DE1758053B1

DE1758053B1 - Schweisszusatzwerkstoff

Info

Publication number: DE1758053B1
Application number: DE19681758053
Authority: DE
Inventors: Ridenour Charles E; Avery Howard S
Original assignee: Abex Corp
Current assignee: PepsiAmericas Inc
Priority date: 1967-03-27
Filing date: 1968-03-26
Publication date: 1971-09-16
Also published as: FR1568089A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere f ür Auf tragschweißungen an wiederholten Stoßbeanspruchungen ausgesetzten Gegenständen wie Bahnschienen u. dgl., sowie mit Schweißelektroden, die für derartige Auftragschweißungen an austenitischen Manganstählen benutzt werden, die vor allem in Form von Gußteilen vorliegen, aber auch schmiedeeiserne Teile sein können. Dieser Schweißzusatzwerkstoff gleicht in seiner Zusammensetzung dem sogenannten Manganhartstahl, dessen Mangangehalt zwischen 7 und 20 % und Kohlenstoffgehalt zwischen 0,47 und 2% liegen und der mit bis zu 20 % Zusätzen aus einem oder mehreren der Elemente Molybdän, Wolfram, Chrom und Vanadium versehen ist (britische Patentschrift 491 673). Ein solcher Stahl zeichnet sich durch eine sehr hohe Härte aus, die seine Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. In seiner einfachsten Form enthält dieser Stahl 1,0 bis 1,4% Kohlenstoff und 10 bis 14% Mangan. Der Rest ist Eisen mit kleineren Mengen an Silizium und herstellungsbedingten Verunreinigungen wie Phosphor und Schwefel. Üblicherweise wird der Kohlenstoffgehalt der Drahtelektroden für Schweißnähte aus Manganstahl niedriger angesetzt, als er sich für die gewöhnlichen Gußteile eignet. Somit werden, trotz der Tatsache, daß die Zugfestigkeit mit sinkendem Kohlenstoffgehalt abnimmt und sich die Zähigkeit

ίο möglicherweise verschlechtert (unlegierte Manganstähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind minderwertiger), die erhältlichen Schweißzusatzwerkstoffe gewöhnlich mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,7% oder geringer versehen. Dies sei an zwei genormten Güten und verschiedenen geläufigen Güten mit Hilfe der folgenden Tabelle verdeutlicht, in der austenitische Mangan- und Chrom-Mangan-Stähle als Schweißgut von umhüllten Elektroden aufgeführt sind.

Klassifikation	0,5 0,5	C/,	0,9 0,9	Mn ⁰A	16,0 16,0	Cr %	Mo °	'.	Ni %	V	0/ /0
E Fe-Mn—A	bis bis	11,0 bis 11,0 bis	0,5 max. 0,5 max.	0,6 bis	1,4	2,75 min.
EFeMn-B

Silizium: 0,3 bis 1,3%

Phosphor: 0,07% max.

Cl,	Mn %	Cr %	Mo %	Ni %	V%
0,75	15,0	4,0		3,5
0,9	16	16	2,0 max.	2,0 max.
0,7	4	19		10
0,4	4,1	19,5	1,4	10
0,4	15	15		1
0,4	14	15	1,7	1	0,60

Die oben angeführten Elektroden werden nicht nur zur Verbindung und zur Reparatur von Teilen aus Manganstahl verwendet, sondern auch zur Auftragschweißung. Diese Technik wird Panzerung genannt, obgleich die gebräuchlichen Schweißgutlagen nicht immer sehr hart sind.

Ausgehend von diesem Stande der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung nun darin, einen Schweißzusatzwerkstoff zu schaffen, mit dem Manganstähle, die im verarbeiteten Zustand, beispielsweise als Schienenherzstücke von Kreuzungen und Weichen erheblichen wiederholten Stoßen dynamischer Radlasten im Eisenbahnbetrieb ausgesetzt sind, mit Auftragsschweißung versehen können, um dem sich ergebenden Schweißgut bessere mechanische Eigenschaften, insbesondere eine höhere Streckgrenze und höhere Zähigkeit zu verleihen, als die Stähle ohne Auftragsschweißung aufweisen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Schweißzusatzwerkstoff aus 18,9% Mangan, 0,9% Kohlenstoff, 0,3 % Vanadium, Rest Eisen und herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht und daß sich das niedergelegte Schweißgut aus 16 bis 19 % Mangan, 0,8 bis 1,1 % Kohlenstoff, 0,4 bis 0,6 % Vanadium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen zusammensetzt. Die Zugfestigkeit des niedergelegten Schweißgutes ist derjenigen von gewöhnlichem, gegossenem und zäh gemachtem Manganstahl vergleich bar, das Schweißgut besitzt jedoch eine erhebliche höhere Streckgrenze und einen Fließwiderstand, die es zur Aufnahme wiederholter Stoßbelastungen geeignet machen, wie sie in typischer Weise durch Eisenbahnwaggonräder verursacht werden, die ein Weichenherzstück oder eine Kreuzung überqueren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes kann der Schweißzusatzwerkstoff in Form einer umhüllten Elektrode zur Anwendung gelangen, die aus 8,87% Mangan, 12,12% Ferromangan (enthaltend 6,9% Kohlenstoff), 0,63% Ferrovanadium, 4,53 % Eisenpulver (enthaltend 0,06 % Kohlenstoff), 10,35% nichtmetallische, Schlacke und Kohlendioxid bildende Stoffe in der Umhüllung, Rest 63,50 % Eisenlegierung in Form des Kerndrahtes aufweist, wobei diese Legierung sich aus 0,10 bis 0,16% Kohlenstoff, 0,30 bis 0,60% Mangan, bis 0,03% Silizium, bis 0,025% Phosphor, bis 0,035% Schwefel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen zusammensetzt, wobei das niedergelegte Schweißgut die im obigen gekennzeichnete Zusammensetzung aufweist, jedoch mit einem Vanadiumgehalt von 0,45 bis 0,55%.
Des weiteren kann der Schweißzusatzwerkstoff auch in Form einer Seelenelektrode verwendet werden, die sich aus den soeben angeführten Bestandteilen zusammensetzt.
Die Wirkung einer Vielzahl von Legierungsele-

menten auf die Streckgrenze und andere Eigenschaften des austenitischen Manganstahles sind bekannt. In der Figur ist die Wirkung von Vanadium auf gegossenen Manganstahl gezeigt. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß die Streckgrenze von Manganstahl mit ausreichender Zähigkeit durch Zusatz von 0,5% Vanadium von etwa 38 kp/mm² auf 42,5 kp/mm² ansteigt. In diesem Fall wurde bei der zur Einstellung der Zähigkeit vorgenommenen Wärmebehandlung eines Gußkörpers dieser von einer Temperatur von 1093⁰C mit Wasser abgeschreckt. Wenn größere Mengen an Vanadium verwendet werden, verringert sich die Dehnung ganz erheblich. Aus der Figur geht hervor, daß die Dehnung im Zugversuch bei 2,0 °/₀ Vanadium wahrscheinlich unter 5°/₀ liegen würde. Die Streckgrenze würde sich auf annähernd 56,2 kp/mm² erhöhen und damit eine außerordentlich erwünschte Verbesserung mit sich bringen, die jedoch, wie die Figur zeigt, auf Kosten der hier durch die Dehnung ausgedrückten Zähigkeit erlangt würde, so daß sich die ergebende Legierung für den Eisenbahnbetrieb, bei dem als Sicherheitsfaktor eine höhere Zähigkeit verlangt wird, an sich nicht eignen würde.

Es hat sich aber ergeben, daß mit einem Stahl, der 0,9% Kohlenstoff, 17,5% Mangan, 0,5% Vanadium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, enthält und der von einer Schweißelektrode niedergelegt worden ist, sich ein Schweißgut herstellen läßt, dessen Zugfestigkeit derjenigen des gewöhnlichen Manganstahls vergleichbar ist, daß dieser Stahl jedoch darüber hinaus eine erheblich höhere Streckgrenze und eine sehr gute Duktilität unter Stoßbeanspruchung aufweist, die ihn insbesondere für den Eisenbahnbetrieb geeignet machen. In dem Schweißgut tritt die überlegene Streckgrenze auf, insbesondere in den Schweißauftragungen, die aus einer Vielzahl von Lagen bestehen, um Verschleißflächen zu bilden, die durch wiederholte Stoßbelastung verformt werden. Somit eignet sich die genannte Legierung vor allem zur Reparatur von Schienenteilen, die aus Manganstahl bestehen.

Ein verschlissenes, aus Manganstahl bestehendes Schienenherzstück wurde mit dem hier beschriebenen Schweißzusatzwerkstoff repariert, der von der im Beispiel nachfolgend beschriebenen Elektrode stammte. Die Dicke des für die Reparatur erforderlichen Schweißgutes lag zwischen 6,4 und 15,7 mm, und an dem einen der Flügel des Herzstückes der Weiche befand sich eine Ausbuchtstelle, die einen Auftrag von 25,4 mm Dicke erforderte. Nachdem das Herzstück 30 Tage in Betrieb war, arbeitete es immer noch zufriedenstellend, und eine Inspektion ergab, daß es noch viele Monate dauern würde, bis eine zweite Reparatur erforderlich sein würde.

Es hat sich ferner gezeigt, daß sich die verwendeten Elektroden sehr gut verschweißen lassen, und daß der Schweißauftrag einen bemerkenswerten Fließwiderstand besitzt. Es wurden keine sichtbaren Risse, kein Absplittern und kein Überrollen festgestellt.

Bei zwei ähnlichen Versuchen an Eisenbahnschienen waren die mit der Elektrode nach der bevorzugten Ausführungsform hergestellten Reparaturschweißungen noch nach 60 bzw. 90 Tagen brauchbar und arbeiteten zufriedenstellend, so daß ein Durchschnittswert für die nutzbare Lebensdauer der hier beschriebenen Legierung erst noch bestimmt werden muß. Der 90-Tage-Versuch fand an einer Stelle statt, die extrem hohen Beanspruchungen unterworfen war. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß bisher angenommen wurde, daß die längste Haltbarkeit, die man von einer Reparaturschweißung an Herzstücken oder Kreuzungen von Eisenbahnschienen erwarten konnte, 30 bis 40 Tage betrug. Mit Hilfe der neuartigen, hier beschriebenen Legierung wird diese Zeitspanne zumindest verdoppelt.

Die neuartigen Schweißdrähte lassen sich vom Fachmann auf die im folgenden beschriebene Weise

ίο herstellen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das beschriebene Schweißgut von einer umhüllten Elektrode niedergelegt, wobei gleichzeitig eine schützende Schlacke und ein Co₂-Schutz erzeugt werden. Diese Elektrode setzt sich in ihrer bevorzugten Ausführungsform wie folgt zusammen:

Beispiel „ .. .

^r Teile in

Gewichtsprozent

Mangan 8,87

Hochgekohltes Ferromangan
(6,9% Kohlenstoff) 12,12

Ferrovanadium 0,63

Niedriggekohltes Eisenpulver
(0,06% Kohlenstoff) 4,53

Nichtmetallische, Schlacke und Kohlendioxid bildende Stoffe 10,35

Kerndraht, bestehend aus
0,10 bis 0,16% Kohlenstoff
0,30 bis 0,60% Mangan
bis 0,03% Silizium

bis 0,025% Phosphor
bis 0,035% Schwefel
Rest Eisen und herstellungsbedingte
Verunreinigungen 63,50

100,00

Alle obengenannten Bestandteile oder Füllstoffe mit Ausnahme des Kerndrahtes gehören zu der Umhüllung der Elektrode. Die nichtmetallischen Stoffe enthalten ein Feuchtigkeitsbindemittel, beispielsweise Natriumsilikat, in einer wässrigen, kolloidalen Suspension und sind die Quelle für den Schlacken- und Co₂-Schutz.

Die Zusammensetzung der Nichtmetalle, einschließlich des Bindemittels, gehört nicht zum Gegenstand dieser Erfindung und läßt sich von dem Fachmann nach ihm bekannten Verfahrensweisen für die Ablagerung einer Schlacke und die Bildung eines schützenden Co₂-Schildes beim Auftragen des Schweißgutes oder der Schweißnaht auswählen und proportionieren.

Die trockenen Materialien für den Überzug werden zunächst in einem Mischapparat zu einer homogenen Masse vermischt; darauf wird das feuchte Natriumsilikat zugegeben, worauf eine normale Mischung stattfindet, bis eine extrudierbare Paste (die Umhüllung) erhalten wird. Diese Umhüllung wird dann auf den Kerndraht aufgegeben und getrocknet, wobei zur Herstellung der ummantelten Schweißelektroden die geläufige Extrusionstechnik zur Anwendung gelangt. Die Elektrode erzeugt ein Schweißgut, das sich wie folgt zusammensetzt:

Schweißgutanalyse

	Tatsächlich (Beispiel)	Zulässig
C	0,9 17,5 0,3 0,01 0,5	0,8 bis 1,1 16 bis 19 0,3 max. (bevorzugt) 0,02 max. (bevorzugt) 0,45 bis 0,55 Rest
Mn
Si
P
V
Fe und her stellungs bedingte Ver unreinigungen

Die Zusammensetzung der Elektrode ist so gewählt, daß sich die gewünschte Schweißgutanalyse einstellt, wobei berücksichtigt wird, daß ein Teil der Hülle Schlacke und Nichtschweißmetall bildet und daß die Verluste der verschiedenen Schweißgutbestandteile variieren.

Mechanische Eigenschaften des Schweißgutes Tatsächliche Werte (Beispiel, drei Versuche)

Streckgrenze (kp/mm²)

Zugfestigkeit

(kp/mm²)

Dehnung

(7o in 5,08 mm)

Einschnürung ( %)

Brinell-Härte

59,50	55,30
88,90	92,10
24,0 25,1	34,0 31,1
255	207

64,05

88,90

20,5 22,6

232

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann dahingehend abgeändert werden, daß ein gefüllter, rohrförmiger Schweißdraht und ein nackter Schweißdraht ebenfalls eine Verkörperung des Erfindungsgegenstandes darstellen. Der in den Ansprüchen verwendete Begriff Schweißzusatzwerkstoff soll alle drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schweißdrahtes umfassen.

Claims

Patentansprüche:

1. Schweißzusatzwerkstoff, insbesondere für Auftragschweißungen an wiederholten Stoßbeanspruchungen ausgesetzten Gegenständen wie Bahnschienen u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß er aus 18,9% Mangan, 0,9% Kohlenstoff, 0,3 % Vanadium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, besteht und daß sich das niedergelegte Schweißgut aus 16 bis 19% Mangan, 0,8 bis 1,1% Kohlenstoff, 0,4 bis 0,6% Vanadium, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen, zusammensetzt.

2. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 in Form einer umhüllten Elektrode, bestehend aus 8,87% Mangan, 12,12% Ferromangan (enthaltend 6,9 % Kohlenstoff), 0,63 % Ferrovanadium, 4,53 % Eisenpulver (enthaltend 0,06% Kohlenstoff), 10,35% nichtmetallische, Schlacke und Kohlendioxid bildende Stoffe in der Umhüllung, Rest 63,50% Eisenlegierung in Form des Kerndrahtes, wobei diese Legierung sich aus 0,10 bis 0,16% Kohlenstoff, 0,30 bis 0,60% Mangan, bis 0,03% Silizium, bis 0,025% Phosphor, bis 0,035% Schwefel, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen zusammensetzt, wobei das niedergelegte Schweißgut die Zusammensetzung nach Anspruch 1 aufweist, jedoch mit einem Vanadiumgehalt von 0,45 bis 0,55%.

3. Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 in Form einer Seelenelektrode, zusammengesetzt aus den Bestandteilen gemäß Anspruch 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen