METALOGRAFICKÁ ANALÝZA OCELÍ, KORODOVANÝCH V ATMOSFÉRE Ing. Antonín ŠEVČÍK, PhD. a Doc. Ing. Jarmila ŠEVČÍKOVÁ, CSc. b, Ing. Mária HAGAROVÁ b a) Ústav materiálového výskumu SAV Košice b) Hutnícka fakulta TU Košice Anotácia Weathering steels have been covered during long term atmospheric exposure by corrosion products layer, which keeps off steel surface the following corrosion attack because the internal protective system is activated which effectively inhibited the corrosion process. The source of protective attributes of corrosion products is the chemical composition and determined atmospheric exposure conditions. The paper deals with the metallographic analysis of low alloyed Cr-Ni-Cu-P steel STN 415 127 over 20 years exposition in the town environment. The influence of structural composition on the type and range of corrosion attack is studied. The obtained results are compared with the results of the metallographic analysis unalloyed steel STN 411 523. This unalloyed steel was exposed in the same corrosion environment in the same time. ÚVOD Ocele so zvýšenou odolnosťou voči atmosferickej korózii (ocele typu CORTEN) sa v priebehu dlhodobej aplikácie v atmosfére pokrývajú vrstvou koróznych splodín, ktoré chránia povrch ocele pred ďalším koróznym napadnutím, pretože sa v nich aktivuje interný ochranný systém, účinne brzdiaci korózny proces. Zdrojom ochranných vlastností koróznych splodín je chemické zloženie ocele a determinované podmienky ich expozície v ovzduší [1] [2] [3]. Príspevok sa venuje metalografickej analýze Cr-Ni-Cu-P ocele 15 127 po 20 ročnej koróznej expozícii v mestskej atmosfére. Hodnotí sa pritom vplyv štruktúrnej stavby ocele na charakter a rozsah korózneho napadnutia. Výsledky sa porovnávajú s výsledkami metalografickej analýzy nelegovanej ocele 11 523, korodovanej súbežne v rovnakých atmosferických podmienkach. MATERIÁL A METODIKA EXPERIMENTOV K výskumu sa použila akostná legovaná zvariteľná oceľ ATMOFIX 52B (15 127) a referenčná oceľ 11 523. Chemické zloženie skúšaných materiálov bolo v súlade s STN 415 127, resp. STN 411 523 [3]. Oceľ ATMOFIX 52B sa tepelne spracovala ochladením z austenitizačnej teploty 950 C/45 min na tieto štruktúrne stavy [3]: - feriticko-perlitická štruktúra po ochladzovaní s pecou, 0,013 C.s -1, ozn. ako 15 127 pec - jemnozrnná štruktúra polyedrického feritu s ostrovčekmi jemnolamelárneho perlitu po ochladzovaní na vzduchu, 1,9 C.s -1, ozn. ako 15 127 norm. - nízkouhlíkový jemnozrnný martenzit po kalení do vody, 92 C.s -1, ozn. ako 15 127 kal. - jemnozrnná sorbitická štruktúra so zachovaným laťkovým charakterom po kalení a popúšťaní pri 600 C/30 min, ozn. ako 15 127 kal. + pop. Mikroštruktúra ocele 11 523 bola feriticko- perlitická po normalizačnom žíhaní u výrobcu.
Povrch všetkých vzoriek bol obojstranne brúsený, R a = 1,67 µm, R y = 8,40 µm. Vzorky boli exponované v atmosfére mesta Košice na atmosferickej stanici v areáli Hutníckej fakulty TU po dobu 20 rokov. Strana vzorky pri korózii obrátená k slnku je v ďalšom označovaní ako PS, strana vzorky od slnka odvrátená je označená ako OS. Na základe meraní Slovenského hydrometeorologického ústavu, pracovisko Košice, boli priemerné ročné charakteristiky ovzdušia mesta Košice v uvedenom 20 ročnom období nasledovné: teplota 8,4 C, relatívna vlhkosť 74 %, množstvo zrážok 585 mm, koncentrácia SO 2 32 µg.m -3. Po zvolených expozičných dobách bolo na vzorkách podrobne hodnotené korózne napadnutie a jeho vplyv na zmenu úžitkových vlastností korodovaných ocelí, výsledky sú zhrnuté v [1] [3] [4]. Zmeny hmotnosti m sa stanovovali podľa STN 03 8102, parametre drsnosti korodovaných povrchov podľa STN ISO 4287-1 na prístroji Hommel Tester 1000, meraná dĺžka l = 15 mm. Neoddeliteľnou súčasťou hodnotenia vplyvu atmosferickej expozície na charakter a rozsah korózneho poškodenia povrchu jednotlivých štruktúr ocele 15 127 i ocele porovnávacej 11 523 bolo makroskopické a mikroskopické štúdium povrchov korodovaných vzoriek. VÝSLEDKY A ICH ROZBOR Vzhľad povrchu vzorky ocele 15 127 pec po odstránení koróznych splodín, vytvorených 20-ročnou expozíciou v atmosfére je pri malom zväčšení na obr. 1a na PS vzorky a na obr. 1b na OS vzorky. Na PS aj OS sú zreteľné korózne jamky, typické pre korózny proces ocelí s kyslíkovou depolarizáciou. Ich hĺbka je na OS relatívne väčšia ako na PS. Podobný vzhľad PS i OS bol konštatovaný aj na vzorkách ďalších troch skúšobných štruktúrnych stavov ocele 15 127. Obr. 1a PS ocele 15 127 pec po odstránení koróznych splodín, zv. 4x Obr. 1b OS ocele 15 127 pec po odstránení koróznych splodín, zv. 4x
Obr. 2a PS vzorky ocele 15 127 pec. Obr. 2b OS vzorky ocele 15 127 pec. Obr. 3a PS vzorky ocele 15 127 norm. Obr. 3b OS vzorky ocele 15 127 norm.
Obr. 4a PS vzorky ocele 15 127 kal. Obr. 4b OS vzorky ocele 15 127 kal. Obr. 5a PS vzorky ocele 15 127 kal. + pop. Obr. 5b OS vzorky ocele 15 127 kal. + pop.
Na obr. 2a, 3a, 4a, 5a sú dokumentované rezy PS vzoriek ocele 15 127 po 20- ročnej korózii a na obr. 2b, 3b, 4b, 5b sú rezy OS týchto vzoriek. Z uvedených obrázkov vidieť, že PS a OS všetkých vzoriek je pokrytá vrstvou ochranných koróznych splodín, ktorých vzhľad je rovnaký, nezávislý na štruktúre korodovanej ocele. Vonkajší povrch vzoriek je možné charakterizovať základným, trhlinami rozdeleným povlakom s typickou morfológiou polguľovitých útvarov. Sieť trhlín vzniká už v začiatkoch koróznej expozície a s pokračujúcou dobou korózie ocele sa nemení [5]. Nie je možné vylúčiť, že niektoré trhliny vznikli tiež pri príprave metalografických výbrusov. Hrúbka vrstiev koróznych splodín je na OS spravidla väčšia ako na PS vzoriek, čo súvisí s predĺženou dobou kontaktu kovového povrchu na týchto stranách s kondenzovanou vlhkosťou a s absenciou slnečného žiarenia. Z obr. 2 5 je zreteľné, že charakter medzifázového rozhrania korózna vrstva oceľ je jamkový. Nebola pozorovaná prednostná korózia niektorej štruktúrnej zložky ocele, ani selektívna korózia hraníc zŕn. Rozmerné jamkové poškodenie PS i OS vzorky vzniká spájaním a nadväzovaním jednotlivých koróznych jamiek, pričom intenzita korózneho napadnutia na OS všetkých vzoriek je spravidla väčšia, ako na OS vzoriek. Obr. 6a PS vzorky ocele 11 523. Zv. 180x, lept. Nital Obr. 6b OS vzorky ocele 11 523. Zv. 180x, lept. Nital Typický vzhľad korodovanej PS vzorky ocele 11 523 je na obr. 6a, vzhľad OS tejto vzorky je na obr. 6b. Mikroskopickým štúdiom tejto ocele bolo konštatované, že charakter atmosferického korózneho napadnutia povrchu sa nelíši od korózneho napadnutia ocele 15 127. Korózne poškodenie má takisto jamkový priebeh, hĺbka koróznych jamiek na OS bola miestne pozorovaná väčšia ako na PS vzorky. Prehľad zmien hmotnosti vzoriek po 20-ročnej atmosferickej korózii a stredných aritmetických odchýliek profilu povrchu Ra a maximálnych hĺbok drsnosti Ry je v tab. I. Ukazuje, že medzi jednotlivými štruktúrnymi stavmi legovanej ocele neboli zistené výrazné rozdiely v meraných koróznych ukazovateľoch. Porovnanie týchto hodnôt s hodnotami
stanovenými pre oceľ 11 523 jednoznačne potvrdzuje zvyšenú koróznu odolnosť ocele ATMOFIX 52B v aplikovaných atmosferických podmienkach. Kinetika zmien m a morfologických charakteristík korodovaných povrchov skúmaných ocelí počas prvých 10 rokov korózie je zhrnutá v [4]. Tab. I Expozícia 15 127 20 rokov žíh. norm. kal. kal.+pop. φ 11 523 m [g.m -2 ] 772,2 769,8 756,0 764,9 765,7 993,6 [%] 77,7 77,4 76,1 76,9 77 100 R aps + R aos 2 R PS + R OS y 2 y [µm] 23,6 24,1 24,0 23,8 23,9 28,2 [%] 83,7 85,5 85,1 84,4 84,8 100 [µm] 171,7 184,3 190,0 179,2 181,2 204,2 [%] 84,1 90,0 93,0 87,7 88,7 100 ZÁVER Metalografickou analýzou vzoriek 4 štruktúrnych stavov ocele so zvýšenou odolnosťou voči atmosferickej korózii 15 127 a ocele 11 523 po 20-ročnej korózii v mestskom ovzduší i kvantifikáciou m, R a a R y vzoriek bol hodnotený charakter a rozsah korózneho poškodenia skúšaných ocelí. Dosiahnuté výsledky potvrdili zvýšenú koróznu odolnosť ocelí typu CORTEN v atmosfére v porovnaní s nelegovanou oceľou. Súčasne jednoznačne svedčia o štruktúrnej nezávislosti korózneho poškodzovania legovanej ocele ATMOFIX 52B pri jej dlhodobej expozícii v podmienkach atmosferickej korózie. Prezentované výsledky sú súčasťou riešenia projektu 1/6001/99 VEGA 5 SR POUŽITÁ LITERATÚRA [1] KOCICH, J. et al.: Vplyv atmosferickej korózie na mechanické vlastnosti špeciálnych ocelí [Výskumná správa úlohy IV-2-6/07], Košice, 1985, HF VŠT [2] TLUSTÁ, D. et al.: Nízkolegované oceli se zvýšenou odolností proti atmosferické korozi. TEVÚH Praha, 1975 [3] ŠEVČÍKOVÁ, J.: Vplyv atmosferickej korózie na zmeny mechanických vlastností ocele ATMOFIX 52B. [Kandidátska dizertačná práca] Košice, 1983, HF VŠT [4] ŠEVČÍKOVÁ, J.: Korózne vlastnosti nízkolegovaných ocelí so zvýšenou odolnosťou voči atmosferickej korózii [Habilitačná práca], Košice, 1997, HF TU