż. Lechosław Tuz, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica

Badania mikrostruktury wykonano w ramach projektu „Nierdzewna” dla firmy Roboty Przemysłowe.

Literatura:

1. Nowacki J., Stal dupleks w konstrukcjach spawanych, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2013.
2. Brytan Z., Stal duplex-rozwój mikrostruktury, własności mechaniczne, odporność korozyjna, materiały z międzynarodowych targów METALFORUM 2010 [online], dostęp: 18. 07. 2018, http://www.stalenierdzewne.pl/upload/file/publikacje/Stal_duplex_-_rozwoj_mikrostruktury_wlasnosci_mechaniczne_odpornosc_korozyjna.pdf.
3. Willför M., Stale duplex – Grupa wysokowytrzymałych gatunków stali nierdzewnej, materiały z seminarium: Zastosowanie stali odpornych na korozję. Trendy kierunki, rozwój, 2008 [online], dostęp: 18.07.2018, http://www.stalenierdzewne.pl/upload/file/publikacje/1_Mikael_Willfor.pdf.
4. Potapczyk A., Bielanik J., Zastosowanie technologii lutowania próżniowego w procesie wytwarzania elementów maszyn ze stali duplex, „Przegląd spawalnictwa” nr 9/2007, s. 89–94.
5. Neessen F., Bandsma P., Użycie nierdzewnych stali duplex do budowy zbiornikowców, „Biuletyn Instytutu Spawalnictwa” nr 4/2002, s. 61–63.
6. Słodziński S., Zając P., Spawanie stali duplex w Stoczni Szczecińskiej Nowa S.A., „Przegląd Spawalnictwa” nr 9–10/2003, s. 21–23.
7. Tasak E., Ziewiec A., Spawalność materiałów konstrukcyjnych, tom 1, Spawalność stali, Wydawnictwo JAK, Kraków 2009.
8. Karlsson L., Spawanie stali odpornych na korozję – stale duplex i superduplex, „Biuletyn Instytutu Spawalnictwa” nr 1/1999, s. 28–33.
9. Nowacki J., Materiałowo-technologiczne aspekty spawania stali duplex w przemyśle okrętowym, „Inżynieria Materiałowa” nr 6/2003, s. 746–750.
10.Łukojć A., Nowacki J., Wpływ warunków cieplnych spawania na strukturę i własności strefy wpływu ciepła połączeń stali duplex, „Inżynieria Materiałowa” nr 6/2003, s. 734–737.
11. Ammann T., Spawanie stali typu duplex w osłonie gazów ochronnych, „Biuletyn Instytutu Spawalnictwa” nr 5/2000, s. 69–74.