F: Wir haben kürzlich mit Arbeiten begonnen, bei denen einige Bauteile hauptsächlich aus Edelstahl der Güteklasse 304 gefertigt und mit sich selbst sowie mit Baustahl verschweißt werden. Dabei traten Risse an den Edelstahl-Edelstahl-Schweißnähten bis zu einer Dicke von 1,25 Zoll auf. Es wurde erwähnt, dass der Ferritgehalt zu niedrig sei. Können Sie uns erklären, was das bedeutet und wie wir das Problem beheben können?
A: Das ist eine gute Frage. Ja, wir können Ihnen helfen zu verstehen, was niedrige Ferritwerte bedeuten und wie man sie verhindern kann.
Zunächst wollen wir die Definition von Edelstahl (SS) und den Zusammenhang zwischen Ferrit und Schweißverbindungen betrachten. Schwarzer Stahl und Legierungen enthalten mehr als 50 % Eisen. Dazu gehören alle Kohlenstoff- und Edelstähle sowie weitere definierte Gruppen. Aluminium, Kupfer und Titan enthalten kein Eisen und sind daher hervorragende Beispiele für Nichteisenmetalle.
Die Hauptbestandteile dieser Legierung sind Kohlenstoffstahl mit mindestens 90 % Eisen und Edelstahl mit 70 bis 80 % Eisen. Um als Edelstahl klassifiziert zu werden, muss er mindestens 11,5 % Chrom enthalten. Chromgehalte oberhalb dieses Mindestwertes fördern die Bildung von Chromoxidschichten auf der Stahloberfläche und verhindern Oxidationsprozesse wie Rost (Eisenoxid) oder Korrosion durch chemische Einwirkung.
Edelstahl wird hauptsächlich in drei Gruppen unterteilt: Austenit, Ferrit und Martensit. Ihre Bezeichnung leitet sich von ihrer Kristallstruktur bei Raumtemperatur ab. Eine weitere gängige Gruppe ist der Duplex-Edelstahl, der ein ausgewogenes Verhältnis von Ferrit und Austenit in der Kristallstruktur aufweist.
Austenitische Stähle der 300er-Serie enthalten 16 % bis 30 % Chrom und 8 % bis 40 % Nickel und bilden eine überwiegend austenitische Kristallstruktur. Um das Austenit-Ferrit-Verhältnis zu optimieren, werden während der Stahlherstellung Stabilisatoren wie Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff zugesetzt. Gängige Sorten sind beispielsweise 304, 316 und 347. Sie bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit und werden hauptsächlich in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Tieftemperaturindustrie eingesetzt. Die gezielte Ferritbildung sorgt für eine ausgezeichnete Tieftemperaturzähigkeit.
Ferritischer Edelstahl der 400er-Serie ist vollständig magnetisch, enthält 11,5 % bis 30 % Chrom und weist eine überwiegend ferritische Kristallstruktur auf. Um die Ferritbildung zu fördern, werden während der Stahlherstellung Stabilisatoren wie Chrom, Silizium, Molybdän und Niob zugesetzt. Diese Edelstahlsorten werden häufig in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen und in Kraftwerken eingesetzt und finden nur begrenzt Anwendung bei hohen Temperaturen. Zu den gebräuchlichsten Sorten gehören 405, 409, 430 und 446.
Martensitische Stähle, auch bekannt als Sorten der 400er-Serie wie 403, 410 und 440, sind magnetisch, enthalten 11,5 % bis 18 % Chrom und weisen eine Martensit-Kristallstruktur auf. Diese Legierung hat den geringsten Goldgehalt und ist daher am kostengünstigsten herzustellen. Sie bietet eine gewisse Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Festigkeit und wird häufig für Geschirr, zahnärztliche und chirurgische Instrumente, Kochgeschirr und bestimmte Werkzeuge verwendet.
Beim Schweißen von Edelstahl bestimmen die Art des Grundmaterials und dessen Anwendung das geeignete Schweißzusatzmaterial. Bei Verwendung eines Schutzgasschweißverfahrens ist besonderes Augenmerk auf die Schutzgasmischung zu legen, um bestimmte schweißbedingte Probleme zu vermeiden.
Zum Verlöten von Edelstahl 304 mit sich selbst benötigen Sie eine Elektrode der Güteklasse E308/308L. Das „L“ steht für kohlenstoffarm, was interkristalline Korrosion verhindert. Diese Elektroden weisen einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,03 % auf; höhere Werte erhöhen das Risiko, dass sich Kohlenstoff an den Korngrenzen ablagert und sich mit Chrom zu Chromcarbiden verbindet. Dies reduziert die Korrosionsbeständigkeit des Stahls. Besonders deutlich wird dies bei Korrosion in der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Edelstahl-Schweißverbindungen. Ein weiterer Nachteil von Edelstahl der Güteklasse L ist seine geringere Zugfestigkeit bei höheren Betriebstemperaturen im Vergleich zu direkt verschweißten Edelstahlsorten.
Da es sich bei Edelstahl 304 um einen austenitischen Edelstahl handelt, enthält das entsprechende Schweißgut überwiegend Austenit. Die Elektrode selbst enthält jedoch einen Ferritstabilisator, beispielsweise Molybdän, um die Ferritbildung im Schweißgut zu fördern. Hersteller geben üblicherweise einen typischen Ferritgehaltsbereich für das Schweißgut an. Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff ein starker Austenitstabilisator, weshalb es unbedingt vermieden werden muss, dass er dem Schweißgut zugesetzt wird.
Ferritzahlen werden aus dem Schaeffler-Diagramm und dem WRC-1992-Diagramm abgeleitet. Diese verwenden Nickel- und Chrom-Äquivalentformeln zur Berechnung des Wertes, der, im Diagramm eingetragen, eine normierte Zahl ergibt. Die Ferritzahl zwischen 0 und 7 entspricht dem Volumenanteil der Ferritkristallstruktur im Schweißgut; bei höheren Anteilen steigt die Ferritzahl jedoch schneller an. Ferrit in Edelstahl ist nicht mit dem Ferrit in Kohlenstoffstahl identisch, sondern eine Phase namens Delta-Ferrit. Austenitischer Edelstahl zeigt keine Phasenumwandlungen, die mit Hochtemperaturprozessen wie der Wärmebehandlung einhergehen.
Die Ferritbildung ist erwünscht, da Ferrit duktiler als Austenit ist, muss aber kontrolliert werden. Geringe Ferritanteile können in manchen Anwendungen zu Schweißnähten mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit führen, erhöhen jedoch die Heißrissneigung beim Schweißen. Für allgemeine Anwendungsbedingungen sollte der Ferritanteil zwischen 5 und 10 liegen, für manche Anwendungen können jedoch niedrigere oder höhere Werte erforderlich sein. Der Ferritgehalt lässt sich einfach vor Ort mit einem Ferritindikator überprüfen.
Da Sie von Rissbildung und einem niedrigen Ferritgehalt berichteten, sollten Sie Ihr Schweißzusatzwerkstoff genauer untersuchen und sicherstellen, dass er ausreichend Ferrit enthält – etwa 8 sollte hilfreich sein. Wenn Sie Fülldrahtschweißen (FCAW) verwenden, wird üblicherweise ein Schutzgas aus 100 % Kohlendioxid oder einem Gemisch aus 75 % Argon und 25 % CO₂ verwendet, was zu Kohlenstoffaufnahme im Schweißgut führen kann. Um die Kohlenstoffaufnahme zu reduzieren, empfiehlt sich der Wechsel zum Metall-Schutzgasschweißen (MSG) mit einem Gemisch aus 98 % Argon und 2 % Sauerstoff.
Zum Schweißen von Edelstahl mit Kohlenstoffstahl muss das Schweißzusatzwerkstoff E309L verwendet werden. Dieser Zusatzwerkstoff ist speziell für das Schweißen ungleicher Metalle entwickelt und bildet nach dem Einbringen des Kohlenstoffstahls in die Schweißnaht eine gewisse Menge Ferrit. Da Kohlenstoffstahl Kohlenstoff aufnimmt, werden dem Zusatzwerkstoff Ferritstabilisatoren zugesetzt, um der Austenitbildung entgegenzuwirken. Dies trägt dazu bei, thermische Risse beim Schweißen zu vermeiden.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Um Heißrisse an Schweißverbindungen aus austenitischem Edelstahl zu vermeiden, ist auf ausreichend Ferrit-Zusatzwerkstoff zu achten und bewährte Schweißpraktiken anzuwenden. Die Wärmeeinbringung sollte unter 50 kJ/Zoll liegen, die Zwischenlagentemperaturen moderat bis niedrig sein und die Lötstellen vor dem Löten frei von Verunreinigungen sein. Mit einem geeigneten Messgerät lässt sich der Ferritanteil der Schweißverbindung überprüfen; ein Wert von 5 bis 10 ist anzustreben.
WELDER, ehemals Practical Welding Today, stellt die Menschen vor, die die Produkte herstellen, die wir täglich verwenden und mit denen wir arbeiten. Dieses Magazin dient der Schweißergemeinschaft in Nordamerika seit über 20 Jahren.
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