IZ IRA MATERIALA VALJČNI V PEČEH ZA PREDGREVANJE · Prvi del diplomske naloge vsebuje teoretične osnove nerjavnih jekel ter predstavitev feritnih, martenzitnih, dupleks ter avstenitnih

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Maša VIDMAR

IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE

Diplomsko delo

univerzitetnega študijskega programa 1. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2018

IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE Diplomsko delo

Študent(ka): Maša VIDMAR

Študijski program: univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: konstrukterstvo

Mentor: red. prof. dr. Ivan ANŽEL

Maribor, september 2018

II

I Z J A V A

Podpisana Maša VIDMAR, izjavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe

po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

• so rezultati korektno navedeni,

• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, red. prof. dr. Ivanu Anželu za

pomoč, usmerjanje in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela.

Najlepša hvala Lidiji Rozman Zorko, Andražu Jugu ter

Roku Šuleku za pomoč pri delu v metalografskem

laboratoriju.

Zahvala gre tudi zaposlenim v enoti vzdrževanja PP

Profilarna, Impol PCP d.o.o., za predano znanje v času

praktičnega usposabljanja ter seznanitev s temo

obravnavano v diplomski nalogi.

In seveda še velika zahvala moji družini in fantu

Gorazdu, ki so me podpirali, spodbujali ter mi stali ob

strani ves čas študija.

IV

IZBIRA MATERIALA VALJČNIC V PEČEH ZA PREDGREVANJE

Ključne besede: avstenitno nerjavno jeklo, avstenit, δ-ferit, mikrostruktura, obrabna

odpornost, valjčnica

UDK: 620.17/.18:669.15-194.56(043.2)

POVZETEK

V diplomski nalogi je bila preverjena ustreznost izbire materiala valjčnic v peči za predgrevanje

aluminijastih drogov. Izvedena je bila toplotna in konstrukcijska analiza trenutnega stanja ter

mikrostrukturna karakterizacija materiala iz katerega so narejene valjčnice. Analiza materiala

je razkrila dvofazno mikrostrukturo v kateri se avstenitna matica pojavlja v obliki dendritov, v

meddentritnem prostoru pa se nahaja δ-ferit. Analiziran je bil tudi vpliv δ-ferita ter drugih

mikrostrukturnih elementov na obrabno odpornost valjčnic.

V

SELECTION OF MATERIALS FOR ROLLERS IN PREHEATING FURNACES

Key words: austenitic stainless steel, austenit, δ-ferit, microstructure, wear resistance,

roller.

UDK: 620.17/.18:669.15-194.56(043.2)

ABSTRACT

In the thesis, the suitability of the selection of material for rollers in preheating furnaces for

aluminium billets was checked. We performed a thermal and structural analysis of the current

state and the microstructural characterization of the material of the rollers. The material

analysis revealed the two-phase microstructure in which the austenitic matrix appears in the

form of dendrites and δ-ferrite in the interdendritic region. The influence of δ-ferrite and other

microstructural elements on the wear resistance of the rollers was also analysed.

VI

KAZALO VSEBINE

UVOD ....................................................................................................... 1

TEORETIČNE OSNOVE ............................................................................... 3

2.1 Splošne značilnosti nerjavnih jekel ..................................................... 3

2.2 Schaefflerjev diagram ......................................................................... 4

2.3 Feritna jekla ....................................................................................... 5

2.4 Martenzitna jekla ............................................................................... 6

2.5 Dupleks nerjavna jekla ....................................................................... 7

2.6 Avstenitna nerjavna jekla ................................................................... 7

2.6.1 Topnost ogljika v avstenitnem nerjavnem jeklu 18-8 .......................................... 9

2.6.2 Občutljivost avstenitnih nerjavnih jekel na interkristalno korozijo ................... 11

2.7 Legirni elementi ................................................................................ 13

2.8 Označevanje nerjavnih jekel ............................................................. 17

2.8.1 Poimenovanje glede na kemijsko sestavo po standardu SIST EN 10027-1:2016 17

2.8.2 Poimenovanje po številčnem sistemu po standardu EN 10027-2:2015 ............ 17

PREGLED TRENUTNEGA STANJA ....................................................................... 19

3.1 Valjčnice pri konkurenčnih podjetjih ................................................ 19

3.2 Material za valjčnice ......................................................................... 20

3.3 Pogoji delovanja valjčnic .................................................................. 21

3.4 Želje podjetja ................................................................................... 23

3.5 Stanje materiala po dveh letih uporabe ............................................ 23

3.6 Možni mehanski razlogi za neenakomerno obrabo valjčnice............. 25

UPORABLJENE METODE DELA ................................................................ 26

4.1 Priprava vzorcev ............................................................................... 26

4.1.1 Rezanje s tračno žago ......................................................................................... 26

4.1.2 Brušenje in poliranje ........................................................................................... 27

VII

4.1.3 Jedkanje .............................................................................................................. 27

4.2 Določitev natančne kemične sestave materiala ................................ 28

4.3 Meritev trdote vzorcev ..................................................................... 28

4.4 Analiza mikrostrukture ..................................................................... 28

REZULTATI IN DISKUSIJA REZULTATOV ............................................................ 29

5.1 Kemična sestava vzorca .................................................................... 29

5.2 Analiza mikrostrukture ..................................................................... 30

5.3 Meritev mikrotrdote ........................................................................ 37

5.4 Vpliv δ-ferita na trdoto in obrabno odpornost materiala .................. 39

SKLEP ..................................................................................................... 41

VIRI ........................................................................................................ 42

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1: Schaefflerjev diagram ..................................................................................................... 4

Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture ..................................................... 8

Slika 3: Diagram izločanja karbidov iz avstenita pri ohlajanju oziroma segrevanju avstenitnih

nerjavnih jekel .................................................................................................................. 10

Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn ............................................................. 11

Slika 5: Kontinuirani premenski diagram. ................................................................................. 12

Slika 6: Interkristalna korozija .................................................................................................. 13

Slika 7: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filtra ....................... 14

Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo ...................................................................................... 14

Slika 9: Odprta peč za predgrevanje drogov ............................................................................ 22

Slika 10: Valjčnica po dveh letih uporabe ................................................................................. 23

Slika 11: Močno obrabljena gred valjčnice ............................................................................... 24

Slika 12: Ena izmed puš valjčnice po dveh letih uporabe ......................................................... 24

Slika 13: Vzorci za preučevanje mikrostrukture ....................................................................... 26

Slika 14: Napaka na vzorcu N1.................................................................................................. 27

Slika 15: Mikrostruktura vzorca O1 .......................................................................................... 30

Slika 16: Povečano področje z dendriti .................................................................................... 31

Slika 17: Povečano področje med dendriti – prisotnost δ-faze ............................................... 31

Slika 18: Jasno vidna prisotnost δ-faze ..................................................................................... 32

Slika 19: Povečano področje δ-faze .......................................................................................... 32

Slika 20: Vzorec O1 ................................................................................................................... 33

Slika 21: Vzorec N1 ................................................................................................................... 33

Slika 22: Vzorec O2 ................................................................................................................... 34

Slika 23: Vzorec N2 ................................................................................................................... 34

Slika 24: Vzorec O1 ................................................................................................................... 35

Slika 25: Vzorec N1 ................................................................................................................... 35

Slika 26: Vzorec O2 ................................................................................................................... 36

Slika 27: Vzorec N2 ................................................................................................................... 37

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

UVOD

Predmet obravnave diplomske naloge je prekomerna obraba valjčnic v peči za predgrevanje

aluminijastih drogov. S problemom sem se seznanila med opravljanjem obveznega

praktičnega usposabljanja v oddelku vzdrževanja proizvodnega procesa Profili, v podjetju

Impol PCP d.o.o.

Predgrevanje drogov je prva stopnja pri izdelavi profilov na stiskalni liniji za izdelavo profilov.

V peči se hladen drog, premera 8'', ki je pred vstopom v peč na odlagalni rampi zunaj

proizvodne hale, v nekaj minutah segreje na temperaturo 470°C. Drog skozi peč potuje po 76

valjčnicah. Kontrola stanja valjčnic v času obratovanja peči ni možna, zato se lahko stopnja

obrabe ugotavlja le ob glavnih remontih, ki se odvijajo vsaki dve leti. Valjčnice pa zaradi

prevelike obrabe običajno predstavljajo težavo.

Stanje valjčnic po dveh letih delovanja močno odstopa od želenega. Na vseh so prisotni odtisi

aluminijastih drogov, gredi valjčnic so močno obrabljene, prav tako puše, pri katerih so že pri

opazovanju s prostim očesom vidna odstopanja od okrogle oblike. Predpostavljamo, da je

prevelika obraba valjčnic posledica predvsem dveh glavnih faktorjev – neustrezna konstrukcija

valjčne proge ali nepravilna izbira materiala. Po mnenju zaposlenih v podjetju, je glavna težava

obrabe valjčnic predvsem neustrezno izbran material le teh.

Namen diplomskega dela je raziskati kemijsko in mikrostrukturno primernost materiala

valjčnic. Predvidevamo, da bi z optimiziranjem izbire materiala in mikrostrukture, podaljšali

življenjsko dobo valjčnic.

Prvi del diplomske naloge vsebuje teoretične osnove nerjavnih jekel ter predstavitev feritnih,

martenzitnih, dupleks ter avstenitnih nerjavnih jekel. Predstavljeno je označevanje teh jekel

po standardu SIST EN 10027 glede na mehanske in fizikalne lastnosti. V nadaljevanju so

določene zahtevane lastnosti valjčnic glede na pogoje pri katerih delujejo, čas delovanja ter


2

želje podjetja. Praktičnemu delu diplomske naloge, kjer je analiziran obstoječ material, sledi

predstavitev rezultatov z diskusijo.


3

TEORETIČNE OSNOVE

2.1 Splošne značilnosti nerjavnih jekel

Železove zlitine, ki poleg osnovne komponente železa, kot najpomembnejši zlitinski element

vsebujejo ogljik, imenujemo jekla. Čeprav je vsebnost ogljika v jeklih relativno majhna, masni

delež je navadno manjši kot 1%, ima ogljik najpomembnejši vpliv na njihove uporabne

lastnosti. Železove zlitine zraven ogljika vsebujejo še nekatere druge elemente. Glede na vrsto

in količino dodanih elementov ločimo - ogljikova jekla ter legirana jekla.

V ogljikovih jeklih so zraven železa in ogljika v manjši količini prisotni mangan, silicij in aluminij,

ki zmanjšujejo oziroma izničujejo negativen vpliv nečistoč, kot so žveplo, fosfor, kisik in dušik.

V legiranih jeklih so zlitinski elementi dodani v količini, pri kateri se bistveno spremenijo fazna

ravnotežja v sistemih Fe-C in Fe-Fe3C.

Nerjavna jekla sodijo v skupino legiranih jekel. Najpomembnejši legirni element je krom, ki

omogoča korozijsko odpornost. [1] Površina nerjavnih jekel je zaščitena s pasivno plastjo, ki

močno zavira ali celo zaustavi korozijske reakcije v vlažnem okolju, ki vsebuje kisik. [2]

Zaradi korozijske odpornosti se uporabljajo v »zahtevnih« okoljih, kot so kemična in naftna

industrija, jedrske elektrarne ter parne turbine. Ob odličnih mehanskih lastnostih, ima

nerjavno jeklo tudi estetski videz. Tako se uporablja pri raznih zaključnih letvah, avtomobilskih

pragovih, gospodinjskih aparatih in drugod.

Nerjavna jekla so glede na mikrostrukturo pri sobni temperaturi razdeljena v štiri skupine –

feritna, avstenitna, martenzitna ter dupleks nerjavna jekla. V nekaterih virih se kot samostojna

skupina pojavijo še izločevalno utrjena nerjavna jekla.


4

2.2 Schaefflerjev diagram

Schaefflerjev diagram ponazarja deleže faz v mikrostrukturi nerjavnih jeklih, v odvisnosti od

kromovega oziroma nikljevega ekvivalenta. Diagram je metastabilen, pri čemer so

mikrostrukture dobljene s hitrim ohlajanjem od 1050°C do sobne temperature. [3]

Vpliv različnih elementov na mikrostrukturo je izražen z že prej omenjenima ekvivalentoma,

pri čemer je krom stabilizator ferita, nikelj pa stabilizator avstenita. Ekvivalenta se izračunata

po formulah:

%Niekv. = %Ni + %Co + 30 (%C) + 25 (%N) + 0,5 (%Mn) + 0,3 (%Cu)

%Crekv. = %Cr + 2 (%Si) + 1,5 (%Mo) + 5 (%V) + 5,5 (%Al) + 1,75 (%Nb) + 1,5 (%Ti) + 0,75 (%Wo)

Prvoten Schaefflerjev diagram pri izračunu nikljevega ekvivalenta ni upošteval dodatka dušika,

ki se kot legirni element dodaja k avstenitnim ter avstenitno feritnim jeklom z namenom

povečati trdnost ter odpornost jekla. V sedemdesetih letih 20. stoletja je Schaefflerjev diagram

nadgradil De Long. Izpopolnil je del diagrama nad avstenitno martenzitno črto, torej v

področju avstenitno – feritnih jekel, kjer je vpliv dodanega dušika največji. [4]

Slika 1: Schaefflerjev diagram


5

V diagramu so prikazana enofazna področja – martenzitno, avstenitno, feritno ter vmesno

večfazno področje. Jekla z avstenitno in feritno fazo, z različnim deležem posamezne faze, so

poznana kot dupleks nerjavna jekla.

Schaefflerjev diagram kaže sočasen vpliv dveh ali več legirnih elementov nerjavnih jekel, pri

čemer lahko določimo mikrostrukturo doseženo z različnimi kombinacijami in vsebnostmi

legirnih elementov.

Upoštevati je potrebno, da Schaefflerjev diagram podaja mikrostrukture, ki se tvorijo pod

pogojem hitrega ohlajanja zlitine od temperature 1050°C do sobne temperature. Takšni pogoji

so doseženi npr. pri varjenju. [3]

2.3 Feritna jekla

Feritna nerjavna jekla imajo enofazno mikrostrukturo iz feritnih kristalnih zrn, ki imajo

prostorsko centrirano kristalno strukturo – PCK. Delež ogljika je manjši od 0,08%. Zaradi feritne

mikrostrukture so magnetna. V tuji literaturi se označujejo tudi kot »Cr-steels« oz. kromova

jekla.

Vsebnost kroma v feritnih jeklih se giblje med 11,2 – 19% [5]. Krom vpliva na stabilnost feritne

strukture. Z večanjem deleža kroma stabilnost feritne strukture narašča. Na stabilnost feritne

strukture vplivajo tudi drugi legirni elementi, ki jih prav tako prištevamo med stabilizatorje

ferita. Najpomembnejši med njimi so: molibden, ki izboljšuje korozijsko odpornost, ter niobij

in titan, ki izboljšujeta varivost.

Feritna jekla z manjšim deležem kroma so bolje variva, z boljšo žilavostjo, trdnostjo in trdoto.

Naraščanje deleža kroma vodi do poslabšanja mehanskih lastnosti (predvsem žilavosti) in do

boljše korozijske odpornosti, kar pride posebej do izraza pri nitratnih medijih.

Nikelj, kot stabilizator avstenita, v feritnih jeklih ni prisoten, oziroma je njegova vsebnost

izredno majhna (največ 2,5% [3]).


6

Nikelj velja za enega izmed najdražjih zlitinskih elementov, čeprav se njegova cena precej

spreminja. Zaradi skorajda nične vsebnosti niklja so feritna nerjavna jekla najcenejša, njihova

cena pa dokaj stabilna.

Feritna nerjavna jekla predstavljajo večinski delež v proizvodnji nerjavnih jekel. Uporabljajo se

za izdelavo ladijskih kontejnerjev, kuhinjskih pripomočkov, bobnov pralnih strojev, izpušnih

sistemov … Izdelki iz feritnih nerjavnih jekel se dobro obnesejo v območjih z večjo nevarnostjo

korozije, npr. obalna območja. [2]

2.4 Martenzitna jekla

Martenzitna jekla predstavljajo najmanjšo skupino nerjavnih jekel. Vsebujejo več kot 11,5%

kroma ter med 0,07 do 0,5% ogljika, kar je več kot pri ostalih skupinah nerjavnih jekel. Tipični

predstavniki so tipi 410/420/440.

Pri povišanih temperaturah imajo martenzitna jekla avstenitno mikrostrukturo, ki se z

ohlajanjem do sobne temperature transformira v martenzit. [3]

Najpomembnejša značilnost martenzitnih nerjavnih jekel sta temperaturni premeni Ms –

martenzit start in Mf – martenzit finish. Pri martenzitnih jeklih sta obe temperaturi nad sobno

temperaturo, kar zagotavlja popolnoma martenzitno mikrostrukturo pri sobni temperaturi.

Nasprotno sta v primeru avstenitnih nerjavnih jekel začetek in konec premene globoko pod

lediščem, kar zagotovlja popolnoma avstenitno mikrostrukturo pri sobni temperaturi.

Martenzitna jekla veljajo za nekoliko slabše korozijsko odporna, vendar najbolj abrazijsko

obstojna. Ustrezno martenzitno nerjavno jeklo se izbira na podlagi željene kombinacije

trdnosti, meje plastičnosti oziroma žilavosti, korozijske ter abrazijske odpornosti in dinamične

trdnosti. [3]

Uporabljajo se v okoljih, kjer je pomembna predvsem trdnost materiala, žilavost pa ni

bistvena. Takšni izdelki so turbinske lopatice, rezila, kirurški instrumenti, zobozdravstveni

instrumenti, jedilni pribor …


7

Razvijajo se nove vrste martenzitnih nerjavnih jekel za delovanje na visokih temperaturah.

Takšna jekla so legirana z molibdenom, vanadijem in niobijem (Mo, V in Nb), za povečanje

trdote je dodanega do 2% niklja. Martenzitno nerjavno jeklo 12Cr-Mo-V-Nb se uporablja pri

temperaturah okoli 600°C, kot lopatice za parno turbino, raziskave pa se usmerjajo v območje

še višjih temperatur: 630-650°C, pri napetosti 30 MPa. [6]

2.5 Dupleks nerjavna jekla

Dupleks nerjavna jekla so sestavljena iz feritno-avstenitnih zrn, pri čemer je razmerje med

avstenitno ter feritno fazo približno 1:1 (vsake izmed faz je okoli 50%). Ob enaki zastopanosti

faz je žilavost materiala največja.

Imajo visoko vsebnost kroma (med 20.1-25.4%), vsebnost niklja pa je v primerjavi z vsebnostjo

v avstenitnih nerjavnih jeklih nizka (1.4-7%). Razmerje med vsebnostjo kroma in niklja je

odvisno od prisotnosti drugih stabilizatorjev avstenita in ferita.

Kot legirna elementa se uporabljata molibden (0.3-4%) in dušik, da povečata korozijsko

odpornost ter uravnotežita mikrostrukturo. Dupleks jekla z dodatkom molibdena lahko

dosežejo korozijsko odpornost primerljivo z najboljšimi feritnimi jekli, pri čemer so mehanske

lastnosti kot pri avstenitnih jeklih. Z dodatkom mangana, ki se ponekod dodaja kot

nadomestek niklja, se poveča topnost dušika, dušik pa izboljša trdnost materiala. [5]

Za dupleks nerjavna jekla je značilna kombinacija velike trdnosti, dobre žilavosti ter velike

korozijske odpornosti. [3]

2.6 Avstenitna nerjavna jekla

Avstenitna nerjavna jekla predstavljajo največjo skupino nerjavnih jekel. Zaradi

nespremenjene mikrostrukture od sobne temperature do tališča, se ne dajo toplotno

utrjevati. Za doseg avstenitne mikrostrukture pri sobni temperaturi mora material vsebovati

najmanj 17-18% kroma ter 8-9% niklja, ki stabilizira avstenit.


8

Del niklja je lahko nadomeščen z manganom, ki je prav tako stabilizator avstenita. Pri preveliki

vsebnosti mangana prihaja do tvorjenja manganovega sulfida, ki močno vpliva na nastanek

jamičaste korozije, tako da se popolna zamenjava niklja z manganom ni smiselna.

Osnovna celica ferita (telesno centrirana kubična zgradba) se z dodatkom niklja transformira

celico avstenita (ploskovno centrirana kubična zgradba).

Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture

Zaradi drugačne zgradbe osnovne celice, se lastnosti avstenitnih ter feritnih oziroma

martenzitnih nerjavnih jekel precej razlikujejo.

Avstenitna nerjavna jekla so nemagnetna, vendar je mogoče da se pri hladnem preoblikovanju

material zaradi vsebnosti delcev martenzita rahlo namagneti. Nastajanje martenzita je možno

tudi pri navodičenju avstenitnih jekel, pri čemer vodik pri velikih tlakih deformira kristalno

strukturo.

Dolžinski toplotni raztezek avstenitnih nerjavnih jekel je v primerjavi s feritnimi in

martenzitnimi jekli 50-60% večji, pri čemer je toplotna prevodnost 40-50% manjša.

Avstenitna nerjavna jekla se delijo v pet podskupin [5]:

- Cr-Ni skupina

Avstenitna jekla za splošno uporabo, z vsebnostjo kroma okoli 18% ter niklja 8%.

+ Ni

TCK PCK

Ferit Avstenit


9

- Cr-Mn skupina

Vsebnost niklja je manjša - kot stabilizator avstenita ga nadomesti molibden, v nekaterih

primerih so dodani še dušik, žveplo, titan in niobij.

- Cr-Ni-Mo skupina

Avstenitna jekla za splošno uporabo z večjo korozijsko odpornostjo zaradi dodatka

molibdena. Vsebnost kroma je okoli 17%, niklja med 10-13%.

- Visoko zmogljiva avstenitna jekla

Jekla za zahtevna okolja, z visoko korozijsko odpornostjo in trdoto. Vsebujejo visok delež

legirnih elementov: 17-25% kroma, 14-25% niklja ter 3-7% molibdena. Prisoten je tudi

dušik.

- Visoko temperaturna avstenitna jekla

Visokotemperaturna avstenitna jekla so izdelana za delovanje na temperaturah, ki

presegajo 500°C ter dosežejo do 1150°C. Vsebnost kroma je med 17-25%, niklja med 8-

20% vendar ne vsebujejo molibdena. V suhih atmosferah s temperaturo do 1150°C lahko

obratujejo daljše časovno obdobje.

2.6.1 Topnost ogljika v avstenitnem nerjavnem jeklu 18-8

Topnost ogljika v avstenitu je omejena. Spreminjanje topnosti s temperaturo prikazuje solvus

krivulja. Z ohlajanjem se ogljik izloča v obliki karbidov M23C6, pri čemer M predstavlja element,

ki tvori karbide (Cr23C6 – kromov karbid).


10

Slika 3: Diagram izločanja karbidov iz avstenita pri ohlajanju oziroma segrevanju avstenitnih nerjavnih jekel [3]

Pri sobni temperaturi je avstenitno nerjavno jeklo do deleža ogljika C<0,03% sestavljeno iz

ferita in karbidov. Z ohlajanjem nastajajo po reakciji:

𝛾 → 𝛼 + 𝑀23 𝐶6 (1)

Reakcija 1 je v praksi povsem zanemarljiva zaradi prevlade neravnotežnih reakcij. Del

diagrama v območju C<0,03% se tako lahko poenostavi in prikaže, da je avstenit pri sobni

temperaturi, do vsebnosti ogljika C<0,03%, stabilen.

V območju z deležem ogljika med 0,03% ter 0,7%, je avstenitno nerjavno jeklo pri sobni

temperaturi sestavljeno iz avstenita, ferita ter karbidov. Z ohlajanjem nastajajo po reakciji

vzdolž črte SK:

𝛾 + 𝑀23 𝐶6 → 𝛾 + 𝛼 + 𝑀23 𝐶6 (2)

V območju C>0,03%, se bodo pri ohlajanju po črti topnosti SK izločali karbidi M23C6.


11

Reakcija 2 je lahko delno ali v celoti zavrta s hitrim ohlajanjem, ko ogljik ostane v avstenitu

prenasičen. Če se prenasičeno nerjavno jeklo segreje do temperatur v območju 𝛾 + 𝑀23 𝐶6,

se karbidi M23C6 izločijo po mejah avstenitnih zrn.

V avstenitnih nerjavnih jeklih se tvorijo predvsem kromovi karbidi Cr23C6, saj je glavni

karbidotvorni element krom. Zaradi izločanja karbidov na mejah avstenitnih zrn, so nekatera

avstenitna nerjavna jekla podvržena interkristalni koroziji. [3]

2.6.2 Občutljivost avstenitnih nerjavnih jekel na interkristalno korozijo

Ena izmed težav avstenitnih nerjavnih jekel je majhna topnost ogljika v avstenitu ter

posledična tvorba kromovih karbidov na kristalnih mejah.

Interkristalna korozija se lahko pojavi v primeru daljše izpostavljenosti avstenitnih nerjavnih

jekel temperaturam med 550-850°C [5], ter pri počasnem ohlajanju skozi temperaturno

območje od 870°C do 425°C [3].

Zaradi tvorbe kromovega karbida na meji avstenitnih zrn se neposredna okolica karbida

osiromaši s kromom. Delež kroma v neposredni okolici lahko posledično pade pod kritično

vrednost 12%, ki še omogoča pasivacijo kovine.

Zaradi neenakomerno porazdeljene vsebnosti kroma začno nastajati potencialne razlike med

osiromašeno cono in osnovo ter mejami kristalnih zrn, ki vsebujejo karbide bogate s kromom.

S kromom osiromašeno področje deluje kot anoda, matica ter kristalna meja pa kot katoda.

Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn [M. Vidmar]


12

S kromom osiromašena področja na meji zrn so tako zelo dovzetna za pojav razpok, kot

posledico korozije.

Za preprečevanje tvorbe kromovih karbidov na mejah kristalnih zrn so avstenitnim nerjavnim

jeklom dodani stabilizatorji, ki imajo večjo afiniteto do ogljika kot krom. Stabilizatorji, med

katere sodita titan in niobij, tvorijo karbide po celotni avstenitni matrici. Celotni delež kroma

tako ostane v sami matrici ter s tvorbo pasivnih filmov material ščiti pred korozijo.

Druga metoda, ki preprečuje tvorbo kromovih karbidov, je zmanjšanje deleža ogljika v jeklu.

Čas potreben za nastanek karbidov v avstenitnih jeklih, ki delujejo na visokih temperaturah

(nad 480°C), z manjšanjem deleža ogljika strmo narašča.

Graf na sliki 5 prikazuje čas za nastanek karbidov. Pri nerjavnem avstenitnem jeklu z

vsebnostjo 0,080% C, je čas za nastanek karbidov manjši od minute medtem ko je pri vsebnosti

0,019% C, daljši od 100 ur. Z večanjem deleža ogljika eksponentno narašča tudi hitrost širjenja

interkristalne korozije.

Slika 5: Kontinuirani premenski diagram prikazuje čas nastanka karbidov glede na vsebnost ogljika za avstenitno nerjavno jeklo z 18% kroma in 9% niklja. [4]


13

V ta namen se razvijajo avstenitna nerjavna jekla, ki vsebujejo med 0,02% in 0,03% ogljika.

Avstenitna nerjavna jekla z zmanjšanim deležem ogljika (okoli 0,03%C) imajo po AISI standardu

za številčno oznako še črko L, ki pomeni »low carbon« - nizek delež ogljika, npr. AISI 304L, AISI

316L … [4]

Slika 6: Interkristalna korozija

2.7 Legirni elementi

Krom (Cr)

Krom je najpomembnejši zlitinski element, nerjavnim jeklom daje osnovno korozijsko

odpornost. Kot edini legirni element samostojno vpliva na nastanek pasivnega filma. Vsi ostali

legirni elementi lahko zgolj pospešujejo vpliv kroma na oblikovanje oziroma vzdrževanje

pasivnega filma.

Vsa nerjavna jekla vsebujejo vsaj 10,5% kroma – pri tej vrednosti se začne pojavljati še

nepopolni pasivni film, ki je obstojen le v milejših atmosferskih razmerah (slika 7). Z

naraščanjem vsebnosti kroma (26%-29%), se stabilnost pasivnega filma izboljšuje, hkrati pa se

slabšajo mehanske lastnosti – preoblikovalnost, varivost ter obstojnost v atmosferah z

različnimi toplotnimi vplivi.

Da bi ohranili ustrezne mehanske lastnosti, se pri nespremenjeni vsebnosti kroma za

doseganje boljše korozijske odpornosti dodajajo še drugi legirni elementi – nikelj, molibden,

baker.


14

Slika 7: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filtra

Nikelj (Ni)

Glavni razlog za dodajanje niklja je spodbujanje avstenitne mikrostrukture, s čimer se močno

izboljšajo mehanske lastnosti (duktilnost, trdota) ter preoblikovalnost. Ni izboljša sposobnost

repasivacije nerjavnih jekel, še posebej v redukcijskih medijih. Pri izločevalno utrjenih jeklih

formira kovinske vključke, ki povečujejo trdoto.

Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo

Pri naraščanju vsebnosti niklja do 10%, se zmanjšuje odpornost proti napetostni koroziji,

vendar se odpornost v večini medijev znova doseže, ko vrednosti niklja dosežejo 30%. V

martenzitnem območju nikelj v kombinaciji z zmanjšano vsebnostjo ogljika izboljšuje varivost.

0% Ni Feritna

mikrostruktura

5% Ni Dupleksna

mikrostruktura

Več kot 8% Ni Avstenitna

mikrostruktura

+ Ni + Ni


15

Molibden (Mo)

Molibden zviša trdnost in močno spodbuja feritno mikrostrukturo. Zaradi izločenih karbidov v

martenzitnih jeklih izboljša trdoto pri višjih temperaturah. Poveča nevarnost tvorbe

sekundarnih faz v feritnem, avstenitnem ter dupleks jeklu.

Izboljša odpornost proti jamičasti in španjski koroziji. Korozijsko odpornost pri visokih

temperaturah dosega na podoben način kot krom – na površini ustvari stabilen adherentni

film MoO3. Za zagotavljanje korozijske zaščite temperatura materiala ne sme preseči 795°C.

Pri tej temperaturi se oksidni film utekočini, kar povzroči katastrofalno korozijo.

Mangan (Mn)

Izboljša vročo duktilnost. Njegov vpliv na ravnotežje ferita in avstenita se spreminja s

temperaturo. Pri nizkih temperaturah stabilizira avstenit, pri visokih pa ferit. Mangan poveča

topnost dušika in je uporabljen pri velikih količinah dušika v dupleks in avstenitnih nerjavnih

jeklih.

Kot tvorec avstenita lahko v zmernih količinah in v kombinaciji z nikljem prevzame nekatere

izmed funkcij niklja. V povečanih količinah skupaj z žveplom tvori manganov sulfid, ki

pospešuje nastanek jamičaste korozije, tako da je popolna zamenjava niklja z manganov

nepraktična.

Silicij (Si)

Silicij izboljša odpornost proti oksidaciji, tako pri visokih temperaturah kot tudi pri močnem

oksidativnem raztapljanju pri nizkih temperaturah. Spodbuja rast feritne mikrostrukture in

dvigne trdnost.

Ogljik (C)

Ogljik je močan spodbujevalec avstenita in pomembno poveča trdnost. Zmanjšuje odpornost

do interkristalne korozije, povzročeno zaradi nastajanja karbidov, kar je bil problem pri

zgodnjih nerjavnih jeklih. Moderna nerjavna jekla zaradi nizke vsebnosti ogljika z interkristalno

korozijo nimajo problemov. V feritnih nerjavnih jeklih ogljik močno znižuje trdnost in

korozijsko odpornost. V martenzitnih jeklih zvišuje trdoto in trdnost in zmanjšuje trdoto.


16

Dušik (N)

Je δ-geni legirni element, ki dvigne mehansko trdnost. Izboljša odpornost do jamičaste

korozije, zmanjšuje nastajanje izcej kroma in molibdena ter zavira nastajanje krom-

molibdenove delta faze. Poveča korozijsko odpornost avstenitne faze. V feritnih nerjavnih

jeklih dušik močno znižuje mehanske lastnosti in korozijsko odpornost.

Niobij (Nb)

Je močan feritni in karbidni spodbujevalec. Kot titan spodbuja feritno strukturo. V avstenitna

jekla je dodan za zvečanje odpornosti proti interkristalni koroziji, pri visokih temperaturah

izboljša mehanske lastnosti.

Aluminij (Al)

Če je dodan v večjih količinah, povečuje odpornost proti oksidaciji.

Žveplo (S)

Žveplo je dodano v določena nerjavna jekla z namenom boljše preoblikovalnosti. Pri teh vrstah

rahlo zmanjša korozijsko odpornost, duktilnost, varivost in preoblikovalnost. Manjši deleži

žvepla so lahko dodani za zmanjšanje deformacijskega utrjanja v razredih z izboljšano

preoblikovalnostjo. Rahlo povečana vsebnost žvepla lahko izboljša varivost jekla. [3] [5]

Tabela 1: Stabilizatorji ferita in avstenita

Stabilizatorji ferita Stabilizatorji avstenita

Železo (Fe) Nikelj (Ni)

Krom (Cr) Dušik (N)

Molibden (Mo) Ogljik (C)

Silicij (Si) Mangan (Mn)

Baker (Cu)


17

2.8 Označevanje nerjavnih jekel

Jekla označujemo po standardu z osnovno oznako SIST EN 10027. 1. del SIST EN 10027-1:2016

obsega poimenovanje z osnovnimi znaki - jekla označujemo glede na mehanske in fizikalne

lastnosti ter glede na kemijsko sestavo, 2. del SIST EN 10027-2:2015 pa označevanje s

številčnim sistemom.

2.8.1 Poimenovanje glede na kemijsko sestavo po standardu SIST EN 10027-1:2016 [9]

Vsa nerjavna jekla spadajo v skupino legiranih jekel. Legirana jekla (razen hitroreznih jekel),

kjer je masni delež vsaj enega elementa večji kot 5 % so označena po sledečem kriteriju:

Primer: X8CrNi25-21

Pomen oznake:

• X pomeni, da je to legirano jeklo

• 8 je stokratnik masnega deleža ogljika v odstotkih: 0,08 % C

• zlitinski elementi v padajočem vrstnem redu glede na masni delež: Cr, Ni

• masni deleži zlitinskih elementov v %: 25 % Cr, 21 % Ni.

Opomba: Nerjavno jeklo 1.4845, AISI 310S.

2.8.2 Poimenovanje po številčnem sistemu po standardu EN 10027-2:2015 [9]

Kot dodatek »opisnemu« sistemu po standardu EN 10027-1, drugi del standarda - EN 10027-

2 vrste jekla razvršča po številčnem sistemu, ki je preglednejši in lažji za razvrščanje.

Število je zapisano v formatu: x.yyzz(zz)

Znaki predstavljajo sledeče:

x – tip materiala – za številčenje jekel se uporablja število 1, za železove litine število 0

ter za nikljeve zlitine število 2

yy – število skupine jekla, ki jih določa standard EN 10027-2 (tabela 1)

zz(zz) – zaporedno število jekla (tabela 2), število v oklepaju je rezervirano za kasnejšo

uporabo


18

Nerjavna ter toplotno odporna jekla spadajo v skupino jekel z oznako 1.4XX.

Tabela 2: Razdelitev skupine nerjavnih in toplotno odpornih jekel – 1.4XXX

Oznaka Opis

1.40XX

Nerjavno jeklo z Ni < 2.5 %, brez Mo, Nb in Ti

1.41XX Nerjavno jeklo z Ni < 2.5 % in Mo, brez Nb in Ti

1.43XX Nerjavno jeklo z Ni >= 2.5 %, brez Mo, Nb in Ti

1.44XX Nerjavno jeklo z Ni > = 2.5 % z Mo, brez Nb in Ti

1.45XX Posebno nerjavno jeklo

1.46XX Kemično in toplotno odporne Ni zlitine

1.47XX Toplotno odporno nerjavno jeklo z Ni < 2.5 %

1.48XX Toplotno odporno nerjavno jeklo z Ni > = 2.5 %

1.49XX Materiali z zvišanimi temperaturnimi lastnostmi

http://www.steelnumber.com/en/number_steel_eu.php?number_kod=1.41









19

PREGLED TRENUTNEGA STANJA

3.1 Valjčnice pri konkurenčnih podjetjih

Poskusili smo pridobiti informacije o valjčnicah, ki jih uporabljajo Impolu konkurenčna

podjetja, ki se ukvarjajo s stiskanjem aluminija. Z iskanjem po spletu so bila najdena podjetja

s sedežem na Portugalskem, v Španiji, Nemčiji, Turčiji, Rusiji in Združenih državah Amerike.

Elektronska sporočila s povpraševanjem so bila poslana na deset različnih podjetij.

Odziva na elektronsko pošto ni bilo iz nobenega podjetja. Razlogov za to je lahko več.

Dejstvo je, da podjetja vsak dan dobivajo ogromno količino elektronske pošte. Zelo verjetno

je, da pošta sploh ni prišla do osebe, ki bi znala odgovoriti ali pa ta oseba ni želela odgovoriti

ali pa poslovni kodeks zaposlenim ne dovoljuje delitev izkušenj iz vzdrževanja.

Že pred pisanjem elektronskih sporočil je bilo pričakovati, da se podjetja v večini ne bodo

odzvala. Vsaka izboljšava, inovacija, v podjetju predstavlja dodano vrednost, kar pa niso

informacije, ki bi jih želeli deliti s konkurenčnimi podjetji. Večina informacij je tako zaupnih

oziroma internih

Na podjetje Kintner (Pensilvanija, ZDA), katerega valjčnico preučujemo, je bilo poslano

sporočilo s prošnjo po katalogu njihovih valjčnic ter ohišja za le te. Iz sedeža podjetja so poslali

takojšen odgovor naj se z vprašanjem obrnemo na podjetje, ki se ukvarja s prodajo njihovih

izdelkov v Evropi. Iz tega podjetja ni bilo odgovora.

Fizični osebi je zelo težko pridobiti informacije iz podjetij, četudi gre zgolj za kataloge, ki ne

veljajo za zaupno informacijo. Podatke se posreduje zgolj podjetjem, ki so obstoječi imetniki

proizvodov ali bodočim kupcem. Na sporočilo poslano iz službenega naslova so odgovorili

takoj ter postregli z vsemi željenimi informacijami.

Povpraševanja so bila poslana sledečim podjetjem:

- PROFinAL (Nemčija)

- Akpa Alüminyum Tic. Aş. (Turčija)


20

- ILSCO Extrusions (Pensilvanija, ZDA)

- Raesa (Španija)

- Anicolor (Portugalska)

- Atlas Aluminium (Kalifornija, ZDA)

- Sial, Sial Group (Rusija)

- Segal, Sial Group (Rusija)

- Realit (Rusija)

- Tatprof (Rusija)

3.2 Material za valjčnice

V načrtih proizvajalcev peči (različni proizvajalci), so se pojavljali različni podatki o

priporočenem materialu valjčnic. V preteklih letih so bili preizkušeni v tabeli zapisani materiali.

Največja težava je, da so bile vse uporabljene valjčnice videne le ob času menjave, kar pomeni,

da so bile v uporabi dve leti brez vmesnih opazovanj stanja. Tako imamo zgolj podatke o stanju

materiala po dveh letih uporabe.

Vsi že uporabljeni materiali so obstojni do temperature, ki presega najvišjo temperaturo, za

katero smo predpostavili 800°C. Vrednosti obstojnosti materiala služijo za orientacijo, saj se

glede na okolje delovanja materiala lahko spreminjajo.

Preglednica 3: Materiali uporabljeni do danes [11]

Št. jekla

C Si Mn P S N Cr Ni Obstojno do [°C]

1.4301 ≤0.07 ≤1.0 ≤2.0 ≤0.045 ≤0.015 ≤0.11 17.0-19.5

8.0-10.5

870 [12]

1.4841 ≤0.20 1.5-2.5

≤2.0 ≤0.045 ≤0.030 ≤0.11 24.0-26.0

19.0-22.0

1150

1.4845 ≤0.10 ≤1.5 ≤2.0 ≤0.035 ≤0.030 ≤0.11 24.0-26.0

19.0-22.0

1050

1.4848 0.30-0.50

1.5-2.5

≤1.5 ≤0.035 ≤0.030 Ni podatka

24.0-26.0

19.0-21.0

1100

1.4855 0.25-0.40

0.5-2.0

≤1.5 ≤0.035 ≤0.030 Ni podatka

23.0-25.0

23.0-25.0

1050


21

3.3 Pogoji delovanja valjčnic

Največjo težavo predstavlja določitev maksimalne temperature, ki jo valjčnice dosežejo.

Valjčnice dosežejo najvišjo temperaturo v času velikega odvzema aluminijastih drogov. To se

zgodi, ko je pretok materiala skozi stiskalnico največji. Takrat se mora surovec v plinski peči v

najkrajšem času zagreti na predpisano temperaturo, ki lahko po predpisih proizvajalca doseže

največ 540 stopinj Celzija.

Temperatura aluminijastega droga, ki sem jo zabeležila na monitorjih je znašala 480 stopinj

Celzija. Merilci temperature v peči merijo temperaturo aluminijastega droga v štirih conah.

Okolje, v katerem drog doseže zahtevano temperaturo, je bistveno bolj vroče.

Maksimalno temperaturo valjčnic bi bilo mogoče izračunati preko formul za prenos toplote.

Za izračun bi potrebovali tudi natančne podatke o času, v katerem je drog v notranjosti peči.

Meritve bi morale biti opravljene v času maksimalne obremenitve peči – ko se drogovi na

zahtevano temperaturo segrejejo v najkrajšem času.

Drug način je določitev temperature valjčnic glede na njihovo barvo, ki bi bila vidna ob

maksimalnem delovanju peči. Zaposleni v podjetju so na podlagi opazovanja barve mnenja, da

se valjčnice segrejejo do 800°C.

Najbolj obremenjene so valjčnice v izhodni coni, saj se v tem delu peči temperatura najbolj

spreminja zaradi odpiranja lopute. Ko se loputa odpre, se celotni drog premakne za približno

meter naprej, nato leteča žaga odreže del droga, ki nadaljuje pot proti stiskalnici. Drug

mehanizem preostali del droga potisne nazaj v peč in loputa se zapre. Valjčnice na izhodnem

delu peči se tako vrtijo v obe smeri.

Valjčnice delujejo v atmosferi zemeljskega plina.

Čas delovanja valjčnic je posledično odvisen od delovanja peči za segrevanje drogov. Le ta

deluje vse dni v tednu, 24 ur na dan.


22

Izjemi sta:

• načrtovani remonti konec meseca aprila in

• načrtovani remonti konec leta, v mesecu decembru,

ko se celotni proizvodni proces za teden dni ustavi. V tem času se peč ugasne in valjčnice se

ohladijo na sobno temperaturo. Med manjšimi vzdrževalnimi posegi, ko je delovanje

proizvodne linije prekinjeno, se peči ne ugaša.

Menjava valjčnic se izvede na pomladnem remontu, vsaki dve leti. Od valjčnic se tako

pričakuje, da obdobje dveh let prestanejo v čim boljšem stanju.

Slika 9: Odprta peč za predgrevanje drogov


23

3.4 Želje podjetja

V podjetju so izrazili željo po valjčnicah proizvajalca Kintner, s katerimi so v splošnem najbolj

zadovoljni.

Obraba valjčnic mora biti dovolj majhna, da ne vpliva na celoten proizvodni proces. To pomeni,

da jih v obdobju dveh let ni potrebno menjavati oziroma zaradi težav z valjčnicami ustavljali

proizvodnega procesa.

3.5 Stanje materiala po dveh letih uporabe

Slika 10: Valjčnica po dveh letih uporabe

Slika 10 prikazuje valjčnico po dveh letih obratovanja, katere obraba je vidna že s prostim

očesom. Na celotni površini, ki ima stik z aluminijastim drogom, je viden konkaven odtis droga.

Omenjena površina je gladka. Površina med odtisoma droga nima s prostim očesom vidnih

poškodb, jasno je vidna tudi oznaka valjčnice na sredinskem delu.


24

Slika 11: Močno obrabljena gred valjčnice

Gredi nista obrabljeni enakomerno. Na manj obrabljeni strani je viden sijaj nerjavnega jekla

ter globoke praske po celotni širini in obsegu gredi. Premer meri 33 milimetrov. Druga stran

gredi je bistveno bolj obrabljena, na najožjem delu je premer le 27 mm, kar pomeni približno

18% zmanjšanje premera. Material se je začel nabirati na robu gredi.

Močno sta obrabljeni tudi puši. Vidno je veliko odstopanje od prvotne okrogle oblike. Na

notranji strani puše je pobranega veliko materiala, stik valjčnice in puše je bil pretesen.

Podobno kot na delu gredi je tudi na zunanji strani puše vidno nabiranje materiala.

Slika 12: Ena izmed puš valjčnice po dveh letih uporabe


25

Vsekakor je obraba valjčnice po dveh letih pričakovana, vendar ne v takšnem obsegu kot pri

obravnavanem primeru. Največjo težavo predstavljajo gredi in puše, kjer se je material stalil

in začel lepiti dele med sabo.

3.6 Možni mehanski razlogi za neenakomerno obrabo valjčnice

Za optimalno uporabo valjčnice bi morala biti obremenitev na obe gredi in posledično puši

enaka. V tem primeru predvidevamo enakomernejšo in manjšo obrabo valjčnice. Možna

mehanska razloga za neenakomerno obrabo valjčnice sta dva:

• Neravno montirani puši glede na z os.

Tako je že brez obremenitve droga in v statičnem stanju valjčnica neenakomerno

obremenjena, sila na eno izmed gredi bo tako večja.

Pri menjavi valjčnic priporočamo natančno, vzporedno postavitev ohišij za puše.

• Zamik valjčnice glede na x os.

V tem primeru aluminijast drog ne potuje po sredini valjčnice.

Vidna sta dva odtisa droga na obeh poševnih površinah. Sredina valjčnice ni obrabljena.

Smiselno bi bilo, da se aluminijast drog valjčnice dotika v treh točkah. Na sredini ter na obeh

poševnih površinah. S tem bi se obremenitev aluminijastega droga porazdelila do te mere, da

bi bila morebitna odtisa na straneh manjša.

Za stik v treh točkah, je potrebno ujemanje geometrij aluminijastega droga ter oblike valjčnice

v ravnini xy, kar v primeru obravnavane valjčnice, po vidnih obrabah, ni upoštevano.

Ko je valjčnica zmontirana, se lahko še vedno za nekaj milimetrov premika po osi x. Ko se v eni

smeri premakne do puše, pride do stika med površinama puše in valjčnice v ravnini yz.

Pri obravnavani valjčnici je bil stik med površinama dovolj močan, da je prišlo do hude obrabe

in lepljenja materiala. Opazno je posnetje, ki je nastalo po obodu odprtine puše. Poškodovana

je tudi površina valjčnice (sliki 10 in 11).


26

UPORABLJENE METODE DELA

4.1 Priprava vzorcev

4.1.1 Rezanje s tračno žago

Valjčnica je bila dvakrat prečno prerezana na delu, kjer je poškodba materiala zaradi pritiska

aluminijastega droga največja. Dobljen kolut je bil razrezan na manjše kose. Za preučevanje

mikrostrukture sta bila uporabljena vzorec iz sredine koluta ter vzorec iz roba koluta. Preostala

vzorca sta bila odrezana od gredi na obeh straneh valjčnice.

Vzorci:

- O1 – obrabljena puša

- N1 – manj obrabljena puša

- O2 – obrabljen vzorec iz roba valjčnice

- N2 – neobrabljen vzorec iz sredine valjčnice

Slika 13: Vzorci za preučevanje mikrostrukture

O1

N1

O2

N2


27

4.1.2 Brušenje in poliranje

Vzorci so bili brušeni postopoma, z brusnimi papirji hrapavosti 120, 180, 400, 600, 800, 2500

in 4000. V zadnjem koraku so bili polirani z 1µm suspenzijo. Na pripravljenih vzorcih so se

pojavile napake, vidne s prostim očesom. Najvidnejše napake so bile pore, na vzorcu N1.

Slika 14: Napaka na vzorcu N1

4.1.3 Jedkanje

Uporabljeno je bilo jedkalo za avstenitno jeklo, ki je bilo pripravljeno iz:

- 500 ml destilirane vode,

- 300 ml HCl,

- 200 ml HNO3,

- 50 ml nasičene raztopine železovega-III-klorida,

- 2,5 mg bakrovega-II-klorida.

Po uspešnem postopnem jedkanju dvakrat po tri sekunde – vmes smo vzorec pogledali pod

mikroskopom, smo na naslednjem vzorcu jedkalo pustili delovati pet sekund. Rezultata sta bila

primerljiva. Vidimo, da je v primeru postopnega jedkanja, skupni čas delovanja jedkala (za

enak učinek), daljši.

Zjedkani vzorci so v času 48 ur neuporabe reagirali, mikrostruktura več ni bila vidna. Sledila je

ponovna priprava vzorca. Za odstranitev jedkala je bilo vzorec potrebno zbrusiti (dovolj je bila

najfinejša stopnja) ter spolirati. Vsi vzorci so bili pred fotografiranjem mikrostrukture v jedkalu

pet sekund.


28

4.2 Določitev natančne kemične sestave materiala

Za potrditev, da je obravnavani material ustreza standardu avstenitnega nerjavnega z oznako

EN 1.4848, smo vzorec materiala približne velikosti 30x50mm poslali na analizo kemične

sestave v podjetje SIJ Metal Ravne d.o.o. Vsebnost ogljika (C) ter žvepla (S) je bila določena z

IR metodo, za določitev ostalih elementov je bila uporabljena metoda OES.

4.3 Meritev trdote vzorcev

Za meritev trdote materiala smo uporabili metodo po Vickersu. V površino vzorca smo vtisnili

diamantno piramido s kotom 136°, z obremenitvijo 0,4903N. Izmerili smo dolžini obeh

diagonal vtisnjene piramide, z njuno povprečno vrednostjo pa tabelarično določili trdoto HV

0,05.

Trdoto po Vickersu izračunamo z enačbo:

HV=0,102F

A (3)

Kjer je:

HV – oznaka trdote po Vickersu

F [N] – sila vtiska

A [mm2] – površina vtiska

4.4 Analiza mikrostrukture

Analiza mikrostrukture je bil opravljena na svetlobnem mikroskopu NIKON EPIPHOT 300, z 10-

kratno povečavo okularja. Uporabljeni so bili objektivi s 5, 10, 20, 50 in 100-kratno povečavo.

Skupna povečava preučevanih vzorcev je tako 50, 100, 200, 500 ter 1000-kratna.


29

REZULTATI IN DISKUSIJA REZULTATOV

5.1 Kemična sestava vzorca

Preglednica 4: Kemijska analiza vzorca

Element Vrednost v vzorcu [%]

Standarizirana vrednost [9]

Element Vrednost v vzorcu [%]

C 0,41 0,30 - 0,50 V 0,05

Si 1,15 1,0 - 2,5 Cu 0,05

Mn 0,93 ≤2,00 W 0,20

P 0,018 ≤0,040 Al 0,003

S 0,006 ≤0,030 Ti 0,02

Cr 24,4 24,0 - 27,0 Co 0,03

Ni 22,6 19 - 22 Sn 0,006

Mo 0,03 ≤0,05 Nb 1,03

V preglednici 4 so prikazani rezultati kemične analize vzorca. Standard podaja dovoljene mejne

vrednosti določenega elementa – te so zapisane v tretjem stolpcu. Vsebnost elementov v

četrtem stolpcu je prikazana zgolj informativno, saj je vpliv teh elementov na lastnosti

materiala majhen in zahteva podrobnejšo raziskavo.

Izstopa podatek o vrednosti niklja. Standardizirana vrednost le tega znaša med 19 – 22%.

Vrednost niklja v analiziranem materialu je višja, z 22,6% precej presega dovoljeno vrednost

22%.


30

5.2 Analiza mikrostrukture

Slika 15: Mikrostruktura vzorca O1

Pri 50-kratni povečavi dobimo celosten pogled na mikrostrukturo. Pričakovana je bila

avstenitna mikrostruktura, z ostrimi ter jasno določljivimi mejami med zrni. Temno obarvana

okolica svetle avstenitne matice kaže na dvofazno mikrostrukturo.

Avstenitna matica se pojavlja v obliki dendritov. Fazo v meddendritnem prostoru smo lahko

določili pri večji povečavi (sliki 18, 19). V meddendritnem prostoru se pojavlja δ-ferit.

Kljub natančnemu poliranju vzorca je površina le tega reliefna. Reliefnost vzorca je vidna že s

prostim očesom. Deli, ki so najgloblji, so zaradi močnejše reakcije z jedkalom obarvani bistveno

temneje. Tam se je jedkalo zadrževalo najdlje časa, saj ga prvotni curek vode ni dosegel in

spral s površine.

Črn krog označuje območje, ki bo približano pri večjih povečavah vzorca O1.


31

Slika 16: Povečano področje z dendriti

Slika 17: Povečano področje med dendriti – prisotnost δ-faze


32

Slika 18: Jasno vidna prisotnost δ-faze

e

Slika 19: Povečano področje δ-faze


33

Sledijo vzorci pri največji, 1000-kratni povečavi. Preverili smo, ali se δ-ferit pojavlja na vseh

vzorcih, torej po celem območju valjčnice.

Slika 20: Vzorec O1

Slika 21: Vzorec N1


34

Slika 22: Vzorec O2

Slika 23: Vzorec N2

Na vseh vzorcih je prisotna ista faza. Razlikuje se le območje okoli faze, ki je na nekaterih

vzorcih temnejše, kar je posledica nekoliko različnih časov jedkanja (merilna negotovost

človeškega faktorja).


35

Sledijo vzorci pri 50-kratni povečavi, kjer smo opazovali delež δ-faze.

Slika 24: Vzorec O1

V vzorcu O1 je δ-ferit prisoten v obliki delno povezanih območij.

Slika 25: Vzorec N1


36

Slika mikrostrukture vzorca N1 nekoliko odstopa od ostalih. Razlika je nastala zaradi težave z

jedkalom. Vidno je, da jedkalo ni enakomerno pokrilo celotne površine vzorca. Na močneje

obarvanih delih je avstenitna matica lepo vidna, v temno obarvanem meddendritnem

prostoru je mogoče prepoznati δ-ferit.

Ponovno je vidna posledica neravne površine oziroma prisotnosti por – daljša reakcija površine

vzorca z jedkalom, ki povzroča močno temno obarvane dele vzorca. Prisotnost por v vzorcu

N1 je prikazana tudi na sliki 14, kjer so le te vidne brez uporabe mikroskopa.

Na prisotnost por nas je opozorila tudi težava z ostrenjem vzorca pri opazovanju s svetlobnim

mikroskopom. V primeru opazovanja ravne površine lahko izostrimo celotno trenutno

opazovano površino vzorca, medtem ko se v primeru pojava pore le ta ne izostri zaradi večje

oddaljenosti od objektiva oziroma obratno – v primeru ostrenja pore se okolica zamegli.

Slika 26: Vzorec O2

Na mikrostrukturi vzorca O2 so dendriti najlepše vidni. V svoji značilni obliki jih vidimo na

zgornjem delu slike.


37

Slika 27: Vzorec N2

V primerjavi z vzorcem O2, so v mikrostrukturi N2 vidni večji dendriti avstenita ter manj

meddendritnega prostora, ki vsebuje δ-ferit.

5.3 Meritev mikrotrdote

Opravili smo meritev mikrotrdote. Ločeno smo merili trdoto vzorca na mestih dendrita ter v

meddendritnem prostoru. Na ta način lahko primerjamo trdoto avstenitne matice ter faze δ-

ferita po različnih območjih valjčnice ter njuno medsebojno razliko.

Pri merjenju smo za vtisnjenje piramide uporabili silo 0,4903N oziroma maso 50 gramske uteži.

To pomeni, da smo merili trdoto pri HV 0,05. Rezultat je število brez enote, ki se zapiše v obliki

xxx HV 0,05, pri čemer je xxx izmerjena trdota podana v preglednici 5.

Pozorni smo morali biti, da je vtis dovolj majhen, da je s celotno površino zgolj na eni fazi –

torej ali v avstenitnem dendritu ali v δ-feritu. V primeru uporabe večje sile bi bil vtis večji in

tako ne bi izmerili trdote zgolj ene faze.


38

Preglednica 5: Meritev mikrotrdote po Vikersu HV 0,05

Oznaka vzorca Avstenitna

matica Povprečje δ-ferit Povprečje

O1

obrabljena gred

171

151

210

207 148 201

134 210

N1 manj obrabljena

gred

161

168

244

227 201 192

142 232

O2

obrabljen kos iz roba

161

182

386

343 201 341

183 303

N2

neobrabljen kos iz sredine valjčnice

161

169

441

452 127 441

221 473

Trdota avstenitne matice je manjša kot trdota δ-ferita. Pri analizi rezultatov trdote avstenitne

matice opazimo, da sta trdoti v vzorcih N1 in N2 skoraj enaki. Obema vzorcema je skupno, da

sta odvzeta iz manj obrabljenih delov valjčnice. Najmanjša trdota avstenita se pojavi v vzorcu

O1, ki je bil odvzet iz najbolj obrabljenega dela valjčnice, ki je bil izpostavljen največjim

obremenitvam. Iz rezultata lahko sklepamo, da je močna deformacija materiala vplivala na

zmanjšanje trdote. Omenjenega sklepa pa ne moremo potrditi s četrtim rezultatom, vzorcem

O2. V vzorcu O2 je bila izmerjena najvišja trdota avstenitne matice, kar kaže na to, da se je del

materiala, ki je bil izpostavljen stalni obremenitvi aluminijastega droga, utrdi. Možno je tudi,

da je bil raztros podatkov pri merjenju trdote vzorca N2 prevelik, ujemanje s trdoto N1 pa zgolj

naključje.

Trdota faze δ-ferita se med vzorci bistveno bolj spreminja. Najmehkejši je vzorec O1, ki je

odvzet iz najbolj obrabljene gredi. Nasprotno, največjo trdoto ima δ-ferit v vzorcu, ki velja za

najmanj poškodovanega. Tudi tukaj lahko sklepamo, da se z večanjem obrabe materiala trdota

manjša.


39

5.4 Vpliv δ-ferita na trdoto in obrabno odpornost materiala

Po pojavu δ-ferita v meddendritnem prostoru dendritne avstenitne matice, smo preučili vpliv

δ-ferita na lastnosti materiala.

Po opravljenih meritvah mikrotrdote lahko sklepamo, da pojav δ-ferita zvišuje skupno trdoto

materiala, kar pa ima določen vpliv na obrabno odpornost materiala. Visoka obrabna

odpornost materiala je z veliko trdoto povezana zgolj do neke mere - visoka trdota materiala

namreč ni zagotovilo dobre obrabne odpornosti zaradi možnosti pojava krhkosti materiala.

Na obrabno odpornost pomembno vpliva mikrostruktura. Primerjava avstenitne, feritne ter

martenzitne mikrosture z enako vsebnostjo evtektičnega karbida (M7C3) (in z različnima

vrednostma kroma in ogljika s katerimi je bila dosežena različna osnova mikrostrukture), je

najboljšo obrabno odpornost razkrila pri materialu z matico iz avstenitne mikrostrukture.

Prisotnost δ-ferita negativno vpliva na korozijsko odpornost, saj je faza bogata s kromom. δ-

ferit ni stabilen, pri 300°C se razgradi, kar poveča trdoto ter zmanjša žilavost materiala.

Največji vpliv na količino δ-ferita ter njegovo porazdelitev po avstenitni osnovi ima kemična

sestava zlitine. [11] Glede na to, da obravnavana valjčnica deluje na temperaturah, ki krepko

presegajo 300°C, se lastnosti materiala, ko je v uporabi, bistveno razlikujejo od izmerjenih.

Delež δ-ferita močno vpliva na odpornost proti korozijskim razpokam. Feritna faza je zaradi

segregacij in nečistoč bolj občutljiva na pojav razpok, kot avstenitna faza.

V primeru 4% vsebnosti δ-ferita, se le ta tvori na posameznih, zaključenih delih avstenitne

osnove. Morebitne razpoke v feritnem zrnu se tako ne morejo razširiti naprej po celotni

mikrostrukturi. Pri vsebnosti 6%, se δ-ferit tvori povezano, po vseh mejah avstenitnih zrn. Tako

je omogočeno napredovanje razpoke po celotnem vzorcu. Razpok v obravnavani

mikrostrukturi ni bilo opaziti.

Prisotnost δ-ferita je v avstenitnem nerjavnem jeklu dobrodošla v nepovezanih sferičnih

oblikah. S tem zmanjšuje možnost kopičenja napak na mejah avstenitnih zrn, kjer bi se lahko


40

razvila interkristalna korozija, hkrati pa se deli δ-ferita ne stikajo med sabo in tako

napredovanje razpoke po večjem delu mikrostrukture ni mogoče.

Mejne vrednosti še koristne vsebnosti ferita se razlikujejo glede na pogoje v katerih so bili

vzorci testirani. Najvišje vrednosti, ki se pojavljajo v uporabljeni strokovni literaturi so med 7-

8%. [11]

δ-ferit se v obravnavanem vzorcu ni pojavljal v optimalni, sferični obliki. Opažena niso bila niti

večja, povezana območja δ-ferita. Glede na opažanja pri analizi mikrostrukture lahko ocenimo,

da delež δ-ferita ne presega mejne vrednosti, kjer bi katastrofalno škodoval materialu.

Za konkretnejše sklepe bi potrebovali natančno izmerjen podatek o vsebnosti deleža δ-ferita

sestavi materiala ter o vsebnosti δ-ferita na območjih valjčnice, ki so izpostavljene direktnemu

stiku z aluminijastim drogom. Povezavo med δ-feritom, trdnostjo materiala in obrabno

odpornostjo le tega si želim bolje raziskati v morebitnem nadaljnjem delu, ki bo nadgradilo

dosedanjo diplomsko nalogo.


41

SKLEP

Ustrezna metalografska priprava vzorcev je temeljni pogoj za uspešno analizo materiala.

Površina mora biti ravna, morebitni ostanki preteklih poskusov jedkanja v celoti odstranjeni,

da ne pride do pojava bistveno močnejših reakcij v okolici napak, saj zakrijejo mikrostrukturne

elemente.

Analiza mikrostrukture materiala valjčnice je pokazala dvofazno mikrostrukturo. Avstenitna

matica se pojavlja v obliki dendritov, meddendritni prostor je zaseden s fazo δ-ferita. Faza δ-

ferita se je izkazala za bistveno tršo od avstenitne matice.

Opravljena kemična analiza materiala je pokazala previsoko vrednost niklja, ki presega zgornjo

dovoljeno standardizirano mejo. Glede na to, da je pojav δ-ferita v največji meri odvisen od

kemične sestave materiala, se razkriva vprašanje o vplivu previsoke vrednosti niklja na sam

pojav ter količino nastalega δ-ferita, ki v prevelikih količinah negativno vpliva na lastnosti

materiala. Na tem mestu potrebno opraviti meritev vsebnosti faze δ-ferita v celotnem

materialu. V prihodnje si želim bolje raziskati povezavo med trdoto in obrabno odpornostjo

materiala.

V materialu valjčnic so se pojavljale napake, vendar močna in neenakomerna obraba valjčnice

nima zgolj metalurškega ozadja. V osnovi je potrebno poskrbeti, da bo valjčnica obremenjena

čim bolj enakomerno. Zaradi neustrezne montaže izdelka se lahko pogoji, v katerih material

obratuje, spremenijo do te mere, da v osnovi povsem ustrezen material naenkrat postane

neprimeren.


42

VIRI

[1] F. Zupanič in I. Anžel, Gradiva. Maribor: Fakulteta za strojništvo Maribor, 2007.

[2] F. Vodopivec, Kovine in zlitine. Ljubljna: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije,

2002.

[3] L. Vehovar, Korozija kovin in korozijsko preskušanje. Ljubljana: samozaložba, 1991.

[4] M. Boniardi in A. Casaroli. Stainless Steels. (2014). Dosegljivo: http://www.fa-

fe.com/files/pdf/libri_articoli/en/2_Stainless_steels.pdf. [Datum dostopa: 18. 3. 2018].

[5] Outokumpu Oyj. Handbook of Stainless Steel. (2013). Dosegljivo:

https://www.outokumpu.com/zh-cn/choose-stainless/stainless-basics/handbooks.

[Datum dostopa: 21. 1. 2018]

[6] Stainless Steels [splet], Dosegljivo: http://www.phase-

trans.msm.cam.ac.uk/2005/Stainless_steels/stainless.html. [Datum dostopa: 26.1.

2018].

[7] SIST EN 10027-1:2016, " Označevanja jekel - 1. del: Oznake jekel", Ljubljana: SIST, 2016.

[8] SIST EN 10027-2:2015, "Sistemi označevanja jekel - 2. del: Številčni sistem", Ljubljana:

SIST, 2015.

[9] B. Jocić, Jekla in železove litine. Ravne na Koroškem: Bio-top, 2008.

[10] Maximum service temperatures in air for stainless steels [splet], Dosegljivo:

https://www.bssa.org.uk/topics.php?article=42. [Datum dostopa: 28.7.2018]

[11] G. Sui, E. A. Charles in J. Congleton, „The effect of delta-ferrite content on the stress

corrosion cracking of austenitic stainless steels in a sulphate solution,“ v Corrosion

Science, Newcastle upon Tyne, U.K., 1996, str. 687-703.


43

VIRI SLIK

[1] Slika 1: Schaefflerjev diagram, dosegljivo na:

https://www.materials.sandvik/en/products/welding-products/welding-handbook3/ferrite-

content-diagrams/. [Datum dostopa: 26. januar 2018]

[2] Slika 2: Nikelj kot spodbujevalec avstenitne mikrostrukture, dosegljivo na:

http://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-stainless-steels/metallurgy-

of-molybdenum-in-stainless-steel.php. [Datum dostopa: 22. marec 2018]

[3] Slika 4: Shema tvorbe karbidov na meji kristalnih zrn. Vir: M. Vidmar, 2018.

[4] Slika 6: Interkristalna korozija, dosegljivo na: http://www.ssina.com/corrosion/igc.html .

[Datum dostopa: 27. 5. 2018]

[5] Slika 28: Padec korozijske hitrosti zaradi tvorbe stabilnejšega pasivnega filma, dosegljivo

na: https://www.bladeforums.com/threads/which-tool-steel-is-most-corrosion-resistant-

d2.1543958/ . [Datum dostopa: 30. 7. 2018]

[6] Slika 8: Vpliv niklja na mikrostrukturo, dosegljivo na: http://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-stainless-steels/metallurgy-of-molybdenum-in-stainless-steel.php [7] Vir preostalih slik: M. Vidmar, 2018

https://www.materials.sandvik/en/products/welding-products/welding-handbook3/ferrite-content-diagrams/

https://www.materials.sandvik/en/products/welding-products/welding-handbook3/ferrite-content-diagrams/

http://www.imoa.info/molybdenum-uses/molybdenum-grade-stainless-steels/metallurgy-of-molybdenum-in-stainless-steel.php


http://www.ssina.com/corrosion/igc.html

https://www.bladeforums.com/threads/which-tool-steel-is-most-corrosion-resistant-d2.1543958/

https://www.bladeforums.com/threads/which-tool-steel-is-most-corrosion-resistant-d2.1543958/



Documents

IZ IRA MATERIALA VALJČNI V PEČEH ZA PREDGREVANJE · Prvi del diplomske naloge vsebuje teoretične osnove nerjavnih jekel ter predstavitev feritnih, martenzitnih, dupleks ter avstenitnih