Ferriittisten ruostumattomien terästen hitsien jälkikäsittelyt

Transkriptio

1 10 Ferriittisten ruostumattomien terästen hitsien jälkikäsittelyt Severi Anttila, Vesa Lauhikari ja Hannu-Pekka Heikkinen Ruostumattomien terästen hitsauksessa syntyvän kromioksidikerroksen paksuus, rakenne ja koostumus muuttuvat hitsauslämmön ja hapen vaikutuksesta, minkä lisäksi muutoksia voi tapahtua myös oksidikerroksen alla olevassa metallissa. Näiden tekijöiden vuoksi korroosionkestävyys ei ole päästövärjäytyneellä hitsillä enää samaa luokkaa kuin perusaineella, vaikka hitsaus olisi tehtykin mallikkaasti. Asianmukaisilla jälkikäsittelyillä voidaan kuitenkin hitsialueen korroosionkestävyyttä parantaa merkittävästi ja tarvittaessa jopa palauttaa se perusaineen tasolle. Hitsaustapahtuman puhtaudella on selkeä vaikutus hitsausliitoksen mekaanisiin ja korroosio-ominaisuuksiin. Puhtauden merkitys korostuu ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä, koska nämä teräkset omaavat matalan hiili- ja typpipitoisuuden eivätkä siedä suuria epäpuhtauspitoisuuksia. Johdanto Ferriittiset ruostumattomat teräslajit ovat löytäneet paikkansa ohutlevyteollisuudessa. Syitä tähän on monia: austeniittisia ruostumattomia teräksiä vakaampi hinta, helpompi työstettävyys, vähäisemmät vetelyt, erinomainen muovattavuus ja immuunius jännityskorroosiolle kloridiympäristöissä lienevät tärkeimpiä näistä. Kääntöpuolena on haastavampi hitsaus ja riski murtumisesta hauraasti ainepaksuuden kasvaessa. Monet varhaisia ferriittisiä ruostumattomia teräksiä vaivanneet hitsattavuusongelmat on saatu ratkaistua madaltamalla epäpuhtauspitoisuuksia (hiili- ja typpipitoisuus) ja käyttämällä tarvittaessa stabilointiaineita (titaani ja niobi). Kaikkinensa tavallisimmat ferriittiset teräslajit (12 21Cr) ovat kuitenkin hyvin erilaisia, ja näiden mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet poikkeavat toisistaan merkittävästi niin perusaineissa kuin hitseissäkin. Tässä artikkelissa käsitellään näiden terästen hitsien korroosionkestävyyteen vaikuttavia tekijöitä ja kerrataan yleisohjeita onnistuneen kaasukaarihitsaustapahtuman kannalta. Esitetyt tulokset ovat kahden tutkimusprojektin tuotoksia (X-WELD 1 ja NGF 2 ), nämä molemmat kuuluvat Fimecc Oy:n Demapp-ohjelman Corrosion-projektiin. DE- MAPP (Demanding Applications) -ohjelmassa kehitetään mm. kulutusta, korroosiota ja korkeita lämpötiloja kestäviä uusia teräksiä teollisuuden vaativiin käyttökohteisiin. Vaikka tässä artikkelissa keskitytään vain ferriittisiin teräksiin, niin monet esitetyt asiat ja ilmiöt ovat yhteneviä muillekin ruostumattomille teräksille. Vastaavanlainen selvitys Hitsaustekniikka-lehdessä on esitetty viimeksi 22 vuotta sitten (6/1990), tuolloin austeniittisille teräksille. Aiheeseen liittyvät artikkelit ovat viime vuosina keskittyneet pääosin juurensuojaukseen (4/1997, 3/2003, 4/2011, 1/2012), joten nyt nähtiin sopivaksi keskittyä hitsin pinnan puolelle. Korroosionkestävyyteen vaikuttavia tekijöitä Ruostumattomien terästen korroosionkestävyys perustuu pääosin ohueen, muutaman nanometrin paksuiseen kromirikkaaseen oksidikerrokseen, joka voidaan myös nähdä myöhemmin esiteltävästä syvyysprofiilista. Tällä teräksen pintaa suojaavalla passiivikalvolla on monta hyvää ominaisuutta, se on läpinäkyvä, erittäin tiivis ja riittävän hapekkaassa ympäristössä, kuten ilmassa tai vedessä, se myös rikkoutumisensa jälkeen uudistuu eli teräs uudelleenpassivoituu. Ruostumattomuuden edellytyksenä on kuitenkin pinnan pysyminen puhtaana liasta ja muista saostumista, joten rosteriteräspintoja tulisikin aika-ajoin pestä. EuroInox [1] suosittelee esimerkkinä 1 2 pesukertaa vuodessa, mutta tämä on tietysti hyvin tapauskohtaista. Kromioksidikerroksen suojaavasta vaikutuksesta johtuen yleinen aktiivinen korroosio on ruostumattomilla teräksillä vähäistä, ja pääosa materiaalin kulumisesta tulee paikallisista korroosioilmiöistä kuten piste- tai rakokorroosiosta. Rakenteet tulisikin suunnitella siten, että ahtailta liitoksilta ja raoilta vältyttäisiin, jotta happea on aina riittävästi saatavilla oksidikerroksen tarpeisiin ja jotta rakoihin kertyvän liuoksen väkevöityminen estettäisiin. Aggressiivisimmissa, vähemmän hapekkaissa tai enemmän esim. klorideja sisältävissä ympäristöissä käyttöön tulevien ruostumattomien terästen korroosionkestävyyttä parannetaan typpi- ja molybdeeniseostuksella. Näillä seosaineilla oksidikerroksen pysyvyys paranee ja vaaditaan entistä voimakkaammat hapot liuottamaan passiivikalvoa. Nikkeli- ja kupariseostuksella voidaan hieman hidastaa pistekorroosion etenemistä, mutta varsinaiseen korroosionkestävyyteen ei näillä ole suurempaa vaikutusta. Ferriittisiin ruostumattomiin teräksiin seostetaan toisinaan edellä mainituista aineista teräslajikohtaisesti molybdeeniä tai kuparia. 1 X-WELD = New methods to optimise the performance of welds in corrosive industrial environments 2 NGF = New generation ferritic stainless steels with enhanced corrosion resistance

2 11 Pinnanlaadulla on suuri vaikutus korroosionkestävyyteen, ja sileillä pinnoilla on lähtökohtaisesti parempi korroosionkestävyys. Karhealle pinnalle lika tarttuu helpommin, siinä voi olla jäysteitä ja likaa kerääviä taskuja, jotka molemmat edesauttavat paikallisten korroosiovärjäymien muodostumista. Peittauksella voidaan tasoittaa näitä teräviä huippuja. Kaikilla pinnanlaatuun vaikuttavilla työvaiheilla vaikutetaan siis korroosionkestävyyteen. Kuvassa 1A on erinomaisesti öljyllä märkähiottu pinta (pintakoodi 4N). Kuvassa B on pinta 400 gritin kuivahionnan ja harjauksen jälkeen, jolloin pinnalla nähdään jäystettä ja taskuja. Kuvassa C on vastaava pinta peittauksen jälkeen, ja huomataan, että peittauksella on selvästi edullinen pintaa tasoittava vaikutus. teräslajin hitsaukseen, ja ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä tämä tarkoittaa usein puhdasta argonia. On hyvä myös tarkistaa letkujen ja polttimien kunto määräajoin mahdollisten vuotojen varalta. Hitsauspolttimien laadusta ei ole syytä tinkiä [2]. Varsinaisessa kaasukaarihitsauksessa on monia puhtauteen vaikuttavia tekijöitä. Suojaukseen tulee kiinnittää erityistä huomiota hitsattaessa ferriittisiä ruostumattomia teräksiä. TIG-polttimessa on järkevää käyttää verkkomaista kaasulinssiä normaalin elektrodisuuttimen sijaan. Kaasulinssi tasoittaa kaasun virtausta ja parantaa näin suojausta, kuva 3, mahdollistaen myös tarvittaessa pidemmän elektrodin ulkoneman. Verkkomaisen kaasulinssin periaate on sama kuin vesihanan poresuuttimella. Tyypillinen virtausmäärä TIG-hitsauksessa ruostumattomilla teräksillä on noin 5-10 l/min, mutta ferriittisillä kaasukuvun tulisi olla mahdollisimman suuri, jolloin myös tarvittavan suojakaasun virtausmäärä kasvaa. Korkeakromisten ferriittisten ruostumattomien terästen kohdalla suositellaan jopa 28 l/min kevytmekanisoidussa TIG-hitsauksessa, kun kaasukuvun sisämitta on 19 mm [3]. Karkeasti voidaan todeta, että teräksen kromipitoisuuden kasvaessa myös suojausvaatimus kasvaa. Erittäin nopeilla hitsausmenetelmillä suositellaan käytettävän varsinaista hitsauspoltinta seuraavaa lisäkaasusuojausta. Ruostumattomien terästen varastointi ja muu mekaaninen käsittely on tehtävä huolella, jotta tarpeettomilta kontaminaatioilta ja naarmuilta vältyttäisiin. Korroosionkestävyyden varmistamiseksi ruostumattomien terästen säilytys, käsittely ja työvaiheet tulisi aina suorittaa omassa rajatussa tilassaan, jotta vältyttäisiin vierasruosteelta, kuva 2. Vaikka tämä ei ole aina mahdollista toteuttaa, yleisohjeena se on paikkansapitävä. Ruostumattomille teräksille tulisi aina käyttää omia kiinnittimiä, ketjuja, nostimia ja työvälineitä. Kontaktit muihin teräspintoihin, kuten muotteihin ja työkaluihin, tulee minimoida käyttämällä suojakelmuja ja teippauksia. Mahdollisia muita kontaminaatiolähteitä ovat maalit, merkkaustussit, leikkausnesteet, öljyt ja rasvat. Nämä voivat sisältää esimerkiksi klorideja, hiilivetyjä, rikkiä ja lyijyä, joilla on selkeä korroosionkestävyyttä heikentävä vaikutus. A) B) C) Kuva 1. Pinnanlaatujen eroavaisuuksia: öljyllä märkähiottu (A), 400 grit kuivahiottu (B) sekä pinta B peitattuna (C). Hitsien korroosionkestävyys Hitsattavat pinnat tulee aina puhdistaa ennen hitsausta rasvoista, öljyistä ja muista kontaminaatioista sienellä tai liinalla, joka ei jätä pinnoille nukkaa. Hyviä pesuaineita ovat mm. tensidit, etanoli ja asetoni (yleispesu), natriumhydroksidi ja sooda (rasvat ja öljyt), fosforihappo ja sitruunahappo (kalkki ja ruoste) ja vetyperoksidi (mikrobit). Huonoissa pesuaineissa on korkeat kloridi- tai klooripitoisuudet, eikä niitä tule käyttää. Pinnat tulee huuhtelun jälkeen kuivata hyvin ennen hitsausta, koska märkä pinta lisää hitsin happipitoisuutta. Mikäli railopinnat on leikattu laserilla, plasmalla, tai muulla vastaavalla tavalla, pitää mahdollinen reunan päästöväri poistaa ennen hitsausta kevyesti hiomalla. Hitsausvälineet ja -tarvikkeet, kuten lisäaineet, puikot, suuttimet, käsineet ja vaatteet tulee puhdistaa ja/tai vaihtaa säännöllisesti. Hitsauslisäaineet tulee aina säilyttää pakkauksissaan pölyttymisen estämiseksi. Suojakaasun tulee olla soveltuva kulloisenkin Kuva 2. Esimerkki vierasruosteesta. A) B) Kuva 3. Suojakaasun virtaus ilman kaasulinssiä (A) ja kaasulinssin läpi (B) [4,5].

3 12 Hitsaustilasta pitää eliminoida mahdollinen veto esim. suojaverhoilla. Kaasuletkuihin mahdollisesti muodostuneen kosteuden vuoksi kaasua kannattaa juoksuttaa muutamia minuutteja ennen hitsauksen alkua. Kirkkaat silloitushitsit antavat hyvän yleiskuvan siitä, että suojaus on oikealla tasolla. Kaasun esi- ja jälkivirtausajat tulee olla sellaiset, ettei elektrodin kärki hapetu, tavallisesti luokkaa s. Vajaa tunkeuma, reunahaavat, huokoset, kuonat, roiskeet sekä hitsien aloitus- ja lopetuskohdat ovat hyvin tyypillisiä hitsausvirheitä, jotka heikentävät hitsin mekaanisia ja korroosio-ominaisuuksia. Nämä virheet tulee tarvittaessa korjata hiomalla ja/tai korjaushitsaamalla. Ferriittisiä ruostumattomia teräksiä on hitsattava huolellisemmin kuin vastaavia austeniittisia, koska ferriittinen kiderakenne ei siedä korkeita epäpuhtauspitoisuuksia. Vaikka kaikki esivalmistelut on tehty huolella ja hitsaus on suoritettu ilman hitsausvirheitä, niin hitsauslämmön vaikutuksesta pintaa suojaavan kromioksidikerroksen rakenne on muuttunut oleellisesti. Niin kutsuttujen päästövärien muodostuminen hitsin pinnalle on näkyvä muutos tästä ilmiöstä. Värien muodostuminen alkaa normaalissa ilmanalassa yli 300 C:een lämpötilassa ja tämä johtuu oksidikerroksen paksuuden ja rakenteen muuttumisesta. Happipitoisuudella on suora vaikutus hitsioksidien määrään ja voimakkuuteen, kuten nähdään kuvan 4 tunnetusta AWS D18.2 referenssikartasta, jossa hitsin juuren puolen putken sisäpinnan argon suojakaasuun on sekoitettu eri määrät happea. Jos hitsaukseen tarkoitetun argonkaasun puhtausaste on esimerkiksi %, tällöin 50 ppm:ää on jotain muuta kaasua. Joillakin ruostumattomilla teräksillä on mahdollista käyttää happea sitovia, pelkistäviä komponentteja suojakaasussa, kuten vetyä. Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat kuitenkin alttiita vetyhauraudelle, eikä vetyä tule koskaan lisätä suojakaasuun. Usein puhutaan, että tietyn värinen hitsioksidi kertoisi jotain sen korroosionkestävyydestä, mutta asia ei ole kuitenkaan aivan näin yksioikoinen. Värit hitsin pinnassa ovat interferenssivärejä, jotka kertovat ensisijaisesti oksidikerroksen paksuudesta. Tästä esimerkkinä voidaan mainita elektrolyyttisesti värjätyt ruostumattomat teräspinnat, joiden värjääminen perustuu juuri oksidikerroksen paksuuden kasvattamiseen ilman suurempaa muutosta korroosionkestävyydessä [1]. Luokittelua hitsien päästövärien mukaan kuitenkin tehdään erityisesti juuren puolella ja siitä on standardeja tietyille teräslajeille. Päästöväreiltä on hyvin vaikea välttyä hitsin pinnan puolella, koska pienetkin määrät happea aiheuttavat niitä ja lisäksi lämmöntuonnin kasvattaminen, eli hitaampi jäähtyminen, voimistavat päästövärien muodostumista. Yleisohjeina voidaan todeta, että kiiltävä tai hieman kellertävä päästöväri on eduksi. Mikäli hitsi on tumma, palanut ja hilseinen, niin tällöin korroosionkestävyys on todella heikko ja jälkikäsittelyt ovat todella tarpeen. Heikosti suojattu hitsi voi johtaa myös suuriin metallurgisiin muutoksiin hitsiaineessa ja näin keskeiset mekaaniset ominaisuudet, kuten hitsin lujuus tai sitkeys, ovat voineet huomaamatta vahingoittua. Kuva 4. Hitsin juurenpuolen päästövärien voimakkuus eri happipitoisuuksilla (O 2, ppm). Muokattu lähteestä [6]. Kuten jo aiemmin mainittiin, perusaineen kromirikkaan oksidikerroksen paksuus on vain muutamia nanometrejä, kuten nähdään kuvan 5A GD-OES syvyysprofiilista. Hitsauksen jälkeen kerros on muuttunut merkittävästi ja enää ei puhuta muutamista nanometreistä vaan useista kymmenistä tai sadoista nanometreistä, riippuen hitsausolosuhteista, happipitoisuudesta ja lämmöntuonnista. Hitsioksideissa ei ole ainoastaan kromia, vaan mukana voi olla useita alkuaineita, joiden keskinäiset sidostyypit voivat olla hyvin monimutkaisia. Tärkeimpiä pinnalla vaikuttavia aineita ferriittisissä ruostumattomissa hitseissä ovat happi, kromi ja rauta. Matalissa lämpötiloissa ( C) hitsin muutosvyöhykkeellä kasvaa raudan määrä oksidikerroksessa kromin suhteen, ja tämä ilmiö voidaan nähdä selvästi kuvista 5B ja C. Korkeammissa lämpötiloissa (>700 C) kromin diffuusio voimistuu ja sen määrä oksidikerrok- Kuva 5. Hitsin oksidikerroksen koostumus perusaineesta hitsiin, GD-OES syvyysprofiili 21Cr ferriittisellä ruostumattomalla teräksellä. Yllä periaatekuva analysoiduista alueista; kunkin alueen halkaisija on noin 2,5 mm.

4 13 A) B) Kuva 6. Hehkutuslämpötilan vaikutus pistepotentiaaliin 16Cr- ja 21Cr-ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä laboratoriohehkutuksissa (A). Vastaavanlainen kuvaaja kirjallisuudesta muille ruostumattomille teräksille (B) [8]. sessa kasvaa merkittävästi, kuva 5D. Tämä kromirikas oksidivyöhyke on periaatteessa korroosionkestävyydeltään parempi, mutta koska oksidikerroksen paksuus on kasvanut lähestyttäessä sularajaa, ei kerros ole enää yhtä tiivis kuin mitä se oli perusaineessa. Oksidit ovat usein kovia ja hauraita yhdisteitä, joilla on erilainen lämpölaajeneminen suhteessa alla olevaan teräkseen ja hitsauksen aiheuttamat muodonmuutokset aiheuttavat väistämättä halkeilua oksidikerroksessa. Sulana käyneen hitsiaineen oksidikerros voi erota huomattavasti muutosvyöhykkeestä. Sulavirtaukset helpottavat voimakkaasti hapettuvien aineiden siirtymistä pinnalle. Valokaaren plasmassa tapahtuu myös alkuaineiden haihtumista ja siirtymistä, mahdollisesti osittain myös muutosvyöhykkeen puolelle [7]. Hitsattaessa lisäaineettomasti on oksidikerros pääosin samanlainen kuin muutosvyöhykkeellä, mutta kuitenkin hieman paksumpi ja se sisältää näitä helposti hapettuvia aineita, kuten kuvassa 5E titaania ja alumiinia. Lisäaineellinen hitsaus on metallurgisesti ja myös oksidikerroksen osalta monimutkaisempi, varsinkin mikäli koostumusero perusaineeseen on merkittävä tai kyseessä on eripariliitos. Kuvan 5 esimerkin lisäaineettomassa TIG-hitsauksessa voidaan havaita neljä vyöhykettä: - 1) perusaineen ohut kromioksidikerros, - 2) matalan lämpötilan muutosvyöhykkeen rautapitoinen kerros, - 3) korkean lämpötilan muutosvyöhykkeen paksu kromirikas oksidikerros ja - 4) sulamisvyöhykkeen oksidikerros. Joidenkin tutkimusten mukaan altein alue korroosiolle on matalan lämpötilan rautapitoinen vyöhyke [8-10]. Paksujen oksidikerrosten halkeilu, valokaaren aiheuttama haihtuminen, yms heikentävät myös muiden alueiden korroosionkestävyyttä merkittävästi. Kuvassa 6A on esitetty korroosionkestävyyttä kuvaavan pistepotentiaalin muuttuminen hehkutuslämpötilan funktiona. Tässä ferriittisille teräksille tehtiin kokeelliset hehkutukset laboratoriouunilla (<400 C) ja Gleeble termomekaanisella simulaattorilla ( 400 C) argonsuojakaasussa, kontrolloidussa atmosfäärissä. Vaikka kyseessä oli vain kokeellinen testaus, alhaisin pistepotentiaali havaittiin juuri rautarikkaalla C:n alueella. Nämä kokeelliset tulokset vastasivat hyvin kirjallisuudessa esitettyjä havaintoja, joita on esitetty kuvassa 6B. Kuitenkin on huomattava, että pistepotentiaalien lukuarvoja ei voi verrata keskenään, koska kirjallisuudessa käytetyt testimenetelmät ja atmosfääri poikkesivat nyt käytetyistä C:n alueella havaittu pistepotentiaalin nousu perustunee kromioksidikerroksen paksuuden hienoiseen kasvuun, mutta tämä kerros ei ole välttämättä niin tiivis kuin huoneenlämmössä muodostunut. Kirjallisuuden esimerkissä hehkutuksia ei ollut tehty näin alhaisissa lämpötiloissa. Hitsien korroosiota käsittelevissä kirjoituksissa puhutaan usein hitsioksidien alla olevasta kromiköyhästä vyöhykkeestä, joka olisi kaikkein altein kohta korroosiolle. Tämä pitänee paikkansa austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä, mutta ferriittisillä kromiköyhää vyöhykettä ei normaalisti hitsattaessa esiinny, koska kromin diffuusionopeus ferriitissä on suurempi tai samaa luokkaa kuin sen hapettumisnopeus ja lisäksi hitsauksen lämpösykli on lyhyt. Näin ollen mahdollinen pintaan karkaavan kromin pitoisuus tasoittuu sitä mukaa oksidikerroksen alla [11]. Kuvan 5 syvyysprofiileistakin voidaan osittain nähdä, ettei mitään suurempaa kromipitoisuuden laskua tapahdu välittömästi oksidikerroksen alla, ei edes, kun oksidikerroksessa on hyvin runsaasti kromia. Syvyysprofiileissa havaittiin vain alle 1 % muutoksia kromipitoisuudessa, kun tarkasteltiin kuvien 5A-E ulkopuolisia alueita. Hitsien jälkikäsittelyt Jälkikäsittelyn perimmäisenä tarkoituksena on poistaa ongelmallinen oksidikerros hitsin pinnalta, mahdollinen perusaineen kromiköyhävyöhyke sekä mahdollisia hitsausvirheitä, ja näin ollen yleisesti parantaa hitsialueen korroosionkestävyyttä. Tämä tehdään tavallisesti mekaanisella tai kemiallisella käsittelyllä tai näiden yhdistelmällä. Mekaanisia käsittelyjä ovat hionta, harjaus, kiillotus ja raepuhallus. Kemiallisia menetelmiä ovat upotus-, suihkutus- ja pastapeittaus, passivointikäsittelyt sekä sähkökemiallinen elektrolyyttinen kiillotus. Kemialliset menetelmät ovat yleensä suotavampia, koska tällöin pinnankarheus ei juuri muutu. Näiden haittapuolena on kuitenkin käytettävien aineiden vaarallisuus, peräti myrkyllisyys. Peittausaineiden käsittely vaatiikin eritystä huolellisuutta, jotta roiskeilta iholle ja silmiin vältytään sekä suojaudutaan reaktiossa syntyviltä typpioksidihuuruilta (NOx) riittävällä ilmanvaihdolla. Muodostuvat jätteet, huuhteluvedet, yms. tulee myös käsitellä oikeaoppisesti. Peittaustöihin tulee suhtautua kuten tulitöihin, eli näitä töitä saavat tehdä vain asianmukaisen koulutuksen saaneet henkilöt. Mekaaniset jälkikäsittelyt Harjauksella poistetaan näkyvät päästövärit, mahdollista kuonaa ja hitsausvirheitä. Se tulisi tehdä välittömästi hitsauksen jälkeen hieman lämpimälle hitsille, koska hitsioksidit irtoavat tällöin helpommin. Pinta pitää tämän jälkeen vielä puhdistaa irtopartikkeleista ja muusta hitsauksen aikana syntyneestä liasta liuottimilla, vedellä, painepesurilla, tms. Ruostumattomille teräksille tulee aina käyttää vähintään yhtä jaloja teräsharjoja tai vaihtoehtoisesti muovisia harjoja. Harjaus on hyvin pinnallinen käsittely, eikä käsin tehty harjaus välttämättä poista kaikkia hitsioksideja, vaikka silmämääräisesti siltä näyttäisi. Myöskään mahdollista kromiköyhää vyöhykettä ei käsin tehtävällä harjauksella kyetä poistamaan. Pinta jää harjauksesta karkeaksi ja näin ollen korroosionkestävyys ei yllä perusaineen tasolle. Koneellisessa käsittelyssä ongelmaksi voi muodostua voimakkaan työstön aiheuttamat syvänteet sekä epätasainen pinnanlaatu. Pinnan mekaaninen hionta voidaan tehdä kahdella tapaa, väliaineen kanssa tai kuivahiontana, kuten jo aiemmin esiteltiin kuvassa 1. Mitä hienorakeisempi hionta on tehty,

5 14 Kuva 7. Hionnan karheuden vaikutus pistekorroosionkestävyyteen teräksellä. Muokattu lähteestä [12]. Kuva 8. Vierasruosteen ja karhean pinnan aiheuttama ruostuminen nauhahiotulla pinnalla sääkaappitestissä. Lähtötilanne (vasen), 1 vrk (keskellä) ja 4 vrk (oikea). sitä parempi korroosionkestävyys voidaan saavuttaa, kuten nähdään kuvan 7 pistepotentiaalin noususta hionnan grit-asteiden mukaan. Koska pinnankarheudella on suuri merkitys tähän, on usein tarpeen tehdä hionta käyttäen useita karheusasteita. Mikäli pinnanlaatuvaatimus on korkea, tulee hionta päättää kiillotukseen. Kuivahionnassa kappale ei saa kuumentua hionnan aikana niin paljoa, että päästövärejä alkaisi muodostua hiottavalle alueelle. Ruostumattomille teräksille tulee olla omat kiillotus- ja hiontalaikat sekä -nauhat vierasruosteen estämiseksi. Karhean pinnan ja likaisen nauhahionnan aiheuttamasta vierasruosteesta on esimerkki kuvassa 8. Raepuhalluksella voidaan puhdistaa nopeasti isoja pintoja. Puhallusrakeen koko ja koostumus vaikuttavat merkittävästi käsittelyn laatuun. Ruostumattomien terästen puhallukseen pitää käyttää vain niille soveltuvia rakeita, kuten lasi-, keraami-, tai alumiinioksidirakeita, jotta vierasruosteelta vältytään. Puhallettava aines tulee olla puhdasta ennen käyttöä niin, että jossain tapauksissa aines on syytä pestä ennen käyttöä ohjeiden mukaan. Käsitellyn pinnan ongelmana voi olla karhea ja epätasainen pinta sekä mahdolliset ainejäämät. Taulukko 1 Perusaineiden tyypilliset kemialliset koostumukset, paino-%. Taulukko 2 Yksi mainittava mielenkiintoinen jälkikäsittelyuutuus on laserpuhdistus (Hitsaustekniikka, 5/2010), jonka avulla mm. hitsioksidikerros voidaan höyrystää teräksen pinnalta erittäin tehokkaasti. Tätä ei ehkä luokitella mekaaniseksi käsittelyksi, mutta kerrottakoon se tässä kohtaa. Kemialliset jälkikäsittelyt Peittaus on edelleenkin paras tapa palauttaa hitsialueen korroosionkestävyys vastaamaan perusainetta. Peittaukseen käytetään tavallisesti typpi- ja fluorivetyhappojen seoksia, jotka liuottavat hitsioksidit, poistavat mahdollisen kromiköyhän vyöhykkeen ja poistavat myös pinnalla mahdollisesti olevia epämetallisia sulkeumia. Ennen peittausta hitsattu pinta tulee puhdistaa hilseestä ja muusta irtoliasta. Peittauksen lopputulokseen vaikuttavat peittausaineen väkevyys, aika ja lämpötila. Optimaaliset olosuhteet vaihtelevat teräslajeittain, mutta usein peittaus kestää 30 minuutista muutamiin tunteihin. Ferriittiset ruostumattomat teräkset peittautuvat hieman lyhyemmillä ajoilla kuin tavallisimmat austeniittiset, johtuen niiden vähäisemmästä seostuksesta. Alipeittautuminen jättää osan hitsioksidista jäljelle, joten se ei ole suotavaa. Ylipeittautumisessa teräksen raerajat alkavat syöpyä ja tällöin kiiltävä lähtöpinta muuttuu mattamaisen harmaaksi, mutta tämä on lähinnä esteettinen haitta. Peittausaineet tulee aina poistaa huolellisesti huuhtelemalla ja kevyellä harjauksella tai painepesurilla. Perusteellinen huuhtelu on tärkeää, koska mahdolliset happojäämät voivat hyvin nopeasti aiheuttaa vakavaa paikallista pistekorroosiota. Viimeiseen huuhteluun on hyvä käyttää deionisoitua vettä, koska tämä ei sisällä haitallisia klorideja. Jäämien poistoon on olemassa myös neutralointiaineita. Passivoinnilla tarkoitetaan pintakäsittelyä, jolla voidaan yleisesti edesauttaa passiivikalvon muodostumista sekä poistaa teräksen pinnalla olevaa rauta- ja hiiliteräsjäännettä ja lievää värjäymää. Se voidaan tehdä monella eri liuoksella; tavallisimmat ovat typpihappo, vetyperoksidi ja sitruunahappo. Passivointia ei tarvitse tehdä peitatulle pinnalle, koska tällöin kromioksidikerroksen pitäisi muodostua itsekseen ilmassa tai vedessä olevan hapen avulla. Elektrolyyttinen kiillotus ja siihen liittyvät kannettavat puhdistuslaitteet ovat yleistyneet vauhdilla. Menetelmä on tarkoitettu pintojen viimeistelyyn, ja sillä voidaan poistaa myös hitsioksideja, kromiköyhävyöhyke ja mahdollisia pinnan sulkeumia. Menetelmä on erittäin helppo ja nopea, mutta tarkoitettu etupäässä pienille kappaleille. Suurien kappaleiden osalta peittauspastat ja -kylvyt lienevät nopeampia. Käsitelty pinta on peilimäisen kiiltävä, mutta se on silti puhdistettava huolella kiillotuksen jälkeen mm. mahdollisista fosforijäämistä. EuroInox on julkaissut tästä menetelmästä erinomaisen esitteen [13]. Yhdistetty käsittely Peittausaineiden koostumukset, paino-%. Usein paras korroosionkestävyys ja ulkonäkö hitsialueella saadaan yhdistelemällä mekaanisia ja kemiallisia jälkikäsittelyitä. Peittaus kevyen harjauksen tai kiillotuksen jälkeen

6 15 on hyvin onnistunut jälkikäsittelytapa, koska se tasoittaa mekaanisen käsittelyn tuomia pinnan karheushuippuja, jäysteitä ja taskuja sekä poistaa mahdollisia sulkeumia ja likapartikkeleita. Peitattu pinta kuitenkin erottuu helposti muusta pinnasta ja ulkonäkösyistä kiillotus tehdään usein vasta peittauksen jälkeen. Tällöin täytyy muistaa, että pinta ennen kiillotusta tulee olla puhdas hitsioksideista eikä kiillotus itsessään saa jättää jäämiä pinnalle. Jälkikäsittelyjen käytännön vaikutus testipäivän jälkeen ruostuminen oli edennyt myös hitsin alueelle. Käsin kiillotettu hitsi on selkeästi parempi korroosionkestävyydeltään, joskin paikallista pistekorroosiota esiintyy johtuen pinnan hitsioksidijäämistä. Kiillotuksen jälkeen tehty peittaus voimakkaalla peittauspastalla on tuottanut parhaimman lopputuloksen eikä ruostumista ole merkittävästi havaittavissa. Kuvaan 10 on koottu tuloksia eri jälkikäsittelyjen vaikutuksista 4 vrk kestäneessä sääkaappitestissä. Teräslajit ja ovat molemmat 18Cr-stabiloituja teräksiä, joista jälkimmäinen on lisäksi molybdeeniseostettu. Tämän teräksen korroosionkestävyys on samaa luokkaa kuin tavallisen austeniittisen haponkestävän :n. Kuvasarjoista nähdään, että molempien terästen TIG-hitsit käyttäytyvät hyvin samankaltaisesti sääkaappitestissä. Mekaanisilla käsittelyillä hitsioksidien poisto on ollut vain pinnallista (harjattu, kiillotettu, raepuhallettu) tai sitten pinnankarheuden ja vierasruosteen sävyttämä nauhahiottu (hiottu). Kemialliset käsittelyt ovat selvästi parantaneet korroosi- Kolmen teräslajin ferriittisille ruostumattomille teräshitseille tehtiin tavanomaisia korroosiotestejä. Perusaineiden tyypilliset kemialliset koostumukset on kerätty taulukkoon 1. Hitsaus tehtiin mekanisoidulla TIG-hitsauksella ilman lisäainetta sekä MAGhitsauksella austeniittisilla lisäaineilla. Ainepaksuus oli ohutlevyille tavallinen 1,5 mm, joten hitsien lämmöntuonnit olivat kohtalaisen alhaisia vaihdellen välillä 0,1-0,3 kj/mm. Toimitustila perusaineilla oli kylmävalssattu, hehkutettu ja peitattu 2B. TIG-hitsauksessa käytettiin suojakaasuna argonia (99,998 %) virtausmäärän ollessa noin 15 l/min sekä numeron 7 (eli 11,2 mm) kaasukupua kaasulinssin ohella. MAG-hitsauksissa suojakaasu oli argon + 2 % happea virtausmäärän ollessa noin 20 l/min. Juurikaasuna kaikissa tapauksissa oli argon (99,998 %), noin 10 l/min, joskin juuren puolen tarkastelua ei tehty. Hitsien pinnan puolen jälkikäsittelyihin käytettiin kaikkia tavallisimpia menetelmiä. Peittausaineiden koostumukset on annettu taulukossa 2. Kuva 9. Jälkikäsittelyjen vaikutus sääkaappitestissä teräksellä TIG-hitsauksessa ilman lisäainetta. Käsittelemätön 1 vrk (vasen), käsin kiillotettu 4 vrk (keskellä) ja lisäksi peitattu näyte 4 vrk (oikea). Sääkaappitesti Sääkaappitesti on yleinen testimenetelmä arvioimaan terästen käyttäytymistä ilmastollista korroosiota vastaan. Tavallisesti testisykliin kuuluu suolapitoisen liuoksen sumuttamista ja kuivausta tietyssä lämpötilassa. Muutaman koepäivän perusteella voidaan vertailla terästen korroosionkestävyyttä ja arvioida käyttäytymistä todellisissa käyttöympäristöissä. Näin ollen sääkaappitestit soveltuvat myös hitsien jälkikäsittelyjen keskinäiseen vertailuun. Huomioitavaa kuitenkin on, että sääkaappitestien toistettavuus on melko heikko ja koekappaleiden vertailu tulee tehdä vain saman testisarjan sisällä. Oheisissa kuvasarjoissa esitetään jälkikäsittelyjen vaikutus tutkituilla teräksillä muutaman päivän jälkeen. Testisykli on erittäin rankka: 5 % suolaliuosta sumutetaan 5 minuutin ajan kaappiin, jonka jälkeen seuraa 55 minuutin kuivaus 35 C:ssa 70 % ilmankosteudessa. Kuvassa 9 nähdään kuinka päästövärinen hitsi on voimakkaasti ruostunut muutosvyöhykkeeltä jo yhdessä testipäivässä. Neljän Kuva 10. Hitsien jälkikäsittelyjen vaikutus 4 vrk sääkaappitestissä, TIG-hitsaus ilman lisäainetta.

7 16 onkestävyyttä, joskin tarvittavissa peittausajoissa on keskinäistä vaihtelua. Kuva 11. Hitsien jälkikäsittelyjen vaikutus suolasumutestissä, MAG-hitsaus teräslajille 308LSi-lisäaineella. Nauhahiottu (vasen), raepuhallettu (keskellä), harjaus ja peittaus (oikealla). Yllä lähtötilanne, alla 36 h jälkeen. Kuvassa 11 on MAG-hitsattuja näytteitä ennen sääkaappitestiä sekä sen jälkeen. Näissä testeissä havaittiin hyvin samankaltaisia piirteitä kuin TIG-hitsatuissa, likainen nauhahionta jättää vierasruostetta, raepuhallus on hyvin pinnallinen käsittely, ja yhdistetty harjaus- ja peittauskäsittely tuottaa erinomaisen korroosionkestävyyden. Austeniittinen 308LSi-lisäaine on hieman korkeammin seostettu kuin perusaine, ja näin sulana käyneen hitsialueen korroosionkestävyys on kautta linjan hyvä. Oksidi- ja hilsejäämät aiheuttavat kuitenkin paikallista korroosiota hitsipalon alueella. Kuvassa 12 on matalakromisen teräslajin MAG-hitsejä. Harjaus yhdistettynä peittaushappo 2:een, 30 min vaikutusajalla, tuottaa parhaimman lopputuloksen. Tämän jälkeen tehty kiillotus on oleellisesti heikentänyt korroosionkestävyyttä, mahdollisesti vieraspartikkeleiden vuoksi. Pistekorroosiopotentiaali Kuva 12. Hitsien jälkikäsittelyjen vaikutus suolasumutestissä, MAG-hitsaus teräslajille 308LSi-lisäaineella. Käsittelemätön (vasen), kiillotettu (keskellä), harjaus ja peittaus sekä harjaus, peittaus ja kiillotus (oikealla). Yllä lähtötilanne, alla 24h jälkeen Sähkökemiallinen pistekorroosiopotentiaalin mittaus on yksi tavallisimmista tavoista arvioida ruostumattomien terästen kestävyyttä paikallista pistesyöpymistä vastaan. Kokeesta saadaan monta eri parametria, mutta tavallisesti selvitetään ns. pistepotentiaali, eli tilanne, jonka jälkeen korroosiopisteitä muodostuu testialueelle. Kuvan 13 kuvaajassa on esitetty jälkikäsittelyjen vaikutus teräslajin ilman liäsainetta hitsattujen TIGhitsien pistepotentiaaliin. Koealueen säde on 5 mm hitsin keskellä, joten vain osa päästöväreistä mahtuu tälle alueelle. Tulosten perusteella nähdään, että päästövärinen hitsi omaa alimman pistepotentiaalin, eli heikoimman korroosionkestävyyden. Mekaanisilla jälkikäsittelyillä voidaan tätä hieman parantaa ja kemialliset käsittelyt palauttavat korroosionkestävyyden perusaineen tasolle. Rautakloriditesti Kuva 13. Jälkikäsittelyjen vaikutus hitsialueen pistepotentiaaliin teräslajilla A) B) C) D) Kuva 14. Ilman lisäainetta hitsatut TIG-hitsit teräksellä rautakloriditestissä. Rautakloriditestissä tutkittavat näytteet upotetaan 6 % FeCl 3 -korroosioliuokseen tavallisesti 1-3 päiväksi. Näytteiden pinta-ala ja paino mitataan ennen testiä ja sen jälkeen. Tulokset ilmoitetaan pinta-alaan suhteutettuna painohäviönä, eli korroosionopeutena. Tämän lisäksi korroosiopisteiden lukumäärää, kokoa ja sijaintia voidaan tutkia. Kuvassa 14 esitetään kuinka päästövärjäytyneelle alueelle (A) on muodostunut 1 vrk testin jälkeen lukuisia korroosiopisteitä (B). Vastaavaa pistesyöpymistä ei tapahdu kiillotetulle ja peitatulle hitsille (C) tai 600 grit vesihiotulle hitsille (D). Nämä esimerkit kuvaavat hyvin kuinka suuri merkitys hitsioksideilla on pistesyöpymisalttiuteen.

8 17 Hitsien jälkikäsittelyjen yleisohjeet Ferriittisten ja austeniittisten ruostumattomien terästen hitsien jälkikäsittelyt eivät poikkea suuresti toisistaan. Ainoastaan kemiallisissa jälkikäsittelyissä käytettävät kemikaalit toimivat teräslajeilla eri tavoin. Tavallisesti ferriittiset ruostumattomat teräslajit peittautuvat helpommin kuin vastaavat austeniittiset. Mikäli hitseissä tavoitellaan perusainetta vastaavaa korroosionkestävyyttä, tulisi hitsien jälkikäsittelyissä käyttää kemiallisia tai sähkökemiallisia menetelmiä. Korroosiokokeista havaittiin, että mekaaniset jälkikäsittelymenetelmät eivät poista täydellisesti hitseistä oksidikerrosta tai sen alapuolella mahdollisesti olevaa kromiköyhää vyöhykettä. Lisäksi karkea mekaaninen jälkikäsittely heikentää pinnanlaatua. Näin ollen mekaanisilla jälkikäsittelyillä on vaikea saavuttaa perusainetta vastaavaa korroosionkestävyyttä. Mekaanisesti jälkikäsitelty pinta voikin vaatia erillisen passivointikäsittelyn, mikäli epäillään, että oksidikerros ei muodostuisi luonnollisesti riittävän nopeasti. Mekaanisissa jälkikäsittelymenetelmissä tulee ottaa huomioon myös menetelmien puhtaus ja menetelmissä käytettävät työkalut ja materiaalit, jotteivät nämä heikennä käsiteltävän hitsin ja teräksen korroosionkestävyyttä. TIG-hitsien jälkikäsittelyissä elektrolyyttinen puhdistus on hyvä vaihtoehto. Tällä menetelmällä saadaan korroosionkestävyyden kannalta vastaavia tuloksia kuin muilla kemiallisilla menetelmillä. Menetelmä on etenkin pienten hitsaustuotteiden jälkikäsittelyissä huomattavasti nopeampi kuin muut kemialliset menetelmät. Paljon hitsejä sisältävä tuote voi olla kuitenkin työläs puhdistaa, sillä puhdistuslaitetta on hitaampi kuljettaa kuin levittää peittauspastaa tai upottaa tuote peittaushappoon. Peittaamalla sopivilla aineilla ja olosuhteissa saadaan hitseille lähes aina hyvä korroosionkestävyys. Voimakkaammat peittausaineet soveltuvat paremmin hitseille, sillä ne puhdistavat päästövärit huomattavasti tehokkaammin kuin laimeammat aineet. Ongelmaksi voi muodostua perusaineen ylipeittautumisesta johtuva mattamainen pinta. Lievä ylipeittautuminen ei ole kuitenkaan niin vaarallista kuin hitsien päästövärijäämät. Sekahappopeittauksissa on tärkeää, että sekahapon koostumus ja peittauslämpötila ovat sopivat tietylle teräslajille. Sekahappojen kuten peittauspastojenkin vaikutusajat voivat olla useita tunteja. Ennen sekahappopeittausta hitsit voidaan käsitellä mekaanisesti esimerkiksi harjaamalla. Harjatut pinnat peittautuvat huomattavasti lyhyemmillä peittausajoilla kuin käsittelemättömät hitsit, koska harjaus poistaa suurimman osan hitsioksideista. Yhdistettyjen jälkikäsittelyjen on myös havaittu toisinaan tuottavan jopa parempia tuloksia korroosionkestävyyden kannalta kuin pelkkä happopeittaus, vaikka pinnanlaatu jää mekaanisilla jälkikäsittelyillä usein karheaksi. Sopivien peittausparametrien löytäminen eri teräslajien hitseille vaatii kokeilua, sillä kemiallisille jälkikäsittelyille on vaikea osoittaa parhaita mahdollisia parametreja kuten peittausaineen koostumuksia, vaikutusaikoja ja lämpötiloja. Silmämääräisesti voidaan seurata päästövärien peittautumista eri olosuhteissa. Suolasumutestien tuloksia sekä hitsaus- ja jälkikäsittelytietoja vertailemalla saadaan hyvin suuntaa antavia ohjeita eri peittausparametrien toimivuudesta eri teräslajien hitseille. Peittaus- ja elektrolyyttipuhdistuskäsittelyissä hitsien pintaan jää usein peittausaineen jäämiä tai puhdistusaineen tahroja, jotka voivat vaikuttaa hitsien korroosionkestävyyteen. Etenkin matalakromisten ferriittisten ruostumattomien terästen oksidikerros ja perusmetalli voivat liueta helposti peittausaineeseen, joka käsittelyn jälkeisessä vesihuuhtelussa tarttuu helposti teräksen pintaan. Jäämät, hapettumat, tahrat ja ylipeittautuminen teräksen pinnassa ovat epäsiistin näköisiä. Epäsiisteydet voidaan ja suositellaan poistettavaksi hitseistä kiillottamalla peitatut tai Taulukko 3 Esimerkkejä hyvistä jälkikäsittelymenetelmistä lisäaineettomille TIG-hitseille. Taulukko 4 Esimerkkejä hyvistä jälkikäsittelymenetelmistä MAG-hitseille. elektrolyyttipuhdistetut pinnat. Peittauksen jälkeinen kiillotus voi kuitenkin myös heikentää korroosionkestävyyttä suhteessa peitattuun pintaan, mikäli työstöstä jää jäämiä tai pinnan passivoitumiseen ei ole annettu riittävästi aikaa. Hitsin jälkikäsittelyn merkitys tai jälkikäsittelytuloksen riittävyys riippuu myös lopputuotteen käyttökohteesta. Joissakin tapauksissa heikkokin jälkikäsittelymenetelmä voi olla riittävä, vaikka sillä ei saavutetakaan perusaineen veroista korroosionkestävyyttä. Jälkikäsittelyn sopivuutta tietyn olosuhteen tuotteille kannattaa kuitenkin ensin testata, jos sen sopivuudesta ei ole varmuutta. Lopuksi taulukkoihin 3 ja 4 on kerätty muutamia esimerkkejä TIG- ja MAG-hitseille hyvin soveltuvista jälkikäsittelymenetelmistä. Yhteenveto Hitsien korroosionkestävyys on päästövärjäytymisen johdosta perusainetta heikompi. Päästövärjäytyneellä alueella ruostumatonta terästä suojaavan kromioksidikerroksen rakenne ja koostumus eivät vastaa perusaineen pinnassa olevaa oksidikerrosta. Korroosionkestävyyden varmistamiseksi ruostumattomien terästen hitsauksessa on syytä muistaa huolehtia puhtaudesta. Oikeilla työskentelytavoilla voidaan hitsaustapahtuman puhtausastetta parantaa huomattavasti,

9 18 millä on myönteinen vaikutus hitsisauman mekaanisiin ja korroosio-ominaisuuksiin. Ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä puhtauden merkitys korostuu, koska näillä teräksillä ominaisuudet heikkenevät voimakkaasti, kun epäpuhtauspitoisuusaste kasvaa. Hitsialueen korroosionkestävyyteen vaikutetaan mekaanisilla ja kemiallisilla jälkikäsittelyillä, ja näiden yhdistelmä tuottaa usein parhaimman lopputuloksen. Lähteet [1] Ruostumattoman teräksen pinnanlaadut, 3. painos. Euroinox (2004), s. 19 ja s. 15. [2] R. Haberman. Basic for GTa Welding. Welding Journal (1986), ss [3] K.F. Krysiak, J.F. Grubb, B. pollard, R.D. Campbell. Selection of Wrought Ferritic Stainless Steels. asm Handbook Vol. 6 (2003), s [4] Miller Electric Mfg. Co. Tips to improve TiG arc Starts and promote arc performance in aerospace and other Low amp applications. haettu [5] profabricationtechniques.com. TiG Welding. haettu [6] Specification for welding of austenitic stainless steel tube and pipe systems in sanitary (hygienic) applications. aws D18.2 (1999). [7] E.M. Westin. Väitöskirja. Kungliga Tekniska Högskolan (2010), s. 45. [8] J. Ruge, L. Radebold. Einfluss von durch Schweissen erzeugten Oxidfilmen auf die Lochfrassbeständigkeit nichtrostender austenitischer Chrom-Nickel-Stähle in annähernd neutralen Chloridlösungen. BMFT-abschlussbericht FE-KKs, Vol. 5 (1990), s.101. Viitattu lähteessä: T. amman. purging while welding. Linde Gas (2010), s.5. [9] S. azuma, H. Miyuki, J. Murayama, T. Kudo. Corr. Eng. Vol. 39 (1990), s [10] T. Von Moltke, p.c. pistorius, R.F. Sandenbergh. The influence of Heat-tinted Surface Layers on the Corrosion Resistance of Stainless Steels. infacon 6 Vol. 2 (1992) [11] C. Oswald, H.J. Grabke. initial oxidation and chromium diffusion. i. Effects of surface working on 9 20% Cr steels. Corrosion Science Vol. 46 (2004) [12] R. Erikson, L. Schön, B. Wallén. Effects of some oxide removal treatments on the corrosion resistance of 316 stainless steel. 8th Scandinavian Congress, Helsinki (1978), s [13] Ruostumattomien terästen elektrolyyttinen kiillotus, 1. painos. Euroinox (2010) Severi Anttila ja Vesa Lauhikari Terästutkimuskeskus, Oulun yliopisto Hannu-Pekka Heikkinen Tornion tutkimuskeskus, Outokumpu Stainless Oy