NO330699B1

NO330699B1 - Sveiseelektrode fremstilt av en nikkelbasert legering, og anvendelse derav

Info

Publication number: NO330699B1
Application number: NO19995859A
Authority: NO
Inventors: Ricardo Cozar; Albert Bruyere; Bernard Bonnefois
Original assignee: Ugitech
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2011-06-14
Also published as: EP1005946A1; NO995859D0; ATE232432T1; DE69905333T2; CA2290853A1; FR2786419A1; US6447716B1; DE69905333D1; NO995859L; FR2786419B1; KR20000047839A; EP1005946B1; ES2192369T3; HK1031203A1; JP4521739B2; JP2000158184A

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en nikkelbasert legering som er særlig egnet for fremstilling av en sveiseelektrode omfattende en metalltråd fremstilt av en nikkelbasert legering for sveising av produkter, særlig tynnplater og plater, fremstilt av superaustenittisk rustfritt stål eller superdupleks rustfritt stål. Denne legering kan også anvendes for å fremstille, ved sveising, korrosjonsresistente belegg på produkter fremstilt av lavlegert stål.

En rekke utstyrsgjenstander som må kunne motstå korrosjon produseres ved hjelp av sveiseforbindelsen av produkter som tynnplater, plater eller rør dannet av superaustenittisk og superdupleks rustfritt stål. Superaustenittisk og superdupleks rustfritt stål er rustfritt stål som inneholder (i vekt%) særlig fra 18% til 30% krom, opptil 7% molybden, opp til 0,5% nitrogen så vel som nikkel, hvis innhold innstilles for å oppnå enten en fullstendig austenittisk struktur eller en blandet struktur som er delvis austenittisk og delvis ferrittisk. Disse stål er kjennetegnet ved et tall PREN = Cr% + 3,3Mo% + 16N% større enn 35. Dette tallet er en indikator på resistensen mot lokalisert korrosjon, og denne resistens er bedre desto høyere tall.

For at utstyr produsert på denne måte skal opptre tilfredsstillende under bruk, må sveisene utvise både korrosjonsresistens og mekaniske egenskaper slik som tilfredsstillende hardhet og seighet som er kompatibel med egenskapene til sveisede tynnplater eller plater. I tillegg må sveisene kunne produseres uten defekter.

Når brukerforholdene krever at sveisene utviser korrosjonsresistens like god som grunnmetallet, sveises produktene med et tilsatsmetall fremstilt av en nikkelbasert legering av 625 typen inneholdende omtrent 22% krom, 9% molybden og 3,5% niob, hvor resten er forurensninger resulterende fra smelting. Denne legering inneholder spesielt ikke nitrogen. Denne teknikk har den ufordelaktighet at den fører til problemer med varmesprekking og sveisenes sammensetnings-heterogenitet.

For å motvirke disse ufordelaktigheter, har man foreslått å anvende en niob-fri nikkelbasert legering inneholdende fra 18% til 25% krom, fra 6% til 12% molybden som er helt eller delvis erstattet med wolfram (6% <, Mo + W <; 12%), fra 0,1% til 3% kobber og fra 0,1 til 0,3% nitrogen. Denne legering har den fordel at den fører til sveiser som utviser god motstand mot varmesprekking, god korrosjonsresistens og god seighet. På grunn av tilstedeværelsen av kobber er imidlertid denne legering vanskelig å varmvalse og, på grunn av et høyt nitrogeninnhold, som fører til dannelsen, av nitrider av typen (0,5Cr, 0,32-Ni, 0,18Mo)5N, er den vanskelig å trådtrekke. Dessuten, i det minste i tilfellet med super-austenittstål, er korrosjonsresistensen til sveisene noe lavere enn med 625 legering inneholdende niob.

For å motvirke disse ufordelaktigheter som er et resultat av tilstedeværelsen av kobber og av et høyt nitrogeninnhold, er det blitt foreslått å anvende en nikkelbasert legering av den type som inneholder 22% krom og 9% molybden, og som hverken inneholder niob eller kobber og med et nitrogeninnhold som er mindre enn 0,1%. Denne legering er god for varmvalsing og trådtrekking, og fører til sveiser som utviser god resistens overfor varmesprekking. Når man sveiser superdupleks legeringer, vil denne legering forbedre seigheten av sveisene ved å begrense segregering og dannelsen av intermetallfase.

I tilfellet av superaustenittisk rustfritt stål er imidlertid resistensen overfor lokalisert korrosjon av de oppnådde sveiser ikke så god som man kunne ønske. I tillegg, i tilfellet av superdupleksstål, er sveisenes hardhet noe utilstrekkelig.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å motvirke disse ufordelaktigheter ved at man har foreslått en nikkelbasert legering som kan anvendes for å fremstille en tråd for sveisingen av produkter fremstilt av superdupleks eller superaustenittisk rustfritt stål, som er enkel å varmvalse eller trådtrekke og som fører til sveiser med god motstand mot varmesprekking, god seighet, tilfredsstillende hardhet og god korrosjonsresistens.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er således en sveiseelektrode som omfatter en tråd eller et bånd fremstilt av en nikkelbasert legering, hvis kjemiske sammensetning omfatter, uttrykt i vekt: 20% < Cr 24%

8% <. Mo <. 12%

0,1% < W 5%

Mo + W > 12%

Fe < 5%

Cu < 0,1%

N < 0,1%

C < 0,02%

Si < 0,1%

Mn < 0,4%

0,03% Al^0,4%

0,004% s Mg 0,04%

P < 0,02%

S < 0,02%

hvor resten er nikkel og forurensninger resulterende fra smelting.

Den -kjemiske sammensetning er foretrukket slik at:

21% < Cr < 23%

9% < Mo < 11%

2% < W < 4%

Fe < 2%

Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av sveiseelektroden ifølge oppfinnelsen for sveising av tynnplater eller plater av superaustenittisk rustfritt stål eller superdupleks rustfritt stål, eller stål som inneholder 9% nikkel for kryogeniske anvendelser, ved tilsetting av metall ved smelting av sveiseelektroden.

Endelig vedrører oppfinnelsen den nikkelbaserte legering som sveiseelektroden utgjøres av og hvis sammensetning er definert i det foregående.

Som nevnt kan denne legering også anvendes for å sveise stålprodukter av 9% nikkeltypen (inneholdende hovedsakelig jern og 9% nikkel) for kryogeniske anvendelser. Legeringen kan også særlig anvendes i form av tynnplater, plater, stenger, rør og smistykker eller danne det ikke-korroderbare lag av en kledd tynnplate eller plate.

Når sveiseelektroden omfatter en metalltråd, kan denne være

uten belegg og elektroden kan anvendes for sveising i henhold til MIG prosessen eller TIG prosessen. Metalltråden kan også danne kjernen i en ikke-syntetisk belagt elektrode. En ikke-syntetisk belagt elektrode som er kjent per se omfatter en metallkjerne som er belagt med materialer som særlig skal danne en slagg uten innvirkning på innholdet av de viktigste elementene av det avsatte metall.

Således er elektroden i henhold til oppfinnelsen særlig enten en tråd uten belegg fremstilt av en legering i henhold til oppfinnelsen eller en belagt elektrode hvis kjerne er en tråd fremstilt av en legering i henhold til oppfinnelsen, eller et bånd fremstilt av en legering i henhold til oppfinnelsen. Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert og illustreres ved hjelp av eksempler.

Legeringen som anvendes som en sveiseelektrode for å sveise superdupleks eller superaustenittisk rustfritt stål er en nikkelbasert legering hvis kjemiske sammensetning omfatter, uttrykt i vekt: fra 20% til 24% og foretrukket fra 21% til 23% krom og fra 8% til 12% og foretrukket fra 9% til 11% molybden for å sikre resistens mot lokal korrosjon mens man også unngår dannelsen av intermetallfaser, særlig under størkningen av

sveisestrenger,

fra 0,1% til 5% og foretrukket fra 2% til 4% wolfram for å

herde sveisestrengen og forbedre korrosjonsresistens uten å svekke seigheten, idet oppfinnerne nylig har funnet at wolfram har en særlig fordel siden den, til forskjell fra krom og molybden som foretrukket segregerer i de inter-

dendrittiske rom, foretrukket segregerer inne i

dendrittarmene, idet denne effekt vil bli forklart senere, fra 0,03% til 0,4% aluminium og fra 0,004% til 0,04%

magnesium for å sikre god kompakthet hos sveisene,

idet resten er nikkel og forurensninger resulterende fra

smelting.

Forurensningene er særlig:

jern, hvis innhold må forbli mindre enn 5% og foretrukket mindre enn 2% for å begrense jerninnholdet i det smeltede metall, særlig når legeringen skal danne en belegging på en lavlegert stålkomponent ved sveising, for å

opprettholde god korrosjonsresistens,

silisium, hvis innhold må være mindre enn 0,01% og mangan,

hvis innhold må være mindre enn 0,4% for å redusere

tendensen til å danne a fasen,

kobber, hvis innhold absolutt må være mindre enn 0,1% og være så lavt som mulig for å forenkle varmvalsing under

fremstillingen av trådmateriale,

nitrogen, hvis innhold absolutt må være mindre enn 0,1%

for å unngå dannelsen av nitrider som er ufordelaktig med

hensyn til trådtrekkingsevne,

svovel og fosfor, hvis innhold må være mindre enn 0,02%

for å sikre god motstand mot varmesprekking.

Det skal bemerkes at legeringen kan inneholde spor av niob innført via råmaterialene, dvs. mindre enn 0,1 % og foretrukket mindre enn 0,05%.

Den spesielle effekt av molybden er illustrert ved en nikkelbasert legering hvis gjennomsnittlige sammensetning er Cr = 22%, Mo = 10%, W = 3% og N a 0%. Dersom en sveis dannes med denne legering med anvendelse av TIG prosessen, vil sveisestrengen som oppnås omfatte en solidifisert legering hvis gjennomsnittlige kjemiske sammensetning er den til tilsatsmetallet. Denne legering har imidlertid en solidifiserings-struktur som omfatter dendritter som er separert ved interdendrittiske rom. Sammensetningen av legeringen i dendrittarmene er: Cr = 20,5%, Mo = 7,8%, W = 3,7%, og i de inter dendrittiske rom er sammensetningen Cr = 24%, Mo = 14,5% og W = 2,3%.

Effekten av krom, molybden og wolfram på motstand mot lokal korrosjon kan evalueres ved hjelp av et tall PREN(W) = Cr% + 3,3(Mo% + ^W%) + 16N%. Jo høyere dette tallet er, desto bedre er motstanden mot lokal korrosjon. Ved anvendelse av dette tall kan motstanden mot lokal korrosjon hos legeringen som har den gjennomsnittlige sammensetning sammenliknes med den til dendrittarmene. Det er også mulig å sammenlikne motstanden mot lokal korrosjon inne i dendrittarmene hos to legeringer som har den samme gjennomsnittlige motstand mot lokal korrosjon men hvor en inneholder wolfram og den andre ikke:

Disse resultater viser at, skjønt de har den samme gjennomsnittlige PREN(W), har legering 1 som inneholder wolfram en overlegen motstand mot lokal korrosjon i dendrittarmene i forhold til legering 2 som ikke inneholder wolfram. Dessuten skal det bemerkes at, på grunn av segregering av krom og molybden er motstanden mot lokalisert korrosjon i begge til-feller overlegen i de interdendrittiske rom i forhold til i dendrittarmene.

For å fremstille sveiseelektroder smeltes vanligvis legeringen, f.eks. i en elektrisk ovn, og støpes deretter i form av barrer som varmvalses for å danne et trådmateriale. Tråd-materialet trådtrekkes deretter for å oppnå en metalltråd som kan anvendes som en sveiseelektrode.

På grunn av dens sammensetning vil legeringen i henhold til oppfinnelsen varmvalses lettere enn legeringer som er tidligere kjent, særlig fordi dens solidus temperatur er høyere, nemlig 1367°C i motsetning til 1283°C for en typisk legering som inneholder omtrent 21,8% krom, 8,6% molybden og 3,5% niob. I tillegg, på grunn av det lave nitrogeninnholdet, vil den trådtrekkes like lett som de kjente legeringer som inneholder lite nitrogen, og mye lettere enn legeringer med et høyt nitrogeninnhold.

For å sveise produkter fremstilt av superaustenittisk eller superdupleks rustfritt stål eller stål av Fe-9%Ni typen, kan MIG prosessen eller TIG prosessen, som er kjente per se, f.eks. anvendes, og i disse prosesser er elektroden en metalltråd. Når et produkt fremstilt av lavlegert stål belegges ved sveising, er sveiseelektroden et kaldvalset bånd.

De således oppnådde strenger har en strekkfasthet som er omtrent 60 MPa høyere enn sveisestrengene oppnådd ved anvendelse av elektrodene i henhold til den kjente teknikk som hverken inneholder niob eller wolfram. Denne høyere strekkfasthet avhenger av de nøyaktige molybden- og wolframinnhold, hvis virkning på hardheten kan bestemmes ved hjelp av formel-en HV = 136 + 5,8(Mo% + 0,6W%).

Fordi tilsatsmetallet er fortynnet med grunnmetallet, vil korrosjonsmotstanden for en spesiell sveis både avhenge av grunnmetallet (det metall som de sveisede produkter er sam-mensatt av) og av sveisebetingelsene (f.eks. engangs- eller flergangs sveising). Korrosjonssresistensen som oppnås ved anvendelse av forskjellige tilsatsmetaller kan imidlertid sammenliknes ved å sammenlikne legeringenes kritiske grop-korrosjonstemperaturer CPT (med utelukkelse av fortynning i sveisen), idet disse temperaturer måles i henhold til ASTM G48A testen.

I den as-solidifiserte tilstand, er CPT 95°C for legeringen i henhold til oppfinnelsen, mens den kun er 50°C for en nikkel basert legering som inneholder 22% krom, 8,7% molybden og 0,04% nitrogen, hvor resten er nikkel og forurensninger. For de samme legeringer i formet tilstand, er CPT henholdsvis større enn 95°C og i størrelsesorden 50°C. Videre vil sveisene ikke utvise varmesprekking.

Ved hjelp av et første eksempel, ble 8 mm med tykke plater av superdupleks rustfritt stål sveiset ved anvendelse av MIG prosessen, hvor stålet har sammensetningen (i vekt%):

Sveisingen ble utført ved anvendelse av en elektrode ifølge oppfinnelsen, elektrode A, og tre elektroder i henhold til teknikkens stand, elektroder B, C og D. Elektrodene besto av tråder med diameter 1,2 mm. Dekkgassen var en blanding av 80% argon og 20% nitrogen. Sveiseenergien var 0,8 kJ/mm.

Elektrodene var fremstilt av nikkelbaserte legeringer med kjemiske sammensetninger uttrykt i vekt%:

For å karakterisere sveisene ble det etterfølgende målt: volumfraksjonen av interdendrittiske presipitater i den

smeltede sone,

HV5 hardheten i den smeltede sone,

styrken P^(i MPa) i den smeltede sone,

- slagseighet Kcv(i J/cm<2>) ved -50°C og +20°C,

den kritiske gropkorrosjonstemperatur CPT (i °C) relater-ende generelt til den varme-påvirkede sone unntatt i tilfellet av elektrode C for hvilken gropkorrosjon fremgår samtidig i den varmepåvirkede sone og i den smeltede sone,

idet denne temperatur måles i henhold til ASTM G48A standarden.

Resultatene var som følger:

Disse resultater viser at, med legeringen ifølge oppfinnelsen, er volumfraksjonen av interdendrittiske presipitater på den ene side lav, idet dette bidrar til å oppnå god seighet, særlig ved lave temperaturer, og den kritiske gropkorrosjonstemperatur er tilfredsstillende, og på den annen side er HV5 hardhet og strekkfastheten Rm/skjønt noe mindre enn for legering B (svarende til legering 625 inneholdende niob), betydelig bedre enn for legering C. For legeringen ifølge oppfinnelsen er slagseigheten markert overlegent den for legering B eller legering D.

Ved hjelp av et annet eksempel og ved anvendelse av de samme tråder som i det foregående eksempel, ble 12 mm tykke plater av superaustenittisk rustfritt stål sveiset ved anvendelse av MIG prosessen (tråd uten belegg) og med anvendelse av belagte elektroder, hvor den kjemiske sammensetning til stålet er:

Sveiseenergien var 1,1 kJ/mm.

For å karakterisere sveisene, ble det følgende målt: volumfraksjonen av interdendrittiske presipitater i den smeltede sone,

slagseigheten Kcv(i J/cin<2>) ved +20°C,

den kritiske gropkorrosjonstemperatur CPT (i °C) målt i

henhold til ASTM G48A standarden.

Resultatene er som følger:

Disse resultater viser særlig at legeringen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å oppnå en korrosjonsresistens, som målt ved temperaturen CPT, som er betydelig høyere enn for de tidligere kjente legeringer, hvor gropkorrosjon i den smeltede sone (særlig for legering C) observeres, og at det også er mulig å oppnå betydelig høyere slagseighet enn for legering B eller legering D.

Bruk av elektrode A gjør det dessuten mulig å oppnå sveiser av superdupleks eller superaustenittisk rustfritt stål med høy kvalitet på grunn av denne legeringens høye motstand mot varmesprekking.

Varmesprekking, som særlig kan forekomme i strengene som allerede er avsatt når den sistnevnte påvirkes av avsetningen av nye strenger vil, i tilfellet med sveising av tykke produkter, reduseres når smelteområdet (smeltepunkt - soli-dustemperatur) er snevert. Resultatene i det etterfølgende viser at legering A ifølge oppfinnelsen har et noe mindre smelteområde enn legering C (uten Nb) og et mye mindre smelteområde enn legering B (inneholdende Nb). Følgelig er motstand mot varmesprekking hos legering A sammenlignbar med den hos legering C og er mye bedre enn den hos legering B. Motstand mot varmesprekking i den smeltede sonen ble også målt ved anvendelse av Varestraint testen, kjent per se, for legeringer A og B. Denne test som omfatter å påføre en gitt belastning på en sveisestreng og deretter måle lengden av sprekkene som er dannet ved denne belastning (maksimal sprekklengde og kumulativ lengde av sprekkene) ga de etter-følgende resultater:

Disse resultater viser at varmesprekkings-mottakeligheten for legering A ifølge oppfinnelsen er mye lavere enn den for legering B.

Claims

1. Sveiseelektrode, karakterisert vedat den omfatter en tråd eller et bånd fremstilt av en nikkelbasert legering, hvis kjemiske sammensetning omfatter, uttrykt i vekt: 20% < Cr 24% 8% <: Mo < 12% 0,1% s W <. 5% Mo + W > 12% Fe < 5% Cu < 0,1% N < 0,1% C < 0,02% Si < 0,1% Mn < 0,4% 0,03% < Al < 0,4% 0,004% s Mg s 0,04% P < 0,02% S < 0,02%, hvor resten er nikkel og forurensninger resulterende fra smelting.

2. Sveiseelektrode som angitt i krav 1, hvori dens kjemiske sammensetning er slik at: 21% Cr 23% 9% Mo < 11% 2% < W < 4% Fe < 2%.

3. Sveiseelektrode som angitt i krav 1 eller 2, som omfatter en tråd uten belegg.

4. Sveiseelektrode som angitt i krav 1 eller 2, som er av typen ikke-syntetisk belagt tråd.

5. Anvendelse av sveiseelektroden som angitt i ett eller flere av kravene 1 til 4 for å sveise tynnplater eller plater fremstilt av superaustenittisk rustfritt stål eller super dupleks rustfritt stål eller stål som inneholder 9% nikkel for kryogeniske anvendelser, ved tilsetting av metall ved smelting av sveiseelektroden.

6. Nikkelbasert legering, karakterisert vedat dens kjemiske sammensetning omfatter, uttrykt i vekt: 20% <; Cr 24% 8% s Mo <: 12% 0,1% £ W ^ 5% Mo + W > 12% Fe < 5% Cu < 0,1% N < 0,1% C < 0,02% Si < 0,1% Mn < 0,4% 0,03% < Al < 0,4% 0,004% < Mg i 0,04% P < 0,02% S < 0,02%, hvor resten er nikkel og forurensninger resulterende fra smelting.

7. Nikkelbasert legering som angitt i krav 6, hvori den kjemiske sammensetning av legeringen er slik at: 21% <. Cr <. 23% 9% Mo s 11% 2% <. W s 4% Fe < 2%