DE2010785C - Mit Tantal oder einer Tantal-Legierung mindestens teilweise plattiertes Werkstück aus Kohlenstoffstahl - Google Patents

Description

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.

Bei dem bekannten plattierten Material (JJSA.-Patentschrift 3 233 312) wird als Zwischenschicht Kupfer verwendet. Eine derartige Kupfer-Zwischenschicht erleichtert zwar die qualitativ einwandfreie Verbindung der aufzuplattierenden Tantalschicht mit der Kohlenstoffstahl-Grundschicht, weil beim Warm-Aufwalz-Herstellvorgang die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen durch Diffusion von Eisen in die Plattieriingsschicht vermieden wird. Speziell wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist es jedoch sehr schwieriir, derartiges Vcrhiindnuiterial im Laufe der weiteren Verarbeitung an seiner Tantal-Plattierung zu verschweißen, wobei es auch infolge des vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkts des Kupfers in Verbindung mit der beim Schweißen notwendigen öi(liehen Überhitzung zum leilweiseii Aufschmelzen de:, Kupfers kommt, welches dann mit der Tantal-Plattieriing sprödbrüchigc Verbindungen IiIiIeI. Solehe Versprödungen bilden wiederum die Quelle von gefüllt liehen Rissen.

Aufgabe der I jliiulung ist es, mit Tantal oder einer Tantal-Legierung plattierte Stahlbleche zu schaffen, die beim Verbindungsschweißen oder Anschweißen eines Teils an die Plattierungsseite nicht durch Eindiffundieren der Stahllegierungsbestandteile von der Grundwerkstoffseite her in die Plattierungsschicht zu deren Verspröden führen.

Dieses Problem tritt besonders bei der Plattierung von Kohlenstoffstahl mit Tantal auf, weil Tantal einen weitaus höheren Schmelzpunkt als der

ίο Stahl-Grundwerkstoff hat und zugleich eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß beim Versuch, die Tantalschicht anzuschmelzen, der Stahl unter der Plattierungsschicht bereits anschmilzt, bevor das Tantal selbst schmelzflüssig geworden ist.

Beim Aufschmelzen sowohl von Kohlenstoffstahl als auch der bekannten Kupfer-Zwischenschicht unter der Tantal-Plattierung versprödet das Material im Kontaktbereich, so daß eine Rißbildungstendenz hervorgerufen wird. Es kommt also in erster Linie

ao darauf an, daß beim Schweißen auf oder im Bereich der i antai-Plattierung keinerlei Gefahr der Versprödung zwischen dieser Plattierung und dem Stahl-Grundwerkstoff eintritt.

Andererseits ist es zwar auch bekannt (deutsche Patentschrift 487410und49l 374),bei edelmetallplattierten Metallblechen, bei denen der Vorgang einer Schweißung zwischen der Edelmetall-Auflage und der Unterlage zu einer legierten Schweißnaht mit erniedrigtem Schmelzpunkt führt, eine Sperrschicht

gegen den Zusammenfluß beider Schmelzkomponente:i vorzusehen.

Dieses bekannte Verfahren betrifft jedoch einerseits nur Plattierungen aus Edelmetall, dessen Edelmetallcharakter nicht durch Auflegierung der Schweißnaht bis in den Bereich der Werkstückoberfläche an der Schweißstelle beeinträchtigt werden soll, und bedingt andererseits, daß zuerst die Edelmetall-Auflage verschweißt wird und erst dann die Unterlage bei einer Temperatur verbunden wird,

»ο bei der die Edelmetall-Auflage nicht geschädigt wird (Silberlot). Zudem sind diese bekannten und allein auf die Vermeidung von unerwünschten Verschmelzungen abgestellten Sperrschichten nur in relativ niedrigen Temperaturbereichen verwendbar,

in denen eine Verschlechterung der Materialgüte allein durch diffusionsbedingte und rißgefährliche Versprödung keine wesentliche Rolle spielt.

Die Erfindung besteht daher in einem Werkstück der eingangs definierten Art, welches dadurch ge-

kennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht aus einem der Elemente Ti, Zr, Mo, Nb oder einer Legierung dieser Elemente besteht, die als Sperrschicht, wie sie beim Schweißen von Edelmetallauflagen bekannt ist, ganz oder teilweise die Oberfläche der Grundschicht bedeckt.

Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Zwischenschicht wirkt sich im wesentlichen dahingeliend aus, daß beim Aufschweißen eines Konstruktionsteils von der Plattierungsseite her weder zwischen

^fi» der Tantal-Auflage und der Zwischenschicht noch zwischen der Zwischenschicht und der Kohlenstoffstahl-Grundschicht durch Diffusion oder Aufschmelzen infolge zu niedrigen Schmelzpunkts spröde und rißaiifällige Bereiche entstehen und die Festigkeit nicht

"5 beeinträchtigt wird, weil alle denkbaren Legierungen des Tantals und der Metalle der Zwischenschicht stets feste und duktile Legierungen bilden. Dabei vermag die erfmdungsgemäße Zwischenschicht ins-

^{3 4} zunrachen

besondere auch infolge ihrer Dicke nachteilige Auf- naht2 entfernt um den N"tboden eben _zu^rrfac^en,

schmelz- oder DifTusion£erscheinun₃en zwischen der worauf die Nut zwischen den eman^u °_ZrWerk.

KohlenstofTstahl-Grundschicht und d:r Zwischen- Fegenden ^LfS'^erang^s™ ?beX_ückungsgüed 4 auf

schicht auszuschalten, und zwar selbst dann, wenn stoff ausgefüllt und dasJ^^rgj£ *J _{legt un}d

beim Aufschweißen zwischen der Tantal-P'attierung 5 die Ränder^der ^ge™·^«JS> J ^₁.

und der Zwischenschicht aufgeschmolzene Zonen ent- nach dem TIG-Verfahren unter öuau g

stehen. Damit wird mithin die Korrosionsbeständig- nähten damit verschweig wiro. _{d beschrie},

keil und die Materialgüte der erfindungsgemäßen Bei der Durchfuhrung des vomen

Plaiticrun«. auch durch Anschweißen von Teilen benen Verfahrens kann ^da* ™*^uc£J_{fe yon Lot}.

trStänders vorteilhaft, wenn die Zwi SSÄ StgÄ

selenschicht bei einer Dicke der Kohlenstoffstahl- glied* gemäß derm F'.g · 3 j^

Grundschicht von etwa 20 mm und der Tantal-Plat- die Nut 5« ^^^^^S^Ohmog ge-

^{1 eine Dicke von mindestens} iss^sts^^^^{9 in die Nut5}-

^eX]m folgenden ist die Erfindung in bevorzugten einzupassen. - -, Tantil oder einer Tantal-Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen Wenn ,edoch zwei:nut Tan a» ^e^r ^ und Photographien näher erläutert. Es zeigen Leg.erung ^^^Sdefverschweißt wer-F. g. 1 bis 3 schematische Darstellungen zur Ver- demselben Verfahren' ™^ι^^η.^α"_{ηάεη Fläch}en einer an.haulichung bisheriger Verfahren zum Ver- ,o den würder, d,e «^ ^S^Ejtortofetahl-

Ä? ^{mit Iantal} °^{der ZlrkOnlUm Plat}- SÄÄ^ Äßre

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den nachteiligen Bedingungen, wui.ci ri^-τα «*.,. -_{g BWW1}

bean Erhitzen und Fig.4b den beim Schweißen tragene Metall 12 spröde "würde. Wenn die laniaiaiiftretenden Zustand zeigt, Piatüerung9 unter der Hitze eines Lichtbogens 13

F i R. 5 eine .den Aufbau eines ernndungsgeinäßen geschmolzen wird, diffundiert Eisen aus dem Kohplattierten Stahls zeigende schematische Darstellung. lenstofTstahl in die Schweißnaht, mit dem Ergebnis, F i g. 6 eine schematische Darstellung zur Veran- 30 daß die dem Werkstoff eigene Korrosionsbeständigkeit scnaulichung des Verschweißen zweier Lagen des und seine mechanischen Eigenschaften verschlechtert erfmdungsgemäß plattierten Stahls, weiden und die Schweißnaht äußerst spröde wird.

Fig. 7 eine schematische Darstellung z\.r Veran- Dieser Gütenachteil kann vermutlich der Tatsache schaulichunß des Anschweißens eines Winkelglieds zugeschrieben werden, daß der Schmelzpunkt von unter Verwendung des erfindungsgemäßen plattierten 35 Tantal (etwa 2996°· C) wesentlich höher liegt als der-Stahls, jenige von Stahl (etwa 1530° C) und daß die ther-

F i g. 8 eine schematische Darstellung, welche das mische Leitfähigkeit von Tantal hoch ^ir.t, d. h. etwa Anschweißen eines Düsenkörpers bzw. eines Rohrs da; Vierfache derjenigen von Titanium beträgt. Bisan einem Rohrboden unter Verwendung der erfin- herige derart plattierte Stähle besitzen folglich den dungsgemäßen Plattierung zeigt, 40 Nachteil, daß sie sich wegen der Verschlechterung

P h ο t ο 1 eine mikroskopische Aufnahme, welche der Schweißnaht bezüglich ihrer Korrosionsbeständen Zustand des erfindungsgemäßen plattierten digkeit und ihrer mechanischen Eigenschalten nic'.it S'ahls nach dem Schweißen zeigt, zur Verwendung für solche Schweißungen eignen.

P h ο t ο 2 eine mikroskopische Aufnahme, welche Demgegenüber ist die Erfindung an Hand der

den Zustand der Grenzschicht zwischen einer Tita- 45 F i i>. 5 bis 8 näher erläutert. Eine in F i g. 5 dargenium-Zwischenschicht und der Kohlenstoffstahl- stellte Kohlenstoffstahl-Grundsdiicht 21, die den Grundschicht an einer unmittelbar unterhalb des Grundschichten 1 in Fig. 1 bis 3 entspricht, ist mit geschweißten Abschnitts gelegenen Stelle zeigt, und einer Zwischenschicht 22 aus einem Werkstoff wie P h ο t ο 3 eine Aufnahme zur Darstellung des Er- Ti, Nb, Zr, Mo oder einer Legierung dieser EIegebnisses eines an der Schweißstelle des erfindungs- 50 mente mit einem zwischen den Schmelzpunkten von gemäßen plattierten Stahls durchgeführten Biege- Tantal und Stahl liegenden Schmelzpunkt und niedversuchs. riger Wärmeleitfähigkeit überzogen, die beim Ver-

Zur näheren Erläuterung bisheriger Techniken sind schweißen mit Tantal keine Versprödung hervorruft, in F i g. 1 eine Grundschicht 1 aus Kohlenstoffstahl, Die Zwischenschicht 22 ist mit der ganzen Oberfläche eine Schweißnaht 2 zwischen zwei aneinanderzu- 55 der Stahl Grundschicht 21 oder mit einem Teil derbchwcißenden Kohlenstoffstahl-Grundschichten 1 so- selben verbunden. Auf die gesamte Oberfläche der wie auf plattierte T.egierungsschichtenJ auf Titanium- Zwischenschicht 22 oder an einem Teil derselben ist oder Zirkonium-Basis, ein Überbrüekungsglied 4 aus eine Tantal-Schicht 23 mifpiatticr'. Titanium oder Zirkonium, ein Füllstück 5 und Kehl- Das Verfahren zum Schweißen des plattierten

nahtschwiMßungen 6 aus demselben Metall wie das 60 Stahls gemäß Fig. 5 ist im folgenden an Hand von (.'iberbriickungsglied 4 dargestellt. Beim Schwcißvor- Fig. 6 beschrieben. Zunächst werden die Kohlengang weiden die Legierungsschichten 3 vor dem stolTstahl-Grundschichtcn 21 zweier Platten des plat-Versdiwcilkn der Kohlcnstoffstahl-Sdiichteu 1 unter tierten Stahls unter Verwendung eines Schweifst abs Bildung einer Nut 5« teilweise abgetragen und die aus dem üblichen Metall miteinander verschweißt, Kohlenstulfstahl-Schichten I unter Verwendung eines 65 wobei eine Schweißnaht 24 gebildet wird. Hierauf Schweißmaterials aus Kohlenstoffstahl mittels einer wird eine Metallplatte 25 in eine zwischen den beiden Schweißnaht 2 miteinander verschweißt. Hierauf wird plattierten Stahlplatten gebildete Nut eingesetzt, um iler in die Nut 5« hineinreichende Wulst der Schweiß- diese auszufüllen. Sodann wird ein Überbrückungs-

glied 26 aus demselben Werkstoff wie die Tantal- In Fig. 7 ist ein Winkelglied 28 dargestellt, das Schicht 23 auf die Oberseiten der einander züge- auf der Tantal-Schicht 23 mittels einer Schweißnaht wandten Kantenabschnitte der Tantal-Schichten 23 29 befestigt ist. Auch in diesem Fall kann infolge aufgelegt und unter Bildung einer Kehlnaht- des Vorhandenseins der Zwischenschicht 22 unter der schweißung damit verschweißt. 5 Tantal-Schicht 23 eine sichere Verschweißung er-Bei Durchführung der Tantal-Kehlnahtschweißung reicht weiden. Wenn die Zwischenschicht 22 nicht des tantalplattierten Stahls gemäß F i g. 6 unter Ver- vorhanden wäre, würden die Tantal-Schicht und Wendung der Plattierungsanordnung gemäß F i g. 5 die Kohlenstoffstahl-Grundschicht 1 bzw. 21 gemäß kann eine sichere Schweißung erzielt werden, da sich F i g. 4 an ihrer Grenzfläche anschmelzen, wobei das unter,der Tantal-Schicht 23 die Zwischenschicht 22 m im Kohlenstoffstahl enthaltene Eisen in die Schweiaus Ti, Nb, Mo, Zr oder einer Legierung dieser Bung diffundiert und diese versprödet. Wenn dagegen Elemente befindet, die einen .hohen Schmelzpunkt die Zwischenschicht 22 wie im vorliegenden Fall besitzt und beim Verschweißen mit Tantal nicht ver- unter der Tantal-Schicht 23 vorhanden ist, wird die sprödet. Wenn nämlich die Zwischenschicht 22 nicht auf die Schweißstelle einwirkende Lichtbogenhitze vorhanden ist, schmilzt gemäß Fig.4 die Kohlen- 15 während des Schweißvorgangs vollständig von der stoffstahl-Grundschicht an ihrer Grenzfläche an, wo- Zwischenschicht 22 absorbiert. Die Grundschicht 21 bei das im KömensioiTstah! enthaltene Eisen in die und die Zwischenschicht 22 werden mithin an ihrer Schweißung diffundiert-und diese versprödet. Bei Grenzfläche nicht angeschmolzen, so daß eine sichere der vorstehend beschriebenen, unter der Tantal- Schweißnaht erhalten werden kann. Schicht 23 gelegenen Zwischenschicht 22 wird die 20 F i g. 8 veranschaulicht das Anschweißen einer beim Kehlnahtschweißen der Tantal-Schichten ent- Düse bzw. eines Rohrs 30 an einem Rohrboden unter wickelte Lichtbogenhitze durch die Zwischenschicht Verwendung des erfindungsgemäßen plattierten 22 vollständig absorbiert, so daß die Grundschicht Stahls. In Fig. 8 ist die aus Tantal bestehende Düse und die Zwischenschicht an ihrer Grenzfläche nicht bzw. das Rohr 30 durch eine am Rohrboden geangeschmolzen werden und mithin keine Diffusion as bildete Kehlnahtschweißung 31 verschweißt. In dievon Eisen in die Schweißung auftritt, so daß eine sem Fall wird die Düse bzw. das Rohr 30 in die sichere Schweißnaht erhalten wird. Bei Anwendung plattierte Stahlplatte eingesetzt und unter Bildung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann wei- der Schweißnaht 31 mittels Kehlnahtschweißung an terhin die Dicke der Tantal-Schicht im größtmög- der Platte befestigt. Die Schweißung ist aus denselben liehen Ausmaß herabgesetzt werden, was beträchtlich 30 Gründen,' wie sie vorstehend in Verbindung mit zur Kostensenkung beiträgt. Fig. 7 dargelegt wurden, sicher und zuverlässig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem der Elemente Ti, Zr, Mo, Nb oder einer Legierung dieser Elemente besteht, die als Sperrschicht, wie sie beim Schweißen von Edelmetallauflagen bekannt ist, ganz oder teilweise die Oberfläche der Grundschicht bedeckt.

2. Tantalplattiertes Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht bei einer Dicke der Kohlenstoffstahl-Grundschicht von etwa 20 mm und der Tantal-Plattierung von etwa 1 mm eine Dicke von mindestens etwa 4 mm aufweist

3. Tantalplattiertes Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei mit ihren Kanten aneinanderzuschwcißenden Teilstückcn die Plattierungs- und die Zwischenschicht am Rand der Kanten entfernt und die aneinanderstoßenden Kanten der Kohlenstoffr.tahl-Grundschicht in diesem von der Plattierung freigemachten Bereich mit Schweißmaterial gleicher Zusammensetzung stoßverschweißt sind, und daß in dem von der Plattierung freigemachten Randbereich eine Platte aus dem Material der Zwi c!:cnsc!iic':t angeordnet ist, über welche übergreifend auf die angrenzenden Plattierungsbcreiche eine Platte aus dem Material der Oberflächenplattierung geschweißt ist, wobei diese Platte auf der Oberfläche der angreifenden Plrttierungsbcreichc verschweißt ist.