DE1508328B1

DE1508328B1 - Agglomeriertes elektrisch praktisch nicht leitendesschweisspulver

Info

Publication number: DE1508328B1
Application number: DE19661508328
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Baach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-06-02
Filing date: 1966-04-26
Publication date: 1971-04-22
Also published as: CH450873A; SE320868B; GB1138974A; ES328028A1

Description

Die Erfindung betrifft ein agglomeriertes, elektrisch praktisch nicht leitendes Schweißpulver für die Unterpulverschweißung von Eisen oder Eisenlegierungen, bestehend neben einer Bindemittelkomponente aus einer Komponente aus Schlackebildnern und metallischen Bestandteilen.

Zur Erhöhung der Abschmelzleistung bei der Elektroschweißung von Eisenmetallen ist es bekannt, zusätzlich zum eigentlichen Elektrodenmetall weiteres Metall einzuführen, z. B. Eisenpulver in die Umhüllungsmasse von Mantelelektroden einzuarbeiten. Beim automatischen CO₂-Schweißen wurde zum gleichen Zweck vorgeschlagen, hohlen oder gefalzten Draht zu verwenden, dessen Hohlraum mit Eisenpulver und'oder Schlackenbildner gefüllt ist. Schließlieh wurde versucht, einem agglomerierten Schweißmittel für die Unterpulverschweißung von Eisenmetall Eisenpulver beizufügen. Der Zusatz des Eisenpulvers erfolgt zum fertigen Schweißmittelgranulat in einer Menge von bis zu 30 Gewichtsprozent. Trotz der mit diesem experimentellen Material erzielbaren Erhöhung der Abschmelzleistung konnten sich derartige Schweißmittel in der Praxis nicht einführen. Ein Grund hierfür besteht darin, daß die Mischung von Schweißmittelagglomerat und Eisenpulver eine ausgeprägte Neigung zur Entmischung während der Lagerung bzw. des Transportes zeigt und zu einem völlig unhomogenen Material führt. Ein weiterer Grund besteht darin, daß die genannten Mischungen im oberen Bereich des angegebenen Eisengehaltes in zunehmendem Maße elektrisch leitfähig werden, was die Unterpulverschweißung erschwert bzw. verunmöglicht.

Es ist ein Schweißpulver für die Unterpulverschweißung bekannt (britische Patentschrift 933 820), das im Lichtbogenofen erschmolzen und hierauf zerkleinert wird. Es weist einen Metallnebel in feinstverteilter Form in einer Grundmasse aus einem oder mehreren Metalloxyden auf, dessen Anteil jedoch sehr gering, d. h. nur wenige Prozent, ist und der als Desoxydationsmittel wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schweißpulver zu schaffen, das zur Erhöhung der Abschmelzleistung einen hohen metallischen Anteil aufweist, das durch Agglomerieren mittels eines Bindemittels hergestellt ist und außerdem eine von Lagerungs- und Transportbedingungen unabhängige homogene Zusammensetzung aufweist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Schweißpulver der eingangs beschriebenen Art gelöst, das sich dadurch kennzeichnet, daß die Komponente aus Schlackebildnern und metallischen Bestandteilen aus 5 bis 70% eines oder mehrerer der Schlackebildner, Calciumfluorid (CaF₂), Siliziumdioxyd (SiO₂), Zirkoniumoxyd (ZrO₂), Aluminiumoxyd (Al₂O₃), Manganoxyd (MnO), Calciumoxyd (CaO), Bariumoxyd (BaO) und Magnesiumoxyd (MgO), wobei die Oxyde auch als komplexe Oxyde vorhanden sein können, und 30 bis 95% metallischem Anteil, der wiederum, bezogen auf das Gesamtgewicht, aus O bis 4O°/o eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Silizium, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Niob, Bor, Zirkonium, Titan, Aluminium, Magnesium, Calcium, Rest Eisen neben herstellungsmäßig bedingten Verunreinigungen, besteht.

Der metallische Anteil des erfindungsgemäßen Schweißpulvers enthält Eisen in metallischer, praktisch unlegierter Form und vorzugsweise in einer Menge von mindestens 30 Gewichtsprozent, bezogen auf das gesamte Schweißmittel (ohne Bindemittelkomponente). Der Eisenanteil liegt vorzugsweise erheblich höher und kann 90 Gewichtsprozent oder mehr des erfindungsgemäßen Schweißpulvers ausmachen, ohne daß dieses elektrisch leitfähig wird oder Entmischungserscheinungen zeigt. Als praktisch unlegiertes Eisen ist dabei in der Regel ein solches mit einem Anteil von mindestens 95% Fe zu verstehen. Technische Eisenpulver mit mindestens 98% Fe sind geeignet und werden aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt. Sie enthalten in der Regel geringe Mengen von Verunreinigungen, z. B. bis zu 0,2% C, bis zu 0,5% Mn, bis zu 0,25% Si, bis zu 0,05% S und bis zu 0,05% P. Diese Anteile sind für das vorliegende Schweißmittel ebenso ohne Bedeutung wie allfällig weitere in Spurenmengen vorhandene Komponenten des Eisens.

Der metallische Anteil des erfindungsgemäßen Schweißpulvers (unlegiertes Eisen und allfällige Legierungs- oder Desoxydationsmittel) ist praktisch gleichmäßig in den Körnern des Granulates enthalten, wie im folgenden eingehender erläutert. Der metallische Anteil macht in der Regel 30 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindestens 50 Gewichtsprozent des Schweißmittelpulvers (ohne Bindemittelkomponente) aus. Weist praktisch jedes Korn des Granulates einen Kern aus Eisen auf, der eine mindestens überwiegend aus Schlackebildner bestehende Umhüllung hat, so kann der metallische Anteil des Schweißmittels mindestens zu 70% seines Gewichtes aus praktisch unlegiertem Eisen bestehen.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schweißpulvers kann grundsätzlich so vorgegangen werden, wie dies zur Herstellung agglomerierter Schweißmittel üblich ist. Dazu wird eine Pulvermischung mit Hilfe eines Bindemittels agglomeriert und die so erhaltenen Körner aus agglomerierter Pulvermischung erwärmt, z.B. auf 300 bis 500° C. Es können die üblichen Bindemittel, insbesondere Wasserglas, verwendet werden. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schweißpulvers kann für die Agglomerierung eine Pulvermischung verwendet werden, die mindestens 30 Gewichtsprozent Eisen in Form von Teilchen aus praktisch unlegiertem Eisen enthält. Vorzugsweise sind die Eisenteilchen größer als alle anderen Komponenten der Pulvermischung. Dies führt zur Bildung eines Agglomerates, in welchem die relativ groben Eisenpulverteilchen von den feineren Schlackenbildnerteilchen praktisch völlig umhüllt sind, so daß das entstehende Granulat nach dem Trocknen gesamthaft elektrisch nicht leitend ist. »Elektrisch nicht leitend« bedeutet hierbei, daß das feste, d. h. nicht geschmolzene Schweißmittel keine elektrische Verbindung zwischen Elektrodendraht und Grundmetall unter den gegebenen Schweißbedingungen herbeiführt.

In der Zeichnung sind Beispiele für die Struktur der einzelnen Körner des erfindungsgemäßen Schweißpulvers erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Schweißmittelkorn mit Eisenkern,

F i g. 2 einen schematischen Schnitt durch ein Schweißmittelkorn mit Kern aus Schlackebildner und

F i g. 3 einen schematischen Schnitt durch ein Schweißmittelkorn gleichmäßiger Agglomerierung.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 einen Kern 1 aus prak-

3 4

tisch unlegiertem Eisen mit einer Umhüllung aus gemäßen Schweißmittels ausmacht, ist diese Aus-Schlackebildnerteilchen 3 und Legierungs- oder Des- führungsform weniger bevorzugt. Die Korngröße der Oxydationsteilchen 2. Der schematische Aufbau eines Agglomeratkörner liegt in der für diesen Schweiß-Materials bleibt auch ohne die Kornkomponente 2 mitteltyp üblichen Größe und beträgt z. B. etwa 1 praktisch gleich, d. h. zeigt eine Ummantelung des 5 bis etwa 5 mm, bei einem bevorzugten Mittelwert Eisenkernes 1 mit einer nicht leitenden Schicht aus von etwa 2 bis etwa 3 mm. Wie oben erwähnt, er-Schlackebildnerteilchen. In dieser und den anderen möglicht der in F i g. 1 schematisch dargestellte Figuren sind die Eisenteilchen jeweils senkrecht Aufbau den höchsten Eisenanteil, ohne elektrisch schraffiert, die Schlackebildnerteilchen jeweils weiß, leitend zu werden.

die Teilchen aus Desoxydations-oder Legierungskom- io In den folgenden Beispielen beziehen sich alle

ponenten jeweils kreuzweise schraffiert gezeichnet. Angaben in Prozent aus das Gewicht. Der Hinweis

Es ist zu betonen, daß die in den F i g. 1 bis 3 DIN bezieht sich auf die Deutschen Industriedargestellte Struktur der Agglomerate schematischer Normen. Die Abkürzung HV bedeutet Vickers-Härte. Art ist und nicht notwendigerweise die tatsächlichen . · ι -,
Größenverhältnisse wiedergibt. Der Eisenkern 1 von 15 B e 1 s ρ 1 e 1 1
Fig. 1 liegt z.B. nicht notwendigerweise genau im Es wird folgende Pulvermischung bereitet (alle Zentrum des Kornes und besteht nicht notwendiger- Angaben in Gewichtsprozent): 67% Eisenpulver weise aus einem einzelnen zusammenhängenden (technisches Pulver, Zusammensetzung wie vor-Eisenteilchen. Vielmehr kann der Kern auch aus stehend angegeben), Korngröße 0,5 bis 1 mm, 2% zwei oder mehreren Eisenteilchen bestehen, die mehr 20 Silikomangan mit einer Korngröße von etwa 0,05 mm, oder weniger durch Partikel aus den feineren Korn- 20% Wollastonit mit einer Korngröße von etwa ponenten des Agglomerates getrennt sind. Wesent- 0,05 mm, 6 % Flußspat mit einer Korngröße von lieh ist in diesem Fall, daß die Eisenkomponente 0,005 bis 0,3 mm und 5 % Zirkonsilikat mit einer einen erheblichen, d. h. 30 bis 90% und mehr der Korngröße von etwa 0,1 mm. Diese Pulvermischung Granulatzusammensetzung ausmachenden Anteil 25 wird unter Zugabe von etwa 5 bis 10% Wasserglas bildet und daß die Eisenteilchen von den nicht leiten- zu einer körnigen Masse agglomeriert, wobei die den Schlackebildnerteilchen so umhüllt sind, daß mineralischen Bestandteile und das Desoxydationsdas Granulat nicht elektrisch leitet. F i g. 1 zeigt, mittel (Silikomangan) die relativ groben Eisenpulverdaß mit dieser bevorzugten Strukturform des erfin- teilchen vollkommen umhüllen, so daß nach dem dungsgemäßen Agglomerates die bisher übliche 30 Trocknen ein in seiner Gesamtheit nicht leitendes Schlackebasis der konventionell agglomerierten Schweißpulver entsteht. Die so erhaltene körnige Schweißmittel verlassen werden kann und daß ein Masse wird ausgesiebt und die Siebfraktionen mit elektrisch nicht leitendes Agglomerat auf metallischer einer Größe von 0,3 bis 2,0 mm bei 400 ± 100° C Basis, insbesondere auf Basis von Eisen, gebildet geglüht,
werden kann. 35 Das so erhaltene Material stellt ein ausgezeich-

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch ein einzelnes netes agglomeriertes Schweißpulver für die UnterKorn oder Agglomerat mit einem Kern aus Schlacke- pulverschweißung von Eisenmetallen, d. h. Eisen und bildnerS. Dieser Kern ist eingehüllt von weiteren Eisenlegierungen mit überwiegendem Eisenanteil, Schlackebildnerkörnern 3, die jedoch eine feinere dar, ist elektrisch nicht leitend und zeigt eine im Körnung aufweisen als der Kern, und ferner von 40 Vergleich zu üblichen Schweißmitteln um ein Mehr-Eisenteilchen 1 und Teilchen 2 aus metallischem oder f aches höhere Abschmelzleistung (ausgedrückt in halbmetallischem Legierungs- oder Desoxydations- kg/Stunde). Die einzelnen Körner des Granulates material. Diese schematische Darstellung zeigt, daß weisen zum weitaus überwiegenden Teil praktisch im Vergleich zum Aufbau von Fig. 1 nur ein relativ die gleiche Zusammensetzung wie das gesamte geringerer Eisenanteil im einzelnen Agglomeratkorn 45 Schweißmittel auf. Irgendwelche Entmischungsererzielt werden kann, wenn das gesamte Produkt aus scheinungen sind unter allen vorkommenden Bedinderartig aufgebauten Körnern besteht und nicht elek- gungen ausgeschlossen. Die oben angegebenen Korntrisch leitend sein soll. größen der Komponenten der Pulvermischung sind

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Agglomeratkornes nicht besonders kritisch. Vorzugsweise sollten die aus Partikeln ähnlicher Größe, nämlich den Schlacke- 50 Eisenteilchen Größen von etwa 0,5 bis 1 mm aufbildnerteilchen 3, den Eisenteilchen 1 und Teilchen 2 weisen und alle anderen Komponenten der Pulveraus Legierungs- oder Desoxydationsmaterial. Diese mischung mittlere Teilchenabmessungen von 1 bis Ausführungsform steht bezüglich des Eisenanteils, etwa 100 Mikron besitzen,
der in das einzelne Korn eingearbeitet werden kann, . .
ohne das Schweißmittel elektrisch leitend zu machen, 55 B e 1 s ρ 1 e 1 2
zwischen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Aus- Es wird ein Schweißpulver für Verbindungsführungsform. schweißung von unlegiertem Stahl mit einer Festig-

Es ist zu bemerken, daß beim erfindungsgemäßen keit von etwa 52 kg/mm² nach dem im Beispiel 1

Schweißpulver je nach Wahl der Korngröße der angegebenen Verfahren hergestellt. Die Zusammen-

Komponenten der Pulvermischung, die der Agglo- 60 setzung der Ausgangsmischung ist wie folgt:
merierung unterzogen wird, alle drei der in den

F i g. 1 bis 3 schematisch erläuterten Arten von Eisenpulver 67 Gewichtsprozent

agglomerierten Körnern nebeneinander vorliegen Mn (met.) 1 Gewichtsprozent

können. Grundsätzlich ist noch eine weitere Aus- CaO 9 Gewichtsprozent

führungsform möglich, nämlich eine solche mit 65 MnO 3 Gewichtsprozent

einem Kern aus Desoxydations- oder Legierungs- CaF₂ 4 Gewichtsprozent

material. Da die zuletzt genannte Komponente je- ZrO₂ 6 Gewichtsprozent

doch höchstens 40 Gewichtsprozent des erfmdungs- SiO₂ 10 Gewichtsprozent

Beim Verschweißen mit einem normalen S 1-Draht (DIN 8557) liefert dieses Schweißpulver ein Schweißgut, das etwa 1,3 % Mn und etwa 0,5% Si enthält. Im Vergleich zu einer analogen Unterpulverschweißung mit einem Schweißpulver, das kein unlegiertes Eisen enthielt, ist die Abschmelzleistung mit dem erfindungsgemäßen Schweißpulver etwa zwei- bis dreimal höher, und zwar unabhängig von der Stromstärke.

Beispiel 3 *°

Nach dem Verfahren von Beispiel 1 wird ein Schweißpulver für höherfesten Stahl aus einer Pulvermischung folgender Zusammensetzung hergestellt:

Eisenpulver 66 Gewichtsprozent ¹S

Mo (met.) 0,5 Gewichtsprozent

Cr (met.) 0,5 Gewichtsprozent

Ni (met.) 3 Gewichtsprozent

Mn (met.) 2 Gewichtsprozent

MgO 6 Gewichtsprozent ^zo

CaO 6 Gewichtsprozent

CaF₂ 5 Gewichtsprozent

SiO₂ 11 Gewichtsprozent

Mit einem normalen S 1-Draht (DIN 8557) verschweißt, erhält man mit diesem Schweißpulver ein Schweißgut mit etwa 70 kg/mm² Streckgrenze und guten Kerbschlagwerten bei tieferen Temperaturen.

Beispiel 4

Es wird ein Schweißpulver für Hartauftragsschweißungen aus einer Pulvermischung der angegebenen Zusammensetzung nach dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt:

Eisenpulver 60 Gewichtsprozent

Cr (met.) 4 Gewichtsprozent

Mo (met.) 1 Gewichtsprozent

Mn (met.) 1 Gewichtsprozent

Si (met.) 1 Gewichtsprozent

CaO 10 Gewichtsprozent

ZrO₂ 6 Gewichtsprozent

SiO₂ 12 Gewichtsprozent

CaF₂ 5 Gewichtsprozent

Mit einem normalen S 1-Draht verschweißt, ergibt sich ein Schweißgut mit einer Härte von HV = 350, das eine hohe Rißsicherheit aufweist und für Hartauftragsschweißungen geeignet ist.

50 Beispiel 5

Ein Schweißpulver zum Plattieren von unlegiertem Stahl mit rostfreiem Schweißgut in einer Lage wird nach dem Verfahren von Beispiel 1 aus einer Pulvermischung folgender Zusammensetzung bereitet:

Eisenpulver 17 Gewichtsprozent

Ni (met.) 13 Gewichtsprozent

Cr (met.) 22 Gewichtsprozent

Mn (met.) 2 Gewichtsprozent

CaO 15 Gewichtsprozent

CaF₂ 10 Gewichtsprozent

ZrO₂ 6 Gewichtsprozent

SiO₂ 15 Gewichtsprozent

Mit einem austenitischen Zusatzdraht vom Typ Cr 8 Ni erhält man auf einem unlegierten Stahl (St. 37) in einer Lage ein Schweißgut mit einem Ferritgehalt von etwa 5°/o. Die Härtespitzen im Übergang vom Schweißgut zum Grundmaterial sind sehr gering (HV max. 200).

Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße Schweißpulver folgende Vorteile:

Gleichmäßige Zusammensetzung von Schweißmittel und Schweißgut unter praktisch allen Bedingungen des Transportes, der Lagerung und Verwendung; Erhöhung der Abschmelzleistung um ein Mehrfaches bei Vergleich unter sonst analogen Bedingungen, aber mit einem Schweißmittel ohne Eisenanteil; Verbilligung des Schweißgutes, da Eisenpulver billiger ist als das übliche Drahtmaterial; bessere Energieausnutzung, da pro Kilo abgelagertes Schweißgut weniger Schlacke aufgeschmolzen werden muß; Verbesserung der Eigenschaften des Schweißgutes im Vergleich zu normalen Schweißpulvern auf gleicher Schlackebasis; beim Schweißen von vergütetem Stahl kann die wärmebeeinflußte Zone um die Schweißstelle vermindert werden, da bei gleicher Schweißleistung der Wärmeübergang in Joule/cm Schweißnaht erheblich gesenkt werden kann; bei gegebener Raupenhöhe der Schweißnaht kann der Einbrand in das Grundmaterial und der Anteil des Grundmaterials an der gesamten Schweißraupe erheblich verringert werden, was insbesondere für Hartauftragsschweißung wichtig ist; bessere Gleichmäßigkeit des Schweißgutes bei veränderten Schweißdaten.

Claims

Patentansprüche:

1. Agglomeriertes, elektrisch praktisch nicht leitendes Schweißpulver für die Unterpulverschweißung von Eisen oder Eisenlegierungen, bestehend neben einer Bindemittelkomponente aus einer Komponente aus Schlackebildnern und metallischen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente aus Schlackebildnern und metallischen Bestandteilen aus

5 bis 70% eines oder mehrerer der Schlackebildner,

Calciumfluorid (CaF₂),
Siliziumdioxyd (SiO₂),
Zirkoniumoxyd (ZrO.,),
Aluminiumoxyd (Al₂O₃),
Manganoxyd (MnO),
Calciumoxyd (CaO),
Bariumoxyd (BaO) und
Magnesiumoxyd (MgO),
wobei die Oxyde auch als komplexe Oxyde vorhanden sein können, und

30 bis 95 % metallischem Anteil, der wiederum, bezogen auf das Gesamtgewicht, aus O bis 40% eines oder mehrerer der Elemente Mangan, Silizium, Chrom, Nickel, Molybdän, Vanadium, Niob, Bor, Zirkonium, Titan, Aluminium, Magnesium, Calcium, Rest Eisen neben herstellungsmäßig bedingten Verunreinigungen,

besteht.

2. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß es einen metallischen Anteil von mindestens 50% aufweist.

3. Schweißpulver nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Anteil von mindestens 30% Eisenpulver aufweist.

4. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Anteil zu mindestens 70% aus praktisch unlegiertem Eisen besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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