Zusatzwerkstoff für die Herstellung von Schweissgut aus kugeligen Graphit enthaltendem Gusseisen
Die Bildung von Graphitkugeln in den Schweissen von Gusseisen mit globularem Graphit wird durch die Elemente Silizium, Magnesium, Cer, Yttrium und die seltenen Erdmetalle gefördert. Hingegen gelten Blei, Zink, Arsen, Antimon, Wismut, Selen, Tellur, Schwefel und Phosphor als Störelemente für die Bildung der Kugeln. Titan, Zirkon, Vanadium, Molybdän, Wolfram und Mangan als Karbidbildner behindern die Kugelbildung, weil sie den Kohlenstoff zu Karbiden binden.
Schweissen, die Graphit in Kugelform enthalten sollen, müssen auf die Gehalte an den obengenannten Störelementen verzichten. Die Schweissen erfordern ein Einsatzmaterial von hohen Reinheitsgraden.
Die Graphitkugeln können sich primär aus dem Schmelzfluss ausscheiden, sobald der Kohlenstoffgehalt der Schweisse oberhalb der eutektischen Konzentration liegt. Die Kugeln können sich auch sekundär aus dem gesättigten y-Mischkristall bilden, sobald der Kohlenstoffgehalt der Schweisse sich unterhalb der eutektischen Konzentration befindet. Der Kohlenstoffgehalt der eutektischen Schmelze ist vom Silizium-Gehalt abhängig. So hat z. B. eine Schmelze von 2,4% Si ein Eutektikum bei 3,5 % C, eine Schmelze von 4,8 % Si ein Eutektikum bei 2,8 in C. Schmelzen, welche oberhalb der eutektischen Konzentration erstarren, weisen in ihrem Gefüge sowohl primär als auch sekundär ausgeschiedene Graphitkugeln auf. Die sekundär ausgeschiedenen Kugeln haben kleinere Durchmesser als die primär ausgeschiedenen.
Schmelzen unterhalb der eutektischen Konzentration lassen die Kugeln sekundär aus dem gesättigten Mischkristall wachsen. Ihre Volumensvergrösserung erfolgt unter Mikrospannungen und Vergrösserung des Gesamtvolumens vom Gussstück oder der Schweisse.
Das Wachstum der Kugeln wird weiter durch die Grenzflächenspannung zwischen der Schmelze und dem Graphit beeinflusst. Infolge von hohen Grenzflächenspannungen kann der Graphit nicht lamellar wachsen, sondern nimmt die Form von Kugeln an, die das niedrigste Verhältnis zwischen Grenzfläche und ihrem Inhalt haben.
Der Schwefel hat einen grossen Einfluss auf die Grenzflächenspannung des Gusses. Schwefelarme Schmelzen haben hohe Grenzflächenspannungen. So bewirken Schwefelgehalte von weniger als 0,020 % Oberflächenspannungen von mehr als 2000 Dyn. cm-1.
Im Bereich von 2000 bis 3000 Dyn cmt Oberflächenspannungen bilden sich Kugeln mit mittleren Durchmessern von 0,05 bis 0,01 mm aus. Der Schwefelgehalt des Gusses bzw. der Schweisse hat somit einen merklichen Einfluss auf die Grösse der Kugeln. Deshalb müssen Schweisszusatzwerkstoffe gebraucht werden, die einen sehr niedrigen Schwefelgehalt, d. h. von weniger als 0,020 %, aufweisen. Damit ist das Störelement Schwefel auf niedrige Konzentrationen beschränkt.
Die Kugelbildung in Graugussschweissen fördert die Elemente Silizium, Magnesium, Yttrium, Cer, Lanthan, die seltenen Erdmetalle, Erdalkalimetalle, Alkalimetalle und ihre Verbindungen. Seit langem ist bekannt, dass Silizium in Gusseisensorten mit Gehalten von mehr als 1,5 % eine Graphitausscheidung in lamellarer Form bewirkt. Eine Kugelform ist nur dann möglich, wenn der Schwefelgehalt extrem niedrig, d. h. unter 0,010%, liegt oder weitere Elemente anwesend sind, wie z. B.
das Magnesium, Cer, Calcium oder Natrium, die entschwefelnd wirken, indem sie den Schwefel als Sulfid ausscheiden. Ausserdem können diese Elemente durch ihre Anwesenheit den Graphit beeinflussen, eine Kugelform anzunehmen.
Die genannten Metalle haben hohe Affinitäten zu Sauerstoff, so dass sie bei den hohen Temperaturen des Lichtbogens oder der Schweissflamme leicht oxydiert werden können und verschlacken.
Das Problem besteht nun darin, die leicht oxydierbaren Metalle oder Legierungen dem Schweissbad so zuzuführen, dass sie nicht vorher verbraucht sind und damit ihre Wirkung auf die Gefügeausbildung nicht verlieren.
Werden Oxyde, Carbonate oder Fluoride der genannten Metalle gebraucht, so müssen diese durch ein Element, das bei der Schweisstemperatur eine noch höhere Affinität zu Sauerstoff hat, zu Metallen reduziert werden. Solche Elemente sind in diesem Falle der Kohlenstoff und das Magnesium bzw. das Cermischmetall.
Die Kugelgraphitgusseisensorten nach DIN 1963 bewegen sich im Festigkeitsbereich von 38 bis 70 kplmm- und noch höher. Die Festigkeit wird ausser dem Gehalt an Graphitkugeln durch das stahlartige Grundgefüge des Gusses bzw. der Schweisse bestimmt.
Das Normalblatt unterscheidet nach vorwiegend ferritischem, ferritisch-perlitischem und perlitischem Gefüge.
Je höher der Anteil des Perlits im Grundgefüge ist, um so höher ist die Festigkeit des Gusses.
Auf die Ausbildung des Grundgefüges haben die Begleitelemente des Gusses wesentlichen Einfluss. Silizium wird im Ferrit gelöst. Es kann infolge von Kristallseigerungen recht ungleichmässig im Ferrit verteilt sein. Je höher der Siliziumgehalt ist, um so grösser ist die Seigerung im Ferrit. Die hohen Siliziumgehalte verschieben das Dreiphasengebiet a + y + C des Zustandsdiagrammes Fe-Si-C zu höheren Temperaturen und schnüren gleichzeitig das v-Gebiet ab. Steigende Sili ziumgehalte im r'.-Eisen (Ferrit) verspröden den Ferrit.
Somit sind die Gehalte im lamellaren Grauguss mit höchstens 5 C Si, im Kugelgraphitguss mit höchstens 3,5je Si nach oben begrenzt. Dagegen sind in den Schweissen Gesamtgehalte von 1,8 bis 3,8 % Si vorhanden.
Um zu verhindern, dass spröde Karbide in Form von Zementit oder Ledeburit im Grundgefüge der Schweisse oder im Übergang zum Guss erscheinen, ist eine thermische Behandlung nach dem Schweissen notwendig. Nach einem Lösungsglühen im Zweiphasen gebiet - C und langsamer Abkühlung von dieser Temperatur auf Raumtemperatur ist das Grundgefüge ferritisch. Bei rascher Abkühlung an Luft kann ein Mischgefüge aus Ferrit und Perlit entstehen. Werden jedoch die Schweissen mit den Elementen Mangan, Nickel, Zinn oder Kupfer, die den Ferrit stabilisieren, vermengt, so werden Grundgefüge erhalten, die bei rascher Abkühlung aus Perlit bestehen. Hierbei sind Gehalte von weniger als 1% Mn, weniger als 1% Ni, weniger als 1,0% Cu und weniger als 0,5 % Sn erforderlich.
Die vorhergehenden Ausführungen haben dargelegt, dass die Kugelausbildung und das stahlartige Gefüge im Guss oder deren Schweissen von den Gehalten bestimmter Legierungselemente und der thermischen Nachbehandlung im Guss und der Schweisse abhängig sind.
Ähnlich wie Stahl muss Kugelgraphitguss oder auch der lamellare Guss schweissbar sein. Die gute Schweissbarkeit wird durch niedrige Schwefel- und Phosphorgehalte und durch die Abwesenheit von Karbidbildnern, wie z. B. Titan, Vanadium oder Chrom, bewirkt.
Das Schweissen von Gusseisensorten mit Kugelgra phit kann mit der Gasflamme oder auch mit umhüllten Elektroden erfolgen. Es ist aber auch möglich, Stäbe unter Schutzgasen abzuschweissen.
Bekannt sind für die Schutzgas-Schweissung gegossene Stäbe mit
3,0 bis 3,8% C
3,0 bis 4,0% Si
0,30 bis 0,50S Mn
0,30 bis 0,80% Ni und weniger als 0,04 CO Mg
Die Stäbe werden mit einer Flussmitteleinlage versehen und unter neutraler Gasflamme am vorgewärmten Gusskörper abgeschweisst. Eine thermische Nachbehandlung im Temperaturgebiet des Zweiphasengleichgewichtes y - C erfolgt unmittelbar nach dem Schweissen, um einen stabilen Gefügezustand, d. h. Kugelgraphit in einer stahlartigen Grundmasse, herbeizuführen. Diese Stäbe können auch unter Schutzgas mit einem inerten Gas nach dem WIG-Verfahren abgeschweisst werden.
Bekannt sind umhüllte Elektroden, die als Kern einen gegossenen oder auch warmverformten Stab aus Kugelgraphitguss besitzen und mit dem Lichtbogen abgeschweisst werden. Das Gefüge dieser Schweissen ist recht ungleichmässig, da die Kugelausbildung sehr schwer beherrschbar ist. Die geringen Magnesiumgehalte wurden verschlackt und die weiteren Begleitelemente gewährleisten nicht eine Ausscheidung des Graphits in Kugelform.
Weiterhin sind Elektroden bekannt, die einen massiven Stahldraht mit niedrigen Gehalten an C, Mn und S und Umhüllungen, bestehend aus Graphit, Siliziumlegierungen und Magnesium aufweisen. Der im Lichtbogen abschmelzende Tropfen wird durch die Umhüllung und die abschmelzende Schlacke zu einer Graugussschweisse mit Kugelgraphit auflegiert. Das Magnesium liegt in der Umhüllung in Pulverform vor. Infolge des hohen Dampfdruckes und der leichten Oxydierbarkeit verbrennt es sehr leicht im offenen Lichtbogen der abschmelzenden Elektrode. Ebenso besitzen die Elemente Cer, Yttrium und Ytterbium sowie die seltenen Erden die Eigenschaften der leichten Oxydierbarkeit.
Wird eine Magnesium- oder Cer-haltige Schweissraupe durch die Wärme einer nachfolgenden Schweissraupe wieder aufgeschmolzen, besteht die Gefahr, dass die die Kugelbildung fördernden Metalle infolge ihres niedrigen Schmelzpunktes und hohen Dampfdruckes entweichen und die Kugeln in dem aufgeschmolzenen Teil ausbleiben und der Graphit lamellar in Erscheinung tritt.
Zweck der Erfindung ist es, einen Zusatzwerkstoff für die Herstellung von Schweissgut aus kugeligen Graphit enthaltendem Gusseisen zu schaffen, das durch Wärmebehandlung nach dem Schweissen stahlartiges Grundgefüge erhält. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass er in einem Röhrchen, welches aus Stahl oder aus verformbarem Gusseisen besteht, eine Füllung aufweist, die mindestens einen der folgenden Bestandteile: Magnesium, Erdmetalle, Erdalkalimetalle, Alkalimetalle und/oder deren Oxyde, Fluoride bzw. Karbonate, enthält, und dass er ferner Kohlenstoff, Silizium und Mangan enthält.
Zweckmässigerweise kann der Zusatzwerkstoff eine das Röhrchen umgebende Umhüllung aufweisen, welche gegebenenfalls die Mittel enthält, wie beispielsweise Kohlenstoff, Silizium und Mangan, die zur Erzielung oder Beibehaltung der im Schweissgut verlangten Gehalte an Kohlenstoff, Silizium und Mangan dienen.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Zusatzwerkstoffes werden nachfolgend beschrieben.
Die Füllung der Rohre soll zur Beeinflussung der Kugelgraphitbildung enthalten: a) gepulvertes Magnesiummetall, dem bis zu 20 % metallisches Silizium beigemengt sein kann, und/oder b) Magnesiumlegierungen, die vorzugsweise als Draht korn von weniger als 1 mm Länge vorliegen, und/oder c) vorzugsweise körniges Cer-Mischmetall und/oder d) Yttrium- oder Ytterbiummetall und/oder deren
Oxyde oder Fluoride und/oder e) seltene Erdmetalle und/oder deren Oxyde oder
Fluoride und/oder f) Alkali- bzw. Erdalkalimetalle, deren Oxyde, Karbo nate oder Fluoride; und wobei die Füllungen a bis f zwecks Stabilisierung des Perlits im Grundgefüge der Schweisse, g) zusätzlich bis zu 10 % Nickel und/oder bis zu 5 % Kupfer und/oder bis zu 0,5 % Zinn und/oder bis zu 1,5% Mangan enthalten.
Das Schweissgut braucht nicht in allen Fällen Magnesium zu enthalten in Mengen von weniger als 0,1 so. Eine Wirkung, die der des Magnesiums äquivalent ist, üben auch andere Metalle aus, z. B. Cer-Mischmetall, die Lanthanide, das Yttriummetall, das Calcium oder deren Oxyde, Fluoride, Karbonate, wenn sie zu Metallen reduziert werden. Vorzugsweise werden folgende Mischungen aus den Füllungen a bis g zum Einsatz gebracht: a + d + f + g oder c + d + e + f + g oder b + c + d + f.
Als Füllung für die Rohre können aber auch gegossene, gezogene oder kaltgepresste Stäbe aus reinem Magnesium oder Magnesiumlegierungen dienen. So z. B. ein Magnesiummetall mit mehr als 99,5% Mg, oder eine Mg-Mn-Legierung mit weniger als 5,0% Mn oder eine Mg-Al-Legierung mit weniger als 10,0 % Al und weniger als 3,0% Mn oder eine Mg-Si-Legierung mit weniger als 20,0 % Si, Rest Mg.
Der Anteil der Füllung vom Gesamtquerschnitt des Ausgangswerkstückes sei in Flächenprozent ausgedrückt und auf den Ausgangsquerschnitt bezogen. Die Füllung bewegt sich in den Grenzen von 5 bis 35 Flächenprozent.
Die gefüllten Drähte und Stäbe können als Kerne von umhüllten Elektroden dienen. Die Umhüllung hat bevorzugt: 10 bis 50 Anteile Graphit 15 bis 35 Anteile Flussspat
5 bis 30 Anteile Kalkspat oder Dolomit oder Stron tium-Karbonat 10 bis 50 Anteile Ferrosilizium mit Gehalten von 45 bis 75 % Silizium
2 bis 10 Anteile Holzmehl, ferner
2 bis 20 Anteile der Oxyde und Fluoride von Metal len der seltenen Erden, ferner
Yttrium und Ytterbium bzw. ihre
Verbindungen
2 bis 10 Anteile Oxyde, Karbonate oder Fluoride der
Alkalimetalle sowie alternativ
1 bis 10 Anteile Zinn
1 bis 12 Anteile Kupfer
1 bis 10 Anteile Nickel.
Als Bindemittel sollen Natronwasserglas oder Gemische von Natron-Kaliwasserglas sowie Dextrin, Alginate oder Kunstharze gebraucht werden.
Der Hüllendurchmesser beträgt zweckmässig das 1,4- bis 2,2fache des Kerndrahtdurchmessers.
Mit diesen umhüllten Elektroden können Schweissen folgender Zusammensetzung entstehen: a) b) c) 2,0 bis 4,5% C 2,2 bis 4,5% C 2,0 bis 4,5% C 1,8 bis 3,8% Si 2,0 bis 3,8% Si 1,8 bis 3,8% Si 0,03 bis 0,80% Mn 0,03 bis 1,0% Mn 0,03 bis 0,80% Mn 0,01 bis 0,10% Mg 0,01 bis 0,3% Cer f Lanthan 0,01 bis 0,05% Mg 0,01 bis 1,00% Cu 0,005 bis 0,40% Sn 0,2 bis 0,01% Cer f Lanthan 0,01 bis 1,00% Ni 0,01 bis 1,00% Ni 0,001 bis 0,20% Y oder Yt 0,001 bis 0,20% Y 0,001 bis 0,20% Y oder Yt 0,01 bis <RTI
ID=3.27> 1,0% Ni < 0,010% S alternativ alternativ 0,005 bis 0,50% Sn 0,1 bis 1,0% Cu < 0,010% S < 0,010% S
Die gefüllten Röhrchendrähte können auch als Kern für Netzmantelelektroden dienen, welche ein Schweissgut aus globularem Grauguss absetzen. Als Wickeldrähte werden Stähle mit folgender Zusammensetzung ver wandt: 0,02 bis 0,10% C Spuren Si 0,02 bis 0,15 % Mn weniger als 0,010% S weniger als 0,015 % P
Diese Drähte werden wie üblich in zwei Lagen übereinander parallel schraubenartig entgegengesetzt gewickelt. In der ersten, dem Kerndraht zugewendeten Lage können alle Stahldrähte durch Drähte aus reinem Magnesium oder Magnesiumlegierungen mit Gehalten von mindestens 70 % Mg ausgetauscht werden. Sie haben einen Durchmesser von 0,8 bis 1,2 mm.
Die Maschen zwischen den Drähten werden mit einer Masse nach Formel 1 aus Beispiel 1 ausgefüllt.
Die nachstehend beschriebenen, gefüllten Röhrchendrähte, insbesondere aus Bandstahl, mit oder ohne Falz hergestellt, können für die Gasschmelz-, Lichtbogenoder Schutzgas-Schweissung von Gusseisen mit lamellarem oder globularem Graphit benutzt werden. Diese Drähte können mit neutraler oder leicht aufkohlender Gasflamme, mit dem offenen Lichtbogen oder unter Schutzgasen verschweisst werden.
Als Schutzgase dienen inerte, nichtinerte Gase oder deren Mischungen. Der aus Bandstahl eingerollte Röhrchendraht enthält in seiner Füllung alle Komponenten, die für eine artähnliche Schweissung von Grauguss notwendig sind. Dazu gehören der Graphit als Aufkohlungsmittel, das Silizium, um zu silizieren, wobei das Silizium und der Kohlenstoff durch Silizium-Karbide teilweise oder vollständig ersetzt werden können, das Magnesium oder Magnesiumlegierungen, Yttrium-Metall, Cer in Form von Mischmetallen mit der Absicht, die Kugelgraphitbildung zu fördern. Mit der gleichen Absicht werden Oxyde oder Fluoride der seltenen Erdmetalle zugesetzt. Ferner enthalten sie Flussmittel in Form von Calciumfluorid, Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Strontiumcarbonat, Strontiumfluorid und Salze der Alkalimetalle in Pulverform.
Ebenso sind zur Stabilisierung des Perlits Zusätze von Nickel, Kupfer oder Zinn bis 2, erforderlich.
Die Füllung besteht zweckmässig aus:
5 bis 35% Graphit 50 bis 10% Ferrosilizium 45 bis 75/an Silizium 35 bis 5 C Flussmittel in Form von Karbonaten und
Fluoriden der Erdalkalimetalle und/oder
Alkalimetalle
4 bis 15/0 Reinmagnesium oder in Form von Legie rungen mit Nickel, Mangan oder mit
Silizium
2 bis 15,nu Cer-Mischmetall, das teilweise oder ganz durch Yttrium und seine Verbindung ersetzt werden kann, schliesslich
2 bis 20 % Oxyde oder Fluoride der seltenen Erden.
Die Schweissstäbe oder -drähte können aus Röhrchen ohne Naht oder Falz oder aus Röhrchen mit einem Falz bestehen.
Die Herstellung erfolgt bei Röhrchen ohne Falz oder Naht, indem ein Rohr mit den obigen Füllstoffen gefüllt und dann auf Endmass gewalzt oder gezogen wird. Als Rohrwerkstoff dient ein Sonderstahl oder plastisch verformbarer Kugelgraphitguss.
Bei Röhrchendrähten mit Falz wird ein Stahlband eingewalzt oder eingewalzt und kaltfertiggezogen. Die Stahlbänder haben zweckmässig eine Breite von 10 bis 80 mm und eine Dicke von 0,8 bis 4 mm. Sie werden U-förmig kalt vorgebogen. Die U-Form wird mit den Füllungsstoffen gefüllt zu einem geschlossenen Rohrkörper gewalzt. Die Bandkanten stossen aneinander oder überlappen sich. Der gefüllte Rohrdraht kann auf das Endmass vorzugsweise mit Durchmessern von 2 bis 8 mm verformt werden durch Kaltwalzen oder Kaltziehen.
Als Werkstoffe für die Röhrchen sind die folgenden bevorzugt: Fugenlose Röhrchen aus Stahl mit
0,02 bis 0,15% C 0 bis 0,10% Si
0,1 bis 0,15% Mn weniger als 0,020 % S weniger als 0,025 % P gegebenenfalls 0,05 bis 0,50 S Cu
Rest Eisen oder aus einem plastisch verformbaren Kugelgraphiteisen (das dann einer Umhüllung meist nicht bedarf), insbesondere aus Grauguss mit Kugelgraphit,
enthaltend
2,5 bis 3,3 % C
1,5 bis 2,8% Si
0,03 bis 0,10S Mn weniger als 0,015% S weniger als 0,015% P
0,02 bis 0,10% Mg
0,04 bis 1,0% Ni
Als Werkstoff für das zur Röhrchenherstellung dienende Band wird bevorzugt ein Stahl gebraucht mit
0,02 bis 0,15% C
0 bis 0,10% Si
0,1 bis 0,15% Mn weniger als 0,015% S weniger als 0,015% P gegebenenfalls 0,05 bis 0,50 % Cu
Rest Eisen
Stahlröhrchen, die alle Zusatzwerkstoffe (die sonst auf Füllung und Umhüllung aufgeteilt sein können) enthalten,
bestehen zweckmässig aus einem Stahl mit
0,02 bis 0,20 % C
0 bis 0,10% Si
0,1 bis 0,30% Mn kleiner als 0,015% S kleiner als 0,020% P
Rest Eisen