NR 1/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 31

Dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska (rozmus@agh.edu.pl), prof. dr hab. inż. Marek blicharski, prof. dr hab. inż. Jan Kusiński – AGH Akademia Górniczo--Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, mgr inż. Ludwik Kusiński, mgr inż. Marek Marszycki – Fabryka Kotłów SEFAKO, Sędziszów

MAGDALENA ROZMUS-GóRNIKOWSKA, MAREK bLIChARSKI, JAN KUSIńSKI, LUDWIK KUSIńSKI, MAREK MARSZYCKI

Wpływ sposobu napawania rur kotłowych na mikrostrukturę i skład chemiczny napoin

WPROWADZENIE

W kotłach spalających odpady komunalne i przemysłowe trwałość elementów najbardziej narażonych na korozję zwiększa się często przez napawanie powłok ze stopów niklu [1, 2]. Podstawowymi kryteriami technologicznymi, jakie powinna spełniać napawana powłoka ze stopu na osnowie niklu, jest mała zawartość żelaza mierzona na jej powierzchni oraz grubość powłoki nie większa niż 2,5 mm. Zwiększona zawartość Fe w napoinie ma niekorzyst-ny wpływ m.in. na jej odporność korozyjną [3, 4]. Do napawania stosuje się często stop na osnowie Ni Inconel 625 zawierający do 0,5% Fe. Zwiększenie zawartości Fe w powłoce wynika z przeto-pienia i rozpuszczania materiału podłoża w nanoszonym materiale.

Napawanie jest procesem nanoszenia materiału na po wierzchnię wyrobów metodami spawalniczymi. Powłoki napawa ne w porów-naniu z powłokami nanoszonymi innymi metodami, ze względu na przetopienie materiału nanoszonego i pewnej warstwy podłoża, charakteryzują się silnym połączeniem z podłożem. Ponadto w ten sposób można względnie łatwo wytworzyć warstwę nie zawierają-cą porów i innych wad [5].

W napoinie podobnie jak w spoinie materiałów różnoimien nych występują cztery strefy mikrostruktury: przetopiona, częściowe-go wymieszania, częściowo stopiona oraz wpływu ciepła (rys. 1). W strefie przetopionej wymieszanie nanoszonego materiału z pod-łożem jest całkowite, dlatego skład chemiczny tej strefy jest ma-kroskopowo jednorodny. W strefie częściowego wymieszania skład chemiczny zmienia się od składu warstwy przetopionej do składu materiału podłoża. Do strefy częściowego wymieszania przylega strefa częściowo stopiona, w której skład chemiczny nie zmienia się i jest taki sam jak materiału podłoża. Temperatura podczas na-pawania w tym obszarze zmienia się od temperatury likwidusu do temperatury solidusu materiału rodzimego. Strefa wpływu ciepła obejmuje obszar materiału podłoża, w którym podczas napawania następuje wzrost temperatury aż do tempe ratury solidusu materiału rodzimego. Przy mniej dokładnym opisie napoiny często wyróżnia się tzw. powierzchnię (linię) wtopienia. Powierzchnia wtopienia jest to powierzchnia oddzielająca strefę częściowego wymieszania od strefy częściowo stopionej [6÷9].

Do nanoszenia warstw przez napawanie stosuje się metody spa-wania: gazowego (płomieniowego), łukowego, wiązką światła lase-ra lub elektronów. Powszechnie stosowanymi metodami napawania łukowego są: napawanie elektrodą nietopliwą w osłonie argonu (GTAW – gas tangsten arc welding) oraz elektrodą topliwą w osłonie argonu lub gazu aktywnego (GMAW – gas metal arc welding) [10].

Nową odmianą napawania łukowego jest napawanie z impul-sowym podawaniem drutu, tzw. proces CMT (cold metal transfer – przenoszenie zimnego metalu). Technologia napawania CMT jest znacznie mniej energetyczna w porównaniu z trady cyjnymi procesami napawania, co pozwala ograniczyć grubość warstwy przetopionej, a tym samym rozcieńczenie warstwy przez podłoże

[11÷13]. Ponadto można w niej dokładniej niż w tradycyjnych pro-cesach spawalniczych regulować ilość ciepła przekazywanego do podłoża. W metodzie CMT drut jest przesuwany w kierunku pod-łoża do momentu pojawienia się zwarcia. Następnie drut jest od-ciągany. Kiedy zwarcie zaniknie drut porusza się ponownie w kie-runku elementu napawanego i proces rozpoczyna się od początku. Ponieważ napawanie metalu odbywa się przy małym prądzie, ilość wydzielanego ciepła jest mała.

Celem pracy była ocena wpływu metody napawania Inconelem 625 rur kotłowych ze stali P235GH i 16Mo3 na mikrostrukturę i skład chemiczny podłoża i napoiny.

MATERIAŁ I METODYKA bADAń

Badania prowadzono na odcinkach rur kotłowych napawanych In-conelem 625 przez czterech różnych producentów i oznaczo nych: A, B, C i D. Rury kotłowe A i D ze stali P235GH oraz C ze stali 16Mo3 napawano metodą CMT, natomiast rurę B ze stali P235GH napawano metodą GMAW, a następnie warstwę zewnętrzną napo-iny przetapiano metodą GTAW. Skład chemiczny drutu do napawa-nia Inconel 625 podano w tabeli 1.

Badania mikrostruktury na zgładach metalograficznych przy-gotowanych z przekroju równoległego do osi i prostopadłego do powierzchni rur wykonano za pomocą mikroskopu świetlnego Axio Imager MAT. M1m firmy Carl Zeiss oraz mikroskopu elektronowe-

Rys. 1. Strefy w napoinie materiałów różnoimiennychFig. 1. Microstructural zones in dissimilar welds

Tabela 1. Skład chemiczny drutu do napawania ze stopu Inconel 625, % mas.Table 1. Chemical composition of Inconel 625 wire, wt %

Stop Ni Cr Mo Fe Nb Mn Si Al C

Inconel 625 reszta 22,24 9,14 0,31 3,46 0,01 0,07 0,07 0,02

32 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

go skaningowego Hitachi S-3500N. Na zgładach metalograficznych wykonano również pomiary twardości sposobem Vickersa, stosując obciążenie 9,8 N. Wykonano 3 serie pomiarów, przemieszczając się w kierunku prostopadłym od powierzchni powłoki. W pierwszej serii pomiary rozpoczęto w odległości 2,1 mm od powierzchni wto-pienia, a kolejne odciski wykonywano co 0,3 mm. W drugiej serii pomiary rozpoczęto w odległości 2 mm, a w trzeciej 1,9 mm od po-wierzchni wtopienia. W ten sposób pomiary twardości na przekroju powłoki i materiału podłoża wykonano co 0,1 mm.

Na zgładach metalograficznych przeprowadzono ponadto jako-ściową i ilościową analizę składu chemicznego za pomocą spek-troskopii promieniowania rentgenowskiego z dyspersją energii (EDS). Celem analizy ilościowej było określenie zmian zawartości pierwiastków w kierunku prostopadłym do po wierzchni powło-ki. W poszczególnych pomiarach prowadzono analizę z obszaru kwadratu o boku 60 μm, a odległości między kolejnymi pomiara-mi wynosiły 0,3 mm. Szerokość strefy częściowego wymieszania wynosiła od kilkunastu do kilkudziesięciu mikrometrów, dlatego w celu dokładnego określenia zmian zawartości Fe i pozostałych pierwiastków w tej strefie wykonano również analizę składu che-micznego w punktach w pobliżu powierzchni wtopienia. Analizę rozpoczęto w materiale podłoża w odległości kilku mikrometrów od powierzchni wtopienia, a kolejne pomiary wykonywano co kilka mikrometrów. W analizie ilościowej zawartość wszystkich anali-zowanych pierwiastków normalizowano do 100%. Na podstawie otrzymanych wyników dla każdej rury sporządzono wykresy za-leżności zawartości analizowanych pierwiastków (% mas.) od od-ległości od powierzchni wtopienia. Na przekroju podłoża i powłoki wykonano również mikroanalizę składu chemicznego Ni, Cr, Mo, Nb i Fe wzdłuż linii.

WYNIKI I ICh DYSKUSJA

Makrostrukturę rur z napoinami przedstawiono na rysunku 2. Ba-dania wykazały, że wszystkie napoiny są jednowarstwowe. Średnia grubość powłok wynosi odpowiednio: A – 2,5 mm, B – 2,4 mm, C – 2,3 mm i D – 2,5 mm. Napoiny napawane metodą CMT różnią się pochyleniem ściegu. Średnie pochylenie ściegu dla rur A i D wynosi odpowiednio ok. 20° i 40°. W napoinie rury C pochylenie ściegu wynosi 20°.

W rurach napawanych wyraźnie są widoczne następujące stre-fy: strefa przetopiona, niewytrawiona strefa częściowego wymie-szania, strefa wpływu ciepła oraz materiał rodzimy. Na rysunku 3 przedstawiono mikrostrukturę rury D z napoiną z zaznaczonymi strefami. Nie zaznaczono strefy częściowo przetopionej, ponieważ obszar tej strefy nie jest widoczny na żadnym z badanych zgładów. Struktura powłok jest dendrytyczna z kryształami równoległymi do kierunku odprowadzania ciepła. W strefie wpływu ciepła bez względu na zastosowaną metodę napawania występuje mikrostruk-tura ferrytyczno-bainityczna, natomiast materiał podłoża charakte-ryzuje się mikrostrukturą ferrytyczno-perlityczną.

Ilościowa analiza składu chemicznego wykonana w obszarach strefy przetopionej, strefy częściowego wymieszania oraz podło-ża, jak również analizy wzdłuż linii dla poszczególnych napoin potwier dzają, że niewytrawiona na zgładach metalograficznych strefa jest strefą częściowego wymieszania. W strefie tej występu-je wyraźna zmiana składu chemicznego w porównaniu ze składem chemicznym materiału podłoża i powłoki. Na spektrogramach po-chodzących od strefy częściowego wymieszania są widoczne piki pochodzące zarówno od Fe, jak również od pierwiastków wystę-pujących w powłoce (Ni, Cr, Mo, Nb), ale ich intensywność różni się od intensywności pików na spektogramach pochodzących od powłoki i materiału podłoża (rys. 3). Analiza składu chemicznego wzdłuż linii wykazała, że skład chemiczny tej strefy zmienia się od składu warstwy przetopionej do składu materiału podłoża (rys. 4).

Rys. 2. Makrostruktura napoiny ze stopu Inconel 625: a) rura A, b) rura b, c) rura C, d) rura DFig. 2. Macrostructure of the Inconel 625 weld overlay: a) pipe A, b) pipe B, c) pipe C, d) pipe D

NR 1/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 33

W strefie częściowego wymieszania zawartość Fe jest wyraźnie większa niż w powłoce i maleje w kierunku od podłoża do powłoki, natomiast zawartość Ni, Cr, Mo i Nb jest mniejsza niż w powłoce i zwiększa się w kierunku od podłoża do powłoki. Grubość niewy-trawionej strefy częściowego wymieszania każdej z napawanych powłok wynosi od kilkunastu do kilkudzisięciu mikrometrów.

Ilościowa analiza składu chemicznego wykonana na przekroju podłoża i powłoki wykazała, że bez względu na metodę napawania w naniesionej powłoce obserwuje się zwiększoną zawartość Fe.

Zawartość Fe w stopie Inconel 625 zastosowanym do napa wania wynosi 0,3%. Przy powierzchni, w odległości ok. 2,3 mm dla rur A, B i D oraz 2,1 mm dla rury C od powierzchni wtopienia zawartość Fe dla poszczególnych powłok wynosi odpowiednio: A – 5,5%, B – 1,9%, C – 1,1%, D – 3,0%. Rozmieszczenie Fe i pozostałych analizowanych pierwiastków na przekroju podłoża i powłoki dla rur C i D przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Przyczyną zwiększonej zawartości Fe w strefie częściowego wymieszania i w powłoce jest przetopienie i rozpuszczanie materiału podłoża.

Przy mniejszym kącie pochylenia ściegu wynoszącym 20° (napoiny rur A i C) zawartość Fe zmniejsza się szybciej w miarę oddalania się od powierzchni wtopienia w kierunku powierzchni napoiny w porów naniu z napoiną rury D, dla której kąt pochylenia ściegu wynosi 40° (rys. 6). W napoinie rury C przy kącie pochylenia ściegu 20° i ze względu na równomierną powierzchnię wtopienia zawartość Fe zmniejsza się szybciej niż w pozostałych powłokach i jedno cześnie utrzymuje na niskim poziomie aż do powierzchni powłoki. W napoinie rury A, pomimo szybkiego zmniejszania się zawartości Fe, ze względu na nierównomierną powierzchnię wto-pienia oraz liczne zaciągnięcia materiału podłoża, zawartość Fe przy powierzchni napoiny jest duża (ok. 6÷7%).

Największą zawartością Fe przy powierzchni charakteryzują się napoiny rur A i D. Napoiny te jednocześnie cechują się najmniej rów-nomierną powierzchnią wtopienia oraz najmniej gładką powierzchnię zewnętrzną. Napoiny rury C oraz rury B napawanej metodą GMAW i przetopioną GTAW, w których zawartość Fe przy powierzchni po-włoki jest najmniejsza mają bardziej równomierną powierzchnię wto-pienia. Najbardziej rów nomierną powierzchnię zewnętrzną ma po-

Rys. 3. Mikrostruktura napoiny z zaznaczonymi strefami i miejscami analizy składu chemicznego: a) mikroskop świetlny, b) elektronowy mikroskop skaningowy, c) spektrogramamy EDS z obszarów: 1 – ma-teriał podłoża, 2 – strefa częściowego wymieszania, 3 – powłoka – rura DFig. 3. Microstructure of the weld overlay with a marked microstruc tural zone and the chemical analysis: a) light microscopy, b) sca nning elec-tron microscopy, c) EDS spectrograms from: 1 – base metal, 2 – partially mixed zone, 3 – overlay – pipe D

Rys. 4. Profil stężenia pierwiastków Ni, Cr, Mo, Fe na przekroju napa-wanej rury – rura DFig. 4. Profile of the Ni, Cr, Mo, Fe content on the cross-section of the weld overlay – pipe D

34 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

PODZIęKOWANIAProjekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum

Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/D/ST8/04948.

LITERATURA[1] Rozmus-Górnikowska M., Blicharski M., Kusiński J., Paćko M., Kusiński

L., Marszycki M.: Wpływ sposobu napawania rur kotłowych na ich mikrostrukturę i własności. Hutnik-Wiadomości Hutnicze 79 (4) (2012) 181÷292.

[2] Lee S., Themelis N. J., Castaldi M. J.: High temperature corrosion in waste to energy boilers. Journal of Thermal Spray Technology 16 (2007) 1÷7.

[3] Adamiec J., Pliszko B.: Wysokotemperaturowa korozja elementów kotłów przemysłowych napawanych stopami niklu Inconel 625 i 686. Inżynieria Materiałowa 6 (2007) 907÷913.

[4] Nowacki J., Wypych A.: Mikrostruktura i odporność na wysokotempera-turowe utlenianie napoin nadstopu Inconel 625 na stali niskostopowej. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 5 (2010) 84÷87.

[5] Blicharski M.: Inżynieria powierzchni. WNT, Warszawa (2009).[6] Klimpel A.: Napawanie i natryskiwanie cieplne. WNT, Warszawa (2000).[7] Kou S.: Welding metallurgy. John Wiley and Sons, New Jersey (2003).[8] DuPont J. N., Lippold J. C., Kiser S. D.: Welding metallurgy and weld-

ability of nickel base alloys. A John Wiley & Sons, INC., Publication, New Jersey (2009).

[9] DuPont J. N.: Microstructural evolution and high temperature failure of ferritic to austenitic dissimilar welds. International Material Reviews 57 (4) (2012) 208÷234.

[10] Iordachescu D., Quintino L.: Steps towards a new classification of metal transfer in gas metal arc welding. Journal of Materials Processing Technol-ogy 202 (2008) 391÷397.

[11] Pickin C. G., Williams S. W., Lunt M.: Characterization of the cold metal transfer (CMT) process and its application for low dilution cladding. Jour-nal of Materials Processing Technology 211 (2011) 496÷502.

[12] Zhang H. T., Feng J. C., He P., Zhang B. B., Chen J. M., Wang L.: The arc characteristic and metal transfer behaviour of cold metal transfer and its use in joining aluminum to zinc coated steel. Material Science and Engi-neering A 499 (2009) 111÷113.

[13] Bruckner J.: Metoda CMT – rewolucja w technologii spawania. Przegląd Spawalnictwa 7-8 (2009) 24÷27.

Rys. 5. Profil stężenia pierwiastków (% mas.) w zależności od odległo-ści od powierzchni wtopienia – rura C Fig. 5. Profile of Fe, Ni, Cr, Mo, Nb content (wt %) depending on the distance from the fusion zone – pipe C

Rys. 6. Profil stężenia pierwiastków (% mas.) w zależności od odległo-ści od powierzchni wtopienia – rura D Fig. 6. Profile of Fe, Ni, Cr, Mo, Nb content (wt %) depending on the distance from the fusion zone – pipe D

Rys. 7. Powierzchnia wtopienia napoiny: a) rura A, b) rura bFig. 7. The fusion zone of the weld overlay: a) pipe A, b) pipe B

włoka naniesiona metodą GMAW i przetopiona GTAW (napoina rury B). Nierównomierną powierzchnię wtopienia napoiny A oraz bardziej równomierną napoiny B przedstawiono na rysunku 7.

Na gładkość powierzchni po napawaniu wpływa przede wszyst-kim stopień zachodzenia na siebie kolejnych ściegów, pochylenie ściegu oraz kształt przekroju poprzecznego pojedynczego ściegu.

Pomiary twardości wykazały, że twardość stali 16Mo3 jest więk-sza (200 HV1) niż stali P235GH (160 HV1). Średnia twardość na-pawanych powłok od dostawców A, B i C wynosi 250 HV1, nato-miast średnia twardość powłoki napawanej przez dostawcę D jest mniejsza i wynosi 230 HV1. Również twardość w strefie wpływu ciepła w przypadku stali 16Mo3 jest znacznie większa (290 HV1) niż w przypadku stali P235GH (200 HV1 – napoina A).

WNIOSKI

– Bez względu na metodę napawania otrzymane napoiny składa-ją się z następujących stref mikrostruktury: strefy przetopionej, strefy częściowego wymieszania oraz strefy wpływy ciepła. Na żadnym z badanych zgładów obszar strefy częściowo przetopio-nej nie jest widoczny.

– W naniesionej powłoce i w strefie częściowego wymieszania obserwuje się zwiększoną zawartość Fe bez względu na metodę napawania. Przyczyną zwiększonej zawartości Fe jest przetopie-nie i rozpuszczanie materiału podłoża.

– Największą zawartością Fe przy powierzchni powłoki charakte-ryzują się napoiny, które mają najmniej równomierną powierzch-nię wtopienia oraz najmniej gładką powierzchnię zewnętrzną.

– Przy mniejszym kącie pochylenia ściegu (20°) zawartość Fe zmniejsza się znacznie szybciej w miarę oddalania się od po-wierzchni wtopienia w kierunku powierzchni napoiny.