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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragschweißen eines
Werkstoffes als abrasions- und/oder korrosions- und/oder hitzebeständiger Verschleißschutz
auf eine metallische Grundstruktur, bei welchem der Werkstoff einen
Alkalimetall-Gewichtsanteil enthält.
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Außerdem betrifft
die Erfindung einen Werkstoff zum Auftragschweißen auf eine metallische Grundstruktur
als abrasions- und/oder
korrosions- und/oder hitzebeständiger
Verschleißschutz,
welcher einen Alkalimetall-Gewichtsanteil aufweist.
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In
manchen technischen Bereichen werden Materialoberflächen in
hohem Maße
beansprucht. Insbesondere bei der mechanischen Aufbereitung oder
Bearbeitung werden die Oberflächen
der eingesetzten Materialien großen abrasiven Kräften sowie Hitze
ausgesetzt. Zusätzlich
können
die Oberflächen der
eingesetzten Materialen auf Grund aggressiver Gase am Einsatzort
stark korrodieren.
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Auf
solche Weise werden beispielsweise Walzen beansprucht, die in einem
Zementwerk zur Zerkleinerung des Klinkers verwendet werden. Auch in
Kohlekraftwerken finden solche Walzen ihre Anwendung und sind ähnlichen
Beanspruchungen ausgesetzt.
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Die
Oberflächen
von Walzen oder Platten, die im Zusammenhang mit einer mechanischen
Bearbeitung eingesetzt werden, werden entsprechend beansprucht.
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Aus
diesem Grund werden solche Grundstrukturen auf ihrer Oberfläche mit
einem Verschleißschutz
versehen. Letzterer bildet dabei eine Oberflächenveredelung insofern, als
der Werkstoff, aus dem der Verschleißschutz entsteht, abrasions-,
korrosions- und/oder hitzebeständig
ist und die veredelte Oberfläche
dementsprechend diese Eigenschaften des Werkstoffes aufweist.
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Eine
Möglichkeit
einer solchen Oberflächenveredelung
bietet das Auftragschweißen.
Dabei wird ein, insbesondere hoch chrom- oder carbidhaltiger, Werkstoff
mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens auf die metallische Grundstruktur
aufgebracht. Der Werkstoff kann in Form eines Fülldrahtes oder einer Stabelektrode
eingesetzt werden, wobei er an der Bildung des Lichtbogens beteiligt
ist.
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Wie
die Stabelektrode erfüllt
auch der Fülldraht
die Funktion einer Elektrode. Vorliegend soll die Abgrenzung zwischen
den Begriffen "Fülldraht" und "Stabelektrode" lediglich dahingehend
getroffen werden, dass es sich bei einem Fülldraht um eine sogenannte "endlose" Elektrode handelt,
er also verglichen mit einer Stabelektrode sehr lang ausgebildet sein
kann. Üblicherweise
ist ein Fülldraht
im Gegensatz zu einer Stabelektrode nicht starr und kann auf Drahtrollen
aufgewickelt werden. Unter den Begriff "Stabelektrode" fällt
beispielsweise auch eine starre Handelektrode, wie sie allgemein
bekannt ist und beim Hand-Schweißen zu Einsatz kommt.
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Die
metallische Verbindung zwischen dem Werkstoff als Schweißzusatz
erfolgt beim Auftragsschweißen
durch Diffusion des Grundstruktur-Materials in den Werkstoff und
umgekehrt, wobei sich durch Vermischen der Komponenten an der Oberfläche der Grundstruktur
eine Legierung bildet. Auf dieser liegt im Idealfall wiederum eine
ausreichend dicke Schicht des reinen Werkstoffes, der in seiner
reinen Analyse die gewünschten
Schutzeigenschaften aufweist.
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Die
Legierung hat zwangsläufig
eine andere Zusammensetzung als diejenige des reinen Werkstoffes
und kann ein vollständig
anderes Materialgefüge
als der Werkstoff aufweisen. Dadurch kann sich die gewünschte Beanspruchbarkeit
der Materialoberfläche
deutlich verringern.
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Wird
beim Auftragsschweißen
beispielsweise ein Fülldraht
der Legierungsgruppe 10 mit ca. 4,5% Kohlenstoff und 30,0% Chrom
bei 30,0% Vermischung verwendet, wie es allgemein üblich ist, weist
die Analyse der Schweißung
weniger als 3,0% Kohlenstoff und weniger als 20,0% Chrom auf. Das charakteristische
Gefüge
des reinen Werkstoffes geht verloren und die Lebensdauer bei rein
abrasiver Beanspruchung sinkt um den Faktor 2.
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Bei
Verwendung einer Kobaltbasislegierung aus der Gruppe der Stellite
als Werkstoff in Form eines Fülldrahtes
kommt es ebenfalls zu ca. 30,0% Vermischung. Dadurch liegen in dem
resultierenden Verschleißschutz
ca. 30,0% Eisen vor. Dies hat eine vollständige Umwandlung der Struktur
bezogen auf diejenige des reinen Werkstoffes von hexagonal auf kubisch
zur Folge. Die bekannten besonderen Belastungseigenschaften der
ursprünglichen
Kobaltbasislegierung bei einer Metall-Metall-Beanspruchung gehen
auf diese Weise restlos verloren.
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Als
Korrosionsschutz wird beispielsweise häufig eine NiCrB-Legierung mit 60,0%
Nickel, 30,0% Chrom, 3,0% Bor sowie ergänzenden Bestandteilen verwendet.
Wird dieser Werkstoff als Fülldraht
auf eine Oberfläche
aufgebracht, nimmt der Eisengehalt des Verschleißschutzes durch Vermischung
bzw. Diffusion aus der Grundstruktur zu und seine Korrosionsbeständigkeit
bezogen auf die reine NiCrB-Legierung ab.
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Es
ist demenstprechend Ziel vieler Weiterentwicklungen, den Grad der
Diffusion bzw. der sich daraus ergebenden Vermischung so gering
wie möglich
zu halten. Je geringer die Vermischung ist, desto mehr entsprechen
das Gefüge
und die Zusammensetzung des Verschleißschutzes denjenigen des reinen
Werkstoffes, so dass dessen Schutzeigenschaften weitgehend erhalten
bleiben.
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Grundsätzlich läßt sich
die Vermischung durch eine Reduktion der Schweißstromstärke zwar verringern. Dabei
sinkt aber beim Stand der Technik die Abschmelzleistung entsprechend
ab. Die Abschmelzleistung ist ein Maß für die abgeschmolzene Masse
des Werkstoffes pro Zeiteinheit.
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Eine
einfache Erhöhung
der Stromstärke steigert
zwar die Abschmelzleistung. Gleichzeitig nimmt aber auch die Temperatur
zu, was der angestrebten Verringerung der Diffusion bzw. der Vermischung
zuwiderläuft.
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Diese
Probleme bestehen gleichermaßen sowohl
für Fülldrähte als
auch für
Stabelektroden.
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In
der Regel werden daher bisher sowohl bei Fülldrähten als auch bei Stabelektroden
mehrere Schichten des Werkstoffes aufgeschweißt, um eine gute Oberflächenqualität zu erreichen
und die Verschleißschutzschicht
bei ausreichender Abschmelzleistung zu erhalten.
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Es
ist beispielsweise aus der
DE
196 17 759 A1 bekannt, dem Werkstoff Alkaliverbindungen
in Form von Alkali-Wasserglas
zuzugeben. Bestimmte Legierungsbestandteile des Werkstoffes werden
bei der Herstellung von Fülldrähten oder
Stabelektroden als agglomeriertes Füllpulver eingesetzt. Durch
die Zugabe von Alkali-Wasserglas werden die Komponenten im agglomerierten
Füllpulver
in einer homogenen Verteilung gehalten. Dabei sind bei einem Fülldraht
und bei einer Stabelektrode Gewichtsanteile von weniger als 0,2% üblich.
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Ein
Zusammenhang zwischen einem Alkalimetall oder einer Alkalimetall-Verbindung
als Bestandteil des Werkstoffes und der Abschmelzleistung und/oder
dem Grad der Vermischung ist in der Technik bisher nicht bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es; ein Verfahren bereitzustellen, welches eine
hohe Abschmelzleistung bei relativ geringer Stromstärke gewährleistet, wobei
der Grad der Vermischung relativ niedrig ist.
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Dies
wird das Verfahren betreffend dadurch erreicht, daß der Werkstoff
mit einem Alkalimetall-Gewichtsanteil von mehr als 0,2% bereitgestellt wird.
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Das
in dem Werkstoff enthaltene Alkalimetall bzw. die Alkalimetall-Verbindung
werden beim Abschmelzen des Werkstoffes auf Grund der hohen Temperatur
ionisiert und Alkalimetall-Ionen werden freigesetzt. Die Elektronen
wandern dabei zur Kathode und die positiven Alkalimetall-Ionen zur Anode, wodurch
die Aufrechterhaltung des Lichtbogens unterstützt wird. Der selbe Effekt
wird durch zwischen der Anoden- und der Kathodenspitze vorhandenes Schutzgas,
wie es üblicherweise
zur Anwendung kommt, erzielt. Das Schutzgas wird jedoch durch das zwischen
den Elektrodenspitzen vorliegende elektrische Feld ionisiert.
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Aufgrund
des gegenüber
bekannten Werkstoffen wesentlich erhöhten Alkalimetall-Gewichtsanteiles
des Werkstoffes muß ein
geringerer Anteil der elektrischen Energie dazu verwendet werden,
ein ionisiertes, den Lichtbogen stabi lisierendes Gasgemisch zu erzeugen.
Da die zur Stabilisierung des Lichtbogens erforderlichen Ionen weniger
durch Ionisation des Schutzgases als durch Ionisation des Alkalimetall-Anteiles
erzeugt werden müssen
und hierfür
weniger elektrische Energie benötigt
wird, kann diese vermehrt an dem Werkstoff in Wärme umgesetzt werden und trägt so stärker zur
Abschmelzleistung bei. Insgesamt erhöht sich somit die Abschmelzleistung,
wobei die Temperatur relativ unverändert bleibt. Als Folge verringert
sich die Vermischung.
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Als
besonders effektiv hat sich dabei erwiesen, wenn der Werkstoff mit
einem Alkalimetall-Gewichtsanteil von wenigstens 0,5% bereitgestellt
wird.
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Erfolgreich
eingesetzt werden können
Kalium-Verbindungen.
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Auch
Natrium-Verbindungen führen
zu den oben erläuterten
Vorteilen.
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Außerdem kann
Alkalimetall vorteilhaft in Form einer Lithium-Verbindung bereitgestellt
werden.
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In
einfacher Weise ist ein Alkalimetall-Gewichtsanteil des Werkstoffes
zu gewährleisten,
indem die Alkalimetall-Verbindung
in Form von Alkali-Wasserglas der Zusammensetzung M2O × nSiO2, n = 1 bis 4, bereitgestellt wird, wobei
M ein Alkalimetall ist.
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Alkali-Wasserglas
ist vorteilhaft als flüssiges Wasserglas
bereitzustellen.
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Alternativ
oder ergänzend
ist es günstig, Wasserglas
als festes Wasserglas bereitszustellen.
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Durch
die Zugabe eines zusätzlichen
Legierungsbestandteiles zu dem flüssigen Schmelzbad kann das
Verfahren vorteilhaft an die gegebenen Anforderungen angepasst werden.
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Ein
hilfreicher zusätzlicher
Legierungsbestandteil ist dabei Ferrochrom.
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Bekannten
Schweißtechniken
wird in vorteilhafter Weise Rechnung getragen, wenn der Werkstoff
in Form eines Fülldrahtes
bereitgestellt wird.
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Dies
gilt entsprechend, wenn der Werkstoff in Form einer Stabelektrode
bereitgestellt wird.
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Wird
die Stabelektrode als Handelektrode bereitgestellt, so wird der
erzielte Effekt in einfacher Weise auf eine manuelle Arbeitsweise übertragen, die
weniger Raum beansprucht, wie es häufig bei vor-Ort-Reparaturen
hilfreich sein kann, bei denen die zu schweißende Stelle schwer zugänglich ist.
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Das
Verfahren eröffnet
vielseitige Anwendungsmöglichkeiten,
wenn es zum Beschichten von Platten oder Bandagen oder Walzen eingesetzt
wird.
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Was
den Werkstoff betrifft, wird eine hohe Abschmelzleistung bei relativ
geringer Stromstärke und
niedrigem Vermischungsgrad dadurch gewährleistet, daß der Werkstoff
einen Alkalimetall-Gewichtsanteil von mehr als 0,2% aufweist.
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Die
daraus und aus den Weiterentwicklungen gemäß der Ansprüche 16 bis 22 gewonnen Vorteile
ergeben sich aus dem oben Gesagten entsprechend.
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Nachfolgend
werden drei Beispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben:
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Beispiel 1
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Es
wurde eine Grundstruktur aus Bandstahl mit einem Werkstoff in Form
eines Fülldrahtes
beschweißt.
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Der
Fülldraht
wies eine Grundzusammensetzung von ca. 4,5% C, 30% Cr und 1% Mn
auf.
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Der
Alkalimetall-Gewichtsanteil des Fülldrahtes betrug 0,45%.
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Die
Stromstärke
betrug 320A.
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Die
Abschmelzleistung betrug 14,8 kg/h gegenüber 6,4 kg/h bei einem Fülldraht
ohne erfindungsgemäß erhöhtem Alkalimetall-Gewichtsanteil bei
gleicher Stromstärke.
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Die
Vermischung betrug 28% gegenüber 35%
bei einem Fülldraht
ohne erfindungsgemäß erhöhtem Alkalimetall-Gewichtsanteil
bei gleicher Stromstärke.
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Beispiel 2
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Es
wurde eine Grundstruktur aus Feinkornstahl mit einem Werkstoff in
Form einer Stabelektrode beschweißt.
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Die
Stabelektrode wies eine Grundzusammensetzung von ca. 4,5% C, 30%
Cr und 6% Mn auf.
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Der
Alkalimetall-Gewichtsanteil der Stabelektrode betrug 0,40%.
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Die
Stromstärke
betrug 170A.
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Die
Abschmelzleistung betrug 3,2 kg/h gegenüber 1,2 kg/h bei einer Stabelektrode
ohne Alkalimetall-Gewichtsanteil bei gleicher Stromstärke.
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Die
Vermischung betrug 20% gegenüber 30%
bei einer Stabelektrode ohne Alkalimetall-Gewichtsanteil bei gleicher
Stromstärke.