F: Wir haben vor Kurzem mit Arbeiten begonnen, bei denen einige Komponenten hauptsächlich aus Edelstahl der Güteklasse 304 bestehen müssen, der untereinander und mit Weichstahl verschweißt wird. Wir haben festgestellt, dass es bei Schweißnähten zwischen Edelstahl und Edelstahl mit einer Dicke von bis zu 1,25 Zoll zu Rissbildungen kommt. Es wurde erwähnt, dass wir einen niedrigen Ferritgehalt aufweisen. 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 eine niedrige Ferritzahl bedeutet und wie Sie dies verhindern können.
Sehen wir uns zunächst die Definition von Edelstahl (SS) und den Zusammenhang zwischen Ferrit und Schweißverbindungen an. Schwarzstahl und Legierungen enthalten mehr als 50 % Eisen. Dazu gehören alle Kohlenstoff- und Edelstahlsorten sowie andere definierte Gruppen. Aluminium, Kupfer und Titan enthalten kein Eisen und sind daher hervorragende Beispiele für Nichteisenlegierungen.
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. Chromwerte über diesem Mindestwert fördern die Bildung von Chromoxidfilmen auf Stahloberflächen und verhindern die Bildung von Oxidation wie Rost (Eisenoxid) oder Korrosion durch chemische Angriffe.
Edelstahl wird hauptsächlich in drei Gruppen unterteilt: Austenit, Ferrit und Martensit. Ihr Name leitet sich von der Kristallstruktur ab, aus der sie bei Raumtemperatur bestehen. Eine weitere häufige Gruppe ist Duplex-Edelstahl, bei dem es sich um ein Gleichgewicht zwischen Ferrit und Austenit in der Kristallstruktur handelt.
Austenitische Güten der 300er-Serie enthalten 16 % bis 30 % Chrom und 8 % bis 40 % Nickel und bilden eine überwiegend austenitische Kristallstruktur. Um die Bildung des Austenit-Ferrit-Verhältnisses zu fördern, werden während des Stahlherstellungsprozesses Stabilisatoren wie Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff hinzugefügt. Einige gängige Güten sind 304, 316 und 347. Bietet gute Korrosionsbeständigkeit; wird hauptsächlich in der Lebensmittel-, Chemie-, Pharma- und Kryotechnik verwendet. Die Kontrolle der Ferritbildung bietet eine ausgezeichnete Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen.
Ferritischer Edelstahl ist eine Güte der 400er-Serie, die vollständig magnetisch ist, 11,5 bis 30 % Chrom enthält und eine überwiegend ferritische Kristallstruktur aufweist. Um die Ferritbildung zu fördern, werden bei der Stahlherstellung Stabilisatoren wie Chrom, Silizium, Molybdän und Niob verwendet. Diese Edelstahltypen werden häufig in Autoabgassystemen und Kraftwerken verwendet und sind nur begrenzt für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Einige häufig verwendete Typen sind 405, 409, 430 und 446.
Martensitische Güten, auch durch die 400er-Serie gekennzeichnet, wie etwa 403, 410 und 440, sind magnetisch, enthalten 11,5 bis 18 % Chrom und haben Martensit als Kristallstruktur. Diese Kombination hat den niedrigsten Goldgehalt, was ihre Herstellung am kostengünstigsten macht. Sie bieten eine gewisse Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichnete Festigkeit und werden häufig in Geschirr, zahnärztlichen und chirurgischen Geräten, Kochgeschirr und bestimmten Arten von Werkzeugen verwendet.
Beim Schweißen von Edelstahl wird durch die Art des Substrats und seine Anwendung im Betrieb bestimmt, welches Füllmetall geeignet ist. Wenn Sie ein Gasschutzverfahren verwenden, müssen Sie möglicherweise besonders auf die Schutzgasmischungen achten, um bestimmte schweißbedingte Probleme zu vermeiden.
Um 304 mit sich selbst zu verlöten, benötigen Sie eine Elektrode vom Typ E308/308L. Das „L“ steht für niedrigen Kohlenstoffgehalt, wodurch interkristalline Korrosion verhindert wird. Diese Elektroden haben einen Kohlenstoffgehalt von unter 0,03 %. Alles darüber erhöht das Risiko, dass sich Kohlenstoff an den Korngrenzen absetzt und sich mit Chrom zu Chromkarbiden verbindet, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Stahls effektiv verringert wird. Dies wird deutlich, wenn Korrosion in der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Edelstahlschweißverbindungen auftritt. Ein weiterer Aspekt bei Edelstahl der Güteklasse L ist, dass er bei erhöhten Betriebstemperaturen eine geringere Zugfestigkeit aufweist als Edelstahl der Güteklasse direkt.
Da 304 ein austenitischer Edelstahltyp ist, enthält das entsprechende Schweißmetall den größten Teil des Austenits. Die Elektrode selbst enthält jedoch einen Ferritstabilisator, beispielsweise Molybdän, um die Ferritbildung im Schweißmetall zu fördern. Die Hersteller geben normalerweise einen typischen Bereich der Ferritmengen für das Schweißmetall an. Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff ein starker austenitischer Stabilisator und aus diesen Gründen muss unbedingt verhindert werden, dass er dem Schweißmetall hinzugefügt wird.
Ferritzahlen werden aus dem Schaeffler-Diagramm und dem WRC-1992-Diagramm abgeleitet, die zur Berechnung des Werts Formeln für Nickel- und Chromäquivalente verwenden, die beim Auftragen in das Diagramm eine normalisierte Zahl ergeben. Die Ferritzahl zwischen 0 und 7 entspricht dem Volumenanteil der im Schweißgut vorhandenen Ferritkristallstruktur in Prozent. Bei höheren Prozentsätzen steigt die Ferritzahl jedoch schneller an. Bedenken Sie, dass Ferrit in Edelstahl nicht dasselbe ist wie Ferrit in Kohlenstoffstahl, sondern eine Phase namens Delta-Ferrit. Bei austenitischem Edelstahl treten keine Phasenumwandlungen im Zusammenhang mit Hochtemperaturprozessen wie Wärmebehandlung auf.
Die Bildung von Ferrit ist erwünscht, da es duktiler als Austenit ist, muss aber kontrolliert werden. Niedrige Ferritwerte können in einigen Anwendungen Schweißnähte mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit erzeugen, neigen aber extrem zur Heißrissbildung beim Schweißen. Unter allgemeinen Einsatzbedingungen sollte der Ferritwert zwischen 5 und 10 liegen, für einige Anwendungen können jedoch niedrigere oder höhere Werte erforderlich sein. Ferrite lassen sich bei der Arbeit leicht mit einem Ferritindikator überprüfen.
Da Sie erwähnt haben, dass Sie Probleme mit Rissen und einen niedrigen Ferritgehalt haben, müssen Sie sich Ihr Füllmetall genau ansehen und sicherstellen, dass es genügend Ferritgehalt aufweist – etwa 8 sollte ausreichen. Wenn Sie Fülldrahtschweißen (FCAW) verwenden, wird bei diesen Füllmetallen normalerweise ein Schutzgas aus 100 % Kohlendioxid oder eine Mischung aus 75 % Argon und 25 % CO2 verwendet, was zur Kohlenstoffaufnahme im Schweißmetall führen kann. Möglicherweise möchten Sie auf ein Metall-Schutzgasschweißverfahren (GMAW) umsteigen und eine Mischung aus 98 % Argon und 2 % Sauerstoff verwenden, um die Möglichkeit einer Kohlenstoffaufnahme zu verringern.
Zum Schweißen von Edelstahl mit Kohlenstoffstahl müssen Sie das Füllmaterial E309L verwenden. Dieses Füllmetall wird speziell zum Schweißen ungleicher Metalle verwendet und bildet eine bestimmte Menge Ferrit, nachdem der Kohlenstoffstahl in die Schweißnaht eingearbeitet wurde. Da Kohlenstoffstahl etwas Kohlenstoff absorbiert, werden dem Füllmetall Ferritstabilisatoren hinzugefügt, um der Tendenz des Kohlenstoffs zur Austenitbildung entgegenzuwirken. Dies trägt dazu bei, thermische Risse bei Schweißanwendungen zu verhindern.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn Sie Heißrisse an Schweißverbindungen aus austenitischem Edelstahl vermeiden möchten, achten Sie auf ausreichend Ferritfüllmaterial und befolgen Sie bewährte Schweißpraktiken. Halten Sie die Wärmezufuhr unter 50 kJ/Zoll, halten Sie mittlere bis niedrige Zwischenlagentemperaturen ein und stellen Sie sicher, dass die Lötverbindungen vor dem Löten frei von jeglichen Verunreinigungen sind. Verwenden Sie ein geeignetes Messgerät, um die Ferritmenge an der Schweißverbindung zu überprüfen. Streben Sie einen Wert von 5 bis 10 an.
WELDER, ehemals Practical Welding Today, stellt die echten 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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