DE2010785B2

DE2010785B2 - Mit tantal oder einer tantallegierung mindestens teilweise plattiertes werkstueck aus kohlenstoffstahl

Info

Publication number: DE2010785B2
Application number: DE19702010785
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Ohmae Takashi Yoshida Yasuyuki Oka Tamotsu Hiroshima Nishio (Japan) B23p 1 04
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1969-03-07
Filing date: 1970-03-06
Publication date: 1972-01-05
Also published as: GB1296421A; FR2037729A5; DE2010785A1; US3628924A

Description

besondere auch infolge ihrer Dickt· nachteilige Aul· fcclnncl/- oder DillusiiniseischeiiHmgcn zwischen der Kr.hlt-iistiiliilalil-Cirundschicln und der /wischcnichichi auszuschalten, und /war selbst dann, wenn beim Aufschweißen /mischen der I anlal-Piailierunn und der Zwischenschicht aufgeschmolzene Zonen entstehen. Damit wird mithin die konosionshesiämli'!- keii und ui.· Materialgüte der erhndungsgemäßen Pk'.ttieriinj.'. auch durch Anschweißen von Teilen nicht beeii'trächtigl.

Dafür ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht hei einer Dicke der Kohlenstolfstahl-Ci randschicht von etwa 2Ci mm und der Tantal-Piatii<-·! Liny von etwa 1 mm eine Dicke \on mindestens etwa 4 mm aufweist.

Im folgenden ist die Erfindung in bevorzugten Aiisfiihrungsbeispielen im Hand von Zeichnungen und Photographien näher erläutert. Es zeigen

I·' i ü. ! bis 3 schematische Darstellungen zur Ver- »nschaulichung bisheriger Verfahren zum Verschweißen eines mit Tantal oder Zirkonium plattierten Stahls,

F i g. 4 schematische Darstellungen der bisher beim Verschweißen von tantalplattienen Stahl auftretenden nachteiligen Bedingungen, wobei Fig. 4a den beim Erhitzen und Fig. 4b den beim Schweißen Auftretenden Zustand zeigt,

Fig. 5 eine den Aufbau eines erlindungsgemäßen plattierten Stahls zeigende schematische Darstellung.

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Veranvchaulichup.g des Verschweißen zweier Lagen des crfmdungsgcmäß plattierten Stahls,

F i g. 7 eine schematische Darstellung zur Veran-•chauliehung des Anschweißens eines Winkelglieds unter Verwendunc des erfindunusgemäßen plattierten Stahls,

F i g. 8 eine schematische Darstellung, welche das Anschweißen eines Düsenkörpers bzw. eines Rohrs an eimern Rohrboden unter Verwendung det erfindungsgemäßen Plattierung /cig¹.,

Photo I eine mikroskopische Aufnahme, welche den Zustand des erfindungsgemäßen plattierten Stahls nach dem Schweißen zeigt,

P h ο t ο 2 eine mikroskopische Aufnahme, welche den Zustand der Grenzschicht zwischen einer Titanium-Zwischenschicht und der Kohlcnstoffstahl-Grundschicht an einer unmittelbar unterhalb des geschweißten Abschnitts gelegenen Stelle zeigt, und

Photo 3 eine Aufnahme /.ur Darstellung des Ergebnisses eines an der Schweißstelle des criindungsgcnnißen plattierten Stahls durchgeführten Biegeversuchs.

Zur näheren Erläuterung bisheriger Techniken sind in F i u. I eine Grundschicht I aus Kohlenstoffstahl, eine Schweißnaht 2 zwischen zwei ancinanderzu-.■.chweißcndcn KohlcnstofTstahl-ürundschichtcn 1 sowie aufplattiertc Lcgicrungsschichteii3 auf Tilaniumodcr Zirkonium-Basis, ein Übcrbrückungsglicd 4 aus Titanium oder Zirkonium, ein Füllstück 5 und Kehlnahtschweißungen 6 aus demselben Metall wie das Überbrückungsglied 4 dargestellt. Beim Schweißvorgang werden die Legicrungsschichten 3 vor dem Vorschweißen der KohlenstofTslahl-Schicliten 1 unter Bildung einer Nut Sa teilweise abgetragen und die Kohlenstoffstahl· Schichten 1 unter Verwendung eines Schwcißmatcrials aus Kohlenstoffstahl mittels einer Schweißnaht 2 miteinander verschweißt. Hierauf wird der in die Nut Su hineinreichende Wulst der Schweißnaht 2 entfernt, um den Nuthoden eben zu machen, worauf die Nut /wischen den einander geiieiuilierliependen Legierungsschichieii mit Ti- oder Zr-Weikstoll aus|!ei'ülll und das fiherb.'ückuni'sulied 4 auf die Ränder der l.euierunusschicliten aufgeleul und nach den·. TIG-Verf'ahren un'.er Bildung von Kehlnähteii damit verschweißt wird.

Bei der Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann das Füllstück 5 zum Ausfüllen der Nut Sa gemäß I ig. 2 mit Hilfe von LoI-matenal 7 festgelegt oder kann das Üherhrückungsgüed 4 gemäß der in F i g. 3 dargestellten Weise in die Nut 5« hineingedrücki und unmittelbar mit den Kolilenstoffstahl-Schichtcp. 1 in innige Berührung gebracht v/erden, anstatt da:, Füllstück 5 in die Nut 5« einzupassen.

Wenn jedoch zwei mit Tantal oder einer Tantal-Legierung aufweisende plattierte Stahlschichten nac'i demselben Verfahren miteinander verschweißt wer-

ao den, wurden die einander berührenden Flächen einer Tantal-Schicht 9 (Fig. 4^N und der Kohlenstoffstahl-Grundschicht 1 geschmolzen, bevor die Außenfläche 10 der Tantal-Plattierung 9 angeschmolzen wird, so daß gemäß Fig. 4a eine spröde Zwischenschicht 11 gebildet oder gemäß Fig. 4 b das gesamte aufgetragene Metall 12 spröde würde. Wenn die Tantal-Plattierung 9 unter der Hitze eines Lichtbogens 13 geschmolzen wird, diffundiert Eisen aus dem Kohlenstoffstahl in die Schweißnaht, mit dem Ergebnis, daß die dem Werkstoff eigene Korrosionsbeständigkeit und seine mechanischen Eigenschaften verschlechtert weiden und die Schweißnaht äußerst spröde wird. Dieser Gütenachteil kann vermutlich der Tatsache zugeschrieben werden, daß der Schmelzpunkt von Tantal (etwa 299o^c C) wesentlich höher liegt als derjenige von Stahl (etwa 1530 C) und daß die thermische Leitfähigkeit von Tantal hocli ist, d. h. etwa da. Vierfache derjenigen von Titanium beträgt. Bisherige derart plattierte Stähle besitzen folglich den Nachteil, daß sie sich wegen der Verschlechterung der Schweißnaht bezüglich ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer mechanischen Eigenschaften nic'n zur Verwendung für solche Sclnveißungen eienen.
Demgegenüber ist die Erfindung an Hand der F i 1». 5 bis S näher erläutert. Eine in F i g. 5 dargestellte Kohlenstoffstahl-Grundschicht 21. die den Grundschichten 1 in F i g. I bis 3 entspricht, ist mit einer Zwischenschicht 22 aus einem Werkstoff wie Ti, Nb, Zr, Mo oder einer Legierung dieser EIcmentc mit einem zwischen den Schmelzpunkten von Tantal und Stahl liegenden Schmelzpunkt und niedriger Wärmeleitfähigkeit überzogen, die beim Verschweißen mit Tantal keine Versprödung hervorruft. Die Zwischenschicht 22 ist mit der ganzen Oberfläche der Stahl-Grundschicht 21 oder mit einem Teil derselben verbunden. Auf die gesamte Oberfläche der Zwischenschicht 22 oder an einem Teil derselben ist eine Tantal-Schicht 23 aufplatticrt.

Das Verfahren zum Schweißen des plattierten Stahls gemäß F i g. 5 ist im folgenden an Hand von Fig. 6 beschrieben. Zunächst werden die Kohlenstoffstahl-Grundschichtcn 21 zweier Platten des plattierten Stahls unter Verwenduni» eines Schweißslabs aus dem üblichen Metall miteinander verschweißt,

6g wobei eine Schweißnaht 24 gebildet wird. Hierauf wird eine Metallplatte 25 in eine zwischen den beiden plattierten Stahlplatten gebildete Nut eingesetzt, um diese auszufüllen. Sodann v/ird ein Überbrückung-

glied V. aus demselben Werkstoff wie die Tantal-Schicht 23 auf die Oberseiten der einander zugewandten Knntenabschnittc der Tantal-Schichten 23 aufgelegt und unter Bildung einer Kchlnahtschweißung damit verschweißt.

Bei Durchführung der Tantal-Kehlnahtschwcißung des tantalplattierten Stahls gemäß F i g. 6 unter Verwendung der Plattierungsanordnung gemäß Fig. 5 kann eine sichere Schweißung erzielt werden, da sich unter der Tantal-Schicht 23 die Zwischenschicht 22 aus Ti, Nb, Mo, Zr oder einer Legierung dieser Elemente befindet, die einen hohen Schmelzpunkt besitzt und beim Verschweißen mit Tantal nicht versprödet. Wenn nämlich die Zwischenschicht 22 nicht vorhanden ist, schmilzt gemäß F i g. 4 die KohlenstofFstahl-Grundschicht an ihrer Grenzfläche an. wobei das im Kohlenstoffstahl enthaltene Eisen in die Schweißiing diffundiert und diese versprödet. Bei der vorstehend beschriebenen, unter der Tantal-Schicht 23 gelegenen Zwischenschicht 22 wird die beim Kehlnahtschweißen der Tantal-Schichten entwickelte Lichtbogenhitze durch die Zwischenschicht 22 vollständig absorbiert, so daß die Grundschicht und die Zwischenschicht an ihrer Grenzfläche nicht angeschmolzen werden und mithin keine Diffusion von Eisen in die Schweißung auftritt, so daß eine sichere Schweißnaht erhalten wird. Bei Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann weiterhin die Dicke der Tantal-Schicht im größtmöglichen Ausmaß herabgesetzt werden, was beträchtlich zur Kostensenkung beiträgt.

In F i p.. 7 ist ein Winkclglied 28 dargestellt, das auf der Tantal-Schicht 23 mittels einer Schweißnaht 29 befestigt ist. Auch in diesem Fall kann infolge des Vorhandenseins der Zwischenschicht 22 unter der Tantal-Schicht 23 eine sichere Verschweißung erreicht werden. Wenn die Zwischenschicht 22 nicht vorhanden wäre, wurden die Tantal-Schicht und die Kohlenstoffstahl-Grundschicht t bzw. 21 gemäß F i g. 4 an ihrer Grenzfläche anschmelzen, wobei das

ίο im Kohlenstoffstahl enthaltene Eisen in die Schweißimg difTiindierl und diese versprödet. Wenn dagegen die Zwischenschicht 22 wie im vorliegenden Fall unter der Tantal-Schicht 23 vorhanden ist. wird die auf die Schweißstelle einwirkende Lichtbogenhitze während des Schweißvorgangs vollständig von der Zwischenschiclit 22 absorbiert. Die Grund>chicht 21 und die Zwischenschicht 22 werden mithin an ihrei Grenzfläche nicht angeschmolzen, so daß eine sichere Schweißnaht erhalten werden kann.

F i g. R veranschaulicht das Anschweißen einei Düse bzw. eines Rohrs 30 an einem Rohrboden untei Verwendung <ics erfindungsgemäßen plattierter Stahls. In F i g. S ist die aus Tantal bestehende Du-;., bzw. das Rohr 30 durch eine am Rohrboden gebildete Kehlnahtschweißung 31 verschweißt. In die sem Fall wird die Düse bzw. das Rohr 30 in die plattierte StaViiplatte eingesetzt und unter Bildum der Schweißnaht 31 mittels Kehlnahtschwcißung ai der Platte befestigt. Die Schweißung ist aus denselber Gründen, wie sie vorstehend in Verbindung mi F i g. 7 dargelegt wurden, sicher und zuverlässig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit Tiinuil oder einer Tanial-Legiiriing mindestens teilweise planiertes Werkstück aus KoIilensioll,lahl, hei dem zwischen der Taiitalschicht und der Grimdschicht aus Kohlenstoffstahl eine Zwischenschicht ungeordnet ist, dadurch gck e η η / e i e h net, daß die Zwischenschiel I aus einem der Elemente Ti, Zr, Mo, Nb oder einer Legierung dieser F.lemente hesteht, die als Sperrschicht, wie sie heim Schweißen von Edelnetallauilagen bekannt ist, ganz oder teilweise· die Oberfläche der Grimdschicht bedeckt.

2. Tantalplattiertes Werkstück nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Zwisehenschicht bei einer Dicke der KohlenstolTsiahl-Grundschicht von etwa 20 mm und der Tanlal-Platticrung von etwa 1 mm eine Dicke von rr>indeslens etwa 4 mm aufweist.

3. Tanta'.plattiertes Werkstück nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, dc.ß bei zw_i mit ihren Kanten aneinanderzuschweißenden Teilstücken die Platticrungs- und die Zwischenschicht am Rand der Kanten entfernt und die aneinanderstoßenden Kanten der Kohlenstoff- :.;ahl-G randschicht in diesem von der Plattierung freigemachten Bereich mit Schweißmaterial gleicher Zusammensetzung stoßverschweißt sind, und daß in dem von der Plattierung freigemachten Randbereich une Platte aus dem Material der Zwi c':onr,c!iic'U angeordnet ist, über welche übergreifend auf die angrenzenden Plattierungsbcrcichc eine Platte aus dem > 'atcrial der Oberflächenplattierung geschweißt ist, wobei diese Platte auf der Oberfläche der angrenzenden Plr.t-'.ierungsbcreiche verschweißt ist.

Die Erfindung betrifft ein mit Tantal oder einer Tantal-Legierung mindestens teilweise plattiertes Werkstück aus Kohlenstoffstahl, bei dem zwischen der Tantalschicht und der Grundschicht aus Kohlenstoffstahl eine Zwischenschicht angeordnet ist.

Hei dem bekannten plattierten Material (USA.-Patentschrift 3 233 312) wird als Zwischenschicht Kupfer verwendet. Eine: derartige Kupfer-Zwischenschicht erleichtert zwar die qualitativ einwandfreie Verbindung der aufzuplnttierenden Tan'.alschiclil mit der Kohlenstoffstiihl-Griindscliicht, weil beim YVarm-Aufwalz-Herstcllvorgang die Bildiinu spröder ntermetallischer Verbindungen durch Diffusion von ITi^en In die Plattierimgsschicht vermieden wird. Speziell »vegcn der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist rs jedoch sehr schwierig derartiges Vcrbundmaterial im Laufe der weiteren Verarbeitung an seiner Tantal-Platticrung zu verschweißen, wobei es auch infolge des vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkts des Kupfers in Verbindung mit der beim Schweißen notwendigen örtlichen Überhitzung zum teilweisen Aufschmelzen des Kupfers kommt, welches dann mit der Tantal-Platticrung sprödbrüchigc Verbindungen !•ildct. Solche Vcrsprödungcn bilden wiederum die Quelle von gefährlichen Rissen.

Aufgabe der Erfindung ist es. mil Tantal oder einer Tanial-I.Ljjerung planierte Stahlhlei-he zu schallen die beim Verbindunussehweiüen oder Anschweiller eines Teils an die Platticiungsseiie nicht durch Eindilfimdieren der Stalillegieriingsbeslaiidleile von dei Grimdwerkstollseite her in die Phillienmgssdiichi zu deren Verspröden führen.

Dieses Problem tritt besonders hei der Plaiiierung son Kohlenstoffstahl mit Tantal auf. wei Tantal einen weitaus höheren Schmelzpunkt als dei

in Stal:l-GrundwerkstolT hat und zugleich :.Mne sein hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß beim Versuch, die Tantalsehicht anzuschmelzen, der Stall unter der Plattierimgsschicht bereits anschmilzt, bevor das Tantal selbs¹ schmelzflüssig geworden im Be^:m Aufschmelzen sowohl von Kohlenstoffstahl al· auch der bekannten Kupfer-Zwischenschicht untei der Taniai-Plattierung versprödet das Material iir Kontaktbereich, so daß eine Rißbildungstendeii/ hervorgerufen wird. Fs kommt also in erster Linu

darauf an, daß beim Schweißen ai:' oder im Bereich der Tantal-Plattierung keinerlei Gefahr der Versprö· dung zwischen dieser Plattierung und dem Stahl-Grundwerkstoff eintritt.

Andererseits ist es zwar auch bekannt (deutsche Patentschritt 487 410 und 491 374), bei edelmetallplattierten Metallblechen, bei denen der Vorgang einet Schweißung zwischen der Edelmetall-Auflage unc der Unterlage zu einer legierten Schweißnaht mi erniedrigtem Schmelzpunkt führt, eine Sperrschich

gegen den Zusammenfluß beider Schmelzkomponen ten vorzusehen.

Dieses bekannte Verfahren betrifft jedoch einer seils nur Plattierungen aus Edelmetall, dessen Edel melallcharakter nicht durch Auflegierung de; Schweißnaht bis in den Bereich der Werkstückober fläche an der Schweißstelle beeinträchtigt werder soll, und bedingt andererseits, daß zuerst die Edel metall-Auflagc verschweißt wird und erst dann di< Unterlage bei einer Temperatur verbunden wird bei der die Edelmetall-Auflage nicht geschädig wird (Silberlot) Zudem sind diese bekannten unc allein auf die Vermeidung von unerwünschten Ver Schmelzungen abgestellten Sperrschichten nur ii relativ niedrigen Temperaturbereichen verwendbar

in denen eine Verschlechterung der MaterialgüU allein durch difTusionsbcdingtc und rißgefährlichi Versprödung keine wesentliche Rolle spielt.

Die Erfindung besteht daher in einem Wcrkslücl der eingangs definierten Ar'i. welches dadurch gc kennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht aus einen der Elemente Ti. Zr. Mo. Nb oder einer Lcgicrunj dieser Elemente besteht, die als Sperrschicht, wii sie beim Schweißen von Edclmctallauflagcn bekann ist. 'iinz oder teilweise die Oberfläche der Grund

^r>5 schicht bedeckt.

Die Zusammensetzung der erfindimgsgcnvißei Zwischenschicht wirkt sich im wesentlichen dahin gehend aus, daß beim Aufschweißen eines Konstruk tionsteils von der Plattierungsseite her weder zwischei der Tantal-Auflage und der Zwischenschicht noch zwi sehen der Zwischenschicht und der Kohlenstoffstahl Grundschicht durch Diffusion oder Aufschmelzet infolge zu niedrigen Schmelzpunkts spröde und riß anfällige Bereiche entstehen und die Festigkeit nich beeinträchtigt wird, weil alle denkbaren Lcgierungci des Tantals und der Metalle der Zwischcnschich stets feste und duktile Legierungen bilden. Dabe vermag die erfindungsgemäße Zwischenschicht ins