DE1242986B

DE1242986B - Zusatzlegierung zur Verwendung beim Schweissen und Stahlherstellen

Info

Publication number: DE1242986B
Application number: DEK45499A
Authority: DE
Inventors: Kazuji Kusaka
Original assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 1960-12-26
Filing date: 1961-12-22
Publication date: 1967-06-22
Also published as: GB1013251A; US3211549A; BE611947A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B23k

Deutsche KL: 49 h-36/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 242 986
K45499VI a/49h
22. Dezember 1961
22. Juni 1967

Die Erfindung betrifft Zusatzlegierungen zur Verwendung beim Schweißen und Stahlherstellen auf der Basis einer Silicium-Calcium-Legierung unter Cer-Zusatz bzw. auf der Basis einer Silicium-Eisen-Legierung unter Zusatz Seltener Erdmetalle.

Aus der franzöisschen Patentschrift 1 199 043 sind Legierungen auf der Basis von Silicium und Calcium bekannt, in denen einem Calciumsilicid, das aus 20 bis 35% Calcium, etwa 2 bis 7% Eisen, bis zu 1% Kohlenstoff und 55 bis 65% Silicium besteht, noch bis zu 3 % Cer zugesetzt werden. Solche Legierungen werden zum Entschwefeln von Schmelzen oder als Zusatz zur Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet.

Aus der britischen Patentschrift 827 166 sind Zusatzlegierungen für Eisenschmelzbäder bekannt, die zwischen 40 und 80% Silicium, zwischen 5 und 30% Magnesium und zwischen 0,5 und 6% Seltene Erdmetalle bzw. Mischungen Seltener Erdmetalle enthalten, in denen der maximale Cer-Gehalt 3% be- *» trägt.

Die aus der USA.-Patentschrift 2 810 640 bekannten Zusatzlegierungen bestehen aus einer Mischung von etwa 25 bis 93% Seltener Erdmetalle und etwa 7 bis 75% eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Zirkonium, Titan und Hafnium, enthalten aber kein Calcium, Eisen, Silicium.

Die aus der USA.-Patentschrift 2 850 381 bekannten borhaltigen Zusatzlegierungen, die zu etwa 10 bis 95% aus Mangan, bis zu etwa 75% aus Nickel, zu etwa 5 bis 60% aus Seltenen Erdmetallen und zu etwa 1 bis 10% aus Bor, Rest Eisen bestehen, werden einem Stahlbad zugesetzt, um die Zähigkeit und Härtbarkeit des Stahls zu steigern. Es ist auch bekannt, daß die Härtbarkeit von Stahl bereits durch Zugabe von geringen Mengen Bor, wie z. B. 0,01 %, erheblich gesteigert werden kann, wohingegen jedoch die Zähigkeit des dadurch hergestellten Stahls erheblich vermindert wird. Im Hinblick auf die Zähigkeit des Stahls ist es deshalb nachteilig, gemäß der USA.-Patentschrift 2 850 381 Bor in Form einer Legierung zuzusetzen.

Ferner ist bekannt, in die Schmelze für rostfreien Stahl ein Oxyd eines Seltenen Erdmetalls einzumischen. Es ist jedoch nicht vorstellbar, daß ein derartiges Oxyd zu dem Metall reduziert wird und eine Desoxydierungs- und Desulfurierungswirkung zeigt.

Es ist auch bekannt, durch Zugabe einer geringen Menge einer durch Elektrolyse eines speziellen, geschmolzenen Salzes erhaltenen Mischmetall-Legierung die Qualität von Stahl zu verbessern. Diese Legierung läßt sich jedoch nicht in großem Ansatz wirt-Zusatzlegierung zur Verwendung beim Schweißen und Stahlherstellen

Anmelder:

Kazuji Kusaka, Fujisawa City, Kanagawa;

Yawata Iron & Steel Co., Ltd., Tokio (Japan)

Vertreter:

Dr. F. Zumstein,

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann
und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:

Kazuji Kusaka, Fujisawa City, Kanagawa (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 26. Dezember 1960 (50 142)

schaftlich herstellen. Sie ist so schwierig zu pulverisieren, und ihr Schmelzpunkt von 700° C ist von demjenigen des Stahls so verschieden, daß es nicht möglich ist, sie für die Schmelzen für Elektroden zu verwenden.

Die erfindungsgemäßen Zusatzlegierungen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 12 bis 20^e/o Cer, 7 bis 15% Lanthan, 8 bis 10% mindestens eines der Elemente Praseodym, Neodym oder Samarium, 2 bis 25% Calcium, 3 bis 15% Eisen, Rest Silicium und Verunreinigungen bzw. aus 16% Seltenen Erdmetallen, 45% Eisen, Rest Silicium und Verunreinigungen bestehen.

Die erfindungsgemäßen Legierungen können durch Umsetzung der Grundlegierung, der Silicium-Calcium-Legierung bzw. der Silicium-Eisen-Legierung, mit Seltenen Erdmetallhalogeniden bei einer hohen Temperatur industriell erhalten werden. Diese Legierungen besitzen Schmelzpunkte oberhalb 1100° C, sind selbst bei Raumtemperatur stabil und können mittels eines Brechers leicht pulverisiert werden. Sie werden als Zusätze zur Verbesserung der Qualität von Stahl angewendet. Schon die Zugabe einer kleinen Menge eines derartigen Pulvers zu der Schmelze erweist sich als wirksam.

Die erfmdungsgemäßen Legierungen sind ferner bei der Herstellung einer Umhüllung auf einer Lichtbogenschweißelektrode, sowohl aus Kohlenstoffstahl

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als auch aus Legierungsstahl, oder als Zusatzmaterial für das Schweißmittel verwendbar, wenn eine Lichtbogenschweißelektrode als Zufuhrelektrode mit einem Schweißmittel wie beim Unterpulver- bzw. Union-Melt-Schweißverfahren verwendet wird.

Der überraschende Vorteil besteht darin, daß der Teil des Stahls, welcher unter Verwendung einer derartigen Elektrode geschweißt wurde, wenig Gas- und nichtmetallische Einschlüsse enthält und daß ein Schweißauftrag von guter Qualität erzielt wird, wobei insbesondere der Charpy-Wert für die Kerbschlagzähigkeit eines derartig niedergelegten Schweißgutes bei niedrigen Temperaturen günstig ist.

Die erfindungsgemäßen, Metalle der Seltenen Erden enthaltenden Zusatzlegierungen bewirken nicht nur die Entfernung von Sauerstoff und Schwefel aus geschmolzenem Eisen und Stahl, selbst wenn sie nur zu 0,2% verwendet werden, sondern sind auch fähig, die niedergelegte Schweiße zu reinigen und eine Ablagerung von Graphit von hohem Kohlenstoffstahl zu bewirken. Sie zeigen bei der Zugabe zur Schmelze eine stärkere Desoxydierungs- und Desulfurierungswirkung als die bekannten Fe-Mn- und Fe-Si-Legierungen, die auch dann wirksam bleibt, wenn die Metalle in der niedergelegten Schweiße verbleiben.

Wenn sie der Schweiße von Elektroden zugesetzt werden sollen, können 1 bis 10% der gepulverten Legierung in das Umhüllungsmaterial eingemischt werden und dann zum Überzug aufgetragen werden.

Falls eine Natriumsilicatlösung in dem Umhüllungsmaterial verwendet werden soll, kann eine Legierung mit einem so niedrigen Calciumgehalt wie möglich verwendet werden, beispielsweise mit 32°/o Seltenen Erdmetallen, 4% Calcium und 10% Eisen, wobei der Rest aus Silicium besteht, da, falls zuviel Calcium vorhanden ist, es sehr leicht mit Natriumsilicat unter Bildung von Blasen reagieren kann.

Die folgenden Analysen auf die fünf Elemente (C, Si, Mn, P und S) eines niedergelegten Schweißgutes ergaben sich bei Verwendung einer Elektrode

zo aus Weichstahl.

Zusatz
an der Legierung

⁰Zo

Analyse des Schweißgutes, %

Charpy-Werte

in kg · m/cm² bei

-20° C mit y-Kerben-

Prüfstück

0
1

3
5

0,08
0,07
0,09
0,08

0,18
0,18
0,24
0,29

0,018
0,016
0,016
0,017

0,019
0,017
0,016
0.014

10
12
15

Daraus ergibt sich, daß der Prozentsatz an Schwefel in dem mit der Elektrode niedergelegten Schweißgut vermindert wurde, während sich bei der metallographischen Gefügeuntersuchung wenig nichtmetallische Einschlüsse fanden. Insbesondere trat der Effekt auf, das Al₂O₃ und eutektische Einschlüsse ganz entschieden abnahmen. Insbesondere ist zu erwähnen, daß die Charpy-Werte für die Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen hoch waren. Weiterhin zeigte das mit einer basischen Elektrode, in deren Umhüllung 7% der erfindungsgemäßen Legierung gemischt worden waren, niedergelegte Schweißgut beim Auftragsschweißen zur Erzielung verschleißfester Schichten eine geeignete Härte und Graphitausbildung, wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht.

C 1,2Vo

Si 1,1%

Mn 0,75%

Rockwell-Härte C 41—44

Gefüge Sorbit + Graphit

Dies ist ein bedeutsamer Faktor für das Auftrags- Seltenen Erdmetallen, 45% Eisen, Rest Silicium. Es

schweißen derartiger Stahllegierungen. ergab sich, daß das mit einer durch Zugabe von 2°/o

Das Vorstehende stellt ein Beispiel einer erfin- 50 einer Legierung aus 16% Seltenen Erdmetallen und dungsgemäßen Seltene-Erdmetalle-Ca-Si-Fe-Legie- 45% Eisen, wobei der Rest aus Silicium bestand, zur rung mit einem hohen Gehalt an Seltenen Erdmetal- rutilsauren Umhüllung versehenen Elektrode niederlen dar. In gleicher Weise wurde nicht nur die vor- gelegte Schweißgut die in der folgenden Tabelle aufstehende Legierung hergestellt und untersucht, son- geführten Eigenschaften besaß und daß der Charpydern auch die erfindungsgemäße, Seltene Erdmetalle 55 Wert und der Dehnungswert günstig waren,
enthaltende Ferrolegierung, bestehend aus 16%

Zusatz an der Legierung Vo	Zugfestigkeit in kg/mm²	Dehnung Vo	Charpy-Werte bei -20° C kgm/cm²	C Vo	Si Vo	Mn Vo
0 2	51,5 48,2	17,4 19,6	12,3 14,5	0,08 0,09	0,33 0,38	0,65 0,66

Weiterhin ergaben sich auch beim Vergleich des niedergelegten Schweißgutes im Falle der Aufbringung auf rostfreien 18/8-Stahl bei Verwendung einer rostfreien Stahlelektrode mit einer Kalk-Titandioxyd-Umhüllung, in welche 3% dieser erfindungsgemäßen Legierung eingemischt waren, die in der folgenden

Claims

Tabelle aufgeführten Unterschiede im Vergleich mit der Umhüllung, zu welcher keine Legierung zugesetzt worden war. Der Dehnungswert war günstig. Zusatz an der Legierung °/oZugfestigkeit kg/mm2Dehnung Vo0 368,5 66,434,1 36,5 Weiterhin zeigte sich entsprechend der folgenden Tabelle ein Unterschied zwischen dem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, zu welchem eine kleine Menge einer erfindungsgemäßen Seltene-Erdmetall-Ca-Si-Fe-Legierung (30% Seltener Erdmetalle) zugegeben worden war und dem Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, dem keine Legierung zugegeben worden war, und es wurde im Fall der Zugabe von 0,3% dieser erfindungsgemäßen Legierung ein ίο Graphitstahl erhalten, sobald er gegossen war. Zusatz an der Legierung VoC VoSi VoMn VoR* VoBrinellhärte kg/mm2Gefüge0 0,31,5 1,51,0 1,10,80 0,810,00 0,02380 240Cementit + Perlit Körniger Graphit + Perlit * R bedeutet Seltene Erdmetalle. Die Seltene Erdmetalle enthaltenden erfindungsgemäßen Legierungen stellen eine sehr wertvolle Zusatzlegierung für die Stahlherstellung dar, und das Einlegieren einer kleinen Menge dieser Legierungen in das mit einer üblich umhüllten Lichtbogenschweißelektrode niedergelegte Schweißgut führt zu einer guten Qualität desselben. Diese überraschenden Vorteile der erfindungsgemäßen Zusatzlegierungen gegenüber den aus der französischen Patentschrift 1199 043 und der britischen Patentschrift 827 166 bekannten Zusatzlegierungen werden durch die erfindungsgemäße Anwendung wesentlich höherer Cer-Gehalte bzw. höherer Gehalte an Seltenen Erdmetallen erzielt. An Hand eines Vergleichsversuchs wird die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Zusatzlegierungen, die kein Bor enthalten, über die aus der USA.-Patentschrift 2 850 381 bekannte borhaltige Zusatzlegierung nachgewiesen. In dem Vergleichsversuch wurden die erfindungsgemäße Silicium-Calcium-Legierung mit Cer-Zusatz und eine Legierung gemäß der obigen USA.-Patentschrift zu Stahlbädern, die dieselbe Zusammensetzung aufwiesen (0,10 % C, 0,35 Vo Si, 0,45 % Mn, 0,03 % P, 0,02% S, Rest Eisen), zugegeben. Die Stähle wurden nach dem Charpy-Versuch auf Kerbschlagzähigkeit untersucht, wobei folgende Werte erhalten wurden: ZusatzC VoSi o/oCe VoB VoCharpy-Wert (-20° C) mkg/cm2Legierung nach der USA.-Patentschrift 2 850 381 .. Erfindungsgemäße Legierung 0,11 0,100,43 0,450,018 0,0200,0068,5 11,3 Es ergibt sich eindeutig ein höherer Charpy-Wert für die Kerbschlagzähigkeit bei Zusatz der erfindungsgemäßen Legierung. Ein weiterer, nicht unwesentlicher Vorteil gegenüber der Legierung nach der USA.-Patentschrift 2 850381 besteht darin, daß erfindungsgemäß eine weit billigere Legierung verwendet werden kann, da Bor ein ziemlich teures Material darstellt, und trotzdem überlegene Ergebnisse erzielt werden. Patentansprüche:

1. Zusatzlegierung zur Verwendung beim Schweißen und Stahlherstellen auf der Basis einer Silicium-Calcium-Legierung unter Cer-Zusatz, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 12 bis 20% Cer, 7 bis 15 «/0 Lanthan, 8 bis 10 % mindestens eines der Elemente Praseodym, Neodym oder Samarium, 2 bis 25% Calcium, 3 bis 15% Eisen, Rest Silicium und Verunreinigungen besteht.

2. Zusatzlegierung zur Verwendung beim Schweißen und Stahlherstellen auf der Basis einer Silicium-Eisen-Legierung unter Zusatz Seltener Erdmetalle, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 16% Seltenen Erdmetallen, 45% Eisen, Rest Silicium und Verunreinigungen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1199 043;
britische Patentschrift Nr. 827166;
USA.-Patentschriften Nr. 2 810 640, 2 850 381.