Lassen van roestvast staal: constitutie diagrammen
Roestvast lasmetaal kan gevoelig zijn voor zowel warmscheuring als koudscheuring. Welke van de twee zou kunnen optreden hangt in sterke mate af van de structuur: is het lasmetaal volledig austenitisch of is er ook wat ferriet aanwezig. Om hier voor het feitelijke lassen iets over aan de weet te komen kan een constitutie diagram worden geraadpleegd. Er zijn voor dit doel verschillende diagrammen ontwikkeld, die hier de revue zullen passeren.
Roestvast staal kan worden gedefinieerd als die legeringen die tenminste ongeveer 11% Cr bevatten en niet meer dan 1,5% C en meer ijzer dan enig ander enkel element. Er zijn vijf hoofdfamilies roestvast staal, gebaseerd op microstructuur en eigenschappen:
- martensitisch roestvast staal
- ferritisch roestvast staal
- austenitisch roestvast staal
- precipitatiehardend (PH) roestvast staal
- duplex ferritisch-austenitisch roestvast staal
Elke familie heeft zo zijn eigen laseigenschappen wegens de verscheidenheid in gedrag bij fasetransformaties tijdens afkoeling van stollingstemperatuur naar kamertemperatuur of lager. Het komt vaak voor dat het optimale lastoevoegmetaal niet datgene is dat waarvan de samenstelling nauw aansluit bij die van het basismetaal. De beste procedures voor de ene familie verschillen dikwijls sterk van die voor een andere familie. Roestvast basismetaal en dus het te gebruiken lastoevoegmetaal worden nagenoeg altijd gekozen op basis van adequate corrosie weerstand voor de bedoelde toepassing. Dit houdt doorgaans in dat het lastoevoegmetaal tenminste moet overeenkomen met het gehalte van het basismetaal of deze zelfs overtreffen in termen van specifieke legeringselementen, zoals chroom, nikkel en molybdeen. Na beschouwing van de corrosie weerstand wordt de aandacht gericht op het vermijden van scheuring bij de keuze van lastoevoegmetaal en procedureontwikkeling. Scheuring kan optreden bij temperaturen die net onder de bulk solidustemperatuur van de te lassen legering(en) liggen. Deze warmscheuring, zoals het verschijnsel wordt genoemd, kan zich voordoen als grote scheuren in het lasmetaal, die meestal langs de centerlijn van de las lopen. Ze kunnen echter ook voorkomen in de vorm van kleine, korte scheurtjes (microscheuren) in het lasmetaal en in de warmte beïnvloede zone (WBZ) die loodrecht op de fusielijn staan. Warmscheuring in roestvast-staallassen komt vooral voor bij austenitisch roestvast staal, hoewel het in lassen in alle soorten roestvast staal kan optreden.
Scheuring kan ook optreden bij tamelijk lage temperaturen, typisch 150°C of lager, als gevolg van de wisselwerking van lasspanningen, hoogsterk metaal en diffunderend waterstof. Deze koudscheuring komt gewoonlijk voor in martensitisch lasmetaal WBZ en in de WBZ van PH roestvast staal. Koudscheuring kan ook optreden in lassen in ferritisch roestvast staal die bros zijn geworden als gevolg van korrelgroei en/of tweede-fase deeltjes. In veel gevallen van koudscheuring, waarbij de las aanvaardbare eigenschappen heeft, kan in plaats van een martensitisch of ferritisch lastoevoegmetaal het gebruik van een hoofdzakelijk austenitisch lastoevoegmetaal (met natuurlijk geschikte corrosie weerstand) als remedie dienen. Als warmscheuring optreedt in een austenitisch lasmetaal, dan bestaat de remedie uit het gebruik van een vrijwel geheel austenitisch lastoevoegmetaal dat een geringe hoeveelheid ferriet bevat. Een andere benadering om warmscheuring te vermijden is wenselijk in geval van situaties die lage magnetische permeabiliteit vereisen, hoge taaiheid bij cryogene temperaturen, weerstand tegen selectieve aantasting van ferriet (zoals door ureum), of warmtebehandelingen na lassen die de ferriet doen verbrossen, omdat in al deze gevallen de aanvaardbare hoeveelheid ferriet aanzienlijk moet worden beperkt. Lastechnici die verantwoordelijk zijn voor de keuze van lastoevoegmetaal en de ontwikkeling van procedures voor het lassen van roestvast staal maken vaak een schatting van de microstructuur van het lasmetaal, waarbij rekening wordt gehouden met de invloed van opmenging. Deze taak wordt het best uitgevoerd met behulp van een constitutie diagram van het roestvast lasmetaal. Er zijn door de jaren heen verscheidene van zulke diagrammen ontwikkeld.
Afbeelding 1. Schaeffler diagram voor roestvast lasmetaal.
Constitutie diagrammen
De voorspelling van de microstructuur en eigenschappen (zoals warmscheuring en corrosieweerstand) is onderwerp geweest van tal van studies. Gedurende de afgelopen decennia zijn er vier diagrammen ontwikkeld die veel worden gebruikt. Ze omvatten het Schaeffler diagram, het DeLong diagram en de Welding Research Counsil (WRC) diagrammen WRC-1988 en WRC-1992.
Schaeffler diagram
In 1949 publiceerde Anton Schaeffler het wat nu bekend is geworden as het Schaeffler diagram (afbeelding 1). Dit diagram oppert een verband tussen legeringselementen die de vorming van ferriet bevorderen (chroomequivalent, Creq, elementen) en elementen die de vorming bevorderen van austeniet en de vorming van ferriet onderdrukken (nikkelequivalent, Nieq, elementen). Om dit diagram te gebruiken worden eerst de chroom- en nikkelequivalenten berekend aan de hand van de samenstelling van een gegeven las. Vervolgens worden deze equivalenten uitgezet als coördinaten in het Schaeffler diagram. Hiermee kan een schatting worden gemaakt van de microstructuur van het lasmetaal uit de grenswaarden die in het diagram kunnen worden afgelezen. Ervaring heeft geleerd dat het Schaeffler diagram redelijk accuraat is voor conventionele lassen met beklede laselektrodes uit de 300 reeks. Het diagram is echter beperkt bruikbaar als er minder conventionele samenstellingen worden gebruikt en als er stikstof aanwezig is.
DeLong diagram
W.T. DeLong onderkende het effect van stikstof op de vorming van austeniet ten koste van ferriet. DeLong ontwikkelde een nieuw diagram dat een wat beperkter samenstellingsgebied dekte en nam de invloed op van stikstof (afbeelding 2). Er werd aan het nikkelequivalent een term van 30 x %N toegevoegd. Om dit diagram te gebruiken worden de nikkel- en chroomequivalenten berekend uit een lasmetaal analyse. Als er geen stikstofbepaling van het lasmetaal voorhanden is, dan wordt er een waarde van 0,06% aangenomen voor TIG-lasprocessen en beklede elektrodes en een waarde van 0,08% voor MIG-lasprocessen. Als de chemie accuraat is, dan voorspelt het diagram het WRC Ferrite Number (FN) binnen 3 eenheden in ongeveer 90% van de tests voor de 308, 309, 316 en 317 legeringsfamilies. In het DeLong diagram komen de FNs voor de legeringen 308, 308L en 347 beklede elektrodes overeen met die in het Schaeffler diagram, maar de 309, 316 en 317 legeringsfamilies hebben FN waarden die ongeveer twee tot vier keer hoger zijn. Het DeLong diagram correleert in et algemeen beter met TIG en MIG lasmetaal dan het Schaeffler diagram, omdat er rekening wordt gehouden met stikstofopname.
Afbeelding 2. DeLong constitutie diagram voor roestvast lasmetaal. De Schaeffler austeniet-martensiet grens is ter vergelijking ingetekend.
Afbeelding 3. WRC-1988 diagram, inclusief grenzen van de stollingswijze.
In 1974, ongeveer ten tijde dat het DeLong diagram werd gepubliceerd, werd de meting avn ferriet in nominaal austenitisch roestvast lasmetaal gestandaardiseerd door het American National Standards Institute/American Welding Society (ANSI/AWS) A4.2 specificatie in termen van een langs magnetische weg bepaalde FN, in plaats van het langs metallografische weg bepaalde “ferrietpercentage” zoals dat wordt gebruikt in het Schaeffler diagram. Het DeLong diagram werd deel van de “Boiler and Pressure Vessel Code” van de American Society of Mechanical Engineers (ASME).
WRC diagram
Bij gebruik van het DeLong diagram werd vervolgens ontdekt dat het ferrietgehalte van lasmetaal met hoge mangaangehaltes schromelijk werd onderschat terwijl de FN van hooggelegeerd lasmetaal, zoals legering 309, werd overschat. Het gevolg daarvan was dat de WRC fondsen ter beschikking stelde en gegevens verzamelde voor de ontwikkeling van een nieuw, nauwkeuriger diagram waarbij gebruik werd gemaakt van computertechnieken. ER werd een gezamenlijke inspanning geleverd door de Colorado School of Mines en de U.S. National Institute of Standards and Technology. Het product van deze inspanning is het WRC-1988 diagram (afbeelding 3), dekt een breder gebied met samenstellingen dan het DeLong diagram en verhelpt de beide voornoemde fouten. Een modificatie van het WRC-1988 diagram, waarbij in het Nieq een term werd opgenomen voor koper, werd voor het eerst voorgesteld door Lake in 1990. Deze modificatie en uitbreiding van het Creq en Nieq assen, zijn opgenomen in het recentste constitutiediagram, het WRC-1992 diagram (afbeelding 4). De uitgebreide assen maken grafische schatting mogelijk van het ferrietgehalte van lasmetaal dat is samengesteld uit zeer verschillend basismetaal en lastoevoegmetaal, hetgeen veel minder precies kon worden gedaan met het Schaeffler diagram. Hoewel het WRC-1992 diagram nauwkeuriger is in het voorspellen van het ferrietgehalte van veel lasmetalen, blijft het Schaeffler diagram bruikbaar omdat het redelijk nauwkeurige voorspellen geeft in termen van martensiet in relatief laaggelegeerd roestvast staal. Dit komt omdat mangaan niet in het WRC-1992 diagram is opgenomen. Mangaan blijkt geen effect te hebben op de transformatie van ferriet in austeniet bij hoge temperatuur tijdens afkoeling. Daarom komt het niet voor in het Nieq van het WRC-1992 diagram. Mangaan heeft echter wel een aanzienlijke invloed op transformatie bij lage temperatuur van austeniet in martensiet tijdens verdere afkoeling omdat het de neiging heeft om austeniet bij lage temperatuur te stabiliseren. Zonder een mangaaninvloed is het niet mogelijk om een grens te trekken voor de mangaanfase in het WRC-1992 diagram. Als het neergesmolten lasmetaal uit austeniet bestaat, dan zal een FN van minimaal rond 4 of 5 voldoende zijn om warmscheuring te voorkomen. Bovendien zal een las die primair uit austeniet bestaat geen koudscheuring vertonen Deze twee overwegingen zijn vaak van invloed op de keuze van een lastoevoegmetaal en de ontwikkeling van een lasprocedure.
Afbeelding 4. WRC-1992 diagram met geëxpandeerde schaal voor opmengingsberekeningen. Hoewel met uitgebreide assen een breder gebied aan samenstellingen kan worden gelokaliseerd, is de FN voorspelling alleen nauwkeurig voor lassamenstellingen die binnen de grenzen van de iso-FN lijnen (0-100 FN) vallen.
De ferriet die nog bij kamertemperatuur overblijft na stolling is slechts een fractie van wat tijdens stolling bestond. In termen van de bruikbaarheid van constitutie diagrammen zoals het WRC-1992 diagram, wordt aangenomen dat het aantreffen van ferriet bij kamertemperatuur slechts een indirecte indicatie is van de stollingswijze. Volgens deze theorie al de las, indien het lasmetaal eerst stolt als ferriet, waarbij pas in de latere stadia van de stolling al dan niet austeniet verschijnt, dan zal het lasmetaal bestand zijn tegen scheuring. Als daarentegen het lasmetaal eerst als austeniet stolt en ferriet al dan niet pas in latere stadia van de stolling verschijnt, dan loopt het lasmetaal het risico van scheuring. De scheidslijn tussen samenstellingen die stollen met eerst austeniet en samenstellingen die stollen met eerst ferriet wordt in benadering weergegeven door de streeplijn tussen de velden op afbeeldingen 3 en 4, die zijn gemerkt met “AF” (primair austeniet stolling) en “FA” (primair ferriet stolling). Deze lijn loopt niet evenwijdig met de isoferriet lijnen, maar onder een kleine hoek. Dit betekent dat er bij kamertemperatuur meer ferriet nodig is om bewijs te leveren voor primaire ferriet stolling bij hoger gelegeerd roestvast lasmetaal dan bij lager gelegeerd roestvast lasmetaal.