F: Wir haben kürzlich mit Arbeiten begonnen, bei denen einige Bauteile hauptsächlich aus Edelstahl 304 gefertigt werden. Dieser wird mit sich selbst und mit Baustahl verschweißt. Dabei traten Probleme mit Schweißnahtrissen zwischen Edelstahl-Edelstahl-Verbindungen bis zu einer Dicke von 1,25 Zoll auf. Es wurde erwähnt, dass der Ferritgehalt zu niedrig sei. Können Sie uns erklären, woran das liegt und wie wir das Problem beheben können?
A: Das ist eine gute Frage. Ja, wir können Ihnen helfen zu verstehen, was ein niedriger Ferritgehalt bedeutet und wie man ihn verhindern kann.
Betrachten wir zunächst die Definition von Edelstahl und den Zusammenhang zwischen Ferrit und Schweißverbindungen. Schwarzer Stahl und Legierungen enthalten über 50 % Eisen. Dazu gehören alle Kohlenstoff- und Edelstähle sowie einige weitere Stahlgruppen. Aluminium, Kupfer und Titan enthalten kein Eisen und sind daher hervorragende Beispiele für Nichteisenmetalle.
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 er mindestens 11,5 % Chrom enthalten. Chromgehalte oberhalb dieses Mindestwertes fördern die Bildung einer Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche und verhindern Oxidationsprozesse wie Rost (Eisenoxid) oder chemische Korrosion.
Edelstahl wird hauptsächlich in drei Gruppen unterteilt: austenitisch, ferritisch und martensitisch. 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 ein überwiegend austenitisches Kristallgefüge. Stabilisatoren wie Nickel, Kohlenstoff, Mangan und Stickstoff werden während der Stahlherstellung zugesetzt, um das Austenit-Ferrit-Verhältnis zu optimieren. 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 Steuerung der Ferritbildung sorgt für eine ausgezeichnete Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen.
Ferritischer Edelstahl der 400er-Serie ist vollständig magnetisch, enthält 11,5 % bis 30 % Chrom und weist eine überwiegend ferritische Kristallstruktur auf. Zur Förderung der Ferritbildung werden während der Stahlherstellung Stabilisatoren wie Chrom, Silizium, Molybdän und Niob zugesetzt. Diese Edelstahlsorten werden häufig in Abgasanlagen und Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen eingesetzt und eignen sich nur bedingt für Hochtemperaturanwendungen. Gängige Sorten sind beispielsweise 405, 409, 430 und 446.
Martensitische Stähle, auch als 400er-Serie bezeichnet (z. B. 403, 410 und 440), sind magnetisch, enthalten 11,5 % bis 18 % Chrom und weisen eine martensitische Kristallstruktur auf. Diese Legierung hat den geringsten Goldgehalt und ist daher am kostengünstigsten herzustellen. Sie bietet eine gewisse Korrosionsbeständigkeit, hohe 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 Einsatzzweck die Wahl des geeigneten Schweißzusatzwerkstoffs. Bei Verwendung eines Schutzgasverfahrens ist besondere Sorgfalt bei der Auswahl des Schutzgasgemisches geboten, um bestimmte Schweißprobleme zu vermeiden.
Zum Verlöten von Edelstahl 304 mit sich selbst benötigen Sie eine Elektrode E308/308L. Das „L“ steht für kohlenstoffarm, was interkristalline Korrosion verhindert. Der Kohlenstoffgehalt dieser Elektroden liegt unter 0,03 %. Wird dieser Wert überschritten, steigt das Risiko von Kohlenstoffablagerungen an den Korngrenzen und der Bildung von Chromcarbiden durch Chrombindung, wodurch die Korrosionsbeständigkeit des Stahls deutlich reduziert wird. Dies zeigt sich insbesondere bei Korrosion in der Wärmeeinflusszone (WEZ) von Edelstahlschweißnähten. Ein weiterer Aspekt bei Edelstahl der Güteklasse L ist seine geringere Zugfestigkeit bei höheren Betriebstemperaturen im Vergleich zu anderen Edelstahlsorten.
Da es sich bei 304 um einen austenitischen Edelstahl handelt, enthält das Schweißgut überwiegend Austenit. Die Elektrode selbst enthält jedoch einen Ferritstabilisator, beispielsweise Molybdän, um die Ferritbildung im Schweißgut zu fördern. Hersteller geben üblicherweise einen typischen Bereich für den Ferritgehalt im Schweißgut an. Wie bereits erwähnt, ist Kohlenstoff ein starker Austenitstabilisator, weshalb dessen Zugabe zum Schweißgut unbedingt vermieden werden muss.
Ferritzahlen werden aus dem Scheffler-Diagramm und dem WRC-1992-Diagramm abgeleitet. Diese Diagramme verwenden Nickel- und Chromäquivalentformeln zur Berechnung des Wertes, der, in das Diagramm eingetragen, eine normierte Zahl ergibt. Eine Ferritzahl zwischen 0 und 7 entspricht dem Volumenanteil der ferritischen Kristallstruktur im Schweißgut. Bei höheren Anteilen steigt die Ferritzahl jedoch deutlich schneller an. Ferrit in Edelstahl ist nicht mit dem Ferrit in Kohlenstoffstahl identisch, sondern eine Phase namens Delta-Ferrit. Austenitischer Edelstahl unterliegt keinen Phasenumwandlungen, die mit Hochtemperaturprozessen wie der Wärmebehandlung einhergehen.
Die Ferritbildung ist erwünscht, da Ferrit duktiler als Austenit ist, muss aber kontrolliert werden. Ein geringer Ferritgehalt kann in manchen Anwendungen Schweißnähten eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit verleihen, führt aber zu einer extremen Neigung zu Heißrissen beim Schweißen. Im Allgemeinen sollte die Ferritanzahl zwischen 5 und 10 liegen, in manchen Fällen können jedoch niedrigere oder höhere Werte erforderlich sein. Der Ferritgehalt lässt sich einfach vor Ort mit einem Ferritindikator überprüfen.
Da Sie von Problemen mit Rissbildung und niedrigem Ferritgehalt berichteten, sollten Sie Ihr Schweißzusatzwerkstoff genauer untersuchen und sicherstellen, dass er ausreichend Ferrit bildet – etwa 8 Ferrit sollte ausreichen. Wenn Sie Fülldrahtschweißen (FCAW) verwenden, wird üblicherweise ein Schutzgas aus 100 % Kohlendioxid oder einem Gemisch aus 75 % Argon und 25 % CO₂ verwendet, was zu Kohlenstoffablagerungen im Schweißgut führen kann. Sie können auf Metall-Schutzgasschweißen (MSG) umsteigen und ein Gemisch aus 98 % Argon und 2 % Sauerstoff verwenden, um die Gefahr von Kohlenstoffablagerungen zu verringern.
Beim Schweißen von Edelstahl an Kohlenstoffstahl muss der Schweißzusatzwerkstoff E309L verwendet werden. Dieser Zusatzwerkstoff ist speziell für das Schweißen ungleicher Metalle entwickelt worden und bildet nach dem Auflösen des Kohlenstoffstahls im Schweißgut eine bestimmte Menge Ferrit. Da Kohlenstoffstahl Kohlenstoff aufnimmt, werden dem Zusatzwerkstoff Ferritstabilisatoren zugesetzt, um der Tendenz des Kohlenstoffs zur Austenitbildung entgegenzuwirken. Dies trägt dazu bei, thermische Risse während des Schweißvorgangs zu vermeiden.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn Sie Heißrisse in Schweißnähten aus austenitischem Edelstahl reparieren möchten, achten Sie auf ausreichend Ferrit-Zusatzwerkstoff und befolgen Sie bewährte Schweißpraktiken. Halten Sie die Wärmeeinbringung unter 50 kJ/in, achten Sie auf moderate bis niedrige Zwischenlagentemperaturen und stellen Sie sicher, dass die Lötstellen vor dem Löten sauber sind. Überprüfen Sie den Ferritanteil in der Schweißnaht mit einem geeigneten Messgerät; ein Wert von 5–10 ist anzustreben.
WELDER, ehemals Practical Welding Today, repräsentiert die Menschen, die die Produkte herstellen, mit denen wir täglich arbeiten. Das Magazin dient der Schweißergemeinschaft in Nordamerika seit über 20 Jahren.
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