DE10341720B4

DE10341720B4 - Bauteil aus Stahl und Refraktärmetall oder Refraktärmetalllegierung, insbesondere zur Glasherstellung

Info

Publication number: DE10341720B4
Application number: DE10341720A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Witte; Franz-Peter Eckes; Frank Jürgen Druschke; Gregor Rösel; Jörg Schollmayer; Stefan Bauer; Klaus Münke
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: DE10341720A1

Abstract

Bauteil aus Stahl und Molybdän, aus Stahl und Molybdän-Basislegierungen, aus Stahl und Wolfram oder aus Stahl und Wolfram-Basislegierungen, wobei das Bauteil Teil eines Glasschmelzaggregats ist, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Übergang zwischen Stahl und Molybdän, Stahl und Molybdän-Basislegierungen, Stahl und Wolfram oder Stahl und Wolfram-Basislegierungen durch Reibschweißen hergestellt und der Übergang ohne starke Grobkornbildung und damit einhergehender Versprödung der Schweißnaht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Molybdän, Molybdän-Basislegierungen, Wolfram oder Wolfram-Basislegierungen zum Einsatz bei der Glasherstellung oder in Glasschmelzaggregaten.
Refraktärmetalle werden in der Glasindustrie als Konstruktionswerkstoff für thermisch hoch belastete Bauteile eingesetzt. Aufgrund der hohen thermomechanischen Festigkeit und Formstabilität werden häufig Molybdän und Molybdänbasis-Legierungen zur Herstellung von Rührern, Rührerkernen oder Rührnadeln zur Homogenisierung und Portionierung von Glasschmelzen benutzt. Ebenfalls finden Refraktärmetalle bzw. deren Legierungen Anwendung zur Herstellung von Elektroden, Elektrodenhaltern oder Bodenabläufen in Glasschmelzaggregaten.
Bei Anwendung zur Herstellung von Rührern hat das Refraktärmetall häufig die Aufgabe als Stütz- und Tragkern zu wirken. Der Kern aus Refraktärmetall wird häufig mit keramischem Material umgeben und mit einer Edelmetallblechverkleidung ummantelt. Der Übergang vom Refraktärmetallkern des Bauteils zur Dreh- und/oder Hubaufnahme wird häufig als aufwendige Steck-Konus Verbindung ausgeführt. Die sogenannte Rühreraufnahme besteht dabei meist aus einem den Anforderungen entsprechendem Stahl oder Edelstahl. Diese Steckverbindung ist meist relativ aufwendig und kann dazu führen, dass im praktischen Einsatz der Rundlauf des Bauteils nicht sehr exakt ist, was bei der Fertigung besonders hochwertiger Gläser zur Fehlerbildung führen kann.
Um einen guten Rundlauf gewährleisten zu können, muss ein kraftschlüssiger Verbund zwischen beiden Bauteilen erzeugt werden. Es hat sich häufig gezeigt, dass Klemm- und Schraubverbindungen nicht zum geforderten Ziel führten. Das Verschweißen von Refraktärmetallen untereinander mittels konventionellen Schmelzschweißverfahren (z. B. WIG-Schweißen, Elektronenstrahl-Schweißen, Laserschweißen) erzeugt keinen kraftschlüssigen Verbund, auch wenn die Schweißung unter Schutzgas ausgeführt wird. Ursache ist die starke Grobkornbildung und damit einhergehende Versprödung der Schweißnaht. Das Gleiche trifft auch zu für das Verschweißen von Refraktärmetallen mit Stählen. Das Löten von Molybdän an Stahl bietet ebenfalls nur eine eingeschränkte Möglichkeit für kraftschlüssige Verbindungen.
Reibschweißverfahren zur Verbindung von zwei Bauteilen aus Metall und/oder Keramik sind aus der Schrift DE 39 06 582 C1 bekannt. Das Reibschweißen einer Molybdän-Rhenium-Legierung ist in der Schrift DE 693 06 589 T2 beschrieben. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten, wie beispielsweise Molybdän, Niob, Tantal oder dergleichen mit Stahl, mittels Reibschweißen und anschließendem Diffusionsschweißen, sind in der Schrift DE 29 15 418 beschreiben.
Der Schrift DE 1 527 299 A ist zu entnehmen, dass dem Fachmann der Reaktortechnik eine in der Praxis gute Schweißung zwischen Zirkonlegierungen und Stahl bekannt ist. Weiterhin ist zu entnehmen, dass Reibungsschweißen in der experimentellen Phase gute Ergebnisse zeigt, jedoch noch nicht für den industriellen Einsatz bereit ist.
Aus dem Fachbuch von M. Beckert (Herausgeber): „Grundlagen der Schweißtechnik”, Berlin, 8. Auflage, 1977, sind insbesondere aus Bild 11.5 mögliche Verbindungsarten beim Reibschweißen bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verbindung zwischen Stahl und Molybdän, Stahl und Molybdän-Basislegierungen, Stahl und Wolfram oder Stahl und Wolfram-Basislegierungen zu finden, die die genannten Nachteile der Verbindung unterschiedlicher Materialien nicht aufweist und die sich zum Einsatz in Glasschmelzaggregaten und Aggregaten zur Glasheißformgebung eignet.
Gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 3 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Bauteil, das Teil eines Glasschmelzaggregates oder eines Aggregates zur Glasheißformgebung ist, und das aus Stahl und Molybdän, aus Stahl und Molybdän-Basislegierungen, aus Stahl und Wolfram oder aus Stahl und Wolfram-Basislegierungen besteht, der stoffschlüssige Übergang (die stoffschlüssige Verbindung) zwischen Stahl und Molybdän, Stahl und Molybdän Basislegierungen, Stahl und Wolfram oder Stahl und Wolfram-Basislegierungen durch Reibschweißen hergestellt und der Übergang ohne starke Grobkornbildung und damit einhergehender Versprödung der Schweißnaht ist.
In Versuchen wurde überraschend festgestellt, dass mittels Reibschweißungen sehr feste Verbindungen zwischen Molybdän, Molybdän-Basislegierungen, Wolfram oder Wolfram-Basislegierungen und Stählen erzeugt werden können, insbesondere, wenn die richtigen Parameter und Probenvorbereitungen bekannt sind. Diese Methode erlaubt es, sehr schnell und wirtschaftlich Wellen oder Rohre aus Molybdän mit entsprechenden Gegenstücken (Rohre, Scheiben oder Zylinder) aus Stahl zu verschweißen. In Versuchen und praktischen Anwendungen wurden Molybdänwellen (Durchmesser = 30 mm bis 50 mm) kraftschlüssig mit Stählen (z. B. Werkstoff Nr. 1.4541) verbunden. Es konnte sehr deutlich gezeigt werden, dass die Reibschweißparameter und die Probenvorbereitung einen besonders großen Einfluss auf die Qualität und Dauerfestigkeit der Verbindung ausüben. Besonders der Reib- und Stauchdruck, die Reibzeit, Umdrehungsfrequenz, und die Anordnung bei der Reibschweißung haben starken Einfluss. Ob, die dem Reibvorgang nachfolgende Stauchung in die drehende oder stehende Spindel erfolgt, hat einen untergeordneten Einfluss. Die exakten Reibschweißparameter sind sehr stark von der Geometrie, d. h. von der Reibfläche und dem thermomechanischen Verhaltens der Materialien der zu verschweißenden Teile abhängig. Sie müssen für jede Materialpaarung in Vorversuchen bestimmt werden. Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Reibflächen kurz vor dem Verschweißen mittels Sandstrahlen aufgeraut und gereinigt werden. Ebenfalls konnte eine sehr positive Wirkung beobachtet werden, wenn ein Inertgasstrom (z. B. Ar) oder Formiergas (Wasserstoffanteil ca. 5 Vol%) während des Schweißens die Schweißfläche umströmt und die Bildung von Oxiden reduziert.
Der Schweißverbund wurde mittels metallographischer Methoden untersucht. Die Festigkeit der Verbindung wurde mittels Untersuchung der Zugfestigkeit und mittels Umlaufbiegeversuchen charakterisiert. Aufgrund der Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden Schweißparameter identifiziert, die eine sehr gute Qualität und Haltbarkeit der Schweißnaht gewährleisten. Typische Reibschweißparameter für das Verschweißen von Wellen aus Molybdän (Durchmesser = 40 mm) mit 1.4571 (Durchmesser = 40 mm) für das Stauchen in die drehende Spindel (Verzögerungszeit Bremse: 0,6 s, Verzögerungszeit Stauchung: 0,1 s) sind:

• Reibzeit: 15 s (1300 U/min)

• Reibdruck 80 N/mm²

• Stauchdruck 180 N/mm²
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteils erfolgt insbesondere bei Mo-Kernrührern, wie diese typischerweise zum Homogenisieren von Glasschmelzen Verwendung finden, bei Rohrziehnadeln und Rührnadeln, bei Mo-Elektroden oder Elektrodenhaltern.
Bevorzugt werden Stahle und Edelstähle mit Gehalten an Cr von 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, Ni von 1 Gew.-% bis 25 Gew.-%, C > 0,02 Gew.-%.
Durch die Reibverschweißung entsteht vorzugsweise ein Diffusionsverbund an der Berührungsfläche, besonders bevorzugt ist der Diffusionsverbund rissfrei.
Der Verbund ist bei der Ausführung als Rohr vorzugsweise spaltfrei und wasserdicht. Durch Reibschweißungen gefertigte Rohre werden vorzugsweise als Kühlrohre (Kühlmedium: Flüssigkeiten oder Gase) zur Kühlung von Glasschmelzaggregateinbauten (z. B. Elektroden oder Elektrodenhaltern) genutzt.
Die Reibschweißung kann an Luft oder unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann zusätzlich weitere Werkstoffe/Materialien und zusätzliche Verbindungsarten aufweisen.
Sofern das Bauteil Teil eines Glasschmelzaggregats ist, kann es insbesondere ein Rührer oder eine Elektrode oder wenigstens jeweils ein Teil davon sein.

Claims

Bauteil aus Stahl und Molybdän, aus Stahl und Molybdän-Basislegierungen, aus Stahl und Wolfram oder aus Stahl und Wolfram-Basislegierungen, wobei das Bauteil Teil eines Glasschmelzaggregats ist, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Übergang zwischen Stahl und Molybdän, Stahl und Molybdän-Basislegierungen, Stahl und Wolfram oder Stahl und Wolfram-Basislegierungen durch Reibschweißen hergestellt und der Übergang ohne starke Grobkornbildung und damit einhergehender Versprödung der Schweißnaht ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Rührer oder eine Elektrode oder wenigstens jeweils ein Teil davon ist.
Bauteil aus Stahl und Molybdän, aus Stahl und Molybdän-Basislegierungen, aus Stahl und Wolfram oder aus Stahl und Wolfram Basislegierungen, wobei das Bauteil Teil eines Aggregates zur Glasheißformgebung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Übergang zwischen Stahl und Molybdän, Stahl und Molybdän-Basislegierungen, Stahl und Wolfram oder Stahl und Wolfram-Basislegierungen durch Reibschweißen hergestellt und der Übergang ohne starke Grobkornbildung und damit einhergehender Versprödung der Schweißnaht ist.