Verbrauchsmaterial-Ecke: Die Beziehung zwischen Ferritzahlen und Rissbildung

F: Wir haben vor kurzem mit Arbeiten begonnen, bei denen einige Komponenten hauptsächlich aus Edelstahl der Güteklasse 304 hergestellt werden müssen, der mit sich selbst und Weichstahl verschweißt ist. An den bis zu 1,25 Zoll dicken Edelstahl-Edelstahl-Schweißabschnitten sind einige Risse aufgetreten. Es wurde erwähnt, dass unsere Ferritzahlen niedrig sind. Können Sie erklären, was das ist und wie Sie das Problem beheben können?

A: Das ist eine tolle Frage. Und ja, wir können Ihnen helfen zu verstehen, was niedrige Ferritzahlen bedeuten und wie Sie dies verhindern können.

Sehen wir uns zunächst an, was einen Edelstahl (SS) ausmacht und wie sich Ferrit dann auf die Schweißverbindungen auswirkt. Eisenhaltige Stähle und Legierungen enthalten mehr als 50 Prozent Eisen. Hierzu zählen alle Kohlenstoff- und Edelstähle sowie weitere definierte Gruppen. Aluminium, Kupfer und Titan enthalten kein Eisen und sind daher hervorragende Beispiele für Nichteisenlegierungen.

Der Hauptbestandteil der Legierung ist ein Eisengehalt von mindestens 90 Prozent bei Kohlenstoffstahl und 70 bis 80 Prozent bei Edelstahl. Um als SS eingestuft zu werden, muss ihm mindestens 11,5 Prozent Chrom zugesetzt sein. Ein Chromgehalt, der über diesem Mindestschwellenwert liegt, fördert die Bildung eines Chromoxidfilms auf der Stahloberfläche und verhindert die Bildung von Oxidation wie Rost (Eisenoxid) oder Korrosion aufgrund chemischer Angriffe.

Es gibt drei Hauptgruppen von SS: austenitisch, ferritisch und martensitisch. Ihre Namen leiten sich von den bei Raumtemperatur herrschenden kristallinen Strukturen ab, aus denen sie bestehen. Eine weitere häufige Gruppe ist Duplex-SS, bei dem es sich um ein Gleichgewicht zwischen Ferrit und Austenit in der Kristallstruktur handelt.

Austenitische Güten der 300er-Serie enthalten 16 bis 30 Prozent Chrom und 8 bis 40 Prozent Nickel und bilden eine dominante austenitische Kristallstruktur. Um die Bildung eines Austenit-Ferrit-Verhältnisses zu fördern, werden während des Stahlherstellungsprozesses Stabilisatoren wie Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff zugesetzt. Einige gängige Qualitäten sind 304, 316 und 347. Diese Gruppe ist nicht magnetisch; bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit; und wird hauptsächlich in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Kryotechnik eingesetzt. Die Kontrolle der Ferritbildung sorgt für eine überlegene Kalttemperaturzähigkeit.

Ferritischer Edelstahl, die Sorten der 400er-Serie, sind vollständig magnetisch und enthalten 11,5 bis 30 Prozent Chrom mit der primären Kristallstruktur als Ferrit. Um die Bildung von Ferrit zu fördern, werden bei der Stahlherstellung Chrom, Silizium, Molybdän und Niob als Stabilisatoren eingesetzt. Diese Arten von Edelstahl werden üblicherweise für Abgassysteme und Kraftwerke von Kraftfahrzeugen verwendet und sind nur begrenzt bei erhöhten Temperaturen einsetzbar. Einige häufig verwendete Typen sind 405, 409, 430 und 446.

Martensitische Güten, auch durch die 400er-Serie gekennzeichnet, wie 403, 410 und 440, sind magnetisch, enthalten 11,5 bis 18 Prozent Chrom und haben Martensit als Kristallstruktur. Diese Gruppe enthält den geringsten Legierungsanteil und ist daher am kostengünstigsten herzustellen. Sie bieten eine gewisse Korrosionsbeständigkeit; ausgezeichnete Festigkeit; und werden typischerweise für Besteck, zahnmedizinische und chirurgische Geräte, Kochgeschirr und einige Arten von Werkzeugen verwendet.

Wenn Sie Edelstahl schweißen, bestimmen die Art des Grundmaterials und seine Verwendung im Betrieb, welches Schweißzusatzwerkstoff geeignet ist. Wenn Sie ein Schutzgasverfahren verwenden, müssen Sie möglicherweise besonders auf die Schutzgasmischung achten, um bestimmte schweißbedingte Probleme zu vermeiden.

Um 304 mit sich selbst zu verschweißen, sollten Sie eine E308/308L-Elektrode verwenden. Die Bezeichnung „L“ steht für einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, der dazu beitragen kann, interkristalline Korrosion zu verhindern. Diese Elektroden haben einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03 Prozent; Alles, was darüber hinausgeht, erhöht das Risiko, dass sich Kohlenstoff an den Korngrenzen niederschlägt und sich mit dem Chrom verbindet, um Chromkarbide zu bilden, was die Korrosionsbeständigkeit des Stahls wirksam verringert. Dies kann sichtbar werden, wenn in der Wärmeeinflusszone (HAZ) einer Edelstahl-Schweißverbindung Korrosion vorliegt. Eine weitere Überlegung bei Edelstahl der Güteklasse L ist, dass sie bei erhöhten Betriebstemperaturen eine geringere Zugfestigkeit aufweisen als die reine SS-Güteklasse.

Da es sich bei 304 um einen austenitischen Edelstahltyp handelt, enthält das entsprechende Schweißgut einen Großteil aus Austenit. Die Schweißelektrode selbst enthält jedoch Ferritstabilisatoren wie Molybdän, um die Bildung von Ferrit im Schweißgut zu fördern. Der Hersteller gibt in der Regel einen typischen Ferritzahlbereich des Schweißgutes an. Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff ein starker Austenitstabilisator, und aus diesen Gründen ist es wichtig, die Zugabe von Kohlenstoff zum Schweißgut zu verhindern.

Ferritzahlen werden aus dem Schaeffler-Diagramm und dem WRC-1992-Diagramm abgeleitet, die Nickel- und Chrom-Äquivalenzformeln zur Berechnung von Werten verwenden, die bei der Auftragung in die Diagramme eine standardisierte Zahl ergeben. Ferritzahlen zwischen 0 und 7 entsprechen dem Volumenprozentsatz der im Schweißgut vorhandenen Ferritkristallstruktur; Bei höheren Prozentsätzen steigt die Ferritzahl jedoch schneller an. Beachten Sie, dass der Ferrit in SS nicht mit Kohlenstoffstahlferrit identisch ist, sondern eine Phase ist, die als Delta-Ferrit bekannt ist. Austenitischer Edelstahl weist keine Phasenänderungen auf, die mit Hochtemperaturprozessen wie Wärmebehandlungen verbunden sind.

Die Bildung von Ferrit ist wünschenswert, da es duktiler als Austenit ist, muss aber kontrolliert werden. Niedrige Ferritzahlen können zu einer Schweißnaht führen, die in bestimmten Anwendungen eine bessere Korrosionsbeständigkeit aufweist, beim Schweißen jedoch sehr anfällig für Heißrisse ist. Die Ferritzahl sollte für allgemeine Betriebsbedingungen zwischen 5 und 10 liegen, für einige Anwendungen können jedoch niedrigere oder höhere Werte wünschenswert sein. Der Ferritgehalt kann vor Ort mithilfe eines Ferritindikators leicht überprüft werden.

Da Sie erwähnt haben, dass Sie Probleme mit Rissen und niedrigen Ferritzahlen haben, sollten Sie sich Ihr Zusatzmetall genau ansehen und sicherstellen, dass es eine ausreichende Ferritzahl aufweist – ein Wert um 8 sollte hilfreich sein. Wenn Sie außerdem mit dem Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW) arbeiten, verwenden diese Füllmetalle normalerweise ein Schutzgas aus 100 Prozent Kohlendioxid oder eine Mischung aus 75 Prozent Argon und 25 Prozent CO2, was zu einer Kohlenstoffaufnahme im Schweißgut führen kann. Möglicherweise möchten Sie auf ein Gas-Metall-Lichtbogenschweißverfahren (GMAW) umsteigen und eine Mischung aus 98 Prozent Argon und 2 Prozent Sauerstoff verwenden, um die Möglichkeit der Kohlenstoffaufnahme zu verringern.

Um SS an Kohlenstoffstahl zu schweißen, müssen Sie ein E309L-Füllmaterial verwenden. Dieses Schweißzusatzwerkstoff wurde speziell für das Schweißen unterschiedlicher Metalle entwickelt und sorgt für eine gewisse Ferritbildung nach der Verdünnung von Kohlenstoffstahl in der Schweißnaht. Da es zu einer gewissen Kohlenstoffaufnahme aus dem Kohlenstoffstahl kommt, werden dem Füllmetall Ferritstabilisatoren zugesetzt, um der Tendenz des Kohlenstoffs zur Bildung von Austenit entgegenzuwirken. Dies trägt dazu bei, Heißrisse bei Schweißanwendungen zu verhindern.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn Sie Heißrisse an austenitischen Edelstahl-Schweißverbindungen beseitigen möchten, achten Sie auf einen Zusatzwerkstoff mit ausreichender Ferritzahl und befolgen Sie gute Schweißpraktiken. Halten Sie die Wärmezufuhr unter 50 kJ/Zoll, achten Sie auf eine mäßige bis niedrige Zwischenlagentemperatur und stellen Sie vor dem Schweißen sicher, dass die Schweißverbindungen frei von Verunreinigungen sind. Überprüfen Sie die Ferritzahl an den Schweißverbindungen mit geeigneten Messgeräten mit einem Zielwert von 5 bis 10.