Lutowanie stali nierdzewnych

Wykonuję połączenia lutowane ze stali nierdzewnych 1.4541 oraz 1.4057. Ze względu na temperaturę w jakiej przebywa konstrukcja nie możemy zastosować spoiwa na bazie srebra, dlatego też postanowiliśmy użyć jako spoiwa mosiądzu. Natomiast kolego powiedział mi że do lutowania stali nierdzewnej nie można używać mosiądzu. Czy mógł by mi Pan wyjaśnić czemu nie należny stosować mosiądzu do lutowania stali nierdzewnych?

Lutowanie lutem miękkim

Do lutowania stali nierdzewnych stosuje się dwa typy stopów lutowniczych, czysty stop cyny o temperaturze topnienia około 230°C oraz stop cyny z srebrem o temperaturze topnienia 215-225°C. Stale austenityczne o zawartości 18%Cr - 9%Ni dobrze lutują się lutem miękkim, podczas gdy stale ferrytyczne o zawartości 17%Cr wymagają wstępnego przygotowania powierzchni. Dla stabilizowanych tytanem lub niobem gatunków stali austenitycznych jak i ferrytycznych lutowanie lutem miękkim jest trudniejsze bez odpowiedniego przygotowania powierzchni. Stan wykończenia powierzchni ma decydujący wpływ na zjawiska zwilżalności podczas lutowania. Powierzchnie po trawieniu (1 lub 2D) nadają się lepiej do lutowania niż powierzchnie polerowane (2B) lub szczególnie powierzchnie po wyżarzaniu bez nalotu (2R).

Lutowanie lutem miękkim zazwyczaj wykonuje się za pomocą elektrycznej lutownicy, lecz także można stosować nagrzewanie palnikiem acetylenowo-tlenowym. Proces lutowania wymaga zastosowania odpowiedniego topnika, który w przypadku stali nierdzewnych nie może zawierać chlorków, które negatywnie wpływają na ich własności korozyjne. Topniki oparte na kwasie ortofosforowym zapewniają uzyskanie odpowiednich własności lutu i ponadto są wolne od chlorków. Po lutowaniu powierzchnia stali musi być dokładnie oczyszczona z pozostałości topnika.

W celu uzyskania najlepszej jakości połączeń lutowanych ze stali austenitycznych lub ferrytycznych należy stosować elementy o odpowiedniej chropowatości powierzchni.

Lutowanie lutem twardym

Austenityczne stale nierdzewne (stopy Fe-Cr-Ni) są łatwo lutowane z zastosowaniem lutów twardych, głównie stopów Cu, Ag-Cu-Zn-Sn, Ni-Cr-B lub Ni-Cr-Si. Do lutowania stali nierdzewnych o strukturze ferrytycznej (stopy Fe-Cr) zwykle stosuje się luty stopów Si-Cu-Sn-Ni, Ag-Cu-Zn-Ni lub Ag-Cu-Zn-Sn stosując podobne procedury jak dla lutowania stali austenitycznych. Główna różnica przy lutowaniu stali ferrytycznych polega na konieczności ścisłego przestrzegania temperatury i czasu lutowania w celu uniknięcia nadmiernego rozrostu ziarn i wydzieleń węglików chromu.

W celu uniknięcia utleniania powierzchni stali nierdzewnych, proces lutowania wykonuje się w próżni lub kontrolowanej atmosferze o charakterze obojętnym takiej jak suchy wodór lub mieszanina wodór-azot. Dla zapewnienia niskiego potencjału utleniania atmosfery, poziom jej wilgotności musi odpowiadać temperaturze punktu rosy przynajmniej -55°C a jeśli to możliwe -70°C. W zależności od zastosowanego stopu lutowniczego temperatura pieca podczas lutowania wynosi od 600°C do 1200°C, a prędkość nagrzewania od 15°C/min do 20° C/min.

Chłodzenie natomiast początkowo obywa się w próżni, a następnie z większą szybkością dla uniknięcia utleniania stali, zarówno w atmosferze redukcyjnej (dla stali austenitycznych) i atmosferze obojętnej (dla stali ferrytycznych). We wszystkich przypadkach czas wytrzymania w temperaturze lutowania nie może być wydłużony poza ściśle określony czas wymagany dla operacji łączenia. Dobrą zwilżalność materiału rodzimego przez materiał lutu osiąga się już po kilku minutach.

Stabilizowane gatunki stali niedrzewnych o strukturze ferrytycznej poddane procesowi lutowania w próżni lub w osłonie gazu ochronnego wymagają zastosowania specjalnych procedur i odpowiednich spoiw. Wymóg ten jest związany z obecnością pierwiastków stabilizujących, które mogą mieć negatywny wpływ na zjawisko zwilżalności. W tym przypadku lutowanie najczęściej wykonuje się w atmosferze: czystego wodoru, wodór - 10% azot, wodór – 25% azot lub w próżni. Najczęściej stosowanymi pierwiastkami stabilizującymi są tytan i niob. Niob nie wpływa znacząco na zjawisko zwilżalności, natomiast tytan ma wyraźnie negatywny wpływ w szczególności, gdy występuje w stężeniu wyższym od wymaganego dla stabilizacji stali. Nowoczesne stopy lutownicze stosowane dla tych gatunków stali zawierają Cu-30% Mn-5% Ni i Cu30% Mn-5% Ag, które stosuje się w temperaturze od 1000°C w próżni o ciśnieniu 10-5 tor., lub w atmosferze czystego wodoru o punkcie rosy -60°C. W tablicy 1 przedstawiono twarde stopy lutownicze dla poszczególnych grup stali nierdzewnych. Stale nierdzewnie powszechnie lutuje się z elementami z brązu w instalacjach wody pitnej, gdzie złączki ze stopów miedzi lutuje się lutem na bazie Ag-Cu-Zn. Luty na bazie brązu (Cu-Sn) wykazują niższą odporność korozyjną w takich warunkach przez co nie są stosowane dla stali nierdzewnych. Większość zalecanych stopów (tab. 1) do łączenia stali ferrytycznych opartych jest na bazie stopu Ag-Cu, co zapewnia odpowiednią zwilżalność powierzchni i tym samym trwałe i wytrzymałe połączenie lutownicze.

Literatura

[1]. P.J. Cunat, Working with stainless steel, Euro-Inox, 1998