DE69905333T2

DE69905333T2 - Schweisselektrode aus einer Nickelbasislegierung und diese Legierung

Info

Publication number: DE69905333T2
Application number: DE69905333T
Authority: DE
Inventors: Bernard Bonnefois; Albert Bruyere; Ricardo Cozar
Original assignee: Sprint Metal Societe de Production Internationale de Trefiles; Ugine Savoie Imphy SA
Current assignee: Ugitech SA; Aperam Alloys Imphy SAS
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: DE69905333D1; ATE232432T1; KR20000047839A; NO995859L; ES2192369T3; FR2786419B1; CA2290853A1; JP2000158184A; EP1005946B1; US6447716B1; NO995859D0; HK1031203A1; EP1005946A1; NO330699B1; JP4521739B2; FR2786419A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung, die zur Herstellung einer Schweißelektrode, welche aus einem Draht aus einer Nickelbasislegierung besteht, zum Schweißen von Produkten und insbesondere Blechen aus superaustenitischem nichtrostenden Stahl oder aus nichtrostendem Superduplex-Stahl besonders gut geeignet ist. Diese Legierung kann auch dazu verwendet werden, durch Schweißen korrosionsbeständige Überzüge auf Produkten aus schwach legiertem Stahl herzustellen.
Zahlreiche Anlagen, die korrosionsbeständig sein müssen, werden hergestellt, indem Produkte, wie Bleche oder Rohre aus nichtrostendem superaustenitischen Stahl oder nichtrostendem Superduplex- Stahl durch Schweißen zusammengefügt werden. Bei nichtrostendem superaustenitischen Stahl und Superduplex-Stahl handelt es sich um nichtrostende Stahlsorten, die (in Gew.-%) insbesondere 18 bis 30% Chrom, bis zu 7% Molybdän, bis zu 0,5% Stickstoff sowie Nickel enthalten, dessen Gehalt so eingestellt wird, dass entweder eine vollkommen austenitische Struktur oder eine gemischte, teilweise austenitische und teilweise ferritische Struktur erhalten wird. Diese Stahlsorten sind durch einen Koeffizienten PREN = Cr + 3,3 · Mo + 16 · N über 35 gekennzeichnet. Dieser Koeffizient dient als Indikator für die Beständigkeit gegenüber örtlicher Korrosion, wobei diese Beständigkeit um so besser ist, je höher der Koeffizient ist.
Damit die auf diese Weise hergestellten Anlagen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen, müssen die Schweißnähte korrosionsbeständig sein und gleichzeitig zufriedenstellende, mit den Eigenschaften der geschweißten Bleche kompatible mechanische Eigenschaften aufweisen, wie Härte und Schlagzähigkeit. Außerdem müssen die Schweißnähte so gebildet werden können, dass sie keine Mängel aufweisen.
Wenn die Anwendungsbedingungen es erfordern, dass die Schweißnähte genauso korrosionsbeständig sind wie der metallische Grundwerkstoff (Grundmetall), werden die Produkte mit einem Schweißzusatzwerkstoff aus einer Nickelbasislegierung vom Typ 625 geschweißt, der etwa 22% Chrom, 9% Molybdän und 3,5% Niob enthält, wobei der Rest aus Verunreinigungen besteht, die aus der Verarbeitung stammen. Diese Legierung enthält insbesondere keinen Stickstoff. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass Probleme hinsichtlich der Heißrissbildung und der Heterogenität der Schweißnähte in der Zusammensetzung auftreten.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen, wurde vorgeschlagen, eine Nickelbasislegierung ohne Niob einzusetzen, die 18 bis 25% Chrom, 6 bis 12% Molybdän, das ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt wird (6% ≤ Mo + W ≤ 12), 0,1 bis 3% Kupfer und 0,1 bis 0,3% Stickstoff enthält. Diese Legierung hat den Vorteil, dass Schweißnähte ge bildet werden, die eine gute Heißrissfestigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Festigkeit aufweisen. Aufgrund der Gegenwart von Kupfer kann diese Legierung jedoch nur schwierig warmgewalzt werden und aufgrund des hohen Stickstoffgehalts, der zur Bildung von Nitriden vom Typ (0,5 Cr, 0,32 Ni, 0,18 Mo)&sub5;N führt, ist es schwierig, daraus Drähte zu ziehen. Im Übrigen ist zumindest für superaustenitische Stähle die Korrosionsbeständigkeit der Schweißnähte etwas schlechter als mit der Legierung 625 mit Niob.
Um die Nachteile zu beseitigen, die durch die Gegenwart von Kupfer und einen hohen Stickstoffgehalt auftreten, wurde vorgeschlagen, eine Nickelbasislegierung mit 22% Chrom, 9% Molybdän ohne Niob und ohne Kupfer und mit einem Stickstoffgehalt unter 0,1% zu verwenden. Diese Legierung lässt sich warmwalzen und ist gut zu ziehen; sie führt zu Schweißnähten, die eine gute Heißrissfestigkeit aufweisen. Wenn Superduplex-Legierungen geschweißt werden, verbessert diese Legierung die Festigkeit der Schweißnähte, indem die Segregationen und die Bildung von intermetallischen Phasen eingeschränkt werden. Bei superaustenitischen nichtrostenden Stählen sind die Schweißnähte gegenüber Lokalkorrosionen jedoch nicht so beständig, wie sie sein sollten. Außerdem weisen die Schweißnähte bei Superduplex-Stählen eine etwas unzureichende Härte auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem eine Nickelbasislegierung angegeben wird, die zur Herstellung von Drähten zum Schweißen von Produkten aus nichtrostendem Superduplex-Stahl oder nichtrostendem superaustenitischen Stahl verwendbar sind, die einfach warmzuwalzen und zu ziehen sind und die zu Schweißnähten führen, die eine gute Heißrissfestigkeit, eine gute Festigkeit, eine zufriedenstellende Härte und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Der Gegenstand der Erfindung ist daher eine Schweißelektrode, die aus einem Draht oder einem Band aus einer Nickelbasislegierung besteht, deren chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfasst:
20% ≤ Cr ≤ 24%
8% ≤ Mo ≤ 12%
0,1% ≤ W ≤ 5%
Mo + W > 12
Fe < 5
Cu < 0,1
N < 0,1
C < 0,02
Si < 0,1
Mn < 0,4
0,03% ≤ Al ≤ 0,4%
0,004% ≤ Mg ≤ 0,02%
P < 0,02%
S < 0,02%,
wobei der Rest aus Nickel und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht.
Die chemische Zusammensetzung ist vorzugsweise so gewählt, dass die folgenden Beziehungen erfüllt sind:
21% ≤ Cr ≤ 23%
9% ≤ Mo ≤ 11%
2% ≤ W ≤ 4%
Fe < 2%.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schweißen von Blechen aus nichtrostendem superaustenitischen Stahl oder nichtrostendem Superduplex-Stahl und ein Verfahren zur Beschichtung von Produkten aus schwach legiertem Stahl durch Schweißen, indem Metall durch Schmelzen einer oben definierten Schweißelektrode zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft schließlich die Nickelbasislegierung, aus der die Schweißelektrode besteht und deren Zusammensetzung oben definiert wurde.
Es wird darauf hingewiesen, dass diese Legierung auch zum Schweißen von Produkten aus Stahl mit 9% Nickel (die hauptsächlich Eisen und 9% Nickel enthalten) für Tieftemperaturanwendungen verwendet werden kann. Die Legierung kann auch insbesondere in Form von Blechen, Stäben, Rohren oder geschmiedeten Teilen verwendet werden oder die nichtrostende Schicht eines Zweilagenblechs darstellen.
Wenn die Schweißelektrode aus einem Draht besteht, kann dieser blank sein und die Elektrode kann zum Schweißen gemäß dem MIG- Schweißverfahren oder dem TIG-Schweißverfahren eingesetzt werden. Der Draht kann auch den Kern einer nicht-synthetischen, umhüllten Elektrode bilden. Eine nicht-synthetische, umhüllte Elektrode, die an sich bekannt ist, besteht aus einem metallischen Kern, der mit Materialien umhüllt ist, die insbesondere zur Schlackebildung dienen, wobei die Schlacke keinen Einfluss auf den Gehalt der Hauptelemente des abgeschiedenen Metalls hat.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist daher insbesondere entweder ein blanker Draht aus der erfindungsgemäßen Legierung oder eine umhüllte Elektrode, deren Kern aus einem Draht der erfindungsgemäßen Legierung besteht, oder ein Band aus der erfindungsgemäßen Legierung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Beispiele detailliert erläutert.
Die als Schweißelektrode zum Schweißen von nichtrostendem Superduplex-Stahl oder nichtrostendem superaustenitischen Stahl verwendete Legierung ist eine Nickelbasislegierung, deren chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent umfasst:
- 20 bis 24% und vorzugsweise 21 bis 23% Chrom sowie 8 bis 12 % und vorzugsweise 9 bis 11% Molybdän, um die Beständigkeit gegenüber Lokalkorrosion zu gewährleisten und gleichzeitig die Bildung von intermetallischen Phasen insbesondere beim Festwerden der Schweißnähte zu vermeiden;
- 0,1 bis 5% und vorzugsweise 2 bis 4% Wolfram, um die Schweißnaht zu härten und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, ohne die Festigkeit zu verschlechtern. Die Erfinder haben die neue Erkenntnis gewonnen, dass Wolfram besonders vorteilhaft ist, da es im Gegensatz zu Chrom und Molybdän, die bevorzugt in den interdendritischen Räumen segregieren, in der Achse der Dendriten segregiert, wobei dieser Effekt weiter unten erläutert wird;
- 0,03 bis 0,4% Aluminium und 0,004 bis 0,04% Magnesium, um eine hohe Festigkeit der Schweißnähte zu gewährleisten;
- wobei der Rest aus Nickel und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht.
Die Verunreinigungen sind insbesondere:
- Eisen, dessen Gehalt unter 5% und vorzugsweise unter 2% bleiben soll, damit der Eisengehalt des geschmolzenen Metalls beschränkt wird, insbesondere, wenn die Legierung dazu vorgesehen ist, durch Schweißen eine Beschichtung auf einem Werkstoff aus schwach legiertem Stahl zu bilden, um eine gute Korrosionsbeständigkeit beizubehalten;
- Silicium, dessen Gehalt unter 0,1% bleiben sollte, und Magnesium, dessen Gehalt unter 0,4% bleiben sollte, um die Tendenz zur Bildung der σ-Phase zu vermindern;
- Kupfer, dessen Gehalt unbedingt unter 0,1% bleiben und so niedrig wie möglich sein sollte, um das Warmwalzen bei der Herstellung des Walzdrahts zu erleichtern;
- Stickstoff, dessen Gehalt unbedingt unter 0,1% bleiben sollte, um die Bildung von Nitriden zu vermeiden, die für das Drahtziehen ungünstig sind;
- Schwefel und Phosphor, deren Gehalte unter 0,02% bleiben sollten, um eine hohe Heißrissfestigkeit sicherzustellen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Legierung Spuren von Niob enthalten kann, die über die Ausgangsmaterialien eingebracht werden, d. h. weniger als 0,1% und vorzugsweise weniger als 0,05% Niob.
Der besondere Effekt des Molybdän wird an einer Nickelbasislegierung erläutert, deren mittlere Zusammensetzung ist: Cr = 22%, Mo = 10%, W = 3%, N &sim; 0%. Wenn mit dieser Legierung mit Hilfe des TIG-Verfahrens eine Schweißnaht realisiert wird, besteht die erhaltene Schweißnaht aus einer verfestigten Legierung, deren mittlere Zusammensetzung der Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffs entspricht. Die Legierung hat jedoch nach der Verfestigung eine Struktur, die aus über interdendritische Räume getrennte Dendriten besteht. Die Zusammensetzung der Legierung in der Achse der Dendriten ist: Cr = 20,5%, Mo = 7, 8%, W = 3,7%; in den interdendritischen Räumen ist die Zusammensetzung: Cr = 24%, Mo = 14,5%, W = 2,3%.
Die Wirkung von Chrom, Molybdän und Wolfram auf die Beständigkeit gegenüber örtlicher Korrosion kann über den Index PRENW = Cr + 3,3 · (Mo + W/2) + 16 N ermittelt werden. Je höher dieser Index ist, desto besser ist die Beständigkeit gegenüber Lokalkorrosion. Mit Hilfe dieses Index kann die Beständigkeit der Legierung mit der mittleren Zusammensetzung und der Zusammensetzung an der Achse der Dendriten gegenüber Lokalkorrosion verglichen werden. Es kann auch die Beständigkeit gegenüber Lokalkorrosion in der Achse der Dendriten von zwei Legierungen verglichen werden, die die gleiche mittlere Beständigkeit gegenüber Lokalkorrosion zeigen, wobei eine Zusammensetzung jedoch Wolfram enthält und die andere nicht:
Aus den Ergebnissen ist klar ersichtlich, dass bei gleichem mittleren PRENW die Legierung 1, die Wolfram enthält, in der Achse der Dendriten eine bessere Beständigkeit gegen Lokalkorrosion als die Legierung 2 aufweist, die kein Wolfram enthält. Es wird im Übrigen darauf hingewiesen, dass aufgrund der Segregationen von Chrom und Molybdän in beiden Fällen in den interdendritischen Räumen die Beständigkeit gegenüber Lokalkorrosion besser als in den Achsen der Dendriten ist.
Zur Herstellung von Schweißelektroden wird die Legierung in herkömmlicher Weise verarbeitet, beispielsweise im Elektroofen, und dann in Form von Knüppeln gegossen, die zur Bildung von Walzdraht warmgewalzt werden. Der Walzdraht wird dann zur Herstellung von Drähten, die als Schweißelektrode verwendet werden können, gezogen.
Aufgrund ihrer Zusammensetzung lässt sich die erfindungsgemäße Legierung leichter warmwalzen als die Legierungen des Standes der Technik, insbesondere, da ihre Solidustemperatur höher ist: 1367ºC anstelle von 1283ºC für eine typische Legierung, die etwa 21,8% Chrom, 8,6% Molybdän und 3,5% Niob enthält. Aufgrund des geringen Stickstoffgehalts lässt sie sich außerdem genauso leicht zu Drähten ziehen wie die Legierungen des Standes der Technik, die wenig Stickstoff enthalten, und wesentlich leichter als Legierungen mit hohem Stickstoffgehalt.
Zum Schweißen von Produkten aus nichtrostendem superaustenitischen Stahl oder nichtrostendem Superduplex-Stahl oder Stahl vom Typ Fe-9%Ni wird beispielsweise das MIG-Schweißverfahren oder das TIG-Schweißverfahren durchgeführt, die an sich bekannt sind, wobei in diesen Verfahren die Elektrode ein Metalldraht ist. Wenn durch Schweißen eine Beschichtung auf einem Produkt aus schwach legiertem Stahl erzeugt wird, ist die Schweißelektrode ein kaltgewalztes Band.
Die auf diese Weise erhaltenen Nähte haben insbesondere eine im Vergleich mit Schweißnähten, die mit Elektroden des Standes der Technik erzeugt wurden, welche weder Niob noch Wolfram enthalten, höhere Reißfestigkeiten von etwa 60 MPa. Diese bessere Reißfestigkeit hängt von den genauen Gehalten an Molybdän und Wolfram ab, deren Wirkung auf die Härte mit der Formel HV = 136 + 5,8 (Mo + 0,6 · W) ermittelt werden kann.
Aufgrund der Verdünnung des Schweißzusatzmetalls durch das Grundmetall hängt die spezielle Korrosionsbeständigkeit einer Schweißnaht gleichzeitig vom Grundmetall (Metall, aus dem die geschweißten Produkte bestehen) und den Bedingungen beim Schweißen (beispielsweise Ein- oder Mehrlagenschweißung) ab. Die Korrosionsbeständigkeiten, die mit verschiedenen Schweißzusatzwerkstoffen erzielt werden, können verglichen werden, indem die kritischen Lochfraßtemperaturen CPT der Legierungen (ohne Durchmischung in der Schweißnaht) verglichen werden, die nach dem Test ASTM G48A gemessen werden.
Die CPT beträgt für die erfindungsgemäße Legierung im Rohzustand der Verfestigung 95ºC, wohingegen sie für eine Nickelbasislegierung, die 22% Chrom, 8,7% Molybdän, 0,04% Stickstoff und als Rest Nickel und Verunreinigungen enthält, nur 50ºC beträgt. Für die gleichen Legierungen im geschweißten Zustand liegt die CPT über 95ºC bzw. in der Größenordnung von 50ºC. Außerdem zeigen die Schweißnähte keine Heißrissbildung.
Als erstes Beispiel wurden Bleche aus nichtrostendem Superduplex- Stahl mit der folgenden Zusammensetzung (in Gewichts-%) nach dem MIG-Schweißverfahren geschweißt:
Das Schweißen wurde mit einer erfindungsgemäßen Elektrode A und drei Elektroden B, C und D des Standes der Technik ausgeführt. Die Elektroden bestehen aus Drähten mit einem Durchmesser von 1,2 mm. Bei dem Schutzgas handelt es sich um ein Gemisch von 80% Argon und 20% Stickstoff. Die Schweißenergie beträgt 0,8 kJ/mm.
Die Elektroden bestehen aus einer Nickelbasislegierung mit den folgenden chemischen Zusammensetzungen (in Gew.-%):
Zur Charakterisierung der Schweißnähte wurde gemessen:
- der Volumenanteil der interdendritischen Präzipitate in der Schmelzzone,
- die Härte HVS in der Schmelzzone,
- die Festigkeit Rm (in MPa) in der Schmelzzone,
- die Schlagzähigkeit KCV (in J/cm²) bei -50ºC und +20ºC,
- die Lochfraßtemperatur CPT (in ºC), die sich im Allgemeinen auf die betroffene Zone bezieht, außer im Falle der Elektrode C, bei der der Lochfraß gleichzeitig in der betroffenen Zone und in der geschmolzenen Zone auftritt; diese Temperatur wird nach der Norm ASTM G48A gemessen.
Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
Die Ergebnisse zeigen, dass mit der erfindungsgemäßen Legierung einerseits der Volumenanteil der interdendritischen Präzipitate gering ist, was für eine hohe Festigkeit, vor allem bei niedriger Temperatur, günstig ist, und die kritische Lochfraßtemperatur zufriedenstellend ist und andererseits die Härte HV5 und die Reißfestigkeit Rm, obwohl sie etwas geringer als bei der Legierung B (Legierung 625 mit Niob) sind, deutlich besser als bei der Legierung C sind. Mit der erfindungsgemäßen Legierung ist die Schlagzähigkeit sehr viel besser als mit den Legierungen B und D.
Als zweites Beispiel werden mit den Drähten des vorhergehenden Beispiels nach dem MIG-Schweißverfahren (blanker Draht) und mit umhüllten Elektroden Bleche aus nichtrostendem superaustenitischen Stahl von 12 mm Dicke mit der folgenden chemischen Zusammensetzung geschweißt:
Die Schweißenergie beträgt 1,1 kJ/mm.
Zur Charakterisierung der Schweißnähte wurden gemessen:
- der Volumenanteil der interdendritischen Präzipitate in der Schmelzzone,
- die Schlagzähigkeit KCV (in J/cm²) bei +20ºC,
- die Lochfraßtemperatur CPT (in ºC) nach der Norm ASTM G48A.
Es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
Aus den Ergebnissen geht insbesondere hervor, dass mit der erfindungsgemäßen Legierung eine über die Temperatur CPT ermittelte Korrosionsbeständigkeit, die im Vergleich mit den Legierungen des Standes der Technik, bei denen Lochfraß in der Schmelzzone (vor allem bei Legierung C) auftritt, deutlich besser ist und außerdem eine im Vergleich mit der Legierung B oder der Legierung D deutlich höhere Schlagzähigkeit erzielt werden kann.
Durch die Verwendung der Elektrode A können aufgrund der guten Heißrissfestigkeit dieser Legierung im Übrigen Schweißnähte an nichtrostenden Superduplex-Stählen oder superaustenitischen Stählen von guter Qualität hergestellt werden.
Die Rissbildung in der Wärme, die insbesondere in bereits gebildeten Raupen auftreten kann, wenn diese durch das Aufbringen von neuen Raupen beeinträchtigt werden, falls dicke Produkte geschweißt werden, ist vermindert, wenn das Schmelzintervall (Schmelztemperatur - Solidustemperatur) vermindert ist. Die unten angegebenen Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Legierung A ein Schmelzintervall aufweist, das im Vergleich mit der Legierung C (ohne Nb) etwas kleiner und im Vergleich mit der Legierung B (die Nb enthält) deutlich geringer ist. Somit ist die Heißrissfestigkeit der Legierung A mit der Heißrissfestigkeit der Legierung C vergleichbar und deutlich besser als die Heißrissfestigkeit der Legierung B.
Die Heißrissfestigkeit der Schmelzzone wird für die Legierungen A und B auch nach dem Varestraint-Versuch gemessen, der an sich bekannt ist. Dieser Versuch besteht darin, eine Schweißnaht einer vorbestimmten Deformation auszusetzen und dann die Länge der durch diese Deformation hervorgerufenen Risse zu messen (maximale Länge des Risses und summierte Länge der Risse); es wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäße Legierung A im Hinblick auf Heißrisse wesentlich weniger empfindlich als die Legierung B ist.

Claims

1. Schweißelektrode, die einen Draht oder ein Band aus einer Nickelbasislegierung mit der folgenden, in Gewichtsprozent ausgedrückten chemischen Zusammensetzung umfasst:

20% ≤ Cr ≤ 24%

8% ≤ Mo ≤ 12%

0,1% ≤ W ≤ 5%

Mo + W > 12

Fe < 5

Cu < 0,1

N < 0,1

C < 0,02

Si < 0,1

Mn < 0,4

0,03% ≤ Al ≤ 0,4%

0,004% ≤ Mg ≤ 0,04%

P < 0,02%

S < 0,02%,

wobei der Rest aus Nickel und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht.

2. Schweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung so gewählt ist, dass die folgenden Beziehungen erfüllt werden:

21% ≤ Cr ≤ 23%

9% ≤ Mo ≤ 11%

2% ≤ W ≤ 4%

Fe < 2%.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem blanken Draht besteht.

4. Elektrode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie vom nicht synthetischen, umhüllten Typ ist.

5. Verfahren zum Schweißen von Blechen aus nichtrostendem superaustenitischen Stahl oder nichtrostendem Superduplex- Stahl oder Stahl mit 9% Nickel für Tieftemperaturanwendungen, in dem Metall durch Schmelzen einer Schweißelektrode zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schweißelektrode um eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 handelt.

6. Nickelbasislegierung, die in Gewichtsprozent enthält: