PWHT Edelstahl

Nichtrostende Stähle sind aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit in der Industrie weit verbreitet, können jedoch nur dann in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden, wenn eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt wird, um die Versprödung der Sigma-Phase und die anschließende Rissbildung zu verhindern.

PWHTs werden oft in einer Atmosphäre wie Argon oder Stickstoff durchgeführt, um die Bildung schädlicher Phasen zu minimieren, die zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit und zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften im Laufe der Zeit führen.

Korrosionsbeständigkeit

Chrom ist das Hauptelement in nichtrostendem Stahl, das eine schützende Oxidschicht gegen weitere Oxidation und Korrosion bildet. Die Zugabe von anderen Legierungselementen wie Nickel (Ni) oder Molybdän (Mo) kann die Korrosionsbeständigkeit je nach Umgebungsbedingungen und Anwendungsanforderungen weiter verbessern; die Zusammensetzung der Stahlsorten hängt in der Regel von den Anforderungen der Industrie oder der Anwendung ab.

Nichtrostender Stahl schmilzt bei hohen Temperaturen nicht wie viele andere Metalle; allerdings können Schweißverfahren intensive Hitze und schnelle Abkühlungszyklen erzeugen, die zu Gefügeveränderungen im Stahl führen. Dazu gehören die Vergröberung des Schweißguts (WEZ) und die Ausscheidung von Chromkarbid. Solche Veränderungen können die Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs beeinträchtigen.

Schweißen kann zu galvanischer Korrosion beitragen, die auftritt, wenn zwei Metalle miteinander in Kontakt kommen. Beispielsweise können Schweißnähte aus nichtrostendem Stahl aufgrund von galvanischem Angriff korrodieren, wenn das im Schweißgut enthaltene Kupfer (Cu) mit dem Sauerstoff aus dem Schweißgas reagiert.

Nichtrostende Duplexstähle wie 17-4 und PH13-8Mo weisen eine höhere Korrosionsbeständigkeit auf als austenitische Stähle wie 304 und 316; sie können jedoch anfällig für Sensibilisierung und interkristalline Korrosion sein. Um dieses Problem zu lösen, sollten Schweißnähte aus nichtrostendem Duplexstahl in einer korrosionsfreien Umgebung angebracht werden; alternativ kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen die Sensibilisierungsanfälligkeit verringern und eine gute Zugfestigkeit und Härte nach dem Schweißen fördern.

Mechanische Eigenschaften

Nichtrostende Stähle sind im Allgemeinen feste und widerstandsfähige Werkstoffe, die jedoch während des Schweißens anfällig für Veränderungen sind. Wenn sie während des Schweißens extremen Temperaturen ausgesetzt werden, können Schweißgut und WEZ aufgrund der schnellen thermischen Zyklen spröde werden, was zu mikrostrukturellen Veränderungen im Gewebe und in den Werkstoffen der Schweißnaht/HWZ führt.

Nach dem Schweißen sollte immer eine Druckwasserhärtung durchgeführt werden, um die Integrität der zusammengeschweißten Komponenten zu schützen und zu erhalten, obwohl ihre Notwendigkeit weitgehend von der Art der Schweißverbindung und den vorgesehenen Betriebsbedingungen abhängt.

Austenitische Chrom-Nickel-Sorten, die für den Einsatz in schweren Korrosionsumgebungen vorgesehen sind, können eine PWHT erfordern, um die Sensibilisierung bei erhöhter Temperatur zu minimieren, während Sorten, die für weniger aggressive Anwendungen bestimmt sind oder bereits wärmebehandelt wurden, dieses zusätzliche Verfahren nicht benötigen.

Jüngste Studien haben die Auswirkungen der PWHT auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von plasmageschweißten Schweißnähten aus austenitischem 316L-Edelstahl während der Plasmadraht-Wärmebehandlung (PWHT) untersucht. Sie fanden heraus, dass mit steigenden PWHT-Temperaturen auch der Ferritgehalt zunimmt; Zugfestigkeit, Bruchzähigkeit, Gleichmäßigkeit und Gesamtdehnung nehmen jedoch mit jeder Verlängerung der PWHT-Zeit ab.

Schweissverfahren

Das Schweißen kann sich dramatisch auf die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl auswirken. Durch die Wahl geeigneter Schweißparameter und die Anwendung von Wärmebehandlungen nach dem Schweißen können Ingenieure und Schweißer diese Nebenwirkungen jedoch minimieren und das Potenzial des Materials maximieren.

Geschweißter nichtrostender Stahl kann einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen werden, um Eigenspannungen abzubauen und die Schweißbarkeit zu verbessern, insbesondere bei größeren oder dickeren Materialabschnitten. Leider kann die PWHT auch zu einer Verformung des Schweißnahtabschnitts führen. Um diese Möglichkeit einzuschränken, sollte der Schweißnahtabschnitt so locker gelassen werden, dass seine Ausdehnung und Kontraktion keine Verformung an wichtigen Verbindungen verursacht.

Die PWHT reduziert nicht nur die Spannungen, sondern kann auch die Anfälligkeit für Sigma-Phasenversprödung und Kriechschäden bei erhöhten Temperaturen verringern, indem sie den Temperaturgradienten zwischen Spannungsabbau und Lösungsglühtemperaturen minimiert.

Mit Hilfe der Lichtmikroskopie wurden die Auswirkungen des Schweißens auf das Gefüge einer Schweißnaht bei unterschiedlichen Schweißtemperaturen untersucht. Der Ferritgehalt stieg mit zunehmender Schweißwärme an; dies deutete darauf hin, dass Delta-Ferrit während des Schmelzens bevorzugt in Sigma-Ferrit umgewandelt wurde, was zu einem Gewichtsverlust führte, der durch Lochfraßkorrosionsbeständigkeitstests in einer künstlichen korrosiven Umgebung gemessen wurde.

Anforderungen

Die Wärmebehandlung von nichtrostenden Stählen nach dem Schweißen soll deren mechanische Eigenschaften erhalten. Dies gilt insbesondere für austenitische Stähle, bei denen eine austenitisierte Oberflächenschicht, die durch die Bildung einer passiven, chromoxidhaltigen Schicht gebildet wird, nach dem Schweißen stabil bleibt, um Korrosionsprobleme zu minimieren; eine PWHT-Behandlung könnte diese Barriere jedoch abbauen und somit die Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe verringern.

Daher ist es wichtig zu wissen, wann nichtrostende Stähle nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung unterzogen werden müssen und wann nicht. Die Notwendigkeit einer PWHT hängt stark von der Stahlsorte, den erwarteten Einsatzbedingungen und dem Schweißverfahren ab.

Viele industrielle Anwendungen, bei denen rostfreier Stahl zum Einsatz kommt, erfordern keine PWHT, wie z. B. Schweißnähte in druckbeaufschlagten Anlagen. Dies kann auf fortschrittliche Schweißtechniken, kleinere Schweißnähte und eine Umgebung ohne Probleme mit interkristalliner Korrosion zurückzuführen sein.

Es gibt bestimmte Schweißnähte, die eine PWHT erfordern, z. B. solche, die sich in feindlichen Umgebungen oder unter hohen Belastungen befinden. Korngrenzenverflüssigungsrisse können zu einem erheblichen Duktilitätsverlust und einer erhöhten Anfälligkeit für Chlorid-Spannungsrisskorrosion führen. Die PWHT funktioniert durch Erhitzen der Verbindung auf Temperaturen, die die Bildung von feinem Niob- oder Molybdänkarbid fördern und gleichzeitig das Wachstum des Ferritanteils einer Legierung, der sogenannten "Sigma-Phase", unterdrücken, was auch als thermomechanische Stabilisierung bezeichnet wird.