Ferriittisten ruostumattomien terästen hitsattavuus ja hitsialueen muovattavuus Severi Anttila Oulun yliopiston terästutkimuskeskus,konetekniikan osasto, Materiaalitekniikan laboratorio Johdanto Ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat runsaasti kromia sisältäviä teräksiä, jotka eivät sisällä juurikaan nikkeliä. Ferriittisiä ruostumattomia teräksiä käytetään yhä laajemmin (OHUTLEVY 2 2009, 1 2010) ja näiden terästen suosio on kasvanut viime vuosina nikkelin raaka-ainehinnan vaihdellessa suuresti. Nikkelin vähäisyys mahdollistaa näiden terästen paremmin ennustettavan hintakehityksen. Sinällään ferriittiset ruostumattomat teräkset eivät ole mikään uutuus, vaan ne on tunnettu jo yli 50 vuotta. Niiden käyttö on ollut kuitenkin vähäistä Suomessa ja Euroopassakin. Japani on ollut ferriittisten ruostumattomien teräslajien kohdalla edelläkävijä, ja siellä näiden osuus kaikista ruostumattomista on noussut jo yli 50%:n. Matalan Ni-pitoisuuden teräkset ovat toimitustilassaan ferriittisiä, joten niiden monet fysikaaliset ominaisuudet muistuttavat enemmän hiiliteräksiä kuin austeniittisia ruostumattomia teräksiä. Hitsauksessa tämä tulee selvästi esiin vähäisempänä vetelynä verrattuna esim. austeniittisiin tai duplex-teräksiin. Ferriittiset teräslajit Ferriittiset ruostumattomat teräslajit eroavat keskenään merkittävästi niin korroosionkestoltaan kuin hitsattavuudeltaankin. Hitsaus ja muut lämpökäsittelyt voivat muuttaa mikrorakennetta, mekaanisia ominaisuuksia ja korroosionkestoa merkittävästi. Tämän vuoksi materiaalin valinta on tehtävä huolellisesti eri työvaiheita ja käyttökohteita mietittäessä. Kuvassa 1 on esitetty ferriittisten teräslajien luokittelua sekä muutamia tunnusmerkkejä. Ruostumattomuus on etupäässä kromin ansiota ja korroosionkesto on vahvasti sidonnainen sen määrään. Ferriittisten teräslajien kromipitoisuus voi vaihdella matalakromisista Kuva 1. Tavanomaisia ferriittisiä teräslajeja ja niiden luokittelua. 18 OHUTLEVY 1/2012 www.ohutlevy.com
(11%Cr) aina superferriittisiin (28%Cr), mutta tavallisesti pitäydytään alueella 11 20%Cr. Matalakromiset teräkset ovat korroosionkestoltaan ylivertaisia CMn-teräksiin nähden, mutta sellaisenaan verhoilupaneeleiksi ei niistä juuri ole. Korroosiovärjäymien esiintyminen ulkoilmassa on tavallista näillä teräksillä, mutta korroosionopeus on silti alhainen. Tavallisimpia käyttökohteita ovat rakennekäyttö (1.4003) ja pakoputkien nk kylmän pään osat (1.4512). Yksi vanhimmista ja edelleenkin suosituimmista teräslajeista on keskikrominen 1.4016, jota käytetään esim. pesukoneiden rummuissa, keittiötarvikkeissa ja -pinnoilla. Edelleen kromipitoisuuden kasvaessa (1.4510, 1.4509) käyttösovelluksien määrä kasvaa, esim. verhoilulevyt, yleiskäyttö ja pakoputkien kuuman pään osat, joissa tarvitaan kuumakestävyyttä. Molybdeeniseostus parantaa erityisesti piste- ja rakokorroosionkestävyyttä teräslajilla 1.4521. Molybdeeni on kuitenkin arvokas seosaine, joka tulee ottaa huomioon materiaalivalinnassa. Tavallisimpia käyttökohteita tälle ns. haponkestävälle ferriittiselle teräkselle ovat juoma- ja kuumavesikohteet. Hyvänä ominaisuutena kaikilla ferriittisillä teräslajeilla on immuunius jännityskorroosiolle kloridiympäristöissä. Tämä on tavallinen ongelma austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä. Superferriittisiä teräslajeja (24 28%Cr + 1 4%Mo) on jo parikymmentä vuotta käytetty erityisolosuhteissa, esim. voimalaitosten lauhdutinputkissa. Näiden terästen laajempaa käyttöä estää kuitenkin valmistusprosessi sekä korkea hinta. Tulevaisuudessa yli 20%Cr korkeakromiset teräslajit korvaavat entistä enemmän tavallisten austeniittisten terästen, eli 1.4301:n (304L) tai 1.4404:n (316L) käyttökohteita. Hitsaus Ferriittisten ruostumattomien terästen hitsaukseen suositellaan matalan lämmöntuonnin menetelmiä, jotta liitoksen iskusitkeys olisi riittävä. Pulssitus on hyvä keino pienentää MAG- ja TIG-hitsausten lämmöntuontia. Jauhekaarihitsaus ei sovellu näille teräksille korkean lämmöntuontinsa vuoksi. Puikkohitsaustakaan ei suositella korkeakromisil le teräslajeille, koska tällöin lämmöntuonnin lisäksi myös epäpuhtauksien määrä voi kasvaa hitsissä liian suureksi. Puikkohitsauksessa on suositeltavaa käyttää niukkavetyisiä emäspuikkoja. Käytettävät lisäaineet ovat tavallisesti austeniittisia, kuten 19 9 L (308L), 19 12 3 L (316L) ja yliseosteinen 23 12 L (309L). Ferriittisiä lisäaineita käytetään lähinnä pakoputkistoissa. Esilämmitystä (tai korkeaa välipalkolämpötilaa) tulee välttää, koska tämä kiihdyttää rakeenkasvua. Ferriittisten ruostumattomien terästen hitsauksessa hitsaustapahtuman puhtaus on tärkeä tekijä hyvien mekaanisten ja korroosio-ominaisuuksien kannalta. Vedyn pääsyä hitsiin tulee estää, koska sen liukoisuus ferriittiin on vähäistä ja se voi aiheuttaa kylmähalkeilua. Suojakaasuna tulee käyttää Ar ja Ar-He -pohjaisia seoksia. MAG-hitsauksessa 2 % O2 tai CO2 lisäys on tavallista, mutta suurempia määriä ei näitä hapettavia komponentteja suositella. Hitsattavuus Ferriittisen ruostumattoman teräksen hitsattavuus on vastaavaa austeniittista heikompi. Luokittelu hitsattavuuden osalta liittyy mahdolliseen stabilointiin, joka saadaan tavallisesti titaani- ja/tai niobiseostuksella. Ensin on syytä käydä läpi stabiloimattomat teräslajit (11 17%Cr), jotka kokevat joko täydellisen tai osittaisen faasimuutoksen austeniitiksi korkeissa lämpötiloissa. Jäähtymisen yhteydessä korkeissa lämpötiloissa esiintyvä austeniitti muuttuu martensiitiksi ja mikrorakenne muutosvyöhykkeellä (HAZ) on siten ferriittis-martensiittinen. Jäännösausteniittia ei tavallisesti esiinny. Tällä kaksifaasirakenteella on sekä hyviä että huonoja ominaisuuksia. Matalahiilinen rakenneteräs 1.4003 tuottaa tavallisilla lämmöntuonneilla sitkeän sälemartensiittisen muutosvyöhykkeen (kuva 2), mutta korkeahiilinen 1.4016 tuottaa hauraan ja suurirakeisen ferriittis-martensiittisen rakenteen (kuva 3). Martensiitti on muodostunut ferriitin raerajoille. Jälkimmäinen mikrorakenne vaatii martensiitin päästön esim. 750 C:ssa, jolla hitsialueen sitkeyttä voidaan parantaa. Raerakennetta ei voida kuitenkaan hienontaa enää näillä jäl Kuva 2. Hitsiaineen ja HAZ:n mikrorakenne teräslajilla 1.4003. Lisäaineeton TIG, 0.06 kj/mm. Martensiitin sälekoko suurin hitsissä ja korkean lämpötilan HAZ:ssa (kuvassa vasemmalla). Kuva 3. Hitsiaineen ja HAZ:n mikrorakenne teräslajilla 1.4016. Lisäaineeton TIG, 0.06 kj/mm. Raerajamartensiittia ferriittipohjalla sekä hitsissä että HAZ:ssa. Martensiitin määrä vaihtelee 10%:sta aina 30%:iin, riippuen jäähtymisajasta kaksifaasialueella. www.ohutlevy.com OHUTLEVY 1/2012 19
kikäteen tehtävillä hehkutuksilla, joten pieni lämmöntuonti on tärkeää hitsattaessa ferriittisiä ruostumattomia teräksiä. Sitkeys ei ole ainoa ero näiden hitsien välillä, vaan eroa on myös korroosionkestossa. Vaikka 1.4016 on kromipitoisuudeltaan korkeampi kuin 1.4003, suurimmat korroosio-ongelmat hitsauksen jälkeen esiintyvät juuri 1.4016:lla. Herkistyminen, eli alttius raerajakorroosiolle on tavallisin ongelma. Suuri hiili- ja typpipitoisuus sekä korkea lämpötila on mahdollistanut kromikarbidien ja nitridien muodostumisen, tavallisesti raerajoille. Jäähtymisen aikana kromipitoisuus ei ehdi tasoittua ferriitissä ja osa rakenteesta, mm. raerajojen ympäristö jää koostumukseltaan vajaaksi kromin suhteen. Näillä alueilla ruostumattomuuden edellytys, eli passiivikalvon muodostuminen voi jäädä toteutumatta kokonaan ja alueet ovat alttiina ruostumiselle. Tämä herkistynyt rakenne voidaan korjata lämpökäsittelyllä, esim. muutamia minuutteja 750 C:ssa riittää tasoittamaan kromipitoisuuseroja ja passiivikalvon muodostuminen on jälleen mahdollista. Matalakromisessa 1.4003:ssa herkistymisongelmaa ei normaalisti ole, koska teräs on matalahiilinen ja suurin osa hiilestä on kerääntynyt sälemartensiittiseen rakenteeseen. Näin vapaata hiiltä ei ole saatavilla esim. kromikarbidien muodostumiselle. Herkistymistä voi kuitenkin tapahtua monipalkohitsauksen jälkeen, mutta tällöinkin vain tietyillä liitosmuodoilla. Stabiloinnissa teräksessä liuenneena olevat hiili- ja typpiatomit pyritään sitomaan stabiileiksi titaani- ja niobikarbideiksi, -nitrideiksi ja karbonitrideiksi. Stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat mikrorakenteeltaan ferriittisiä aina sulaan saakka. Niihin ei muodostu austeniittia korkeissa lämpötiloissa, eivätkä ne siten karkene jäähtymisessä. Tosin matalakromiseen 12%Cr Ti-stabiloituun 1.4512 teräkseen voi syntyä hitsauksessa hieman martensiittia, koska ferriittistä kiderakennetta suosivan kromin määrä on niin alhainen. Martensiitin määrä on kuitenkin korkeitaan muutamia prosentteja. Stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset ovat yksinkertaisia mikrorakenteeltaan; Ti- ja Nb-erkaumia ferriittimatriisissa. Muita sekundäärifaaseja, kuten α cr, sigma- tai Lavesin faaseja ilmenee ohutlevyissä vasta useiden tuntien hehkutuksessa, ja tällöinkin vain tietyissä lämpötiloissa. Hitsaus kasvattaa hitsin muutosvyöhykkeen (HAZ) raekokoa ja jonkin verran ja liuottaa em erkaumia. Kuvassa 4 on esitetty titaanistabiloidun 1.4510:n hitsi, jossa raekoon kasvua HAZ:ssa on tapahtunut perusaineen tasosta 14 μm:sta 75 μm:iin. Kaksoisstabiloidulla 1.4509:llä rakeenkasvu HAZ:ssa on tätä vähäisempää 22 μm:sta 56 μm:iin. Vähäisempi raekoon kasvu johtuu Nb-erkaumien raerajoja lukitsevasta vaikutuksesta (pinning). Hitsiaine on molemmissa tapauksissa hyvin samankaltainen, koska stabiilit Ti erkaumat toimivat molemmissa tapauksissa rakeiden ydintymispaikkoina. HAZ:n raekoko vaikuttaa kuitenkin sularajalla olevien rakeiden jähmettymiseen, näin ollen 1.4509:n epitaksiaalisesti jähmettyneet rakeet ovat yleensä hienompia kuin karkeampirakeisen 1.4510:n kohdalla. Muovattavuus Levynmuovauksen perusjakoon kuuluu venytysveto ja syväveto, kuva 6 (OHUTLEVY 1-2011). Nämä ominaisuudet menevät ristiin austeniittisilla ja ferriittisillä ruostumattomilla teräksillä. Materiaalin venytysmuovaukseen vaikuttaa muokkauslujittumiskyky. Austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä on tunnetusti erinomainen muokkauslujittumiskyky. Kuten jo aiemmin mainittiin, ferriittisten ruostumattomien terästen ominaisuudet muistuttavat monelta osin hiiliteräksiä, eikä niiden muokkauslujittuminen ei ole yhtä voimakasta. Venytysmuovauskykyä mitataan usein Erichsenin kuppikokeella, jossa 1evyaihiota pullistetaan siten, että levy on lukittu ja työkalu painetaan levyä vasten, kunnes syntyneen kupin seinämä murtuu. Erichsen luku on tämän syntyneen kupin korkeus. Syvävedossa materiaalin ohenemista ei liiemmin tapahdu, koska vapaana oleva levyaihio vedetään tietyn halkai Kuva 4. Hitsiaineen ja HAZ:n mikrorakenne teräslajilla 1.4510. Lisäaineeton TIG, 0.07 kj/mm. Ferriittinen mikrorakenne sisältäen Ti-erkaumia. Raekoko kasvanut HAZ:ssa 61 μm. Hitsiaine (vasemmalla) on jähmettynyt mm. Ti-erkaumien vaikutuksesta hienorakeisena. Kuva 5. Hitsiaineen ja HAZ:n mikrorakenne teräslajilla 1.4509. Lisäaineeton TIG, 0.06 kj/mm. Ferriittinen mikrorakenne sisältäen Ti ja Nb-erkaumia. Vähäisempää raekoon kasvua HAZ:ssa kuin edellä (34 < 61 μm) Nb-erkaumien pinning-kyvyn vuoksi. 20 OHUTLEVY 1/2012 www.ohutlevy.com
Taulukko 1. Yhteenveto hitsausparametreista. Kuva 6. Venytysvedon (vasemmalla) ja syvävedon (oikealla) periaatteet.error! Reference source not found. sijan omaavan vetorenkaan läpi kuten esim. Swiftin kuppikokeessa. Yhdellä vedolla voidaan kuitenkin saada aikaan vain rajallisen korkuinen kuppi, johtuen muokkausvoimista seinämän eri osissa. Materiaalin syvävedettävyyttä kuvataan plastisella venymäsuhteella, r-arvolla, joka saadaan selville mm. vetokokeessa. Mitä suurempi r-arvo on, sitä paremmin materiaali on syvävedettävissä. Tavallisemmin syvävedettävyyttä tarkastellaan kuitenkin rajavetosuhteella, eli LDR-arvolla (limiting drawing ratio). Syvävetokokeessa tämä tarkoittaa suurinta mahdollista levyaihion halkaisijaa, joka voidaan vetää tietyn painimen avulla ehjäksi kupiksi. LDR = D/d, jossa D on levyaihion halkaisija ja d on painimen halkaisija. Havaintoja Muutamia lisäaineettomia TIG hitsauksia tehtiin päällehitsauksena eri valmistajien matala- ja keskikromisille ferriittisille ruostumattomille teräksille. Materiaalipaksuus oli 1,0 mm ja toimitustila 2B. Vertailumateriaalina käytettiin tavanomaista austeniittista 1.4301 terästä (304L), jonka paksuus oli 1,0 mm ja toimitustila DB. Yhteenveto käytetyistä hitsausparametreista on esitetty taulukossa 1. Hitsatuille levyille tehtiin vähäisen juuren hionnan/tasoituksen jälkeen sekä Erichsenin että Swiftin kuppikokeita, hitsialueen muovattavuuden arvioimiseksi sekä venytysmuovauksen että syvävedon suhteen. Molemmissa testeissä seinämävahvuudella on merkitys tulokseen, joten esitetyt tulokset soveltuvat vain noin 1,0 mm paksuusalueelle. Menetelmä Virta (pulssi) Jännite Hitsausnopeus Kaarienergia Lämmöntuonti Suojakaasu Juurikaasu Pulssi TIG, täysi tunkeuma 70 A (146/32A) 10 V 455 mm/min 0,10 0,11 kj/mm 0,06 0,07 kj/mm 8 l/min (Ar) 12 l/min (Ar) Venytysmuovattavuus Erichsen koe Testien tulokset on esitetty kuvassa 7 ja muutamia esimerkkejä hitsatuista näytteistä on kuvassa 8. Hitsattujen levyjen osalta tulokset voidaan jakaa kolmeen osaan. Selkeästi heikoimman arvon saa perinteinen korkeahiilinen 1.4016, jonka raerajamartensiitti on tunnetusti heikosti muovattavissa. Hitsialueen muovattavuus palautuu kuitenkin perusaineen tasolle 30 minuutin päästökäsittelyllä 750 C:ssa. Stabiloidut hitsit (1.4512, 1.4509, 1.4521) ovat lähes perusaineen veroisia sellaisenaan. Matalahiilinen sälemartensiittinen hitsi 1.4003:lla on sellaisenaankin kohtalaisen hyvin muovattavissa. Vastaavaa päästökäsittelyä kuin 1.4016:lla voidaan harkita, mikäli hitsialueen iskusitkeyden lievä lasku ei haittaa. 1.4509:n kohdalla osa hitseistä tehtiin tarkoituksella huonolla suojauksella (4 l/min, ei juurikaasua). Näistä tuloksista voidaan nähdä heikentynyt hitsialueen muovattavuus. Austeniittinen referenssiteräs 1.4301 on suuren muokkauslujittumiskykynsä ansiosta ylivoimainen tässä testissä. Syvävedettävyys Swiftin kuppikokeita Venytysmuovauksen ohella tutkittiin muutamien testimateriaalien syvävedettävyyttä Swiftin kuppikokeella. Testiin valittiin referenssiteräksen lisäksi yksi stabiloitu (1.4521) sekä molemmat stabiloimattomat teräslajit (1.4003 ja 1.4016). Testien tuloksia on esitelty kuvassa 9. Huomaa, ettei tarkkaa rajavetosuhdetta pyritty määrittämään, joten LDR arvo on likimääräinen. Tarkempia tietoja tiettyjen teräslajien käyttäytymisestä syvävedossa on saatavilla valmistajien esitteistä. Ferriittisten perusaineiden syvävedettävyydessä on eroja Kuva 7. Erichsenin kuppikokeen tuloksia 1,0 mm perusaineille ja hitseille. Huomaa martensiitin päästön huomattava vaikutus 1.4016 hitsien tuloksissa (+30min 750 C) sekä hitsaustapahtuman puhtauden merkitys (huono suojaus). www.ohutlevy.com OHUTLEVY 1/2012 21
Kuva 8. Esimerkkejä hitsattujen levyjen Erichsenin kuppikokeista. Huomaa selkeä kolmijako: hauras martensiittinen (A), tätä sitkeämpi sälemartensiitti (B) ja lähes perusaineen veroinen täysin ferriittiseksi stabiloitu hitsi (C). Kuva 9. Swiftin kuppikokeiden tuloksia. Stabiloidun 1.4521:n syvävedettävyys on sekä perusaineessa että hitsissä erinomainen. Perinteisen 1.4016 teräksen hitsin syvävedettävyys on erittäin heikko ilman jälkilämpökäsittelyä. Kuva 10. Swiftin kuppikokeen koekappaleita. Hitsattu perinteinen 1.4016 (vasen) ja vastaava päästökäsitelty kappale (oikea). Päästökäsittelyssä kappale on hilsettynyt. teräslajien välillä. Stabiloimattomat teräkset omaavat heikoimmat rajavetosuhteet, ja ne ovat matalampia kuin referenssinä olleella austeniittisella 1.4301:llä. Stabiloitu 1.4521 omaa erinomaisen rajavetosuhteen (yli 2,2). Lisäksi täytyy mainita, että muilla stabiloiduilla teräslajeilla, kuten 1.4512:lla ja 1.4509:llä on tutkitusti vielä korkeampi rajavetosuhde (1,0 mm paksuudella LDR voi olla 2,3 2,4). Hitsialueen syvävedettävyys säilyy erinomaisena stabiloidulla 1.4521:llä, eikä sälemartensiittinen hitsi 1.4003:lla myöskään näyttäisi heikentävän rajavetosuhdetta. Jo venytysmuovauksessa esiin noussut raerajamartensiitin alhainen sitkeys heikentää 1.4016:n syvävedettävyyttä oleellisesti, eikä yhtään onnistunutta kuppia saatu tehtyä. Päästökäsittelyllä on jälleen selkeästi positiivinen vaikutus hitsialueen muovattavuuteen, josta esimerkki kuvassa 10. Muovattavuuden tarkastelua Aiemman teorian ja esimerkkikokeiden perusteella ferriittisten terästen venytysmuovattavuus on heikompi kuin vastaavien austeniittisten terästen. Ero johtuu etupäässä erilaisesta muokkauslujittumiskyvystä. Syvävedettävyydeltään stabiloidut ferriittiset teräkset ovat erinomaisia, ja tutkittu 1.4521 erottautui muista teräslajeista selkeästi parhaana. Kirjallisuuden perusteella muut stabiloidut ferriittiset teräslajit kuten 1.4512 ja 1.4509 ovat vieläkin paremmin syvävedettävissä Vaikka nyt tutkitulla 1.4016:lla oli heikoin rajavetosuhde, sitä voidaan parantaa merkittävästi kontrolloidulla valssauksella. 22 OHUTLEVY 1/2012 www.ohutlevy.com