Anthony Vervisch microstructure galvanizing – Influence of steel composition and of welded high ...

135 Pages·2009·6.94 MB·English

Liquid Metal Embrittlement in the heat affected zone
of welded high strength steel during batch hot dip
galvanizing – Influence of steel composition and
microstructure
Anthony Vervisch
Promotor: prof. dr. ir. Yvan Houbaert
Begeleiders: Nuria Sanchez Mourino, David Warichet (Galvapower)
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de ingenieurswetenschappen: materiaalkunde
Vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen
Voorzitter: prof. dr. ir. Joris Degrieck
Faculteit Ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2008-2009
Acknowledgements

A lot of people helped me in one way or another realizing this Master thesis. Therefore I
would like to take the opportunity to thank them for their support.

First of all I would like to thank my supervisors, ir. David Warichet and ir. Nuria Sanchez
Mourino, for their guidance and useful advices they give me, for reading my text and the
fact I could always reach them for help.
Next my appreciation to my promotor, prof. dr. ir. Yvan Houbaert, for making it possible to
realize this project and dr. ir. Frans Leysen for his help, advice and critical look on the
subject.
Furthermore I would like to express my gratitude to dr. ir. Nele Van Caenegem from the BIL
and ir. Edwig De Vis from CLUSTA for their interesting information during meetings. I
appreciated the help from dr. ir. Nele Van Caenegem as well as the discussions about the
results and the reading of my report.
A special word of thank to the people of GalvaPower ICA Dendermonde; Caroline
Masquelier, Gentiana Kone, Conchi Lera Calvo and Isabelle Van Moerkerke for their support
and nice company during the galvanizing.
My credits to the technicians of the department Applied Material Sciences of the University
of Ghent, more specific to Marnix Van Dorpe for polishing my samples, and to ir. Leon
Bokken and the people of LAG Bree for their professional job in welding the samples.
Finally I would like to thank my fellow students, Jara, Bram, Tom, Iwein, Thomas and Tybo
for their support and company during the period of my studies.

Thanks! Anthony
Permission for usage

The author gives permission to consult and to copy parts of this thesis report for personal
use.
For each other use the restrictions on the copyright have to be respected, in particular the
obligation to mention the source explicitly when results from this report are being quoted.

Ghent, May 2009

Anthony Vervisch
Liquid Metal Embrittlement in the heat
affected zone of welded high strength steel
during batch hot dip galvanizing –
Influence of steel

composition and microstructure
door
Anthony VERVISCH

Promotor: prof. dr. ir. Yvan HOUBAERT
Begeleiders: ir. David WARICHET, ir. Nuria SANCHEZ MOURINO
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de ingenieurswetenschappen: materiaalkunde
Vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen
Voorzitter: prof. dr. ir. Joris Degrieck
Faculteit Ingenieurswetenschappen, Universiteit Gent
Academiejaar 2008-2009

Samenvatting
In hoofdstuk 1 wordt een algemene inleiding gegeven over thermisch verzinken en
corrosieweerstand. In een uitgebreide literatuurstudie in Hoofdstuk 2 wordt de
problematiek en het mechanisme van Liquid Metal Embrittlement verder toegelicht.
Nadien worden in hoofdstuk 3 de gebruikte materialen en experimentele technieken
benadrukt. Hoofdstuk 4 handelt meer specifiek over het ontwerp van de teststukken
gebruikt in de scheurtest. In hoofdstuk 5 worden de resultaten weergegeven en besproken.
Tot slot geeft hoofdstuk 6 een korte conclusie.

Trefwoorden: LME, hoogsterkte staal, thermisch verzinken, warmtebeïnvloede zone
Liquid Metal Embrittlement in the heat affected zone of
welded high strength steel during batch hot dip galvanizing –
Influence of steel composition and microstructure
Anthony Vervisch
Supervisors: Prof. dr. ir. Y. Houbaert, Ir. D. Warichet, Ir. N. Sanchez Mourino
Abstract — The influence of pretreatment, zinc bath
composition and microstructure on the liquid metal
embrittlement susceptibility has been studied. A cracking test
has been set up to test the cracking behavior of high strength
steels after batch hot dip galvanization. The results showed that
a blasting pretreatment significantly improved the LME-
cracking behavior. Detected cracks were caused by LME and

not by H-embrittlement. Preheating before welding combined
Figure 1: Design of the welded crosses
with a higher drying temperature decreased the LME-
susceptibility. Alloying elements in the zinc bath such as Sn, Bi
C. Experimental conditions
and Pb didn’t increase the LME-susceptibility. The 2 tested
micro-alloyed steels showed different cracking behavior, In total 20 test pieces were tested in different conditions
although having similar properties and process conditions. (Table 1).
Keywords — LME, high strength steels, hot dip galvanizing

Table 1: Test conditions
I. INTRODUCTION Name Welding Pickling/ Zinc bath
Pretreatment Blasting
Batch hot dip galvanization is one of the most used
techniques to protect steel constructions against corrosion by Weldox 700E (15mm)
covering the surface with a zinc layer. The use of high G No preheating
strength steels in constructions has increased in the last A No preheating Pickling
decades due to its higher specific strength. Some reported
B No preheating Pickling Classic
failures of galvanized constructions led to the investigation
C No preheating Pickling Classic
[1] of this phenomenon called LME, which is the result of
the confluence of 4 factors: properties of the steel, stress, D No preheating Blasting GL80 Classic
severity of the liquid zinc and immersion time. The high E No preheating Blasting GL80 Classic
amount of influencing parameters which contribute to 1 or
F No preheating Blasting GL80 Microzinq®
more of these factors makes the LME phenomenon of the
H No preheating Blasting GL80 Microzinq®
steel/liquid zinc couple very complex.
I No preheating Blasting GL40 Classic
J No preheating Blasting GL40 Classic
II. EXPERIMENTAL PROCEDURE K No preheating Blasting GL40 + Classic
Pickling
A. Materials
L No preheating Blasting GL40 + Classic
Experiments were done with 3 different sorts of steel. 1 Pickling
Q&T steel with a thickness of 15mm: Weldox 700E. 2
M Preheating* Pickling Microzinq®
different micro-alloyed steels, each 8mm thick: Ruukki S700
MC and ArcelorMittal S700 MC. All steels had a R N Preheating* Pickling Microzinq®
p,0,2
around 750 MPa and hardness around 275 HV0,5. O Preheating* Pickling Classic
P Preheating* Pickling Classic
B. Cracking test
ArcelorMittal 700MC (8mm)
LME-susceptibility was investigated with the cracking test (8mm)
A7A No preheating Pickling Classic
method [2]. This test measures qualitatively the resistance to
A7B No preheating Pickling Classic
cracking by simulating the hot dip process of a steel
construction. The test samples are steel plates welded in the Ruukki 700MC (8mm)
form of a cross. The crosses are designed so that high R7A No preheating Pickling Classic
residual stresses in the test welds are obtained. The welding
R7B No preheating Pickling Classic
process was executed with a heat input of 9 kJ/cm and the
restraint welds consist of 5 layers with a total thickness of *Preheating before welding at 150°C was done
20mm (see Figure 1).
Table 2: Zinc bath composition
Wt% Al Sn Bi Pb Ni Fe Zn

Classic zinc bath 0,0083 0,28 0,083 0,17 0,039 0,019 rest

Microzinq® 5,08 <50ppm <50ppm 0,04 <50ppm <0,03 rest

III. RESULTS AND DISCUSSION observed, due to preheating and a higher drying temperature
(300°C instead of 125°C), which caused less thermal induced
A. Liquid metal embrittlement vs. H-embrittlement stress.

Because the welding process and the pickling step are
possible sources for hydrogen uptake, the possibility of H-
D. Q&T steels vs. Micro-alloyed steels
embrittlement was investigated. Cracks were found after
testing the conditions welding and welding + 2,5h pickling in 2 Different micro-alloyed steels with similar strength and
a 50% HCl / 50% FeCl solution. An extra pickling step after hardness were tested. Both steels were tested under identical
2
the blasting pretreatment didn’t influence the cracking conditions: pickling (2,5h) + classic zinc bath. ArcelorMittal
behavior. S700 MC steel didn’t show cracks, in Ruukki S700 MC
Therefore H-embrittlement seems not to be the reason of however big cracks were formed (see Figure 3).
the crack formation.

B. Acid pickling vs. Blasting
A cracking test under the conditions pickling (2,5h) +
classic zinc bath was executed. Big cracks were detected in
all the test welds (see Figure 2). Sn and Bi (up to 5w% at the
crack end) were found in the cracks next to Zn.

Figure 3: cross section of a Ruukki S700 MC cross

Hardness measurements across the HAZ gave similar
results in both steels. The reason for this different cracking
behavior has to be sought in the difference in microstructure
between both micro-alloyed steels.

IV. CONCLUSIONS
Figure 2: cross section of the Weldox test weld
1) Big cracks are obtained with the conditions pickling +
Blasting with different steel grits (GL80 and GL40) for 30 classic zinc bath in the Weldox 700E test pieces. The
min. was combined with the classic zinc bath. No cracks blasting pretreatment decreases significantly the LME-
were detected, except a small crack of a few microns thick on susceptibility by introducing compression stress.
1 test weld. Because no Zn, Sn or Bi has been found in the 2) Cracks are caused by the immersion in the liquid zinc bath
crack, this crack is not considered to be a LME-crack. and probably not by hydrogen embrittlement.
3) The combination of preheating and higher drying
temperature decreases the severity of cracking, but doesn’t
C. Classic zinc bath vs. Microzinq® bath avoid it.
3) Sn (up to 0,28w%), Bi (up to 0,083w%) and Pb (up to
The influence of the zinc alloying elements Sn, Bi and Pb
0,17w%) didn’t increase the LME-susceptibility in Weldox
was investigated by comparing the results of the conditions
700E steel.
pickling + Microzinq® bath to those of pickling + classic1
4) The 2 different micro-alloyed steels showed different
zinc bath. The cracking behavior was similar in both test
cracking behavior although having similar hardness across
conditions, which proved that Sn, Bi and Pb didn’t increase
the HAZ and being galvanized with similar process
the LME-susceptibility. However less severe cracking than
parameters.
showed by previous results in the classic zinc bath was

REFERENCES

[1] T. KINSTLER, Current Knowledge of the Cracking of Steels
1 The conditions however were different than the classic During Galvanizing, GalvaScience LLC
galvanizing process. Here the flux and drying parameters of [2] Y. KIKUTA, T. ARAKI, M. YONEDA, K. UCHIKAWA,
the Microzinq® process were used, combined with an Liquid Metal Embrittlement Cracking by Molten Zinc in
immersion in the classic zinc bath. Structural Steel HAZ, Technology Reports of Osaka
University Vol. 36 N°1828 (March 1986), 65
Appendix
Liquid Metal Embrittlement in de warmtebeïnvloede zone van gelast
hoogsterkte staal bij thermische verzinking – Invloed van staalsamenstelling en
microstructuur

Nederlandstalige samenvatting
Liquid Metal Embrittlement in de
warmtebeïnvloede zone van gelast
hoogsterkte staal bij thermische
verzinking
– Invloed van staalsamenstelling en
microstructuur

1. Inleiding

1.1. Situering
Thermisch verzinken wordt reeds meer dan 100 jaar toegepast om staal te beschermen
tegen corrosie. Door staal te bedekken met een laagje zink wordt een constructie op twee
manieren beschermd. Eerst en vooral zal het zink oxideren, waarbij het een ondoordringbare
zuurstofbarrière vormt. Hierdoor komt het staal niet in contact met de atmosfeer. Een
tweede bescherming biedt de zinklaag door zijn elektrochemische eigenschappen. De
elektrochemische potentiaal van zink heeft een waarde die 320mV negatiever is dan die van
ijzer. Wanneer staal en zink in contact komen met elkaar, wordt een galvanisch koppel
gevormd waarbij zink geoxideerd en ijzer gereduceerd wordt.
Het proces van thermisch verzinken bestaat uit een aantal voorbereidende stappen, gevolgd
door het dompelen in een vloeibaar zinkbad op ongeveer 450°C. De voorbereidende stappen
zijn achtereenvolgens ontvetten, beitsen, fluxen en drogen. Elk van deze stappen heeft een
belangrijke invloed op de afgezette zinklaag kwaliteit. Door de jaren heen werden heel wat
nieuwe fluxen en zinkbadsamenstellingen getest en ingevoerd, met de bedoeling om een
betere corrosieweerstand, een mooier oppervlak en een lager verbruik aan zink na te
streven.

1.2. Probleemstelling
Door de combinatie van deze nieuwe procesparameters en de steeds hoger wordende
treksterkte van stalen werden de laatste decennia meer schadegevallen door scheurvorming
gerapporteerd. Onderzoek naar dit specifieke schadefenomeen werd uitgevoerd en normen
voor ontwerp en verzinking werden aangepast om scheurvorming te vermijden.

Appendix Nederlandstalige samenvatting A-1
Het scheurfenomeen wordt toegeschreven aan liquid metal embrittlement (LME). Dit is een
mechanisme waarin de ductiliteit van een vast metaal gereduceerd wordt door contact met
een vloeibaar metaal bij de aanwezigheid van trekspanningen.
Hoewel reeds een groot aantal gevallen van LME werden onderzocht, is het fenomeen tot
nog toe niet helemaal duidelijk. De kwalitatieve invloed van bepaalde parameters is gekend,
maar een model voor kwantitatieve voorspellingen bestaat nog niet. Dit komt omdat LME
afhankelijk is van een groot aantal factoren.

1.3. Doelstelling
Het doel van deze thesis is om meer inzicht te krijgen in het mechanisme van LME en om
procesparameters te vinden waarbij de scheurgevoeligheid beperkt wordt. De invloed van
microstructuur, voorbehandelingen en zinkbadsamenstelling werd onderzocht.
Dit werk maakt ook deel uit van een breder IWT collectief onderzoek dat deels als objectief
heeft de LME-gevoeligheid van de verschillende hoogsterkte stalen te vergelijken.

2. LME fenomeen
2.1. Mechanisme
Verbrossing door contact met vloeibare metalen wordt sinds lange tijd bestudeerd. Vele
voorbeelden van vaste/vloeibare metaalkoppels zijn uitvoerig beschreven [1]. Elk
vast/vloeibaar metaalkoppel reageert echter verschillend. Enkele mechanismen zijn
beschreven in de literatuur, maar een algemeen model dat kwantitatieve en kwalitatieve
voorspellingen kan maken bestaat niet. Het staal/vloeibare zinkkoppel gedraagt zich uniek
en is minder uitvoerig beschreven.
Het meest aanvaarde mechanisme bestaat erin dat de vloeibare metaalmoleculen in het
vaste metaal diffunderen langs de korrelgrenzen waarbij de cohesiekrachten van het vaste
metaal verminderen en daardoor scheurvorming optreedt onder invloed van de aanwezige
spanningen.

2.2. Invloedsfactoren [2]
Opdat LME zou optreden moet er een kritische limiet overschreden worden door 4
verschillende factoren. Deze zijn spanning, materiaalconditie, condities vloeibaar metaal en
verzinkingstijd zoals aangeduid op Figuur A-1.
Appendix Nederlandstalige samenvatting A-2
Figuur A-1: Invloedsfactoren op LME

Elke parameter in het proces beïnvloedt 1 of meer van deze factoren. Deze factoren zijn
gerelateerd aan elkaar, wat het LME fenomeen extreem ingewikkeld maakt.

3. Materialen en experimentele test
3.1. Materialen
Om de invloed van de microstructuur op de scheurgevoeligheid te bepalen werden er met 2
verschillende staal klassen gewerkt: Quenched and tempered (Q&T) stalen en
microgelegeerde staalsoorten. Deze 2 staalsoorten hebben beiden een vloeigrens van rond
de 700 MPa.
Het grootste deel van de experimenten is uitgevoerd met Weldox 700E staal. Dit is een Q&T
staal met een microstructuur die bestaat uit martensiet met ingebedde carbiden.
Voor de vergelijking met microgelegeerde stalen werden experimenten met ArcelorMittal
S700 MC en Ruukki S700 MC uitgevoerd. Beide hebben een microstructuur die bestaat uit
fijne precipitaten in een fijne korrel bekomen door thermo-mechanisch gecontroleerd te
walsen.

3.2. Scheurtest
In de literatuur zijn 2 soorten testen beschreven om de LME gevoeligheid te meten. Een
eerste wordt de ductiliteitstest genoemd, waarbij een trektest uitgevoerd wordt in een
vloeibaar zinkbad [3].
Een 2de test, ontwikkeld door Japanse onderzoekers [4], wordt de scheurtest genoemd. Deze
test werd gebruikt voor het thesisonderzoek. In deze test wordt een op voorhand
ontworpen constructie verzinkt volgens het normale proces en nadien onderzocht op
eventuele scheurvorming. Figuur A-2 toont het ontwerp van de constructie.
Trekspanningen in de testlassen worden bekomen door het specifieke ontwerp. Afmetingen
van de platen, alsook de lasparameters werden zorgvuldig gekozen. Een temperatuurstest
Appendix Nederlandstalige samenvatting A-3