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Die Erfindung betrifft zunächst ein Stahlbauteil mit einem plattenförmigen Träger und einer Auflage auf dem Träger, wobei die Auflage in einer metallischen Matrix Keramikpartikel enthält und eine verschleißbeständige freie Oberfläche aufweist, wobei die Konzentration der Keramikpartikel in der Auflage von dem Träger zu der Oberfläche ansteigt. Weiterhin betriff die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Auflage auf einem Träger, wobei eine metallische Matrix auf den Träger als Schweißbad aufgebracht wird und Keramikpartikel dem Schweißbad zugeführt werden.
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Ein Stahlbauteil der vorgenannten Art offenbart
DE 44 13 306 C1 . Ein Verfahren der vorgenannten Art offenbart
DE 10 2006 033 162 A1 . Weitere auftragsgeschweißte Stahlbauteile und Verfahren zu deren Herstellung sind allgemein bekannt und kommen überall dort zur Anwendung, wo durch Oberflächen durch Abrieb, Korrosion oder Hitzeeinwirkung verschleißgefährdet sind. Durch „Aufpanzerung” (gemäß DIN 50320) wird auf die verschleißgefährdete Oberfläche als Träger eine Auflage aufgebracht, die dem Verschleiß verursachenden Material besonders gut widersteht.
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Mit verschiedenen Auftragsschweißverfahren – insbesondere Gas- oder Lichtbogen-Handschweißen, PTA-, MIG-MAG-, WIG, UP- oder ES-Schweißen – können auf Stahlbauteilen Auflagen von 2 bis zu 200 mm Dicke hergestellt werden. Als Basismaterial der Auflage kommt insbesondere ein Fülldraht zum Einsatz. Allgemein bekannt ist hier beispielsweise das „Fülldraht-Plus”-Verfahren der Anmelderin, bei dem mit offenem Lichtbogen die Auflage aus dem Abbrand einer mit verschiedenen Komponenten gefüllten rohrförmigen Stahlelektrode und zuvor aufgestreuten pulverförmigen Zusatzstoffen im Schmelzbad entsteht.
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Um speziell die Abriebfestigkeit der Auflage noch weiter zu verbessern, können der Auflage auf unterschiedliche Weise Hartteilchen zugefügt werden. Allgemein bekannt ist hier beispielsweise im weiteren Umfeld der Erfindung das von der VAUTID GmbH weiterentwickelte Lichtbogen-Schweißverfahren, wobei Chrompulver unmittelbar in den Lichtbogen zwischen einer massiven Elektrode und dem Träger eingeleitet wird. Die im Schmelzbad entstehenden Chromkarbidpartikel verteilen sich in diesem Verfahren gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der Auflage.
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Als Qualitätsmerkmal eines solchen Stahlbauteils wird allgemein eine möglichst gleichmäßige Härte zwischen dem Träger und der Oberfläche der Auflage angesehen. Im weiteren Umfeld der Erfindung offenbart außerdem
DE 41 34 210 A1 die Verbesserung der Abriebfestigkeit durch Aufstreuen von beispielsweise keramischen Hartteilchen auf eine Schweißauflage, wobei die Hartteilchen vorzugsweise nahe der Grenzfläche zum Träger hoch konzentriert sein, also eine zu der freien Oberfläche abnehmende Konzentration aufweisen sollen.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beständigkeit des Stahlbauteils gegen Reibverschleiß zu erhöhen.
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Lösung
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Ausgehend von den bekannten Stahlbauteilen wird nach der Erfindung zunächst vorgeschlagen, dass die Keramikpartikel aus grobem Siliziumkarbidsand bestehen. Die Erfindung basiert auf der trivialen Erkenntnis, dass der Verschleiß eines Stahlbauteils von der Verschleißbeständigkeit seiner Oberfläche abhängt. In Umkehrung des im Stand der Technik allgemein üblichen, beispielsweise aus der
DE 41 34 210 A1 ersichtlichen Konzepts weist ein erfindungsgemäßes Stahlbauteil im Wesentlichen nur unmittelbar an der freien Oberfläche eine durch die Keramikpartikel deutlich erhöhte Abriebfestigkeit auf, die bei steigendem Verschleiß dieser Oberfläche sinkt.
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Mit sinkender Konzentration der Keramikpartikel in der Auflage des erfindungsgemäßen Stahlbauteils steigt in Richtung auf den Träger die Materialelastizität der Auflage, so dass Sprödbrüche der Auflage bei schlagartiger Belastung weitgehend vermieden werden. Das erfindungsgemäße Stahlbauteil realisiert mit dieser Kombination aus einer hoch abriebfesten Oberfläche und einer darunter vergleichsweise zähen Auflage gegenüber entsprechenden, mit den bekannten Verfahren hergestellten Stahlbauteilen bei Untersuchung der Abrasivität im Reibverschleiß insbesondere mit dem Miller-Verfahren (genormt in ASTM G 75:2007, Beuth Verlag GmbH, Berlin/DE) ebenso wie beim Strahlverschleiß mit Korundsand teils signifikant verschlechterte, zumindest aber nicht verbesserte Kennwerte auf: Die oberflächig eingelagerten Keramikpartikel wurden in Labortests schnell ausgebrochen und verstärkten offenbar noch den Verschleiß durch den eingesetzten Abrasivstoff.
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Überraschend erzielt gleichwohl dasselbe Stahlbauteil im produktiven Einsatz signifikant erhöhte Standzeiten: In Feldversuchen der Anmelderin unter Praxisbedingungen – beispielsweise beim Recycling von abgefrästem Asphalt und in einem Mühlwerk eines Kraftwerks zur Herstellung von Kohlenstaub wurden im direkten Vergleich mit bekannten Stahlbauteilen nach auf das Doppelte verlängerten Austauschzyklen an erfindungsgemäßen Stahlbauteilen noch praktisch keine Verschleißspuren ermittelt.
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In dem erfindungsgemäßen Stahlbauteil bestehen die Keramikpartikel aus Siliziumkarbid. Siliziumkarbid (SiC) steht preisgünstig in Form von Sanden mit scharfkantigen Körnern zur Verfügung, die in der metallischen Matrix besonders dauerhaft eingebunden werden. Im Gegensatz zu anderen bekannten hartkeramischen Materialien wie Wolfram-, Niob-, Chrom-, Vanadium- oder Titankarbid (WC, NbC, Cr3C2, VC oder TiC) sowie Titannitrid (TiN) und Molybdänsilizid (MoSi2) tragen Siliziumkarbid und Aluminiumoxid praktisch nicht zum metallischen Gefüge der Auflage bei, sondern werden chemisch unverändert eingelagert. Die im Handel verfügbaren – zudem teureren – Aluminiumoxidpartikel weisen aber im Gegensatz zu Siliziumkarbid eine im Wesentlichen kugelige Form auf, die mechanisch weniger dauerhaft in die Matrix eingebunden wird. Zudem ist Aluminiumoxid schwieriger zu verarbeiten, weil die Partikel im Schweißbad anschmelzen.
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Vorzugsweise enthält die Auflage eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils die Keramikpartikel im Wesentlichen nur bis zu 1 mm unterhalb der Oberfläche. Die Keramikpartikel „schwimmen” quasi an der Oberfläche der Auflage, unmittelbar an der Grenzfläche zum Träger weist das erfindungsgemäße Stahlbauteil dann praktisch keine Keramikpartikel auf.
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Weiterhin enthält bevorzugt die Auflage je m2 Oberfläche zwischen 2,7 und 3,9 kg, insbesondere etwa 3,3 kg Keramikpartikel. Diese Konstellation, bei der die Keramikpartikel die Oberfläche gleichmäßig bedecken, hat sich als besonders abriebfest herausgestellt. Unterhalb eines Anteils von etwa 1,3 kg je m2 decken die Keramikpartikel die Oberfläche nicht mehr ausreichend gleichmäßig ab und oberhalb eines Anteils von etwa 5,5 kg je m2 werden zunehmend Keramikpartikel nicht mehr ausreichend in die metallische Matrix eingebunden, brechen bereits bei geringer Belastung aus und tragen so nicht mehr zur Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Stahlbauteils bei.
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Die Auflage eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils weist insbesondere eine Härte von 60 bis 65 HRc auf. Die nach dem Rockwellverfahren bestimmte Härte des erfindungsgemäßen Stahlbauteils unterscheidet sich – durch die nur oberflächige Härtung der Auflage – nicht wesentlich von den Werten der reinen Matrix, also der bekannten Auflage.
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Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass zunächst die Keramikpartikel auf den Träger aufgebracht werden und anschließend das Schweißbad in einem Open-Arc-Verfahren hergestellt wird. Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht die Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils und weist die für dieses vorstehend beschriebenen Vorteile auf.
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Vorzugsweise werden im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Keramikpartikel zusammen mit Metallpartikeln auf den Träger aufgebracht. Durch Variation dieser Metallpartikel können die Eigenschaften der Matrix besonders einfach zielgenau eingestellt werden. Darüber hinaus werden so die Keramikpartikel über die Oberfläche der Auflage gleichmäßiger verteilt. Im Rahmen des „Fülldraht-Plus”-Verfahrens der Anmelderin werden bei eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 11 cm/min für eine Schweißraupe mit 34 mm Breite typischer Weise bis zu 32 g/min Pulver, davon 5 bis 20 g/min der Keramikpartikel vor dem Lichtbogen auf den Träger aufgestreut.
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Besonders bevorzugt bestehen die Metallpartikel aus Ferrochrom, also einer Legierung aus Eisen und Chrom. Ferrochrom steht als Grundstoff der Stahlherstellung in verschiedenen Qualitäten und Anteilen und – im Vergleich zu Chrom – vergleichsweise günstig am Markt zur Verfügung. Alternativ kommen für Spezialanwendungen auf Ferrobor und Ferrovanadium zum Einsatz.
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Die Keramikpartikel und die Metallpartikel werden in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafter Weise in einem Massenverhältnis von etwa 1:2 aufgebracht. Wenn 70 vH Massenanteile des Materials der Auflage aus dem Abbrand der Schweißelektrode stammen, wird so das – wie oben beschrieben – besonders abriebfeste Massenverhältnis von etwa 10 vH Keramikpartikeln in der Auflage eingestellt.
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In einer vorteilhaften Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schweißbad mittels Fülldraht hergestellt. Bei Schweißen mit Fülldraht werden gegenüber dem Schweißen mit Volldraht signifikant geringere elektrische Leistungen eingesetzt. Das Schweißbad ist so deutlich kühler und weist eine geringere Konvektion auf. Die Verwendung eines Fülldrahts in einem erfindungsgemäßen Verfahren unterstützt das „Aufschwimmen” der Keramikpartikel an die Oberfläche der Auflage.
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In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die Auflage Wolframkarbid mittels Plasmaschweißen aufgebracht werden. Durch Aufbringen von Wolframkarbid kann die Auflage in besonders hoch belasteten Bereichen zusätzlich verstärkt werden. Beim Plasmaschweißen wird die Auflage an der Oberfläche erneut aufgeschmolzen, die dort eingelagerten Keramikpartikel schwimmen auf und sammeln sich an der Oberfläche des Wolframkarbids. Die so entstehende (neue) Oberfläche eines Stahlbauteils ist so hart, dass sie mechanisch nicht mehr zu sägen ist.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Auflage typischer Weise mindestens in einer Lage mit einer Dicke von 3 mm und höchstens in drei Lagen mit einer Dicke von zusammen 15 mm auf den Träger aufgebracht. In diesen Dimensionen kann die Auflage mittels üblicher Schweißautomaten und -parameter auf den Träger aufgebracht werden. Wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Auflage in mehreren Lagen aufgebracht, so werden die Keramikpartikel bevorzugt in der letzten Lage ohne weiteren Zusatz von Metallpartikeln aufgebracht. So wird ein Verspröden der Auflage in der Oberfläche vermieden.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert: Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren wird – als erfindungsgemäßes Stahlbauteil – ein Schleißblech für höchsten mineralischen Reibverschleiß in einem Tagebau hergestellt.
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Auf einen plattenförmigen Träger aus Baustahl mit einer Dicke von 30 mm, einer Länge von 6750 mm und einer Breite von 2350 mm werden im „Fülldraht-Plus”-Verfahren der Anmelderin zunächst mit einer Dicke von je 5 mm zwei Lagen einer Auflage aufgebracht. Der Fülldraht enthält neben Eisen 20 bis 30 vH metallisches Chrom und 4 bis 5 vH Kohlenstoff sowie in geringen Anteilen weitere Zusätze wie Niob, Molybdän, Wolfram und Vanadium.
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Neben dem Fülldraht, der mit etwa 5 kg/h rund 70 vH des Matrixmaterials bereitstellt, wird zusätzlich etwa 32 g/min Ferrochrom mit Zusatz von Niob als Pulver vor dem Lichtbogen auf den Träger aufgebracht. Zum Einsatz kommt skandinavisches Ferrochrom mit 68 vH Chrom, 8 vH Kohlenstoff und 24 vH Eisen in einer Korngröße von 0,3 bis 1 mm.
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In einem Schweißgang von 22 Minuten wird so eine Raupe von 34 mm Breite über die Breite des Trägers aufgebracht. Diese Lagen bestehen nach Fertigstellung aus einer übereutektischen Eisenbasislegierung mit hohem Anteil an Chrom-Primärkarbiden und weisen bei Raumtemperatur eine Rockwellhärte von 60 bis 62 HRc auf.
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Anschließend wird mit einer Dicke von noch einmal 5 mm eine dritte, abschließende Lage der Auflage aufgebracht. Hierbei wird vor dem Lichtbogen gegenüber den ersten beiden Lagen anstelle des Ferrochroms etwa 12 g/min grober Siliziumkarbidsand (Korngröße 0,63 bis 2 mm) zugesetzt. Dies entspricht etwa 3,3 kg Siliziumkarbid je m2 Oberfläche der Auflage. Die Keramikpartikel des Sandes sammeln sich im Wesentlichen an der freien Oberfläche der Auflage und bilden eine hochabriebfeste Schicht.
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Die Zeichnungsfigur zeigt ein mittleres, nach dem Rockwellverfahren gemessenes Härteprofil des Stahlbauteils über nach rechts steigendem Abstand von der Oberfläche:
Die Härte steigt in der Grenzfläche zwischen Baustahl und der Auflage sprunghaft auf Werte zwischen 61 und 63 HRc an. Auch unmittelbar an der Oberfläche der Auflage führen die in einzelnen Messungen zufällig „getroffenen” Keramikpartikel im Schnitt nicht zu einer Erhöhung der mittleren Härte.
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Abschließend wird das Schleiβblech zur Fertigstellung entlang der Längsachse mit einem Radius von 5000 mm gebogen und an der konvexen Unterseite am Träger mit vorgefertigten Stützstreben verschweißt.
