titVývoj v oblasti materiálov vedie k väčšiemu a efektívnejšiemu používaniu termomechanicky spracovaných ocelí so zvýšenými mechanickými vlastnosťami. Princíp výroby vysokopevnej ocele je založený na termomechanickom spracovaní.


Termomechanické spracovanie je technologický postup, kde je oceľ v austenitickom stave tvárnená pred premenou austenitu na martenzit alebo pred premenou a počas premeny austenitu na bainit. Austenit je buď tvárnený pri teplotách nad teplotou Ac3, teda ako stabilný alebo metastabilný a to buď v oblasti teplôt pod teplotou Ac1, až po teplotu rekryštalizácie alebo pod teplotu rekryštalizácie a nad teplotu začiatku martenzitickej premeny.
Týmto spôsobom sa zlepšujú mechanické vlastnosti podeutektoidných nízko až stredne legovaných ocelí kombináciou tvárnenia a tepelného spracovania. Úpravou chemického zloženia, plastickej deformácie, spevnenia a martenzitickej premeny sa dosiahne oceľ s vysokými pevnosťami. Plastická deformácia so stupňom deformácie 50 – 85 % sa realizuje v oblasti stabilného alebo metastabilného austenitu. Ihneď po deformácii dochádza k martenzitickej premene.

 

Typy termomechanického spracovania

Vysokoteplotné termomechanické spracovanie VTMS
Ide o ohrev na austenizačnú teplotu, následne tvárnenie v oblasti teplôt nad bodom Ac3 alebo v okolí bodu Ac3, čo predstavuje oblasť stabilného austenitu. Okamžite po tvárnení je oceľ ochladená rýchlosťou väčšou ako je kritická tak, aby sa austenit premenil na martenzit. Potom je oceľ ešte popúšťaná.

Nízkoteplotné termomechanické spracovanie NTMS
Predstavuje prudké ochladenie z teplôt nad AC3 do oblasti metastabilného austenitu 500 - 650 °C, kde sa tvárni tak, aby neprebehli transformačné štruktúrne procesy s nasledovným zakalením pod čiaru Ms (krivka 2, obr. 1). Stupeň deformácie sa pohybuje okolo 50 %. Po zakalení vo vode alebo v oleji nasleduje nízkoteplotné popúšťanie pri teplote 200 - 300 °C, čím dochádza k dodatočnému precipitačnému spevneniu štruktúry čiastočkami karbidov. Ocele vyrobené NTMS sa používajú pri konštrukcii špeciálnych strojných súčiastok hlavne vojenskej, leteckej a inej špeciálnej techniky.

„HARDOX 500 charakterizujeme ako húževnatý, ohybný a zvárateľný oteruvzdorný plech.“

Rozhodujúcich dôvodov pre aplikácie týchto ocelí je viac. Jednak je to zníženie hmotnosti výrobku z hľadiska jeho manipulácie a zároveň dosiahnutie zvýšenia úžitkových parametrov zariadenia. Taktiež z hľadiska nákladov na delenie, zváranie a dopravu, môže byť použitie týchto materiálov ekonomicky výhodné.

Charakteristika oteruvzdornej ocele typu HARDOX 500
HARDOX 500 môžeme charakterizovať ako húževnatý, ohybný a zvárateľný oteruvzdorný plech, ktorý slúži najmä na aplikáciu, kde je potrebná vysoká odolnosť (tab. 1). Je používaný hlavne v aplikáciách, kde sa vyžaduje veľmi vysoká životnosť v podmienkach oteruvzdornosti alebo pre aplikácie vo veľmi tvrdých horninách alebo mineráloch. Najtypickejšími prípadmi konštrukcie z oteruvzdorných materiálov sú v dnešnej dobe korby nákladných automobilov, buldozérov a kliny čelusťových drvičov a na roštnice.

tab1

Abrazívny účinok na materiály má značný vplyv na ich životnosť. Z radu abrázie sú dôležité najmä trecia a rázová abrázia. Pri trecej abrázii sa voľne posúvajú a kĺžu abrazívne častice, ako napríklad zemina. V prípade trenia nárazom, spracovávaný materiál naráža na komponent pod rôznymi uhlami. Často dochádza k abrázii v štrbine ktorú spôsobujú abrazívne častice zachytené v úzkej medzere medzi dvoma pevnými povrchmi. Vo všetkých troch prípadoch je výber ocele HARDOX 500 správnou voľbou, pretože dochádza k výraznému predĺženiu životnosti.

Charakteristika pancierovej ocele typu ARMOX 500T
Každý materiál má svoje typické vlastnosti (tab. 2), podľa ktorých je možné ho charakterizovať a svojimi vlastnosťami následne určiť, na akú aplikáciu je vhodný. Pancierový plech typu ARMOX 500T patrí medzi najtuhšie materiály, ktoré už nemajú potrebu ďalšieho spracovania.

tab2

Tento materiál je výbornou voľbou pre využitie vo vojenskom, ale aj civilnom sektore. Má dobré balistické vlastnosti v kombinácii s vysokou pevnosťou a tvrdosťou. Uplatnenie nachádza ďalej v bankách ako súčasť priehradiek a dverí pre vyšší stupeň bezpečnosti. Používa sa aj na vozidlách prepravujúcich vyššie hodnoty a je súčasťou ochrany vozidiel pre diplomatov a pod. Nachádza sa na odmínovacích zariadeniach, ktoré pracujú v zamínovanom teréne. V súčasnosti je novinkou jeho aplikácia do ochranných pyrotechnických oblekov šitých na mieru, vyplnených oceľovou výstužou v pozemnom vojsku, ktoré zabezpečujú zvyšovanie ochrany pred výbuchom

Charakteristika ocele typu WELDOX 700
WELDOX 700 charakterizujeme ako kalený oceľový plech s nízkym obsahom uhlíka a legujúcich prvkov (tab. 3). Dôležitou požiadavkou na tento vysoko pevný konštrukčný materiál je zabezpečenie technologickosti a zvariteľnosti pri zachovaní požadovanej pevnosti.

tab3

Výsledkom zachovania spomínaných požiadaviek je konštrukčný plech WELDOX 700 s medzou klzu 700 MPa, ktorý pri hrúbke 20 mm má zvariteľnosť rovnakú ako oceľ 11523. Priaznivý vplyv na zvariteľnosť ocele Weldox 700 s nízkym uhlíkovým ekvivalentom za predpokladu udržania určitého stupňa pevnosti.

„Nebezpečenstvo vzniku studených trhlín pri zváraní je možné minimalizovať vhodnou metódou zvárania, konštrukčným riešením, technologickým postupom navrhnutým na minimalizáciu zvyškových napätí a precíznym očistením zvarových plôch.“

Voľba zváracích procesov, podmienok a parametrov zvárania
Zvariteľnosť vysokopevných ocelí je porovnateľná so zvariteľnosťou mikrolegovaných ocelí. Tieto materiály sa považujú za dobre zvariteľné pre svoj nízky obsah uhlíka a nízke hodnoty legujúcich prvkov. Zvariteľnosť týchto ocelí môže byť veľmi dobrá, ale aj napriek tomu že zvarový kov nemá rovnaké chemické zloženie ako základný materiál, pretože by mohlo dôjsť k zhoršeniu pevnostných vlastností a húževnatosti. Z tohto dôvodu je potrebné použiť prídavný materiál s vyšším obsahom legujúcich prvkov, hlavne molybdénu.
Pri zváraní vysokopevných nízkolegovaných ocelí je potrebná minimalizácia vzniku vodíkových a oneskorených trhlín za studena. Trhliny vznikajú najmä vtedy, ak sa v tepelne ovplyvnenej zóne vytvára hrubá krehká rozpadová štruktúra a počas ochladzovania vznikajú vysoké napätia. Nebezpečenstvo vzniku studených trhlín pri zváraní je možné minimalizovať vhodnou metódou zvárania, konštrukčným riešením, technologickým postupom navrhnutým na minimalizáciu zvyškových napätí a precíznym očistením zvarových plôch.

Základ využívania konštrukčných materiálov typu WELDOX, ktoré sú vystavované vysokému namáhaniu, spočíva v zmenšovaní nosných prierezov súčastí a redukcii celkovej hmotnosti vo zváraných konštrukčných prevedeniach, ktoré sa vyskytujú najmä v špeciálnej technike, vo vojenskom ale aj civilnom sektore.
Zvarový spoj je potrebné preskúmať z hľadiska nedeštruktívneho skúšania, čiže defektoskopiouna zistenie kvality zvarov, identifikácie vzniku chýb, necelistvostí a iných defektov bez porušenia zvarových spojov.
Problematikou je vytváranie zvarových spojov vysokopevných ocelí, pre ktoré je hlavným znakom ich termomechanické spracovanie, vďaka ktorému sa dosahuje kombinácia vysokých hodnôt úžitkových mechanických vlastností ako pevnosti, tvrdosti, húževnatosti a dobrej zvariteľnosti. Táto kombinácia výnimočných mechanických vlastností závisí od technologického procesu samotnej výroby so spevňovacími mechanizmami, ktorých výsledok je určený chemickým zložením uhlíka a obsahu legujúcich prvkov. Od percentuálneho podielu uhlíka a prvkov použitých k legovaniu sa v prepočte cez uhlíkový ekvivalent CE zisťuje miera zvariteľnosti danej ocele.
Na vytvorenie zvarových spojov sme sa zamerali na metódy zvárania, ktoré boli aplikované na oceliach typu ARMOX 500T, HARDOX 500 a WELDOX 700.
Prvou – bol spôsob zvárania taviacou sa elektródou v ochrane inertného plynu MIG.
Druhou – bolo zváranie netaviacou sa elektródou v ochrannej atmosfére inertného plynu TIG.
Treťou – aplikácia trecieho zvárania s premiešavaním FSW.

tab4
graf1
tab5
graf2
tab6
graf3

 

Po preštudovaní odbornej literatúry a na základe využitia poznatkov z oblasti zvárania a zvariteľnosti, po zvážení výhod a nevýhod týkajúcich sa vytvorenia zvarových spojov danými metódami, sme dospeli k záveru, že na zváranie metódou MIG uvedených vysoko pevných materiálov sme sa rozhodli použiť jeden typ prídavného zváracieho materiálu pod názvom OK Autrod 316LSi (OK Autrod 16.32) a metódu TIG prezentoval prídavný materiál OK Tigrod 316L (OK Tigrod 16.30) rovnako pre všetky typy ocelí. Zváranie FSW metódou, ako sme už spomenuli vo vyššie uvedenom texte, je bez použitia prídavného materiálu. Výsledkom zvárania FSW bol obojstranný tupý zvarový spoj, zatiaľ čo u metódy MIG a TIG sme vytvorili jednostranné tupé zvary.

ZÁVER
Z nameraných hodnôt medze pevnosti sa po vykonaní statickej ťahovej skúšky dá povedať, že aplikáciou zváracích procesov sa v ani jednom prípade nepotvrdilo zvýšenie medze pevnosti v ťahu v porovnaní s pevnosťou základných materiálov.
- Pre pancierovú oceľ ARMOX 500T sa pevnosť v ťahu v prípade MIG, Rm = 768 MPa znížila v porovnaní so základným materiálom Rm = 1 630 MPa o 52,88 % a pevnosť v ťahu pre metódu TIG, Rm = 715 MPa, čo znamená zníženie o 56,13 %.
- Pri trecom zváraní FSW sme dosiahli Rm zvarového spoja len 29 % z pôvodnej pevnosti v ťahu základného materiálu ARMOX 700. Túto hodnotu považujeme za informatívnu vzhľadom na malý počet skúšobných tyčiek a veľkého rozptylu pevnosti. Použitý nástroj pri tomto zváraní vzhľadom na vysokú tuhosť a húževnatosť základného materiálu, nedokázal vytvoriť homogénny zvarový spoj.
- Pre oteruvzdornú oceľ HARDOX 500 bola priemerná pevnosť v ťahu pre metódu MIG, Rm = 697MPa v porovnaní s pevnosťou základného materiálu, ktorého hodnota prislúcha Rm = 1 550 MPa, čo znamená 55,03 % pokles. Zníženie pevnostných charakteristík, nie však v takom rozsahu ako v predchádzajúcom prípade, sa preukázalo aj po zváraní TIG, Rm = 958 MPa, čo je 38,19 % zníženie v porovnaní so základným materiálom. Najlepšie výsledky boli preukázané použitím najmodernejšej metódy FSW, kde došlo k lepším výsledkom v porovnaní s TIG zváraním. Pevnosť v ťahu vykazovala hodnotu Rm = 1161, čo znamená 25,09 % pokles.
- Skúškou lámavosti sa potvrdila schopnosť zvarových spojov plasticky sa deformovať a odolávať určitému stupňu ohybu. Z uvedených výsledkov vyplýva, že zvariteľnosť pancierovej ocele ARMOX 500T je v porovnaní s Hardoxom 500 a WELDOXOM 700 hodnotená ako najhoršia, čo dokazujú aj výsledky zo skúšky lámavosti. V metóde MIG je zvarový spoj ARMOX 500T aj napriek výsledkom, ktoré vykazujú nízky uhol ohybu α, hodnotený ako nevyhovujúci. V prípade TIG zvarového spoja pancierovej ocele ARMOX 500T je záver hodnotenia porovnateľný. Pre oteruvzdornú oceľ HARDOX 500 potvrdila skúška lámavosti všetkých zvarových spojov taktiež pokles mechanických vlastností z hľadiska uhla ohybu.
- WELDOX 700 bol hodnotený zo všetkých materiálov ako najlepší, čo sa týka ohýbania zvarových spojov vytvorených metódami TIG a FSW, ktoré boli hodnotené ako vyhovujúce, kde uhol ohybu dosiahol úroveň 180°.
- Meraním mikrotvrdosti podľa Vickersa sme zistili, do akej miery sú schopné zvarové spoje odolávať deformácii povrchu, čiže odporu materiálu proti vnikaniu identora na povrch skúšanej vzorky. Vo všetkých troch prípadoch zvarových spojov ARMOX 500T, HARDOX 500 a WELDOX 700 pri metódach MIG a TIG, došlo k výraznému poklesu mikrotvrdosti HV1 v oblasti zvarového kovu, čo bolo spôsobené použitím prídavného zváracieho materiálu, ktorý mal austenitický charakter, z čoho vyplývajú aj hodnoty jeho mikrotvrdosti.
- Z tohto dôvodu by sme sa mali v budúcnosti zamerať na iný typ prídavných materiálov, či už pre metódu MIG alebo TIG. V oblasti premiešania vytvoreného zvaru HARDOX 500 a WELDOX 700 došlo pri zváraní FSW k zníženiu mikrotvrdosti v oblasti premiešania, čo je spôsobené štruktúrnou nehomogenitou, ktorú sme odpozorovali prostredníctvom metalografickej mikroskopie. Na záver môžeme povedať, že najvýhodnejšou metódou zvárania je jednoznačne trecie zváranie s premiešavaním FSW.

Literatúra:
[1] Binar, T.: Posouzení vlivu extrémních teplot zkoušení na hodnoty vrubové houževnatosti vybraných pancéřových ocelí. In: Materiály a technologie ve výrobě speciální techniky. Brno: Univerzita obrany, 2007, s. 47 – 53. ISBN 978-80-7231- 234-4
[2] Skočovský, P.; Palček, P.; Konečná, R.; Várkoly, L.: Konštrukčné materiály, 1. vydanie, EDIS v Žiline, 2000, 338 s., ISBN 80 – 7100 – 608 – 4
[3] Zelizňakova, Z.: Štúdium vplyvu teplotného ovplyvnenia mechanických vlastností pri zváraní vysokopevných ocelí., TnUAD v Trenčíne, 2015
[4] SSAB Oxelösund AB, Sweden: Armox. Armour Plate for Civil Protection. 2000
[5] Hudáková, M.: Vplyv teploty austenitizácie na veľkosť zrna vysokopevnej ocele Weldox 700, In: Metal 2007. 16. mezinárodní konference metalurgie a materiálů. Sborník abstraktů přednášek na CD-ROMu. Ostrava: Tanger, 2007. ISBN 978-80-86840-33-8
[6] Pavlov, Š.: História a perspektívy vývoja pancierovej ochrany tankov, In: Smery vývoja techniky pozemného vojska. Liptovský Mikuláš: V A Liptovský Mikuláš, 1999, s. 201 – 207. ISBN 80-8040-116-0
[7] Rollett, A. D.; Kalu, P. N.: Typical textures: Thermomechanical processing (TMP) of metals, [online], [citované 11. November 2010; 16:00 SEČ]. Dostupné na internete
[8] Kvačkaj, T.: Výskum progresívnej ocele nielen pre automobilový priemysel. In: Strojárstvo 5/2006. Žilina: MEDIA/ST, 2006, s.12 – 13. ISSN 1335-2938
[9] SSAB Oxelösund AB, Sweden: Data Sheet ARMOX 500T. [online]. Dostupné na internete: http://www.ssabox.com/upload/Documents/Products/AX_500T/ae500t.pdf
[10] SSAB Oxelösund AB, Sweden: General Product Information WELDOX, HARDOX and ARMOX. [online], [citované 10.3.2012]. Dostupné na internete: http://www.oxycoupage.com/FichiersPDF/English/brochure_information_en.pdf

TEXT Ing. Eva Brezová, doc. Ing. Harold Mäsiar, CSc., Ing. Pavol Radič FOTO archív redakcie
Príspevok recenzoval: doc. Ing. Ondrej HÍREŠ, CSc., Dubnica nad Váhom