DE1900976B2

DE1900976B2 - Bandelektrode fuer unterpulverschweissung von rostfreiem chromstahl

Info

Publication number: DE1900976B2
Application number: DE19691900976
Authority: DE
Inventors: tomokazu; Tomita Makoto; Tanaka Osamu; Kamakura Kanagawa Godai (Japan)
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1968-01-09
Filing date: 1969-01-09
Publication date: 1976-06-24
Also published as: US3571553A; DE1900976A1; FR2000087A1; GB1232963A; FR2000087B1

Description

Wollastonite 10 bis

Flußspat 10 bis

Calciumcarbonat 20 bis

Kalifeldspat 3 bis

Kryolith 1 bis

Aluminiumfluorid 10 bis

Manganeisen ....

Ferroniob

Ferroaluniinium .

Eisentitan

metallisches Titan

bis
bis
bis
bis
bis

30%
20%
40%
15%
10%
30%
10%

io°;,

10%
10%

5%

chend waren, für die praktische Verwendung ungeeignet. Auch bei einer Mischung, in der die verwendete Schweißpaste wenig Siliciumoxid enthielt, ergab sich eine Unterschneidung an den Enden der Schweißraupe, die rauhe Oberfläche der Schweißraupe war wellig und das Abscheidungsvermögen der Schlacke gering, so daß nur mit Schwierigkeiten eine befriedigende Schweißraupe erhalten werden konnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bandelektrode der eingangs genannten Art zu zeigen, die ein stark basisches Flußmittel besitzt und mit der man ein Schweißgut mit guter Dehnbarkeit und Stoßfestigkeit erhält.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Flußmittel im wesentliches) folgende Anteile enthält:

Die Erfindung betrifft eine Bandelektrode für Unter- »ulverschweißung von rostfreiem Chromstahl, bestellend aus rostfreiem Chromstahl und einem Flußmittel.

Beim Schweißen von scark chromhaltigem korro- »ionsbeständigem Stahl kann man Aluminium, Titan ©der Niob verwenden, um eine Verringerung der Dehnbarkeit und der Stoßfestigkeit des geschweißten Metalls zu vermeiden. Ein Flußmittel für das Unterpulverschweißen von stark chromiialtigem korrisionsbeständigem Stahl kann folgende Zusammensetzung haben:

45

Beim Unterpulverschweißen mit einer Bandelektrode von 0,2 bis 0,8 mm Dicke und 20 bis 100 mm Breite kann im allgemeinen eine glatte Schweißraupe von 20 bis 100 mm Breite und einer geringeren Eindringtiefe im Zuge einer Schweißlage wirksam erreicht werden. Beim Unterpulverschweißen von stark chromhaltigem, korrisionsfestem Stahl mit einer Bandelektrode lassen sich — selbst bei Verwendung von üblichen Flußmitteln — eine brauchbare Schweißraupe und ausreichende mechanische Eigenschaften nicht so ohne weiteres erzielen. Das kommt bei Verwendung von üblicherweise Siliciumoxid enthaltenden Flußmitteln daher, daß das Siliciumoxid auf Grund der stark desoxidierenden Wirkung von Aluminium, Titan und Niob reduziert wird. Dadurch erhält das Schweißgut einen großen Zusatz von Silicium. Die Dehnbarkeit des Schweißguts geht dabei fast völlig verloren. Das Verfahren war, wenn auch die Gestalt der Schweißraune und die Bearbeitbarkeit des Materials ausrei-25 bis 50%
30 bis 50%
1 bis 10%
I bis 10%
0.5 bis 5%
I bis 5%
1 bis 7%
0,025 bis 0,25'
nicht mehr als 30%
1 bis 7%
0,5 bis 5%

Kalziumcarbonat
Aluminiumoxid
Flußspat
Magnesiumoxid
Aluminium
Titan
Niob

, Stickstoff
Chrom

Mangan und
Nickel oder Kobalt.

Die Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Schweißraupe senkrecht zur Schweißrichtung;

Fig. 2 das Ergebnis eines Biegetests, der mit einem verschweißten Werkstück durchgeführt wurde
(9,5 mm Dicke bei einem Biegeradius von 19 mm).

Das Flußmittel ist wegen der Anteile an Calciumcarbonat und Aluminiumoxid stark basisch. Die Wirkung des Calciumcarbonats beruht auf einer Schutzschicht, die Bogen und Gasschicht trennt, indem es das durch thermische Zerstezung erzeugte Kohlendioxidgas reduziert. Gleichzeitig bildet das bei diesem Prozeß entstandene Calciumoxid mit dem erwähnten Aluminiumoxid eine stark basische Schlacke. 1st hierbei der Anteil an Calciumcarbonat geringer als 25%, wird die Viskosität der Schlacke verschlechtert, und ist er größer als 50%, so entsteht viel Gas, was zu einer Verschlechterung im Aussehen der Schweißraupe führt. Aus diesem Grund sollte das Beimischverhältnis auf den Bereich von 25 bis 50% begrenzt sein.

Das Aluminiumoxid trägt wesentlich dazu bei, den Schmelzpunkt der Schlacke niedrig zu halten, wenn die Beimischung mehr als 30% beträgt. Es sollte bemerkt werden, daß eine große Beimischung im Gegensatz zu oben die Viskosität der Schlacke erhöht, was zu einer Instabilität des Bogens führt. Deshalb sollte die Beimischung auch nicht größer als 50% sein.

Zusätzlich zu diesen basischen Komponenten der Schweißpaste sind 1 bis 10% Flußspat und I bis 10% Magnesiumoxid zugegeben, weil durch Zugabe von Flußspat von mehr als 1 % das Eindringen der Schweißung dünn gehalten werden und ein Überlappen an den Enden der Schweißraupe vermieden werden kann. Weil bei einer Zugabe von mehr als 10% Erscheinungen, wie Unterschneidungen oder ähnliches auftreten können, sollte die maximale prozentuale Zugabe den erwähnten Wert nicht überschreiten. Magnesiumoxid trägt zur Bogenstabilisierung und zur Verbesserung der Schlackenabscheidung bei. Zugaben

von weniger als 1 % können jedoch nicht den ge-l wünschten Effekt bringen, während eine Zugabe von mehr als 10% eine Verdickung der Eindringtiefe von der Schweißung mit sich bringt. Dies kann oft zum Auftreten von Schlackenzusammenbackungen führen, eine Erscheinung, die dem verschweißten Werkstück unzuträglich ist. Um das bestmögliche Ergebnis zu erhalten, muß man deshalb das Verhältnis der Beimischung in den oben erwähnten Grenzen halte".

Die Zug-ibe von Legierungselementen, wie Aluminium, Titan, Niob, Stickstoff, Chrom, Mangan und Nickel oder Kobalt verfolgt im speziellen folgende Ziele. Die Zugabe von Aluminium, Titan und Niob erfolgt in erster Linie wegen ihrer desoxidierenden Wirkung, zum anderen wird durch die Zugabe dieser Komponenten in das Schweißgut eine Trennung der Emzelkristalle erreicht. Dadurch werden Dehnbarkeit und Stoßfestigkeit verbessert. Da ferner bei der Unterpulverschweißung mit einer Bandlektrode die Leistungsaufnahme wegen der Verwendung von elektrischen Strömen von 300 bis 160C A sehr groß wird, ergibt sich eine nahezu vollständige Abschirmung der Bogen-Atmosphäre durch das bei dem Schweißprozeß erzeugte Gas. Der Beitrag von Luftstickstoff wird daher kleiner als beim manuellen Schweißen. Deshalb würden »5 Aluminium, Titan und Niob allein nicht ausreichen, um die Trennung der Einzelkristalle zu erreichen. Es ist daher zu einer Feinverteilung der Kristallpartikelchen eine kräftige Nitridbildung aus Aluminium, Titan, Niob und Stickstoff unbedingt notwendig, was man durch Zugabe von Stickstoff zu dem Schweißgut erreicht. Die Zugabe von Nickel oder Kobalt und Mangan trägt zu einem Anwachsen der Dehnbarkeit in der Umgebung der Schweißstelle bei, sie dient auch, die Stoßfestigkeit zu verbessern. Ferner kann nach Wahl Chrom dem Schweißgut zugegeben werden, um einen dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßten Wert zu erhalten. Um, wie im vorhergehenden erklärt, die Legierungselemente in das Schweißgut zu bringen und um obige Absichten zu vervollständigen, ist es notwendig, das Zugabeverhältnis der obengenannten Legierungselemente zu dem Schweißgut entsprechend den folgenden Überlegungen festzulegen.

Aluminium und Titan sind wegen des Verbrauchs durch Oxidation nicht in der Lage, den gewünschten Effekt zu bringen, wenn die entsprechenden Prozente geringer als die oben angegebenen Werte sind. Liegen die prozentualen Anteile über der oberen Grenze, so wird der Anteil von Aluminium und Titan in dem Schweißgut viel zu groß, was zu einer Verschlechterung der Dehnbarkeit führt. Die Zugabe von Niob zielt darauf ab, den Kohlenstoff in dem Schweißgut als Niobcarbid zu binden und die Absonderung von Martensit zu verhindern. Auch hier bringt eine Beigabe unterhalb der unteren Grenze den gewünschten Effekt nicht in genügendem Maße und ebenso macht eine Zugabe über die obere Grenze hinaus das Metall direkt spröde. Deshalb muß eine Zugabe über oder unter dieser Grenze vermieden werden. Nickel oder Kobalt und Mangan zeigen den oben erwähnten Effekt bei einer Zugabe über die obere Grenze hinaus. Wenn diese Elemente in einer größeren Menge zugegeben werden, ruft das ersterc zum Zeitpunkt der kalten Bearbeitung eine Härtung hervor. Auch das letztere härtet das Schweißgut. Aus diesen Gründen ist eine Zugabe über die obere Grenze hinaus nicht empfehlenswert. Auch eine Zugabe von Stickstoff zeigt den nVipn op7eieten Effekt oberhalb des unteren Grenz-

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werts, wenn aber die Zugabe die obere Grenze überschreitet, wird die Menge des erzeugten Gases so groß, daß es zu Fehlern in der Oberfläche der Schweißraupe kommt. Deshalb ist auch hier eine Zugabe über die obere Grenze hinaus nicht empfehlenswert.

Die Zugabe von Chrom kann nach Wahl erfolgen. Das Verhältnis dieses Zusatzes wird durch Berücksichtigung der Chromanteile bestimmt, die in einem korrosionsfreien stark chromhaltigen Stahl praktische Verwendung finden.

Die Legierungselemente im Flußmittel gelangen in das Schweißgut, wozu die folgende Tabelle die erhaltenen Ausbeuten zeigt:

Aluminium ungefähr 3 %

Titan 2 bis 5%

Niob 35 bis 40%

Chrom ungefähr 80%

Mangan 15 bis 30%

Nickel oder Kobalt 30 bis 55%

Die Ausbeuten sind durch den Verschweißungsgrad mit dem Grundmaterial und durch den Verbrauch der Bandelektrode und des Flußmittels bestimmt. Im Falle, daß man Titan, Niob oder ähnliche Elemente der Schweißpaste beimischt, ist es günstig, eine den oben angegebenen Beimischungsverhältnissen entsprechende Menge beizumischen, so wie es im folgenden für eine Eisenlegierung gezeigt wird. Weiter ist es möglich. Stickstoff in Form von Metallverbindungen oder anderen Stickstoff enthaltenden Stoffen zuzugeben.

Ferroaluminium (50% Al) 1 bis 10%

Eisentitan (45% Ti) 2,2 bis 11 %

Ferroniob (70% Nb) 1,4 bis 10%

Chromnitride (5% N) 0,5 bis 5%

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1
1. Schweißmaterialien

a) Verwendetes Flußmittel

Calciumcarbonat 38 %

Aluminiumoxid 31 %

Flußspat 2,5%

Magnesiumoxid 6%

Ferroaluminium (50% Al) 3%

Eisentitan (45% Ti) 3 %

Ferroniob (70% Nb) 5,5%

Chromnitride (5% N) 2,5%

Metallisches Nickel 2%

Metallisches Mangan 3 %

Metallisches Chrom 3,5%

Diesen gut durchmischten Rohmaterialien wurde Wasserglas zugegeben und anschließend die Masse bei einer Temperatur von 450°C gesintert, bis sie eine körnige Konsistenz erreichte.

b) Verwendete Bandelektrode (0,4 · 50 mm)

Cr 16,4%

Mn 0,5%

Si 0.5%

C 0,06%

Ni 0,1%

N 0,02%

Fc Rest

19 OO 976

c) Verwendetes Grundmetall

C ..

Si .
Mn
Fe .

0.18 %

0,1% 0.5% Rest

2. Schweißbedingungen

Als Ergebnis der Unterpulverschweißung mit einer Bandelektrode, die an einer weichen Stahlplatte unter den oben gegebenen Bedingungen durchgeführt wurde, fand man, daß die erhaltene glatte Schweißraupe von großer Qualität eine geringere Schweißdicke von ungefähr 50 mm aufwies und daß die Schlacke sich selbst abschied. Daneben wurden auch keine Unterschneidungen anden Schweißraupenenden festgestellt. Da auch die Dehnbarkeit der Schweißstelle, wie in Fig. 2 gezeigt, ausreichend war, traten keine Rißbildungen auf. Im folgenden ist die chemische Zusammensetzung des Schweißguts wiedergegeben. Hierbei wird das oben erwähnte Schweißgut mit einem Fall verglichen, bei dem ein bekanntes Flußmittel verwendet wurde.

Chemische Komponenten der zu schweißenden Metalle (%)

Flußmittel

Cr Si Mn Ni Al Ti Nb N C Fe Ergebnis einer seitlichen Biegeprobe

Bekanntes Flußmittel

130 1.3 0,5 0,1 - - - 0,02 0,12 Rest Bruch bei 5 bis 10°C

Flußmittel nach dieser Erfindung 141 0,5 1,2 0,7 0,03 0,08 1,0 0,05 0,09 Rest Gutes Verbiegen um 180⁰C

Beispiel 2 1. Schweißmaterialien
a) Verwendetes Flußmittel

Calciumcarbonat 35 %

Aluminiumoxid 31%

Flußspat 3.5%

Magnesiumoxid 4.5 %

Ferroaluminium (50%; AI) 3%

Eisentitan (45 % Ti) 3 %

Metallisches Chrom 20%

Diese Rohmaterialien wurden gut durchgemischt, mit Wasserglas versetzt und bei einer Temperatur von 450⁰C gesintert.

Verwendete Bandelektrode (0,4

Cr

Nb

N

Ni

Mn

Si

C

Fe

50 mm) .... 13,5% .... 1,5% .... 0,06% .... 1,2% .... 2,0% .... 0,5% .... 0,05% Rest

Auch hier erhielt man hervorragendes Schweißgut, wie in den vorher beschriebenen Beispielen. Sowohl Dehnbarkeit wie Stoßfestigkeit waren hervorragend.

1. Die Anteile der chemischen Komponenten des Schweißguts:

Aluminium 0.015 bis 0,15%,

Titan 0,025 bis 0,22%,

Niob 0,35 bis 2,8%,

Stickstoff 0,01 bis 0,075 %;

Chrom 8,5 bis 25%,

Mangan 0,15 bis 2,0%

Nickel oder Kobalt 0,15 bis 2,8%,

Übrigens handelt es sich bezüglich des oben erwähnten Aluminiums um lösliches Aluminium. Die Bezeichnung lösliches Aluminium in der Bedeutung, wie man sie im allgemeinen in der analytischen Chemie verwendet, besagt, daß es sich um in Eisen oder Stahl vorhandenes säurelösliches Aluminium handelt. Dieses löst sich leicht in Mineralsäuren, wie Salzsäure und Schwefelsäure. Aus physikalisch-chemischer Sicht bedeutet das Aluminium, wie es einatomig vorliegt, als feste Lösung im Magneteisenstein, sowie Aluminium in Form von Nitriden und in Form von Sulfiden. Deshalb fallen Verbindungen wie die Al₂O₃ oder ähnliche, die in Stählen vorkommen, nicht unter diese Gruppe.

2. Ausbeute der Legierungselemente:

Aluminium ungefähr 3%,

Titan 2 bis 5 %,

Niob 35 bis 40%;

Stickstoff 30 bis 40%,

Chrom ungefähr 80%,

Mangan 15 bis 30%,

Nickel oder Kobalt 30 bis 55 %',

Die oben erwähnte Ausbeute bezieht sich auf die Mengen, die man beim Verschweißen mit dem Grundmaterial verbraucht und ebenso auf den Verbrauch von Bandelektrode und Flußmittel.

Beispiel 3
1. Schweißmaterialien
a) Verwendetes Flußmittel

Calciumcarbonat 26 %,

Aluminiumoxid 47 %

Flußspat 8,3%

Magnesiumoxid 1 %

Ferroaluminium 8 %

Eisentitan 5,6 %

Ferroniob 2,0 %

Metallisches Nickel 1 %

Chromnitride 0,6%

Diesen gut durchmischten Rohmaterialien wurde Wasserglas zugegeben und anschließend bei einer Temperatur von ungefähr 450⁰C gesintert, bis eine körnige Konsistenz erreicht war.

b) Bandelektrode, die verwendet wird (0,4 · 50 mm)

c) Verwendetes Grundmaterial Das gleiche wie im Beispiel 1.

2. Schweißbedingungen 850 A (Gleichstrom, RP) · 28 V

17 cm/min.

Cr .

Si .
Mn
Ni .
C ..

Nb.

22% 0,4% 3.8% 0.5% 0,05% 0.8°:.

19 OO 976

N 0,12%

Fe Rest

:) Verwendetes Grundmaterial

C 0,122%

Si 0,2%

Mn 0,7%

Mo 0,5%

Fe Rest

2. Schweißbedingungen
A (Gleichstrom, RP)

27 V - 16 cm/min.

Eine hervorragende Verschweißung wurde wie in den vorher beschriebenen Beispielen erhalten. Sowohl Dehnbarkeit wie Schlagfestigkeit waren ausgezeichnet.

Beispiel 4

1. Schweißmaterialien

a) Verwendetes Flußmittel

Calciumcarbonat 29 %

Aluminiumoxid 40%

Flußspat 2%

Magnesiumoxid 4%

Ferroaluminium 1,5 %

Eisentitan 9 %

Ferroniob 7,5 %

Chromnitride 1,5%

Metallisches Nickel 4%

Metallisches Mangan 1,5%

Diesen gut durchmischten Rohrmaterialien wurde Wasserglas zugegeben und anschließend bei einer Temperatur von ungefähr 450⁰C gesintert, bis eine körnige Konsistenz erreicht war.

b) Verwendete Bandelektrode (0,4

Cr

Si

Mn

Ni

Al

Fe

50 mm)

17,2% 0,3%

3,0% 0,03% 0,01% 2,1% Rest

c) Verwendetes Grundmaterial Das gleiche wie in Beispiel 3.

2. Schweißbedingungen
A (Gleichstrom, RP)

28 V ■ 18 cm/min.

Wie in den vorher beschriebenen Beispielen erhielt man auch hier eine vorzügliche Verschweißung mit hervorragender Dehnbarkeit und Schlagfestigkeit.

Beispiel 5 1. Schweißmaterialien

a) Verwendetes Flußmittel

Calciumcarbonat 34 %

Aluminiumoxid 43 %

Flußspat 7%

Magnesiumoxid 4%

Chromnitrid 4%

Metallisches Mangan 6,5 %

Metallisches Nickel 1,5%

Diesen gut durchmischten Rohmaterialien wurde Wasserglas zugegeben und anschließend bei ungefähr 450⁰C gesintert, bis eine körnige Konsistenz erreicht war.

^a5 b) Verwendete Bandelektrode (0,4 · 50 mm)

Cr

Si

Mn

Al

Ti

Nb

Fe

c) Verwendetes Grundmaterial

C
Si
Mn
Fe

18,5% 0,3% 0,2% 0,5% 2,5% 3,5% 0,08% 0,01%

Rest

0,24% 0,2% 0,7% Rest

2. Schweißbedingungen
A (Gleichstrom, RP)

28 V · 14 cm/min

Wie in den vorhergehenden Beispielen wurde eine vorzügliche Verschweißung erhalten. Sowohl Dehnbarkeit wie auch Schlagfestigkeit waren gleichfalls hervorragend.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

19 OO

Patentanspruch:

Bandelektrode für Unterpulververschweißung von rostfreiem Chromstahl, bestehend aus rostfreiem Chromstahl und einem Flußmittel, d adurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel im wesentlichen folgende Anteile enthält:

25 30

bis 50%
bis 50%
bis 10%

Calciumcarbonat

Aluminiumoxid

Flußspat

Magnesiumoxid

Aluminium

Titan

Niob

1 bis 10%
0,5 bis 5%
1 bis 5%
1 bis 7%
0,025 bis 0,25% Stickstoff
nicht mehr als 30% Chrom

I bis 7% Mangan und

0,5 bis 5% Nickel oder Kobalt.