CH621276A5 - Surfacing deposit for hot-working tools - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Auftragsschweissgut für Warmbearbeitungswerkzeuge.

Es ist bekannt, derartige Werkzeuge, insbesondere Arbeitswalzen von Warmwalzwerken, mittels Lichtbogenschweis-s sung mit einer Schicht aus einer verschleissfesten Legierung zu belegen. In der nachfolgenden Aufstellung werden einige solche bekannte Legierungen angegeben, die als Auftragsschweissgut für Walzen für Warmwalzwerke vorgeschlagen wurden.

Beispiel Nr.

1

2

3

4

C, %

0,22

1,10

0,05

0,08

15 SÌ, %

1,0

1,25

0,30

0,55

Mn, %

0,5

1,10

1,50

1,30

Cr, %

5,0

7,70

4,80

2,5

Mo, %

1,1

1,00

0,63

1,0

V, %

0,3

—

—

—

20 W, %

—

1,60

—

—

Fe, %

Rest

Rest

Rest

Rest

Das Schweissgut gemäss Beispiel 2 hat die beste Ver-schleissfestigkeit, aber auch eine starke Neigung zur Bildung 25 von Warmrissen (Erstarrungsrisse) und kann daher nur dort angewendet werden, wo das Auftreten von Rissen belanglos ist, wie z. B. bei Walzen für Rollgänge oder anderen Walzen, die nur geringen Arbeitsdrücken ausgesetzt werden. Das Auftragsschweissgut gemäss Beispielen 1, 3 und 4 und ähnlichen 30 Legierungen hat eine geringere Neigung zur Warmrissbildung. Ein solches Schweissgut wird als Verschleissbelag bei Walzen in Warmwalzwerken verwendet. Die Verschleissfestigkeit ist aber nicht ausreichend, um die Kosten für eine Walzenreparatur durch Aufschweissen einer neuen Verschleissschicht wirt-35 schaftlich vertretbar zu machen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Auftragsschweissgut zu schaffen, das als Verschleissschicht von Warmbearbeitungs-werkzeugen verwendet werden kann. Hierzu sind beispielsweise zu zählen: Werkzeuge für das Gesenkschmieden, Press-40 Werkzeuge, Mundstücke für das Strangpressen, Spritzgussformen, Lochdorne für das Lochwalzverfahren, Dorne für das Warmziehen von Rohren und Walzen für Warmwalzwerke.

Das Auftragsschweissgut für Warmbearbeitungswerkzeuge gemäss vorliegender Erfindung ist im Patentanspruch 1 defi-45 niert.

Da metallisches Niobium und Ferroniobium als Handelsware stets Tantal als Verunreinigung enthalten, wird das Auftragsschweissgut gewöhnlich auch etwas Tantal beinhalten.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so enthält das Auftragsschweissgut 0,6 bis 1,5% Mo.

Das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung kann mittels irgendeiner geeigneten Schweissmethode aufgetragen werden, das Elektroschlackeschweissverfahren ist darin inbegriffen. Das Auftragsschweissgut wird doch vorzugsweise mit-55 tels Lichtbogenschweissung aufgetragen, wobei das Zusatzmaterial in Form einer schmelzbaren Elektrode zugeführt wird, die entweder ein Blankdraht (Unterpulverschweissung und Schutzgasschweissung) oder eine umhüllte Elektrode (Hand-schweissung) sein kann. Die Blankdrahtelektroden, die bei der 60 Unterpulverschweissung und Schutzgasschweissung verwendet werden, bestehen vorzugsweise aus einer Hülle aus unlegiertem Stahl, die mit Legierungselementen gefüllt ist, die zusammen mit der Stahlhülle die vorgesehene Zusammensetzung des Auftragsschweissgutes ergeben. Die Füllung kann auch Des-65 Oxydationsmittel enthalten. Die Füllung einer solchen Elektrode zum Schutzgasschweissen kann zusätzlich Flussmittel enthalten, die die metallische Schmelze überdecken und neben dem Gasschutz einen zusätzlichen Schutz gegen den Luftzutritt bil

3

621 276

den. Eine für das genannte Auftragsschweissgut geeignete umhüllte Elektrode besitzt einen Kerndraht aus unlegiertem Stahl und die vorzugsweise kalkbasische Hülle enthält die erforderlichen Legierungsbestandteile als Zusätze.

Wird das Auftragsschweissgut mittels Unterpulverschweissung aufgetragen, empfiehlt sich die Verwendung eines neutralen oder basischen Schweisspulvers. Das Schweisspulver soll ausserdem eine leicht abhebbare Schlacke bilden.

Das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung neigt trotz des relativ hohen Kohlenstoffgehaltes kaum zur Warmrissbildung. Diese hervorragende Eigenschaft kann der Wirkung des Niobiumgehaltes zugeschrieben werden, der gemäss der Erfindung dem Kohlenstoffgehalt entsprechend angepasst ist. Untersuchungen haben ergeben, dass das Niobium mit einem wesentlichen Teil des Kohlenstoffs die Legierung Niobkarbid bildet. Dieses Karbid beginnt sich am Anfang des Erstarrungsprozesses zu bilden und verhindert damit die Steigerung der kohlenstoffreichen Schmelze, die die Bildung von Warmrissen verursacht.

Das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung hat eine Festigkeit und Zähigkeit, die den strengen Prüfbedingungen, denen die Oberfläche eines Warmbearbeitungswerkze.uges unterworfen wird, angemessen ist. Darüber hinaus besitzt das Auftragsschweissgut einen hervorragenden Verschleisswider-stand, insbesondere gegenüber einer Abnutzung, die von einem heissen Werkstück an der Oberfläche des Warmbearbei-tungswerkzeuges hervorgerufen wird. Der erhöhte Ver-schleisswiderstand des erfindungsgemässen Auftragsschweissgutes beruht vermutlich hauptsächlich auf dem Vorhandensein von wesentlichen Mengen Niobkarbid im Metall.

Das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung ist auch sehr beständig gegenüber thermischer Ermüdung (englisch «fire cracking» oder «thermal fatigue»). Die thermische Ermüdung ist durch ein stetiges Anwachsen von Länge und Tiefe winziger Risse in der Arbeitsoberfläche des Warmbearbei-tungswerkzeuges gekennzeichnet und kann durch eine graphische Darstellung der Risslänge als Funktion der Anzahl der thermischen Belastungszyklen des Auftragsschweissgutes angegeben werden. Beim Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung ist die Wachstumsgeschwindigkeit der Rissigkeit sehr klein und die Lebensdauer des Auftragsschweissgutes wird daher hauptsächlich durch die Abnützung bestimmt.

Der Chromgehalt im Auftragsschweissgut ist für die Verbesserung der Warmfestigkeit des Stahles - die für die thermische Ermüdung ausschlaggebend ist - und der Oxydationsbeständigkeit des Stahles bedeutungsvoll. Das Chrom erfüllt eine weitere wichtige Aufgabe, indem es im Stahl die Voraussetzung für die metallurgische Umwandlung schafft, die zum Erreichen des gewünschten Gefüges der Metallmatrix des Auftragsschweissgutes erforderlich ist.

Beim Auftragsschweissen von legierten lufthärtenden Stählen, zu denen auch das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung zu zählen ist, ist es bekannt, das Werkstück, das mit einer Auftragsschweissung versehen werden soll, auf eine Temperatur vorzuwärmen, die über der Ms-Temperatur liegt, unter welcher die Martensitbildung im Schweissmetall beginnt, und das Werkstück innerhalb eines Temperaturbereiches zu halten, in dem das Austenitgefüge unverändert bleibt oder während der Dauer der Schweissarbeit nur einer geringfügigen Umwandlung unterliegt.

Die Vorwärmtemperatur beträgt vorzugsweise 400 bis 500° C. Diese Richtlinien für die Durchführung der Schweissarbeit gelten auch für das Auftragsschweissgut gemäss der Erfindung. Wegen der verhältnissmässig hohen Vorwärmtemperatur wird die erste Schweisslage aus einer Mischung des eingebrachten Materials und dem aufgeschmolzenen Grundmaterial bestehen. Normalerweise ist es notwendig zumindest zwei, vorzugsweise doch drei Schweisslagen übereinander aufzutragen um sicherzustellen, dass die oberste Lage im wesentlichen nur Material enthält, das von der Elektrode herrührt. Es ist jedoch auch möglich, unter Anwendung besonderer Methoden die Vermischung des eingebrachten Schweissmaterials der ersten Lage mit dem Grundmaterial so weit hinten zu halten,

dass die erste Lage im wesentlichen die gewünschte Zusammensetzung besitzt.

Der allgemeine Bereich der Zusammensetzung des Schweissgutes gemäss der Erfindung kann entsprechend dem Kohlenstoffgehalt unterteilt werden und man erhält drei Gruppen von Legierungen mit verschiedenem metallurgischem Gefüge.

Gruppe Kohlenstoffgehalt Gefüge der Matrix in %

1 0,55 bis 0,8 martensitisch/bainitisch

2 0,8 bis 1,2 überwiegend martensitisch

3 1,2 bis 2,0 ferritisch

Jeder der drei Gruppen wird nun durch ein besonders Beispiel näher beschrieben.

Beispiel I

C 0,65 bis 0,7 %

Si 0,5 bis 1,0 %

Mn 0,75 bis 1,25%

Cr 4,0 bis 6,0 %

Nb 3,2 bis 4,0 %

Mo 1,0 bis 1,25%

Fe Rest mit oder ohne den üblichen Verunreinigungen einschliesslich höchstens 0,04% Schwefel und höchstens 0,04% Phosphor.

Ein Auftragsschweissgut dieser Zusammensetzung besitzt je nach Höhe der Anlasstemperatur eine Vickershärte zwischen 300 und 600 Hv. Fig. 2 zeigt ein typisches Anlassdiagramm. Bei einigen Zusammensetzungen innerhalb der angegebenen Grenzen kann bei einer Anlasstemperatur von etwa 500° C ein sekundäres Härtemaximum auftreten.

Beispiel II

C 1,0 bis 1,2%

Si 2,0 bis 2,5%

Mn 2,0 bis 2,5%

Cr 4,0 bis 6,0%

Nb 8,0 bis 9,0%

Mo 0,9 bis 1,1%

Fe Rest mit oder ohne die üblichen Verunreinigungen.

Ein Auftragsschweissgut dieser Zusammensetzung besitzt eine Härte im Bereich von 300 bis 550 Hv. Fig. 3 zeigt ein Anlassdiagramm für ein Auftragsschweissgut, dessen Zusammensetzung in dem Bereich dieses Beispiels liegt.

Beispiel III

c

1,5 bis 1,7 %

Si

2,75 bis 3,25%

Mn

2,0 bis 2,5 %

Cr

4,0 bis 5,0 %

Nb

11,5 bis 12,5 %

Mo

0,7 bis 1,0 %

Fe

Rest mit oder ohne die üblichen Verunreinigungen. Die Härte für ein Auftragsschweissgut dieser Zusammensetzung liegt unge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

621 276

4

fähr zwischen 340 und 380 Hv. Fig. 4 zeigt ein typisches Anlassdiagramm für eine derartige Zusammensetzung.

Zusammensetzungen der angeführten Beispiele sind mit Erfolg als Auftragsschweissgut für Walzen von Warmwalzwerken zur Verwendung gekommen. Die Walze, die mit einer Verschleissschichte versehen werden soll, wird zunächst auf eine Temperatur zwischen 400 und 500° C vorgewärmt und während der Schweissarbeit auf dieser Temperatur gehalten. Die Walze wird gedreht und ein Schweissbrenner zum Unter-

pulverschweissen wird während der Drehung langsam in axialer Richtung verschoben, so dass auf der Walze eine spiralförmige Schweissraupe aufgetragen wird. Zumindest zwei, vorzugsweise jedoch drei Schweisslagen werden übereinander s aufgetragen. Der Schweissstrom liegt in einem Bereich zwischen 300 und 1200 A. Wird mit hohen Strömen geschweisst, ist die Anwendung von Zwillingselektroden vorzuziehen, d. h. einem Paar von Elektroden, die einem gemeinsamen Schweissbad zugeführt werden.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

621 276

1,5 bis 1,7 %

Si

1,0 bis 1,2%

Si

2,0 bis 2,5 %

Cr

2,75 bis 3,25%

Mn

2,0 bis 2,5%

Cr

2,0 bis 2,5%

Mn

2. Auftragsschweissgut gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,6 bis 1,5% Mo enthält.

2

PATENTANSPRÜCHE 1. Auftragsschweissgut für Warmbearbeitungswerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass es aus

C 0,55 bis 2,0%

Si 0,2 bis 4,0%

Mn 0,2 bis 3,0%

Cr 4,0 bis 6,5%

Nb 2,5 bis 15,0% W

und/oder Mo und/oder Vanadium V und/oder Ti,

insgesamt 0 bis 3,5%

Ni 0 bis 0,5%

Fe Rest mit oder ohne Verunreinigungen besteht, und dass Niobium und Kohlenstoff zueinander in einem Verhältnis auftreten, das durch die schraffierte Fläche in Fig. 1 der beigefügten Zeichnung angegeben ist.

3. Auftragsschweissgut gemäss Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Si ein- bis zweimal so gross ist wie der Gehalt an Kohlenstoff.

4,0 bis 5,0 %

Nb

11,5 bis 12,5 %

Mo

0,7 bis 1,0 %

Fe

Rest mit oder ohne Verunreinigungen besteht.

4,0 bis 6,0%

Nb

8,0 bis 9,0%

Mo

0,9 bis 1,1%

Fe

Rest mit oder ohne Verunreinigungen besteht.

4. Auftragsschweissgut gemäss Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es aus

C 0,65 bis 0,70%

Si 0,5 bis 1,0 %

Mn 0,75 bis 1,25%

Cr 4,0 bis 6,0 %

Nb 3,2 bis 4,0 %

Mo 1,0 bis 1,25%

Fe Rest mit oder ohne Verunreinigungen besteht.

5. Auftragsschweissgut gemäss Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es aus

C

6. Auftragsschweissgut gemäss Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es aus

C

7. Verwendung des Auftragsschweissgutes gemäss Patentanspruch 1 in einem Warmbearbeitungswerkzeug in einer auf einem Grundkörper aufgeschweissten Verschleissschicht.

8. Verwendung gemäss Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschleissschicht ein Auftragsschweissgut gemäss Patentanspruch 2 verwendet wird.