Stal nierdzewna to rodzaj stali zawierającej chrom, zapewniający jej dużą odporność na rdzę. Ze względu na swoją strukturę stal nierdzewną dzieli się na cztery główne typy: austenityczną, ferrytyczną, martenzytyczną istal nierdzewna typu duplex. Każdy typ ma unikalne cechy i specyficzne wymagania spawalnicze.
Stal nierdzewna jest wytwarzana poprzez dodanie chromu do stali, tworząc stan pasywacji, który czyni materiał odpornym na rdzę. Aby ta właściwość była skuteczna, zawartość chromu musi wynosić co najmniej 12%. Aby jeszcze bardziej zwiększyć odporność na korozję, często dodaje się pierwiastki takie jak nikiel i molibden w celu wzmocnienia warstwy pasywacyjnej.
Ogólnie rzecz biorąc, „stal nierdzewna” obejmuje ogólnie zarówno stal nierdzewną, jak i kwasoodporną. Chociaż stal nierdzewna nie zawsze jest kwasoodporna, stal kwasoodporna zazwyczaj zapewnia doskonałą odporność na rdzę ze względu na swój ulepszony skład chemiczny.
Austenityczna stal nierdzewna i jej właściwości spawalnicze
Austenityczna stal nierdzewna zawiera dużą ilość chromu i niklu, zwykle tworząc w temperaturze pokojowej całkowicie austenityczną strukturę. Stal ta zapewnia doskonałą plastyczność, wytrzymałość i odporność na korozję. Jednak podczas spawania stwarza to kilka wyzwań:
Korozja międzykrystaliczna:
Gdy austenityczna stal nierdzewna pozostaje przez dłuższy czas w zakresie temperatur od 450 do 850 stopni, węgliki Cr23C6 mogą wytrącać się na granicach ziaren, tworząc strefy zubożone w chrom i powodując korozję międzykrystaliczną. Środki zapobiegawcze obejmują stosowanie materiałów spawalniczych o bardzo niskiej zawartości węgla lub stabilizowanych materiałów spawalniczych z pierwiastkami takimi jak tytan lub niob, stosowanie technik spawania przy niskim wprowadzaniu ciepła oraz obróbka roztworem po spawaniu.
Gorące pęknięcia:
Ze względu na wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej austenityczna stal nierdzewna podczas chłodzenia podlega znacznym naprężeniom skurczowym, przez co jest podatna na pękanie na gorąco. Aby temu zapobiec, skład metalu spoiny można dostosować tak, aby utworzył strukturę duplex z zawartością ferrytu kontrolowaną w zakresie od 3% do 5%. Ponadto wybór odpowiedniej powłoki elektrody może zmniejszyć ryzyko pękania.
Pękanie korozyjne naprężeniowe:
W złączach spawanych austenitycznej stali nierdzewnej mogą wystąpić opóźnione pęknięcia pod wpływem naprężeń rozciągających w określonych środowiskach korozyjnych. Strategie zapobiegawcze obejmują wybór kompatybilnych materiałów spawalniczych, zapewnienie prawidłowego dopasowania spoiny do metalu nieszlachetnego, stosowanie odpowiednich procesów spawania i zastosowanie obróbki odprężającej po spawaniu.
Słabe tworzenie spoiny:
Ze względu na wysoką zawartość stopu i niską płynność roztopionego jeziorka austenityczna stal nierdzewna może powodować słabą jakość powierzchni spoiny. Aby poprawić tworzenie spoiny, można zastosować techniki takie jak spawanie wolframem w gazie obojętnym (TIG) ściegów graniowych, kontrolowanie zakresu temperatur uczulania strefy wpływu ciepła i stosowanie technologii wąskiego ściegu spoiny.
Ferrytyczna stal nierdzewna i jej właściwości spawalnicze
Ferrytyczna stal nierdzewna zawiera od 10,5% do 30% chromu i ma sześcienną strukturę kratową skupioną wokół ciała. Zwykle nie zawiera niklu, ale może zawierać niewielkie ilości molibdenu, tytanu lub niobu w celu uzyskania lepszych właściwości. Stal ta charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, niską rozszerzalnością cieplną oraz doskonałą odpornością na utlenianie i korozję naprężeniową. Jego właściwości spawalnicze obejmują:
Spawalność:
Ze względu na niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, ferrytyczna stal nierdzewna ma tendencję do powstawania naprężeń spawalniczych, które mogą powodować pękanie. Podgrzewanie wstępne przed spawaniem i powolne schładzanie po nim są niezbędne, aby zminimalizować naprężenia i uniknąć pęknięć.
Korozja międzykrystaliczna:
Ferrytyczna stal nierdzewna jest podatna na korozję międzykrystaliczną, zwłaszcza gdy zawartość węgla jest wysoka. Aby zmniejszyć to ryzyko, zaleca się stosowanie materiałów spawalniczych o niskiej zawartości węgla lub stabilizowanych.
Odporność na korozję:
Ferrytyczna stal nierdzewna zapewnia lepszą odporność na korozję niż austenitycznaStal nierdzewna 316szczególnie w środowiskach o dużej zawartości chloru. Dzięki temu nadaje się do stosowania w agresywnych warunkach korozyjnych.
Właściwości mechaniczne:
Ferrytyczna stal nierdzewna ma nieco wyższą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie niż stal niskowęglowa, ale mniejszą ciągliwość. Szczególną uwagę należy zwrócić na utrzymanie plastyczności i wytrzymałości spoiny podczas spawania.
Kruchość:
Ferrytyczna stal nierdzewna może stać się krucha w temperaturze pokojowej, szczególnie gatunki o wysokiej zawartości chromu. Kontrolowanie szybkości chłodzenia podczas spawania i stosowanie odpowiedniej obróbki cieplnej po spawaniu może złagodzić ten problem.
Kruchość w wysokiej temperaturze:
W podwyższonych temperaturach ferrytyczna stal nierdzewna może wykazywać kruchość w wyniku wytrącania się węglików. Ryzyko to można zminimalizować poprzez kontrolowanie zawartości węgla i azotu w stali.
Martenzytyczna stal nierdzewna i jej właściwości spawalnicze
Martenzytyczna stal nierdzewna to wysokowęglowa stal nierdzewna z sześcienną strukturą kratową skupioną wokół korpusu. Osiąga wysoką wytrzymałość i twardość poprzez obróbkę cieplną, ale ma stosunkowo niską plastyczność i wytrzymałość. Kluczowe cechy spawania obejmują:
Tendencja do utwardzania:
Martenzytyczna stal nierdzewna ma tendencję do tworzenia twardej i kruchej struktury martenzytycznej po ochłodzeniu po spawaniu, co zwiększa ryzyko kruchości i pękania złączy spawanych.
Podgrzewanie wstępne i obróbka po obróbce cieplnej:
Aby zmniejszyć naprężenia spawalnicze i zapobiec pękaniu, niezbędne jest wstępne podgrzanie przed spawaniem i zastosowanie obróbki cieplnej po spawaniu. Środki te pomagają przywrócić wytrzymałość spawanego obszaru.
Pęknięcia spawalnicze:
Ze względu na hartowność i naprężenia spawalnicze martenzytyczna stal nierdzewna jest podatna na pękanie na zimno, zwłaszcza jeśli wstępne podgrzewanie i obróbka cieplna nie są wykonywane prawidłowo.
Wybór materiału spawalniczego:
Wybór odpowiednich materiałów spawalniczych ma kluczowe znaczenie. Aby zmniejszyć ryzyko pękania, zwykle stosuje się elektrody o niskiej zawartości wodoru lub druty spawalnicze o składzie chemicznym materiału macierzystego.
Proces spawania:
Wybór odpowiedniego procesu spawania, takiego jak spawanie łukowe lub spawanie w atmosferze wolframu obojętnego (TIG), oraz kontrolowanie parametrów spawania ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości spoin.
Szybkość chłodzenia:
Szybkość chłodzenia po spawaniu znacząco wpływa na jakość spoiny. Szybkie chłodzenie zwiększa ryzyko stwardnienia i pękania, natomiast powolne chłodzenie może zmniejszyć wytrzymałość w obszarze spawania.
Zatem zapewnienie wysokiej jakości i wydajności spawania wiąże się z wyborem odpowiednich materiałów spawalniczych, kontrolowaniem parametrów spawania i wykonaniem odpowiednich obróbek po spawaniu. Dokładne zrozumienie właściwości spawalniczych stali nierdzewnej ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu i produkcji trwałych maszyn.
