DE60015480T2

DE60015480T2 - Nickel-chrom-eisen-schweisslegierung

Info

Publication number: DE60015480T2
Application number: DE60015480T
Authority: DE
Inventors: D. Samuel KISER
Original assignee: Inco Alloys International Inc
Current assignee: Huntington Alloys Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2020-05-04
Also published as: CA2335894A1; ATE281269T1; EP1107846B1; US6242113B1; ES2233370T3; WO2000076718A1; DE60015480D1; EP1107846A1; CA2335894C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Nickel-Chrom-Eisen-Schweißlegierung, Erzeugnisse, welche aus dieser hergestellt werden, zur Verwendung bei der Herstellung von geschweißten Teilen, und geschweißte Teile und Verfahren zur Herstellung dieser geschweißten Teile.
KURZE BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Für verschiedene Schweißanwendungen, umfassend Geräte welche bei der Kernkrafterzeugung Nuklearkraftwerden verwendet werden, sind geschweißte Teile notwendig, die Beständigkeit gegen verschiedene Risserscheinungen bereitstellen. Dies umfasst nicht nur Spannungskorrosionsrisse, sondern auch Hitzerisse, Kälterisse und Wurzelrisse (root craqcking).
Kommerzielle und militärische Kernkrafterzeugung existiert erst seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Während dieser Zeit hat die Industrie die erste Generation der NiCrFe-Legierungen mit 14 bis 15 % Chrom durch Legierungen ersetzt, die höhere Chromgehalte in der Größenordnung von 30 % aufweisen. Diese Änderung begründet sich auf die Entdeckung, dass Korrosionsrisse in nuklearem reinen Wasser mit Legierungen dieser Art vermieden werden konnten, die Chrom in dieser Menge enthalten. Diese Legierungen sind seit ungefähr 20 bis 25 Jahren in Verwendung. US-A-4 010 309 offenbart eine Schweißelektrode mit einem Kern umfassend eine Legierung aus, in Gew-%, 29 Cr, 10,3 Fe, 0,019 C, 0,29 Mn, 0,29 Si, 0,11 Ti, 0,036 AI, Rest Eisen und Verunreinigungen.
Die spezifische Anwendung von Kernkraft erzeugenden Einrichtungen, die den Großteil der zu schweißenden und geschweißten Erzeugnissen innerhalb der Kernkraftanlage erfordern, ist die Herstellung eines nuclearen Dampferzeugers. Die Vorrichtung ist im wesentlichen ein Wärmeaustauscher mit großem Rohr und Hülse, der Dampf aus sekundärem Wasser aus dem primären Krenkraft-Kühlmittel erzeugt. Der Schlüsselbestandteil dieses Dampferzeugers ist das Rohrblech. Es ist manchmal 4,5 bis 6 m (15 bis 20 Fuß) im Durchmesser und über 30 cm (1 Fuß) dick und wird normalerweise aus einem hochfesten, niedri legiertem Stahl geschmiedet, welcher mit einer NiCrFe-Legierung schweißüberlagert werden muss, die eine gute Herstellbarkeit aufweist und gegenüber Spannungskorrosionsrisse in nuklearem reinen Wasser beständig ist. Aufgrund der Größe des Rohrbleches wird die Schweißablagerung während der Überlagerung im wesentlichen Restspannungen unterworfen. Des weiteren muss die Schweißmetallüberlagerung geeignet sein, erneut geschweißt zu werden, nachdem sie gebohrt wurde, um Öffnungen in dieser bereitzustellen, um Tausende von kleinen Dampfgeneratorrohren aufzunehmen. Diese Rohre müssen an der überlagerten Schweißablagerung dicht angeschweißt sein, um Helium-leckdichte Schweißnähte bereitzustellen. Diese Schweißnähte müssen von ausgesprochen hoher Qualität sein und müssen eine 30 bis 50 Jahre Lebensdauer mit hoher Vorhersagbarkeit bereitstellen. Zusätzlich muss in beiden, der überlagerten Schweißablagerung und dem geschweißten Dampferzeugerrohren eine ausgezeichnete Rissbeständigkeit bereitgestellt sein. Diese Anforderung, in Bezug auf die Beständigkeit gegen Heißrisse, die auch als „Verfestigungsrisse" bezeichnet werden, und Spannungskorrosionsrisse wurde von den meisten der existierenden 30 % Chrom-Schweißnähten erfüllt.
Zusätzlich zu der Heißrissbeständigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit erfordern die Rohr-an-Rohrblech-Schweißnähte eine Wurzelrissbeständigkeit. Die Rohr-an-Rohrblech-Schweißnähte werden durchgeführt, indem das Rohrende zusammen mit einem Ring des überliegenden Schweißmaterials, welches das Rohr umgibt (ohne oder unter Verwendung von zusätzlichem Füllmetall) umschmolzen wird, um so den Raum zwischen der Rohrwand und der Öffnung in dem Rohrblech abzudichten. Es gibt eine Tendenz bei diesen Schweißnähten, an dem Zwischenbereich der Schweißnaht an der Verbindung des Rohrs mit dem Rohrblech zu reißen. Diese Art von Rissen werden als „Wurzelrisse" bezeichnet, da sie an der Wurzel der Schweißnaht auftritt. Die existierenden 30 % Chromschweißlegierungen sind gegenüber den Wurzelrissen nicht beständig.
Eine dritte Art von Rissen, die genannt werden können, sind die Kaltrisse, auch als „Sprödrisse" bekannt. Diese Risse treten nur in dem verfestigten Zustand auf, nachdem die Schweißverfestigung vervollständigt wurde. Nachdem die Verfestigung auftritt, beginnen sich Schrumpfspannungen als ein Resultat der Verringerung des Volumens der Schweißlegierung bei niedriger Temperatur zu entwickeln. Gleichzeitig tritt, wenn die Verfestigung vervollständigt ist, die Wiederherstellung der Duktilität schnell über ein paar 100 Grad auf, gefolgt von einem scharten temporären Verlust der Duktilität und er neut gefolgt von einer stufenweise kontinuierlichen Gewinnung der Duktilität bis die Umgebungstemperatur erreicht wird. Wenn die Restspannungen beim Abkühlen ausreichend groß sind, wenn die Legierung diesen scharten Duktilitätsverlust zeigt, können Festkörperrisse auftreten. Dies resultiert aus Bereichen der Mikrostruktur, die keine ausreichende Festigkeit oder Duktilität aufweist, um den Spannungen bei den herrschenden Temperaturen zu widerstehen. Die herkömmlich erhältlichen 30%igen Chromschweißlegierungen, die zur Zeit erhältlich sind, sind nicht ausreichend beständig gegenüber Kaltrissen.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, eine Nickel-Chrom Eisen-Schweißlegierung bereitzustellen und geschweißte Teile, welche aus dieser hergestellt sind, die die gewünschte Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu der Beständigkeit gegenüber Heißrissen, Kaltrissen und Wurzelrissen wie auch Spannungskorrosionsrissen aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Schweißlegierung des Nickel-Chrom-Eisentyps bereitzustellen, die besonders für Verwendungen in den Herstellungsanlagen geeignet ist, die bei der Kernkrafterzeugung verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird eine Nickel-, Chrom-, Eisenlegierung bereitgestellt, welche bei der Herstellung von Schweißgut verwendet werden kann. Die Legierung umfasst in Gew-% 27 bis 31,5 Chrom; 7 bis 11 Eisen; 0,005 bis 0,05 Kohlenstoff; weniger als 1,0 Mangan, vorzugsweise 0,30 bis 0,95 Mangan, 0,60 bis 0,95 Niob; weniger als 0,50 Silizium, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 Silizium; 0,01 bis 0,35 Titan, 0,01 bis 0,25 Aluminium; weniger als 0,20 Kupfer; weniger als 1,0 Wolfram; weniger als 1,0 Molybdän; weniger als 0,10 Kobalt; weniger als 0,1 Tantal; 0,002 bis 0,10 Zirkon; weniger als 0,01 Schwefel, 0,001 bis 0,01 Bor; weniger als 0,02 Phosphor; und Rest Nickel und unvermeidliche Verunreinigungen.
Die Legierung zeigt eine geeignete Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse im Hinblick auf den Chromgehalt. Die Legierung kann in der Form eines Schweißgutes, einer Schweißelektrode, einer Schweißgutablagerung oder einem geschweißten Teil vor liegen, umfassend ein Legierungssubstrat, wie Stahl mit einer Auflage der erfindungsgemäßen Legierung. Sie kann bei einem Verfahren zur Herstellung eines Schweißgutes oder geschweißter Teile in der Form einer flussbedeckten Elektrode verwendet werden, die zur Herstellung eines Schweißgutes verwendet wird, die das Schweißen durch Pulverschweißung oder Elektroschlacke-Schweißen umfasst. Sie kann weiter als ein Erzeugnis zur Herstellung eines geschweißten Teils verwendet werden, wobei das Erzeugnis in der Form eines Drahtes, Streifens, Bogens, Stabes, Elektrode, vorlegierten Pulvers oder elementaren Pulvers vorliegt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die NiCrFe-Schweißlegierung gemäß der Erfindung weist ausreichend Chrom auf, zusammen mit einer besonders engen Steuerung der sekundären chemischen Bestandteile, wie auch Spurenelemente, um eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu einer ausgezeichneten Spannungskorrosionsrissbeständigkeit bereitzustellen. Zusätzlich muss die Legierung gegenüber Verfestigungsrissen, Wurzelrissen und Kälterissen unter den Wiedererwärmungsbedingungen beständig sein.
Um die Beständigkeit gegenüber Verfestigungsrissen zu verleihen, sollte die Legierung adäquate Löslichkeit für die Legierungselemente aufweisen und einen engen Liquidus zu Solidus Temperaturbereich. Des weiteren sollte sie geringe Anteile an Schwefel, Phosphor und anderen niedrig-schmelzenden Elemente aufweisen und sollte minimale Anteile der Elemente aufweisen, die Phasen mit niedrigem Schmelzpunkt in der Legierung bilden.
Die Beständigkeit gegenüber Kälterissen wird gesteuert indem die Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität an den Korngrenzen gesteuert wird. Dies wird durch eine sorgfältige Kombination von Niob, Zirkon und Bor gemäß der Grenzen dieser Erfindung erzielt. Niob muss beschränkt werden, um die Bildung von sekundären Phasen zu vermeiden, während es zu der Korngrenzenfestigkeit in dem festen Zustand beiträgt. Niob ist auch für die Beständigkeit gegenüber Spannungskorrosionsrissen notwendig. Bor trägt zu der Korngrenzenfestigkeit bei und verbessert die Duktilität bei Wärme, ist jedoch in einem größeren Anteil als gemäß der vorliegenden Erfindung gefordert enthalten, ist dies für die Heißrissbeständigkeit schädlich. Zirkon verbessert die Festkörperfestigkeit und Duktilität an den Korngrenzen und verbessert die Oxidationsbeständigkeit an den Korngrenzen. Ist mehr als gemäß der vorliegenden Erfindung gefordert vorhanden, trägt Zirkon zu den Heißrissen bei. Bei Anteilen an Bor und Zirkon von weniger als gemäß der vorliegenden Erfindung wird relativ wenig Beständigkeit gegenüber Kaltrissen erzielt. Wird Bor allein zugegeben, tritt eine sehr leichte Verbesserung der Kaltrissbeständigkeit auf, durch Bor zusammen mit Zirkon in den Anteilen gemäß der Erfindung werden Kaltrisse jedoch im wesentlichen ausgeschlossen.
Die Beständigkeit gegenüber Wurzelrissen kann gemäß der Erfindung erzielt werden, dies kann jedoch nicht garantiert werden aufgrund der Variationen der Verbindungsbedingungen, wie dem Spalt zwischen den zu schweißenden Gegenständen, der Reinheit und der relativen Bewegung während des Schweißens, die außer Kontrolle des Designers des geschweißten Produktes sind. Die Legierung der Erfindung erfordert, dass wenig Aluminium und Titan mit gesteuerten Mengen an Niob, Silizium, Bor, Zirkon und Mangan verbunden werden, um die gewünschten metallurgischen Eigenschaften zu erzielen. Diese Anforderungen können erfüllt werden, während die optimale Heißriss-, Kaltriss- und Spannungskorrosionsrissbeständigkeit beibehalten wird. Aluminium und Titan sollten so gering wie möglich gehalten werden im Hinblick auf die Wurzelrissbeständigkeit, jedoch schon geringe Mengen an Titan sind für die Spannungskorrosionsrissbeständigkeit von Vorteil. Silizium ist nicht besonders schädlich für die Wurzelrissbeständigkeit, wenn es unter 0,50 % liegt, Silizium vorzugsweise weniger als 0,30 % aus anderen Gründen betragen sollte, ist dies ein geeignetes Maß. Mit Beginn der AOD Schmelzpraktiken, die die Eignung haben, sehr geringe Schmelzanteile zu erzeugen, ist eine beträchtliche Zugabe von Mangan nicht notwendig. Tatsächlich führt ein Mangananteil von mehr als 7 % zu metallurgischen Instabilitäten, wenn Temperaturen oberhalb von 1.000°F ausgesetzt. Manganzugaben zwischen 1 % und 5 % wurden ursprünglich für notwendig gehalten, um sowohl Heißrisse als auch Wurzelrisse zu bekämpfen. Die vorliegende Erfindung erfordert, dass Mangan auf weniger als 1,0 % gehalten werden soll und vorzugsweise ungefähr 0,80 % aufgrund der Beständigkeit gegenüber Heißrissen, gleichzeitig ist jedoch, aufgrund der Balance der anderen Bestandteile, weniger als 1,0 % Mangan ausreichen um Wurzelrisse abzuwehren.
Alle die Legierungen der Tabelle 1 zeigen die gewünschte Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit für Schweißanwendungen, umfassend die Herstellung von Anlagen, die bei der Atomkrafterzeugung verwendet werden. Die Riss-Testergebnisse, die in Tabelle 1 dargestellt sind, zeigen dass NiCrFe Schweißlegierungszusammensetzungen gemäß der Erfindung zusätzlich eine verbesserte Rissbeständigkeit gegenüber herkömmlichen Legierungen dieser Art bereitstellen. Dies umfasst in Kombination die Beständigkeit ge genüber Heißrissen, Kälterissen und Wurzelrissen, wie auch gegen Spannungskorrosionsrissen.
Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, zeigen die Schmelzproben Nr. 1124, 1125 und 1127 keine Risse irgendeiner Art und bilden daher Legierungen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Jede dieser Proben weisen niedrige Mengen an Silizium und die erforderten Mengen an Bor und Zirkon auf. Probe 1128 zeigt sowohl Kaltrisse und Wurzelrisse aufgrund des nicht akzeptierbaren hohen Anteils an Silizium auf, auch wenn Bor und Zirkon innerhalb der Grenzen der Erfindung liegen.

Claims

Eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung zur Verwendung bei der Herstellung von Schweißgut, wobei die Legierung in Gewichtsprozent umfasst: 27 bis 31,5 Chrom; 7 bis 11 Eisen; 0,005 bis 0,05 Kohlenstoff; weniger als 1,0 Mangan; 0,60 bis 0,95 Niob; weniger als 0,50 Silizium; 0,01 bis 0,35 Titan; 0,01 bis 0,25 Aluminium; weniger als 0,20 Kupfer; weniger als 1,0 Wolfram; weniger als 1,0 Molybdän; weniger als 0,12 Kobalt; weniger als 0,10 Tantal; 0,002 bis 0,10 Zirkon; weniger als 0,01 Schwefel; 0,001 bis 0,01 Bor; weniger als 0,02 Phosphor; und Rest Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 0,30 bis 0,95 Mangan und 0,10 bis 0,30 Silizium.
Schweißgut umfassend die Legierung nach Anspruch 1 oder 2.
Geschweißtes Teil umfassend ein Legierungssubstrat und ein Schweißgut gemäß Anspruch 3.
Geschweißtes Teil nach Anspruch 4, in der Form eines Rohrbleches eines nuklearen Dampferzeugers.
Erzeugnis zur Verwendung bei der Herstellung eines geschweißten Teils, wobei das Erzeugnis in der Form eines Drahts, Streifens, Ummantelung, Stabes, Elektrode, vorlegiertem Pulvers oder elementarem Pulver vorliegt, wobei das Erzeugnis eine Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2 umfasst.