DE102012204927B3 - Auftraggeschweißtes Werkstück und Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes - Google Patents

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Abstract

Auftraggeschweißtes Werkstück und Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes mit einem Grundkörper, mit einer ersten Schicht und mit mindestens einer weiteren, zwischen dem Grundkörper und der ersten Schicht angeordneten Schicht), wobei ein Material des Grundkörpers zumindest teilweise oder vollständig Vergütungsstahl ist, wobei der Vergütungsstahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,20% bis 0,45% aufweist, wobei ein Material der mindestens einen weiteren Schicht zumindest teilweise oder vollständig Stahl ist, wobei der Stahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,03% bis 0,18% aufweist, wobei ein Material der ersten Schicht zumindest teilweise oder vollständig mindestens eine Kupferlegierung ist, wobei die mindestens eine weitere Schicht auf den Grundkörper aufgeschweißt wird, wobei die erste Schicht auf die mindestens eine weitere Schicht oder mindestens eine andere weitere Schicht aufgeschweißt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein auftraggeschweißtes Werkstück und ein Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und 8.
  • Durch die DE 86 05 584 U1 ist ein Kolbenrohr oder eine Kolbenstange bekannt, wobei eine Gleitfläche aus einer aufgeschweißten Aluminium-Kupfer-Bronze besteht.
  • Die DE 39 10 725 C1 offenbart eine Kolbenstange aus Stahl, wobei auf die Kolbenstange eine metallische Haftschicht und auf diese eine keramische Deckschicht aufgebracht ist.
  • Die DE 29 05 012 C2 beschreibt ein Verfahren zum schichtweisen Auftragen von Schweißmaterial, wobei auf einen Grundkörper als eine erste Schicht eine Schicht aus einem Niob enthaltenden, niedrig legierten Stahl, mit im Übrigen im Wesentlichen derselben Zusammensetzung wieder des Metalls des Grundkörpers aufgeschweißt wird. Auf diese Schicht wird mindestens eine weitere Schicht aus schwach austenitischem oder ferritischem rostfreiem Stahl aufgeschweißt.
  • Die DE 10 2007 019 510 B3 lehrt, bei einem zu einer Gleitpaarung gehörendem Werkstück aus Stahlguss eine verschleißfeste Schicht aus einer Nickellegierung, in welche keramische Partikel eingelagert sind, aufzuschweißen und auf diesen Verbund eine weitere Einlauflage aus einer Kupferlegierung (Bronze) aufzuschweißen.
  • Die DE 691 10 938 T2 beschreibt, dass auf ein Werkstück aus Carbonstahl unter Verwendung eines Pulvergemisches eine Schicht aufgeschweißt wird, wobei das Pulvergemisch ein Hilfsmetallpulver und Kupferpulver aufweist. Nach dem Aufschweißen liegt dann ein Werkstück vor welches drei Schichten (Carbonstahl, Hilfsmetall und Kupfer) aufweist.
  • Der DE 10 2006 023 397 A1 ist entnehmbar, dass für Gleitlager von Motoren und Getrieben im Lagerbereich mehrere Schichten von Weißmetall auf den Grundwerkstoff aufzuschweißen sind, um den Wärmeeintrag besser kontrollieren zu können und eine egalisierte Oberfläche zu erreichen, wodurch der Aufwand für Nacharbeit erheblich reduziert werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auftraggeschweißtes Werkstück und ein Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 und 8 gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass Risse in einem Werkstück, insbesondere in einem Grundkörper und oder mindestens einer Schicht des Werkstückes beispielsweise senkrecht zu einer Schmelzlinie vermieden werden. Vorzugsweise werden Heißrisse in einer Plattierung (z. B. Bronzeschicht) vermieden.
  • Vorteilhaft ist, dass bei Kupferlegierungen durch eine Zwischenschicht Eindringen von Kupferwerkstoff in den Grundkörper, insbesondere entlang von Korngrenzen des Grundkörpers vermieden wird.
  • Vorteilhaft ist, dass beispielsweise eine Vermischung bzw. ein Eindringen von Schweißzusatzwerkstoff mit ferritischem Grundwerkstoff und/oder ein Eindringen in den ferritischen Grundwerkstoff erfolgt.
  • Vorzugsweise ist es durch Verwendung von Vergütungsstahl für den Grundkörper möglich, eine Auslegung des Werkstückes zu optimieren. Es kann ein vergleichweise preiswerter und einfach zu bearbeitender Grundwerkstoff verwendet werden. Dies ist insbeondere für durch Verschleiß und/oder Korrosion beanspruchte Werkstücke, insbesondere für Gleitflächen und/oder Führungen, vorzugsweise bei Hydraulikteilen (insbesondere Kolbenstangen von Hydraulikzylindern) vorteilhaft.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 Einen schematischen Schnitt eines Werkstückes.
  • Ein Werkstück 01 weist einen Grundkörper 02, eine vorzugsweise eine Oberfläche und/oder Mantelfläche und/oder Deckschicht bildende erste Schicht 03 und mindestens eine weitere, zwischen dem Grundkörper 02 und der ersten Schicht 03 angeordnete Schicht 04, beispielsweise Zwischenschicht 04 auf. Der Grundkörper 02, die mindestens eine weitere Schicht 04 oder mindestens eine andere weitere Schicht und die erste Schicht 03 sind untereinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschmolzen, vorzugsweise verschweißt. Falls mindestens eine andere weitere Schicht vorgesehen ist, ist die mindestens eine andere weitere Schicht zwischen der mindestens einen weiteren Schicht 04 und der ersten Schicht 03 angeordnet.
  • Jede Schicht kann aus einer einzigen oder mehreren Lagen aus insbesondere identischem Material bestehen.
  • Das Werkstück 01 ist insbesondere als Teil eines Arbeitszylinders, insbesondere eines Hydraulikzylinders, vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig als Kolbenstange und/oder Zylinderrohr ausgebildet. Die erste Schicht 03 ist insbesondere als Gleitfläche ausgebildet.
  • Als Material des Grundkörpers 02 ist zumindest teilweise oder vollständig Vergütungsstahl gemäß DIN EN 10083 (vorzugsweise DIN EN 10083-2:2006 (D) und/oder DIN EN 10083-3:2007 (D)) vorgesehen. Insbesondere weist der Grundkörper 02 Kohlenstoff (C) mit einem Massenanteil von 0,20% bis 0,55%, insbesondere von 0,20% bis 0,45% und/oder Silizium (Si) mit einem Massenanteil von höchstens 0,40% und/oder Chrom (Cr) mit einem Massenanteil von 0,9% bis 2,2% und/oder Molybdän (Mo) mit einem Massenanteil von 0,15% bis 0,6% auf. Ein ggf. vorhandener Massenanteil von Vanadium (V) ist gleich oder kleiner als 0,03%.
  • Insbesondere ist das Material des Grundkörpers 02 ein vanadiumfreier oder vanadiumarmer (ein ggf. vorhandener Massenanteil von Vanadium (V) ist gleich oder kleiner als 0,03%.) Cr-Mo-Stahl, insbesondere mit C ≤ 0,35% (Werkstoffgruppe 5 nach CEN ISO/TR 15608:2005). Die einzelnen Vergütungsstähle und deren chemische Zusammensetzung sind folgender Tabelle zu entnehmen. Physikalische Eigenschaften und/oder Meßmethoden und/oder Analysemethoden sind der DIN EN 10083 zu entnehmen.
  • Figure 00070001
  • Figure 00080001
  • Ein Material der ersten Schicht 03 weist zumindest teilweise oder vollständig mindestens eine Kupferlegierung (insbesondere Bronze) vorzugsweise gemäß EN ISO 24373 auf. Insbesondere weist diese erste Schicht 03 Kupfer (Cu) mit einem Gewichtsanteil größer als 60%, insbesondere größer als 75% auf. Zusätzlich zu Kupfer weist die erste Schicht 03 insbesondere Aluminium (Al) mit einem Gewichtsanteil von 6% bis 10%, insbesondere von 7,5% bis 9,5% und/oder Nickel (Ni) mit einem Gewichtsanteil von 0,3% bis 4,0%, insbesondere von 0,8% bis 3,0% und/oder Eisen (Fe) mit einem Gewichtsanteil von 0,1% bis 3,5%, insbesondere von 0,2% bis 2,5% und/oder Mangan (Mn) mit einem Gewichtsanteil von 0,1% bis 3,5%, insbesondere von 0,2% bis 2,5%.
  • Die Kupferlegierung ist insbesondere als Kupfer-Aluminium-Legierung (vorzugsweise CuAl8 (EN ISO 24373 S Cu 6100) oder CuAl8Ni2 (EN ISO 24373 S Cu 6327)) ausgebildet.
  • Als Material der mindestens einen weiteren Schicht 04 ist insbesondere ein Stahl, insbesondere ein Schweißzusatz gemäß DIN EN 14341 April 2011 vorgesehen. Insbesondere weist die mindestens eine weitere Schicht Kohlenstoff (C) mit einem Massenanteil von 0,03% bis 0,18%, insbesondere 0,06% bis 0,14% und/oder Silizium (Si) mit einem Massenanteil von mehr als 0,50%, insbesondere größer als 0,6%, vorzugsweise größer als 0,8% auf.
  • Ein in der mindestens einen weiteren Schicht 04 ggf. vorhandener Massenanteil von Nickel (Ni) ist gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein Massenanteil von Molybdän (Mo) ist gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein Masseanteil von Chrom (Cr) ist gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein Massenanteil von Kupfer (Cu) ist gleich oder kleiner als 0,35% und/oder ein Massenanteil von Vanadium (V) ist gleich oder kleiner als 0,03% und/oder ein Massenanteil von Niob (Nb) ist gleich oder kleiner als 0,03%.
  • Vorzugsweise ist das Material der mindestens einen weiteren Schicht 04 zumindest teilweise oder vollständig ein Schweißzusatz gemäß DIN EN 14341 April 2011 mit dem Kurzzeichen G3Si1 oder G4Si1 oder G3Si2, insbesondere G 42 3 C G3Si1 oder G 42 4 M G3Si1 oder G 4630 G4Si1 oder G 46 4 M G4Si1.
  • Figure 00110001
  • Bei diesen Schweißzusätzen unterscheidet sich die Analyse des Schweißzusatzes unter Umständen (abhängig von der Art des Schutzgases) evtl. von der Analyse des Schweißgutes: Carbofil 1A; G 46 3 C G4Si1, G 46 4 M G4Si1:
    Drahtanalyse Massenanteile in %
    C Si Mn P S
    0,06–0,14 0,8–1,2 1,6–1,9 < 0,025 < 0,025
    Schweißgutanalyse Massenanteile in %
    C Si Mn P S
    0,05–0,10 0,6–0,9 1,0–1,5 < 0,025 < 0,025
  • Eine Dicke d02 des Grundkörpers 02 beträgt beispielsweise 15 bis 35 mm, insbesondere 25 mm.
  • Der Grundkörper 02 wird vor Auftragen der mindestens einen weiteren Schicht 04 vorzugsweise spangebend (fräsen und/oder drehen und/oder schleifen) bearbeitet.
  • Anschließend wird auf den Grundkörper 02 (Beispielsweise 34CrNiMo6) mittels eines Schweißverfahrens, vorzugsweise mittels Metallaktivgasschweißen (MAG), DIN EN ISO 4063: Prozess 135, als die mindestens eine weitere Schicht 04 der Schweißzusatz aufgetragen. Das Schweißverfahren wird vorzugsweise als Auftragschweißen gemäß DIN EN ISO 15614-7:2007 ausgeführt.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine einzige Lage, d. h. eine Schweißraupe für die mindestens eine weitere Schicht 04 aufgetragen. Es ist aber auch möglich mehrere Lagen, d. h. mehrere Schweißraupen aufzutragen.
  • Hierbei wird (bei mehreren Schweißraupen identischer) Schweißzusatz (Carbofil 1A; G 46 3 C G4Si1, G 46 4 M G4Si1) in Form einer Massivdrahtelektrode mit einer Dicke von beispielsweise 1,2 mm mit einer Schweißgeschwindigkeit von 30 bis 45 cm/min, vorzugsweise 38 cm/min aufgetragen. Bei der (ersten) Schweißraupe beträgt die Drahtfördergeschwindigkeit 7,5 bis 10,0 m/min, vorzugsweise 8,0 m/min und/oder die Stromstärke 220 bis 240 A und/oder die Schweißspannung 28 bis 32 V und/oder die Wärmeeinbringung 0,7 bis 0,9 KJ/mm.
  • Nach Auftragen der mindestens einen weiteren Schicht 04 wird die mindestens eine weitere Schicht vorzugsweise spangebend (fräsen und/oder drehen und/oder schleifen) bearbeitet. Eine Dicke d04 der mindestens einen weiteren Schicht 04 beträgt vorzugsweise 1 bis 5 mm, insbesondere 1,5 bis 2,5 mm.
  • Auf die mindestens eine weitere Schicht 04 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine einzige weitere Schicht 04 vorgesehen) wird die erste Schicht 03 (im Ausführungsbeispiel die Deckschicht bzw. Außenschicht) mittels eines Schweißverfahrens, vorzugsweise mittels Metallinertgasschweißen (MIG), DIN EN ISO 4063: Prozess 131, als Schweißzusatz (Frontargen A 2115/8M; EN ISO 24373 S Cu 6100) aufgetragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden mehrere Lagen 06, 07, vorzugsweise zwei Lagen 06, 07, insbesondere Schweißraupen aufgetragen.
  • Hierbei wird bei allen Schweißraupen identischer Schweißzusatz (Frontargen A 2115/8M; EN ISO 24373 S Cu 6100) in Form einer Massivdrahtelektrode mit einer Dicke von beispielsweise 1,2 mm mit einer Schweißgeschwindigkeit von 20 bis 30 cm/min, vorzugsweise 25 cm/min aufgetragen. Bei der ersten Schweißraupe beträgt die Drahtfördergeschwindigkeit 4,0 bis 5,0 m/min, vorzugsweise 4,2 m/min und/oder die Stromstärke 120 bis 140 A und/oder die Schweißspannung 25 bis 26 V und/oder die Wärmeeinbringung 0,5 bis 0,7 KJ/mm. Bei der zweiten Schweißraupe beträgt die Drahtfördergeschwindigkeit 5,0 bis 7,0 m/min, vorzugsweise 6,0 m/min und/oder die Stromstärke 170 bis 200 A und/oder die Schweißspannung 26 bis 27 V und/oder die Wärmeeinbringung 0,85 bis 1,05 KJ/mm.
  • Insbesondere ist die Wärmeeinbringung bei der ersten Schweißraupe geringer als die Wärmeeinbringung mindestens einer nachfolgenden, d. h. der zweiten Schweißraupe.
  • Nach Auftragen der ersten Schicht 03 wird die erste Schicht 03 vorzugsweise spangebend (fräsen und/oder drehen und/oder schleifen) bearbeitet. Eine Dicke d03 der ersten Schicht 03 beträgt vorzugsweise 2 bis 8 mm, insbesondere 4 bis 6 mm.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Werkstück
    02
    Grundkörper
    03
    Schicht, erste, Deckschicht
    04
    Schicht, weitere, Zwischenschicht
    05
    06
    Lage (03)
    07
    Lage (03)

Claims (9)

  1. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) aufweisend einen Grundkörper (02), eine erste Schicht (03) und mindestens eine weitere Schicht (04), wobei die weitere Schicht (04) zwischen dem Grundkörper (02) und der ersten Schicht (03) angeordnet und auf den Grundkörper (02) aufgeschweißt ist, wobei die erste Schicht (03) mit der weiteren Schicht (04) stoffschlüssig verbunden ist, wobei ein Material des Grundkörpers (02) zumindest teilweise oder vollständig Vergütungsstahl ist, wobei der Vergütungsstahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,20% bis 0,45% aufweist, wobei ein Material der mindestens einen weiteren Schicht (04) zumindest teilweise oder vollständig ein Stahl ist, wobei der Stahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,03% bis 0,18% aufweist, wobei ein Material der ersten Schicht (03) zumindest teilweise oder vollständig mindestens eine Kupferlegierung ist.
  2. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergütungsstahl des Grundkörpers (02) Silizium (Si) mit einem Massenanteil von höchstens 0,40% und der Stahl der mindestens einen weiteren Schicht (04) Silizium (Si) mit einem Massenanteil von mehr als 0,50% aufweisen.
  3. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der mindestens einen weiteren Schicht (04) ggf. vorhandener Massenanteil von Nickel (Ni) gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Molybdän (Mo) gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Chrom (Cr) gleich oder kleiner als 0,15% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Kupfer (Cu) gleich oder gleich oder kleiner als 0,35% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Vanadium (V) gleich oder kleiner als 0,03% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Mob (Nb) gleich oder kleiner als 0,03% ist oder sind.
  4. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Vergütungsstahl vorhandener Massenanteil von Chrom (Cr) von 0,9% bis 2,2% und/oder ein Massenanteil Molybdän (Mo) von 0,15% bis 0,6% und/oder ein ggf. vorhandener Massenanteil von Vanadium (V) gleich oder kleiner als 0,03% ist oder sind.
  5. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferlegierung der ersten Schicht (03) CuAl8 oder CuAl8Ni2 ist.
  6. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen weiteren Schicht (04) zumindest teilweise oder vollständig ein Schweißzusatz gemäß DIN EN 14341 April 2011 mit dem Kurzzeichen G3Si1 oder G4Si1 oder G3Si2 ist.
  7. Auftraggeschweißtes Werkstück (01) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (03) als Gleitfläche eines Hydraulikzylinders ausgebildet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes (01) aufweisend einen Grundkörper (02), eine erste Schicht (03) und mindestens eine weitere, zwischen dem Grundkörper (02) und der ersten Schicht (03) angeordnete Schicht (04), wobei ein Material des Grundkörpers (02) zumindest teilweise oder vollständig Vergütungsstahl ist, wobei der Vergütungsstahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,20% bis 0,45% aufweist, wobei ein Material der mindestens einen weiteren Schicht (04) zumindest teilweise oder vollständig Stahl ist, wobei der Stahl Kohlenstoff mit einem Massenanteil von 0,03% bis 0,18% aufweist, wobei ein Material der ersten Schicht (03) zumindest teilweise oder vollständig mindestens eine Kupferlegierung ist, wobei die mindestens eine weitere Schicht (04) auf den Grundkörper (02) aufgeschweißt wird, wobei die erste Schicht (03) auf die mindestens eine weitere Schicht (04) oder mindestens eine andere weitere Schicht aufgeschweißt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung eines auftraggeschweißten Werkstückes (01) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Schicht (04) direkt auf den Grundkörper (02) mittels Metallaktivgasschweißen (MAG) aufgeschweißt ist und dass die erste Schicht (03) direkt auf die mindestens eine weitere Schicht (04) mittels Metallinertgasschweißen (MIG) aufgeschweißt ist.
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