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Zusatzwerkstoff für das Schweissen von Kugelgraphit-Gusseisen
Das Schweissen von Gusseisen verschiedenen Gefügeaufbaues bietet im Vergleich zum Schweissen der Stähle verschiedene Schwierigkeiten, besonders dann, wenn es sich darum handelt, Verbindungen herzustellen, welche auch eine entsprechende mechanische Festigkeit und Zähigkeit aufweisen sollen. Die Ursachen liegen im wesentlichen im Gefügeaufbau des Gusseisens begründet, u. zw. einerseits in dem beim grauen Gusseisen vorhandenen Graphit und anderseits in der beim Schweissen auftretenden Bildung von ze- mentitischen Gefügen. Der blättchenförmige Graphit des normalen grauen Gusseisens bedingt bei diesem Werkstoff im Vergleich zu Stahl eine viel grössere Sprödigkeit, so dass von vornherein an Gusseisenschwei- ssungen nur viel geringere Ansprüche gestellt werden können.
Dazu kommt noch, dass das plastische Ver- formungsvermögendes Gusseisens im festen Zustand eben wegen dieses Graphitgehaltes viel geringer als bei Stahl ist, so dass die immer auftretenden Schweissspannungen durch plastische Verformung überhaupt nicht oder nur in gan. geringem Ausmass abgebaut werden können. Graues blattgraphitisches Gusseisen kann vor allem aus diesen Gründen dann, wenn es auf Festigkeit und Zähigkeit der Schweisse ankommt, im allgemeinen nur warm geschweisst werden. Die zu verschweissenden Teile müssen daher vorgewärmt werden, wobei Temperaturen bis zu 6000 C und sogar darüber erforderlich sind.
Es ist bekannt, dass kleinere Schweissungen, insbesondere zur Verbesserung von Schönheitsfehlern an der Oberfldche von Graugussstücken auch kaltgeschweisst werden können. Die Verwendung besonders legierter Schweissstäbe und die Elektroschweissung sind für Gusseisen gleichfalls bekannt. Grössere Schweissungen von grauem Gusseisen mit Blattgraphit konnten bisher allerdings nur durch Warmschmelzschweissungen ver- lässlich hergestellt werden, wobei man sich bei der Durchführung sowohl der Gas- als auch der elektrischen Lichtbogenschweissung bediente.
Wesentlich günstiger liegen die Verhältnisse bei jenen grauen Gusseisensorten, in welchen der Kohlenstoff nicht in Form von Blättchengraphit, sondern als Knoten- oder Kugelgraphit vorliegt, etwa beim Temperguss und beim sogenannten Kugelgraphit-Gusseisen. Das Schweissen des Tempergusses bietet bei Berücksichtigung der allgemeinen bekannten Erfahrungen auf diesem Gebiet keine nennenswerten Schwierigkeiten.
Ganz besonders liegen die Verhältnisse hingegen beim sogenannten Kugelgraphit-Gusseisen, das bisher nur unter Anwendung hochlegierter Schweissstäbe geschweisst werden konnte. In jüngster Zeit wurde beispielsweise in der VDI-Zeitschrift Bd. 98 Nr. 24 vom 21. 8. 1956 auf den Seiten 1456/57 berichtet, dass das Gusseisen mit Kugelgraphit unter Beachtung bestimmter Vorsichtsmassnahmen sowohl autogen als auch elektrisch geschweisst werden kann. Nach neuen Untersuchungen ist es günstig, wenn die zum Schweissen meistverwendeten Nickeleisen-Elektroden (meist mit sehr hohem Ni-Gehalt) kein Magnesium und vor allem kein Titan enthalten und der Phosphorgehalt 0, 1% nicht übersteigt.
Die neu entwickelten, basisch umhüllten Schweisselektroden sind Ni-Fe-Elektroden mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, die gegen- über den bisher für diesen Zweck verwendeten Elektroden den Vorteil haben, dass das Schweissgut in einer rein austenitischen Phase erstarrt. Bei einer Dehnung von 4 bis 7le werden damit bei ferritischem Guss im Schweisszustand Festigkeitswerte von etwa 45 - 50 kg/mml erreicht. Ungünstig sind die auch beim Verwenden dieser neuen Elektroden in der Schweissnaht- wenn auch in kleinerem Masse als bisher-immer noch entstehenden harten martensitischen Zonen, die zwar nur sehr schmal sind, sich aber dennoch nachteilig auf das Dehnverhalten und die Bearbeitbarkeit auswirken. Nach einer Glühbehandlung ist die Schweissnaht jedoch ebenso gut bearbeitbar wie das Grundmaterial.
Das Schweissen wird am besten kontinuierlich und mit einer möglichst kleinen Stromstärkevorgenom-
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men. Man ist allgemein der Ansicht, dass ein Vorwärmen der Gussstücke auf etwa 3000 C vorteilhaft ist, weil man dann mit einer Stromstärke von nur 100, ja sogar 75 A schweissen kann und daher ein weit klei- nerer Anteil von Grundwerkstoff beim Schweissen aufgeschmolzen wird. Im allgemeinen lässt sich geglühter ferrittscher Werkstoff besser schweissen als perlitischer Guss, während die austenitischen Legierungen in dieser Hinsicht auch den ferritischen Werkstoff noch übertreffen.
Gusseisen mit Kugelgraphit kann unter Verwendung von Ni-Fe-Elektroden auch mit. andern Metallen verschweisst werden. Man erhält z. B. gute Schweissverbindungen mit Gussstahl, rostfreiem Stahl, Nickel und Monel.
Demgegenüber wurde nun durch eingehende eigene Versuche festgestellt, dass es leicht gelingt, ku- gelgraphitisches Gusseiseninsbesondere wenn es im ferritischen bzw. ferritisch geglühten Zustand vorliegt, technisch einwandfrei und mit wirtschaftlichem Nutzen zu schweissen, wenn man sich bestimmter Zusatzwerkstoffe bedient, welche den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden.
Ein erfindungsgemässer Zusatzwerkstoff für das Schweissen von Kugelgraphit-Gusseisen, insbesondere von teilweise oder ganz ferritisch geglühte Kugelgraphit-Gusseisen ist nun dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem grauen kugelgraphitischen Gusseisen mit Gehalten an Alkalien und/oder Erdalkalien bis zu 0, 5 Gew.-% besteht und dass mindestens 70% des gesamten C-Gehaltes als elementarer Kohlenstoff vorliegt. Dadurch wird im niedergeschmolzenen Zusatzwerkstoff als auch im aufgeschmolzenen Grundwerkstoff das Auftreten von Zementit auf praktisch nicht störende Mengen beschränkt oder ganz verhindert.
Es wird also zum Schweissen ein kugelgraphitisches Gusseisen verwendet, dessen Legierungsgehalte so abgestimmt sind, dass nach dem Niederschmelzen, das autogen oder elektrisch oder sonst irgendwie erfolgen kann, im niedergeschmolzenen Schweissgut ein im wesentlichen kugelgraphitisches Gefüge auftritt und Zementitausscheidungen ganz fehlen oder nur in praktisch unbedeutendem Masse vorkommen. Weiters ist die Zusammensetzung so gewählt, dass auch in den aufgeschmolzenen Zonen des Grundmaterials beim Abkühlen kein zementitisches Gefüge erhalten bleibt, d. h., dass entweder die Bildung von Ledeburit über- haupt vermieden oder ein gegebenenfalls gebildeterLedeburit wieder zersetzt wird.
Der Si-Gehalt des Zusatzwerkstoffes, der ja die Gefügeart hauptsächlich bestimmt, ist hiebei an das zu verschweissende Kugelgraphit-Gusseisen so angepasst, dass er einerseits das Auftreten von zementitischen Bestandteilen in der Schweisse oder im Übergang verhindert und anderseits nicht so hoch ist, dass durch die Legierungswirkung des Si bzw. den gebildeten Silikoferrit eine zu starke Versprödung auftritt.
Der für das Schweissen eines bestimmten Kugelgraphit-Gusseisens günstigste Si-Gehalt in dem Zusatzwerkstoff wird jeweils durch einfache Vorversuche ermittelt, welche von jedem Fachmann ohne besondere Schwierigkeiten durchgeführt werden können. Diese Vorversuche sind in den Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Die Zusatzwerkstoffe gemäss der Erfindung ermöglichen es, unter Umgehung der Nachteile, Schwierigkeiten und Kosten der Gusseisen-Warmverschweissung Kugelgraphit-Gusseisen im nicht oder nurwenig vorgewärmten Zustand mit dem gleichen sowie auch mit ändern Werkstoffen so zu verschweissen, dass eine feste und für sehr viele Fälle der Praxis ausreichend zähe Schweissverbindung entsteht, ohne dass noch eine nachträgliche Wärmebehandlung erforderlich ist.
Gegenüber den bisher verwendeten hochnickelhaltigen Elektroden weisen sie den wesentlichen technischen Vorteil auf, dass in der Schweisszone keinerlei martensitisch Zonen entstehen. Daneben werden durch die Vermeidung der Kosten und Aufwendungen für die Warmschweissung bedeutende technische und wirtschaftliche Vorteile erzielt. Gegenüber den bei der Elektroschweissung bzw. beim Gasschmelzschweissen bisher verwendeten Zusatzwerkstoffen ergibt sich überdies eine vollständige Ersparung des Nickels. Dazu kommt, dass die erzielten Festigkeiten bei ungeglühten Proben zwischen 40 und 55, bei geglühten Proben zwischen 32 und 40 kg/mm2 liegen.
Die entsprechenden Dehnungen, auf fünffache Messlänge bezogen, betragen bei den ungeglühten Proben, sofern das Reissen innerhalb der Messlänge erfolgte, 2-4%, während die geglühtenproben als untere Durchschnittswerte 6 - 90/0 zeigen.
Zweckmässig wird der Si-Gehalt des Zusatzwerkstoffes noch darauf abgestimmt, ob die hergestellte Schweissung im Schweisszustand bzw. nur nach einer leichten Entspannungs-Wärmebehandlung verwendet wird, oder ob eine vollständige Glühbehandlungbei erhöhten Temperaturen. meist zwischen 500 und IOOOOC, angewendet werden soll. ln der Praxis ist es natürlich in sehr vielen Fällen wünschenswert, dass keine Glühbehandlung mehr notwendig ist, da eine solche besonders bei grösseren und komplizierten Stücken erhebliche Schwierigkeiten und Kosten verursacht und manchmal überhaupt nicht möglich ist.
Im folgenden werden zwei Beispiele gegeben, wie der Si-Gehalt im Sinne der vorbeschriebenen Erfindung gewählt wird : Ein Zusatzwerkstoff für das Autogenschweissen von im geschweissten Zustand ohne nachträgliche Wär-
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ser sind als bei gröberer Ausbildung der Graphitkugeln.
Gänzlich anders hingegen ist die Ausbildung des Graphits in der Schweissnaht bei Verwendung bekannter Zusatzstoffe aus weissem Gusseisen. Als Folge der Verwendung der Zusatzstabe mit weissem Gefüge kann . es aber sogar zum Auftreten von lamellarem Graphit kommen ; selbst dann, wenn in der Schweisse der Graphit in Kugelform auftritt, ist er von identischer Struktur wie im Werkstück selbst, also grobkugelig. Bei Verwendung eines erfindungsgemsssen Zusatzstoffes hingegen weist die Schweissnaht eine Struktur mit feinkugeligem Graphit auf. Hiedurch wird eine wesentliche Verbesserung der Schweissnaht erzielt.
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des Schweissens im nicht wärmebehandelten Zustand.
Für die Ermittlung des zweckmässigen Si-Gehaltes wurde der Zusatzwerkstoff in. Form von Stäben mit folgender Basisanalyse verwendet : 3, 4-3, 7% C; 0,5-0,7% Mn; 0,01%S; 0,03-0,1%P; sowie einem Gehalt an kugelgraphithildenden Alkali- oder Erdalkali- bzw. Alkali-und Erdalkalimetallen gemeinsam von 0, 3%. Der Si-Gehalt wurde von 1, 5-7, 5% variiert. Die Schweissung wurde mit reduzierender Flamme nach dem üblichen Azetylen-Schweissbrenner-Verfahren durchgeführt. Die Nahtflanken wurden leicht vorgewärmt, eine Vorwärmung des gesamten Stückes fand jedoch nicht statt.
Die verschweissten Probe-
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einer X-Naht, wobei auf jeder Seite je zwei Raupen übereinander aufgetragen wurden, wurden folgende Beobachtungen gemacht :
Bei Verwendung von Stäben mit Si-Gehalten bis rund 3% traten sowohl im niedergeschmolzenen Zusatzwerkstoff, als auch im aufgeschmolzenen Grundwerkstoff mehrerer minder grosse Zementitanteile auf, welche eine Verwendung der Schweissverbindung nur in beschränktem Ausmass bei Mindestansprüchen an die Zähigkeit ermöglichen. Enthielten, die Zusatzstäbe 3, 3-3, 6le Si, was wegen des Abbrandes einem Gehalt von 3, - 3, 45je Si in der obersten Schweissraupe entspricht, dann ergibt sich eine im wesentlichen
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digkeit auf, die jedoch praktisch noch erträglich ist.
Die besten mechanischen Ergebnisse, einschliesslich einer guten Bearbeitbarkeit der Schweissnaht, lie- ssen sich aber bei einem Si-Gehalt der Stäbe vor dem Schweissen von etwa 3, 4-5,2% erzielen.
Durch eine etwas stärkere Vorwärmung der Nahcflanken, welche naturgemäss auch eine etwas stärkere Gesamtvorwärmung bedingt, liessen sich die günstigsten Si-Gehalte auf 2,8-4,2% herabsetzen.
Es muss hier noch besonders darauf hingewiesen werden, dass die oben bereits erwähnten Gehalte an knoten- oder kugelgraphitbildenden Zusätzen von Alkali-und oder Erdalkalimetallen in den zu verwendendenStäben am besten so gewählt werden, dass sie unter Berücksich noch zumindest zum überwiegenden Teil Kugelgraphit ergeben.
Beispiel 2 ; Auch für das Elektroschweissen wurden Werkstoffe ähnlich denen, wie im Beispiel l erwähnt, systematisch untersucht. Bei Anwendung der normalen Lichtbogenschweissung ohne Schutzgas kann auch mit blanken Zusatzstäben gearbeitet werden, jedoch ist die Verwendung einer Umhüllung zweckmässig. Im allgemeinen wurden für die Kugelgraphit-Zusatzstäbe schwachbasische Umhüllungen als besonders zweckentsprechend gefunden. Bei Verwendung solcher Umhüllungen, die meist mittelstark aufgetragen wurden, ergaben sich bei Si-Gehalten der Schweisselektrode von rund 410 im Schweissgut zwischen 2, 6 ¯ 3, lao Si. Dieser Gehalt reicht aus, um das Auftreten merklicher Ledeburit-bzw. Zementitanteile zu verhindern.
Bei hoherer Basizität der Umhüllung kann man die Schweisseigenschaften der Elektroden verbessern, jedoch muss man dann den Si-Gehalt der Elektrode selbst auf über 4%, z. B. 4, 2-4, 510 erhöhen.
Bei Schutzgas-Schweissungen kannman ohne weites mit den blanken Stäben arbeiten und bei richti- ger Durchführung der Schweissung, welche ohne merklichen Abbrand erfolgen kann, den Si-Gehalt der Zusatzstäbe bis rund 3% senken.
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Beispiel 3 : Zusatzwerkstoff zum Schweissen von Kugelgraphit-Gusseisen der im Beispiel 1 ange- führten Grundzusammensetzung für die Verwendung zum Schweissen im wärmebehandelten Zustand, wobei die angewendete Wärmebehandlung in einer Erwärmung auf 9200C durch 4 Stunden, Abkühlen auf 680 - 7000C und Halten bei dieser Temperatur durch 6 - 10 Stunden bestand.
Unter Anwendung der Wärmebehandlung ergaben die im Beispiel 1 beschriebenen Stäbe mit Si-Gehalten von 2, 5 bis 3% besonders gute Resultate, da die dabei in der Schweisszone entstehenden Si-Gehalte von 2, 4 -. 2, 8Ujo bereits eine völlig ! edeburitfreie Schweiss- bzw. Übergangszone ergeben.
Bei anderer Grundzusammensetzung des zu verschweissendenKugelgraphit-Gusseisens bzw. dann, wenn Kugelgraphit-Gusseisen mit ändern Metallen verschweisst werden soll, muss der Si-Gehalt entsprechend ge- ändert werden, wie aus folgendem Beispiel hervorgeht : Beispiel 4 : Zusatzwerkstoff zum Verschweissen von Kugelgraphit-Gusseisen der in Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzungen mit weichem Stahl mit 0, l-0, 2% C.
Zur Herstellung einer solchen Schweissverbindung, welche im nicht nachwärmebehandelten Zustand verwendet werden soll, werden Zusatzwerkstoffe mit. einem Si-Gehalt nicht unter 3, 6-4, 0o verwendet.
Der Gehalt an Alkalien bzw. Erdalkalien oder deren Summe soll im Zusatzwerkstoff 0, 2% nicht übersteigen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zusatzwerkstoff für das Schweissen von Kugelgraphit-Gusseisen, insbesondere von teilweise oder ganz ferritisch geglühte Kugelgraphit-Gusseisen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem grauen kugelgraphitischen Gusseisen mit Gehalten an Alkalien und oder Erdalkalien bis zu 0, 5 grew.-% besteht und dass mindestens 70% des gesamten C-Gehaltes als elementarer Kohlenstoff vorliegt.