Obróbka cieplna martenzytycznej stali 1.4006

Chciałbym się dowiedzieć jaką obróbkę cieplną zastosować po spawaniu stali martenzytycznej X12Cr13. Chodzi mi dokładnie o rodzaj obróbki i czas jej przebiegu.
 
Obróbka cieplna stali martenzytycznych

Wysoką twardość i wytrzymałość stali martenzytycznych uzyskuje się w wyniku obróbki cieplnej, polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu; na skutek przemiany martenzytycznej z austenitu w strukturze stali powstaje martenzyt. Posiada on wysoką wytrzymałość i jest magnetyczny. Po hartowaniu martenzyt jest zbyt twardy i kruchy, aby mógł być stosowany bez obawy pękania stali. Dlatego stal jest kolejno odpuszczana, co przywraca jej ciągliwość przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości.

Wprowadzenie do stali powyżej 0,1%C przy stężeniu 13% chromu powoduje, że stale w wysokiej temperaturze mają strukturę austenityczną. Umożliwia to hartowanie stali po chłodzeniu w powietrzu w celu uzyskania struktury martenzytycznej i następne ich odpuszczanie. Z tego względu w grupie stali martenzytycznych wyróżnia się gatunki o strukturze martenzytyczno-austenitycznej. Przy wyższym stężeniu chromu obszar występowania fazy austenitycznej może być poszerzony przez wprowadzenie 2% dodatku niklu. W gatunku 1.4006 / X12Cr13 również zastosowano dodatek niklu, lecz w niższym udziale 0,75% otrzymując pożądany efekt zwiększenia obszaru trwałości austenitu w wysokiej temperaturze oraz polepszenia plastyczności. W zależności od gatunku stali po hartowaniu i odpuszczaniu stale martenzytyczne osiągają twardość w zakresie 44÷60 HRC.

Gatunki o zawartości węgla poniżej 0,1 % wykazują osnowę o strukturze martenzytycznej z zawartością od 5 % do 25 % austenitu. W rezultacie uzyskują niższą wytrzymałość i twardość oraz zwiększoną odkształcalność w porównaniu do tylko martenzytycznych stali nierdzewnych, np. gatunku 1.4021.

Gatunek martenzytycznej stali nierdzewnej jest dostępny w stanie obróbki cieplnej po wyżarzaniu oraz w stanie po hartowaniu i odpuszczaniu. Materiał w stanie obróbki cieplnej po wyżarzaniu jest miękki i nadaje się do kształtowania np. obróbki ściernej, plastycznej. Wyżarzanie gatunku 1.4006 wykonuje się w zakresie temperatury 770-830°C z kolejnym wolnym chłodzeniem na powietrzu, z piecem lub w wodzie. Własności mechaniczne w tym stanie to Rm maksymalnie 600MPa oraz wydłużenie A80= min. 20%.

Martenzytyczna stal nierdzewna dla uzyskania wysokiej wytrzymałości i twardości powierzchni jest poddawana hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu (w 620-780°C). W stanie po hartowaniu (950-1100°C) w oleju lub na powietrzu oraz kolejnym odpuszczaniu w temperaturze 700-780°C – symbol obróbki cieplnej QT550 gatunek 1.4006 uzyskuje wytrzymałość na rozciąganie Rm=550-750, umowną granicę plastyczności Rp0,2=400 MPa oraz wydłużenie A80= min. 15%.

 

Spawanie martenzytycznych stali nierdzewnych

Wszystkie gatunki stali martenzytycznych mogą być spawane austenitycznymi materiałami dodatkowymi lub materiałami dodatkowymi równoimiennymi (o składzie martenzytycznej stali nierdzewnej). Jeżeli stosowane są austenityczne materiały dodatkowe, spoina ma mniejszą wytrzymałość niż materiał podstawowy. Zaleca się stosowanie typowej energii liniowej dla spawania martenzytycznych stali nierdzewnych w zakresie od 0,5 kJ/mm do 1,5 kJ/mm dla ręcznego spawania łukowego, natomiast nie zaleca się wyraźnie mniejszych lub większych energii liniowych o podanych wartości. Dla elementów o grubości < 8 mm podgrzewanie wstępne nie jest wymagane, natomiast dla grubszych elementów może być wymagane podgrzewanie wstępne w zakresie od 100 °C do 200 °C. Stosowanie austenitycznych materiałów dodatkowych znacznie zmniejsza ryzyko powstawania pęknięć wodorowych, dzięki wyższej rozpuszczalności wodoru w austenicie.

W czasie spawania w spoinie i w strefie wpływu ciepła (SWC) występują efekty hartowania i odpuszczania, co w wyniku daje zróżnicowanie własności złącza. W SWC i w martenzytycznej spoinie, w stanie bezpośrednio po spawaniu, strukturę stanowi nie odpuszczony martenzyt z wieloma cienkimi strefami odpuszczonymi przez kolejne ściegi spoiny. W gatunkach martenzytyczno-austenitycznych pozostają resztki austenitu, przez co ich wytrzymałość jest mniejsza niż wytrzymałość gatunków martenzytycznych.

 

Obróbka cieplna po spawaniu

Gatunki stali nierdzewnych martenzytycznych spawane austenitycznymi materiałami dodatkowymi zwykle nie wymagają obróbki cieplnej po spawaniu. Jeżeli stosowane są równoimienne materiały dodatkowe obróbka cieplna po spawaniu jest wymagana dla uzyskania optymalnych własności materiału spoiny. Jeżeli jest ona wymagana, zaleca się, aby była przeprowadzona zgodnie z zaleceniami wytwórcy materiału podstawowego. Gatunki nierdzewne martenzytyczno-austenityczne nie wymagają najczęściej obróbki cieplnej po spawaniu dla uzyskania optymalnych własności mechanicznych.

Obróbka cieplna po spawaniu martenzytycznej stali nierdzewnej 1.4006 może być wykonana przez odpuszczanie w temperaturze 680-780°C (zwykle 750°C) przez czas od 1 do 4 godziny z wolnym chłodzeniem do temperatury pokojowej. Obróbka cieplna powinna być wykonana niezwłocznie po spawaniu, gdy element schłodzi się do temperatury poniżej 100°C, co ma zapewnić pełną przemianę martenzytyczną w obszarze spoiny i strefie wpływu ciepła. Wymaga się również dokładnej kontroli szybkości nagrzewnia dla zmniejszenia wpływu naprężeń cieplnych. Stal typu 1.4006 może być także odpuszczana w niższej temperaturze w zależności od pożądanego stanu obróbki cieplnej, co zapewni wyższe własności mechaniczne lecz jednocześnie niższą udarność i wyższy poziom naprężeń spawalniczych. Należy unikać wygrzewania w zakresie temperatury 400 - 580°C, które powoduje kruchość odpuszczania i znacznie ogranicza udarność oraz odporność korozyjną stali.

 

Literatura

[1]. PN-EN 1011-3, Spawanie, Wytyczne dotyczące spawania metali, Część 3: Spawanie łukowe stali nierdzewnych.

[2]. Z. Brytan, Vademecum Stali Nierdzewnej, SSN, Katowice 2014

[3]. PN-EN 10088-2, Stale odporne na korozję, Część 2: Warunki techniczne dostawy blach i taśm ze stali nierdzewnych ogólnego przeznaczenia.

[4]. Welding of ferritic/martensitic stainless steels Job Knowledge 101, www.twi-global.com