D. Kapciska-PopowskaJournal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1) 59Dorota
KAPCISKA-POPOWSKA Przemysowy Instytut Maszyn Rolniczychul. Starocka
31, 60-963 Pozna e-mail: [email protected] COMPARATIVE RESEARCH
OF QUALITY AND DURABILITY OF WELDED JOINTS OF THE HARDOX 500 AND
S355 STEELS Summary The paper presents changes of mechanical
properties of welded joints of the HARDOX 500 and S355 steels made
through
differenttechnologicalmethods.Alsothelineardecompositionoftheelementsresponsiblefortribologicalpropertiesof
these steels is determined. PORWNAWCZE BADANIA JAKOCIOWE I
TRWAOCIOWE POCZE SPAWANYCH STALI HARDOX 500 I STALI S355
Streszczenie
ArtykuprzedstawiazmianywaciwocimechanicznychzczspawanychzestaliHARDOX500iS355,wykonanychr-nymi
metodami technologicznymi. Okrelono rwnie rozkad liniowy
pierwiastkw odpowiedzialnych za waciwoci tribo-logiczne tych stali.
1. Wprowadzenie Zczespawanemaczstoniejednorodnstruktur,co
wpywanegatywnienajegowaciwocimechaniczne. Waciwoci zcza spawanego
nie s takie same jakmate-riau rodzimego. W strefie wpywu ciepa
wystpuje znacz-neobnieniewaciwociplastycznych,czegokonsekwen-cj s
mikropknicia, pory, zaulenia i innewady.
Zmia-nystrukturalnewystpujcewczasienagrzewaniaicho-dzenia metalu
wywouj wok zcza spawanego silne pole napre wewntrznych.
Naposzczeglnestrefyzczaspawanegowpywmaro-dzajzastosowanegomateriauiprzebiegproceswmetalur-gicznych
spawania. Procesy te mona podzieli na trzy grupy: Zjawiska fizyczne
i reakcje chemiczne, ktre wystpuj w uku elektrycznym, midzy kropl
roztopionego metalu a
atmosferuku.Wukuelektrycznymzachodzidysocjacja
czstekorazzwizkwchemicznych,parowaniemetalu,
utlenianiemetaliizawartychwnichskadnikw,przecho-dzenieskadnikwzatmosferyukudokropli,wzajemne
oddziaywanie metalu i gazu oraz metalu i ula.
Reakcjechemicznezachodzcewjeziorkuciekegometalu orazmidzy
jeziorkiemawarstwula lub atmosfer
ochron-n.Wjeziorkuspawalniczymmogwystpowa:pochanianie gazu oraz
jegowydzielenia, odtlenianie i odazotowanie kpieli, przechodzenie
rnych pierwiastkw i ich zwizkww kierun-ku jeziorka lub odwrotnie w
kierunku ula. Zjawiska zachodzce w strefie wpywu ciepa. W
wyni-kunagrzaniamateriaurodzimegodoodpowiedniowyso-kiejtemperatury,wzalenociodrodzajumateriauijego
stanu,nastpujprzemianyfazowe,zwizanezzahartowa-niem,odpuszczeniem,dyfuzjirekrystalizacjorazzjawi-ska
starzeniowe. Wpraktyceistniejewielemetodczeniametali,jak
rwnietworzywsztucznychnp.:spajanienazimno,luto-wanie,zgrzewanieitp.Wszystkietemetodyodgrywaj
znacznrolwprocesachprodukcyjnych,jednakszczegl-ne znaczenie ma
spawanie [1, 2, 3, 4]. 2. Przedmiot bada Przedmiotem bada byy
prbkiwykonane znastpuj-cych materiaw: stali HARDOX 500 w stanie
dostawy, stali S355 (18G2) w stanie dostawy. Skad chemiczny stali
HARDOX 500 i S355 zbadano przy uyciu spektrometru SOLARIS-CCD i
zestawiono w tab. 1. 3. Cel pracy Celem pracy byo:
porwnaniewaciwocimechanicznychzczspawa-nychzestaliHARDOX500iS355,wykonanychrnymi
metodami technologicznymi,
okrelenierozkaduliniowegopierwiastkwodpowie-dzialnych za waciwoci
tribologiczne stali HARDOX 500 i S355. W celu okreleniatychwaciwoci
przeprowadzo-no nastpujce badania: wytrzymaociowe, technologiczn
prb zginania, twardoci (w skali HRC), strukturalne zcz spawanych,
rozkadu pierwiastkw. Tab. 1. Skad chemiczny stali HARDOX 500 i S355
[5, 6] Table 1. Chemical composition of the HARDOX 500 and S355
steels [5, 6] Materia C %max Si %max Mn %max P %max S %max Cr %max
Ni %max Mn %max Al %max Cu %max HARDOX
5000,180,451,50,0250,011,00,30---
S3550,200,251,200,040,040,300,301,500,020,30 D.
Kapciska-PopowskaJournal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1) 604. Przygotowanie prbek
do bada Przygotowanie prbek do spawania
Zuwaginaznaczntwardoiwaciwociwytrzyma-ociowestaliHARDOX500prbkiwycitostrumieniem
wody 3D w firmie Quatro na maszynie Water Jet. Obrbka
strumieniemwodypozwalanaciciemateriawoduo
wikszejgruboci,niepowodujcadnychzmianstruktu-ralnychwywoanychwysoktemperatur,wporwnaniu
do tradycyjnego cicia laserem i
plazm.PrbkizestaliS355wykonanoklasycznmetodob-rbki skrawaniem.
Techniki spawania prbek PrbkiprzedspawaniemmetodAiBzestali HARDOX
500 i S355 zostay sfazowane pod ktem 45. Metoda A: spawarka H150-1
firmy Lorch,spawanie migomatem, drut: 1,2mm, osona: korgon =CO2 +
argon, prd spawania: 170A. Metoda B: spawanie tradycyjne
(elektrod), elektroda: 2,5mm, Elga AB, prd spawania: 95A. Cicie
spawanych prbek
Pospawaniuprbkibyyponowniewycitestrumie-niemwodywfirmieQuatronamaszynie
Water Jet.
Zasto-sowanieciciatmetodbyoistotnezewzgldunako-niecznozachowania(bezzmian)strukturyiwaciwoci
mechanicznych stali i zcza spawanego.
5.Badaniawytrzymaocioweitechnologicznaprba zginania
Badaniawytrzymaocioweitechnologicznprbzgi-nania zcz spawanych ze
stali HARDOX 500 i S355
prze-prowadzononamaszyniewytrzymaociowejtypuHT-2402(rys.1).Badaniateprzeprowadzonozgodnieznor-mami:PN-ENISO7438(technologicznaprbazginania)i
PN-EN 10002-1 (badania wytrzymaoci na rozciganie). Rys. 1. Maszyna
wytrzymaociowa HT-2402Fig. 1. Endurance machine HT-2402 Rys. 2.
Technologiczna prba zginaniaFig. 2. Technological bending test
HT-2402 Rys.3.Widokprbekprzeznaczonychdobadatechnolo-gicznej prby
zginania Fig.3.Viewofthesamplespurposedfortechnological bending
test research Rys.4.Widokprzykadowejprbkiprzeznaczonejdoba-da
wytrzymaociowych Fig. 4. View of the sample purposed for strength
tests Zadane parametry podczas przeprowadzanych bada: gowica: 50kN,
posuw: 50mm/min. Wyniki bada wytrzymaociowych stali HARDOX 500 i
S355 przedstawiono w tab. 2 i
3.Wynikibadatechnologicznejprbyzginaniastali HARDOX 500 i S355
przedstawiono w tabelach 47.
BadaniawaciwocimechanicznychstaliHARDOX500i S355 wykazay, e najwysz
wytrzymaoci na rozciganie charakteryzuje si stal HARDOX 500 i
wynosi 1282MPa. D. Kapciska-PopowskaJournal of Research and
Applications in Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1) 61Tab. 2.
Wyniki bada wytrzymaociowych stali HARDOX 500 Table 2. Tests
results of mechanical properties of the HARDOX 500 steel
Lp.MateriaSia max [N] Granica plastycznoci Re [MPa] Wytrzymao na
roz-ciganie Rm [MPa] Wyduenie wzgldne A [%] 1.361001179127612 2.
HARDOX 500 364001229128710 362501204128211 Tab. 3. Wyniki bada
wytrzymaociowych stali S355Table 3. Tests results of mechanical
properties of the S355 steel Lp.MateriaSia max [N] Granica
plastycznoci Re [MPa] Wytrzymao na roz-ciganie Rm [MPa] Wyduenie
wzgldne A [%] 1.1783760563014 2.1760036262217 3. S355 1708737860416
1750844961915 Tab. 4. Wyniki bada technologicznej prby zginania
stali HARDOX 500 spawanej metod A Table 4. Results of technological
bending tests of the HARDOX 500 steel, welded according to A method
Lp.Materia Sia max[N] Naprenia zginajce Rzg [MPa] Wyduenie wzgldne
A [%] 1.87158723 2.92859333 3. HARDOX 500 73507412 84508522 Tab. 5.
Wyniki bada technologicznej prby zginania stali HARDOX 500 spawanej
metod B Table 5. Results of technological bending tests of the
HARDOX 500 steel, welded according to B method Lp.MateriaSia max
[N] Naprenia zginajce Rzg [MPa] Wyduenie wzgldne A [%] 1.69607011
2.35573610 3. HARDOX 500 1049010520 70027014 Tab. 6. Wyniki bada
technologicznej prby zginania stali S355 spawanej metod A Table 6.
Results of technological bending tests of the S355 steel, welded
according to A method Lp.MateriaSia max [N] Naprenia zginajce Rzg
[MPa] Wyduenie wzgldne A [%] 1.7835782 2.74047430 3. S355 62706334
71697222 Tab. 7. Wyniki bada technologicznej prby zginania stali
S355 spawanej metod B Table 7. Results of technological bending
tests of the S355 steel, welded according to B method Lp.MateriaSia
max [N] Naprenia zginajce Rzg [MPa] Wyduenie wzgldne A [%]
1.98159831 2.77957839 3. S355 69456936 81858235 D.
Kapciska-PopowskaJournal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1)
62Badaniaparametrwzginania(technologicznaprbazgi-nania) stali
HARDOX 500 i S355 wykazay, e:
dlapoczeniaspawanegozestaliHARDOX500metod A naprenie
zginajcewynioso 85MPa. Warto naprenia zginajcego jest wiksza o okoo
18% ni w przypadku tej sa-mej stali, jednak spawanej metod B, dla
poczenia spawanego ze stali S355 metod B napre-nie zginajce wynioso
82MPa. Warto naprenia zginajce-go jestwiksza o okoo 12%niw
przypadkutej samejstali, jednak spawanej metod A. 6. Porwnawcze
badania twardoci TwardozczspawanychprbekzestaliHARDOX
500iS355zbadanoprzyuyciutwardociomierzamarki Zwick, typ ZHR4150AK
(rys. 5), stosujc pomiar metod
Rockwella,wskaliC.Pomiarywykonanowtrzechstre-fach prbki (rys. 6) z
dokadnoci 2 HRC, zgodnie z PN-EN ISO-6508.
WynikibadatwardocistaliHARDOX500iS355 przedstawiono na rys. 7. Rys.
5. Twardociomierz Zwick Rockwella ZHR.4150 AK Fig. 5. Hardness
tester Zwick Rockwella ZHR.4150 AK Rys. 6. Prbka do bada twardoci
Fig. 6. Sample for hardness tests Rys. 7. Wykres obrazujcy rozkad
twardoci w prbkach Fig. 7.Graph of the hardness distribution in the
samples 7. Badania strukturalne zcz spawanych
Zgadymetalograficzneprzygotowanonaszlifierko-polerceFirmyForcipol(rys.8).Nastpnie,prbkizcz
spawanychodpowiedniowypolerowanychiwytrawionych odczynnikiem Ni1Fe
(nital 2%) poddano obserwacji w r-nych strefach zcz (przy
powikszeniu 250 x). Celem tego
byozaobserwowaniernicstrukturalnychwystpujcych w zczu spawanym.
Podczony aparat Canon G9 do mikroskopu metalogra-ficznego typu MET3
XJP 6 (rys. 9) umoliwi zapis cy-frowy struktur oraz przesanie i
obrbk zdj w specjali-stycznym programie Zoom Browser. Rys. 8.
Szlifierko-polerka Firmy Forcipol Fig. 8. Forcipol' s polishing
machine Rys. 9. Mikroskop metalograficzny typu MET3-XJP-6 Fig. 9.
Metallographic microscope, type: MET3-XJP-6 Wyniki bada
strukturalnych przedstawiono na rysunkach 1015. D.
Kapciska-PopowskaJournal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1) 63
Rys.10.PrbkazestaliHardox500przedspawaniem. Struktura bainityczna.
Powikszenie 250 x Fig.10.SampleoftheHardox500steelbeforewelding.
Bainit structure. Magnification 250 x Rys. 11. Prbka ze stali
Hardox 500 po spawaniu metod
A.Widocznegwatowneprzejcieilicznezanieczysz-czenia w strefie spawu.
Bainit, ferryt i austenit szcztkowy. Powikszenie 250x
Fig.11.SampleoftheHardox500steelafterwelding
throughAmethod.Visibleviolentphasetransitionand nu-merous
impurities in the weld melt. Bainit, ferrite and reta-ined
austenite. Magnification 250x. Rys. 12. Prbka ze stali Hardox 500
po spawaniu metod B.Widoczneprzejcieiniewielkiezanieczyszczeniaw
strefie spawu. Struktura gruboziarnista, obecno bainitu, ferrytu i
austenitu szcztkowego. Powikszenie 250x
Fig.12.SampleoftheHardox500steelafterwelding
throughBmethod.Visibletransitionandimpuritiesinthe
weldmelt.Coarsegrainedstructure,bainit,ferriteand retained
austenite. Magnification 250x. Rys. 13. Prbka ze stali S355 przed
spawaniem. Struktura
ferrytyczno-perlityczna,widocznapasmowo.Powik-szenie 250x
Fig.13.SampleoftheS355steelbeforewelding.Pear-liticandferritictstructure,banded-structure.Magnifica-tion
250x. Rys.14.PrbkazestaliS355pospawaniumetodA. Struktura
ferrytyczno-perlityczna z du iloci ferrytu, wi-doczna pasmowo
ferrytu. Niewielka ilo zanieczyszcze w strefie spawu. Powikszenie
250x Fig. 14. Sample of the S355 steel after welding through A
method. Pearlitic and ferritict structure with lots of ferrite,
ferritebanded-structure.Visibleimpuritiesintheweld melt.
Magnification 250x Rys.15.Prbkazestali18G2pospawaniumetodB.Ferryt,
perlitiaustenitszcztkowy,widocznapasmowoferrytu.Dua ilo
zanieczyszcze w strefie spawu. Powikszenie 250x
Fig.15.SampleoftheS355steelafterweldingthroughB
method.Bainit,ferriteandretainedaustenite,ferritebanded structure.
Visible impurities in the weld melt. Magnification 250x. D.
Kapciska-PopowskaJournal of Research and Applications in
Agricultural Engineering 2011, Vol. 56(1)
64AnalizastrukturzczspawanychzestaliHARDOX500iS355wykazaa,enajwicejzanieczyszczewspoiniei
strefie wpywu ciepa (SWC) pojawiy si w stali: HARDOX 500 spawanej
metod A, S355 spawanej metod B. Gwatowne przejcia w strukturze,
ktre wystpiy w prb-kachzestaliHARDOX500,znacznieobniyywaciwo-ci
mechaniczne spoiny. 8.Badaniarozkadupierwiastkwodpowiedzialnychza
waciwoci tribologiczne stali
Badaniasegregacjipierwiastkw(Cr,Mn)odpowiedzial-nychzawaciwocitribologicznebadanychstaliprzeprowa-dzononaspektrometrzefluorescencji
rentgenowskiej EAGLE
IIIfirmyRntgenanalitikMesstechnikGmbHprod.niemiec-kiej (rys. 16)
stosujc metod Line Scan, rys. 17.
SpektrometrEAGLEIIIumoliwiaprecyzyjninie-niszczc analiz skadu
chemicznego w ciaach staych i w cieczach, w zakresie pierwiastkw od
Na do U na poziomie
ichwykrywalnocipoprzezzastosowaniewzbudzeniaprzy
uyciufluorescencyjnegopromieniowaniarentgenowskie-go. Ustalone
parametry do bada skadu chemicznego: 20kV, 100A, czas pomiaru
jednego punktu 500ms, liczba badanych punktw w linii: 256,
atmosfera bada: powietrze.Badanie przeprowadzono w trzech miejscach
(rys. 16): grna cz prbki I, rodkowa cz prbki II, dolna cz prbki
III. Rys. 16. Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej Eagle III
prod. niemieckiej Fig. 16. Spectrometer Eagle III Rys. 17. Widok
prbki Fig. 16. View of the sample
Narysunkach1821przedstawionowidmabadanych
zczspawanychstaliHARDOX500iS355,natomiastta-bele811zawierajilociowocenpierwiastkw
(Cr i Mn)wykrytychprzezspektrometrfluorescencjirent-genowskiej
Eagle III. Rys. 18. Rozkad pierwiastkw w prbce ze stali HARDOX 500
spawanej metod A, w liniach: IA, II-B, III- C Fig. 18. Distribution
of elements in the HARDOX 500 steel welding of A method in the
lines: I-A, II-B, III - C Rys. 19. Rozkad pierwiastkw w prbce ze
stali HARDOX 500 spawanej metod B w liniach: IA, II-B, III- C Fig.
19. Distribution of elements in the HARDOX 500 steel welding of B
method in the lines: I-A, II-B, III - C D. Kapciska-PopowskaJournal
of Research and Applications in Agricultural Engineering 2011, Vol.
56(1) 65 Rys. 20. Rozkad pierwiastkw w prbce ze stali S355 spawanej
metod A w liniach: IA, II-B, III- C Fig. 20. Distribution of
elements in the S355 steel welding of A method in the lines: I-A,
II-B, III - C Rys. 21. Rozkad pierwiastkw w prbce ze stali S355
spawanej metod B w liniach: IA, II-B, III- C Fig. 21. Distribution
of elements in the S355 steel welding of B method in the lines:
I-A, II-B, III - C
Tab.8.IlociowaocenaspektrometrycznapierwiastkwCriMn w zczu spawanym
metod A stali HARDOX 500
Table8.QuantitativeevaluationofCrandMnelementsinthe joint welded
through A method of the HARDOX 500 steel HARDOX 500%Cr%Mn
I0,2470,636 II0,2490,839 III0,1730,663
Tab.9.IlociowaocenaspektrometrycznapierwiastkwCriMn w zczu spawanym
metod B stali HARDOX 500
Table9.QuantitativeevaluationofCrandMnelementsinthe joint welded
through B method of the HARDOX 500 steel HARDOX 500% Cr%Mn
I0,1800,394 II0,3690,902 III0,3100,706 Tab. 10. Ilociowa ocena
spektrometryczna pierwiastkw Cr i Mn w zczu spawanym metod A stali
S355Table10.QuantitativeevaluationofCrandMnelementsinthe welded
joint of A method of the S355 steel S355% Cr%Mn I0,1040,652
II0,1260,620 III0,1170,701 Tab. 11. Ilociowa ocena spektrometryczna
pierwiastkw Cr i Mn w zczu spawanym metod B stali S355 Table 11.
Quantitative evaluation of Cr and Mn elements in the welded joint
of B method of the S355 steel S355% Cr%Mn I0,1510,488 II0,1540,547
III0,1580,507 W stali HARDOX 500 w zczu spawanym metod A
zna-czcezmianysegregacjimanganuzauwaonowliniiII(naj-wiksza
migracja) zawarto ilociowa Mn 0,636%. W zczu spawanymmetod B zmiany
te widoczne byyw II i III linii zawarto ilociowa Mn 0,636%. W
zczach spawanych stali S355 znaczce zmiany segrega-cji manganu
zauwaono w prbce spawanej metod A w I linii. Naley przytym
podkreli,esegregacja chromuw prb-kach typu HARDOX 500 i S355
utrzymywaa si na podobnym poziomie, w zalenoci od metody spawania
(A lub B). 9. Wnioski Na podstawie wykonanych porwnawczych bada
fizy-komechanicznych, metalograficznych i spektrometrycznych pocze
spawanych stali HARDOX 500 i S355 stwierdzo-no, e:
1.MetodaspawaniatypuA(spawaniemigomatem)jest
najlepszadlastaliHARDOX500,natomiastdlastaliS355 metoda B (spawanie
elektrod).
2.Badaniaspektrometryczneposuyydozaobserwowa-niamigracjipierwiastkwodpowiedzialnychzawaciwo-citribologicznestaliHARDOX500(Cr,Mn)wzczach
spawanych.Wynikizprzeprowadzonychbadawykazay
dueichzrnicowanie,wzalenociodmetodyspawania
AiB,copotwierdziokoniecznoracjonalnegowyboru technologii spawania
dla tych stali. 10. Literatura
[1]DobrzaskiL.:Materiayinynierskieiprojektowaniemateriaowe.
Podstawynaukiomateriaachimetaloznawstwo.Wydaniedrugie zmienione i
uzupenione, Gliwice Warszawa, 2006.
[2]LisowskiZ.RudowskiS.:Spawalnictwo.Warszawa:Pastwowe Wydawnictwo
Szkolnictwa Zawodowego, 1961. [3]Zatyka H.: Spawanie i nitowanie.
Warszawa: Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, 1975. [4]Poradnik
spawalniczy. Warszawa, 1966. [5]Internet. [6]Karta katalogowa stali
HARDOX 500.
