University of Oulu

Influence of minor elements on some weldability issues of intermediate purity stabilized ferritic stainless steels

Saved in:
Author: Anttila, Severi1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219738
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-08-28
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the Arina auditorium (TA105), Linnanmaa, on 7 September 2018, at 12 noon
Tutor: Professor David Porter
Reviewer: Professor John Lippold
Professor Lars-Erik Svensson
Opponent: Professor Veli Kujanpää
Description:

Abstract

Stabilized ferritic stainless steel grades are attractive alternatives to common austenitic grades in sheet metal applications. Compared with older unstabilized ferritic grades, the mechanical and corrosion properties are usually improved. The impurity level, mainly the amount of interstitial carbon and nitrogen, plays an important role in these steels. There are notable issues in the welding of these steels, the most apparent difference to austenitic steels is the susceptibility to brittle failure. This research focused on the influence of minor elements, especially aluminium, calcium, silicon, titanium, niobium, nitrogen and oxygen, on the weldability of modern intermediate purity level stabilized ferritic stainless steels. The research proceeded in several stages. At first, the general characteristics and performance data about the welds in currently manufactured 11 to 21 mass percent chromium ferritic stainless steels in Europe was obtained. The research then focused on novel high chromium stabilized ferritic stainless steels. Lastly, the influence of various steelmaking practices on weldability were investigated.

The results showed that in stabilized ferritic stainless steels, slag islands are frequently seen in the molten weld pools. These islands can have many origins, e.g. deoxidation, calcium treatment and stabilization practices, and they can be roughly assessed from the chemical composition of the steel. The nature and the influence of these slags varies and can be related to irregularities in the weldability and molten metal fluid flow.

Large grain size and titanium carbonitride particles impair the toughness of the heat-affected zone. Generally, stabilization with niobium is preferred. However, solely niobium stabilized steel welds run the risk of forming coarse columnar grains in welds deteriorating some of the properties. A breakdown of the columnar grains is possible to achieve in autogenous welds with minor titanium and aluminium alloying, provided that small amounts of nitrogen and oxygen are induced from the shielding gas. However, grain refinement may not improve the properties, if it is accomplished with an increase in the total interstitial content.

see all

Tiivistelmä

Stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset soveltuvat korvaamaan tavanomaisia austeniittisia ruostumattomia teräksiä ohutlevysovelluksissa. Näillä teräksillä keskeiset mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet ovat usein paremmat kuin varhaisilla, stabiloimattomilla ferriittisillä teräksillä. Hiili ja typpi ovat näissä teräksissä kuitenkin epäpuhtauksia. Toisin kuin austeniittiset teräkset, ferriittiset teräkset ovat alttiita haurasmurtumalle, erityisesti hitsatuissa rakenteissa. Tässä väitöstutkimuksessa keskityttiin mikroseosaineiden ja epäpuhtauksien vaikutukseen keskipuhtaiden stabiloitujen ferriittisten teräslajien hitsauksessa. Tutkimus kohdistui erityisesti alumiinin, kalsiumin, piin, titaanin, niobin, typen ja hapen vaikutuksiin. Aluksi tutkittiin kaupallisten terästen hitsien keskeisiä ominaisuuksia. Tämän jälkeen tutkittiin uusia ns. korkeakromisia stabiloituja ferriittisiä teräslajeja. Lopuksi tutkittiin teräksen valmistuksen vaikutuksia stabiloitujen ferriittisten ruostumattomien terästen hitsattavuuteen.

Tutkituilla teräksillä hitsauksen aikana muodostui runsaasti kuonalauttoja. Näillä kuonilla on monta alkuperää, esim. deoksidointi, kalsiumkäsittely ja stabilointiaineet. Hitsien kuonaisuutta voidaan karkeasti arvioida teräksen kemiallisen koostumuksen perusteella. Muodostuvilla kuonilla on useita vaikutuksia hitsauksessa, mm. epäjatkuvuuksiin ja sulan virtauksiin.

Hitsauksessa muodostuva suuri raekoko ja stabiloinnin titaanikarbonitridipartikkelit heikentävät oleellisesti hitsin muutosvyöhykkeen sitkeyttä. Stabilointi käyttäen pääasiassa niobia on toivottavaa, mutta jos stabilointiin käytetään vain niobia, tulee hitsin mikrorakenteesta karkea ja hitsin ominaisuudet voivat heikentyä. Karkean mikrorakenteen hienontaminen on mahdollista käyttäen suojakaasuna argonia, jossa on hieman typpeä ja happea, mikäli teräkseen on seostettu hieman alumiinia ja titaania. Raerakenteen hienontaminen ei kuitenkaan yksiselitteisesti paranna hitsin ominaisuuksia, mikäli hienontaminen saavutetaan kasvattamalla epäpuhtauspitoisuutta tarpeettoman korkeaksi.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1973-8
ISBN Print: 978-952-62-1972-1
Issue: 669
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.