Schweissverbindung zwischen Bauteilen aus vergütbarem, tieftemperaturzähem Nickelstahl, Verfahren zu deren Herstellung und Schweisswerkstoff zur Durchführung des Verfahrens Bauteile aus tieftemperaturzähen vergütbaren Nik- kelstählen, z. B. Stähle mit 5 oder 97, Nickel, werden üblicherweise nicht mit artgleichen Schweisswerkstoffen geschweisst, sondern mit austenitischen Chrom-Nickel- Schweisswerkstoffen (25% Chrom, 20% Nickel) oder auch vielfach mit Schweisswerkstoffen auf Nickelbasis vom Typ Incoweld A.
So haben z.B. der 9%ige Nickelstahl, der für zu schweissende Bauteile bis zu -200 C eingesetzt werden kann, und der 5%ige Nickelstahl, der bis etwa -120 C in Schweisskonstruktionen Verwendung findet, bei 20 C folgende Festigkeitseigenschaften:
EMI0001.0008
<I>Tafel <SEP> l</I>
<tb> Mechanische <SEP> Eigenschaften <SEP> von <SEP> vergütbaren <SEP> Nickel stählen
<tb> 12Ni19 <SEP> x8Ni9
<tb> Streckgrenze <SEP> (kg/mm') <SEP> mind. <SEP> 45 <SEP> mind. <SEP> 50
<tb> Zugfestigkeit <SEP> (kg/mm2) <SEP> 55-70 <SEP> 65-85
<tb> Dehnung <SEP> 10 <SEP> = <SEP> 5 <SEP> d) <SEP> % <SEP> mind. <SEP> 19 <SEP> mind. <SEP> 17
<tb> Kerbschlagzähig keit <SEP> -I-20 <SEP> C <SEP> mind. <SEP> 16 <SEP> mind. <SEP> 12
<tb> DVM <SEP> (kg/cm2) <SEP> -195 <SEP> C <SEP> - <SEP> mind.
<SEP> 6 Die obenangeführten Schweisswerkstoffe führen im Material der Schweissnaht (abgesetzt und geprüft nach DIN 1913) bei 20 C zu den nachstehenden Festigkeits eigenschaften:
EMI0001.0009
<I>Tafel <SEP> 2</I>
<tb> Mechanische <SEP> Eigenschaften <SEP> des <SEP> Materials <SEP> des <SEP> Schweiss nahtkernes
<tb> x <SEP> 12 <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> 25 <SEP> 20 <SEP> 5-Ni <SEP> Cr <SEP> 15 <SEP> Fe <SEP> 10 <SEP> Nb
<tb> Streckgrenze <SEP> (kg/mm2) <SEP> mind. <SEP> 38 <SEP> mind. <SEP> 38
<tb> Zugfestigkeit <SEP> (kg/mm2) <SEP> wind. <SEP> 50 <SEP> mind. <SEP> 65
<tb> Dehnung <SEP> (1" <SEP> = <SEP> 5 <SEP> d) <SEP> aJo <SEP> mind. <SEP> 25 <SEP> mind. <SEP> 40
<tb> Kerbschlagzähig keit <SEP> 20 <SEP> C <SEP> mind. <SEP> 10 <SEP> mind. <SEP> 8
<tb> DVM <SEP> (kg/cm?) <SEP> -195 <SEP> C <SEP> mind. <SEP> 6 <SEP> mind.
<SEP> 5 Für die Berechnung geschweisster Bauteile für Tief temperaturbeanspruchung wird in Deutschland die Streckgrenze bei 20 C zugrundegelegt. Aus der Gegen überstellung der Streckgrenzenwerte für den 9%igen Nickelstahl und für das Schweissgut geht hervor, dass letzteres nur niedrigere Streckgrenzenwerte besitzt. Diese müssen der Berechnung zugrundegelegt werden. Daraus ist ersichtlich, dass die hohen Streckgrenzenwerte des 9%igen Nickelstahles nicht ausgenutzt werden können und daher die geschweissten Bauteile nur entsprechend der niedrigeren Streckgrenze der Schweissverbindung be lastet werden können.
Wenn, wie im Ausland zum Teil üblich, die Zugfestigkeitswerte bei 20 C der Berechnung zugrundegelegt werden, dann sind die Unterschiede zwi schen Grundwerkstoff und Schweissgut nicht so gross, so dass bei dieser Berechnungsgrundlage der 9%ige Nik- kelstahl, wenn auch nicht voll, so aber doch besser aus genutzt werden kann.
Zweck der Erfindung ist es, obige Nachteile zu be seitigen und eine Schweissverbindung zwischen Bauteilen aus vergütbarem, tieftemperaturzähem Nickelstahl zu schaffen, wobei das Material der Schweissnaht bei 20 C möglichst gleich hohe Streckgrenzen und Festigkeitswerte besitzt, wie der vergütbare Nickelstahl und bei -200 C gute Zähigkeitswerte besitzt.
Demgemäss ist Gegenstand der Erfindung: 1. Eine Schweissverbindung zwischen Bauteilen aus vergütbarem, tieftemperaturzähem Nickelstahl, die da durch gekennzeichnet ist, dass die Schweissverbindung ausreichende Zähigkeitseigenschaften bis -200 C auf weist und das Material der Schweissnaht mindestens die Elemente Chrom, Nickel, Mangan und Molybdän als Legierungsbestandteile in austenitischer Form enthält, wobei das Material der Schweissnaht bei 20 C eine Streckgrenze von mindestens 48 kg/mm2 und eine Zug festigkeit von mindestens 60 kg/ mm2 aufweist;
1I. Ein Verfahren zur Herstellung der Schweissver- bindung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Bauteile mit einem Schweisswerkstoff, der mindestens die Elemente Chrom, Nickel, Mangan und Molybdän als Zusätze enthält verschweisst; sowie III. Ein Schweisswerkstoff zur Ausführung des Ver fahrens, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er minde stens die Elemente Chrom, Nickel, Mangan und Molyb dän als Zusätze enthält.
Das Material der Schweissnaht besteht in vorteilhaf ter Weise aus einer austenitischen Legierung folgender Zusammensetzung:
EMI0002.0000
Kohlenstoff <SEP> <B>0,01</B> <SEP> bis <SEP> 0,080/o
<tb> Silizium <SEP> 0,1 <SEP> bis <SEP> 0,8%
<tb> Mangan <SEP> 2,5 <SEP> bis <SEP> 10,0
<tb> Chrom <SEP> 16,0 <SEP> bis <SEP> 22,0
<tb> Nickel <SEP> 10,0 <SEP> bis <SEP> 16,0
<tb> Molybdän <SEP> 2,0 <SEP> bis <SEP> 4,0 <SEP> %
<tb> Stickstoff <SEP> 0,1 <SEP> bis <SEP> 0,2570 Die chemische Zusammensetzung eines zu ver- schweissenden Kerndrahtes kann identisch sein mit der Zusammensetzung des Kernes der Schweissnaht, das heisst mit jenem Teil des Materials der Schweissnaht, der beim Verschweissen nicht mit dem Werkstoff des Bauteiles legiert worden ist.
Zweckmässig werden die Abbrandverhältnisse beim Verschweissen so eingestellt, dass in jedem Falle die angegebene chemische Zusam mensetzung des Materials der Naht erzielt wird. Das gilt auch und insbesondere, wenn beispielsweise die Schweiss- drähte ohne Umhüllung bei den Schutzgasschweissver- fahren verwendet werden. Werden beispielsweise um hüllte Schweisselektroden verwendet, so ist es möglich, Legierungsstoffe - auch den Stickstoff z. B. über aufge sticktes Ferromangan oder Ferrochrom- über die Um hüllung in das Material der Naht einzubringen.
Bei Schutzgasschweissverfahren kann zusätzlich zum Erreichen des Stickstoffgehaltes im Nahtmaterial auch dem Schutzgas Stickstoff von Spuren bis zur Höhe von etwa 1070 beigemischt werden.
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung an hand eines Ausführungsbeispieles für die Schweissver- bindung an 9%igem Nickelstahl näher erläutert.
Für die Elektroden, die für die Bestimmung der me chanischen Eigenschaften des Materials der Schweiss- naht ausschlaggebend waren und auch für die Verbin- dungsschweissung an 9%igem Nickelstahl Verwendung fanden, wurde ein Kerndraht folgender chemischer Zu sammensetzung verwendet:
EMI0002.0016
Kohlenstoff <SEP> 0,03570
<tb> Silizium <SEP> 0,36 <SEP> 70
<tb> Mangan <SEP> 11,1 <SEP> 70
<tb> Chrom <SEP> 18,8 <SEP> %
<tb> Molybdän <SEP> 2,7 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> 12,6%
<tb> Stickstoff <SEP> 0,16% Das Material des Kernes der mit dieser Elektrode hergestellten Schweissnaht hatte folgende chemische Zu sammensetzung:
EMI0002.0017
Kohlenstoff <SEP> 0,05 <SEP> %
<tb> Silizium <SEP> 0,26 <SEP> 70
<tb> Mangan <SEP> 9,98
<tb> Chrom <SEP> 18,4%
<tb> Molybdän <SEP> 2,7%
<tb> Nickel <SEP> 14,53%
<tb> Stickstoff <SEP> 0,18 <SEP> 70 Aus dem Vergleich beider Analysen geht hervor, dass in diesem Fall Nickel über die Hülle zulegiert wurde. Die Elektrodenhülle hat folgende kalkbasische Zusam mensetzung:
EMI0002.0018
CaF2 <SEP> 35 <SEP> %
<tb> SiO2 <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Mn <SEP> 8 <SEP> %
<tb> Ni <SEP> 8 <SEP> %
<tb> Si <SEP> 4 <SEP> %
<tb> Ca0 <SEP> 25 <SEP> %
<tb> C02 <SEP> 15 <SEP> % Es wurden aber auch eine Reihe anderer Hüllenzu sammensetzungen verwendet, wobei keine nachteiligen Änderungen der mechanischen Eigenschaften festgestellt wurden.
Der Kern der Schweissnaht in der obenangeführten Richtzusammensetzung hat z. B. die in Tafel 3 aufge führten Eigenschaften. Es ist zu ersehen, dass eine Streck grenze von mindestens 48 kg /mm2 und eine Zugfestig keit von mindestens 60 kg/mm2 einzuhalten sind.
EMI0002.0021
<I>Tafel <SEP> 3</I>
<tb> Eigenschaften <SEP> des <SEP> Materials <SEP> eines <SEP> Schweissnahtkernes
<tb> Anhaltswert <SEP> gemessen
<tb> Streckgrenze <SEP> (kg/mm2) <SEP> mied. <SEP> 48 <SEP> 49,2
<tb> Zugfestigkeit <SEP> (kg/mm2) <SEP> wind. <SEP> 60 <SEP> 63,5
<tb> Dehnung <SEP> (70) <SEP> wind. <SEP> 30 <SEP> 36
<tb> Kerbschlagzähigkeit <SEP> +20 <SEP> C <SEP> wind. <SEP> 10 <SEP> 11,3
<tb> DVM <SEP> (kgm/cm2) <SEP> wind. <SEP> 5 <SEP> 6,2 Bei Verwendung eines Schweisswerkstoffes kann also ein geschweisstes Bauteil z.
B. aus 9%igem Nickelstahl höheren Belastungen unterworfen werden. Versuche mit dem Schweisswerkstoff an Blechen aus 9%igem Nickel stahl konnten dieses belegen. Abb. 1 zeigt den Verlauf der Mikrohärte über diese Schweissverbindung. Schweiss- gut und durch Schweisswärme unbeeinflusster Grund werkstoff zeigen gleiche Härtewerte. (Die Härtespitzen in der Übergangszone sind normal.) Abb. 2 zeigt Zerreissproben der Verbindungsschweis- sung und die Tafel 4 die dazugehörigen Werte.
Da die Festigkeitseigenschaften des Materials der Schweissnaht und des Grundwerkstoffes fast übereinstimmen, liegt der Bruch statistisch verteilt im Grundwerkstoff oder in der Naht. Wie aus Tafel 4 weiter zu entnehmen ist, können die Mindestwerte des Grundwerkstoffes in der Schweiss- verbindung erreicht werden. Ausreichende Zähigkeits eigenschaften bis zu -195 C sind in der Verbindungs- schweissung in allen Bereich nachgewiesen. Nach DVM muss die Kerbschlagfestigkeit der Schweissverbindung bei - 200 C mindestens 3,5 mkg/cm2 betragen.
Bei Verwendung dieser Schweisswerkstoffe mit hö heren Festigkeitseigenschaften für Bauteile aus vergüt- baren tieftemperaturzähen Nickelstählen insbesondere für Schweissarbeiten an Stählen mit 5 und 970 Nickel können diese Bauteile höheren Belastungen ausgesetzt werden als bei Verwendung der bisher bekannten Schweisswerkstoffe.
EMI0003.0000
<I>Tafel <SEP> 4</I>
<tb> Mechanische <SEP> Eigenschaften <SEP> einer <SEP> Verbindungsschweis sung <SEP> an <SEP> 9% <SEP> Ni-Stahl, <SEP> geschweisst <SEP> mit <SEP> x2 <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Mn <SEP> Mo
<tb> N <SEP> 19 <SEP> 12
<tb> Analyse <SEP> des <SEP> Grundwerkstoffes:
<tb> C <SEP> Si <SEP> AM <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Al <SEP> N
<tb> .05 <SEP> - <SEP> .70 <SEP> .03 <SEP> 9,15 <SEP> .14 <SEP> .017
<tb> Analyse <SEP> des <SEP> Schweisszusatzes:
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Ni <SEP> N
<tb> .05 <SEP> .26 <SEP> 9,98 <SEP> 18,4 <SEP> 2,7 <SEP> 14,5 <SEP> .18
<tb> Mechanische <SEP> Eigenschaften <SEP> der <SEP> Verbindungs schweissung:
<tb> Streckgrenze: <SEP> 58 <SEP> bis <SEP> 62 <SEP> kg/mm2
<tb> Zugfestigkeit: <SEP> 66 <SEP> bis <SEP> 72 <SEP> kg/mm2
<tb> Dehnung:
<SEP> 10 <SEP> bis <SEP> 16 <SEP> %
<tb> Kerbschlagzähigkeit: <SEP> -f- <SEP> 20 <SEP> C <SEP> 8 <SEP> bis <SEP> 9 <SEP> kgm/cm2
<tb> -r.195 <SEP> C <SEP> 5 <SEP> bis <SEP> 6 <SEP> kgm/cm2