F: Wir haben vor Kurzem mit Arbeiten begonnen, bei denen einige Komponenten hauptsächlich aus Edelstahl 304 gefertigt werden müssen, der mit sich selbst und mit Weichstahl verschweißt wird. Wir hatten Probleme mit Schweißrissen zwischen Edelstahl und Edelstahl mit einer Dicke von bis zu 3,2 cm. Es wurde erwähnt, dass wir niedrige Ferritwerte haben. Können Sie erklären, was das ist und wie man es behebt?
A: Das ist eine gute Frage. Ja, wir können Ihnen helfen zu verstehen, was ein niedriger Ferritgehalt bedeutet und wie Sie ihn verhindern können.
Betrachten wir zunächst die Definition von Edelstahl (SS) und den Zusammenhang zwischen Ferrit und Schweißverbindungen. Schwarzstahl und seine Legierungen enthalten über 50 % Eisen. Dazu gehören alle Kohlenstoff- und Edelstähle sowie bestimmte andere Gruppen. Aluminium, Kupfer und Titan enthalten kein Eisen und sind daher hervorragende Beispiele für Nichteisenlegierungen.
Die Hauptbestandteile dieser Legierung sind Kohlenstoffstahl mit einem Eisengehalt von mindestens 90 % und Edelstahl mit einem Eisengehalt von 70 bis 80 %. Um als Edelstahl klassifiziert zu werden, muss der Stahl mindestens 11,5 % Chrom enthalten. Chromwerte über diesem Mindestwert fördern die Bildung einer Chromoxidschicht auf Stahloberflächen und verhindern die Bildung von Oxidationserscheinungen wie Rost (Eisenoxid) oder chemischer Korrosion.
Edelstahl wird im Wesentlichen in drei Gruppen unterteilt: austenitisch, ferritisch und martensitisch. Ihr Name leitet sich von der Kristallstruktur ab, aus der sie bei Raumtemperatur bestehen. Eine weitere häufige Gruppe ist Duplex-Edelstahl, dessen Kristallstruktur aus einem Gleichgewicht zwischen Ferrit und Austenit besteht.
Austenitische Güten der 300er-Serie enthalten 16 % bis 30 % Chrom und 8 % bis 40 % Nickel und bilden eine überwiegend austenitische Kristallstruktur. Stabilisatoren wie Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff werden während der Stahlherstellung zugesetzt, um das Austenit-Ferrit-Verhältnis zu verbessern. Gängige Güten sind 304, 316 und 347. Sie bieten gute Korrosionsbeständigkeit und werden hauptsächlich in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Kryotechnik eingesetzt. Die Kontrolle der Ferritbildung sorgt für hervorragende Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen.
Ferritischer Edelstahl gehört zur 400er-Serie. Er ist vollmagnetisch, enthält 11,5 % bis 30 % Chrom und weist eine überwiegend ferritische Kristallstruktur auf. Um die Ferritbildung zu fördern, werden bei der Stahlherstellung Stabilisatoren wie Chrom, Silizium, Molybdän und Niob eingesetzt. Diese Edelstahltypen werden häufig in Fahrzeugabgassystemen und Antriebssträngen eingesetzt und sind nur begrenzt für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Einige häufig verwendete Typen: 405, 409, 430 und 446.
Martensitische Güten, auch als 400er-Serie bezeichnet, wie 403, 410 und 440, sind magnetisch, enthalten 11,5 bis 18 % Chrom und haben eine martensitische Kristallstruktur. Diese Kombination hat den niedrigsten Goldgehalt und ist daher am kostengünstigsten herzustellen. Sie bieten eine gewisse Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeit und werden häufig in Geschirr, zahnärztlichen und chirurgischen Geräten, Kochgeschirr und einigen Werkzeugen verwendet.
Beim Schweißen von Edelstahl bestimmen die Art des Substrats und seine Anwendung den geeigneten Schweißzusatz. Bei Schutzgasschweißverfahren ist besonderes Augenmerk auf die Schutzgasmischung zu legen, um bestimmte Schweißprobleme zu vermeiden.
Zum Verlöten von 304 mit sich selbst benötigen Sie eine E308/308L-Elektrode. „L“ steht für niedrigen Kohlenstoffgehalt, der interkristalline Korrosion verhindert. Der Kohlenstoffgehalt dieser Elektroden liegt unter 0,03 %. Wird dieser Wert überschritten, steigt das Risiko von Kohlenstoffablagerungen an Korngrenzen und Chrombindungen zu Chromkarbiden, was die Korrosionsbeständigkeit des Stahls effektiv verringert. Dies wird deutlich, wenn Korrosion in der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Edelstahlschweißnähten auftritt. Ein weiterer Aspekt von Edelstahl der Güteklasse L ist die geringere Zugfestigkeit bei erhöhten Betriebstemperaturen als bei reinem Edelstahl.
Da 304 ein austenitischer Edelstahl ist, enthält das entsprechende Schweißgut den größten Teil des Austenits. Die Elektrode selbst enthält jedoch einen Ferritstabilisator wie Molybdän, um die Ferritbildung im Schweißgut zu fördern. Hersteller geben üblicherweise einen typischen Bereich für den Ferritgehalt eines Schweißguts an. Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff ein starker Austenitstabilisator. Aus diesen Gründen ist es wichtig, seine Zugabe zum Schweißgut zu vermeiden.
Ferritzahlen werden aus dem Scheffler-Diagramm und dem WRC-1992-Diagramm abgeleitet. Diese verwenden Nickel- und Chromäquivalentformeln zur Berechnung des Wertes, der beim Auftragen in das Diagramm eine normalisierte Zahl ergibt. Eine Ferritzahl zwischen 0 und 7 entspricht dem Volumenanteil der ferritischen Kristallstruktur im Schweißgut. Bei höheren Anteilen steigt die Ferritzahl jedoch schneller an. Beachten Sie, dass Ferrit in Edelstahl nicht dasselbe ist wie Kohlenstoffstahlferrit, sondern eine Phase namens Deltaferrit. Austenitischer Edelstahl unterliegt keinen Phasenumwandlungen, die mit Hochtemperaturprozessen wie Wärmebehandlungen verbunden sind.
Die Ferritbildung ist erwünscht, da sie duktiler als Austenit ist, muss aber kontrolliert werden. Der niedrige Ferritgehalt kann Schweißnähten in manchen Anwendungen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit verleihen, sie neigen jedoch extrem zur Heißrissbildung beim Schweißen. Unter allgemeinen Einsatzbedingungen sollte die Anzahl der Ferrite zwischen 5 und 10 liegen, manche Anwendungen können jedoch niedrigere oder höhere Werte erfordern. Ferrite lassen sich am Arbeitsplatz leicht mit einem Ferritindikator überprüfen.
Da Sie Probleme mit Rissbildung und niedrigem Ferritgehalt erwähnt haben, sollten Sie Ihr Schweißzusatzwerkstoff genauer unter die Lupe nehmen und sicherstellen, dass er genügend Ferrit produziert – etwa 8 % sollten ausreichen. Beim Fülldrahtschweißen (FCAW) wird bei diesen Schweißzusätzen typischerweise ein Schutzgas aus 100 % Kohlendioxid oder eine Mischung aus 75 % Argon und 25 % CO2 verwendet, was dazu führen kann, dass das Schweißgut Kohlenstoff absorbiert. Sie können auf das Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) umsteigen und ein Gemisch aus 98 % Argon und 2 % Sauerstoff verwenden, um die Möglichkeit von Kohlenstoffablagerungen zu reduzieren.
Beim Schweißen von Edelstahl mit Kohlenstoffstahl muss der Schweißzusatz E309L verwendet werden. Dieser Schweißzusatz wird speziell für das Schweißen ungleichartiger Metalle verwendet und bildet nach der Auflösung des Kohlenstoffstahls in der Schweißnaht eine gewisse Menge Ferrit. Da Kohlenstoffstahl etwas Kohlenstoff absorbiert, werden dem Schweißzusatz Ferritstabilisatoren zugesetzt, um der Tendenz des Kohlenstoffs zur Austenitbildung entgegenzuwirken. Dies trägt dazu bei, thermische Risse beim Schweißen zu vermeiden.
Wenn Sie Heißrisse in Schweißnähten aus austenitischem Edelstahl reparieren möchten, prüfen Sie die Konsistenz des Ferrit-Füllmaterials und befolgen Sie die bewährten Schweißverfahren. Halten Sie die Wärmezufuhr unter 50 kJ/Zoll, halten Sie mittlere bis niedrige Zwischenlagentemperaturen ein und stellen Sie sicher, dass die Lötstellen vor dem Löten sauber sind. Verwenden Sie ein geeignetes Messgerät, um den Ferritgehalt der Schweißnaht zu prüfen (Konzentration 5–10).
WELDER, früher Practical Welding Today, repräsentiert die Menschen, die die Produkte herstellen, mit denen wir täglich arbeiten. Das Magazin betreut die Schweißerbranche in Nordamerika seit über 20 Jahren.
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