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Verfahren zur Herstellung von nichtaustenitischen Schweissen nut erhöhter Dauer- standfestigkeit und Warmfestigkeit
Als Zusatzdrähte für Schweissverbindungen mit hoher Dauerstandfestigkeit dienten bisher mit Chrom-Molybdän-, Chrom-Vanadin oder Chrom-Mangan-Vanadin legierte Drähte. Ihr Gefüge war nichtaustenitisch. Reichten die erzielten Dauerstandfestigkeiten nicht aus, mussten Drähte verwendet werden, die ein austenitisches Gefüge in der Schweisse ergaben. Hiebei können auch stickstofflegierte Schweissdrähte zur Verwendung kommen, bei welchen der Stickstoff an die Elemente Chrom, Molybdän und Mangan, also an Elemente der 6. und 7. Vertikalgruppe des periodischen Systems gebunden ist. Diese Elemente bilden mit dem Stickstoff lösliche Nitride und ermöglichen aus diesem Grunde eine Ausnützung desselben als Legierungselement.
Um dieses aber in wirksamen Mengen in die Schweissdrähte einzubringen, sind Legierungsgehalte an Chrom oder Mangan von mindestens
10% erforderlich. Eine Verwendung von Molybdän zu diesem Zwecke scheidet im allgemeinen wegen der zu hohen Kosten aus. Die Heran- ziehung anderer Elemente zum Zwecke des
Legierens mit Stickstoff, insbesondere die Heran- ziehung der Elemente der 3. bis 5. Vertikalgruppe des periodischen Systems, wie z. B. Aluminium,
Tantal, Niob, Vanadin, Titan und Zirkon, wurde bisher nicht für möglich gehalten, weil diese
Elemente unlösliche und damit wirkungslose
Nitride bilden.
Da der Stickstoff im Schweissgut normalerweise ein unerwünschtes Begleitelement ist, wurden nicht nur zur Desoxydation, sondern auch zur Denitrierung insbesondere die Elemente
Titan und Zirkon verwendet, um den Stickstoff in eine unlösliche und damit unschädliche Form überzuführen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist nun die überraschende Erkenntnis, dass die Dauer- standfestigkeit und Warmfestigkeit von Schweiss- gut mit weniger als 10% Chrom und 10% Mangan, sowie von nichtaustenitischen Schweissen mit
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Nitriden eines oder mehrerer der Elemente der 3. bis 5. Vertikalgruppe des periodischen Systems, wie z. B. der Nitride des Aluminiums, Titans, Zirkons, Tantals, Niobs und Vanadins, bedeutend
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geben kann. Bei hochlegierten (austenitischen) Schweissverbindungen ist diese Wirkung jedoch, wie die nachstehenden Versuchsergebnisse zeigen, nicht zu beobachten.
Die Tabelle a) enthält die chemische Zusammensetzung von austenitischen
Tabelle a) Austeni tische Schweissen :
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Schweissen und ihre Dauerstandfestigkeiten bei 500 C, geprüft nach dem DVM-Prüfverfahren A 117 und A 118, nach welchem als Dauerstandfestigkeit jene Belastung angegeben wird, die einer Dehngeschwindigkeit von 10 X 10-4 % je Stunde, gemessen zwischen der 25. und 35.
Stunde, der Belastungszeit entspricht. Die bleibende Dehnung nach der 45. Stunde muss kleiner als 0. 200 sein. Die ermittelten Dauerstandfestigkeiten liegen nicht merklich höher, als sie ohne Zusätze von TaNb, Ti und N2 erzielbar wären.
Dagegen zeigen die in der Tabelle b) zusammengestellten Prüfungsergebnisse die Wirkung der
Tabelle b) Seelendrahtschweissen
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<tb>
<tb> c <SEP> 1) <SEP> 002 <SEP> 2) <SEP> 0-05 <SEP> 3) <SEP> 0-05
<tb> Si"Spur <SEP> 0-20 <SEP> 0-05
<tb> Mn"030 <SEP> 0-73 <SEP> 0-78
<tb> Ti--0-04
<tb> Zr-0-03N2 <SEP> 11 <SEP> 0130 <SEP> 0#090 <SEP> 0#085
<tb> Dauerstandfestigkeit
<tb> 500' <SEP> C <SEP> 4kg <SEP> mw <SEP> 24-26 <SEP> /"'223-24kglmm2
<tb> Warmftstigkeit <SEP> : <SEP> 0-2Streckgrenze
<tb> bei <SEP> 500 <SEP> C <SEP> 19 <SEP> kg/mm2 <SEP> 31 <SEP> kg/mm2 <SEP> 30 <SEP> kg/mm2
<tb>
unlöslichen bzw. schwer löslichen Nitride auf die Warm-und Dauerstandfestigkeit von nichtaustenitischen Seelendrahtschweissen. Die Dauerstandfestigkeit liegt niedriger als die Warmfestigkeit.
Zu Vergleichszwecken wird besser die Warmstreckgrenze herangezogen, die als
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z Grenze bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 0. 5 kglmnil in der Sekunde ermittelt wird. Aus den in der Tabelle zusammengestellten Ergebnissen ist zu entnehmen, dass die Schweisse entsprechend Beispiel 1, welche die genannten schwer löslichen Nitride nicht enthält, eine bedeutend niedrigere Warm-und Dauerstandfestigkeit ergibt, als die Schweissen entsprechend Beispiel 2, die Zirkonnitrid, und Beispiel 3 :, die Titannitrid enthalten.
Die titan-bzw. zirkonlegierten Seelendrahtschweissen ergeben die höchsten Werte für die Dauerstandfestigkeit. Ähnlich günstige Ergebnisse erhält man auch mit blanken Elektroden. Dagegen liegen die Werte für die Warm-und Dauerstandfestigkeit bei Verwendung von Mantelelektroden erfahrungsgemäss niedriger, was ein Vergleich der Ergebnisse der Tabelle b) mit den Ergebnissen der Tabelle c) beweist. Aus beiden Tabellen ergibt sich aber, dass die Dauerstandfestigkeit der beispielsweise mit Titanoder Zirkonnitrid legierten Schweissen bei 500 C ein Vielfaches in Vergleich zu solchen Schweissen beträgt, die keine Titan-oder Zirkonnitride enthalten. Der Einfluss auf die 0-2-Streckgrenze bei 500 C ist dagegen geringer, jedoch ergeben sich auch hier Verbesserungen von 50% und mehr.
Der Stickstoffgehalt der Schweisse, ent- sprechend Beispiel 2 der Tabelle c), war zu niedrig, weshalb zu wenig Titannitriu gebildet wurde und daher der günstige Einnuss auf die Dauer-
Tabelle c) Schweissen von Mantelelektroden :
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<tb>
<tb> C <SEP> u <SEP> 1) <SEP> 0-08 <SEP> 2) <SEP> 0-09 <SEP> 3) <SEP> 0-07 <SEP> 4) <SEP> 0-11
<tb> Si <SEP> Spur <SEP> 0. <SEP> 10 <SEP> 0. <SEP> 02 <SEP> 0-07
<tb> Mn <SEP> % <SEP> 0#43 <SEP> 1#27 <SEP> 0#52 <SEP> 0#66
<tb> Me"---0-18
<tb> Zr--037
<tb> Tri-023 <SEP> 003 <SEP> 003
<tb> N2 <SEP> % <SEP> 0 <SEP> 040 <SEP> 0 <SEP> 008 <SEP> 0#026 <SEP> 0#031
<tb> Daucrstandfestigkeit
<tb> 500 <SEP> C <SEP> 6 <SEP> kg/mm2 <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> 18#5 <SEP> kg/mm2 <SEP> 18 <SEP> kg/mm2
<tb> Warmfestigkeit <SEP> :
<tb> 02Streckgrenze
<tb> bei <SEP> 500 <SEP> C <SEP> 18 <SEP> kg/mm2 <SEP> 20 <SEP> kg/mm2 <SEP> 26 <SEP> kg/mm2 <SEP> 31#5 <SEP> kg/mm2
<tb>
standfestigkeit und die Warmstreckgrenze nicht voll zur Auswirkung kam.
Für die Schweissen, entsprechend Beispiel 1, 3 und 4, wurden Elektroden mit erzsauren Mänteln verwendet. Der Titangehalt der Schweisse, entsprechend Beispiel 3, stammt aus der reduzierten Titansäure der Umhüllung. Dagegen war der Draht für die Schweisse nach Beispiel 4 titanlegiert. Die Hülle der Elektrode für die Schweisse, entsprechend Beispiel 2, war kalkbasisch und enthielt Ferrotitan, das im Schmelzbad als Titan gelöst wurde.
Bei noch niedrigeren Stickstoffgehalten, wie im Beispiel 2 der vorstehenden Tabelle, ver- schwindet der Einfluss gemäss vorliegender Erfindung trotz der Anwesenheit von z. B. Titan oder Zirkon vollkommen, wie die in der Tabelle d) zusammengestellten Ergebnisse beweisen, die mit gegossenen und von 900 C normalisierten Stählen erhalten wurde.
Tabelle d) Gegossene Stähle, von 900 C normalisiert :
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<tb>
<tb> C <SEP> 01 <SEP> 1) <SEP> 0-02 <SEP> 2) <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> du <SEP> 0 <SEP> 13
<tb> Si <SEP> % <SEP> 0#08 <SEP> 0#79 <SEP> 0#10
<tb> Mn <SEP> % <SEP> 0#45 <SEP> 1#31 <SEP> 0#76
<tb> Cr <SEP> % <SEP> --022
<tb> mon <SEP> % <SEP> - <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 05
<tb> Ti <SEP> 0'- <SEP> 017 <SEP> 0. <SEP> 05
<tb> Zr <SEP> % <SEP> 0. <SEP> 03 <SEP> - <SEP> N2 <SEP> % <SEP> 0-003 <SEP> n. <SEP> 003 <SEP> 0-003
<tb> Dauerstandfestigkei <SEP> ;
<tb> 500 <SEP> C <SEP> 6 <SEP> kg/mm2 <SEP> 6 <SEP> kg/mm2 <SEP> 8 <SEP> kg/mm2
<tb> Warmfestigkeit <SEP> :
<SEP> 0-2Streckgrenze
<tb> bei <SEP> 500 <SEP> C <SEP> 10 <SEP> kg/mm2 <SEP> 10#5 <SEP> kg/mm2 <SEP> 12 <SEP> kg/mm2
<tb>
Hiemit ist der Beweis erbracht, dass die Steigerung der Warmstreckgrenze und der Dauerstandfestigkeit ausschliesslich durch die im Eisen schwer löslichen Nitride hervorgerufen wird. Zur Erzielung der erfindungsgemässen Wirkung muss der in Form von schwer löslichen Nitriden gebundene Stickstoff in einer Menge von mindestens 0-008 und bis zu 0#5% zugegen sein.
Zum Einbringen des Stickstoffs in die Schweisse kann man stickstoffhältige Zusatzdrähte verwenden. Bei Lichtbogenschweissung ist dies aber nicht unbedingt erforderlich, weil unter dem Einfluss des Lichtbogens der Luftstickstoff in genügendem Masse gebunden wird. Der Lichtbogen an der Elektrode aktiviert den Luftstickstoff, was bei Blank- und Seelendrähten gegenüber den Mantelelektroden in stärkerem Masse der Fall ist, weil die abschmelzende Schlacke der Manteldrähte den Zutritt des Luftstickstoffs zum Schweissbad hindert. Bei Verwendung von Blank-oder Seelendrähten ergeben sich daher höhere Stickstoffgehalte in der Schweisse als bei Verwendung von Mantelelektroden. Bei Zusatzdrähten für Lichtbogenschweissungen ist somit ein Stickstoffgehalt im Draht nicht unbedingt notwendig.
Bei der Gasschmelzschweissung werden zweckmässig Drähte angewendet, die mit schwer löslichen Nitriden der Elemente der 3. bis 5. Gruppe des periodischen Systems legiert sind, weil die Aktivierung des Luftstickstoffs durch die Gasflamme unbedeutend ist.
Die Elemente, welche schwer lösliche Nitride in der Schweisse bilden, können z. B. als Legierungsmetalle in den Blank-und Seelendrähten, oder in den Kemdrähten der Mantelelektroden oder als Ferrolegierungen oder andere Zusatzstoffe in den Mänteln der umhüllten Elektroden zugegen sein. Sie können aber auch in einer Paste auf
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die zu schweissende Naht aufgestrichen oder als Pulver aufgestreut werden.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung nichtaustenitischer Schweissen mit erhöhter Dauerstandfestigkeit und Warmfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schweisse schwer lösliche Nitride der 3., 4. oder 5. Vertikalgruppe des periodischen Systems der Elemente, vorzugsweise des Titans, Zirkons, Tantals, Niobs, Aluminiums und Vanadins, eingeführt werden, so dass der Gehalt an schwer löslichen Nit tiden in der Schweisse einem Stickstoff gehalt von 0-008 bis 0-5% entspricht