Oktober 2014
| von Dr. Jan Rau, Leiter Qualitätsmanagement / Research & Development Dockweiler

Unterschiedliche Eutektika
Während des Erstarrens können niedrigschmelzende Eisen-, Nickel- und Chromsulfide entstehen, die bevorzugt zwischen den wachsenden Kristalliten ausgeschieden werden. Bild 4 stellt die binären Phasendiagramme von Eisen-Schwefel und Nickel-Schwefel dar. Das System Fe-S zeigt ein niedrig schmelzendes Eutektikum bei einem Schwefelgehalt von circa 32 % (Schmelztemperatur = 988 °C), und das System Ni-S ein niedrig schmelzendes Eutektikum bei einem Schwefelgehalt von rund 22 % (Schmelztemperatur = 637 °C). Darüber hinaus ist aus den Diagrammen ersichtlich, dass eine gewisse Löslichkeit des Fe-S-Eutektikums in (gamma)-Eisen gegeben ist, während das Ni-S-Eutektikum in Nickel nahezu unlöslich ist. Ein entsprechendes Cr-S-Eutektikum (Schmelztemperatur = 1.350 °C) ist in der metallischen Matrix ebenfalls nicht löslich. Im Hinblick auf den Einfluss des Schwefels auf das System Eisen-Chrom-Nickel lässt sich aus den erwähnten binären Systemen folgern, dass bei steigender Nickel- und Chromkonzentration in zunehmendem Maße Sulfid-Eutektika gebildet werden, die einen niedrigen Schmelzpunkt und eine abnehmende Löslichkeit in der metallischen Matrix aufweisen.
Diese Sulfde stören die Kohäsion der Kristallite und können so durch den Schrumpfungsprozess beim Abkühlen zu Mikrorissen führen. Dieses Phänomen ist beim Schweißen von austenitischen CrNi-Stählen als Warmrissneigung bekannt. Es kann aber auch in der Prozessfolge vom Erschmelzen des Rohstahls, dem Entkohlen und schließlich dem Erstarren sowie bei den anschließenden Warmwalzverfahren des Bandmaterials, das für das Herstellen von geschweißten Rohren verwendet wird, auftreten. Insbesondere bei hochlegierten CrNi-Stählen kann die Ausscheidung von Sulfid-Eutektika feine Risse und Materialdopplungen verursachen, die manchmal auch an der Oberfläche sichtbar sind. So betrachtet, stellt Schwefel eine Verunreinigung dar und sollte soweit wie möglich reduziert werden.

Einschlüsse verschlechtern Oberflächenqualität
Im Rahmen der metallurgischen Prozesse in der CrNi-Stahlproduktion bilden Schwefel und Sauerstoff nichtmetallische Einschlüsse, die unregelmäßig in der metallischen Matrix verteilt sind. Ein typischer sulfidischer Einschluss ist Mangansulfid (MnS). Je mehr Einschlüsse in einem Werkstück vorhanden sind, umso mehr treten diese auch an der Oberfläche in Erscheinung und stören schließlich die Ausbildung einer homogenen, mit Chromoxid angereicherten Passivschicht. VIM/VAR-Schmelzen, die unter Vakuum umgeschmolzen werden und in Rohrleitungssystemen für aggressive, hochreine und ultrahochreine Medien Anwendung finden, weisen daher häufig sehr niedrige Schwefelgehalte im Bereich von 0,001 bis 0,003 Gew.% auf.

Schweißbarkeit abhängig vom Sulfidgehalt
Schwefel wie auch Sauerstoff und Arsen sind oberflächenaktive Elemente und haben einen wesentlichen Einfluss auf den Massenfluss im Schweißbad. Hohe Schwefelgehalte (oberhalb circa 0,005 Gew.%) führen zu einem positiven Gradienten von Oberflächenspannung des Schweißbades versus Temperatur d(gamma)/dT > 0. Der entsprechende Massenfluss ist konvergent (Marangoni-Effekt). Er führt zu einer guten Durchschweißung und einem kleinen Verhältnis von Schweißnahtbreite zu Wurzelbreite WF/WR.
Im Gegensatz dazu neigen Stähle mit geringem Schwefelgehalt – unterhalb circa 0,005 Gew.% – zur Bildung breiterer Schweißnähte und erfordern während des Schweißens einen höheren Wärmeeintrag, um ein vollständiges Durchschweißen sicherzustellen.
Andererseits liegen Untersuchungen vor, nach denen die Schweißnahtwurzel bei höheren Schwefelgehalten eine vergleichsweise hohe Rauheit aufweist Das WIG-Schweißen von Rohrleitungskomponenten mit signifikant unterschiedlichen Schwefelgehalten, beispielsweise. 0,002 und 0,012 Gew.% S, führt in der Regel  zu einer Abweichung des Lichtbogens von der Fügestelle in Richtung der Komponente mit dem niedrigeren Schwefelgehalt. Aus diesem Grund sollte aus schweißtechnischer Sicht nicht nur ein maximaler Schwefelgehalt, sondern zusätzlich auch ein Schwefelgehaltsbereich vereinbart werden.
Für die Werkstoffe UNS S31603 sowie 1.4404 und 1.4435 sind in den folgenden Produktspezifikationen zum Teil unterschiedliche Schwefelgehalte spezifiziert.

Entscheiderfacts
Für Betreiber

Steigende Gehalte an Cr und Ni bedingen niedrigere Schwefelgehalte. Geschweißte Rohre und Formteile aus 1.4404/UNS S31603 weisen häufig Schwefelgehalte von 0,005 Gew.% und mehr auf, während die gleichen Produkte aus 1.4435/UNS S31603 typischerweise einen Schwefelgehalt von weniger als 0,005 Gew. % zeigen.

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