Fachgerechte Auswahl von Edelstahl Rostfrei. Verarbeitung alternativer Edelstahlgüten und deren praktische Umsetzung

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1 von Edelstahl Rostfrei Verarbeitung alternativer Edelstahlgüten und deren praktische Umsetzung Wolf-Berend Busch Handwerkskammer der Pfalz; Handwerks Technikum Kaiserslautern, 23. Februar

2 neue Werkstoffe 1. Voraussetzungen - organisatorische - personelle - technische 2. Praktische Umsetzung 2

3 Organisatorische Voraussetzungen Was muss ein Unternehmen nachweisen, wenn es neue rostfreie Stähle verarbeiten/schweißen will? - Schweißaufsicht - Schweißerprüfzeugnisse - Herstellerqualifikaltion - Verfahrensprüfung - Zulassungebescheid 3

4 Organisatorische Voraussetzungen Sicherstellung der Produktqualität durch Erfüllung normativer Bedingungen Betrieb QS-Handbuch DIN ISO 9000 QS-Anforderungen DIN EN bis -5 Prüfung/Bewertung Schweißnahtprüfung und -bewertung u.a. DIN EN ISO 5717 DIN EN ISO Arbeitssicherheit Stromquellen u.a. DIN EN Schweißbrenner u.a. DIN EN Qualitätsanforderungen Schweißtechnik Personal Schweißaufsicht DIN EN ISO Schweißer DIN EN 287 Bediener DIN EN 1418 Schweißverfahren DIN EN 288 DIN EN ISO bis ft-gas19.cdr Werkstoffe Grundwerkstoffe DIN EN Schweißzusätze DIN EN ISO Gase DIN EN ISO

5 Organisatorische Voraussetzungen Die Einführung von Schweißaufsichtspersonen ist Eine direkte Folge von DIN 4100 aus dem Jahre 1931: In 1.1 der Norm heißt es: Mit dem Entwurf und der Ausführung geschweißter Stahlbauten dürfen nur zuverlässige und nur solche Auftragnehmer betraut werden, bei denen die Zulassungsprüfung nach 8 zur Zufriedenheit ausgefallen ist und die über geeignete Fachingenieure verfügen. 5

6 Organisatorische Voraussetzungen Weiter heißt es da: Diese Fachingenieure müssen auf dem Gebiet der Statik, des Stahlbaus und der Schweißtechnik gründliche Kenntnisse und praktische Erfahrungen besitzen. Die Schweißarbeiten in der Stahlbauanstalt und auf der Baustelle müssen von einem Fachingenieur des Auftragnehmers überwacht werden. Die Schweißarbeiten selbst dürfen nur von fachkundigen geprüften Schweißern ausgeführt werden. 6

7 Organisatorische Voraussetzungen Herstellerqualifikation C (DIN , Tab. 11) 7

8 Organisatorische Voraussetzungen Herstellerqualifikation D (DIN , Tab. 12) 8

9 Organisatorische Voraussetzungen Herstellerqualifikation, Übersicht (DIN , Tab. 14) 9

10 Im bauaufsichtliche Bereich muss für neue Stähle, und auch für neue Duplex-Stähle beachtet werden: Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile aus nichtrostenden Stählen Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Z vom 20. April 2010 Deutschen Instutut für Bautechnik DIBt 10

11 Technische Voraussetzungen Prüfung der 1. Allgemeinen Voraussetzungen Herstellerqualifikation 2. Verarbeitungseigenschaften insbesondere der Schweißbarkeit 3. Festigkeitseigenschaften Grundwerkstoff und Schweißung 4. Korrosionsbeständigkeit Grundwerkstoff und Schweißnaht 11

12 Voraussetzungen 1. Herstellerqualifikation Soweit nicht ausdrücklich erwähnt, muss das verarbeitende Unternehmen die Herstellerqualifikation D oder E vorweisen können 12

13 Voraussetzungen Beispiel einer Herstellerqualifikation E für vorwiegend nicht ruhende Beanspruchung In den Bescheinigungen ist die Schweißaufsicht namentlich genannt. 13

14 Voraussetzungen Schweißbarkeit Der Zulassungsbescheid verlangt für alle Stähle, außer den einfach zu schweißenden Austeniten , , u.ä. eine Verfahrensprüfung. Diese Forderung muss auch von neuen Stählen erfüllt werden, wenn sie geschweißt werden sollen. 14

15 Voraussetzungen Schweißerprüfbescheinigung Dürfen die neuen Stahlsorten damit geschweißt werden? Die Prüfbescheinigung nach DIN EN für die Werkstoffgruppe 10 schließt ein: 9.2: Stähle mit 3,0 < Ni 8,0 9.3: Stähle mit 8,0 < Ni 10,0 8 : austenitische-ferritische Stähle (Duplexstähle) 15

16 Voraussetzungen Verfahrensprüfung Ermittlung geeigneter Schweißdaten für alle benötigten Dicken und Nahtformen Erfassung aller Daten wie Zusatzwerkstoff, Stromstärke, Spannung, Drahtvorschub, Schutzgas, Gasmenge, Lagenaufbau und Schweißgeschwindigkeit und daraus: Erstellen einer provisorischen Schweißanweisung (pwps). 16

17 Voraussetzungen Beispiel einer pwps Nahtform, Verfahren, Werkstoffe Lagenaufbau Schweißdaten Schweißzusatz und ggf. Schweißhilfsstoffe Sonstige Angabe zur Schweißung Schweißaufsicht 17

18 Voraussetzungen Gültigkeitsbereich von Verfahrensprüfungen: deutlich enger als von Schweißerprüfbescheinigungen Folge: häufig bis zu 10 Verfahrensprüfungen mit eng gestuften Blechdickenbereichen für Stumpfnähte, bei Kehlnaht jeweils ein- und mehrlagige Schweißungen, ggf. mit Wurzelsicherung jeweils für gleiche und ungleiche Paarungen. Auswertung durch z.b. SLV. Ergeben sich keine gravierenden Beanstandungen, so wird die provisorische Schweißanweisung zu der Schweißanweisung. Die später auszuführenden Schweißungen müssen nach diesen Schweißanweisungen geschweißt werden. 18

19 Voraussetzungen Durch die Verfahrensprüfung wird aus der pwps die WPS (auch WPQR) 19

20 CE-Kennzeichen Zur Erlangung des CE-Zeichens müssen mehrere Bauteile geschweißt werden, die an einer vom DIBt anerkannten Prüfstelle auf ihre - mechanischen Eigenschaften, -Maßhaltigkeit und - ggf. weitere Merkmale geprüft werden. Wichtig ist das CE-Zeichen insbesondere für den Internationalen Wettbewerb. ( zu verwendende Norm: DIN EN ) Mit der Verwendung dieses Zeichens garantiert der Hersteller, die ordnungsgemäße Fertigung der Produkte 20

21 Das Unternehmen definiert seine Produkte aus dem neuen Stahl. Sie werden mit dem neuen Stahl nach der Verfahrensprüfung für die CE-Prüfung hergestellt. Die Prüfung erfolgt bei einer zugelassenen Einrichtung, z.b. bei der SLV-Hannover Niederlassung der GSI. 21

22 Muss jeder Betrieb diese Zulassungsprozedur durchlaufen? Nein, aber Sie als Unternehmer resp. Verantwortlicher müssen sicherstellen, dass alle in den Verkehr gebrachten Maschinen, Geräte oder Teile den gesetzlichen Vorschriften genügen, denn Sie haften für eventuell auftretend Schäden (Produkthaftungsgesetz) 22

23 Neue rostfreie Stähle in den letzten Jahren sind eine Reihe von neuen Duplexstählen entwickelt worden. 23

24 Nickeläquivalent in % [ % Ni + 30% C + 0,5% Mn + 30% N ] Duplexstähle, Lage im Schaeffler-Diagramm A M + A + M Martensit M + F Austenit A+M+F 0% Ferrit 5% 10% 20% 40% 80% 100% Ferrit Chromäquivalent in % [ % Cr + 1,4% Mo + 0,5% Nb + 1,5% Si + 30% Ti ] 24

25 Nickeläquivalent in % [ % Ni + 30% C + 0,5% Mn + 30% N ] Bereiche im Schaeffler-Diagramm, in denen mit dem Auftreten von Fehlern zu rechnen ist A + M Martensit A + M Kaltrisse se Heißrisse M + F Austenit 25 0% Ferrit 5% 10% 20% 100% Ferrit Kornwachstum Chromäquivalent in % [ % Cr + 1,4% Mo + 0,5% Nb + 1,5% Si + 30% Ti ]

26 Duplexstähle Duplexstähle im Maschinenbau und Bauwesen Cr Ni Mo N Mn Sonstige Super-Duplexstähle ,0-26,0 6,0-8,0 3,0-4,0 0,20-0,30 max. 1,00 0,5-1,0 W ,0-26,0 6,0-8,0 3,0-5,0 0,24-0,32 max max. 0,5 Cu Standard-Duplexstähle ,0-23,0 4,5-6,5 2,5-3,5 0,08-0,20 max Lean-Duplexstähle ,5-24,5 3,0-5,5 0,05-0,6 0,05-0,20 max. 2,5 0,05-0,60 Cu ,0-22,0 1,35-1,70 0,10-0,80 0,20-0,25 4,0-6,0 0,1-0, ,5-24,0 1,0-2,8 max. 0,45 0,18-0,26 max. 2,0 --- Im Bauwesen allgemein zugelassene Duplex-Stähle sind grün hinterlegt 26

27 Duplexstähle Mechanische Eigenschaften Superduplexstahl R p0,2 = 530 MPa Standard-Duplexstahl R p0,2 = 460 MPa Lean-Duplexstähle R p0,2 = 400 MPa R p0,2 = 460 MPa 27

28 Schweißtechnische Verarbeitung von Duplexstählen 28

29 sg-aus15.cdr Temperatur in C 1600 S Schweißnaht 1400 S S Aufschmelzzone Aufschmelzzone Hochtemperaturzone C Lösungsglühzone C Anlasszone C 800 Stahl Nickel Chrom % % Zusatzwerkstoff

30 Makro-Schliff durch eine Stumpfnaht Werkstoff: ; Zusatz: G L) 30

31 Übergangsbereich Schweißnaht/Grundwerkstoff Werkstoff: ; Zusatz: G L) 31

32 Einfluss einer Glühung bei 1300 C Zustand Ferritgehalt Kerbschlagarbeit -40 C 100 C Anlieferung 45% Abgeschreckt 51% Ofenabkühlung 25% 230 J 300 J 5 J 6,5 J 32

33 Gefügeausbildung vom Duplexstahl , unterschiedlichen Vorbehandlungen Anlieferungszustand Geglüht bei 1300 C, abgeschreckt in H 2 O 33 Geglüht bei 1300 C, Ofenabkühlung

34 Duplexstahl geglüht & Ofenabkühlung -Phasen zwischen den Ferritkörnern verspröden das Gefüge extrem 34

35 Temperatur in C ZTU-Diagramm des Duplexstahls Cr2N, -Phase, M C Phase C-Versprödung 300 Lösungsglühbehandlung: 1050 C, 30 min / Wasser 0,03 0,1 0, Glühdauer in h 35

36 Glühversuche Werkstoff / WB R m R p0,2 A Ferrit- AV MPa MPa % % J Std-Abw Anlieferung C/25h C/50h Anlieferung C/ C / C / C / C / C / C/ 3 h ,7 36

37 Temperatur in C Kerbschlagarbeit in J ZTU-Diagramm des Duplexstahls Cr2N, -Phase, M C % Sigmaphase halbiert die Kerbschlagarbeit -Phase 10% bewirkt eine vollständige Versprödung 475 C-Versprödung Mo beschleunigt die Sigmaphasenbildung Lösungsglühbehandlung: 1050 C, 30 min / Wasser 0 0,03 0,1 0, Glühdauer in h Ferritgehalt in %

38 und wie verhalten sich die neuen Lean-Duplex-Stähle? 38

39 Glühversuche Werkstoff / WB R m R p0,2 A Ferrit- AV MPa MPa % % J Std-Abw Anlieferung C/25h C/50h Anlieferung C/ C / C / C / C / C / C/ 3 h , Anlieferung C/25h C/50h

40 Fazit Die Wärmeführung beim Schweißen insbesondere der molybdänhaltigen Duplex-Stähle ist kritisch: Die Verweildauer bei hohen Temperaturen ist kurz zu halten! Günstiger sind hier die Lean-Duplex-Stähle 40

41 Diese Vorgabe wird durch die Schweißanweisung geregelt: - Vorwärmtemperaturen - Zwischenlagentemperaturen - Spannungsarmglühen - usw. 41

42 Anlauffarben Wie alle anderen Rostfreien Stähle auch, zeigen Duplex-Stähle nach dem Schweißen Anlauffarben. Diese bilden sich auf der Oberseite, aber auch auf der Wurzelseite. Also: Formieren der Wurzel als Anlaufschutz, aber bei Duplexstählen kein Formiergas: Gefahr der Wasserstoffversprödung der Ferrit-Phase 42

43 s-met-austenit-3 Rel. Konzentration in % Tieferverlauf verschiedener Elemente in der Passivschicht eines Chrom-Nickel-Stahles; AES-Messungen O Fe C 20 Cr 10 Ni O Tiefe gegen Ta O in nm (Finke) 43

44 Cr- Gehalt der Oxidschicht (quantitativ) Anlauffarben vermindern die Korrosionsbeständigkeit durch Cr- Verarmung in der Passivschicht 44 (Kuscher)

45 Farbe Schichtdicke Passivschicht Zusammenhang zwischen Farbe, Bildungstemperatur und Schichtdicke bei Deckschichten auf Chrom-Nickel-Stählen 5 nm Farbe kobaltblau chromgelb > 400 C 25 nm lichtblau 1000 C strohgelb 400 C goldgelb 500 C braunrot 650 C 25 bis 50 nm 50 bis 75 nm 75 bis 100 nm farblos Entstehungstemperatur Schichtdicke Entstehungstemperatur 100 bis 125 nm 125 bis 175 nm 175 bis 275 nm braungrau 1200 C > 275 nm 45

46 rel. Konzentration in % rel. Konzentration in % rel. Konzentration in % s-met-austenit-6 Aufbau der Anlaufschichten Bei unterschiedlichen Bildungstemperaturen (Finke) C 46 Cr Fe T Bildung < 500 C Farbe: gelb Cr Cr Ni O 150 T Bildung C Farbe: rot Fe Ni Ni O T Bildung >700 C Farbe: blau O Tiefe gegen Ta2O 5 in nm Fe

47 s-met-austenit-4 Lochfraßpotential L (mv vs. Kalomelelektrode) 1600 Lochfraßpotentiale verschiedener Chrom-Nickel-Stähle unterschiedlich dicke Oxidschichten (WS: 37) (WS: 25) (WS: 18) goldgelb braunrot lichtblau Maximaltemperatur T max in C potentiostatische Versuche; Lösung: 1000 ppm Chlorid WS: Wirksumme als relatives Maß gegen Lochfraß (Ruge)

48 Mechanische Bearbeitung Behandlung und Verarbeitung wie andere rostfreie Stähle. Schweißen wie Vollaustenite! Beachten Sie aber, die deutlich erhöhte Festigkeit mit dem - erhöhten Werkzeugverschleiß - vergrößerten Biegeradien - größeren Umform- und Schneidkräften 48

49 Fazit: Neue rostfreie Stähle sind sehr gut: - sie lassen sich gut be- und verarbeiten - sie haben hohe Festigkeiten - sie lassen sich gut schweißen -sie sind sehr korrosionsbeständig (Korrosionswiderstandsklasse III) deshalb: lassen Sie uns die neuen Rostfreien Stähle auch verwenden. 49

50 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 50