Platiranje konstrukcijskih jekel z navarjanjem Cladding of the Structural Steels by Surfacing R. Kejžar, ZRMK Ljubljana Pri varjenju z legiranimi aglomeriranimi varilnimi praški je sestava čistega vara močno odvisna od varilnih parametrov. Ob upoštevanju oksidacijsko redukcijskih procesov med varjenjem, vpliva na sestavo čistega vara le razmerje med težo odtaljene varilne žice in težo kovin, ki pridejo v navar iz legiranega aglomeriranega varilnega praška. S pravilno izbiro sestave varilne žice in legiranega aglomeriranega praška ter postavitvijo ustreznih varilnih parametrov glede na temperaturo predgrevanja, kar odločilno vpliva tako na izkoristek varjenja, kot tudi na taljenje osnove (% uvara), lahko dobimo izbrano sestavo in kvaliteto enoslojne močno legirane prevleke na izbranem nelegiranem ali malolegiranem jeklu. Z legiranimi aglomeriranimi varilnimi praški je priporočljivo navar jati z nizko jakostjo varilnega toka (450A, 35V), kar zagotavlja razmeroma malo taljenja osnovnega materiala ter minimalno odgorevanje legirnih elementov. Ključne besede: navarjanje pod praškom, aglomerirani praški, legiranje navara, oksidacijsko - redukcijski procesi, odgor legirnih elementov. In vvelding with alloyed agglomerated vvelding fluxes, eompositions of the deposited metal depend strongly on welding parameters. Taking into consideration oxidation-reduction processes during vvelding, the composition of the deposited metal is influenced only by the ratio between the weight of the welding wire burnt-off and the weight of the metals introduced into the surfacing from an alloyed aglomerated weldingflux. With a correct choice of the eompositions the vvelding wire and the alloyed aglomerated flux as well as with a correct choice of suitable welding parameters as regards preheating temperature which has a decisive influence on the welding efficiency as well as on the melting of the parent metal (% of penetration), a chosen composition and quality of one-layer surfaced high-alloyed cladding on a chosen unalloyed or low-alloy steel can be obtained. In čase of the alloyed agglomerated welding fluxes, it is advisable to carry out surfacing vvith lovv welding current intensity (450 A, 35 V) which assures relatively weak melting of the parent metal and a minimum burn-off of alloying elements. Key words: surfacing in submerged are welding, agglomerated fhaes, alloying of the surfacing, oxidation - reduction processes, burn-off of alloying elements. 1 Uvod Postopki navarjanja omogočajo, da izdelamo iz posebnih korozijsko ali obrabno odpornih jekel in zlitin le tiste obremenjene ploskve in robove, ki se med obratovanjem obrabljajo zaradi kemičnih, mehanskih in toplotnih obremenitev. Ker je delež navara v primerjavi s celotno napravo, strojnim elementom ali orodjem večinoma majhen (pogosto pod 10%), je ekonomično, da navarimo najkvalitetnejše obrabno odporne zlitine. Močno taljenje osnovnega materiala je pomanjkljivost večine obločnih in še posebno polavtomatskih in avtomatskih postopkov navarjanja. Zaradi mešanja navara z osnovnim materialom moramo zelo pogosto navaijati večslojno (tabela 1). Tabela 1: Ocena razredčenja navaijenih slojev na konstrukcijsko jeklo zaradi taljenja osnovnega materiala Postopek navarjanja TIG RO MIG EPP-1 EPP-3 Produktivnost (kg/h) 0,3-1,0 0,5-2,5 1,5 6,0 3,0-20,0 % uvara 10-30 20^10 20-50 20-80 Koeficient mešanj a"K" 0,2 0,3 0,4 0,5 0,3 % odstopanja* - 1 sloj 20,0 30,0 40,0 50,0 30,0 - 2 sloj 4,0 9,0 16,0 25,0 9,0 - 3 sloj 0,8 2,7 6,4 12,5 2,7 - 4 sloj 0,2 0,8 2,6 6,3 0,8 : Odstopanje od sestave čistega vara Vpliv razredčenja navara z raztaljenim osnovnim materialom računamo po naslednjih enačbah: % Men = % Me^ - K" (% Meiv - % MeOM) % Me OM % Me* , %Mečv-%Me„ % odstopanja =---- x100 = K" % Me* % odstopanja = K" x 100 Legenda oznak: % Men, % Me™ in % MeoM - vsebnosti elementov v navaru "sloju n", čistem vara in osnovnem materialu K-koeficient mešanja (delež uvara v celotnem vara; tt _ uvar uvar + navar' n- število na varjenih slojev Taljenje osnovnega materiala, ki je posebno izrazito pri navarjanju pod praškom, zelo učinkovito zmanjšamo z uvajanjem dodajnih materialov (kovin in kovinskih zlitin) v kopel in oblok - tako preprečimo oz. zmanjšamo neposreden vpliv obloka na varjenec (slika 1). Varjenje po TIG - postopku z dodajnim materialom je klasičen primer, kako z dodajanjem varilne žice hladimo varilno kopel in zmanjšujemo taljenje osnovnega materiala. Podoben učinek dosežemo tudi pri varjenju z visokoproduk-tivnimi elektrodami ter visokoproduktivnimi in legiranimi varilnimi praški, ki vsebujejo večje količine kovin in kovinskih zlitin v elektrodni oblogi, oz. varilnem prašku1"5. 2 Legiranje navara pri varjenju pod legirnimi varilnimi praški Navarjanje pod legiranimi aglomeriranimi varilnimi praški omogoči, da že enoslojno dobimo željeno sestavo navarjenega sloja tudi kadar navarjamo na konstrukcijsko jeklo. Razredčenje navara, ki ga povzroči taljenje osnovnega materiala, ter odgorevanje legirnih elementov moramo nadomestiti z legiranjem navara preko legiranega aglomeriranega varilnega praška6"9. Slika t: Razporeditev temperature v kopeli vara 1 - neposreden vpliv obloka na taljenje osnove 2 - posreden vpliv obloka na taljenje osnove Tk - temperatura kopeli vara Tt - temperatura taljenja Figure t: Temperature distribution in the weld pool t - direct effect of the are on the basis melting 2 - indirect effect of the are on the basis melting Tk- temperature of the weld pool Tt- melting temperature Potek procesov legiranja vara smo ugotavljali pri valjenju pod taljenima praškoma EP10 in EP50 (proizvajalec Železarna Jesenice) ter aglomeriranima praškoma 100SM in BM2 (v razvoju ZRMK Ljubljana). Podatki o izbranih varilnih praških in pogojih valjenja so podani v tabelah 2,3 in 4. Različni paramteri varjenja pod taljenima praškoma EP10 in EP50 ter nelegiranim aglomeriranim praškom 100 SM ne vplivajo bistveno na sestavo čistega vara in varilne žlindre. Povsem drugače pa je pri varjenju pod močno legiranim aglomeriranim praškom BM2, kjer so parametri varjenja odločilnega pomena za sestavo čistega vara in varilne žlindre (tabeli 5 in 6 911). Tabela 2: Vsebnost nekaterih oksidov v izbranih taljenih in aglomeriranih varilnih praških Varilni prašek sio2 % FeO % MnO % Cr203 % V2O3 % M0O2 % W02 % EP10 40 - 35 - - - - EP50 50 - - - - - - 100SM 30 0,9 0,3 - - - - BM2 20 0,7 - 0,6 0,2 0,5 0,3 Tabela 3: Vsebnosti kovin v izbranih aglomeriranih varilnih praških Varilni Si Ca Mn Cr V Mo W C Fe prašek % % % % % % % % % 100SM 1,1 0,2 1,6 - - - - - 1,5 BM2 - - - 8,1 3,4 8,9 10,2 1,2 12,9 Tabela 4: Varilnotehnični podatki za varjenje z varilno žico EPP2 (0,11 %C, 0,18%Si in l,18%Mn) pod izbranima taljenima in aglomeriranima praškoma Varilni I U uvar TI Vt Pžl prašek (A) (V) (%) (%) (gs) (gžl/gv) EP10 450 35 60 98 2,1 1,0 650 35 70 98 3,4 0,9 EP50 450 35 60 97 2,1 1,0 650 35 70 97 3,4 0,9 100SM 450 35 60 97 1,6 0,9 650 35 70 97 2,4 0,8 650 45 50 97 2,6 1,2 BM2 450 35 50 189 3,4 0,8 650 35 60 120 4,0 0,6 650 45 40 158 4,3 1,0 Legenda oznak: I - jakost varilnega toka U - varilna napetost uvar - delež raztalj enega osnovnega materiala v celotnem varu vt - produktivnost Pj,j - pokrivanje vara z varilno žlindro Tabela 5: Kemične sestave čistih varov pri valjenju z žico EPP2 pod izbranimi taljenimi in aglomeriranimi varilnimi praški Varilni I U C Si Mn Cr V Mo W prašek (A) (V) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) EP10 450 35 0,04 0,36 1,45 - - - - EP50 450 35 0,06 0,68 0,67 - - - - 100SM 450 35 0,06 0,80 0,70 - - - - BM2 450 35 1,58 0,42 0,12 9,22 3,26 10,88 12,08 » 650 35 0,75 0,28 0,08 5,65 1,88 6,18 6,93 650 45 0,93 0,23 0,13 6,12 1,98 7,27 8,28 Tabela 6: Kemične sestave varilnih žlinder pri varjenju z žico EPP2 pod izbranimi taljenimi in aglomeriranimi varilnimi praški Varilni I U Si02 FeO MnO Cr203 -V2O3 Mo02 W02 pašek (A) (V) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) EP10 450 35 37,20 4,83 29,59 - - - - EP50 450 35 47,20 3,01 4,33 - - - - 100SM 450 35 18,90 3,05 2,23 - - - - BM2 450 35 28,00 5,84 0,56 4,74 2,19 3,40 3,21 ll 650 35 26,80 7,36 0,84 5,53 2,50 4,59 4,03 ll 650 45 29,00 6,86 0,72 5,20 2,40 3,39 3,16 Tabela 7: Izračunana razmerja, oz. količine raztaljene varilne žice, varilnega praška, nastale varilne žlindre in navara, ocena prigora in odgorevanja posameznih elementov ter vrednosti za vezani kisik, ki karakterizira intenzivnost oksidacijsko redukcijskih procesov, za varjenja pod izbranimi varilnimi praški in pri različnih varilnih pogojih za prašek BM2 (tabela 4) Varilni prašek EP10 EP50 100SM BM2 BM2 BM2 Paramametri varj. 450A,35V 450A,35V 450A,35V 450A,35V 650A,35V 650A,45V Pa (gži / gv) 1.0 1.0 0.9 0.8 0.6 1.0 Gž(g) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 Gpr (g) 0.927 0.952 0.869 2.68 1.22 2.04 Ga (g) 0.967 0.950 0.877 1.65 0.85 1.57 Gn (g) 0.967 0.950 0.975 2.06 1.41 1.57 Gc/Gn -0.0007 -0.0005 -0.0005 -0.0003 -0.0036 -0.0070 Gsi / Gn +0.0028 +0.0053 +0.0037 +0.0047 +0.0015 +0.0011 GtCin / Gn +0.0019 -0.0336 -0.0194 -0.0045 -0.0076 -0.0062 Gcr / Gn -0.0132 -0.0135 -0.0440 Gv / Gn -0.0117 -0.0106 -0.0243 Gmo / Gn -0.0070 -0.0151 -0.0429 Gw / Gn -0.0119 -0.0189 -0.0497 GFe / Gn -0.0375 -0.0234 -0.0151 -0.0333 -0.0299 -0.0462 Go2 ! Gn 0.0087 0.0113 0.0155 0.0234 0.0334 0.0806 (0.0288) (0.0356) (0.0594) Legenda oznak: Pži - pokrivanje vara z žlindro Gpr, Gži in Gn - teže žice, praška, žlindre in navara - izračunane na Gž - 1 g. Gc / Gn, Gsi / Gn, GMn / Gn, Gcr / Gn, Gv / Gn, Gmo / Gn, Gw/Gn in GFe/Gn - ocena prigora in odgora ogljika, silicija, mangana, kroma, vanadija, molibdena, vvolframa in železa na težo navara G02 / Gn - ocena količine kisika, ki sodeluje v oksidacijsko - redukcijskih procesih, na težo navara Opomba: Osnova za podane vrednosti je bila sestava čistega vara, le odgor železa smo računali na osnovi vsebnosti FeO v varilni žlindri. V oklepaju podane vrednosti za količine kisika, ki ga vežemo pri oksidacijsko redukcijskih procesih, so tudi korigirane glede na analizirano sestavo varilne žlindre12. Prigor in odgor dezoksidantov in legirnih elementov smo ugotavljali na osnovi materialne bilance vhodnih komponent (kemične sestave varilne žice EPP2 in varilnih praškov EP10, EP50, 100SM in BM2) ter izhodnih komponent (kemične sestave čistih navarov in varilnih žlinder). Rezultati izračunov so podani v tabeli 7. Intenzivnost oksidacijsko redukcijskih procesov je pn navarjanju pod legiranimi aglomeriranimi praški bistveno višja kot pri varjenju pod taljenimi praški. Količina vezanega kisika, ki sodeluje pri oksidacijsko redukcijskih procesih, se poveča; od 0,0087 g 02/g vara (EP10) preko 0,0155 g 0>/g vara (SM100)na 0,0288 g 02/g vara (BM2). Na intenzivnost odgorevanja legirnih elementov pa pn navarjanju pod legirnimi aglomeriranimi praški odločilno vplivajo tudi varilni parametri. Količina vezanega kisika, ki karakterizira intenzivnost oksidacijsko redukcijskih procesov, se z zvišanjem jakosti in varilne napetosti močno poveča: od 0,0288 g 02/g vara (450A, 35V), preko 0,0356 g 02/g vara (650A, 35V) na0,0594 g02/g vara(650A,45V). Tabela 8: Kemične sestave enoslojnih navarov z žico EPP2, <|>3mm pod legiranima aglomeriranima praškoma 0-7 SM in BM2 na konstrukcijsko jeklo (0,17 % C, 0,24 % Si in 0,65 % Mn) Varilni I U C Si Mn Cr V Mo W prašek (A) (V) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) 0-7 SM 450 40 0,11 0,27 0,84 5,34 - - _ 650 35 0,10 0,25 0,63 2,37 _ _ 650 45 0,10 0,30 0,71 3,79 - - - BM 2 450 40 0,86 0,22 0,34 5,47 2,60 6,16 6,73 650 35 0,44 0,25 0,44 2,31 0,92 2,28 2,64 650 45 0,64 0,30 0,38 3,80 1,73 4,30 4,75 3 Enoslojno navarjanje na konstrukcijska jekla Enoslojno navarjanje konstrukcijskih jekel je posebno zanimivo za proizvajalce najrazličnejših orodij in strojnih elementov, ki se med obratovanjem obrabljajo. Celoten enoslojni navar je enake sestave ter ima tudi enako odpornost proti obrabi. To omogoča, da legime elemente v navaru izrabimo maximalno. Kvalitetne in pravilno legirane navare pa bomo dobili le, če bomo upoštevali tudi razredčenje čistega vara zaradi taljenja osnovnega materiala. Taljenje osnovnega materiala (% uvara) in vpliv razredčenja čistega vara na sestavo enoslojnega navara je za varjenja z žico EPP2 pod praškoma 0-7 SM (17 % kovin v prašku) in BM2 (47 % kovin v prašku) prikazano v odvisnosti od varilnih parametrov na slikah 2 in 3 ter v tabeli 8. pisano tehnologijo - izbiro varilnih parametrov in temperaturo predgrevanja11. a) % uvara = 42 = 191% b) %uv ara = 65 y = 141% % uvara = 45 = 170% a) b) c) 1 •; j • J N % uvara = 46 <2 =125% % uvara = 57 ?.117% Slika 2: Izgled presekov enoslojnih navarov pri navarjanju z žico "EPP2" pod praškom "0-7 SM" a) I - 450A, U - 40V b) I = 650A, U 35V c) I 650A, U = 45V Figure 2: Appearance of one - layer building - up sections in submerged are surfacing vvith vvire "EPP2" and flux "0-7 SM" a) I - 450A, U = 40V b) I = 650A, U 35V c) I = 650A, U = 45V Zaradi taljenja osnove pride do močnega razredčenja čistega vara (primerjaj tabeli 5 in 8; navarjanje pod praškom BM2). Z legiranjem navara preko legiranega varilnega praška uspemo razmeroma enostavno dolegirati enoslojni navar do ustrezne kemične sestave le, če pri navarjanju strogo upoštevamo pred- Slika 3: Izgled presekov enoslojnih navarov pri navarjanju z žico "EPP2" pod praškom "BM2" a) I = 450A, U = 40V b) I = 650A, U = 35V c) I = 650A, U = 45V Figure 3: Appearance of one - layer building - up sections in submerged are surfacing vvith vvire "EPP2" and flux "0-7 SM" a) I = 450A, U = 40V b) I = 650A, U = 35 V c) I = 650A, U = 45 V Z legiranimi aglomeriraninti varilnimi praški je priporočljivo navarjati z nizko izbranimi varilnimi parametri (posebno z nizko jakostjo varilnega toka; žica EPP2, $ 3 mm - 450A in 40 V), kar zagotavlja, daje taljenje osnovnega materila pod 50 %. Nizke jakosti varilnega toka na varilno žico pri razmeroma visoki varilni napetosti so značilne za postopek varjenja z večžično elektrodo. Navarjanje pod legiranimi aglomeriranimi praški po postopku varjenja z večžično elektrodo je perspektiva platiranja cenenih konstrukcijskih jekel z močno legiranimi korozijsko in abrazijsko odpornimi prevlekami. 4 Zaključek Za navarjanje pod legiranimi aglomeriranimi praški je zelo pomembno, da strogo spoštujemo predpisano tehnologijo -izbiro varilnih parametrov, ki odločilno vpliva tako na izkoristek varjenja, kot tudi na taljenje osnove (% uvara). Le pravilno razmerje med količino odtaljene varilne žice in količino raztaljcnih kovin, ki preko legiranega varilnega pra- ška legirajo navar, nam ob kontroliranem taljenju osnovnega materiala zagotavlja, da bomo dobili na konstrukcijskem jeklu močno legirano korozijsko ali abrazijsko odporno prevleko izbrane sestve in kvalitete. Z legiranimi aglomeriranimi varilnimi praški je priporočljivo navaijati z nizko jakostjo varilnega toka (žico EPP2, <|> 3 mm - 450A), kar zagotavlja minimalno taljenje osnove (uvar pod 50 %) in minimalno odgorevanje legimih elementov. Taka nastavitev varilnih parametrov (nizka jakost toka na žico pri razmeroma visoki varilni napetosti) je značilna za varjenje pod paškom z večžično elektrodo, zato je omenjeni postopek zelo primeren za enoslojno platiranje konstrukcijskih jekel z močno legiranimi prevlekami. 5 Literatura 1 R. Kejžar; Hardfacing by Submerged Are Welding. Pro-ceedings of the 2nd International Conference on Tooling "Neue Werkstoffe und Verfahren fur Werkzeugen", Bo-chum, 1989, 301/314. 2 Weld Surfacing and Hardfacing. The Welding Institute, Abington, 1980 3 A. Diebold: Vershleiss- und Korrosionsminderung. Sch-weisstechnik, Wien 32 (1978) 7, 129/133. 4 R. Kejžar: Refinement of Working Surfaces by Submerged Are Hardfacing. Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials, JOM 5, Helsingor, 1991, 117/126. 5 R. Kejžar: Navarjanje močno legiranih nanosov na konstrukcijska jekla. Varilna tehnika, Ljubljana 41(1992)4, 96/101. 6 R. Kejžar: Legirani aglomerirani praški za posebna navarjanja. Rudarsko-metalurki zbornik, Ljubljana 38(1991)2, 275/290. 7 R. Kejžar: New Prospectives of Cladding by Submerged Are Building-up Proceedings of International Conference on Welding Tchnology in Developing Countries - Present Status and Future Needs, Roorkee, 1988. 8 R. Kejžar: Prednosti uporabe novih sintetičnih repromate-rialov pri izdelavi dodajnih materialov za varjenje. Kovine, zlitine, tehnologije, Jesenice 27(1993)1-2, 213/216. 9 R. Kejžar: One-Layer Submerged Are Surfacing of High-Alloyed Claddings with Single and Multiple Electrodes and vvith Alloyed Agglomerated Powders. Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials, JOM 6, Helsingor, 1993, 455/463. 10 R. Kejžar: Prigor in odgor elementov (silicija in mangana) pri varjenju pod praškoma EP 10 in EP 50. Železarski Zbornik, Jesenice 9(1975)1, 11/17. 11 R. Kejžar: Some Results Referring to Alloying of Submerged Are Surlacings in Multiple Electrode Welding.IIW Doc. 212-813-92. 12 R. Kejžar: Alloying Processes in Submerged Are Surfacing vvith Alloyed Agglomerated Fluxes. IIW Doc. 212-844-93