NO179483B - Fremgangsmåte for å opprette diffusjonsbinding mellom korrosjonsbestandige materialer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å opprette diffusjonsbinding mellom korrosjonsbestandige materialer, og som kan utnyttes for dif fusjonsbinding mellom høylegerte, korrosjonsbestandige materialer med Ni- eller Fe-basis.

Det foreligger mange sådanne høylegerte, korrosjonsbestandige materialer på Ni-basis eller Fe-basis. Disse materialer oppviser utmerket korrosjonsbestandighet på grunn av sitt høye innhold av Ni og/eller Cr og er i stand til å motstå forholdsvis kraftig korroderende omgivelser. Når disse materialer utnyttes som konstruksjonsmaterialer, blir de ofte sammenføyet ved sveising. Ved sveising av høylegerte materialer er imidlertid sveisesprekker uunngåelig.

Blant de mest typiske høylegerte, korrosjonsbestandige materialer som er gjenstand for sveisesprekker er de korrosjonsbestandige materialer på en Ni-basis og Fe-basis, slik som de materialer som utnyttes for høytemperaturutstyr, samt overtrukkede stålrør hvor rustfritt stål eller høylegert stål på en Ni- eller Fe-basis utnyttes som overtrekksmaterial.

I varmekraftstasjoner, kjernekraftstasjoner og kjemiske anlegg må utstyr av forskjellig art arbeide ved høye temperaturer. De materialer som anvendes for sådant høytemperaturutstyr må ha mange forskjellige egenskaper, innbefattet bestandighet overfor oksydasjon i dampomgivelser, korrosjonsbestandighet ved høye temperaturer, fasthet ved høye temperaturer, krype-bruddstyrke, samt god fasthet overfor utmatting. Krak-kuleringsrør for bruk i utstyr i fremstilling av etylen anvendes for eksempel ved en temperatur på 800'C eller høyere, således at de må kunne motstå høytemperaturkorrosjon og ha god krypebrudds tyrke.

Høylegerte materialer for sådant høytemperaturutstyr har vanligvis blitt sammenføyet ved sveising. Da de imidlertid har et høyt karboninnhold eller de inneholder et stort antall legeringselementer, er de i høy grad utsatt for sveisesprekker, og det er da vanskelig å unngå en nedsatt høytemperatur-fasthet i sveisepunktet. Såkalt TIG-sveising, hvor varmetil-førselen under sveisingen er nedsatt, er blitt meget brukt for sveising av sådanne materialer, men sveisesprekker kan likevel ikke hindres fullstendig, og sveiseeffektiviteten ved TIG-sveising bør være lav for å unngå at det opptrer sveisesprekker .

Kjemiske fabrikkanlegg og rørledninger utnytter.ofte såkalte overtrukkede, rustfrie stålrør med et innerrør (foring) av rustfritt stål for transport av korroderende væsker. Disse forede rør er fremstilt ved å kombinere et ytre rør av lavlegert stål eller karbonstål med et indre rør i rustfritt stål for derved å danne et sammenstilt foret rør. Innerrøret av rustfritt stål gir korrosjonsbestandighet overfor den væske som strømmer gjennom rørkombinasjonen, mens ytterrøret av lavlegert stål eller karbonstål gir den forede rørsammen-stilling den påkrevede styrke. Rustfrie, forede stålrør av denne type er funnet å være økonomiske og praktiske. Rustfrie, forede stålrør bestående av et innerrør av lavlegert stål eller karbonstål samt et ytterrør av rustfritt stål utnyttes også hyppig i kjemiske fabrikkanlegg og lignende når bare utsiden av den overtrukkede rørsammenstilling krever korrosjonsbestandighet .

Når rustfrie, overtrukkede stålrør sammenføyes ved konvensjonelle sveisemetoder opptrer imidlertid forskjellige problemer, således at det vil være nødvendig å utvise spesiell omhu ved sveising av disse materialer. Således omtaler japansk tilgjengeliggjort patentansøkning nr. 58-167094 en sveisemetode for et flerlagsrør hvor forskjellige sveisematerialer anvendes for hvert sjikt.

Selv når en sådan sveisemetode anvendes, er det imidlertid meget vanskelig å utføre omkretssveising av overtrukkede stålrør. Noen av problemene med å utføre en omkretssveis på et rustfritt, overtrukket stålrør som har et rustfritt stålrør på innsiden av den overtrukkede rørsammenstilling, vil bli beskrevet nedenfor.

Omkretssveising av et stålrør utføres normalt fra utsiden av røret, og metall med lignende sammensetning som i røret utnyttes som sveisematerial. Når stålrør med indre, rustfri foring sveises fra utsiden ved ensidig sveising, og hvis sveisematerial av rustfritt stål anvendes for å sveise den indre foring og sveisematerial av karbonstål utnyttes for å sveise det ytre basismetall, vil når basismetallet sveises, en del av sveisematerialet i rustfritt stål for den indre foring, som allerede er blitt sveiset, bli smeltet ned på nytt. Dette gjensmeltede sveisematerial i rustfritt stål spes ut av sveisematerialet i rustfritt stål og størknes til å danne et herdet sjikt. Som en følge av dette vil det dannes sprekker i sveisepartiet, og alt etter sammensetningen av det rustfrie stål vil det bli dannet koldsveisesprekker og varmsveise-sprekker. Når et høylegert sveisematerial anvendes for å sveise både innerrøret og ytterrøret, foreligger på den annen side mulighet for utilstrekkelig sveisestyrke. I det tilféllet rustfritt stål opptrer på utsiden av ytterrøret, vil det videre opptre galvanisk korrosjon på grunn av kontakten mellom det rustfrie stål og karbonstålet.

Hvis en sveisemetode av den art som er angitt i den allment tilgjengelige japanske patentansøkning nr. 58-167094 anvendes, må sveisematerialet og sveisebetingelsene i rekkefølge for-andres for det indre lag, det midtre lag og det ytre sjikt, således at sveiseprosessen blir komplisert. Videre vil ved denne fremgangsmåte sveisens kvalitet i høy grad avhenge av sveiserens dyktighet, således at sveisekvaliteten vil være sterkt varierende. Et større problem er det imidlertid at det for å forhindre sveisefeil er nødvendig å nedsette sveise-hastigheten, således at sveiseprosessens effektivitet vil være ytterst lav.

En annen fremgangsmåte som kan utnyttes for å sammenføye høy-legerte, korrosjonsbestandige materialer er diffusjonsbinding. Diffusjonsbindingen har den fordel at den nesten ikke frem-bringer noen deformasjon under bindingsprosessen og at varme-virkningene er lave. Konvensjonelle diffusjonsbindingsmetoder har imidlertid den ulempe at de er meget tidkrevende og lite funksjonseffektive. Da diffusjonsbinding oftest utføres under undertrykk, har videre utstyrsomkostningene en tendens til å bli høye.

Det er et formål for den foreliggende oppfinnelse å komme frem til en fremgangsmåte for å sammenføye høylegerte, korrosjonsbestandige materialer og som kan utføres med høy effektivitet og på enkel måte.

Et annet formål for foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en fremgangsmåte for sammenføyning av materialer for høy-temperaturutstyr og som kan gi sammenføyningen de egenskaper som er påkrevet for høylegerte, korrosjonsbestandige materialer for bruk i høytemperaturutstyr.

Enda et annet formål for foreliggende oppfinnelse er å angi en fremgangsmåte for å forbinde rustfritt eller høylegert overtrukkede stålrør og derved opprette en frisk rørskjøt på enkel måte og med høy funksjonseffektivitet.

Ved utnyttelse av foreliggende oppfinnelse er det tatt sikte på å utnytte de ovenfor nevnte fordeler ved diffusjonsbinding. Ved tidligere utnyttelse har det vært antatt at diffusjonsbinding ikke kan effektivt anvendes for forbedring av korrosjonsbestandigheten, da forskjellige materialer benyttes og et innleggsmaterial fører til en senkning av korrosjonsbestandigheten. Ved utprøvning av diffusjonsbinding på høylegerte, korrosjonsbestandige materialer med henblikk på å oppnå forbedret korrosjonsbestandighet, ble det funnet at det var nødvendig å utføre homogeniserende diffusjon ved oppvarming under en lengre tidsperiode enn vanlig. Dette betyr at vanlig diffusjonsbinding neppe er fordelaktig ut i fra et praktisk synspunkt.

Det ble så prøvd diffusjonsbinding med flytende fase. I kraft av denne utnyttelse av flytende fasediffusjon og ved anvendelse av et innleggsmaterial med strengt avgrenset materialsammensetning og tykkelse viste det seg overraskende at det for første gang var mulig å utføre diffusjonsbinding mellom høylegerte, korrosjonsbestandige materialer effektivt og lett samtidig som forbedret korrosjonsmotstand ble oppnådd.

Særlig når det gjelder høylegerte, korrosjonsbestandige materialer for høytemperaturutstyr, og smeltetemperaturen for innleggsmaterialet er høy, således at sprekker yil kunne opptre i skjøten slik som ved nedsmeltning, vil det imidlertid heller ikke være lett å forhindre varmsprekkdannelse ved diffusjonsbinding.

Når det gjelder det rustfrie, overtrukkede stålrør, vil det i tillegg til problemene med hensyn til kold og varm sprekkdan-nelse, fremdeles også være vanskelig å utføre diffusjonsbinding i flytende fase med høy effektivitet og samtidig oppnå en skjøt med god korrosjonsbestandighet.

Det ble under utvikling av oppfinnelsen utført forskjellige forsøk for å løse slike problemer. Som en følge av dette ble det gjort følgende oppdagelser med hensyn til diffusjonsbinding av materialer for høytemperaturutstyr og særlig sådanne materialer for bruk ved en temperatur på 700'C eller høyere.

For å hindre varmsprekking under diffusjonsbinding av materialer for høytemperaturutstyr, er det nødvendig å holde smeltetemperaturen for innleggsmaterialet på ikke høyere enn 1150"C. Et sådant innleggsmaterial kan oppnås ved tilsats av minst ett av elementene Si og B. Hvis Cr og Mo også er tilført i tillegg til nevnte minst ene element Si og B, vil skjøtens bestandighet overfor høytemperaturoksydasjon samt høytempera-turstyrke forbedres betraktelig. De nevnte elementer blir tilstrekkelig diffundert og virker effektivt ved oppvarming i minst 120 sekunder. Mellomlegget av innleggsmaterial garante-rer vedheftning, således at en viss tykkelse vil være nødven-dig, men det må ikke være for tykt, da skjøtens krypebrudd-styrke og bestandighet overfor,høytemperaturoksydering da vil avta.

Oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for å opprette diffusjonsbinding mellom korrosjonsbestandige materialer ved at et innleggsmaterial med et smeltepunkt på høyst 1150'C og tykkelse 10 - 80 (i.m anordnes mellom bindingsf låtene på de to legemer som skal sammenføyes, og at bindingsgrensesnittet mellom de to legemer varmes opp ved indusert høyfrekvensenergi til 1150 - 1250<*>C i minst 120 sekunder, mens det utøves et trykk av 0,5 - 2 kp/mm<2> på bindingsflåtene, hvorved innleggsmaterialet smelter. På denne bakgrunn av kjent teknikk har da fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at det benyttes et innleggsmaterial som angitt i vekt% inneholder 5 - 40 % Cr og enten Si eller B, eller begge, i en mengdeandel av henholdsvis inntil 8 % Si og inntil 4 % B, 0 - 10 % Mo og resten minst en av Fe og Ni samt eventuelle forurensninger, og at oppvarmingen utføres i en atmosfære som inneholder høyst 2 00 ppm oksygen.

I henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er de korrosjonsbestandige materialer som skal sammenføyes høylegerte materialer for bruk i høytemperatur-utstyr og som angitt i vekt% hovedsakelig består av: 0,05 - 0,5 % C, 1 - 2,5 % Si, 0,1 - 1,5 % Mn, 20 - 45 % Ni og 22 - 30 % Cr, samt eventuelt ett eller flere av følgende elementer i følgende prosentandeler: 1,8 - 2,2 % Mo,

0,2 - 0,8 % Ti, 0,002 - 0,007 % B og 0,01 - 0,05 % Zr, samt resten Fe og tilfeldige forurensninger.

I henhold til en annen utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte er det korrosjonsbestandige material som skal sammenføyes et overtrukket stålrør med et ytterrør av karbonstål eller lavlegert stål samt et innerrør av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål. I dette tilfellet er det å foretrekke at de materialer som skal sammenføyes oppvarmes ved høyfrekvens-induksjon under anvendelse av en effektkilde med induksjonsfrekvens på 2 - 400 kHz.

Alternativt kan det overtrukkede stålrør omfatte et ytterrør av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål samt et innerrør av karbonstål eller lavlegert stål. I dette tilfellet oppvarmes fortrinnsvis de materialer som skal sammenføyes ved høyfrekvensinduksjon under utnyttelse av en effektkilde med induksjonsfrekvens på høyst 10 kHz.

Foreliggende oppfinnelse er rettet på sammenføyning av høy-legerte, korrosjonsbestandige materialer hvor høy korrosjonsbestandighet er påkrevet. Innleggsmaterialet har derfor en tykkelse på 10 - 80 \ im, og ved å gjøre bindingstiden minst 120 sekunder, kan dannelse av en (Cr, Mo)-uttappet sone unngås, og en nedsatt korrosjonsbestandighet forhindres. Ved å utnytte diffusjonsbinding på ukonvensjonell måte for å opprettholde korrosjonsbestandigheten, ble det funnet at sammenføyning av høylegerte, korrosjonsbestandige materialer var mulig, og-det må da erkjennes at det da ble oppnådd fullstendig uventede resultater ved oppfinnelsens fremgangsmåte.

Den allment tilgjengelige japanske patentansøkning nr. 55-57389 angir en fremgangsmåte for binding av ferrolegerings-deler ved anvendelse av et innlegg med minst ett av elementene Fe, Ni og Co som hovedkomponent samt med ytterligere innhold av B, Si og hvis nødvendig Cr. Ved denne fremgangsmåte er imidlertid innleggsmaterialet forholdsvis tykt med en tykkelse på 0,1 - 1 mm, og ved å utøve en trykk-kraft på minst 3 kp/mm<2 >under bindingen, ble det smeltede innleggsmaterial drevet ut til sidene sammen med B203 og Si2 som dannes under bindingen.

De oppnådde forskningsresultater under utvikling av foreliggende oppfinnelse viser imidlertid at hvis diffusjonsbindingen i væskefase under redusert trykk-kraft utføres ved en sådan fremgangsmåte, vil et ganske tykt grensesjikt bli igjen og en (Cr, Mo)-uttappet sone bli dannet, hvor korrosjon er uunngåelig, og hvis ikke sammentrykningskraften reduseres vil en betraktelig grad av deformasjon opptre i skjøten.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det også fordelaktig at når en varmeutvidelse i lengderetningen og frembragt ved induksjonsoppvarming tilbakeholdes, kan materialene som skal sammenføyes stukes uten påføring av ytre krefter.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere forklart under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Figur 1 er en skjematisk skisse av et bindingsapparat for utførelse av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse . Figurene 2a og 2b viser skjematisk et prøvestykke for en side-bøyningsprøve. Figur 3 viser skjematisk et prøvestykke for krypestyrkeprøve. Figurene 4a og 4b viser skjematisk et prøvestykke for side-bøyning. Figurene 5a og 5b viser skjematisk et prøvestykke for grop-tæringsprøve.

I det følgende vil nu grunnlaget for grensebetingelsene i for-bindelse med oppfinnelsens fremgangsmåte bli nærmere angitt. Hvis ikke annet er spesifisert, vil prosentangivelsene henføre seg til vekt%.

Innleggsmaterial

Det innleggsmaterial som anvendes for bindingen har en sammensetning som angitt i det følgende samt et smeltepunkt på høyst 1150<*>C. Hvis innleggsmaterialets smeltepunkt overskrider 1150<*>C, vil materialets oppvarmingstemperatur ved bindings-tidspunktet bli høy, og det vil foreligge muligheter for varmsprekking og tap av økonomiske fordeler.

Si, B:

Minst ett av disse elementer er nødvendig for å senke smeltepunktet for innleggsmaterialet. Den nedre anvendsgrense for disse materialer er nettopp et slikt nivå som gir et smeltepunkt på høyst 1150<*>C. Disse elementer kan lett diffundere inn i vertsmetallet. Hvis imidlertid det foreligger i større mengder, kan de ikke lenger hindre at materialet i skjøten blir sprøtt.

Den øvre grense for Si er 8 %, mens den øvre grense for B er

4 %. Si og B adderes i sin virkning for å senke smeltepunktet. Det er fordelaktig å addere disse elementer i kombinasjon, heller enn at de foreligger hver for seg. Foretrukkede til-satsområder for disse elementer er 2 - 8 % for Si og 0,1 - 2 % for B.

Cr:

Tilsats av Cr øker bestandigheten overfor høytemperaturoksyda-sjon av skjøten. Dette element er imidlertid ikke virksomt når det foreligger i en mengdeandel på mindre enn 5 %, mens det gir sprøtt material i skjøten hvis det overskrider 40 %. Grensene for Cr er følgelig fortrinnsvis 5 - 40 % og helst 15 - 30 %.

Mo:

Mo kan tilsettes hvis nødvendig for å forbedre korrosjonsbestandigheten og høytemperaturfastheten for skjøten. Hvis det imidlertid foreligger i for store mengder, vil det gjøre skjøten sprø. Dets andel er derfor begrenset til høyst 10 %. Hvis det tilsettes bør dets prosentandel fortrinnsvis være 1 - 7 %.

Innleggsmaterialet kan være et material på Ni-basis eller på Fe-basis, eller det kan inneholde både Fe og Ni. For å oppnå en skjøt med god korrosjonsbestandighet, er det imidlertid å foretrekke at innleggsmaterialet er på Ni-basis eller har et høyt innhold av Ni. Innleggsmaterialet har fortrinnsvis en ikke-krystallinsk struktur. Selv om innleggsmaterialet har den ovenfor beskrevne kjemiske sammensetning, er det lett å nedsette tykkelsen ved å fremstille en tynn folie med ikke-krystallinsk struktur direkte fra smeltet metall, og dets fremstilling blir da lettere og mer økonomisk.

Hvis innleggsmaterialets tykkelse er mindre enn 10 [lm, kan uregelmessighetene i bindingsflåtene ikke opptas, og god vedheftning i grensefasen mellom de legemer som skal sammenføyes kan ikke oppnås. Hvis på den annen side tykkelsen er større enn 80 um, vil det ikke være mulig å oppnå en skjøt med tilstrekkelig fasthet og bestandighet overfor høytemperatur-oksydasjon i løpet av et kort tidsrom. Dette forholder seg slik fordi etterhvert som tykkelsen av innleggsmaterialet øker, kan under bindingsprosessen elementene i innleggsmaterialet ikke diffundere tilstrekkelig innenfor et kort tidsrom, og Si og B vil forbli i skjøten og gi sprøhet.

Bindingsbetingelser

Blant betingelsene for binding, er oksygeninnholdet i atmosfæren omkring skjøten, bindingstemperaturen, det utøvede trykk, lengden av det tidsrom hvor bindingen utføres, samt induksjonsoppvarmingens frekvens av viktighet. Grensene for disse parametre er gitt nedenfor.

Oksygeninnholdet i bindingsatmosfæren

For å hindre en senkning av skjøtens styrke på grunn av oksydasjon av skjøtens grensesnitt, er det nødvendig å gjøre oksygeninnholdet lavt i atmosfæren omkring skjøten. Hvis oksygeninnholdet overskrider 200 ppm, vil skjøtens styrke bli nedsatt på grunn av oksydasjon.

Bindingstemperatur

Hvis bindingstemperaturen er lavere enn 1150'C, vil det fore-komme tilfeller hvor innleggsmaterialet ikke kan nedsmeltes. Selv om innleggsmaterialet kan smeltes, kan det videre hende at diffusjonen av de elementer (Si, B) som senker smeltepunktet ikke vil finne sted i tilstrekkelig grad fra innleggsmaterialet inn i grunnmetallet eller at den tid som kreves for denne diffusjon blir for lang, hvilket vil føre til lav arbeidseffektivitet. Hvis på den annen side bindingstemperaturen er for høy, vil det foreligge fare for varmopp-sprekking, og kornstørrelsen i nærheten av skjøten vil bli grovere og gi nedsatt fasthet. Bindingstemperaturen bør derfor fortrinnsvis være 1150 - 1250"C.

Bindingstrykk

Det trykk som utøves på de flater som skal sammenføyes må være minst 0,5 kp/mm<2> for å opprettholde vedheftningen i skjøtens grensesnitt. Hvis imidlertid dette trykk overskrider 2 kp/mm<2 >kan en vesentlig deformering av skjøten finne sted. Bindingstrykket er derfor fortrinnsvis 0,5 - 2 kp/mm<2>. Dette bindingstrykk kan utøves ved påføring av ytre krefter eller ved å hindre den varmeutvidelse som finner sted under bindingsprosessen, i en lengderetning av de materialer som skal sammen-føyes .

Bindingstid

Bindingstiden er begrenset til minst 120 sekunder for å oppnå god vedheftning mellom de flater som skal sammenføyes, for derved å kunne oppnå tilstrekkelig diffusjon av de elementer som senker smeltepunktet (B og Si) og for å garantere skjøtens materialfasthet og korrosjonsbestandighet. Det foreligger ingen spesiell øvre grense for bindingstiden, men ut i fra et økonomistandpunkt vil det være bedre jo kortere bindingstiden er, all den stund bindingstiden er tilstrekkelig til å sikre diffusjon. Fortrinnsvis er bindingstiden 600 sekunder eller mindre.

Induks j onsoppvarmingens frekvens

Foreliggende oppfinnelse utnytter høyfrekvens induksjonsoppvarming for å varme opp omgivelsene av bindingsflaten fra utsiden. Det foreligger ingen spesiell grense for frekvensen. Ved binding av høylegerte materialer vil imidlertid, hvis induksjons frekvensen er mindre enn 2 kHz, oppvarmingens effektivitet bli for lav, således at oppvarmingen blir uøkonomisk. Hvis på den annen side frekvensen overskrider 400 kHz, særlig ved sammenføyning av stålrør med rustfritt overtrekk, vil skinneffekten gjøre seg gjeldende, således at det for eksempel ved sammenføyning av rør vil bli vanskelig å oppnå jevnt fordelt oppvarming og nedsmeltning av innleggsmaterialet. Følgelig bør induksjonsoppvarmingens frekvens fortrinnsvis være 2 - 400 kHz, og helst 2-20 kHz.

Ved de nedenfor beskrevne utførelser av foreliggende oppfinnelse, utnyttes stålrør med rustfritt overtrekk som høylegert, korrosjonsbestandig material for høytemperaturutstyr. Sammensetningen av høylegert, korrosjonsbestandig material for bruk i henhold til foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet nedenfor.

Materialer for sammenføyning (grunnmateriale)

Det foreligger ingen spesiell begrensning for de høylegerte materialer som kan sammenføyes ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. I henhold til en foretrukket utførelsesmodus av oppfinnelsen, har imidlertid materialene følgende sammensetning angitt i vekt%: 0,05 - 0,5 % C, 1-2,5% Si,

0,1 - 1,5 % Mn, 20 - 45.% Ni, 22 - 30 % Cr, eventuelt ett eller flere av elementene 1,8 - 2,2 % Mo, 0,2 - 0,8 % Ti, 0,002 - 0,007 % B og 0,01 - 0,05 % Zr, samt resten Fe og tilfeldige forurensninger.

Grunnen til at det er satt visse grenser for de forskjellige kjemiske elementer er som følger.

C:

Karboninnholdet er fortrinnsvis minst 0,05 % for å sikre materialstyrke. Hvis karboninnholdet overskrider 0,5 % vil det opptre sprøhet på grunn av utfelling av karbider. Mengden av C er fortrinnsvis 0,05 - 0,5 %, og helst 0,05 - 0,2 %.

Si:

Si foreligger fortrinnsvis i en mengdeandel på minst 1 % for å opprettholde bestandighet overfor høytemperaturoksydasjon samt motstand mot karburering. Hvis imidlertid Si-innholdet overskrider 2,5 %, vil sprekker fremkomme under varmbearbeiding på grunn av eutektiske områder med lavt smeltepunkt, således at den øvre grense for Si-innholdet vil være 2,5 %. Fortrinnsvis er Si-innholdet 2 % eller mindre.

Mn:

Mn er et desoksyderende element og må foreligge i en mengde på minst 0,1 %. Hvis dets innholdsandel er for høy, vil imidlertid varmbearbeidbarheten bli nedsatt. Den øvre grense for Mn-innholdet er derfor fortrinnsvis 1,5 %.

Ni :

Ni-innholdet er minst 20 % for å garantere stabiliteten av en austenitt-fase ved høye temperaturer. Av økonomiske grunner er den øvre grense for innholdet satt til 45 %. Fortrinnsvis er Ni-innholdet 30 - 40 %.

Cr:

Cr virker slik at det opprettholder bestandigheten overfor høytemperaturoksydasjon. Det er virksomt i mengder på minst 22 %. Hvis imidlertid Cr-innholdet overskrider 30 %, vil det bli vanskelig å opprettholde varmbearbeidbarheten. Cr-innholdet er derfor 22 - 30 % og fortrinnsvis 22 - 27 %.

Mo, Ti, B og Zr:

Disse elementer virker slik at de opprettholder krypestyrken. Mo, Ti og Zr øker krypestyrken ved å styrke korngrensene, og B øker krypestyrken ved å forbedre duktiliteten. Virkningen avhenger imidlertid av vedkommende element. Hvis imidlertid mengdeandelen av et av disse elementer er for høy, vil videre varmbearbeidbarheten avta. De grenser som er satt for disse elementer er derfor 1,8 - 2,2 % for Mo, 0,2 - 0,8 for Ti, 0,002 - 0,007 % for B og 0,01 - 0,05 % for Zr.

I tillegg til de ovenfor angitte elementer kan Al også tilsettes, fortrinnsvis i en mengdeandel på 0,005 - 0,2 %.

Et høylegert, korrosjonsbestandig material med den ovenfor beskrevne sammensetning kan ekstruderes til å danne et smidd rør med samme materialstyrke som et sentrifugalstøpt rør. Det resulterende rør oppviser den nødvendige korrosjonsbestandighet og mekaniske fasthet for høytemperaturutstyr, særlig ved en temperatur over 700<*>C.

Alternativt kan det ovenfor beskrevne, korrosjonsbestandige material utnyttes i et stålrør med rustfritt overtrekk og som fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse kan utøves på.

Oppvarmingsbetingelsene vil nå først bli beskrevet for et innvendig belagt stålrør bestående av et ytterrør av karbonstål eller lavlegert stål som tjener som basismetall,. samt et indre rør av rustfritt stål eller et høyt Ni-legert stål som gjør tjeneste som overtrekksmaterial.

Når to stålrør anordnes ende mot ende og skal sammenføyes ved høyfrekvensoppvarming, vil den skinneffekt som frembringes av høyfrekvensfeltet gjøre at varmen konsentreres ved den ytre overflate av stålrørene. Ved sammenføyning av innvendig belagte stålrør blir derfor ytterrøret av karbonstål eller lavlegert stål oppvarmet til en høyere temperatur enn inner-røret av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål, på grunn av den høyere varmeledningsevne for ytterrøret. Ved oppvarming ved hjelp av en høyfrekvens på 2 - 400 kHz vil det derfor være mulig å varme opp til en temperatur hvor såvel de ytre som de indre rør kan sammenføyes, og innleggsmaterialet nedsmeltes i tilstrekkelig grad. Hvis frekvensen er mindre enn 2 kHz, vil skinneffekten være for liten og innerrøret bli oppvarmet raskere enn ytterrøret, og på grunn av den høye varmeledningsevne for det ytre rør av karbonstål eller lavlegert stål, kan det hende at innerrøret av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål blir overhetet samt kan smelte og det faller ut. Hvis på den annen side frekvensen overskrider 400 kHz, kan skinn-ef fekten i det ytre bli for stor, således at bare det ytre rør blir oppvarmet uten at innerrøret varmes opp, innleggsmaterialet nedsmeltes ikke i tilstrekkelig grad og en hen-siktsmessig skjøt ikke kan opprettes.

Når et innvendig overtrukket stålrør med et ytterrør av karbonstål eller lavlegert stål samt et innerrør av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål skal sammenføyes, settes følgelig oppvarmingens frekvens til 2 - 400 kHz. Oppvarmingsbetingelsene vil så bli beskrevet for et utvendig overtrukket stålrør bestående av et ytterrør av rustfritt stål eller Ni-legert stål samt et innerrør av karbonstål eller lavlegert stål.

I dette tilfellet utføres oppvarmingen ved hjelp av en høyfre-kvens på høyst 10 kHz. Hvis oppvarmingens frekvens overskrider 10 kHz, vil på grunn av skinneffekten og forskjellen i varmeledningsevne mellom innerrøret og ytterrøret, bare det ytre

rør bli oppvarmet, mens oppvarmingen av innerrøret blir

utilstrekkelig og innleggsmaterialet ikke smeltes ned i tilstrekkelig grad, således at en passende skjøt ikke kan oppnås.

Det foreligger ingen spesiell nedre grense for oppvarmingsfrekvensen, men fra et økonomistandpunkt anvendes fortrinnsvis en frekvens på minst 0,5 kHz.

Eksempler

Et antall utførelseseksempler for fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet.

Eksempel 1

Stålrør med en ytterdiameter på 60 mm og en veggtykkelse på 7 mm ble ekstrudert til å danne smidde rør under utnyttelse av

seks typer av austenittisk høytemperaturstål med materialsammensetninger som vist i tabell 1.

Disse stålrør ble sammenføyet ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse og på den måte som er vist i figur 1. To av rørene 2a og 2b ble fastholdt av klemmer 3a og 3b, slik som vist i figur 1, med sine ytterender i anlegg mot hverandre med et mellomlegg av innleggsmaterial innenfor en oppvarmingsspole 1 som også gjør tjeneste som avskj ermingskammer.

Alle seks typer av smidde rør var beregnet for bruk ved 700'C eller over. Innleggsmaterialene var flate, amorfe sjikt dannet ved sprøyting av en smelte mot overflaten av roterende valser og størkning av smeiten ved rask nedkjøling. Syv forskjellige typer av innleggsmaterial med materialsammensetninger som vist i tabell 2 ble anvendt.

Etter at rørene 2a og 2b var festet i klemmene 3a og 3b, ble nitrogengass innført i skjermkammeret for å nedsette oksygen-konsentrasjonen til 150 ppm eller mindre. Oppvarmingsspolen 1 ble så tilført energi fra en høyfrekvens effektkilde 4 for oppvarming av ytterendene av rørene 2a og 2b. Denne oppvarming av ytterendene av rørene 2a og 2b frembragte da aksial utvidelse, som førte til at trykk ble påført de tilstøtende endeflater av rørene. Trykket på ytterendene av rørene 2a og 2b ble variert ved å forandre ettergivenheten eller posi-sjonene av klemmene 3a og 3b, mens oppvarmingstemperaturen ble innstilt ved å regulere kilden 4 for høyfrekvenseffekt.

Etter at rørene 2a og 2b var innbyrdes sammenføyet, ble skjøtens kvalitet vurdert ved en korrosjonsbestandighetsprøve, en sidebøyningsprøve samt en krypeprøve.

Ved korrosjonsbestandighetsprøven ble prøvestykker nedsenket i karbonpulver i 100 timer ved 1100<*>C, hvoretter korrosjonsdybden i tverrsnitt av prøvestykkene ble målt.

Sidebøyningsprøven ble utført ved anvendelse av et prøvestykke av den art som er vist i figurene 2a og 2b. Prøvestykket 12

(6 mm tykt og 140 mm langt) og med en skjøt 10 ble bøyet sideveis (om en akse parallelt med prøvestykkets sideflater) i 180' med en bøyeradius lik to ganger tykkelsen av prøve-stykket, og ble så undersøkt for nærvær av sprekker.

Krypeprøven ble utført ved anvendelse av et prøvestykke slik som det viste i figur 3. Prøvebetingelsene, som er vist i tabell 3, avhenger av stålrørets materialsammensetning. Krypestyrken ble bedømt frem til tidspunktet for krypebrudd.

Prøveresultatene og bindingsbetingelsene er vist i tabell 4. Korrosjonsbestandigheten ble vurdert ut i fra forholdet mellom korrosjonsdybden i skjøten og tilsvarende dybde i basismetallet. En verdi på 1,0 +/- 0,2 angir korrosjonsbestandighet tilsvarende basismetallets. Resultatene av sidebøyningsprøven er angitt ved en SIRKEL (ingen sprekker) eller ved en X (sprekker). Krypestyrken er uttrykt som forholdet mellom krypebruddtiden for prøvestykket og krypebruddtiden for basismetallet.

Når en binding er utført i samsvar med oppfinnelsens fremgangsmåte ble det funnet at skjøten i et hvert tilfelle hadde utmerket korrosjonsmotstand og ingen sprekker ble frembragt ved sidebøyningsprøven, slik det vil fremgå av tabell 4. Av prøve nr. 22 vil det videre fremgå at skjøtens korrosjonsbestandighet ble sterkt nedsatt når tykkelsen av innleggsmaterialet var større enn 80 Jim. Prøve nr. 21 viste at skjøten ble sterkt deformert når trykket var høyere enn 2 kp/mm<2>. Det ble bekreftet at skjøten hadde utmerket høytemperaturfasthet, hvilket er bevist ved en krypebruddtid på minst 80 % av basismetallets tilsvarende verdi. I motsetning til dette fremgår det av prøve nr. 14 (sammenligningseksempel), hvor innleggsmaterialet hadde en egnet materialsammensetning, men hadde for stor tykkelse, at krypestyrken og korrosjonsbestandigheten avtok. I prøve nr. 15, 16 og 19 var henholdsvis bindingstemperaturen, bindingstiden og det påførte trykk utilstrekkelig. Selv om de øvrige betingelser var korrekte, ble derfor likevel de resulterende skjøter dårlige. I prøvene nr. 17 og 20 var smeltepunktet for innleggsmaterialet for høyt. Når bindingstemperaturen var 1200'C (prøve nr. 17), ville ikke innleggsmaterialet smelte og diffundere i tilstrekkelig grad, og sprekker ble dannet under sidebøyningsprøven. Når på den annen side oppvarmingstemperaturen var tilstrekkelig høy til å smelte innleggsmaterialet (prøve nr. 20) ble varmsprekker dannet i basismetallet. I prøve nr. 18 var smeltepunktet for innleggsmaterialet lavt, og også Cr-innholdet for lavt, således at skjønt bindingen kunne utføres, fremkom det brudd etter en korttidsperiode på grunn av høytemperaturoksydasjon under krypeprøven.

Eksempel 2

Materialbelagte stålrør med en ytterdiameter på 91 mm, en innerdiameter på 67 mm, en veggtykkelse på 12 mm og lengde på 1500 mm ble anvendt. To typer av belagte stålrør ble benyttet, nemlig innvendig belagte stålrør med materialbelegget på innsiden av røret, samt utvendig belagte stålrør med materialbelegget på utsiden.

Basismetallet i hvert sådant belagt stålrør hadde en tykkelse på 9 mm og var karbonstål (stål nr. 7 i tabell 5) eller lavlegert stål (stål nr. 8). Karbonstålet hadde en fasthet på 50 kp/mm<2>, og lavlegeringstålet var stål av typen 2 1/4 Cr -1 Mo. Beleggmaterialet var rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål av en tykkelse på 3 mm. Det rustfrie stål var SUS316L (stål nr. 9) og det høyt Ni-legerte stål var Alloy 825 (stål nr. 10) eller Alloy 625 (stål nr. 11). Materialsammensetningen av hvert stål er vist i tabell 5.

For å skjøte rørene, ble hvert rør først avskåret langs et plan vinkelrett på dets lengdeakse for derved å danne en plan endeflate, hvorpå de avskårne rørs endeflater ble slipt til en maksimal ujevnhet på 50 Jim. Et innleggsmaterial ble så anbragt mellom ytterendene av de to rør, hvorpå bindingen ble utført. Innleggsmaterialet var en tynn strimmel av en ikke-krystallinsk, hvilket vil si amorf legering, av en tykkelse på 25 eller 120 \ im samt fremstilt ved rask nedkjøling. Materialsammensetningen av innleggsmaterialet er vist i tabell 6. Parvis sammenføyning av rørene ble utført ved anvendelse av det arrangement som er vist i figur 1, på samme måte som anvist i eksempel 1.

Skjøtens styrke ble bedømt ut i fra en sidebøyningsprøve. Et prøvestykke 6 av den art som er vist i figurene 4a og 4b ble bøyd 180' med en bøyningsradius på 14 mm (det dobbelte av prøvestykkets tykkelse), hvorpå eventuelt nærvær av sprekker i nærheten av skjøten 7 ble undersøkt.

I figurene 4a, 4b, 5a og 5b angir henvisningstallet 9 basismetallet mens 10 angir beleggmaterialet. Et prøvestykke ble ansett tilfredsstillende hvis ingen sprekker var blitt dannet.

Korrosjonsbestandigheten av punktet 7 ble vurdert ved hjelp av en korrosjonsprøve under anvendelse av et prøvestykke for gropkorrosjon 8 og fremstilt fra beleggmaterialet for et rør, slik som vist i figurene 5a og 5b. Gropdannelsens omfang ble målt ved avsøkning under bruk av et potensiometer. Forholdet mellom gropdannelsestendensen Vcj for skjøten og gropdan-nelsetendensen Vcb for beleggmaterialet på det belagte stålrør ble så bestemt. Prøveløsningen var syntetisk sjøvann. Prøvetemperaturen var 60'C for SUS316L og 100"C for legering 625 og legering 825.

Prøveresultatene er angitt i tabell 7.

I prøvene nr. 23-30 og nr. 35-42 ble belagte stålrør med et ytterrør av karbonstål og et innerrør av SUS316L sammenføyet ved anvendelse av innleggsmaterialer nr. 8-14. Innleggsmaterialene nr. 8-14 omfattet 5-40 % Cr og enten Si eller B, eller begge, i en mengdeandel av inntil 8 % Si og inntil 4 % B. De øvrige betingelsene lå innenfor de rammer som er fastlagt for foreliggende oppfinnelse. Hver av disse utførelseseksempler oppnådde en utmerket fasthet og korrosjonsbestandighet for skjøten.

I prøvene 31 og 43 ble innvendig belagte stålrør med et ytterrør av lavlegert stål og et innerrør av SUS316L sammen-føyet ved anvendelse av innleggsmaterial nr. 12. De øvrige betingelser var som fastlagt i henhold til foreliggende oppfinnelse, og de resulterende skjøter hadde utmerket styrke og korrosj onsbestandighet.

I prøvene nr. 32 og 44 ble et ytterrør av karbonstål og et

innerrør av høyt Ni-legert stål i form av legering 825 sammen-føyet ved hjelp av innleggsmaterial nr. 9. I prøvene nr. 33 og 45 ble innvendig belagte stålrør med et ytterrør av karbonstål

og et innerrør av høyt Ni-legert stål i form av legering 62 5 sammenføyet ved anvendelse av innleggsmaterial nr. 11. I prøvene nr. 34 og 46 ble innvendig belagte stålrør med et ytterrør av lavlegert stål og et innerrør av legering 625 sammenføyet ved anvendelse av innleggsmaterial nr. 11. I prøvene nr. 47 og 48 ble utvendig belagte stålrør med et ytterrør av SUS316L og et innerrør av karbonstål sammenføyet ved anvendelse av innleggsmaterial nr. 9. I hvert tilfelle hadde innleggsmaterialet en tykkelse på 25 (im, mens oppvar-mingstiden var 300 sekunder og det påførte trykk var 1 kp/mm<2>. Oppvarmingsfrekvensen lå innenfor det område som er fastlagt ved foreliggende oppfinnelse. De oppnådde skjøter hadde utmerket materialfasthet og korrosjonsbestandighet.

I prøve nr. 49 ble innvendig belagte stålrør med et ytterrør av karbonstål og et innerrør av SUS316L sammenføyet ved anvendelse av innleggsmaterial nr. 9. Skjønt oppvarmingstemperaturen var øket til 1250'C, hadde den oppnådde skjøt utmerket styrke og korrosjonsbestandighet.

I motsetning til dette ble det i prøve nr. 50 ikke brukt noe innleggsmaterial, således at den oppnådde skjøt var dårlig. I prøve nr. 51 ble det anvendt et egnet innleggsmaterial, men oppvarmingstemperaturen var for lav, således at den resulterende skjøt ble dårlig. I prøve nr. 52 var det påførte trykk for lavt, således at det atter ble oppnådd en dårlig skjøt.

I prøvene nr. 53, 54 og 55 var materialsammensetningen av innleggsmaterialet utenfor det fastlagte område for foreliggende oppfinnelse, således at de resulterende skjøter ble dårlige.

I prøvene nr. 57 og 58 var tykkelsen av innleggsmaterialet større enn 80 fim, således at korrosjonsbestandigheten var sterkt nedsatt. Videre var i prøve nr. 56 det påførte trykk for høyt, således at skjøten ble sterkt deformert og sprekker dannet i skjøten.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å opprette diffusjonsbinding mellom korrosjonsbestandige materialer ved at et innleggsmaterial med et smeltepunkt på høyst 1150'C og tykkelse 10 - 80 |im anordnes mellom bindingsflåtene på de legemer som skal sammenføyes, og at bindingsgrensesnittet mellom de to legemer varmes opp ved indusert høyfrekvensenergi til 1150 - 1250"C i minst 120 sekunder, mens det utøves et trykk av 0,5 - 2 kp/mm<2> på bindingsf låtene, hvorved innleggsmaterialet smelter, karakterisert ved at det benyttes et innleggsmaterial som angitt i vekt% inneholder 5 - 40 % Cr og enten Si eller B, eller begge, i en mengdeandel av inntil 8 % Si og inntil 4 % B, 0 - 10 % Mo og resten minst en av Fe og Ni samt eventuelle forurensninger, og at oppvarmingen utføres i en atmosfære som inneholder høyst 2 00 ppm oksygen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at bindingstrykket frembringes ved påføring av ytre krefter eller ved å begrense den termiske utvidelse av de materialer som forbindes.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at det benyttes et innleggsmaterial som inneholder Mo.

4. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at de korrosjonsbestandige materialer som skal sammenføyes er høylegerte materialer for bruk i høytemperaturutstyr og som angitt i vekt% hovedsakelig består av 0,05 - 0,5 % C, 1 - 2,5 % Si, 0,1 - 1,5 % Mn,

20 - 45 % Ni, 22 - 30 % Cr og resten Fe og tilfeldige forurensninger .

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at det som korrosjonsbestandige materialer som skal sammenføyes, anvendes materialer som videre omfatter minst en av bestanddelene 1,8 - 2,2 % Mo, 0,2 - 0,8 % Ti, 0,002 - 0,007 % B og 0,01 - 0,05 % Zr.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at det ved høyfrekvensopp-varmingen benyttes en frekvens i området 2-20 kHz.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at det som materialer som skal sammenføyes, anvendes innvendig belagte stålrør bestående av et ytterrør av karbonstål eller lavlegert stål samt et innerrør av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 - 4, karakterisert ved at det som materialer som skal sammenføyes, anvendes utvendig belagte stålrør bestående av et ytterrør av rustfritt stål eller høyt Ni-legert stål samt et innerrør av karbonstål eller lavlegert stål.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at det ved høyfrekvensopp-varmingen anvendes en frekvens på 2 - 400 kHz.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at det for høyfrekvensopp-varmingen anvendes en frekvens på høyst 10 kHz.