NO322758B1 - Materiale egnet for sveising av rustfritt stal - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et materiale som er egnet for sveising av rustfritt stål, og mer spesifikt angår den et sveisemateriale som kan danne et rent sveisemetall med høy motstandsdyktighet mot korrosjon og gode mekaniske egenskaper, så som strekkfasthet og seighet, ved sveising i alle posisjoner. Foreliggende oppfinnelse angår også et sveisemateriale som er egnet for anvendelse ved sveising av dupleks rustfritt stål eller martensittisk rustfritt stål, ved hjelp av gassbeskyttet (gas shield) lysbuesveising.

Rustfritt stål sveises vanligvis ved anvendelse av sveisematerialer med en kjemisk sammensetning som hovedsaklig er den samme som det rustfrie sveiseemnet. Når dette gjøres kan det oppstå noen problemer med hensyn på forringelse av de mekaniske egenskapene og motstandsdyktigheten mot korrosjon for sveisemetallet som følge av typen sveiseemne. Ved sveising av et martensittisk rustfritt stål, som inneholder 9 til 14% krom (i det følgende betyr "%" "vekt%" for enhver legeringskomponent), ved anvendelse av sveisematerialer med den samme sammensetningen som sveiseemnet, er for eksempel sveisemetallet for hardt og kan ikke oppnå den ønskede seigheten, hvilket noen ganger forårsaker en dårligere motstandsdyktighet mot sprekkdannelse på grunn av spenningskorrosjon avhengig av omstendighetene.

For å løse disse problemene ble det foreslått og beskrevet noen oppfin-nelser i den japanske allment tilgjengelige patentbeskrivelse 8-57683 og den internasjonale allment tilgjengelige patentbeskrivelse W097/12072, som begge angår sveising av sveiseemner av martensittisk rustfritt stål med et sveisemateriale av dupleks rustfritt stål bestående av austenitt og ferritt.

På den annen side er det som sveiseemner nylig blitt utviklet noen nye typer rustfritt stål. Det er imidlertid enda ikke blitt utviklet et sveisemetall som er egnet for å sveise disse sveiseemnene. Blant disse nye typene av rustfritt stål er det et som kalles "super duplex stainless steel".

Siden det dupleks austenitt-ferritt rustfrie stålet (JIS SUS329 og liknende) innehar god motstandsdyktighet mot korrosjon, seighet og styrke har det ofte blitt anvendt i strukturmaterialer som skal utsettes for sterkt korrosive miljøer. Tidlige dupleks rustfrie stål, med andre ord de første generasjonene av dupleks rustfritt stål, var mangelfulle med hensyn på både bearbeidbarhet og sveisbarhet. Deretter ble disse problemene løst ved å tilsette nitrogen etc. Således forbedret rustfritt stål kan kalles den andre generasjon dupleks rustfritt stål, og de har et bredere anvendelsesområde. I de senere år har for eksempel oljereservoarene blitt gradvis oppbrukt, og de fleste oljebrønner befinner seg nå i områder med strengere miljøer, hvor materialene OCTG og rørledninger må ha bedre motstandsdyktighet mot korrosjon og bedre seighet og andre mekaniske egenskaper. For å imøtekomme slike krav har det blitt utviklet ytterligere nye dupleks rustfrie stål med et høyere innhold av nitrogen eller andre legeringselementer. Disse rustfrie stålene kalles "super duplex stainless steels" og har i den senere tiden blitt viet mye oppmerksomhet.

Disse dupleks rustfrie stålene sveises vanligvis med sveisematerialer som har en kjemisk sammensetning som er tilsvarende som det rustfrie sveiseemnet. Dette betyr at nitrogeninnholdet i sveisematerialet økes i takt med kvaliteten til de rustfrie sveiseemnene, noe som er beskrevet i det japanske offentlige patent nr 62-286676 og 62-286677

US patent nr. 4 816 085 beskriver et sveisefyllmateriale i form av sveisefylltråd lagd av dupleks rustfritt stål bestående hovedsakelig av inntil 0,07 vekt% karbon, 24-25 vekt% krom, 1,6-3 vekt% kobber, inntil 2 vekt% mangan, 2,5-4,5 vekt% molybden, 0,13-0,3 vekt% nitrogen, inntil 3 vekt% niobium, 8-13 vekt% nikkel, inntil 0,04 vekt% fosfor, inntil 0,03 vekt% svovel, inntil 1 vekt% silisium, inntil 2 vekt% wolfram og rest jern i tillegg til urenheter, hvor forholdet mellom nikkel til molybden er 2 til 4,5.

I den japanske patentsøknaden 7-60523 (Japanske offentlige patent 8-260101) har søkeren av foreliggende oppfinnelse allerede foreslått et sveisemateriale som er egnet for sveising av rustfritt stål og som inneholder <0,03% C,<1,0% Si, < 1,5% Mn, < 0,04% P,<0,003% S, 0,040% Al, 2,0 til 8,0% Ni, 24,0 til 26,0% Cr, 0 til 6,0% Co, 2,0 til 3,3% Mo, 1,5 til 5% W.0,24 til 0,35% N og £ 0,007% O og hvor verdien av PREW, representert ved likningen PREW = Cr + 3,3 (Mo+0,5W) + 16 N

og Ph verdien representert ved

reguleres til ikke å være mindre enn henholdsvis 42,0 og 0,25 til 0,35, Ca og B inngår ved 0,01 til 0,001% når mengden av Ni i blandingen er mer enn 8,0% og mindre enn 10%, og som videre kan inneholde, foruten de ovennevnte elementer, enten den ene eller begge av Cu: 0,2 til 2,0% og V: 0,05 til 1,50% .

Sveisematerialet er en kompakt ståltråd og er laget av et dupleks rustfritt stål med en sammensetning som tilsvarer den til sveiseemnet. Ved anvendelse av denne sveisetråden kan både motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon og seigheten til sveisemetallet bedres betraktelig.

Sveisetråden med et slikt høyt nitrogeninnhold kan anvendes ved sveise-metoden wolfram nøytralgassveising (i det følgende betegnet TIG), men kan ikke alltid anvendes til sveisemetoder med konsumerbar elektrode, for eksempel metallnøytralgassveising (i det følgende betegnet MIG), siden det har lett for å dannes en sveisedefekt som betegnes "støpehull". Spesielt dannes støpehullsdefektene ofte under høytliggende sveising sammenliknet med sveising fra andre posisjoner. Det er derfor tvilsomt om sveisetråden som er fremstilt av dupleks rustfritt stål, med et slikt høyt nitrogeninnhold, kan anvendes ved MIG-sveising fra alle posisjoner.

Vedrørende den kompakte sveisetråden, med en sammensetning som er tilsvarende som den til sveiseemnet av det dupleks rustfrie stålet med et høyt nitrogeninnhold, er det et annet problem som følger.

Det dupleks rustfrie stålet inneholder store mengder krom, molybden og andre legeringselementer som er effektive til å bedre motstandsdyktigheten mot korrosjon, så som motstandsdyktighet mot gropkorrosjon. Disse legerings-elementene akselererer utfellingen av harde og sprø intermetalliske forbindelser (o-fase) i støpematrisen og strekkoperasjonen for det dupleks rustfrie stålet blir vanskelig. Dette betyr at både produksjon av sveisetråden av dupleks rustfritt stål og stabil levering ut til kundene er vanskelig.

I tillegg til ovennevnte MIG-sveising som anvender kompakt sveisetråd finnes det en annen sveisemetode, gassbeskyttet lysbuesveising, som anvender konsumerbar elektrode, hvor det anvendes en sveisetråd med en kjerne av fortynningsmiddel (kompositt-tråd). Siden denne sveisetråden omhyller slaggdannende midler andre enn legeringselementer, har den forskjellige fordeler så som lite spruting (sputtering) og gunstig sveisestrengdannelse.

I tilfeller med sveisemetaller med konvensjonell sveisetråd med en kjerne av fortynningsmiddel er imidlertid renheten til sveisemetallet langt dårligere enn sveisemetallet som er dannet med de andre sveisemetodene. Den dårligere renheten har vært til hinder for en forbedring av sveisemetallets seighet og motstandsdyktighet mot gropkorrosjon. Årsaken til den dårlige renheten til sveisemetallet under sveiseoperasjonen ligger i det faktum at en del av de slagdannende midlene, som for det meste er oksider, forblir i sveisemetallet som ikke-metalliske urenheter.

Den japanske patentpublikasjonen 8-25062 beskriver en sveisetråd med en kjerne av fortynningsmiddel for anvendelse til sveising av rustfritt stål og som danner lite slagg under sveisingen. Denne sveisetråden ble imidlertid utviklet for å forenkle en sekvens av sveiseoperasjoner eller for å eliminere et eller flere av operasjonstrinnene, for eksempel fjerning av slagg. Denne sveisetråden er således ikke egnet for anvendelse til sveising av dupleks rustfritt stål, spesielt ikke de super dupleks rustfrie stål.

Som spesifikt er nevnt ovenfor er det enda ikke blitt utviklet et sveisemateriale for anvendelse til sveising med konsumerbar elektrode av super dupleks rustfrie stål som samtidig gjør at det oppnås godt sveisemetall i alle sveiseposisjoner. Hittil er det kun utviklet en kompakt sveisetråd med en sammensetning som tilsvarer den til sveisemetallet og som kun kan anvendes ved TIG-sveising.

Oppfinnelsen, som er beskrevet i den ovennevnte japanske offentlige patentbeskrivelsen 8-57683, angår en fremgangsmåte for å sveise martensittisk rustfritt stål som anvender et fyllmateriale av dupleks rustfritt stål. Sammensetningen av fyllmaterialet som skal anvendes med denne fremgangsmåten er begrenset for å sikre kvaliteten på de mekaniske egenskapene og motstandsdyktigheten mot korrosjon for sveisemetallet. De ovennevnte problemene i forbindelse med fremstilling av sveisetråden, generering av støpehull under sveising og den dårlige renheten til sveisemetallet, er ikke løst. Situasjonen er den samme for oppfinnelsen ifølge den ovennevnte offentlige internasjonale patentbeskrivelsen W097/12072. Selv om det er en god ide å sveise martensittisk rustfrie stål ved anvendelse av et sveisemateriale av det dupleks rustfrie stålet, er ikke sveisemetallet enda tilstrekkelig utviklet til at ideen kan iverkset-tes.

Målet med foreliggende oppfinnelse er å frembringe et sveisemateriale som tilfredsstiller alle de følgende betingelsene (i) til (v).

(i) Kunne danne et sveisemetall med utmerket motstandsdyktighet mot korrosjon og mekaniske egenskaper når det anvendes til sveising av en hvilken som helst type rustfritt stål inklusive dupleks rustfritt stål og martensittisk rustfritt stål.

(ii) Anvendbart for både sveisemetoder med ikke-konsumerbar elektrode, f.eks. TIG, og sveisemetoder med konsumerbar elektrode, f.eks. MIG og MAG (metallaktiv gassveising) metodene. (iii) Ikke forårsake sveisedefekter så som støpehull under TIG-sveising fra alle posisjoner, inklusive horisontal posisjon, vertikalposisjon og høytliggende posisjon, som benyttes under automatisk og sirkel-sveising av horisontalt liggénde rørledninger. (iv) Kunne danne et sveisemetall som er renere en det som dannes av den konvensjonelle sveisetråden med en kjerne av tynnemiddel, og innehar utmerket motstandsdyktighet mot korrosjon og en seighet som minst er sammenliknbar med den for sveisematerialet ifølge den japanske patentsøknad 7-60523 (Japanske offentlige patentbeskrivelse 8-260101). (v) Kunne produsere kompositt-tråder på en enklere måte enn å trekke

de konvensjonelle super dupleks rustfrie stålene til en kompakt tråd.

Egenskapene til sveisematerialet som er egnet for rustfritt stål ifølge foreliggende oppfinnelse er som følger: (1) Sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse tilhører en type av kompositt-tråden (med kjerne) som er sammensatt av et stålskall og et fyllmateriale som omgis av skallet. Fyllmaterialet omfatter ingen slaggdannende midler. (2) Sveisetråden, som et hele bestående av stålskallet og en kjerne av fyllmateriale i dette, består av ikke mer enn 0,03% C, ikke mer enn 1,0% Si, ikke mer enn 1,5% Mn, ikke mer enn 0,04% P, ikke mer enn 0,01% S, ikke mer enn 0,5% Al, 8,0 til 10,0% Ni, 22,0 til 26,0% Cr, 2,0 til 5,0% Mo, 0,12 til 0,24% N, ikke mer enn 3,0% Co, ikke mer enn 5,0% W, ikke mer enn 2,0% Cu, ikke mer enn 1,50% V, og resten er Fe og tilfeldige urenheter. (3) Innenfor sammensetningsgrensene som gitt ovenfor i (2), har sveisematerialet en «gropkorrosjonsmotstandsekvivalent» PREW som ikke er lavere enn 42,0 og en «ferrittvolumindeks» Ph fra 0,12 til 0,25. PREW og Ph er hhv. definert av de følgende formler (1) og (2).

hvor hvert symbol for et element angir innholdet (vekt%) av elementet.

Den kjemiske sammensetningen av sveisematerialet i sin helhet, eller kompositt-tråden, bestemmes på følgende måte. Anta nå at innholdet av et hvilket som helst element A i kompositt-tråden er Cw% (som beskrevet betyr «%» «vekt%» for ethvert legeringselement), innholdet av elementet A i stålskallet er Ch%, innholdet av elementet A i fyllmaterialet er Cf% og fyllforholdet av fyllmateriale (forholdet mellom vekten av fyllmaterialet og vekten av den totale tråden) er FR,

Figur 1 illustrerer eksempler på tverrsnitt av sveisematerialet (kompositt-tråden) ifølge foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er et sveiseemne, som skal sveises inn i et radiografisk test-element for å detektere støpehull, sett fra siden. Figur 3 er en illustrasjon som viser spesifikasjonene for å fremstille et teststykke for å studere egenskapene til sveiseskjøtene. Figur 4 er en illustrasjon som viser spesifikasjonene for å stanse ut et teststykke for støt fra sveiseskjøtene. Figur 5 er en illustrasjon som viser en instruksjon for å stanse ut et teststykke for strekkfasthet, et teststykke for gropkorrosjon og et teststykke for sprekkdannelse på grunn av sulfid-spenningskorrosjon fra sveiseskjøtene.

Sveisemetallet, dvs. kompositt-tråden, ifølge foreliggende oppfinnelse består av skall 1 og fyllmateriale 2, som tverrsnittet som er vist i figur 1. Skallet 1 kan være av en hvilken som helst type stål, så som karbonstål eller rustfritt stål (inklusive ferrittisk, austenittisk og dupleks rustfritt stål). Stålet er i prin-sippet ikke begrenset til en spesifikk type. Stålet bør imidlertid inneha god be-arbeidhet mens det er kaldt siden det er nødvendig å forme det til et skall for kompositt-tråden.

Fyllmaterialet 2 er i pulverform og omgitt av et stålbånd som skal utgjøre skallet 1. Et kompositt-råmateriale således fremstilt blir deretter trukket til det ferdige kompositt-trådproduktet på samme måte som den vanlige tråden med en kjerne av tynnemiddel. Tverrsnittet av sveisetråden kan ha formen (a), (b), (c) eller liknende, som vist i figur 1.

Sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse kan anvendes både ved sveising med eller uten konsumerbar elektrode. Sveisemetodene TIG og MIG, som er typiske eksempler på hhv. den første og den siste sveisemetode, vil bli forklart nedenfor.

Målet med foreliggende oppfinnelse er å frembringe et sveisemateriale som innehar egenskapene (i) til (v) som nevnt ovenfor. For å oppnå dette er sveisematerialet konstruert som følger.

Først, for å sikre at det oppnås det forut bestemte nivået av mekaniske egenskaper og motstandsdyktighet mot korrosjon, er innholdet av hvert legeringselement, ifølge PREW, som definert ved ovennevnte formel (1), og Ph, som er definert ved ovennevnte formel (2), hhv. begrenset til de ønskede intervaller. Spesielt er nitrogeninnholdet, som produserer støpehull i sveisemetall, minst mulig. En kan således oppnå egnet sveisemetall i alle sveiseposisjoner ved enten TIG- eller MIG-sveising. Reduksjonen av motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon i den austenittiske fasen på grunn av restriksjonen av nitrogeninnholdet kompenseres ved å la den ovennevnte ferrittvolumindeksen Ph, definert ved formel (2), få en lavere verdi enn vanlig.

I den andre fasen tilsettes ikke de konvensjonelle slaggdannerne til fyllmaterialet i kompositt-sveisetråden ifølge foreliggende oppfinnelse, til tross for at det er vanlig praksis å gjøre dette. Det dannes således ikke urenheter som hovedsaklig er sammensatt av oksider i sveisematerialet, og en unngår å for-ringe sveisemetallets renhet. Hverken TIG- eller MIG-sveising kan derfor oppnå et sveisemetall med signifikant forbedrede egenskaper, så som motstandsdyktighet mot korrosjon, strekkfasthet og seighet.

Sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse dannes i form av en

kompositt-tråd for å forenkle fremstillingen. Den kompakte sveisetråden selv er nødt til å ha den begrensede sammensetningen som tilsvarer den til sveiseemnet av det dupleks rustfrie stålet eller det martensittiske rustfrie stålet. Det vil si at disse rustfrie stålene må ha så god kald-bearbeidbarhet at de kan formes til ståltråd. Det er imidlertid veldig vanskelig å beholde deres gunstige kald-bear-beidhet under strekkoperasjonen. På den annen side kan en med kompositt-sveisetråden justere den totale sammensetningen til å være tilsvarende som

sveiseemnet ved et selektivt valg av skall og kjerne. Det vil si at sammensetningen av skallet er mindre begrenset sammenliknet med en kompakt sveisetråd. Dette betyr at ethvert stål med god bearbeidbarhet kan anvendes som skall, hvilket forenkler fremstillingen av sveistråden.

Som spesielt er nevnt ovenfor kan det anvendes karbonstål (mykt stål med lavt karboninnhold er fordelaktig) og forskjellige typer rustfritt stål for å produsere skallet. Ved å justere sammensetningen av fyllmaterialet og dets fyllvolum på grunnlag av sammensetningen av skallet, kan en oppnå den ønskede kjemiske sammensetningen til kompositt-tråden som helhet. Det vil si at en enkelt kan oppnå en kompositt-tråd med en total sammensetning som er valgt på grunnlag av den til sveiseemnet av dupleks rustfritt stål eller martensittisk rustfritt stål. Nedenfor er det vist noen eksempler på slikt stål for anvendelse i skallet:

Karbonstål... SPCC i JIS 3141, etc.

Ferrittisk rustfritt stål... SUS 41 OL i JIS G 4305, etc.

Austenittisk rustfritt stål ... SUS 316L, SUS 304L i JIS G 4305, etc. Dupleks rustfritt stål ... SUS 329J3 i JIS G 4305, etc.

Fyllmaterialet er en blanding av forskjellige typer metallpulver og/eller legeringspulver som er valgt slik at det gir den foregående totale sammensetningen sammen med stålskallet. Kornstørrelsen til pulveret er fortrinnsvis om-kring 150 u.m eller mindre.

De tekniske årsakene til å begrense innholdet av hvert legeringselement i sveisematerialet (kompositt-sveisetråden) ifølge denne oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj, idet innholdet står for det totale innholdet (summen av innholdet i stålskallet og i kjernen med fyllmateriale) som beregnet fra foregående formel (3).

Karbon:

For store mengder karbon utfelles som karbider og konsumerer krom og andre funksjonelle legeringselementer og reduserer det effektive innholdet av disse. Karboninnholdet bør derfor ikke overstige 0,03% og er fortrinnsvis så lavt som mulig.

Silisium :

Selv om silisium er et nyttig element som deoksideringsmiddel, forringer det seigheten i sveisemetallet. Spesielt vil mer enn 1,0% silisiuminnhold akselerere produksjonen av intermetalliske forbindelser (a-fase, etc) og reduserer sveisemetallets motstandsdyktighet mot korrosjon og seighet. Silisiuminn-holdet er derfor begrenset til å ligge mellom et urenhetsnivå og 1,0%, og er fortrinnsvis fra 0,1 til 1 % for å sikre deoksideringseffekten fra dette.

Mangan :

Mangan er et effektivt deoksideringselement og øker løseligheten til nitrogen i sveisemetallet. Mer enn 1,5% mangan reduserer sveisemetallets motstandsdyktighet mot korrosjon og seighet. Manganinnholdet er derfor begrenset til å ligge mellom et urenhetsnivå og 1,5%, og er fortrinnsvis fra 0,1 til 1,5% for å sikre deoksideringseffekten fra dette.

Fosfor:

Fosfor blir uunngåelig medbrakt fra stålets råmaterialer og forblir i stålproduktet som en urenhet. Det er fordelaktig å holde fosforinnholdet så lavt som mulig, men det maksimalt tillatte innholdet er 0,04%. Mer enn 0,04% fos-forinnhold reduserer motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon og seigheten og øker sannsynligheten for sprekkdannelser ved høy temperatur.

Svovel:

Svovel, i likhet med fosfor, blir uunngåelig medbrakt fra stålets råmaterialer og forblir i stålproduktet som en urenhet. Mer enn 0,01% svovelinn-hold reduserer motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon og øker sannsynligheten for sprekkdannelser ved høy temperatur. Svovelinnholdet er derfor begrenset til ikke å være høyere enn 0,01%, og det er fordelaktig å holde det så lavt som mulig.

Aluminium :

Aluminium anvendes vanligvis som et deoksideringsmiddel, men det tilsettes ikke med hensikt i sveisemetallet ifølge denne oppfinnelsen. Siden aluminium er et sterkt ferritt-stabiliserende element, vil en for stor mengde aluminium bringe frem en for stor mengde ferrittfase i sveisemetallet, og resul-terer således i svekkelse av seigheten til dette. I tillegg til dette har aluminium lett for å oksydere og danne en oksidfilm med dårligere elektrisk ledningsevne på kantflaten, hvilket gjør sveisebuen ustabil. En slik oksidfilm må fjernes ved hver sveising, hvilket krever ytterligere tidkrevende operasjoner. Slike bakdeler forårsaket av tilføring av aluminium blir betydelige ved mer enn 0,5% alumini- umsinnhold. Aluminiumsinnholdet er derfor begrenset til ikke å være høyere enn 0,5%, og det er fordelaktig å holde det så lavt som mulig.

Nikkel:

Nikkel er et austenitt-stabiliserende element og undertrykker dannelsen av ferrittfase i sveisemetallet. En slik funksjon kan oppnås med et nikkelinnhold som er større enn 8,0%. Mer enn 10,0% nikkel fremmer imidlertid utfelling av a-fase under sveiseoperasjoner, hvilket har en dårlig innvirkning på seigheten til sveisemetallet. Nikkelinnholdet er derfor begrenset til intervallet mellom 8,0 og 10,0%.

Krom :

For å sikre at det oppnås tilstrekkelig motstandsdyktighet mot korrosjon for det dupleks rustfrie stålet er det nødvendig med et krominnhold som minst er 22%. Mer enn 26,0% krominnhold fremmer imidlertid utfellingen av intermetalliske forbindelser, f.eks. a-f ase, og reduserer sveisemetallets seighet betydelig. Krominnholdet bør derfor ligge i intervallet mellom 22,0 til 26,0%, og fortrinnsvis 22,5 til 24,5%.

Molybden :

Molybden er et element som øker motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon i et kloridholdig miljø og, på den annen side, fremmer utfelling av a-fase. I en kort oppvarmingssyklus som stålet utsettes for, så som sveisevarmen, vil en passende mengde molybden øke sveisemetallets motstandsdyktighet mot gropkorrosjon uten at det fremmer utfellingen av a-fase. Det betyr at tilføringen av molybden kan øke gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten (PREW), som er definert ved ovenfor gitte formel (1), ved en reduksjon av krominnholdet og nitrogeninnholdet. En tilsats på mindre enn 2,0% molybden har ingen virkning, mens mer enn 5% molybden forårsaker utfelling av a-fase og reduserer både sveisemetallets seighet og motstandsdyktighet mot gropkorrosjon. Molybden-innholdet er derfor begrenset til intervallet mellom 2,0 og 5,0%, og ligger fortrinnsvis fra 3,0 til 5,0%. Molybden kan anvendes sammen med wolfram, som beskrevet nedenfor.

Nitrogen :

Nitrogen er et viktig element som undertrykker dannelsen av ferrittfasen og øker motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon. Mindre enn 0,10% nitrogeninnhold gir imidlertid ikke full effekt. På den annen side, når nitrogeninnholdet øker, har det veldig lett for å produseres sveisedefekter, så som stø pen ull, og kvaliteten på sveisemetallet reduseres. Sveisemetallet ifølge denne oppfinnelsen er konstruert for ikke å forårsake sveisedefekter, i noen sveiseposisjoner, ved å begrense den øvre grensen for nitrogeninnhold til 0,24%.

Kobolt:

Kobolt er et eventuelt tilleggselement som ikke nødvendigvis tilsettes sveisematerialet. Kobolt har en oppførsel som er tilsvarende den til nikkel, men produksjonen av a-fase under sveisingen er lav sammenliknet med nikkel. En del av nikkelet kan derfor erstattes med kobolt. Kobolt er imidlertid mer kostbart enn nikkel, og den øvre grensen for innhold av kobolt, dersom det anvendes, bør derfor være 3,0%.

Wolfram :

I likhet med molybden er wolfram et element som øker motstandsdyktigheten mot korrosjon, spesielt gropkorrosjon og korrosjon mellom kornene (intergranular corrosion), og danner et stabilt oksid, hvilket tjener til å opprett-holde en bedret motstandsdyktighet mot gropkorrosjon for stålet, selv i et miljø med en lav pH-verdi. Selv i tilfeller hvor innholdet av krom og nikkel er lavt kan derfor tilføring av wolfram, i likhet med molybden, øke gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten (PREW). Dersom imidlertid innholdet av wolfram overstiger 5,0%, akselereres utfellingen av en annen intermetallisk forbindelse (Lavesfase) og både seigheten og motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon reduseres.

Selv om wolfram ikke er et uunnværlig element kan det eventuelt tilføres sveisemetallet siden det har de ovennevnte fordelaktige effektene. Når det til-føres bør ikke innholdet overstige 5,0%, og er fortrinnsvis 1,0 til 5,0%.

Kobber:

Kobber er et metall som bedrer motstandsdyktigheten mot korrosjon, spesielt motstandsdyktigheten mot svovelsyre og liknende, og kan eventuelt tilføres sveisematerialet, i likhet med vanadium, dersom det er nødvendig.

Kobber forbedrer motstandsdyktigheten mot korrosjon i et reduserende miljø med lav pH, for eksempel et miljø som inneholder H2S04 eller hydrogen-sulfid. Siden mer enn 2,0% kobber reduserer sveisemetallets seighet, bør ikke kobberinnholdet overstige 2,0%. Det er imidlertid nødvendig med mer enn 0,2% kobberinnhold for å oppnå en tilstrekkelig forbedring av motstandsdyktigheten mot korrosjon.

Vanadium:

Vanadium forbedrer motstandsdyktigheten mot sprekk-korrosjon sammen med wolfram dersom begge elementene tilføres sveisemetallet. Siden mindre enn 0,05% vanadium ikke er særlig effektivt er det nødvendig med et vanadiuminnhold som ikke er lavere enn dette dersom det tilføres. Mer enn 1,50% vanadium øker imidlertid mengden av ferrittfase og reduserer sveisemetallets seighet og motstandsdyktighet mot korrosjon.

For å forbedre sveisemetallets motstandsdyktighet mot gropkorrosjon og seighet er sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse ytterligere begrenset til at gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten (PREW) ifølge ovenfor gitte formel (1) er større enn 42,0, og at ferrittvolumindeksen (Ph) ifølge formel (2) ovenfor ligger mellom 0,12 og 0,25, i tillegg til de ovennevnte restriksjonene på den kjemiske sammensetningen.

Gropkorrosjonsmotstandsekvivalent (PREW):

Det er foreslått flere gropkorrosjonsmotstandsekvivalenter som en indeks for å evaluere motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon for dupleks rustfritt stål. I foreliggende oppfinnelse anvendes gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten (PREW) ifølge tidligere gitte formel (1), som inkluderer eventuelt W (wolframinnhold). Denne ekvivalenten er foreslått av søkeren av foreliggende patentsøknad, og er beskrevet i den japanske patentsøknad 7-60523 (Japanske offentlige patentbeskrivelse 8-260101). Dersom denne PREW-verdien er 42,0 eller høyere kan det oppnås en ekstremt god motstandsdyktighet mot gropkorrosjon.

Ferrittvolumindeks (Ph):

Motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon for det dupleks rustfrie stålet forbedres av legeringselementer som krom, molybden, wolfram og nitrogen, som nevnt ovenfor. Det dupleks rustfrie stålet består naturlig av en blanding av en ferrittfase og en austenittfase, idet disse elementene er fordelt i hvilken som helst fase med forskjellige fordelingsforhold. Konsentrasjonen av krom, molybden og wolfram i ferrittfasen er høyere enn i austenittfasen, mens fordelingen av nitrogen i ferittfasen er lavere enn i austenittfasen.

For å unngå dannelse av støpehull er nitrogeninnholdet i sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse så lavt som mulig. Dersom austenitt / ferritt-forhoIdet blir for høyt blir derfor nitrogeninnholdet i austenittfasen lite og motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon i austenittfasen reduseres. Den mekaniske styrken til sveisemetallet reduseres også. Med andre ord, super dupleks rustfritt stål, i likhet med sveisematerialet ifølge foreliggende oppfinnelse, med relativt lavt nitrogeninnhold, må ha et redusert austenitt / ferritt-forhold. På grunn av dette er ferrittvolumindeksen (Ph) begrenset til 0,25. Dersom imidlertid ferrittvolumindeksen (Ph) er lavere enn 0,12, blir ferrittfaseforholdet for høyt, og motstandsdyktigheten mot korrosjon og seigheten blir dårligere. Ferrittvolumindeksen (Ph) bør derfor holdes i intervallet mellom 0,12 og 0,25.

EKSEMPEL 1

Det ble produsert en rekke kompositt-sveisetråder, med en kjemisk sammensetning som vist i tabell 2, ved anvendelse av skall laget av fire typer stål med den kjemiske sammensetningen som vist i tabell 1.

Innholdet av hvert legeringselement i kompositt-tråden ble beregnet av den ovenfor gitte formel (3). Fyllmaterialet var sammensatt av et pulver med en kornstørrelse som ikke var større enn omtrent 150 urn, og fyllforholdet var 20 til 50%. Tykkelsen på skallet var 0,4 til 0,8 mm og kompositt-trådens diameter var i alt 1,2 mm. Siden alt stålet i skallene hadde en utmerket bearbeidbarhet, var det enkelt å produsere kompositt-sveisetrådene med dem.

Ved anvendelse av disse kompositt-sveisetrådene ble det utført en rekke sveisetester, under forhold som vist i tabell 3, med TIG- og MIG-sveising i forskjellige sveiseposisjoner. Deretter gjennomgikk alle teststykkene, etter sveisetestene, en radiografisk test for å detektere eventuelle støpehull.

I de ovennevnte sveisetestene ble et sveiseemne i form av en plate 3, med en utskjæring 4 som vist i figur 2, sveiset for å lage en single pass sveisestreng, på nevnte utskjæring i horisontal-, vertikal- og høytliggende-posisjoner. Plate-sveiseemnet 3 (platen som skal sveises) var en plate (tykkelse : 15mm) av «sveiseemne A (super duplex stainless steel)» hvis sammensetning og strekkfasthet er vist i tabell 4.

I den radiografiske testen ble det lett etter sveisedefekter av type 1, som er definert i «type og defects» i tabell 6 i JIS Z 3106. Dersom nevnte defekter tilhører «grade 1» i tabell 12 i samme JlS-nummer, er teststykkene evaluert som «godkjent» og andre ikke. Testresultatene er vist i tabell 5.

Det fremgår tydelig av tabell 5 at ved anvendelse av sveisematerialene ifølge foreliggende oppfinnelse (nr. 1 til nr. 9 i tabell 2), kan det oppnås et sveisemetall av «grade 1» ved både TIG- og MIG-sveising fra alle sveiseposisjoner. Til sammenlikning fant en i testene Nr. MA12 og TA12, hvor det ble anvendt et sveisemetall med et så høyt nitrogeninnhold som 27% (nr. 12 i tabell 2), mange sveisehull i sveisemetallet var ikke godkjent.

EKSEMPEL 2

Det ble produsert sveisemetaller gjennom følgende trinn for å evaluere egenskapene deres. Det ble fremstilt plater (tykkelse: 15mm) av både super dobbelt stainless steel (sveiseemne A) og martensittisk rustfritt stål (sveiseemne B). Det ble laget en utskjæring, med form og dimensjon som vist i figur 3, i sveiseemnet, og det ble festet et bakmetall 7 på baksiden av sveiseemnet. Den indre utskjæringsflaten ble først påsmurt (buttered) for å danne to over-flatesjikt 5, ved anvendelse av sveisematerialet i tabell 2, og ble deretter, ved anvendelse av det samme sveisematerialet som ble påsmurt, sveiset gjennom flere trinn under sveiseforhold som vist i tabell 6 for å frembringe en sveiseskjøt med et flerlags sveisemetall 6.

Sammensetninger av sveisemetallene i de sveisede skjøtene er vist i

tabellene 7 og 8.

Eksempler på skjøter ifølge foreliggende oppfinnelse (1) som er vist i tabell 7 ble fremstilt ved å sveise sveiseemnene A med sveisematerialene nr. 1 til 9 ved MIG-sveising; mens eksempler på skjøter ifølge foreliggende oppfinnelse (2) som er vist i tabell 7 ble fremstilt ved å sveise sveiseemnene A eller B med sveisematerialene i nr. 1, 4, eller 9 ved MIG- eller TIG-sveising. De sammenliknende eksemplene på skjøter (1), som er vist i tabell 8, ble fremstilt ved å sveise sveiseemnene A med sveisematerialene nr. 10 til 17 ved MIG-sveising; mens de sammenliknende eksemplene på skjøter (2), som er vist i tabell 8, ble fremstilt ved å sveise sveiseemnene A eller B med sveisematerialene i nr. 11,13, eller 17 ved MIG- eller TIG-sveising i forskjellige kom-binasjoner.

Teststykkene for Charpy støttesten (ifølge JIS Z 2202 type 4) 8 ble tatt fra sveiseskjøter ved utstansing som vist i figur 4(a) og 4(b). Et teststykke hadde innskjæringen plassert i midten av sveisemetallet, som vist i figur 4(a), mens det andre teststykket hadde den plassert nesten i sammensmeltingslin-jen, som vist i figur 4(b). Teststykker for strekkfasthet, i form av runde stenger, (ifølge JIS Z 2201 type 14) 9 ble også stanset ut fra den sveisede delen av skjøten, som vist i figur 5(a).

For å få bekreftet motstandsdyktigheten mot korrosjon for sveiseemnene A og B i et realistisk miljø, ble det som vist i figur 5(c) produsert et teststykke for gropkorrosjon 10, med en form som vist i figur 5(d), ved utstansing fra den sveisede delen av skjøten i sveiseemne A, og som deretter ble utsatt for testen for motstandsdyktighet mot gropkorrosjon. Tilsvarende ble det som vist i figur 5(e) produsert et 4-punkts bøye-teststykke 11, med en form som vist i figur 5(f), ved utstansing fra den sveisede delen av skjøten i sveiseemne A, og som deretter ble utsatt for testen for motstandsdyktighet mot spenningssprekkdannelse på grunn av sulfidkorrosjon (SCC).

Charpy støttesten ble gjennomført ved en temperatur på -30°C, og ethvert teststykke som hadde en støtverdi som ikke var lavere enn 80 J/cm<2>ble godkjent. 80 J/cm<2>kan betraktes som godt nok til vanlige anvendelser. Strekk-testen ble gjennomført ved romtemperatur, og alle teststykker som brøt i sveiseemnet ble godkjent.

I testen for motstandsdyktighet mot gropkorrosjon ble et teststykke dyppet i en vandig 6% FeCI3løsning og holdt ved 50°C i 24 timer. Deretter ble gropdannelsen gransket visuelt. Teststykker uten gropdannelse ble godkjent.

I testen for spenningssprekkdannelse på grunn av sulfidkorrosjon ble det ovennevnte 4-punkts bøyeteststykket utsatt for en bøyespenning som svarer til flytegrensen for sveiseemnet av martensittisk rustfritt stål og deretter dyppet i en vandig 5% NaCI-løsning (inneholdende H2S med 0,001 MPa partialtrykk og C02med 3 MPa partialtrykk) og holdt ved 150°C i en autoklav i 720 timer. Genereringen av sprekker ble gransket ved visuell inspeksjon av bruddflaten. Alle teststykker uten generering av sprekker ble godkjent.

Resultatene fra testene av egenskapene til sveiseskjøter er vist i

tabellene 9 og 10.

Det fremgår av figur tabell 9 at skjøtene som ble fremstilt ved anvendelse av sveisematerialene ifølge foreliggende oppfinnelse (nr. 1 til 9) hadde god styrke og seighet. Motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon i skjøten i sveiseemne A (super dobbelt rustfrittdupleks rustfritt stål), og motstandsdyktigheten mot spenningssprekkdannelse på grunn av sulfidkorrosjon i skjøten i sveiseemne B, oppnådde de respektive godkjeffihmåejtining hadde alle skjøtene som ble fremstilt ved anvendelse av sveisematerialene i de sammenliknende eksemplene defekter, som vist i figur tabell 9. For eksempel hadde skjøten MDJ10, som var fremstilt ved anvendelse 9. For eksempel hadde skjøten MDJ10, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 10 som inneholdt store mengder nikkel (10,5%), en lav støt-verdi. Det ble observert gropdannelse i skjøtene MDJ11 og TDJ11, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 11 som har en veldig lav gropkorrosjonsmotstandsekvivalent (PREW) på 39,7. Siden det ble observert veldig mange støpehull i sveisemetallet i skjøten MDJ12, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 12, ble ikke dens motstandsdyktighet mot gropkorrosjon sjekket.

Det ble dannet for mye ferrittfase i sveisemetallene i skjøtene MDJ13, TDJ13, MMJ13 og TMJ13, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 13 hvor ferrittvolumindeksen (Ph) var så lav som 0,06. Av denne grunn ble det observert gropdannelse i sveisemetallet og dets støtverdi var ikke god nok. Siden Ph-verdien i sveisemateriale 14 var lav, oppnådde ikke skjøten MDJ14, som var fremstilt ved anvendelse av dette, tilstrekkelig motstandsdyktighet mot gropkorrosjon eller seighet.

Skjøten MDJ15, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 15 som inneholdt så mye krom som 27,1%, hadde en lav støtverdi. Skjøten MDJ16, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 16 som inneholdt så mye aluminium som 0,58%, hadde også en lav støtverdi.

Sveisemateriale 17, hvor det ble tilsatt noe slaggdanner i fyllmaterialet, inneholdt store mengder oksygen (O), som vist i tabell 2. Siden det var mye urenheter, hovedsakelig bestående av oksider, i alt sveisemetallet i skjøtene MDJ17, TDJ17, MMJ17 og TMJ17, som var fremstilt ved anvendelse av sveisemateriale 17, var seigheten og motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon i disse skjøtene dårlige.

Det fremgår tydelig av testresultatene som er vist i tabellene 5, 9 og 10 at det kan oppnås et godt sveisemetall uten støpehull ved anvendelse av sveisematerialet (kompositt-sveisetråd) ifølge foreliggende oppfinnelse, med et sveiseemne av enten dupleks rustfritt stål eller martensittisk rustfritt stål, og ved enten TIG- eller MIG-sveising.

Den sveisede skjøten som inkluderer nevnte sveisemetall innehar høy styrke og seighet og utmerket motstandsdyktighet mot korrosjon (motstandsdyktighet mot gropkorrosjon og spenningssprekkdannelse på grunn av sulfidkorrosjon). Siden slikt sveisemetall inneholder legeringselementer så som krom, molybden og wolfram, som alle bedrer motstandsdyktigheten mot gropkorrosjon ved en riktig balanse, er det anvendbart for sveising av super dupleks rustfritt stål av en høyere kvalitet sammenliknet med konvensjonelt dupleks rustfritt stål. I tillegg kan sveisematerialene ifølge foreliggende oppfinnelse produseres på en enkel måte fordi det er en kompositt-tråd med kjerne.

Claims (5)

1. Sveisemateriale i form av en kompositt-tråd som er egnet for anvendelse ved sveising av rustfritt stål, karakterisert vedat det er sammensatt av et stålskall og et fyllmateriale som omsluttes av nevnte stålskall og ikke inneholder slaggdannende midler, og at nevnte sveisemateriale, som et hele bestående av stålskallet og en kjerne av fyllmateriale i dette, består av ikke mer enn 0,03% C, ikke mer enn 1,0% Si, ikke mer enn 1,5% Mn, ikke mer enn 0,04% P, ikke mer enn 0,01% S, ikke mer enn 0,5% Al, 8,0 til 10,0% Ni, 22,0 til 26,0% Cr, 2,0 til 5,0% Mo, 0,12 til 0,24% N, ikke mer enn 3,0% Co, ikke mer enn 5,0% W, ikke mer enn 2,0% Cu, ikke mer enn 1,50% V, og resten er Fe og tilfeldige urenheter; «gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten» PREW i nevnte sveisemateriale er ikke lavere enn 42,0 og «ferrittvolumindeksen» Ph i nevnte sveisemateriale er fra 0,12 til 0,25; PREW og Ph defineres henholdsvis av de følgende formlene (1) og (2);

hvor hvert symbol for et element angir innholdet (vekt%) av elementet.

2. Anvendelse av sveisemateriale ifølge krav 1, for gassbeskyttet lysbuesveising av rustfritt stål.

3. Anvendelse av sveisemateriale ifølge krav 1, for gassbeskyttet lysbuesveising av martensittisk rustfritt stål.

4. Anvendelse av sveisemateriale ifølge krav 1, for gassbeskyttet lysbuesveising av dupleks rustfritt stål som hovedsaklig består av austenitt og feritt.

5. Anvendelse av sveisemateriale i form av en kompositt-tråd ved MIG-sveising av dupleks rustfritt stål, og som er sammensatt av et stålskall og et fyllmateriale som omsluttes av nevnte stålskall og ikke inneholder slaggdannende midler, og at nevnte sveisemateriale, som et hele bestående av stålskallet og en kjerne av fyllmateriale i dette, består av ikke mer enn 0,03% C, ikke mer enn 1,0% Si, ikke mer enn 1,5% Mn, ikke mer enn0,04% P, ikke mer enn 0,01% S, ikke mer enn 0,5% Al, 8,0 til 10,0% Ni, 22,0 til 26,0% Cr, 2,0 til 5,0% Mo, 0,12 til 0,24% N, ikke mer enn 3,0% Co, ikke mer enn 5,0% W, ikke mer enn 2,0% Cu, ikke mer enn 1,50% V, og resten er Fe og tilfeldige urenheter; «gropkorrosjonsmotstandsekvivalenten» PREW i nevnte sveisemateriale er ikke lavere enn 42,0 og «ferrittvolumindeksen» Ph i nevnte sveisemateriale er fra 0,12 til 0,25; PREW og Ph defineres henholdsvis av de følgende formlene (1) og (2);

hvor hvert symbol for et element angir innholdet (vekt%) av elementet.