DE3639403A1 - Verfahren zur verbesserung der korrosionsbestaendigkeit von geschweissten werkstuecken aus nicht-rostendem stahl und entsprechend hergestelltes werkstueck - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver­ besserung der Korrosionsbeständigkeit von Werkstücken aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit Jahrzehnten ist der positive Einfluß von Chrom und Molybdän auf die Korrosionsbeständigkeit von nicht rosten­ den Stählen bekannt. Untersuchungen von Lorenz und Medawar führten zur Quantifizierung der Wirksamkeit von Chrom und Molybdän bezüglich der Lochkorrosion. Es wurde der Begriff der Wirksumme wie folgt definiert:

Wirksumme = % Cr + 3,3% Mo,
d. h., 1% Mo kann 3,3% Cr ersetzen.

In den letzten Jahren wurde aufgrund verschiedener Unter­ suchungen der positive Einfluß von Stickstoff in nicht rostenden Stählen festgestellt und versucht, auch diesen Gehalt mit in die Wirksumme einzubeziehen. Dies ist in einem Artikel von A. J. Sedriks "Effects of Alloy Compo­ sition and Microstructure on the Passivity of Stainless Steels" in der Zeitschrift "CORROSION-NACE", Vol. 42, No.7, July 1986, S. 376 bis 389, ausführlich erläutert. Je nach Autor solcher Untersuchungen wird ein Wirkfaktor von 15 bis 100 (x % Cr) für Stickstoff genannt. Dies bedeutet, daß ein Werkstoff bereits durch Zulegieren von wenigen Zehntel % Stickstoff eine deutlich verbesserte Korrosionsbeständigkeit erlangt. Andererseits können bei gleicher Korrosionsbeständigkeit durch Zulegieren klei­ ner Stickstoffgehalte größere Anteile an teueren Legie­ rungselementen wie Molybdän und/oder Chrom eingespart werden.

Problematisch ist jedoch, daß hohe Stickstoffgehalte in austenitischen Stählen, z. B. beim Schweißen, Nachteile mit sich bringen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Möglichkeiten der Anwendung von höher stickstoffhalti­ gem Werkstoff auch auf Werkstücke mit geschweißten Ver­ bindungsstellen zu erweitern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Um die Herstellung der Schweißverbindungen durch zu hohen Stickstoffgehalt nicht zu erschweren, wird angestrebt, den Stickstoffgehalt erst bei oder nach der Herstellung der Schweißverbindungen in dem Werkstück zu erhöhen. Dabei kann sowohl eine Erhöhung in dem gesamten Werkstück wie auch nur in Teilbereichen, beispielsweise den Schweiß­ verbindungen, bestimmten besonders beanspruchten Ober­ flächen oder Randbereichen, erfolgen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben. Das Einbringen von Stick­ stoff schon beim Schweißvorgang hat den Vorteil, daß die hohe Temperatur während des Schweißvorganges zum Lösen von Stickstoff aus der Umgebungsatmosphäre genutzt werden kann und daß der Stickstoff gerade im Bereich der be­ sonders gefährdeten Schweißnaht eingebracht wird.

In Fällen, in denen die Qualität der Schweißnaht durch ein solches Vorgehen leiden würde, kann der Stickstoff auch in einer anschließenden Wärmebehandlung eingebracht werden. In sehr vielen Fällen werden nicht-rostende Stähle nach der Verarbeitung zum Halbzeug, wie z. B. Rohre, oder zum Fertigprodukt einer Wärmebehandlung, die meist im Schutzgas erfolgt, unterzogen. Diese Wärmebehandlung kann nun erfindungsgemäß in einer Gasatmosphäre, bestehend aus Stickstoff, Anteilen aus Stickstoff oder Stickstoff­ verbindungen, derart durchgeführt werden, daß durch eine gezielte Einstellung der Wärmebehandlungs-Parameter, wie Temperatur, Zeit und Partialdruck der Gase, ein ge­ zielt höherer Gehalt an gelöstem Stickstoff in der ge­ wünschten Tiefe des Werkstückes erreicht wird.

Die Parameter werden dabei so eingestellt, daß die Lös­ lichkeitsgrenze des jeweiligen Werkstoffs für Stickstoff nicht überschritten und Nitridbildung vermieden wird. Außerdem kann berücksichtigt werden, daß die restlichen geforderten Werkstückeigenschaften, wie z. B. Festigkeit, Duktilität usw., nur unwesentlich verschlechtert oder sogar verbessert werden.

Durch die Verwendung von nicht-rostenden Stählen mit höherem Mangangehalt von über 2% läßt sich, wie aus der Literatur bekannt ist, die Löslichkeit von Stickstoff erhöhen. Damit ermöglicht die Verwendung solcher Werkstof­ fe auch für geschweißte Werkstücke die spätere Einbrin­ gung höherer Stickstoffgehalte, was zu einer deutlichen Steigerung der Korrosionsfestigkeit führt.

In den Ansprüchen 4 bis 6 werden nach dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren hergestellte Werkstücke angegeben, die qualitativ gute Schweißverbindungen und trotzdem einen erhöhten Stickstoffgehalt zumindest in Teilbereichen auf­ weisen.

Ein besonderer Anwendungsfall sei noch hervorgehoben, nämlich längsnahtgeschweißte Rohre aus nicht-rostendem Stahl. Bei solchen Rohren, die beispielsweise für Konden­ satoren bei Dampfturbinenanlagen eingesetzt werden, soll die Schweißnaht nach Möglichkeit ähnliche Korrosionseigen­ schaften wie das Grundmaterial aufweisen. Dies kann durch eine nachträgliche, beispielsweise partielle Wärmebehand­ lung der Schweißnaht erfolgen. Eine solche Lösungsglühung, die im allgemeinen unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, eignet sich, um im gleichen Arbeitsgang zusätzlich den Stickstoffgehalt zumindest in Teilbereichen des Werkstückes zu erhöhen.

In der Zeichnung sind 2 Beispiele für die Verteilung des Stickstoffgehaltes in erfindungsgemäß behandelten Werkstücken angegeben.

Fig. 1 zeigt die Verteilung des Stickstoffgehaltes in einem Bauteil nach einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unter stickstoffhaltiger Umgebungsatmosphäre. Aufgetragen ist der Stickstoffgehalt über der Bauteilwanddicke. Dabei zeigt sich, daß der Stickstoffgehalt gerade in den gefährdeten Außenbereichen durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren besonders hoch ist, beispielsweise 0,3 bis 0,4% betragen kann. Ein solcher Stickstoffgehalt schon vor Her­ stellung der Schweißverbindungen des Werkstückes würde die Qualität der Schweißungen erheblich beeinflussen.

Fig. 2 zeigt die Verteilung von Stickstoff in einem er­ findungsgemäß behandelten Werkstück im Bereich einer Schweißnaht, wobei der Stickstoffgehalt gegen den Weg eines Querschnittes durch eine Schweißnaht aufgetragen ist. Hier zeigt sich, daß ein Stickstoffgehalt von bei­ spielsweise etwa 0,3 bis 0,4% in der Schweißnaht einge­ stellt werden kann, wodurch die Schweißnaht, welche auf­ grund des Schweißvorganges unter Umständen schlechtere Korrosionseigenschaften hat als der Grundwerkstoff, in ihren Korrosionseigenschaften erheblich verbessert werden kann.

Die genannten Anwendungen sind nur Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch auf diese nicht beschränkt ist. Grundsätzlich können viele Arten von Bauteilen ganz oder teilweise nachträglich mit Stickstoff auflegiert werden. Dabei ist sowohl eine Auflegierung bestimmter Oberflächen, beispielsweise im Inneren eines geschweißten Behälters, wie auch eine partielle Auflegierung im Bereich von Schweißnähten, möglich. Durch entsprechend lange Wärme­ behandlung kann jedoch auch eine gleichmäßige Verteilung eines höheren Stickstoffanteiles im geschweißten Werkstück erreicht werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Werkstücken aus Stahl, welche Schweißverbindungen auf­ weisen, dadurch gekennzeichnet, daß bei oder nach der Herstellung der Schweißverbindungen der Stickstoffgehalt überall oder in Teilbereichen des Werkstückes erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stickstoffgehalt bei der Her­ stellung der Schweißverbindungen oder bei einer anschlie­ ßenden Wärmebehandlung mit definierter Temperatur durch Einstellen eines dem gewünschten Stickstoffgehalt ent­ sprechenden Partialdruckes von Stickstoff oder einer Stickstoffverbindung, z. B. Ammoniak, in der Umgebungs­ atmosphäre des Werkstückes erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Partialdruck des Stick­ stoffes bzw. der Stickstoffverbindung, die Temperatur und die Dauer der Behandlung des Werkstückes so gewählt sind, daß der Stickstoffgehalt im Werkstück überall unter der Löslichkeitsgrenze bleibt.

4. Werkstück aus nicht-rostendem Stahl mit Schweißver­ bindungen, insb. längsnaht-geschweißtes Rohr, da­ durch gekennzeichnet, daß das Werk­ stück insgesamt oder in korrosionsgefährdeten Teilbe­ reichen einen Anteil Stickstoff von <0,1% enthält, vorzugsweise 0,2 bis 0,4%, jedoch überall unterhalb der Löslichkeitsgrenze von Stickstoff.

5. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkstück einen Mangan­ gehalt <2%, vorzugsweise 3 bis 4% Mangan aufweist.

6. Werkstück nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein längs­ nahtgeschweißtes Rohr mit einem erhöhten Anteil von Stick­ stoff im Schweißnahtbereich ist, vorzugsweise ein Rohr mit einer Wanddicke von 0,3 bis 0,7 mm.