Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 1

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 1

Im Zusammenhang mit dem Schweißen gehören Stähle zu den wichtigsten Werkstoffen. Je nach Einsatzbereich und Anwendung werden dabei verschiedene Stähle verarbeitet. Eine besondere Gruppe innerhalb der Stähle bilden die sogenannten warmfesten Stähle.

Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen, Teil 1

Sie werden eingesetzt, wenn die Bauteile dauerhaft hohen Temperaturen und großen Belastungen ausgesetzt sind. Im Kraftwerkbau ist das zum Beispiel der Fall.

In einem mehrteiligen Beitrag vermitteln wir Fachinfos zum Schweißen von warmfesten Stählen.

Dabei schauen wir uns in diesem 1. Teil
den Werkstoff als solches an:

Grundlegendes zu warmfesten Stählen

Wie effizient thermische Kraftwerke sind, definiert sich im Wesentlichen durch die beiden Prozessparameter Dampfdruck und Dampftemperatur. Je höher diese beiden Prozessparameter umgesetzt werden, desto höher ist der Wirkungsgrad.

In modernen Kraftwerken wird mit einem Dampfdruck von 300 bar und einer Dampftemperatur von 600 Grad Celsius gearbeitet. Diese Prozessbedingungen führen zu Wirkungsgraden von über 45 Prozent. Verglichen mit Kohlekraftwerken der ersten Generation, ist die Effizienz damit mehr als verdoppelt.

Eine Erhöhung der Prozessparameter setzt aber voraus, dass Werkstoffe vorhanden und verarbeitet sind, die den extrem hohen Anforderungen im Hinblick auf die mechanische und chemische Beanspruchung (hier insbesondere Oxidation und Korrosion) gewachsen sind.

Stähle, die dauerhaft bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden können, werden im Allgemeinen unter dem Begriff warmfeste Stähle zusammengefasst.

Um zu betonen, dass die Stähle besonders hohen Anforderungen genügen, wird die Bezeichnung hochwarmfest verwendet. Meist handelt es sich dabei um austenitische Stähle und Nickellegierungen.

Generell lassen sich warmfeste Stähle, ausgehend von ihrer Mikrostruktur, in drei Gruppen einteilen.

So gibt es

  • ferritisch-perlitische Stähle,

  • ferritisch-bainitische Stähle und

  • ferritisch-martensitische Stähle.

Im modernen Kraftwerksbau werden außerdem auch hochwarmfeste austenitische Stähle und Nickellegierungen genutzt. Die Werkstoffe werden unter anderem bei Wasser- und Dampfleitungen, Tragrohren, Überhitzern, Sammlern, Abschneidern und Membranwänden verarbeitet.

Das Kriechverhalten

Die Festigkeitskenngrößen, die bei der Dimensionierung der Bauteile die wesentliche Rolle spielen, sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit. Die Praxis zeigt aber, dass diese beiden Parameter mit steigender Betriebstemperatur abnehmen.

Hinzu kommt, dass die Festigkeitskenngrößen aller metallischen Werkstoffe ab einer bestimmten, für den Werkstoff spezifischen Grenztemperatur zeitabhängig werden. Bei diesem Phänomen wird vom Kriechen gesprochen.

Das Kriechen führt dazu, dass sich ein Bauteil oder eine Komponente unter dem Einfluss von erhöhten Temperaturen bei Belastung ständig plastisch verformt, bis es schließlich zu einem Kriechbruch kommt.

Aus diesem Grund muss bei der Dimensionierung von warm-gehenden Bauteilen das Kriech- oder das Zeitstandverhalten der jeweiligen Werkstoffe berücksichtigt werden.

Die Zeitstandfestigkeit

Die sogenannte Zeitstandfestigkeit gibt die Spannung an, die bei gleichbleibender Temperatur nach einer gewissen Zeit einen Bruch zur Folge hat. Im Kraftwerksbau sind zur Bauteildimensionierung in aller Regel Zeitstandfestigkeiten für 100.000 bis 200.000 Stunden bei Auslegungstemperatur notwendig.

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Allerdings muss dabei auch beachtet werden, dass Schweißverbindungen üblicherweise ein anderes Zeitstandverhalten aufweisen als der Grundwerkstoff.

Denn im Langzeitbereich kommt es zwischen dem Grundwerkstoff und der von Wärme beeinflussten Zone zu einem Wechsel der Bruchlagen.

Welche Zeitstandfestigkeiten die Grundwerkstoffe haben, ergibt sich aus den dazugehörigen Produktnormen. Die Zeitstandfestigkeiten der Schweißzusatzwerkstoffe und unter Umständen der Schweißverbindung als solches muss der Hersteller der Schweißzusätze im Rahmen einer entsprechenden Zulassung nachweisen.

Typische Legierungen

Um die Warmfestigkeit von Werkstoffen zu erhöhen, hat sich Molybdän als wesentliches Element bewährt. Schon Anfang des vergangenen Jahrhunderts wurden warmfeste Stähle mit Molybdän angereichert.

Weitere Legierungselemente, die eingesetzt werden, um die Warm- und Zeitstandfestigkeit von Werkstoffen zu erhöhen, sind Chrom, Wolfram, Kobalt, Vanadium, Niob und Bor.

Vanadium und Niob bilden Karbide und Nitride, wodurch die Zeitstandfestigkeit steigt. Diese beiden Elemente sind heute in praktisch allen ferritisch-bainitischen und ferritisch-martensitischen Stählen enthalten.

Geringe Zugaben vor Bor verbessern die Stabilität der Chromkarbide. Das stabilisiert das Mikrogefüge insgesamt über einen langen Zeitraum hinweg und erhöht auch die Zeitstandfestigkeit noch einmal zusätzlich.

Chemische Belastungen

Der Dampfdruck und weitere Faktoren wie zum Beispiel das Eigengewicht belasten die Werkstoffe mechanisch. Die Werkstoffe müssen aber auch gegenüber den chemischen Belastungen beständig sein.

Und hier spielen vor allem die Oxidation auf den Innenflächen und die Korrosion auf den Außenflächen eine zentrale Rolle.

Die Beständigkeit gegenüber diesen chemischen Einwirkungen wird im Wesentlichen mithilfe von Chrom gesteuert. Dabei können bei martensitischen Chromstählen bis zu zwölf Gewichtsprozent Chrom hinzulegiert werden.

Höhere Chromanteile hätten zur Folge, dass der Austenit-Bereich so sehr eingeschnürt wäre, dass das Gefüge im vergüteten Zustand neben dem Martensit höhere Anteile an Deltaferrit aufweisen würde. Deltaferrit wirkt aber versprödend.

Bei den Stählen, die im Kraftwerksbau verarbeitet werden, richtet sich die maximale Einsatztemperatur deshalb nach der Warmstreckgrenze oder der Zeitstandfestigkeit und der Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion.

Aus technischer Sicht stoßen unlegierte Baustähle daher ab Temperaturen von 350 Grad Celsius an ihre Grenzen. Die Gruppe der ferritisch-bainitischen Stähle kann bei Temperaturen bis etwa 550 Grad Celsius eingesetzt werden. 9- bis 12-prozentige Chromstähle eignen sich bei Temperaturen bis 630 Grad Celsius.

Sind die Prozesstemperaturen höher, kommen aus technischer Sicht nur noch hochwarmfeste, austenitische Stähle und Nickellegierung in Frage.

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Rudolf Bozart, Baujahr 1964 Schweißfachingenieur, Gerd Meinken geboren 1972, Schweißwerkmeister, Thorsten Kamps, geboren 1981 Coautor und Christian Gülcan, Betreiber der Webseite, schreiben hier alles Wissenswerte zu Schweißtechniken und Schweißverfahren, geben Tipps und Anleitungen zu Berufen, Schweißgeräten, Materialkunde und Weiterbildung.

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