Spoiwa do stali nierdzewnych i zawartość ferrytu w spoinie

Spoiwa austenityczne

Stopiwa o zawartości ferrytu do 40%
Do najczęściej stosowanych spoiw należą spoiwa, które dają stopiwo o liczbie ferrytowej 2÷12 FN w temperaturze pokojowej. Otrzymanie odpowiedniej zawartości ferrytu w metalu po spawaniu ma na celu przeciwdziałanie możliwości wystąpienia pękania na gorąco (dzięki z dużo lepszą rozpuszczalnością zanieczyszczeń w fazie ferrytycznej niż w austenicie). Spoiwa o zawartości ferrytu do 40% charakteryzują się bardzo dobrą spawalnością. Wykorzystanie takich spoiw zasadniczo nie wymaga przeprowadzenia obróbki cieplnej po spawaniu.
Spoiwa nadstopowe o wysokiej liczbie ferrytowej (15÷40 FN) są często stosowane w niejednorodnych połączeniach spawanych pomiędzy stalą niskostopową i stalą nierdzewną. Zastosowanie takich spoiw zapewnia bardzo dobrą spawalność. Stosując takie spoiwa można otrzymać mieszane stopiwa typu 18/8. Zastosowanie spoiw zwykłego typu 18/8 do spawania stali niskostopowej z nierdzewną, z uwagi na wymieszanie, może doprowadzić do powstania kruchego połączenia martenzytyczno-austenitycznego. Innym zastosowaniem spoiw nadstopowych jest spawanie stali ferrytycznych i ferrytyczno-austenitycznych. Najbardziej nadstopowe spoiwa 29%Cr 9%Ni są często stosowane, gdy spoina narażona jest na intensywne zużycie lub do spawania trudno spawalnych stali.

Spoiwa bez ferrytowe
W pełni austenityczne stopiwa są bardziej podatne na pękanie na gorąco niż stopiwa z kilkuprocentową zawartość ferrytu. Aby zmniejszyć ryzyko występowania pęknięć stali do stopiwa wprowadzany jest często mangan, a poziom pierwiastków śladowych jest zminimalizowany. Duże jeziorka spawalnicze również zwiększają ryzyko pęknięć na gorąco. Duże w pełni austenityczne jeziorka spawalnicze krzepną powoli dając strukturę gruboziarnistą i mały obszar granicy ziarn. Natomiast małe jeziorko spawalnicze krzepnie szybko powodując bardziej drobnoziarnistą strukturę.
Spoiwa całkowicie austenityczne należy spawać z niskim doprowadzeniem ciepła, co ograniczy ryzyko pękania na gorąco stali.
Stopiwa bez ferrytowe charakteryzują się dobrą udarnością w niskich temperaturach i umożliwia to ich stosowanie do spawania elementów narażonych na oddziaływanie niskich temperatur, np. zbiorników do transportu cieczy kriogenicznych.
W celu uniknięcia pęknięć w całkowicie austenitycznych stopiwach zaleca się przestrzeganie następujących zasad:
•    nie przesuwać elektrody więcej niż 2 x średnica drutu rdzeniowego
szerokość spoiny    ≈ 1,5 ÷ 2,5
głębokość spoiny   
•    nigdy nie zostawiać pęknięć w kraterze przed przystąpieniem do spawania następnego ściegu.

Spoiwa ferrytyczne
Nowoczesne stopiwa ferrytyczne posiadają ograniczoną zawartość węgla i azotu, a także często są stabilizowane tytanem. Zastosowanie takich spoiw nie wymaga również zastosowania obróbki cieplnej po spawania. Obecnie stosowane spoiwa ferrytyczne dają stopiwa mniej wrażliwe na korozję międzykrystaliczną, a także ich obróbka cieplna po spawaniu nie jest konieczna.
Ważnym zjawiskiem występującym przy spawaniu spoiwami całkowicie ferrytycznymi jest tendencja do tworzenia gruboziarnistej struktury krystalicznej w stopicie, co powoduje znaczne ograniczenie plastyczności związane z rozrostem ziarn. Z tego względu zaleca się spawanie spoiwami ferrytycznymi z zastosowaniem małego doprowadzenia ciepła. Głównym zastosowaniem spoiw ferrytycznych jest spawanie stali ferrytycznych.

Spoiwa ferrytyczno–austenicznych
Spoiwa ferrytyczno-austenityczne ze względu na wysoką zawartość ferrytu nie są podatne na pękanie na gorąco, a spawalność stali dwufazowych ferrytyczno-austenitycznych jest znacznie lepsza niż stali całkowicie ferrytycznych. Spoiwa ferrytyczno-austenityczne wykazują pewną niewielką podatność na rozrost ziarna i w celu przeciwdziałania temu zjawisku konieczne jest utrzymanie na odpowiednio niskim poziomie doprowadzenia ciepła podczas spawania.
Spoiwa ferrytyczno-austenityczne są głównie stosowane do spawania materiałów pracujących w środowiskach korozyjnych, gdzie istnieje ryzyko występowania korozyjnego pękania naprężeniowego. Spoiwa tego typu znalazły również zastosowanie do spawania stali ferrytycznych i ferrytyczno-martenzytycznych. Ferrytyczno-austenityczne spoiwa charakteryzują się wyższą wytrzymałość w porównaniu do spoiw austenitycznych. Natomiast w niskich temperaturach wykazują niższą udarność od spoiw austenitycznych, co jest związane z wyższą zawartością fazy ferrytycznej.

Zawartość ferrytu w spoinie
Liczba ferrytowa - FN - jest międzynarodowym sposobem pomiaru zawartości ferrytu w stopiwie w temperaturze pokojowej.
Dla zawartości ferrytu 0 – 6%, FN = % ferrytu,
Dla zawartości ferrytu 6 ÷ 25%, FN jest o około jednostkę wyższa,
Dla zawartości ferrytu powyżej 25% stosowane jest tylko pojęcie w procentach.
Zawartość ferrytu może być wyznaczona na kilka sposobów, w tym np. za pomocą ferrytoskopu lub zmierzona na podstawie składu chemicznego spoiny. Obecnie powszechnie stosuje się wykres Schaeffler’a (rys. 1), DeLonga’a (uwzględniający azot, jako silny pierwiastek austenitotwórczy) – rys. 2 i WRC-92 (rys. 3). Zależność pomiędzy zawartością procentową a liczbą ferrytową wg metody Scheaffler’a – DeLong’a dobrze koreluje do wartości 18FN. Powyżej tej wartości należy stosować wykres WRC-92.
Na stronie internetowej Edison Welding Institute [2] dostępne jest oprogramowanie umożliwiające obliczenie liczby ferrytowej dla zadanego składu chemicznego stali nierdzewnej oraz oprogramowanie umożliwiające obliczenie liczby ferrytowej uwzględniające szybkość chłodzenia stali [3].