DE102022112982B4

DE102022112982B4 - Eisenbasiertes Schweißpulver zur Herstellung von verschleißbeständigen Plasma-Auftragschweißungen

Info

Publication number: DE102022112982B4
Application number: DE102022112982.9A
Authority: DE
Inventors: Khaled Alaluss; Hayder Al-Mashhadani; Lars Kulke; Frank Altendorf
Original assignee: ARENZ GmbH; STEINBEIS INNOVATION GGMBH
Current assignee: ARENZ GmbH; STEINBEIS INNOVATION GGMBH
Priority date: 2022-05-23
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2042-05-24
Also published as: DE102022112982A1

Abstract

Eisenbasiertes Schweißpulver zur Herstellung von verschleißbeständigen Plasma-Auftragschweißungen,die aus Eisen (Fe), Kohlenstoff (C) sowie wenigstens einem weiteren Legierungselement, gewählt aus den Elementen Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Wolfram (W), besteht,dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung alle der nachfolgend aufgezählten Legierungselemente enthält: Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Wolfram (W), wobei die Legierungselemente mit folgenden Anteilen enthalten sind,- 0,2 bis 0,7 Gew.% C,- 5,0 bis 10,0 Gew.% Cr,- 3,0 bis 10,0 Gew.% Co,- 4,0 bis 5,5 Gew.% W,- 2,0 bis 4,0 Gew.% Mo,- 0,5 bis 2,0 Gew.% V,- 0 bis 1,5 Gew.% Si und- 0,2 bis 0,4 Gew.% Mnund wobei der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein eisenbasiertes Schweißpulver zur Herstellung von verschleißbeständigen Plasma-Auftragschweißungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Grundsätzliche Anforderungen beim Auftragschweißen sind eine hohe Festigkeit und Abriebbeständigkeit. Für die Herstellung von besonders stark genutzten Auftragschweißungen stellt Kobaltwerkstoff eine Hauptkomponente dar. Kobalt ist jedoch sehr teuer, und sein Marktpreis unterliegt starken Schwankungen.
Zur Erzielung von verschleißbeständigen Auftragschweißungen unter Nutzung von hochwertigen Werkstofflegierungen ähnlich wie Kobalt-, Nickelbasislegierungen, dotiert mit Hartstoffen wie WC/WSC bzw. VC, sind alternativ Eisenbasislegierungen mit definierten thermomechanischen Eigenschaften bekannt.
Obwohl also grundsätzlich geeignete Schweißpulver zur Herstellung beständiger hartauftraggeschweißter Schichten mit hoher Lebensdauer bekannt sind, ist deren Verwendung in der Praxis mitunter nicht wirtschaftlich.
EP 0 411 380 A1 offenbart ein Multi-Komponenten-Verbund-Schweißpulver, das zum Unterpulverschweißen geeignet ist und dessen Metallpulver-Komponente zusammengesetzt ist aus: 0,3% - 0,6% C, 6% bis 20% Cr, 0,1% bis 0,3% Mo, 0,5% Si, 1% bis 15% Ni, Rest Eisen. Kobalt, Wolfram oder Vanadium werden nicht verwendet. Die Erzielung einer besonderen Härt eist nicht als Aufgabe angeführt.
DE 20 41 491 A offenbart ein Verfahren zum Unterpulverschweißen kaltzäher Nickelstähle, wobei eine hohe Zähigkeit und Dichtigkeit bei normalen wie tiefen Temperaturen erzielt werden soll. Eine hohe Härte ist in diesem Anwendungsfall nicht indiziert. Vorgesehen ist kein eisenbasiertes Schweißpulver, sondern ein vollaustenitischer Zusatzwerkstoff, der folgende Elemente enthält: 0,01 - 0,25% C, weniger als 3% Co, weniger als 3% W. weniger als 3% V, 0,1% bis 4,0% Mo, 10,0% bis 20,0 Ni, 0,1% bis 0,8% Si, 2,5% bis 15,0 Mn, Rest Eisen.
JP 2020-138219 A bezieht sich auf ein metallisches Bauteil, das eine Aufbauschicht umfasst. Es besteht aus einem Grundmaterial, bei dem es sich um eine erste Schnellarbeitsstahllegierung handelt, und einer Aufbauschicht aus Pulver einer zweiten Schnellarbeitsstahllegierung auf dem Grundmaterial. Jede der ersten und zweiten Schnellstahllegierungen enthält: C: 1,0 Masse-%-2,6 Masse-%, Si: 1,0 Masse-% oder weniger, Mn: 1,0 Masse-% oder weniger, Cr: 10,0 Masse-% oder weniger, Mo: 10,0 Masse-% % oder weniger, W: 15,0 Massen-% oder weniger, V: 1,0 Massen-% bis 10,0 Massen-%, Co: 15,0 Massen-% oder weniger und der Rest besteht aus Fe und einer unvermeidlichen Verunreinigung.
Aus der DE 697 27 391 T2 ist ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Metallsubstrats mit dem Unterpulverschweißverfahren mit einem/einer oder mehreren abschmelzbaren Elektrodendrähten oder Elektrodenschnüren, wobei das Verfahren das Einleiten eines gas- oder wasserverdüsten vorlegierten Metallpulvers, das große Mengen an Legierungselementen enthält, in ein Schmelzbad umfasst, wobei das Pulver magnetisch an der Außenseite der abschmelzbaren Elektrodendrähte oder -schnüre haftet. DE 1 483 188A beschreibt einen Gegenstand mit aufgeschweißter Verschleißschicht, die aus einem Stahl mit 0,2 bis 1,7 % C, 0,1 bis 1,5 % Si, 0,2 bis 1,5 % Mn, 2 bis 7 Cr, 1 bis 19 % W, 0 bis 10% Mo, 0 bis 6 %V, 0 bis 11% Co, 0 bis 0,3 % Ni, =-0,3 % Cu Rest. Eisen mit den üblichen Verunreinigungen besteht.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines eisenbasierten Schweißpulver zur Herstellung von verschleißbeständigen Plasma-Auftragschweißungen, das einen vermindertem Kobaltgehalt aufweist. Eine damit durchgeführte Auftragschweißung muss außerdem verschleißfest sein und eine entsprechende hohe Härte sowie gute Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Die angestrebten Eigenschaften des Schweißpulvers sind zusammengefasst

- gute Festigkeit/Warmfestigkeit,
- Härte,
- Verschleißbeständigkeit,
- Zerspanbarkeit und
- Schweißbarkeit,

Diese Aufgabe wird durch ein eisenbasiertes Schweißpulver mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Schweißpulver ist bevorzugt als Eisenbasislegierung mit einem höheren Gehalt an solchen Legierungselementen gebildet, welche die Warmhärte und -festigkeit sowie die Abriebbeständigkeit verbessern.
Die Hauptbestandteile des Matrixwerkstoffes sind Werkstoffe wie Kohlenstoff (C), Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Wolfram (W). Diese Legierungselemente sind in dem erfindungsgemäßen Schweißpulver mit folgenden Anteilen enthalten:

- 0,2 bis 0,7 Gew.% C,
- 5,0 bis 10,0 Gew.% Cr,
- 3,0 bis 10,0 Gew.% Co,
- 4,0 bis 5,5 Gew.% W,
- 2,0 bis 4,0 Gew.% Mo,
- 0,5 bis 2,0 Gew.% V,
- 0 bis 1,5 Gew.% Si und
- 0,2 bis 0,4 Gew.% Mn

Dabei ist, wie bei eisenbasierten Schweißpulvern üblich, der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
Bei Auftragsschweißungen die mit dem Schweißpulver nach der Erfindung hergestellt werden, an unlegierten oder niedrig legierten Stählen, auch Edelstahl, bilden sich Legierungen, die durch ein Mikrogefüge aus einer Austenitmatrix auf Fe-Basis und eutektischen Legierungscarbiden gekennzeichnet sind.
Die Erfindung stellt somit eine neue, zur Verwendung als Schweißpulver geeignete Eisenbasislegierung bereit, die eine besonders hohe Warmhärte und -festigkeit aufweist. Zudem bietet das Schweißpulver eine hohe Verschleißbeständigkeit gegenüber Abrasions- und Ermüdungsbeanspruchung mit einer gleichbleibenden Warmhärte bei hohen Temperaturen von bis zu 400 °C geeignet ist und die beständig bei Temperaturwechselbeanspruchung ist. Die Eigenschaften sind mit einer Cobalt-basierten Legierung wie Stellite® 12 HC vergleichbar, oder übertreffen diese sogar noch.
Damit ist bei Anwendung in einem an sich bekannten Auftragschweißverfahren die Herstellung von fehler- und rissfreien Schichtgeometrien mit guten technologischen Eigenschaften in Bezug auf Härte, Gefügeaufbau, gute Haftung mit Grundwerkstoff bei geringerer Aufmischung etc. möglich.
Hierbei zeigt die Bewertung des Einsatzes des neu entwickelten, eisenbasierten Schweißpulvers, dass gegenüber den bekannten Werkstofflegierungen, bessere mechanisch-technologische Eigenschaften sehr gut zu erreichen sind, da im Zusammenwirken mit einem legierten oder niedrig legierten Basiswerkstoff u.a. eine geringere Rissneigung zu beobachten ist.
Hervorzuheben ist der bedeutend günstigere Preis des erfindungsgemäßen Schweißpulvers, die sehr gute Verschleißbeständigkeit und hohe Warmhärte und Warmfestigkeit. Das Potential der Eisenbasislegierung in dem Schweißpulver nach der Erfindung wird hier deutlich: bei sparsamem Einsatz preisintensiver Legierungselemente wie insbesondere Kobalt kann trotzdem ein guter Verschleißschutz bei den des mit der Auftragsschweißung beschichteten Bauteilen gewährleistet werden, auch bei hoher Temperaturbelastung bis zu 400°C. Somit lässt sich eine gute Standzeit für den betrieblichen Einsatz von hochbeanspruchbaren Bauteilfunktionsgeometrien erzielen.
Das erfindungsgemäße Schweißpulver sind insbesondere nach dem traditionellen Gas-Wolfram-Lichtbogenverfahren (GTA) und dem Plasma-Transfer-Lichtbogenverfahren (PTA) ohne Vorwärmung gut schweißbar.
Bei einer mit dem erfindungsgemäßen Schweißpulver hergestellten Auftragsschweißung z. B. auf einem Stahl Werkstoff-Nr. 1.8550 oder auf einem allgemeinen Baustahl wie St52 sind bei der Einlagenschweißung je nach pulverchemischer Zusammensetzung Härtewerte von 53 HRC bis 60 HRC erzielbar. Bei einer Mehrlagenschweißung können Härtewerte der Auftragsschwei-ßungen zwischen 57 HRC und 65 HRC erzielt werden.
Bevorzugte Anwendungen für die neu entwickelte Eisenbasislegierung mittels Plasma-Pulver-Auftragschweißen sind Hartstoffbeschichtungen von hochbeanspruchbaren Bauteilgeometrien wie Extruderschnecken, Zylinderinnenwandungen, Maschinen- und Anlagenbauteile für Werkzeuge, Extruder und Spritzgießmaschinen und kunststoffverarbeitenden Industrie sowie Automobilindustrie zu nennen.
Für die Entwicklung des Schweißpulverkonzeptes nach der Erfindung wurde als erster Schritt eine Pulver-Matrixkombination „Pulverrezeptur“ mit vordefinierter Verteilung von chemischen Elementen wie Fe, Cr, Co, W, Mo, V und Mn im Metallpulvermatrix vermengt und prozentual gemischt. Dafür wurden mehrere Pulverrezepturen - Varianten konzipiert und hergestellt. Für die Realisierung des Schweißpulverkonzeptes auf Eisenbasis mit vordefinierten thermomechanischen Eigenschaften wurden schweißtechnische Untersuchungen zur Herstellung von Hartschichten mit definierten Geometrien und Eigenschaften an ebenen Probenkörpern und in Abhängigkeit von Verfahrensprozessparametern durchgeführt.
Die Untersuchung und Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften der einzelnen Pulvertestrezepturen erfolgte anhand der hergestellten Schichtgeometrien mittels der durchgeführten Plasma-Pulver-Schweißversuche an ebenen Probenträgern und der anschließenden metallografischen Untersuchungen..
1 ist eine tabellarische Aufstellung der chemischen Zusammensetzung von verschiedenen erfindungsgemäßen Schweißpulverrezepturen, die als Nr. 1 bis Nr. 5 bezeichnet sind.
Die oberste Zeile der Tabelle enthält die Intervalle der möglichen Anteile der einzelnen Legierungselemente, mit denen ein Schweißpulver gebildet werden kann. Der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest besteht aus Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
2 ist eine tabellarische Aufstellung der chemischen Zusammensetzung von bekannten, marktverfügbaren Schweißpulvern, die hier als Referenzlegierung bezeichnet sind. Die Rezepturen mit den Nummern 6 bis 8 bezeichnen die Referenzlegierungen:

- Variante 06 Stellite 12HC

- Variante 07 NiBSi

- Variante 08 Eisenbasislegierung: FeCrV15Ni

- Variante 09 Arnit 200 „NiCrBSi
Die chemische Zusammensetzung der einzelnen Testrezepturen wurde anhand von plasma-pulver-auftraggeschweißten Probenstücken mittels einer spektralanalytischen Prüfung ermittelt. Die untersuchten Proben wurden aus dem Schweißgut der auftraggeschweißten Schichten entnommen.
Probengeometrien:
Für die Prüfung der Rezepturen wurden mehrere Probenträger hergestellt, die jeweils aus einer 15mm dicken Metallplatte aus einem Stahl der Sorte S235 bzw. 1.0038 und S355 mit den Abmessungen 150 mm × 300 mm bestanden. Darauf wurde jeweils eine Nut mit einer Tiefe von 1 mm und 30 mm Breite gefräst.
Da die erfindungsgemäße Pulverrezepturen besonders für die Innenauftragsschweißung z. B. an Extruderzylinder geeignet sind, wurde ein Demonstrator in Form eines Zylinderbauteils vorbereitet, das 1,5 m lang war und einen Innendurchmesser von 70 mm bei einer Wanddicke von 40 mm besaß. Dieses bestand aus Stahl der Sorte S335 und 1.8550.
Schweißprozessparameter:

Auf den nach den obigen Angaben vorbereiteten Probenträgern wurde unter Verwendung jeweils einer Schweißpulverrezeptur eine Auftragsschweißung mit den nachfolgend zusammengestellten Schweißprozessparametern durchgeführt:

Prozessparameter	Werte [Einheit]	Bemerkungen
Schweißstrom	120 - 170 [A]
Pilotstrom	20 [A]
Schweißspannung	25 - 35 [V]
Plasmagas	1,5 - 2,0 [l/min]	Argon
Schutzgas	12 - 16 [l/min]	Argon
Fördergas	3,0 - 4,0 [l/min]	Argon
Pulvermenge	10 - 18 [g/min.]	Eisenbasis
Pendelbreite und -dicke in [mm/s]	14 × 2 - 2,0 mm
Pendelgeschwindigkeit	0,3 - 0,8 [mm/s]
Schweißgeschwindigkeit - Brennergeschwindigkeit	2 - 5 [mm/min]
Bauteilrotationsgeschwindigkeit - Zylinderbauteil	1 - 2 [U/min]

Schließlich wurden die fertiggestellten Proben mittels eines Wasserstrahls herausgeschnitten, um ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften untersuchen zu können. Daraus ist feststellbar, dass die Auftragschichten aller Legierungsrezepturen 1 bis 5 sehr gute Härtewerte bis 65 HRC und Warmfestigkeiten bis zu 910 MPa bei T ≥ 400 °C sowie Warmhärte bis zu 40 HRC bei T ≥ 600 °C bei einer guten Verschleißbeständigkeit gemäß dem unten beschriebenen Prüfverfahren aufweisen.
Die damit erzielten Werte der Warmhärte tendieren zu den Warmhärte/Warmfestigkeiten von Kobaltbasislegierungen wie STELLITE ® 12 HC bei T = 600°C. Die Härtewerte bei Raumtemperatur lagen zwischen 50 und 65 HRC, je nach chemischer Zusammensetzung des Pulverrezeptes. Somit lassen sich die thermomechanischen Eigenschaften mittels Variation der chemischen Zusammensetzung des neu entwickelten Eisenbasis-Pulvergemisches je nach Anwendungsfall und Bauteilbeanspruchung gut anpassen.
Weiterhin wurden anhand der untersuchten Auftragschichten der einzelnen Pulverrezepturen - Varianten hinsichtlich der Schichtgeometrie, die möglichst endkonturnah sein und geringe mechanische Nachbearbeitung erfordern sollte, und der thermomechanischen Eigenschaften sowie Härte/Warmhärte, metallographisch-tribologische Eigenschaften „Risse, Poren, Anbindung zum Grundwerkstoff“, Verschleißbeständigkeitsverhalten charakterisiert.
Die Überprüfung des Verschleißverhaltenes wurden mittels Miller-Test „ASTM G75“ durchgeführt. Die aus dem Schweißpulver der Erfindung hergestellte Eisenbasislegierung ist bei der untersuchten Arbeitstemperatur T = 400 °C sehr beständig hinsichtlich der Abrasiv-Gleitverschleißes. Somit lässt sich eine gute Standzeit beim Einsatz dieser Legierung für die herzustellenden Bauteilfunktionsflächen erwarten.
Weiterhin wurden Warmfestigkeitsuntersuchungen an ausgewählten Auftragschichten bei einer Temperatur T = 400 °C durchgeführt und die Art der Bruchflächen ermittelt. Daraus lässt sich feststellen, dass die mit der neu entwickelten Eisenbasislegierung - Pulvermischlegierung hergestellten Auftragschichten rissfrei sind und eine sehr gute Härte bis zu 65 HRC sowie eine bessere Verschleißbeständigkeit gegenüber den auftraggeschweißten Schichten aus herkömmlichen Eisenbasisstandardlegierungen aufweisen. Bzgl. des Korrosionsverhaltens sind alle untersuchten Auftragschichten korrosionsfest gegenüber dem verwendeten Grundwerkstoff S235/S355.
In 3 sind ein Schliffbild 1 des Probenträgers für die Rezeptur 3 und mehrere Mikroskopaufnahmen 2, 3, 4, 5 daraus dargestellt. Alle Aufnahmen beziehen sich auf eine im Plasma-Auftragsschweißverfahren hergestellte Schicht, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schweißpulver erzeugt wurde, und zwar am Innenumfang des Demonstrators. Dort wurde eine beanspruchungsgerechte Auftragschicht aus dem Schweißpulver nach der Erfindung an Zylinderinnenflächen mit einem Grundwerkstoff aus Nitrierstahl rissfrei angebracht.
Das zentrale Schliffbild 1 ist eine Makroaufnahme einer Vierlagenschweißung auf dem Probenträger. Bild 5 zeigt den Übergang zwischen Grundwerkstoff und Auftragsschicht. Bild 2 stellt den Übergang von der zweiten zur dritten Schweißlage dar. Bild 3 ist der Schichtmitte und Bild 4 der Decklage zugeordnet.
In 4 ist eine halbkreisförmige Probe 6 mit zwei Mikroskopaufnahmen 7, 8n dargestellt. Die Probe ist aus dem zylinderförmigen Demonstrator entnommen. Bild 7 zeigt das Gefüge des Grundwerkstoffes des Zylinders. Bild 8 zeigt eine Abbildung einer oberflächennahen Schicht, die als Auftragschicht aus dem neu entwickelten Schweißpulver hergestellt wurde. Hier bildet sich eine fein martensitische Gefügestruktur, welche eine hauptsächlich helle Färbung hat. Der dunkle und somit harte Anteil ist an dieser Stelle sehr gering.

Claims

Eisenbasiertes Schweißpulver zur Herstellung von verschleißbeständigen Plasma-Auftragschweißungen, die aus Eisen (Fe), Kohlenstoff (C) sowie wenigstens einem weiteren Legierungselement, gewählt aus den Elementen Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Wolfram (W), besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung alle der nachfolgend aufgezählten Legierungselemente enthält: Kobalt (Co), Molybdän (Mo), Chrom (Cr), Vanadium (V), Silizium (Si), Mangan (Mn) und Wolfram (W), wobei die Legierungselemente mit folgenden Anteilen enthalten sind, - 0,2 bis 0,7 Gew.% C, - 5,0 bis 10,0 Gew.% Cr, - 3,0 bis 10,0 Gew.% Co, - 4,0 bis 5,5 Gew.% W, - 2,0 bis 4,0 Gew.% Mo, - 0,5 bis 2,0 Gew.% V, - 0 bis 1,5 Gew.% Si und - 0,2 bis 0,4 Gew.% Mn und wobei der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen ist.
Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungselemente in der Metalllegierung mit folgenden Anteilen enthalten sind, wobei der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen ist: ◯ 0,25 bis 0,40 Gew.% C ◯ 8,0 bis 10,0 Gew.% Cr, ◯ 7,5 bis 10,0 Gew.% Co, ◯ 4,2 bis 4,8 Gew.% W, ◯ 2,5 bis 3,5 Gew.% Mo, ◯ 0,4 bis 0,8 Gew.% V, ◯ 0,1 bis 0,5 Gew.% Si und ◯ 0,20 bis 0,30 Gew.% Mn.
Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungselemente in der Metalllegierung mit folgenden Anteilen enthalten sind, wobei der nach Addition der Anteile der vorgenannten Legierungselemente zu 100% verbleibende Rest Eisen mit unvermeidbaren Verunreinigungen ist: ◯ 0,55 bis 0,65 Gew.% C ◯ 8,2 Gew.% Cr, ◯ 5,0 bis 7,5 Gew.% Co, ◯ 5,0 bis 5,8 Gew.% W, ◯ 3,2 bis 3,9 Gew.% Mo, ◯ 1,1 bis 1,9 Gew.% V, ◯ 0,6 bis 1,5 Gew.% Si und ◯ 0,30 bis 0,40 Gew.% Mn.
Verwendung eines Schweißpulvers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer Hartstoffbeschichtung mittels Plasma-Pulver-Auftragschweißen.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung auf einer Extruderschnecke und/oder in einer Zylinderinnenwandung eines Extrudergehäuses aufgetragen wird.