DE112013007705T5

DE112013007705T5 - Schweißmaterial für hitzebeständigen Stahl

Info

Publication number: DE112013007705T5
Application number: DE112013007705.1T
Authority: DE
Inventors: Jeong-Kil Kim; Bong-keun Lee; Sang-Chul Lee; Il-Wook Han
Original assignee: Posco Co Ltd
Current assignee: Posco Co Ltd Pohang Si Kr; POSCO CO., LTD, POHANG-SI, KR
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2016-09-29
Also published as: US20160318133A1; CN105848819A; WO2015099218A1; KR101568515B1; JP2017507027A; CN105848819B; KR20150074934A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schweißmaterial für einen hitzebeständigen Stahl, das in der Lage ist, die Entstehung eines Risses in einem Schweißbereich eines hitzebeständigen Stahls zu verhindern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schweißmaterial und im Spezielleren auf ein Schweißmaterial für hitzebeständige Stähle für Hochtemperaturanwendungen.
Stand der Technik
Hitzebeständige Stähle, die für Hochtemperaturanwendungen wie etwa Kernreaktoren, Energieanlagenrohre, Hochöfen, Wirbelschichtöfen oder Glühöfen verwendet werden, müssen Hochtemperaturfestigkeit und Rissbeständigkeit haben. Derartige hitzebeständige Stähle können zum Herstellen von Strukturen durch Schweißprozesse verwendet werden, und Schweißbereiche derartiger Strukturen müssen auch Hochtemperaturfestigkeit und Rissbeständigkeit haben.
Zum Beispiel wurden austenitische rostfreie Stähle oder ultrahitzebeständige Legierungen auf Ni- oder Co-Basis als hitzebeständige Stähle verwendet. Allerdings sind sowohl Stahlbleche als auch Schweißmaterialien, die auf ultrahitzebeständigen Legierungen auf Ni- oder Co-Basis beruhen, aufgrund der hohen Gehalte an relativ teuren Legierungselementen teuer, und da Wolfram-Inertgas-Lichtbogenschweißen (GTAW – gas tungsten arc welding) eingesetzt wird, sind Benetzbarkeit und Produktivität schlecht. Deshalb ist die Anwendung von ultrahitzebeständigen Legierungen auf Ni- oder Co-Basis sehr eingeschränkt. Andererseits sind austenitische rostfreie Stähle durch jede Art von Schweißen mit einem hohen Grad an Produktivität, wie etwa Fülldraht-Lichtbogenschweißen (FCAW – flux-cored arc welding), bearbeitbar, wobei ökonomische Aspekte und Schweißbarkeit berücksichtigt werden. Außerdem sind austenitische rostfreie Stähle relativ kostengünstig. Somit hat die Verwendung austenitischer rostfreier Stähle seit den 1980er Jahren zugenommen.
Insbesondere wurden von den austenitischen rostfreien Stählen (Stählen der Serie STS 300), voll austenitische rostfreie Stähle mit relativ hohen Graden an Hochtemperaturbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität hauptsächlich für Anwendungen in unter hoher Temperatur stehenden, hochkorrosiven Arbeitsumgebungen wie etwa Kernreaktoren, Energieanlagenrohren, Hochöfen, Wirbelschichtöfen oder Glühöfen verwendet. Voll austenitische rostfreie Schweißmaterialien (Schweißmaterialien der Serie STS 310) wurden für derartige voll austenitische rostfreie Stähle verwendet.
Jedoch entstehen leicht Risse in den Schweißbereichen der Schweißmaterialien der Serie STS 310. Wie die Grundmaterialien haben Schweißmaterialien der Serie STS 310, die eine voll austenisische Verfestigungsstruktur haben, die durch Einzelphasenverfestigung gebildet ist, hohe Gehalte an Nickel (Ni) und Chrom (Cr) und einen hohen Grad an Wärmeausdehnung. Allerdings ist bekannt, dass, da die Löslichkeit von Phosphor (P) und Schwefel (S) in Schweißbereichen hoch ist, die unter Verwendung von Schweißmaterialien der STS 310-Serie gebildet sind, δ-Ferrit, das effektiv Hochtemperaturrissbildung reduziert, in den Schweißbereichen nicht entsteht, und da die Schweißbereiche eine Einzelphasenverfestigung durchmachen, leicht eine Hochtemperaturrissbildung auftritt.
Bei einem Schweißprozess unter Verwendung eines austenitischen Schweißmaterials bildet Phosphor (P) oder Schwefel (S) eine eutektische Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt, wie etwa Fe₃P oder FeS, die sich entlang von Korngrenzen trennt und während der Verfestigung in einem flüssigen Zustand vorhanden ist, wodurch die Hochtemperaturrissbildung begünstigt wird. Der Gehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) ist in momentan im Handel erhältlichen Schweißmaterialien der Serie STS 310 hoch, liegt im Bereich von ca. 200 ppm bis 300 ppm, und zwar wegen der Herstellungsverfahren und Zusammensetzungseigenschaften der Schweißmaterialien der Serie STS 310. Schweißmaterialien der Serie STS 310, die weit verbreitet für hitzebeständige Stähle der STS 300-Serie verwendet werden, bei denen es sich um typische hitzebeständige Materialen handelt, sind voll austenitische Materialien ohne δ-Ferrit, und während eines Schweißprozesses unter Verwendung eines derartigen Schweißmaterials der Serie STS 310 trennen sich Phosphor (P) und Schwefel (S), die im Grundmetall und Schweißmetall enthalten sind, entlang von Korngrenzen des Schweißmaterials, wodurch Risse verursacht werden.
Um sich dieser Probleme anzunehmen, wurde ein Schweißmaterial mit Flussmittelkern vorgeschlagen (Patentschrift 1), das eine Hülle, die aus einem Stahl der Serie STS 300, wie etwa STS 304L oder 316L, hergestellt ist, und ein in der Hülle vorhandenes Flussmittel umfasst. Im Detail besteht mit Bezug auf Patentschrift 1 die Hülle aus einem rostfreien Stahl der Serie STS 300, und Bestandteile wie etwa ein Seltenerdmetall (REM) oder Calcium (Ca) werden dem Flussmittel zugesetzt, um die durch Phosphor (P) und Schwefel (S) verursachte Bildung von Rissen zu unterbinden. Jedoch hat das in Patentschrift 1 offenbarte Schweißmaterial auch hohe Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S), und somit kann die Bildung von Rissen in einem Schweißbereich nicht vollständig verhindert werden.
Deshalb ist die Entwicklung eines Schweißmaterials nötig, das in der Lage ist, die Bildung von Rissen in einem Schweißbereich von hitzebeständigem Stahl zu unterbinden.
(Patentschrift 1) Koreanisches Patent Nr. 1118904
Offenbarung
Technisches Problem
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Schweißmaterial bereitstellen, das in der Lage ist, die Bildung von Rissen in einem Schweißbereich von hitzebeständigem Stahl zu unterbinden.
Technische Lösung
Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Schweißmaterial für hitzebeständigen Stahl ein Flussmittel und eine das Flussmittel umgebende Hülle umfassen,
wobei das Schweißmaterial, in Gew.-%, Kohlenstoff (C); 0,03% bis 0,3%, Mangan (Mn): 0,5% bis 3,0%, Silicium (Si): 0,1% bis 2,0%, Phosphor (P): 0,01% oder weniger, Schwefel (S): 0,01% oder weniger, Nickel (Ni): 20% bis 40%, Chrom (Cr): 15% bis 35%, TiO₂: 3% bis 7%, SiO₂: 0,5% bis 2,5%, ZrO₂: 0,5% bis 2,5% und einen Rest aus Fe und unvermeidlichen Fremdstoffen enthalten kann,
wobei die Hülle eine Legierung auf Ni-Fe-Basis mit einem Nickelgehalt von 30% bis 50% umfassen kann.
Vorteilhafte Wirkungen
Das Schweißmaterial der vorliegenden Offenbarung kann die Bildung von Rissen in den Schweißbereichen von hitzebeständigen Stählen für Hochtemperaturanwendungen wie etwa Hochöfen, Wirbelschichtöfen, Kernreaktoren oder Kraftanlagen unterbinden. Deshalb kann das Schweißmaterial in verschiedenen Anwendungen sicher verwendet werden.
Außerdem kann, da unter Verwendung des Schweißmaterials der vorliegenden Offenbarung ausgebildete Schweißbereiche eine voll austenitische Mikrostruktur mit einem hohen Grad an Niedrigtemperaturzähigkeit haben, das Schweißmaterial dazu verwendet werden, rissfreie Schweißbereiche für Flüssigerdgas-(LNG)-Tanks mit kryogenen Eigenschaften auszubilden. Das heißt, das Schweißmaterial der vorliegenden Offenbarung kann auch dazu verwendet werden, Strukturen aus dicken austenitischen Stahlblechen auf verschiedenen Gebieten wie etwa Ölraffinerie, Rohrleitungssystemen, Bauwesen, Schiffsbau oder Schifftechnik herzustellen.
Bevorzugte Ausführungsform
Im Folgenden wird ein Schweißmaterial im Einzelnen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind hier beigefügt, um zur Erklärung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung beizutragen, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Zeichnungen und Ausführungsformen beschränkt. Der Klarheit oder Prägnanz halber können in den Zeichnungen manche Elemente übertrieben verkleinert oder weggelassen sein. Nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Schweißmaterial um ein Schweißmaterial mit Flussmittelkern, das ein Flussmittel und eine das Flussmittel umgebende Hülle umfasst.
Das Schweißmaterial der beispielhaften Ausführungsform enthält Kohlenstoff (C): 0,03% bis 0,3%, Mangan (Mn): 0,5% bis 3,0%, Silicium (Si): 0,1% bis 2,0%, Phosphor (P): 0,01% oder weniger, Schwefel (S): 0,01% oder weniger, Nickel (Ni): 20% bis 40%, Chrom (Cr): 15% bis 35%, TiO₂: 3% bis 7%, SiO₂: 0,5% bis 2,5% und ZrO₂: 0,5% bis 2,5% auf Grundlage des Gesamtgewichts des Schweißmaterials inklusive des Flussmittels und der Hülle.
Kohlenstoff (C) fördert die Austenitbildung und verbessert Festigkeit. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff (C) weniger als 0,03% beträgt, ist es schwierig, Hochtemperaturfestigkeit zu garantieren. Wenn umgekehrt der Gehalt an Kohlenstoff (C) mehr als 0,3% beträgt, entstehen eutektische Gemische im Übermaß während des Schweißens und führen dadurch zu einer Hochtemperaturrissbildung und der Entstehung von Schweißrauch und -spritzern. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Kohlenstoff (C) im Bereich von 0,03% bis 0,3% liegt.
Während des Schweißens reagiert Mangan (Mn) mit Sauerstoff (O) und Schwefel (S), wodurch Sauerstoff (O) und Schwefel (S) entzogen werden. Also wird Mangan (Mn) in einer Menge von 0,5% oder mehr zugesetzt. Wird Mangan (Mn) jedoch in einer Menge von mehr als 3% zugesetzt, sinkt die Schmelzmetallfließfähigkeit, wodurch die Schweißeindringung und Lichtbogenstabilität gesenkt wird.
Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Mangan (Mn) im Bereich von 0,5% bis 3,0% liegt.
Vorzugsweise kann Silicium (Si) in einer Menge von 0,1% oder mehr zugesetzt werden, um die Desoxidation zusammen mit Mangan während des Schweißens zu maximieren. Wird Silicium (Si) jedoch in einer Menge von mehr als 2,0% zugesetzt, sinkt die Rissbeständigkeit aufgrund einer übermäßigen Entstehung eutektischer Gemische. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Mangan (Mn) im Bereich von 0,1% bis 2,0% liegt.
Selbst geringe Mengen an Phosphor (P) und Schwefel (S) begünstigen die Entstehung von Verbindungen mit niedrigem Schmelzpunkt, wodurch der Schmelzpunkt des Schweißmaterials gesenkt und die Hochtemperaturrissbildungssensitivität des Schweißmaterials erhöht wird. Somit werden die Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) möglichst gering eingestellt. Obwohl Phosphor (P) und Schwefel (S) unvermeidbar enthalten sind, ist es vorzuziehen, dass die Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) jeweils weniger als 0,01% betragen.
Nickel (Ni) ist ein Austenit bildendes Element, das vorzugsweise in einer Menge von 20% oder mehr zugesetzt wird, um die Entstehung einer voll austenitischen Struktur zu fördern und eine Beständigkeit für Hochtemperaturoxidation, Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität zu garantieren. Beträgt der Gehalt an Nickel (Ni) jedoch mehr als 40%, nimmt die Viskosität eines Schweißbereichs übermäßig zu, was die Entstehung von Poren und unzureichende Schweißeindringung bewirkt. Deshalb wird der Gehalt an Nickel (Ni) vorzugsweise auf 40% oder weniger eingestellt.
Obwohl Chrom (Cr) ein Ferrit bildendes Element ist, ist es vorzuziehen, dass der Gehalt an Chrom (Cr) 15% oder mehr beträgt. Beträgt der Gehalt an Chrom (Cr) jedoch mehr als 35%, nimmt die Duktilität wegen der Entstehung von Ferrit und Chromcarbiden bei hoher Temperatur ab. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Chrom (Cr) im Bereich von 15% bis 35% liegt.
TiO₂ stabilisiert Lichtbögen und bildet Schlacke. Beträgt der Gehalt an TiO₂ weniger als 3%, entstehen instabile Lichtbögen. Insbesondere bildet sich Schlacke, wenn TiO₂ in Mengen vorhanden ist, die zu klein sind. In diesem Fall kann es sein, dass ein Schweißmaterial nicht vollständig mit Schlacke bedeckt wird und sich raue Schweißraupen bilden. Beträgt der Gehalt an TiO₂ jedoch mehr als 7%, ist dem Zusetzen von Legierungselementen in das Innere eines Hüllenstreifens eine Grenze gesetzt und Schlacke kann übermäßig entstehen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an TiO₂ im Bereich von 3% bis 7% liegt.
SiO₂ erhöht die Schlackenviskosität. Beträgt der Gehalt an SiO₂ weniger als 0,5%, ist die Viskositätserhöhungswirkung unzureichend, und wenn der Gehalt an SiO₂ mehr als 2,5% beträgt, ist die Viskositätserhöhungswirkung übermäßig, was Defekte wie etwa Reststoffeinschlüsse bewirkt. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an SiO₂ im Bereich von 0,5% bis 2,5% liegt.
ZrO₂ hat einen hohen Schmelzpunkt und erhöht somit den Schlackenschmelzpunkt. Also kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an ZrO₂ im Bereich von 0,5% oder mehr liegt. Beträgt der Gehalt an ZrO₂ jedoch mehr als 2,5%, bilden sich nicht geschmolzene Funken um einen Lichtbogen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an ZrO₂ im Bereich von 0,5% bis 2,5% liegt.
Vorzugsweise kann der Gesamtgehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) im Schweißmaterial auf 0,012% oder weniger eingestellt werden. Da die Risssensitivität eines Schweißbereichs während der Verfestigung zunimmt, wenn die Gesamtgehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) zunehmen, ist es vorzuziehen, den Gesamtgehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) zu senken. Das heißt, wenn die Zusammensetzung aus einem Grundmetall und der Mischung aus dem Grundmetall und Schweißmaterial berücksichtigt werden, kann es vorzuziehen sein, dass der Gesamtgehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) im Bereich von 0,012% oder weniger liegt.
Außerdem kann das Schweißmaterial der beispielhaften Ausführungsform darüber hinaus mindestens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän (Mo): 2,0% oder weniger, Kupfer (Cu): 1,0% oder weniger, Aluminium (Al): 0,5% oder weniger und Magnesium (Mg): 0,5% oder weniger besteht.
Molybdän (Mo) kann zugesetzt werden, um die Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu erhöhen. Beträgt der Gehalt an Molybdän (Mo) jedoch mehr als 2,0%, kann die Duktilität abnehmen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Molybdän (Mo) im Bereich von 2,0% oder weniger liegt.
Kupfer (Cu) kann in einer Menge von 1,0% oder weniger zugesetzt werden, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern.
Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) können zur Desoxidation, zur Entschwefelung und Mikrostrukturverfeinerung eines Schweißmetalls zugesetzt werden. Betragen die jeweiligen Gehalte an Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) jedoch mehr als 0,5%, kann die Oberflächenspannung des Schweißmetalls zunehmen, und somit können Spritzer im Übermaß entstehen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass die Gehalte an Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) jeweils im Bereich von 0,5% oder weniger liegen.
Außerdem kann das Schweißmaterial der beispielhaften Ausführungsform darüber hinaus mindestens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan (Ti): 0,5% oder weniger, Fluor (F): 0,5% oder weniger, Na₂O: 0,25% oder weniger, K₂O: 0,3% oder weniger, Al₂O₃: 0,5% oder weniger, MnO: 0,5% oder weniger und MgO: 0,5% oder weniger besteht.
Titan (Ti) kann zugesetzt werden, um die Lichtbogenstabilität sicherzustellen und Korngrenzenkorrosion zu verhindern. Beträgt der Gehalt an Titan (Ti) jedoch mehr als 0,5%, bilden sich Carbide oder Nitride in einem Schweißbereich, und somit kann die Duktilität abnehmen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Titan (Ti) im Bereich von 0,5% oder weniger liegt.
Fluor (F) kann zugesetzt werden, um die Schweißschlackenverteilbarkeit zu verbessern. Wird Fluor (F) jedoch übermäßig in einer Menge von mehr als 0,5% zugesetzt, kann es ein, dass die Schlackenviskosität zu gering ist und somit die Form von Schweißraupen verschlechtert ist. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Fluor (F) in Bereich von 0,5% oder weniger liegt.
Na₂O und K₂O sind Alkalioxide, die mit hoher Wahrescheinlichkeit eine Ionisierung erfahren und eine Wirkung haben, die Schlackenfließfähigkeit zu verbessern. Beträgt der Gehalt an Na₂O jedoch mehr als 0,25% und der Gehalt an K₂O mehr als 0,3%, kann Schweißrauch im Übermaß entstehen.
Al₂O₃, MnO und MgO können zugesetzt werden, und die Schlackenviskosität zu steuern und somit die Ausbildung hochqualitativer Schweißraupen zu fördern und ein Schweißbad zu schützen. Allerdings kann es vorzuziehen sein, dass die Gehalte an Al₂O₃, MnO und MgO jeweils im Bereich von 0,5% oder weniger liegen.
Im Folgenden wird die Hülle des Schweißmaterials der beispielhaften Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Vorzugsweise kann die Hülle aus einer Legierung auf Ni-Fe-Basis gebildet werden, die Nickel (Ni) in einer Menge von 30% bis 50% enthält. Nach der beispielhaften Ausführungsform kann die Hülle, um ein Schweißmaterial für einen hochlegierten rostfreien Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit, hoher Duktilität und Hochtemperaturrissbeständigkeit bereitzustellen, aus einem hochlegierten Hüllenmaterial wie etwa einer Legierung auf Ni-Fe-Basis mit sehr geringen Gehalten an Phosphor (P) und Schwefel (S) und einem hohen Gehalt an Nickel (Ni) gebildet werden, bei dem es sich um ein hitzebeständiges Legierungselement handelt.
Da die Hülle einen hohen Nickelgehalt hat, kann der Gehalt an Chrom (Cr) reduziert werden, um die Löslichkeit von Phosphor (P) in der Hülle zu senken, und somit kann der Gehalt an Phosphor (P) im Schweißbereich minimiert werden. Da die Hülle außerdem keine Faktoren wie etwa Chromverbindungen aufweist, die eine Ausscheidungshärtung fördern, kann die Hülle über hohe Grade an Formbarkeit, Duktilität und Bearbeitbarkeit verfügen. Das heißt, es kann ein Schweißmaterial mit hohem Nickelgehalt für hitzebeständigen Stahl bereitgestellt werden.
In der beispielhaften Ausführungsform kann die Legierung auf Ni-Fe-Basis eine 36%-ige Invar-Legierung sein.
Im Folgenden wird das Flussmittel des Schweißmaterials der beispielhaften Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Das Flussmittel enthält Kohlenstoff (C): 0,1% bis 2,0%, Mangan (Mn): 2,0% bis 10,0%, Silicium (Si): 0,5% bis 8,0%, Phosphor (P): 0,01% oder weniger, Schwefel (S): 0,01% oder weniger, Chrom (Cr): 40% bis 80%, Molybdän (Mo): 0,1% bis 8,0%, TiO₂: 7% bis 25%, SiO₂: 2% bis 10% und ZrO₂: 1% bis 10% auf Grundlage des Gewichts des Flussmittels.
Kohlenstoff (C) ist ein Element, das Austenit stabilisiert und Festigkeit verbessert. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff (C) weniger als 0,1% beträgt, kann eine Hitzebeständigkeitshochtemperaturfestigkeit nicht garantiert werden. Wenn umgekehrt der Gehalt an Kohlenstoff (C) mehr als 2,0% beträgt, können Rauch und Spritzer während des Schweißens im Übermaß entstehen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Kohlenstoff (C) im Bereich von 0,1% bis 2,0% liegt.
Während des Schweißens reagiert Mangan (Mn) mit Sauerstoff (O) und Schwefel (S), und bildet Schlacke als ein Produkt von Desoxidations- und Entschwefelungsreaktionen. Aufgrund dessen sinkt der Gehalt an Mangan (Mn). In der Hinsicht wird Mangan (Mn) in einer Menge von 2,0% oder mehr zugesetzt. Wird Mangan (Mn) jedoch in einer Menge von mehr als 10% zugesetzt, nimmt die Rauchentstehung zu und die Schmelzmetallfließfähigkeit nimmt merklich ab. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Mangan (Mn) im Bereich von 2,0% bis 10,0% liegt.
Während des Schweißens wirkt Silicium (Si) zusammen mit Mangan (Mn) als Desoxidationsmittel und bildet Schlacke. Unter Berücksichtigung dessen kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Silicium (Si) im Bereich von 0,5% oder mehr liegt. Beträgt jedoch der Gehalt an Silicium (Si) mehr als 8%, nimmt die Rissbeständigkeit ab. Somit ist es vorzuziehen, dass der Gehalt an Silicium (Si) 8% oder weniger beträgt.
Phosphor (P) und Schwefel (S) sind Fremdstoffe im Flussmittel, und die Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) werden jeweils so gesteuert, dass sie 0,01% oder weniger auf Grundlage des Gewichts des Flussmittels betragen. Betragen jedoch die Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) jeweils mehr als 0,01%, nimmt die Hochtemperaturrisssensitivität zu, weil sich Phosphor (P) und Schwefel (S) im Flussmittel mit aus der Hülle und einem Grundmetall diffundiertem Phosphor (P) und Schwefel (S) mischen. Deshalb werden vorzugsweise die Gehalte an Phosphor (P) und Schwefel (S) so eingestellt, dass sie 0,01% auf Grundlage des Gewichts des Flussmittels betragen.
Chrom (Cr) ist ein Element, das rostfreien Stählen und Schweißmaterialen zugesetzt wird, um die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit zu verbessern und Austenit zu stabilisieren. Wenn es sich bei der Hülle der beispielhaften Ausführungsform um eine Legierungshülle auf Fe-Ni-Basis handelt, kann der Gehalt an Chrom (Cr) vorzugsweise 20% oder mehr betragen. Beträgt jedoch der Gehalt an Chrom (Cr) mehr als 80%, ist es schwierig, andere Grundkomponenten wie etwa Kohlenstoff (C), Mangan (Mn), Silicium (Si), und TiO₂ dem Flussmittel zuzusetzen, und somit kann kein Draht mit Flussmittelkern für ein alle Positionen umfassendes Schweißen bereitgestellt werden. Deshalb wird der Gehalt an Chrom (Cr) vorzugsweise so eingestellt, dass er 80% oder weniger beträgt.
Molybdän (Mo) wird in einer Menge von 0,1% oder mehr zugesetzt, um Hochtemperaturfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Beträgt der Gehalt an Molybdän (Mo) jedoch mehr als 8,0%, kann die Duktilität abnehmen und Drahtbruch kann häufig aufgrund einer übermäßigen Füllmenge auftreten, wenn das Schweißmaterial in Form eines Drahts hergestellt ist. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Molybdän (Mo) 8,0% oder weniger beträgt.
TiO₂ wird dem Flussmittel zugesetzt, um Lichtbogenstabilität und Schlackenbildung zu garantieren. Beträgt der Gehalt an TiO₂ weniger als 7%, ist die Lichtbogenstabilität nicht garantiert. Insbesondere kann sich Schlacke in Mengen bilden, die zu klein sind, und somit kann es sein, dass Schweißraupen nicht vollständig mit der Schlacke bedeckt werden und somit raue Oberflächen haben. Beträgt umgekehrt der Gehalt an TiO₂ mehr als 25%, ist das Zusetzen von Grundlegierungselementen wie etwa Kohlenstoff (C), Chrom (Cr), Silicium (Si) und Mangan (Mn) in das Innere eines Hüllenstreifens beschränkt und die Schweißfähigkeit kann wegen einer übermäßigen Menge an Schlacke abnehmen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an TiO₂ im Bereich von 25% oder weniger liegt.
Dem Flussmittel zugesetztes SiO₂ erhöht die Schlackenviskosität. Beträgt der Gehalt an SiO₂ jedoch weniger als 2%, hat SiO₂ eine unbedeutende Viskositätserhöhungswirkung auf das Schweißmaterial, das TiO₂ als Schlackenhauptbestandteil enthält. Beträgt umgekehrt der Gehalt an SiO₂ mehr als 10%, kann die Schlackenviskosität im Übermaß zunehmen, wodurch Defekte wie etwa Reststoffeinschlüsse und die Rissbildungsmöglichkeit aufgrund eines hohen Siliciumgehalts in einer Metallablagerung vermehrt werden. Somit kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an SiO₂ im Bereich von 10% oder weniger liegt.
ZrO₂ hat einen hohen Schmelzpunkt und erhöht somit den Schlackenschmelzpunkt, wenn es dem Flussmittel zugesetzt wird. Zu diesem Zweck beträgt der Gehalt an ZrO₂ vorzugsweise 1% oder mehr. Beträgt der Gehalt an ZrO₂ jedoch mehr als 10%, bilden sich nicht geschmolzene Funken um einen Lichtbogen. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass die Obergrenze des Gehalts an ZrO₂ 10% beträgt.
Zusätzlich kann das Flussmittel darüber hinaus mindestens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel (Ni): 8% oder weniger, Kupfer (Cu): 8% oder weniger, Aluminium (Al): 3,5% oder weniger, Magnesium (Mg): 2,5% oder weniger, Titan (Ti): 3% oder weniger und F: 8% oder weniger besteht.
Einer hitzebeständigen Legierung zugesetzter Nickel (Ni) stabilisiert Austenit und verbessert Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität. Obwohl Nickel (Ni) der aus einer Legierung auf Fe-Ni-Basis gebildeten Hülle grundsätzlich zugesetzt wird, kann Nickel (Ni) auch dem Flussmittel zugesetzt werden, um die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Duktilität zusätzlich zu verbessern. Jedoch kann es vorzuziehen sein, wenn der Zusatz anderer Komponenten erwägt wird, dass der Gehalt an Nickel (Ni) 8% oder weniger beträgt.
Obwohl Kupfer (Cu) zugesetzt werden kann, um Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit zu verbessern und die Löslichkeit von Kohlenstoff (C) zu garantieren, kann der Gehalt an Kupfer (Cu) vorzugsweise so eingestellt werden, dass er 8% oder weniger beträgt.
Aluminium (Al) und Magnesium (Mg) können zur Desoxidation, zur Entschwefelung und Mikrostrukturverfeinerung eines Schweißmetalls zugesetzt werden. Beträgt jedoch der Gehalt an Aluminium (Al) mehr als 3,5% und der Gehalt an Magnesium (Mg) mehr als 2,5%, nimmt die Oberflächenspannung des Schweißmetalls zu und somit entstehen Spritzer im Übermaß. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Aluminium (Al) 3,5% oder weniger und der Gehalt an Magnesium (Mg) 2,5% oder weniger beträgt.
Titan (Ti) kann zugesetzt werden, um Lichtbogenstabilität sicherzustellen und Korngrenzenkorrosion zu verhindern. Wird Titan (Ti) jedoch im Übermaß zugesetzt, bilden sich Carbide oder Nitride in einem Schweißbereich und somit sinkt die Duktilität. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Titan (Ti) im Bereich von 3,0% oder weniger liegt.
Fluor (F) wird dem Flussmittel in verschiedenen Formen, wie etwa CaF₂ oder AlF₆ zugesetzt, um die Schweißschlackenverteilbarkeit zu verbessern. Beträgt der Gehalt an Fluor (F) im Flussmittel jedoch mehr als 8,0%, kann die Schlackenfließfähigkeit im Übermaß zunehmen, was es schwierig macht, einen alle Positionen umfassenden Schweißprozess durchzuführen, und was die Form von Schweißraupen verschlechtert. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass der Gehalt an Fluor (F) 2,0% oder weniger beträgt.
Außerdem kann das Flussmittel darüber hinaus mindestens ein Element enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na₂O: 2,5% oder weniger, K₂O: 4,0% oder weniger, Al₂O₃; 4,0% oder weniger, MnO: 4,0% oder weniger und MgO: 4,0% oder weniger besteht.
Na₂O und K₂O werden dem Flussmittel als Alkalikomponenten zugesetzt, die mühelos eine Ionisierung erfahren und die Schlackenfließfähigkeit verbessern. Beträgt jedoch der Gehalt an Na₂O mehr als 2,5% und der Gehalt an K₂O mehr als 4,0%, entsteht Schweißrauch im Übermaß. Somit kann vorzugsweise der Gehalt an Na₂O so eingestellt werden, dass er 2,5% oder weniger beträgt, und der Gehalt an K₂O kann so eingestellt werden, dass er 4,0% oder weniger beträgt.
Al₂O₃ und MgO erhöhen die Schlackenviskosität, und MnO senkt die Schlackenviskosität. Das heißt, diese Bestandteile werden dem Flussmittel zugesetzt, um die Schlackenviskosität zu steuern, was zur Ausbildung hochqualitativer Raupen führt und ein Schweißbad schützt. Wenn die geringen spezifischen Gewichte von Al₂O₃, MnO und MgO in Erwägung gezogen wird, kann es vorzuziehen sein, dass die jeweiligen Gehalte an Al₂O₃, MnO und MgO 4,0% oder weniger betragen.
Vorzugsweise kann das Flussmittel in einer Menge von 15% bis 40% vorhanden sein. Das Füllverhältnis des Flussmittels kann entsprechend der Größe eines Füllraums und der Zusammensetzung des Flussmittels bestimmt werden, die von der Zusammensetzung, Dicke und Breite der Hülle abhängen. Beträgt die Füllmenge des Flussmittels weniger als 15%, kann es sein, dass die Flussmittelmenge unzureichend ist, um das Schweißmaterial als Draht mit Flussmittelkern für ein alle Positionen umfassendes Schweißen bereitzustellen. Beträgt umgekehrt das Füllverhältnis des Flussmittels mehr als 40%, kann häufig ein Brechen aufgrund einer Metallhülle, die zu dünn ist, während eines Ziehprozesses von Herstellungsprozessen für einen Draht mit Flussmittelkern auftreten, und somit können die Herstellungsprozesse nicht normal durchgeführt werden. Deshalb kann es vorzuziehen sein, dass das Füllverhältnis des Flussmittels im Bereich von 15% bis 40% liegt.
Ausführungsweise für die Erfindung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung im Einzelnen beschrieben. Das folgende Beispiel dient illustrativen Zwecken und soll den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Beispiele
Schweißmaterialen mit den in Tabelle 1 und 2 dargestellten Zusammensetzungen wurden hergestellt (in Tabelle 1 und 2 ist der Gehalt an jedem Bestandteil in Gew.-%, und bei dem Rest handelt es sich um Eisen (Fe) und unvermeidbare Fremdstoffe). Ein Schweißprozess wurde an einem Grundmetall durch ein in Tabelle 3 dargestelltes Schweißverfahren unter Verwendung der Schweißmaterialien durchgeführt. Danach wurden Risse, Raupenabdeckung und Defekte außer den Rissen in Schweißbereichen beobachtet, und Ergebnisse davon sind in Tabelle 4 dargestellt.

Nach dem Schweißprozess wurden das Keramikband und Schlacke entfernt und es erfolgte ein Bürsten. Es wurde festgestellt, ob sich Hochtemperaturrisse gebildet hatten, indem Risse in Ausgangschichtraupen durch einen Penetrationstest (PT) beobachtet wurden. Während des Prüfens von Hochtemperaturrissen wurde der Schweißvorgang abgeschlossen, und dann wurde auf Risse und andere Defekte hin mittels einer Durchstrahlungsprüfung (RT) geprüft. Tabelle 1

RS: Probe aus dem verwandten Stand der Technik
CS: Vergleichsprobe
IS: erfindungsgemäße Probe Tabelle 2

RS: Probe aus dem verwandten Stand der Technik
CS: Vergleichsprobe
IS: erfindungsgemäße Probe Tabelle 3

Tabelle 4

Nr.	Rissbildung	Raupenabdeckung	Defekte außer Rissen
RS 1	○	○	×
RS 2	○	○	×
RS 3	○	○	×
CS 1	○	×	×
CS 2	○	○	×
CS 3	○	○	×
CS 4	○	×	○ (Einschlüsse)
CS 5	○	○	×
CS 6	○	○	×
CS 7	○	○	×
CS 8	○	×	×
IS 1	×	○	×
IS 2	×	○	×
CS 9	○	○	×
IS 3	×	○	×
CS 10	○	○	×
IS 4	×	○	×
CS 11	×	×	○ (Einschlüsse)
IS 5	×	○	×
IS 6	×	○	×

RS: Probe aus dem verwandten Stand der Technik
CS: Vergleichsprobe
IS: erfindungsgemäße Probe

Rissbildung: ○ trat auf, × trat nicht auf
Raupenabdeckung: ○ gut, × schlecht
Defekte außer Risse: ○ Defekt, × kein Defekt

Wie in Tabelle 4 dargestellt ist, wurden im Falle von die Bedingungen der vorliegenden Offenbarung erfüllenden Schweißmaterialien keine Risse und andere Defekte beobachtet und hochqualitative Raupen ausgebildet. Das heißt, die Schweißmaterialien hatten einen hohen Grad an Schweißbarkeit.
Im Falle der Proben aus dem verwandten Stand der Technik und der Vergleichsproben 1 bis 8 jedoch, die aus herkömmlichen Stählen der Serie 300 bestehende Hüllen hatten, wurden Risse in Schweißbereichen beobachtet. Im Falle der Vergleichsbeispiele 9, 10 und 11, die aus Legierungen mit hohem Ni-Fe-Gehalt bestehende Hüllen hatten, aber die in der vorliegenden Offenbarung nicht vorgeschlagene Zusammensetzung erfüllten, wurden Risse in Schweißbereichen oder eine schlechte Raupenabdeckung oder andere Defekte beobachtet.

Claims

Schweißmaterial für hitzebeständigen Stahl, wobei das Schweißmaterial ein Flussmittel und eine das Flussmittel umgebende Hülle umfasst, wobei das Schweißmaterial, in Gew.-%, Kohlenstoff (C); 0,03% bis 0,3%, Mangan (Mn): 0,5% bis 3,0%, Silicium (Si): 0,1% bis 2,0%, Phosphor (P): 0,01% oder weniger, Schwefel (S): 0,01% oder weniger, Nickel (Ni): 20% bis 40%, Chrom (Cr): 15% bis 35%, TiO₂: 3% bis 7%, SiO₂: 0,5% bis 2,5%, ZrO₂: 0,5% bis 2,5% und einen Rest aus Fe und unvermeidlichen Fremdstoffen enthält, wobei die Hülle eine Legierung auf Ni-Fe-Basis mit einem Nickelgehalt von 30% bis 50% umfasst.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei ein Gesamtgehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) im Schweißmaterial 0,012% oder weniger beträgt.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei das Schweißmaterial darüber hinaus mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän (Mo): 2,0% oder weniger, Kupfer (Cu): 1,0% oder weniger, Aluminium (Al): 0,5% oder weniger und Magnesium (Mg): 0,5% oder weniger besteht.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei das Schweißmaterial darüber hinaus mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan (Ti): 0,5% oder weniger, Fluor (F): 0,5% oder weniger, Na₂O: 0,25% oder weniger, K₂O: 0,3% oder weniger, Al₂O₃: 0,5% oder weniger, MnO: 0,5% oder weniger und MgO: 0,5% oder weniger besteht.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Legierung auf Ni-Fe-Basis um eine Invar-Legierung handelt.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel, in Gew.-%, Kohlenstoff (C); 0,1% bis 2,0%, Mangan (Mn): 2,0% bis 10,0%, Silicium (Si): 0,5% bis 8,0%, Phosphor (P): 0,01% oder weniger, Schwefel (S): 0,01% oder weniger, Chrom (Cr): 40% bis 80%, Molybdän (Mo): 0,1% bis 8,0%, TiO₂: 7% bis 25%, SiO₂: 2% bis 10%, ZrO₂: 1% bis 10% und einen Rest aus Eisen (Fe) und unvermeidlichen Fremdstoffen enthält.
Schweißmaterial nach Anspruch 6, wobei ein Gesamtgehalt an Phosphor (P) und Schwefel (S) im Flussmittel 0,01% oder weniger beträgt.
Schweißmaterial nach Anspruch 6, wobei das Flussmittel darüber hinaus mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel (Ni): 8% oder weniger, Kupfer (Cu): 8% oder weniger, Aluminium (Al): 3,5% oder weniger, Magnesium (Mg): 2,5% oder weniger, Titan (Ti): 3% oder weniger und Fluor (F): 8% oder weniger besteht.
Schweißmaterial nach Anspruch 6, wobei das Flussmittel darüber hinaus mindestens ein Element enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na₂O: 2,5% oder weniger, K₂O: 4,0% oder weniger, Al₂O₃; 4,0% oder weniger, MnO: 4,0% oder weniger und MgO: 4,0% oder weniger besteht.
Schweißmaterial nach Anspruch 1, wobei das Füllverhältnis des Flussmittels 15% bis 40% beträgt.