DE69013630T2

DE69013630T2 - Verfahren zum Verbinden von korrosionsbeständigen Werkstoffen durch Diffusion.

Info

Publication number: DE69013630T2
Application number: DE69013630T
Authority: DE
Inventors: Yuichi Komizo; Kazuhiro Ogawa
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-08-29
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: EP0418606A1; DE69013630D1; NO903762L; NO179483B; EP0418606B1; NO903762D0; US5118028A; NO179483C

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden korrosionsbeständiger Materialien durch Diffusion. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Verbinden von hochlegierten korrosionsbeständigen Materialien auf Ni- oder Fe-Basis durch Diffusion.
Es gibt zahlreiche hochlegierte korrosionsbeständige Materialien auf Ni- oder Fe-Basis. Diese Materialien weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit infolge eines hohen Gehalts an Ni und/oder Cr auf und sind in der Lage, relativ strengen Korrosionsumgebungen zu widerstehen. Wenn diese Materialien als Baumaterialien verwendet werden. werden sie häufig durch Schweißen miteinander verbunden. Allerdings ist beim Schweißen hochlegierter Materialien eine Schweißrissigkeit unvermeidbar.
Zu den typischten hochlegierten korrosionsbeständigen Materialien, die unter Schweißrissigkeit leiden, gehören korrosionsbeständige Materialien auf Ni-Basis und auf Fe-Basis, wie diejenigen, welche hei einer Hochtemperaturausrüstung zur Anwendung kommen, sowie auf Ni-Basis und Fe-Basis plattierte Stahlrohre unter Verwendung von nichtrostendem Stahl oder eines hochlegierten Materials als Plattierungsmaterial.
Bei Wärmekraftwerken, bei Kernkraftwerken und bei chemischen Anlagen müssen zahlreiche Ausrüstungstypen bei hohen Temperaturen betrieben werden. Die für eine derartige Hochtemperaturausrüstung verwendeten Materialien müssen eine ganze Reihe verschiedener Eigenschaften haben eingesehlossen die Oxidationsbeständigkeit gegenüber Wasserdampf, die Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit, die Hochtemperaturfestigkeit, die Zeitstandfestigkeit und eine gute Ermüdungsfestigkeit. Beispielsweise wird ein Krackrohr zur Verwendung bei Geräten zur Herstellung von Ethylen bei einer Temperatur von 800ºC oder höher verwendet, und daher muß es eine Hochtemperatur- Korrosionsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Zeitstandfestigkeit haben.
Hochlegierte Materialien für eine derartige Hochtemperaturausrüstung sind herkömmlicherweise schon immer durch Verschweißen miteinander verbunden worden. Da diese Materialien allerdings einen hohen Kohlenstoffgehalt haben oder eine große Anzahl von Legierungselementen enthalten, sind sie für Schweißrissigkeit äußerst empfänglich, und es ist schwierig, eine Verminderung der Hochtemperaturbeständigkeit der geschweißten Verbindungsnaht zu vermeiden. Das TIG-Schweißen, bei dem die während des Schweißens angewandte Hitzemenge unterdrückt wird, wurde für das Schweißen derartiger Materialien häufig angewandt, doch können Schweißrisse dennoch nicht vollständig vermieden werden. und die Schweißwirksamkeit beim TIG-Schweißen sollte niedrig sein, um das Auftreten von Schweißrissen zu vermeiden.
Bei chemischen Anlagen und Rohrleitungen werden häufig sogenannte nichtrostende plattierte Stahlrohre mit einem Innenrohr (Plattierung) aus nichtrostendem Stahl für den Transport von Korrosion erzeugenden Flüssigkeiten verwendet. Diese plattierten Rohre stellt man durch Verbinden eines Außenrohrs aus niedriglegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl mit einem Innenrohr aus nichtrostendem Stahl her, um eine Verkleidungskonstruktion zu erhalten. Das Innenrohr aus nichtrostendem Stahl liefert Korrosionsbeständigkeit gegenüber der durch die Konstruktion fließenden Flüssigkeit, während das Außenrohr aus niedriglegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl der Verkleidungskonstruktion die erforderliche Festigkeit verleiht. Nichtrostende plattierte Stahlrohre dieses Typs stellten sich als ökonomisch und praktisch heraus. Nichtrostende plattierte Stahlrohre mit einem Innenrohr aus niedriglegiertem Stahl oder Kohlenstoffstahl und einem Außenrohr aus nichtrostendem Stahl werden häufig bei chemischen Anlagen und dergleichen verwendet, wenn nur die Außenseite der Verkleidungskonstruktion eine Korrosionsbeständigkeit erfordert.
Wenn allerdings nichtrostende plattierte Stahlrohre durch herkömmliche Schweißverfahren miteinander verbunden werden, treten verschiedene Probleme auf, so daß beim Verschweißen dieser Materialien eine besondere Sorgfalt erforderlich ist. Beispielsweise offenbart die veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 58-167094 ein Schweißverfahren für ein mehrschichtiges Rohr, bei dem für jede Schicht ein anderes Schweißmaterial verwendet wird.
Wenn jedoch ein derartiges Schweißverfahren angewandt wird, ist es schwierig, das Rundverschweißen eines plattierten Stahlrohrs durchzuführen. Einige der Probleme beim Rundverschweißen eines nichtrostenden plattierten Stahlrohrs mit einem nichtrostendem Stahlrohr an der Innenseite der Verbundkonstruktion werden untenstehend beschrieben.
Das Rundverschweißen eines Stahlrohrs wird normalerweise von der Außenseite des Rohrs durchgeführt, und es wird ein Metall mit einer ähnlichen Zusammensetzung wie das Rohr als Schweißmaterial verwendet. Wenn jedoch ein Stahlrohr mit nichtrostender Plattierung an der Innenseite von der Außenseite durch Schweißen von einer Seite verschweißt wird. wenn ein nichtrostendes Schweißmaterial aus Stahl verwendet wird, um die Plattierung an der Innenseite zu verschweißen, und wenn Schweißmaterial aus Kohlenstoffstahl verwendet wird, um das Basismetall an der Außenseite zu verschweißen, wird beim Verschweißen des Basismetalls ein Teil des nichtrostenden Schweißmetalls aus Stahl für die Innenplattierung, die bereits verschweißt wurde, nochmals geschmolzen. Das nochmals geschmolzene Schweißmaterial aus nichtrostendem Stahl wird durch das Schweißmetall aus Kohlenstoffstahl gestreckt bzw. verdünnt und wird fest und bildet so eine gehärtete Schicht. Als Ergebnis bilden sich Risse in dem Schweißteil, und je nach Zusammensetzung des nichtrostenden Stahls bilden sich Kalt- und Warmrisse. Andererseits besteht, wenn hochlegiertes Schmelzmaterial verwendet wird, um sowohl das Innenrohr als auch das Außenrohr zu schweißen, die Möglichkeit einer unzureichenden Schweißfestigkeit. Ferner kommt nichtrostender Stahl an der Außenfläche des Außenrohrs vor und es kommt zu einer galvanischen Korrosion infolge des Kontaktes mit dem nichtrostendem Stahl und dem Kohlenstoffstahl.
Selbst wenn ein Schweißverfahren wie jenes, das in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 58-167094 offenbart wurde, angewandt wird, müssen das Schweißmaterial und die Schweißbedingungen für die Innenschicht, die Zwischenschicht und die Außenschicht fortlaufend geändert werden, so daß das Schweißen kompliziert wird. Ferner hängt bei diesem Verfahren eine einwandfreie Schweißnaht vom Geschick des Schweißers ab, weshalb die Schweißqualität höchst unterschiedlich ist. Ein noch größeres Problem ist es, daß es zur Vermeidung von fehlerhafter Verschweißung notwendig ist, die Schweißgeschwindigkeit einzuschränken, so daß die Effizienz des Schweißens äußerst gering ist.
Ein weiteres Verfahren, welches zum Verbinden hochlegierter korrosionsbeständiger Materialien verwendet werden kann, ist das Verbinden durch Diffusion. Das Verbinden durch Diffusion hat die Vorteile, daß es dabei zu fast keiner Verformung während des Verbindens kommt und daß die Wärmeauswirkungen gering sind. Allerdings haben herkömmliche Verbindungsverfahren durch Diffusion den Nachteil, daß sie sehr zeitaufwendig und ineffizient sind. Zudem gehen die Ausrüstungskosten leicht in die Höhe, da das Verbinden durch Diffusion häufig in einem Vakuum durchgeführt werden muß.
Die EP-A-123 702 offenbart ein Verfahren zum Verbinden korrosionsbeständiger Materialien durch Diffusion, welches das Anordnen eines Einlagematerials mit einem Schmelzpunkt von 1050 bis 1230ºC und das Erhitzen der Verbindungsgrenzflächen, während ein Druck von 1 bis 10 MPa auf die Verbindungsgrenzflächen aufgebracht wird. um das Einlagematerial zu schmelzen, umfaßt. In bezug auf das Einlagematerial sei eine Ni-Cr-B-Lötfolie erwähnt, ohne die Bereiche der Zusammensetzungen der einzelnen Komponenten eines derartigen Materials genauer zu beschreiben. Die US-A-3 753 794 offenbart ein Verfahren zum Verbinden korrosionsbeständiger Materialien durch Diffusion, welches das Anordnen eines Einlagematerials, das eine Legierung auf Ni-Basis als Zwischenschicht umfaßt, welche circa 5 bis 35 % Chrom und circa 1,5 - 3,5 % B enthält, sowie das Erhitzen der Verbindungsgrenzfläche.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verbindungsverfahren für hochlegierte korrosionsbeständige Materialien bereitzustellen, welches wirksam und leicht durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungsverfahren für Materialien für eine Hochtemperaturausrüstung bereitzustellen, welches der Verbindungsnaht die Eigenschaften verleihen kann, die für hochlegierte korrosionsbeständige Materialien für eine Hochtemperaturausrüstung erforderlich sind.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem nichtrostende oder hochlegierte plattierte Stahlrohre verbunden werden können und eine einwandfreie Verbindungsnaht bei hoher Wirksamkeit und auf einfache Weise bereitgestellt werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung stellten die oben genannten Vorteile des Verbindens durch Diffusion fest. Im bisherigen Stand der Technik nahm man an, daß das Verbinden durch Diffusion bei der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nicht wirksam ist, da als Einlagematerial verschiedene Materialien verwendet werden, was zu einer Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit führt. Die Erfinder testeten eine Anwendung des Verbindens durch Diffusion auf hochlegierte korrosionsbeständige Materialien zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und fanden heraus, daß es notwendig ist, eine homogenisierende Diffusion durch Erhitzen während eines längeren Zeitraums als üblich durchzuführen. Dies bedeutet, daß das herkommliche Verbinden durch Diffusion vom praktischen Standpunkt her keine Vorteile bietet.
Dann versuchten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung das Verbinden durch Flüssigphasen-Diffusion. Ganz unerwartet war es infolge von Flüssigphasen-Diffusion bei Verwendung eines Einlagematerials mit einer genau eingeschränkten Zusammensetzung und Dicke zum ersten Mal möglich, das Verbinden von hochlegierten korrosionsbeständigen Materialien mit einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit wirksam und leicht durchzuführen.
Allerdings ist besonders im Fall von hochlegierten korrosionsbeständigen Materialien für eine Hochtemperaturausrüstung die Schmelztemperatur des Einlagematerials hoch, so daß es zu Warmriß an der Verbindungsnaht wie im Falle des Schmelzens kommt, und es ist auch nicht leicht, das Auftreten von Warmrissigkeit beim Verbinden durch Diffusion zu vermeiden.
Im Falle eines nichtrostenden plattierten Stahlrohrs ist es, zusätzlich zu den Problemen der Kalt- und Warmrisse, immer noch schwierig, das Vetinden durch Flüssigphasen-Diffusion bei hoher Wirksamkeit durchzuführen und gleichzeitig eine Verbindungsnaht mit guter Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung führten verschiedene Experimente durch, um derartige Probleme zu lösen. Als Ergebnis kam man bezüglich des Verbindens von Materialien für eine Hochtemperaturausrüstung durch Diffusion und insbesondere von Materialien zur Verwendung bei einer Temperatur von 700ºC oder darüber zu den nachfolgenden Befunden.
Um Warmriß während des Verbindens durch Diffusion von Materialien für eine Hochtemperaturausrüstung zu vermeiden, ist es notwendig, die Schmelztemperatur des Einlagematerials auf nicht mehr als 1150ºC zu beschränken. Ein derartiges Einlagematerial kann man durch Hinzugeben von mindestens einem der Elemente Si und B erhalten, Wenn auch Cr und Mo neben mindestens einem der Elemente Si und B hinzugegeben werden, wird die Bestärtdigkeit gegenüber der Hochtemperaturoxidation und die Hochtemperaturfestigkeit der Verbindungsnaht merklich verbessert. Diese Elemente werden durch Erhitzen während mindestens 120 Sekunden hinreichend diffundiert und zeigen Wirkung. Die Grenzfläche mit dem Einlagematerial garantiert Haftung, so daß eine gewisse Dicke notwendig ist, doch wenn diese zu dick ist, nehmen die Zeitstandfestigkeit und die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation der Verbindungsnaht ab.
Folglich ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden korrosionsbeständiger Materialien durch Diffusion, welches das Anordnen von Einlagematerial mit einem Schmelzpunkt von höchstens 1150ºC und einer Dicke von 10 - 80 um zwischen den Grenzflächen zweier zu verbindender Elemente umfaßt, sowie das Erhitzen der Verbindungsgrenzflächen der zwei Elemente durch Hochfrequenz-Induktionsheizung während mindestens 120 Sekunden bei einer Temperatur von 1150 - 1250ºC unter Aufbringen eines Druckes von 4,9 - 19,6 MPa (0,5 - 2 kgf/mm²) auf die Verbindungsgrenzflächen, um so das Einlagematerial zu schmelzen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einlage, in Gew.-%, Cr: 5 - 40 %, eines oder mehrere aus Si: höchstens 8 % und B: höchstens 4 % und einen Rest aus mindestens einem von Fe und Ni sowie zufällige Verunreinigungen umfaßt und daß das Erhitzen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, welche höchstens 200 ppm Sauerstoff enthält.
Das Einlagematerial kann auch höchstens 10 Vc Mo enthalten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zu verbindende korrosionsbeständige Material ein Material für eine Hochtemperaturausrüstung, welches, in Gew.-%, aus
C: 0,05 - 0,5 %,
Si: 1 - 2,5 %
Mn: 0,1 - 1,5 %
Ni: 20 - 45 %
Cr: 22 - 30 %,
wahlweise aus einem oder mehreren aus Mo: 1,8 - 2,2 %/C, Ti: 0,2 - 0,8 %, B: 0,002 - 0,007 % und Zr: 0,01 - 0,05 % und einem Rest aus Fe und zufälligen Verunreinigungen besteht Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zu verbindende korrosionsbeständige Material ein plattiertes Stahlrohr, welches ein Außenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl und ein Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt besitzt. In diesem Fall werden die zu verbindenden Materialien vorzugsweise durch Induktionsheizung unter Verwendung einer Hochfrequenz- Stromquelle von 2 - 400 kHz erhitzt.
Alternativ dazu kann das plattierte Stahlrohr ein Außenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt und ein Innenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl umfassen. In diesem Fall werden die zu verbindenden Materialien vorzugsweise durch Induktionsheizung unter Verwendung einer Hochfrequenz-Stromquelle von höchstens 10 kHz erhitzt.
Die vorliegende Erfindung ist auf das Verbinden hochlegierter korrosionsbeständiger Materialien ausgerichtet, bei denen Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist. Die Einlage hat daher eine Dicke von 10 - 80 um, und indem man mit einer Bindezeit von mindestens 120 Sekunden arbeitet, laßt sich die Bildung einer (Cr,Mo)-freien Zone vermeiden, und es kann eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit vermieden werden. Mittels Verbindens durch Diffusion, das herkömmlicherweise nicht angewandt wurde, um eine Korrosionsbeständigkeit aufrechtzuerhalten, fand man heraus, daß das Verbinden hochlegierter korrosionsbeständiger Materialien möglich ist, und es bleibt festzustellen, daß die Auswirkungen dieser Erfindung völlig unerwartet sind.
Die veröffentlichte ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 55-57389 offenbart ein Verbindungsverfahren für Legierungsteile aus Eisen unter Verwendung einer Einlage aus mindestens einem aus Fe, Ni und Co als Hauptbestandteil und die weiterhin B, Si und, sofern erforderlich, Cr enthält. Bei diesem Verfahren ist das Einlagematerial bei einer Dicke von 0,1 - 1 mm vergleichsweise dick, und durch Anwendung einer Druckkraft während des Verbindens von mindestens 29,4 MPa (3 kgf/mm²) wird das geschmolzene Einlagematerial nach außen zusammen mit B&sub2;O&sub3; und SiO&sub2;, die sich während des Verbindens bilden, abgesondert.
Allerdings zeigen die Forschungsergebnisse der Erfinder der vorliegenden Anmeldung, daß, wenn das Verbinden durch Flüssigphasen-Diffusion mit einer verminderten Druckkraft mittels eines solchen Verfahrens durchgeführt wird, eine ziemlich dicke Randschicht zurückbleibt und sich eine (Cr,Mo)-freie Zone bildet, in welcher eine Korrosion unvermeidbar ist, und daß ohne eine Verminderung der Druckkraft eine beachtliche Verformung in der Verbindungsnaht auftritt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es auch vorteilhaft, daß die zu verbindenden Materialien ohne Anwendung äußerer Kräfte gestaucht werden können, wenn durch die Induktionsheizung eine längenmaßige thermische Ausdehnung unterdrückt wird.
Die Figur 1 ist eine schematische Ansicht der Verbindungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 2a und 2b sind schematische Darstellungen eines Prüflings für einen Seitenbiegetest.
Die Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Prüflings für einen Zeitstandversuch.
Die Figuren 4a und 4b sind schematische Darstellungen eines Prüflings für einen Seitenbiegetest.
Die Figuren 5a und 5b sind schematische Darstellungen eines Prüflings für einen Lochfraßtest.
Nachstehend werden die Gründe für die Einschränkungen des Verbindungsverfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sofern nichts anderes angegeben ist, bedeutet % immer Gew.-%.

Einlagematerial

Das zum Verbinden verwendete Einlagematerial hat die folgende Zusammensetzung und eine Schmelzpunkt von höchstens 1150ºC. Überschreitet der Schmelzpunkt des Einlagematerials 1150ºC, wird die Heiztemperatur der Materialien zum Zeitpunkt des Verbindens hoch, und es besteht die Möglichkeit von Warmrissen und dem Verlust ökonomischer Vorteile.

Si, B:

Mindestens eines dieser Elemente ist erforderlich, um den Schmelzpunkt des Einlagematerials herabzusetzen. Die Untergrenze bei diesen Materialien ist der Wert, bei dem der Schmelzpunkt höchstens 1150ºC beträgt. Diese Elemente diffundieren leicht in das Ausgangsmetall. Sind sie jedoch in größeren Mengen vorhanden, können sie nicht mehr eine Versprödung der Verbindungsnaht verhindern.
Folglich liegt die Obergrenze von Si bei 8 % und die Obergrenze von B bei 4 %. Si und B werden zugesetzt, um den Schmelzpunkt herabzusetzen. Es ist vorzuziehen, diese in Kombination und nicht einzeln hinzuzugeben. Die Anwendungsbereiche für diese Elemente liegen bevorzugt zwischen 2 und 8 % für Si und zwischen 0,1 und 2 % für B.

Cr:

Die Hinzugabe von Cr erhöht die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation der Verbindungsnaht. Dieses hat jedoch keine Wirkung, wenn es in einer Menge von weniger als 5 % vorhanden ist, indes führt es zu einer Versprödung der Verbindungsnaht, wenn die Menge 40 % übersteigt.
Folglich liegen die Grenzwerte bei Cr vorzugsweise bei 5 - 40 %, noch besser bei 15 - 30 %.

Mo:

Mo kann, sofern erforderlich, hinzugegeben werden, um die Korrosionsbeständigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit der Verbindungsnaht zu verbessern. Allerdings ruft es bei Vorhandensein in zu großen Mengen eine Versprödung der Verbindungsnaht hervor. Deshalb ist dessen Gehalt auf höchstens 10 % beschränkt. Sofern es hinzugegeben wird, liegt sein Gehalt vorzugsweise bei 1 - 7 %.
Das Einlagematerial kann ein Material auf Ni-Basis oder auf Fe-Basis sein, oder es kann sowohl Fe als auch Ni enthalten. Um allerdings eine Verbindungsnaht mit einer guten Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. ist das Einlagematerial vorzugsweise ein Material auf Ni-Basis oder es hat einen hohen Ni-Gehalt. Das Einlagematerial besitzt vorzugsweise eine nichtkristalline Struktur. Selbst wenn das Einlagematerial die oben beschriebene chemische Zusammensetzung aufweist, ist es leicht, die Dicke zu vermindern, indem man eine dünne Folie mit nichtkristalliner Struktur direkt aus dem geschmolzenen Metall herstellt, und die Herstellung wird einfacher und ökonomischer.
Wenn die Dicke des Einlagematerials weniger als 10 um beträgt, können die Unregelmäßigkeiten an den Verbindungsgrenzflächen nicht absorbiert werden, und es läßt sich keine gute Haftung an der Grenzfläche zwischen den zu verbindenden Teilen erreichen. Andererseits kann man in kurzer Zeit keine Verbindungsnaht mit geeigneter Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation erhalten, wenn die Dicke mehr als 80 um beträgt. Dies ist deshalb der Fall, da während des Verbindungsvorgangs die Elemente in dem Einlagematerial in kurzer Zeit nicht ausreichend diffundieren können, während sich die Dicke des Einlagematerials erhöht, und das an der Verbindungsnaht zurückbleibende Si und B verursacht eine Versprödung.

Bedingungen für das Verbinden:

Unter den Bedingungen für das Verbinden sind der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, die die Verbindungsnaht umgibt, die Bindetemperatur, der aufgebrachte Druck, die Zeitdauer, während der der Verbindungsvorgang durchgeführt wird, und die Frequenz der Induktionsheizung von Bedeutung. Die Grenzwerte für diese Parameter sind untenstehend angegeben.

Sauerstoffgehalt der Atmosphäre beim Verbinden:

Um eine Abnahme der Festigkeit der Verbindungsnaht infolge von Oxidation der Verbindungsgrenzfläche zu verhindern, ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt in der die Verbindungsnaht umgebenden Atmosphäre niedrig zu halten. Wenn der Sauerstoffgehalt 200 ppm übersteigt, nimmt die Festigkeit der Verbindungsnaht infolge Oxidation ab.

Bindetemperatur:

Ist die Bindetemperatur niedriger als 1150ºC, gibt es Fälle, in denen das Einlagematerial nicht geschmolzen werden kann. Außerdem ist, selbst wenn das Einlagematerial geschmolzen werden kann, die Diffusion von Elementen (Si, B), die den Schmelzpunkt herabsetzen, von dem Einlagematerial in das Ausgangsmetall nicht ausreichend, oder die für die Diffusion erforderliche Zeit wird zu lang, was zu Ineffizienz führt. Andererseits besteht die Gefahr der Warmrissigkeit, wenn die Bindetemperatur zu hoch ist, und die Korngröße in der Nähe der Verbindungsnaht vergröbert sich und verursacht eine Abnahme der Festigkeit. Deshalb liegt die Bindetemperatur vorzugsweise bei 1150 - 1250ºC.

Bindedruck:

Der auf die zu verbindenden Oberflächen aufgebrachte Druck kann mindestens 4,9 MPa (0,5 kgf/mm²) betragen, um das Anhaften der Verbindungsgrenzfläche aufrechtzuerhalten. Übersteigt der Druck jedoch 19,6 MPa (2 kgf/mm²) kann es zu einer signifikanten Verformung an der Verbindungsnaht kommen.
Deshalb beträgt der Bindedruck vorzugsweise 4,9 - 19,6 MPa (0,5 - 2 kgf/mm²). Der Bindedruck kann unter Verwendung externer Kräfte aufgebracht werden oder unter Zurückhaltung der thermischen Ausdehnung in Längsrichtung der zu verbindenden Materialien, die während des Verbindens auftritt.

Bindezeit:

Die Bindezeit ist auf mindestens 120 Sekunden begrenzt, um eine gute Haftwirkung zwischen den zu verbindenden Oberflächen zu erreichen, um eine ausreichende Diffusion der Elemente, welche den Schmelzpunkt (B und Si) herabsetzen, zu erreichen und um die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsnaht zu garantieren. Es gibt keine spezielle Obergrenze für die Bindezeit, doch vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit betrachtet, ist es um so besser, je kürzer die Bindezeit ist, solange die Bindezeit ausreicht, um die Diffusion voranzubringen. Vorzugsweise beträgt die Bindezeit 600 Sekunden oder weniger

Frequenz der Induktionsheizung:

Bei der vorliegenden Erfindung wird Hochfrequenz-Induktionsheizung angewandt, um den umgebenden Bereich der Verbindungsgrenzfläche von außen aufzuheizen, Es gibt keine besondere Einschränkung der Frequenz. Jedoch ist beim Verbinden hochlegierter Materialien der Heizwirkungsgrad gering, und die Beheizung wird unwirtschaftlich, wenn die Heizfrequenz weniger als 2 kHz beträgt. Andererseits wird insbesondere beim Verbinden von nichtrostenden plattierten Stahlrohren der Hauteffekt signifikant, wenn die Frequenz 400 kHz übersteigt, so daß es beispielsweise beim Verbinden von Rohren schwierig wird, das Einlagematerial gleichmäßig aufzuheizen und zu schmelzen. Folglich liegt die Heizfrequenz vorzugsweise bei 2 - 400 kHz, und weiter vorzugsweise bei 2 - 20 kHz.
Bei den untenstehend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein nichtrostendes plattiertes Stahlrohr als hochlegiertes korrosionsbeständiges Material für eine Hochtemperaturausrüstung verwendet. Die Zusammensetzung des hochlegierten korrosionsbeständigen Materials zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung wird untenstehend beschrieben.

Zu verbindende Materialien (Ausgangsmateralien):

Es gibt keine spezielle Einschränkung in bezug auf die hochlegierten Materialien, welche mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verbunden werden können. Doch haben die Materialien gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die folgende Zusammensetzung in Gew.-%:
C: 0,05 - 0,5 %,
Si: 1 - 2,5 %,
Mn: 0,1 - 1,5 %,
Ni: 20-45 %.
Cr: 22 - 30 %,
wahlweise eines oder mehrere aus Mo: 1,8 - 2,2 %, Ti: 0,2 - 0,8 %, B: 0,002 - 0,007 % und Zr: 0,01 - 0.05 %, sowie einem Rest aus Fe und zufälligen Verunreinigungen.
Die Gründe für diese Einschränkungen der chemischen Zusammensetzung sind wie folgt.

C:

Der Kohlenstoffgehalt liegt vorzugsweise bei mindestens 0,05 %, um die Festigkeit zu garantieren. Übersteigt der Kohlenstoffgehalt 0,5 %, kommt es infolge der Präzipitation von Carbiden zu einer Versprödung. Deshalb liegt die Menge von C vorzugsweise bei 0,05 - 0,5 %, und weiter vorzugsweise bei 0,05 - 0,2 %.

Si:

Si ist vorzugsweise in einer Menge von mindestens 1 % vorhanden, um die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation und die Beständigkeit gegenüber Karburierung aufrechtzuerhalten. Wenn jedoch der Si-Gehalt 2,5 % übersteigt entwickeln sich Risse während der Warmbearbeitung infolge von Eutektika niedriger Schmelzpurikte, so daß die Obergrenze für den Si-Gehalt bei 2,5 % liegt. Vorzugsweise liegt der Si-Gehalt bei 2 % oder darunter.

Mn:

Mn ist ein Desoxidationselement und muß in einer Menge von mindestens 0,1 % vorhanden sein. Ist jedoch der Gehalt davon zu hoch, wird die Verarbeitungsfähigkeit in der Wärme herabgesetzt. Daher liegt die Obergrenze für den Mn-Gehalt vorzugsweise bei 1,5 %.

Ni:

Der Ni-Gehalt beträgt mindestens 20 %, um die Stabilität einer Austenit-Phase bei hohen Temperaturen zu garantieren. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit liegt die Obergrenze für dessen Gehalt bei 45 %. Vorzugsweise liegt der Ni-Gehalt bei 30 - 40 %.

Cr:

Cr ist bei der Aufrechterhaltung der Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturoxidation wirksam. Es ist in Mengen von mindestens 22 % wirksam. Steigt jedoch der Cr-Gehalt über 30 % an, wird es schwierig, die Warmverarbeitungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Daher beträgt der Cr-Gehalt 22 - 30 % und vorzugsweise 22 - 27 %.

Mo, Ti, B und Zr:

Diese Elemente sind bei der Aufrechterhaltung der Standfestigkeit wirksam. Mo, Ti und Zr erhöhen die Standfestigkeit durch Verfestigen der Korngrenzen und B erhöht die Standfestigkeit durch eine Verbesserung der Duktilität. Allerdings hängt die Wirksamkeit von dem Element ab. Außerdem nimmt die Warmverarbeitungsfähigkeit ab, wenn die Menge eines dieser Elemente zu groß ist. Daher liegen die Grenzwerte für diese Elemente bei 1,8 - 2,2% für Mo, 0,2 - 0,8 % für Ti, 0,002 - 0,007 % für B und bei 0,01 - 0,05 % für Zr.
Neben den obenstehenden Elementen kann man auch Al hinzufügen, vorzugsweise in einer Menge von 0,005 - 0,2 %.
Ein hochlegiertes korrosionsbeständiges Material mit der oben beschriebenen Zusammensetzung kann extrudiert werden, um ein geschmiedetes Rohr mit derselben Festigkeit wie ein Schleudergußrohr zu formen. Das resultierende Rohr weist die Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit auf, die für eine Hochtemperaturausrüstung erforderlich ist, insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 700ºC.
Alternativ kann das oben beschriebene korrosionsbeständige Material bei einem nichtrostenden plattierten Stahlrohr verwendet werden, auf welches das Verbindungsverfahren der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
Zuerst werden die Heizbedingungen für ein innenplattiertes Stahlrohr, welches ein Außenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl hat, das als Basismaterial dient, und ein Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt, die als Plattierungsmatterial dient.
Wenn zwei Stahlrohre aufeinanderliegen und durch Hochfrequenzheizung verbunden werden, erzeugt der durch Hochfrequenzwellen verursachte Hauteffekt Wärme, die sich an der Außenfläche der Stahlrohre konzentriert. Daher wird beim Verbinden innenplattierter Stahlrohre das Außenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl infolge der höheren thermischen Leitfähigkeit des Außenrohrs auf eine höhere Temperatur erwärmt als ts das Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt. Deshalb ist es durch Beheizen mit einer Frequenz von 2 - 400 kHz möglich. auf eine Temperatur zu erwärmen, bei welcher das Außen- und das Innenrohr miteinander verbunden werden können, und das Einlagematerial kann ausreichend geschmolzen werden. Beträgt die Frequenz weniger als 2 kHz, ist der Hauteffekt zu gering, und das Innenrohr wird schneller erwärmt als das Außenrohr, und infolge der hohen thermischen Leitfähigkeit des Außenrohrs aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl kann das Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt überhitzt werden, und es kann schmelzen und abfallen. Andererseits wird der Hauteffekt bei dem Außenrohr groß, wenn die Frequenz 400 kHz übersteigt, so daß nur das Außenrohr erhitzt wird, ohne daß das Innenrohr erhitzt wird, das Einlagematerial wird nicht ausreichend geschmolzen, und man kann keine geeignete Verbindungsnaht erhalten.
Folglich wird die Heizfrequenz beim Verbinden eines innenplattierten Stahlrohrs mit einem Außenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl und einem Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt auf 2 - 400 kHz gesetzt.
Als nächstes werden die Heizbedingungen für ein außenplattiertes Stahlrohr mit einem Außenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt und ein Innenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl beschrieben.
In diesem Fall wird das Erhitzen bei einer Frequenz von hochstens 10 kHz durchgeführt. Übersteigt die Heizfrequenz 10 kHz, wird infolge des Hauteffekts und der Unterschiede bei den thermischen Leitfähigkeiten zwischen Innen und Außenrohr nur das Außenrohr erhitzt, die Erwärmung des Innenrohrs ist unzureichend und das Einlagematerial wird nicht ausreichend geschmolzen, so daß man keine geeignete Verbindungsnaht erhalten kann.
Für die Heizfrequenz gibt es keinen speziellen unteren Grenzwert, doch vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit her liegt dieser vorzugsweise bei mindestens 0,5 kHz.

Beispiele

Als nächstes werden eine Reihe von Beispielen für das Verbindungsverfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Stahlrohre mit einem Außendurchmesser von 60 mm und einer Wandstärke von 7 mm wurden zur Formung von geschmiedeten Rohren unter Verwendung von 6 Arten von Hochtemperatur-Austenit-Stählen. die die in Tabelle 1 dargestellten chemischen Zusammensetzungen aufweisen. extrudiert.
Diese Stahlrohre wurden mittels des Verbindungsverfahrens der vorliegenden Erfindung auf die in Figur 1 gezeigte Weise miteinander verbunden. Zwei der Rohre 2a und 2b wurden dann durch die Klammern 3a und 3b wie in Figur 1 gezeigt in einer Heizschlange 1, die ebenfalls als Abschirmkammer diente, gesichert, wobei sich deren Enden gegenüberstanden und ein Einlagematerial dazwischengelagert war.
Alle sechs Arten von geschmiedeten Rohren waren für die Verwendung bei 700ºC oder darüber bestimmt. Die Einlagematerialien waren flache, amorphe Bleche, die durch Aufsprühen einer Schmelze auf die Oberfläche der sich drehenden Walzen und durch schnelles Abkühlen der Schmelze gebildet wurden. Es wurden sieben verschiedene Arten von Einlagematerialien verwendet. welche die in Tabelle 2 gezeigten chemischen Zusammensetzungen hatten.
Nachdem die Rohre 2a und 2b in den Klammern 3a und 3b gesichert wurden, wurde Stickstoffgas in die Abschirmkammer eingeführt, um die Sauerstoffkonzentration auf 150 ppm oder darunter einzuregulieren. Die Heizschlange 1 wurde danach aus einer hochfrequenten Stromquelle 4 gespeist, um die Enden der Rohre 2a und 2b aufzuheizen. Das Aufheizen der Rohrenden 2a und 2b führte zu deren axialer Ausdehnung, wodurch Druck auf die aneinanderstoßenden Oberflächen der Enden ausgeübt wurde. Der Druck auf die Enden der Rohre 2a und 2b wurde durch Verändern der Federung oder der Positionen der Klammern 3a und 3b variiert, und die Heiztemperatur wurde durch Regulieren der hochfrequenten Stromquelle 4 einreguliert.
Nachdem die Rohre 2a und 2b miteinander verbunden waren, wurde die einwandfreie Beschaffenheit bzw. Güte der Verbindungsnaht mit Hilfe eines Korrosionsbeständigkeitstests, eines Seitenbiegetests und einer Standfestigkeitsprüfung bewertet.
Bei dem Korrosionsbeständigkeitstest wurden Probenexemplare bzw. Prüflinge 100 Stunden lang bei 1100ºC in Kohlenstoffpulver eingetaucht, daran anschließend wurde die Tiefe der Korrosion in Querschnitten der Probenexemplare gemessen.
Der Seitenbiegetest wurde unter Verwendung eines Prüflings wie dem in Figur 3 dargestellten durchgeführt. Der Prüfling 12 (6 mm dick x 140 mm lang) mit einer Verbindungsnaht 10 wurde um 180 Grad zur Seite gebogen (um eine Achse parallel zu den Seitenflächen des Prüflings) bei einem Biegungsradius, der der zweifachen Dicke des Prüflings entsprach, und dann auf das Auftreten von Rissen hin untersucht.
Die Standfestigkeitsprüfung wurde unter Verwendung eines Prüflings wie dem in Figur 3 dargestellten durchgeführt. Die Testbedingungen, die in Tabelle 3 dargestellt sind, hängen von der Zusammensetzung des Stahlrohrs ab. Die Standfestigkeit wurde als die Zeit bis zum Kriechbruch gemessen.
Die Testergebnisse und Verbindungsbedingungen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Korrosionsbeständigkeit wurde durch das Verhältnis der Korrosionstiefe der Verbindungsnaht zu derjenigen des Basismetalls bestimmt. Ein Wert von 1,0 ± 0,2 gibt eine Korrosionsbeständigkeit an, welche derjenigen des Basismetalls entspricht. Die Ergebnisse des Seitenbiegetests sind durch einen KREIS (keine Risse) oder durch ein X (Risse vorhanden) kenntlich gemacht. Die Standfestigkeit wird durch das Verhältnis der Kriechbruchzeit des Prüflings zu der Kriechbruchzeit des Basismetalls ausgedrückt.
Wie in Tabelle 4 gezeigt, wies die Verbindungsnaht in jedem Fall eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, wenn das Verbinden mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, und es traten keine Risse bei dem Seitenbiegetest auf. Außerdem nahm die Korrosionsbeständigkeit bei der Testreihe Nr. 22 deutlich ab, als die Dicke des Einlagematerials größer als 80 um war. Bei der Testreihe Nr. 21, als der Druck größer als 19,6 MPa (2 kgf/mm²) war, war die Verbindungsnaht deutlich deformiert. Es wurde nachgewiesen, daß die Verbindungsnaht eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit aufwies, wie dies durch eine Kriechbruchzeit von mindestens 80 % im Vergleich zu derjenigen des Basismetalls belegt wird. Demgegenüber nahm bei der Testreihe Nr. 14 (Vergleichsbeispiel), bei welcher das Einlagematerial eine geeignete Zusammensetzung hatte, jedoch überaus dick war, die Standfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit ab. Bei den Reihen 15, 16 und 19 waren die Bindetemperatur, die Bindezeit bzw. der angewandte Druck unzulänglich. Deshalb waren die resultierenden Verbindungsnahten von schlechter Qualität, obwohl die anderen Bedingungen dazu geeignet waren. Bei den Reihen 17 und 20 war der Schmelzpunkt des Einlagematerials zu hoch. Als die Bindetemperatur 1200ºC (Reihe Nr. 17) betrug, schmolz und diffundierte das Einlagematerial nicht richtig, und es bildeten sich Risse während des Seitenbiegetests. Andererseits bildeten sich bei dem Basismetall Warmrisse, als die Heiztemperatur stark genug erhöht wurde, um das Einlagematerial (Reihe Nr. 20) zu schmelzen. Bei der Testreihe Nr. 18 war der Schmelzpunkt des Einlagematerials niedrig, doch war der Cr-Gehalt zu gering, so daß es nach einer kurzen Zeitdauer infolge der Hochtemperaturoxidation während des Kriechtests zu einem Zerreißen kam, obwohl das Verbinden durchgeführt werden konnte.

Beispiel 2

Es wurden plattierte Stahlrohre mit einem Außendurchmesser von 91 mm, einem Innendurchmesser von 67 mm, einer Wandstärke von 12 mm und einer Länge von 1500 mm verwendet. Es wurden zwei Arten von plattierten Stahlrohren verwendet: innenplattierte Stahlrohre, bei welchen sich das Plattierungsmaterial an der Innenseite des Rohrs befand, und außenplattierte Stahlrohre, bei denen sich das Plattierungsmaterial an der Außenseite befand.
Das Basismetall der einzelnen plattierten Stahlrohre hatte eine Dicke von 9 mm und wurde aus Kohlenstoffstahl (Stahl Nr. 7 in Tabelle 5) oder niedriglegiertem Stahl (Stahl Nr. 8) hergestellt. Der Kohlenstoffstahl hatte eine Festigkeit von 490 N/mm² (50 kgf/mm²), und der niedriglegierte Stahl war 2 1/4 Cr -1 Mo-Stahl. Das Plattierungsmaterial war nichtrostender Stahl oder eine Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt mit einer Dicke von 3 mm. Der nichtrostende Stahl war SUS316L (Stahl Nr. 9), und die Stahllegierung mit hohem Ni- Gehalt war Legierung 825 (Stahl Nr. 10) oder Legierung 625 (Stahl Nr. 11). Die Zusammensetzung für jeden Stahl ist in der Tabelle 5 aufgeführt.
Um die Rohre miteinander zu verbinden, wurde jedes Rohr zuerst längs einer Ebene senkrecht zu ihrer Längsachse abgeschnitten, um eine flache Endoberfläche zu bilden, und dann wurden die Endoberflächen der abgeschnittenen Rohre auf einen maximalen Radius von 50 um geschliffen. Ein Einlagematerial wurde danach zwischen den Enden der Rohre angeordnet und der Verbindungsprozeß wurde durchgeführt. Das Einlagematerial war ein dünner Streifen aus einer nichtkristallinen, d. h. amorphen Eegierung mit einer Dicke von 25 oder 120 Mikrometern und mittels des schnellen Abkühlungsverfahrens geformt. Die Zusammensetzung des Einlagematerials ist in Tabelle 6 aufgeführt. Das Verbinden von Rohrpaaren wurde unter Verwendung der in Figur 1 dargestellten Anordnung auf diesselbe Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt.
Die Festigkeit der Verbindungsnaht wurde mittels eines Seitenbiegetests bestimmt. Ein Prüfiing 6, wie das in den Figuren 4a und 4b dargestellte wurde um 180 Grad mit einem Biegeradius von 14 mm (das Zweifache der Dicke des Prüflings) gebogen, und es wurde das Auftreten von Rissen in der Nähe der Verbindungsnaht 7 untersucht.
Bei den Figuren 4a, 4b, 5a und 5b steht 9 für das Basismetall und 10 für das Plattierungsmaterial. En Prüfling wurde als zufriedenstellend angesehen, wenn es nicht zur Bildung von Rissen kam.
Die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungsnaht 7 wurde mittels eines Korrosionstests unter Verwendung eines Lochfraß-Korrosionsprüfling 8 bestimmt, welcher aus dem Plattierungsmaterial eines Rohrs hergestellt wurde, wie in den Figuren 5a und 5b gezeigt. Das Lochfraß-Potential wurde durch Scannen des Potentials unter Verwendung eines Potentiostats gemessen. Es wurde das Verhältnis des Lochfraß-Potentials V'cj der Verbindungsnaht zu dem Lochfraß-Potential V'cb des Plattierungsmaterials des plattierten Stahlrohrs bestimmt. Die Testlösung war synthetisches Meerwasser. Die Testtemperatur betrug 60ºC für SUS316L und 100ºC für Legierung 625 und Legierung 825.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Bei den Testreihen Nr. 23 - 30 und Nr. 35 - 42 wurden plattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus Kohlenstoffstahl und einem Innenrohr aus SUS316L unter Verwendung der Einlagen Nr. 8 - 14 miteinander verbunden. Die Einlagen Nr. 8 - 14 schlossen 5 - 40 % Cr und eines oder mehrere aus Si (höchstens 8 %) und B (höchstens 4 %) ein. Die anderen Bedingungen lagen innerhalb der für die vorliegende Erfindung vorgegebenen Bereiche. Jedes dieser Beispiele hatte eine ausgezeichnete Verbindungsfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit.
Bei den Testreihen Nr. 31 und 43 wurden innenplattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus einer niedriglegierten Stahllegierung und einem Innenrohr aus SUS316L unter Verwendung der Einlage 12 miteinander verbunden. Die anderen Bedingungen waren so, wie durch die vorliegende Erfindung definiert, und die erhaltene Verbindungsnaht hatte eine ausgezeichnete Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Bei den Testreihen Nr. 32 und 44 wurden innenplattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus Kohlenstoffstahl und einem Innenrohr aus einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt in der Form von Legierung 825 durch die Einlage Nr. 9 miteinander verbunden. Bei den Testreihen Nr. 33 und 45 wurden innenplattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus Kohlenstoffstahl und einem Innenrohr aus einer Stahllegierung mit hohem Ni-Gehalt in der Form von Legierung 625 durch die Einlage Nr. 11 miteinander verbunden. Bei den Testreihen Nr. 34 und 46 wurden innenplattierte Rohre mit einem Außenrohr aus niedriglegiertem Stahl und einem Innenrohr aus Legierung 625 unter Verwendung der Einlage Nr. 11 miteinander verbunden. Bei den Testreihen Nr. 47 und 48 wurden außenplattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus SUS316L und einem Innenrohr aus Kohlenstoffstahl unter Verwendung der Einlage Nr. 9 miteinander verbunden. In jedem Fall hatte die Einlage eine Dicke von 25 um, die Heizzeit betrug 300 Sekunden, der aufgebrachte Druck betrug 9,8 MPa (1 kgf/mm²) und die Heizfrequenz lag innerhalb des durch die vorliegende Erfindung definierten Bereichs. Die resultierenden Verbindungsnahten hatten eine ausgezeichnete Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Bei der Testreihe Nr. 49 wurden innenplattierte Stahlrohre mit einem Außenrohr aus Kohlenstoffstahl und einem Innenrohr aus SUS316L unter Verwendung der Einlage Nr. 9 miteinander verbunden. Obwohl die Heiztemperatur auf 1250ºC erhöht wurde, hatte die resultierende Verbindungsnaht eine ausgezeichnete Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Demgegenüber wurde bei der Testreihe Nr. 50 kein Einlagematerial verwendet, so daß die resultierende Verbindungsnaht von schlechter Qualität war. Bei der Testreihe Nr. 51 wurde ein geeignetes Einlagematerial verwendet, doch war die Heiztemperatur zu niedrig, so daß die resultierende Verbindungsnaht von schlechter Qualität war. Bei der Testreihe Nr. 52 war der aufgebrachte Druck zu gering, so daß man wiederum eine Verbindungsnaht von schlechter Qualität erhielt.
Bei den Testreihen 53, 54 und 55 lag die Zusammensetzung des Einlagematerials außerhalb des für die vorliegende Erfindung definierten Bereichs, so daß die resultierenden Verbindungsnähte schlecht waren.
Bei den Testreihen Nr. 57 und 58 war die Dicke der Einlage größer als 80 um, so daß die Korrosionsbeständigkeit deutlich abnahm. Zudem war bei der Testreihe Nr. 56 der aufgebrachte Druck zu groß, so daß die Verbindungsnaht eine deutliche Verformung aufwies, und es bildeten sich Risse an der Verbindungsnaht.
Obwohl die Erfindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich, daß Veränderungen und Modifikationen angewandt werden konnen, ohne daß vom Grundgedanken der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert wurde, abgewichen wird. Tabelle 1 Stahlrohr Nr. Tabelle 2 Einlagematerial Nr. Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Schmelzpunkt (ºC) Anmerkung -* : Außerhalb der vorliegenden Erfindung Tabelle 3 Stahlrohr Nr. Testtemperatur (ºC) angewendete Belastung (kgf/mm²) MPa Tabelle 4 Einlagematerial Lauf Nr. Stahlrohr Nr. Dicke (um) Bindetemperatur (ºC) Bindezeit (S) Angewandter Druck MPa (kgf/mm²) Frequenz (kHz) Korrosionstest (Korrrosionstiefe)** Seitenbiegetest Kriechbruchzeit *** vorliegende Erfindung Vergleich Anmerkung: *: Außerhalb der Erfindung; **: Verhältnis (Verbindungsnaht/Basis); ***: Verhältnis (Verbindungsnaht/Basis) Tabelle 5 Stahlrohr Nr. Rest Kohlenstoffstahl niedriglegierter Stahl nichtrostender Stahl Legierung auf Ni-Basis Tabelle 6 Einlagematerial Nr. Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Schmelzpunkt (ºC) Anmerkung -* :Außerhalb der vorliegenden Erfindung Tabelle 7 (1) Testrohr Nr. Lauf Nr. Aussenrohr Innenrohr Einlagematerial Dicke (um) Bindetemperatur (ºC) Bindezeit (S) Angewandter Druck MPa (kgf/mm²) Frequenz (kHz) Seitenbiegetest Lochfaßpotential (V'cj/V'cb) Bemerkung gut vorliegende Erfindung Tabelle 7 (2) Testrohr Nr. Lauf Nr. Aussenrohr Innenrohr Einlagematerial Dicke (um) Bindetemperatur (ºC) Bindezeit (S) Angewandter Druck MPa (kgf/mm²) Frequenz (kHz) Seitenbiegetest Lochfaßpotential (V'cj/V'cb) Bemerkung keine gut vorliegende Erfindung Vergleich Anmerkung - *: Außerhalb der Erfindung

Claims

1. Verfahren zum Verbinden korrosionsbeständiger Materialien durch Diffusion, umfassend:

Anordnen eines Einlagematerials mit einem Schmelzpunkt von höchstens 1150ºC und einer Dicke von 10-80 um zwischen den Verbindungsgrenzflächen zweier zu verbindender Elemente und Erhitzen der Verbindungsgrenzflächen der zwei Elemente durch Hochfrequenz-Induktionsheizung während mindestens 120 Sekunden bei einer Temperatur von 1150-1250ºC unter Aufbringen eines Druckes von 4,9-19,6 MPa (0,5-2 kgf/mm²) auf die Verbindungsgrenzflächen, um so das Einlagematerial zu schmelzen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage, in Gew.-%,

Cr: 5-40 %,

eines oder mehrere aus Si: höchstens 8 % und B: höchstens 4 % und

einen Rest aus mindestens einem von Fe und Ni sowie zufällige Verunreinigungen umfaßt; und daß das Erhitzen in einer Atmosphäre durchgeführt wird, welche höchstens 200 ppm Sauerstoff enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsdruck durch Anwendung äußerer Kräfte oder durch Zurückhaltung der thermischen Ausdehnung der zn verbindenden Materialien ausgeübt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einlage weiterhin höchstens 10 % Mo enthält.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zu verbindenden, korrosionsbeständigen Materialien hochlegierte korrosionsbeständige Materialien zur Anwendung bei einer Hochtemperaturausrüstung sind, bestehend, in Gew.-%, im wesentlichen aus

C: 0,05-0,5%

Si: 1-2,5%

Mn: 0,1-1,5%

Ni: 20-45%

Cr: 22-30%, und

einem Rest aus Fe und zufälligen Verunreinigungen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zu verbindenden, korrosionsbeständigen Materialien weiterhin mindestens eines der folgenden umfassen:

Mo: 1,8-2,2%

Ti: 0,2-0,8%

B: 0,002-0,007%

und Zr: 0,01-0,05%.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Frequenz der Hochfrequenz-Heizung 2-20 kHz beträgt.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zu verbindenden Materialien innenplattierte Stahlrohre umfassen, welche ein Außenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl und ein Innenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Legierung mit hohem Ni-Gehalt umfassen.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zu verbindenden Materialien außenplattierte Stahlrohre umfassen, welche ein Außenrohr aus nichtrostendem Stahl oder einer Legierung mit hohem Ni-Gehalt und ein Innenrohr aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl umfassen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Frequenz der Hochfrequenz-Heizung 2-400 kHz beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Frequenz der Hochfrequenz-Heizung höchstens 10 kHz beträgt.