DE2038524C3

DE2038524C3 - Kalkbasiscli umhüllte Lichtbogenschweißelektrode

Info

Publication number: DE2038524C3
Application number: DE2038524A
Authority: DE
Inventors: William T. Delong; Edwin R. Szumachowski
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1969-08-15
Filing date: 1970-08-03
Publication date: 1974-01-17
Also published as: DE2038524A1; FR2057826A5; DE2038524B2; ES382546A1; GB1297865A; JPS5416932B1; US3627574A; CA925384A; CH510482A; SE368351B; BE754889A; NL7012006A

Description

zusammengesetzt ist, und die basische Bestandteile, nämlich mindestens eines der Metalle Lithium, Natrium, Kalium, Caesium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, sowie saure Bestandteile, as nämlich Aluminium und/oder Silizium, enthält, wobei die jeweils als Metalloxyd vorliegenden sauren und basischen Bestandteile mengenmäßig so aufeinander abgestimmt sind, daßeineSchweißschlacke mit einem Molverhältnis von basischen Metalloxyden zu sauren Metalloxyden (Basizität) von mindestens 2,0 entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bildende Schweißschlacke eine Basizität von mindestens 2.2 aufweist und in der Umhüllung und/oder im Kerndraht Titan und/oder Titanoxyd bzw. -oxyde in so auf ihre Zusammensetzung und ihren Aufbau abgestimmter Menge · und Anordnung enthalten sind, daß der Titangehalt des niedergelegten Schweißgutes weniger als 0,07% ausmacht, mit der Maßgabe, daß gegebenenfalls im Kerndraht vorhandenes Titan mit dem Faktor 1,33 multipliziert als in der Umhüllung enthaltenes Titan berücksichtigt ist, die Mengen an metallischem Titan und/oder oxydisch gebundenem Titan un der Umhüllung so gewählt sind, daß die Summe aus dem Gehalt an oxydisch gebundenem Titan und dem 2,6fachen Gehalt an metallischem Titan bei einer Basizität von weniger als 3 höchstens 1,71% von 3 bis 4 höchstens 1,18%, und von über 4 höchstens 0,89%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, beträgt und/oder, insbesondere für Tieftemperaturanwendungen, der sich beim Dividieren der Summe aus dem jeweils aus der Umhüllung stammenden Gehalt an oxydisch gebundenem Titan und dem 11 fachen Gehalt an metallischem Titan durch den Anteil an CO₂ in Gewichtsprozent ergebende Quotient durchschnittlich einen Wert von 0,04 bis 0,13 besitzt.

2. Lichtbogenschweißelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an metallischem Titan und/oder Titanoxyd bzw. -oxyde liefernden Bestandteilen so begrenzt ist, daß der Titangehalt des niedergelegten Schweißgutes weniger als 0,045 % ausmacht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektrode zum Niederlegen eines Schweißgutes mit erhöhter Kerbschlagzähigkeit aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl, bestehend aus einem Weichstahlkerndraht, der 45 bis 80% des Gesamtgewichts der Elektrode ausmacht, und einer kalkbasischen Umhüllung, die, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, aus 0 bis 30% Legierungsmetallpulver, 2 bis 7% Desoxydationsmetallpulver, 4 bis 15% Metallfiuoriden, einzeln oder zu mehreren, 5 bis 15% Erdalkalikarbonaten, einzeln oder zu mehreren, 0 bis 10% Schlackenbildnern und 0,5 bis 8% anorganischen Bindemitteln, einzeln oder zu mehreren, zusammengesetzt, und die basische Bestandteile, nämlich mindestens eines der Metalle Lithium, Natrium, Kalium, Caesium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, sowie saure Bestandteile, näniüch Aluminium und/oder Silizium, enthält, wobei die jeweils als Metalloxyd vorliegenden sauren und basischen Bestandteile mengenmäßig so aufeinander abgestimmt sind, daß eine Schweißschlacke mit einem Molverhältnis von basischen Metalloxyden zu sauren Metalloxyden (Basizität) von mindestens 2,0 entsteht.

Der Ausdruck »kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektrode« bzw. (kurz) »Elektrode« ist in DIN 1913 definiert, so daß seine Bedeutung beim Fachmann als bekannt vorausgesetzt werden kann und keiner näheren Erläuterung bedarf. In der Praxis wirtschaftlich und technisch erfolgreiche kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektroden, die Schweißgut aus nicht austenitischem Stahl liefern, fallen unter die drei AWS (American Welding Society)-Klassen E-XX15, E-XX18 und E-XX 28.

Die Klasse E-XX15 ist dabei als der Grundtyp dieser drei Normklassen anzusehen, von dem sich die beiden anderen Klassen lediglich dadurch unterscheiden, daß ein zunehmend höherer Metallanteil statt im Kerndraht in der Umhüllung enthalten ist. In der nachstehenden Tabelle I sind die in kalkbasisch umhüllten Elektroden dieser drei AWS-Klassen enthaltenen funktionswesentlichen Bestandteile sowie die Grenzwerte des Gehalts an diesen Bestandteilen in %, bezogen auf das Gesamtelektrodengewichi, aufgeführt. Die angegebenen Gehalte beziehen sich jeweils auf fertig gebrannte Elektroden.

	Kerndraht 7.	Legierungs metallpulver 7«	Tabelle	I	Metall- fluorid(e) 0/ la	Erdalkali- carbonat(e) 7.	Schlacken bildner und modifizie rungsmittel 7ü	Anorga nischeis) Bindemittel 7o
AWS- K lasse	70 bis 80 55 bis 72 45 bis 55	0 bis 5 5 bis 15 20 bis 30	Desoxy dations metallpulver 7o	4 bis 15 4 bis 15 4 bis 15	5 bis 15 5 bis 15 5 bis 15	0 bis 10 0 bis 10 0 bis 10	0,5 bis 8 0,5 bis 8 0,5 bis 8
E-XX 15 E-XX 18 E-XX 28		2 bis 7 2 bis 7 2 bis 7

Es sei angemerkt, daß weiter unten die Erfindung an Hand von Elektroden der gebräuchlichsten dieser jrei Klassen, nämlich E-XX18, erläutert .wird.

Eine wesentliche Eigenschaft von Lichtbogenschweißelektroden ist die Basizität der von ihnen beim Verschweißen gebildeten Schlacke, d. h. das Molverhältnis von Oxyd(en) als »basisch« eingestufter Metalle zu Oxyd(en) als »sauer« eingestufter Metalle, wobei Schweißschlacken mit einer unter 1 liegenden Basizität als »sauer« und Schweißschlacken mit Basizitäten von mehr als 1 als »basisch« bezeichnet werden. Die gleichen Bezeichnungen werden auch für umhüllte Schweißelektroden und deren Umhüllungen gebraucht, aus denen die betreffenden Schweißschlacken stammen.

Da die Einstufung der in umhüllten Elektroden vorkommenden Metalle als basisch oder sauer noch keine \erbindliche Regelung gefunden hat, sei angemerkt, daß im Sinne der Erfindung Lithium, Natrium, Kalium, Caesium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium bzw. deren Oxyde als basische Metalle bzw. Oxyde ao und Silicium und Aluminium als saure Metalle bzw. Oxyde angesehen werden. Andere in Elektrodenumhüllungen üblicherweise verwendete Oxyde, wie Titanoxyd, und Salze, wie die Fluoride, werden bezüglich ihres Einflusses auf die Basizität der Schlacke als neu- as tral angesehen.

Obwohl aus »Werkstatt und Betrieb«, 1952, S. 636 bis 641, seit langem bekannt war, daß bei kalkbasisch umhüllten Lichtbogenschweißelektroden nicht nui der Wassergehalt, sondern auch die sonstige Zusammensetzung der Umhüllung und damit auch die Basizität der Schweißschlacke von erheblicher Bedeutung für die mechanischen Gütewerte des aus diesen Elektroden niedergelegten Schweißgutes ist und insbesondere die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes mit wachsender Schlackenbasizität zunimmt und obwohl aus der britischen Patentschrift 1 142 873 die aus diesem bereits länger bekannten Zusammenhang zwischen Schlackenbasizität und Schweißgutkerbscglagzähigkeit hergeleitete Forderung bekannt war, die Zusammensetzung der Umhüllung so zu wählen, daß die Basizität der Schweißschlacke mindestens 2,0 beträgt, wobei die daraus bekannten Elektroden in der Umhüllung gegebenenfalls bis 5°/₀ Titanoxyd einzig und allein als sauren Bestandteil enthielten, wurden aus nachstehend noch eingehend dargelegten Gründen bislang in der Praxis fast ausschließlich kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektroden mit Basizitäten von etwa 1,2 bis 1,9 verwendet.

Bevor auf die Gründe näher eingegangen wird, die dazu geführt haben, daß trotz des bekannten günstigen Einflusses hoher Schweißschlackenbasizitäten auf die Schweißgutkerbschlagzähigkeit, die aus der britischen Patentschrift 1 142 873 bekannten kalkbasisch umhüllten Elektroden sich in der Praxis nicht durchsetzen konnten, seien kurz die Möglichkeiten zur Ermittlung der Basizität angegeben.

Die Basizität einer Elektrode kann entweder direkt durch chemische Analyse der Schlacke bestimmt oder in ziemlich genauer Annnäherung rechnerisch ermittelt werden. Um die Schlackenbasizität berechnen zu können, muß man sowohl die Zusammensetzung des Schweißguts, des Kerndrahts und der Umhüllung, als auch das Verhalten dieser Bestandteile während des Schweißvorgangs kennen. Die Durchführung einer solchen Berechnung läßt sich am besten an Hand eines Beispiels, z. B. der Berechnung der Schlackenbasizität einer für den Stand der Technik repräsentativen Elektrode vom Typ AWS E-7018, erläutern.

Tabelle Il

Berechnung der Basizität einer typischen kalk basisch umhüllten Elektrode vom Typ AWS E-7018 mit einem

Kerndrahtdurchmesser von 3,97 mm

Umhüllungsbestandteile

Menge der Umhüllungsbestandteile in g

An die Schlacke abgegebene Menge an sauren
und/oder basischen Oxyden

in g
SiO, I Al₂O₃ I CaO | K₂O | Na,0

Kaliumtitanat

Calciumfluorid

Ferrosilicium

(Si ins Schweißgut)

Ferrosilicium (Si oxydiert).

Ferromangan

Ferrotitan

Aluminiumoxyd

Calciumcarbonat

Eisenpulver

Natriumbicarbonat

Wollastonit

6,7 24,3

1,5 1,5 5,5 2,34 1,14 19,6 33,5 0,2 3,72

Gesamtmenge der Trockenbestandteile. Alkalisilikatbindemittelgemisch 21 cm³

Gesamtmenge der einzelnen Oxyde in g

Mol

Wirkung

100,00

Mol basische Oxyde Mol saure Oxyde

11,54 0,193 sauer 0,285
0,206

0,07

0,15
1,14

1,36
0,013
sauer

= 1,38

10,85

1,76

12,61
0,226

1,27

1,81

3,08

0,033

basisch

0,07

1,47

1,61
0,026

Zur Herstellung einer solchen Elektrode wird bei- ringerer Basizität verwendet wurden, ist darin zu spielsweise ein 3,97 mm starker Weichstrahlkei ndraht sehen, daß auch die schwerer und mit höherem Kostendurch Strangpressen mit einer Umhüllung aus den aufwand herzustellenden, hochbasische Schlacken lienach Art und Menge aus der Tabelle II zu ersehenden fernden bekannten Elektroden aus bislang unbekann-Bestandteilen versehen. Der Gewichtsanteil der Um- 5 ten Gründen häufig ein Schweißgut mit unzulänghüllung beträgt, bezogen auf das Gesamtgewicht der licher oder allenfalls gerade noch ausreichender Kerbfertigen Elektrode, etwa 35 ⁰Z₀. Aus den Analy^edaten Schlagzähigkeit lieferten, se daß der zur Erzielung von des Schweißguts und des Kerndrahts kann ermittelt Schiackenbasizitäten von über 2,0 erforderliche Aufwerden, was an ursprünglich metallischen Bestandteilen wand mit Rücksicht auf die Unsicherheit des angebeim Schweißen oxydiert wird und welche Metalle io strebten Erfolgs nicht gerechtfertigt erschien. Es be- und wieviel »gewonnen«, d. h., aus ihren Verbindungen steht somit ein dringender Bedarf an kalkbasisch umelementar abgeschieden und freigesetzt werden. Wenn hüllten Elektroden, die ein nicht austenitisches Stahlman diese Werte sowie die Zusammensetzung der schweißgut mit überlegener Zähigkeit ergeben, ohne Umhüllung kennt und die geringen Verdampfungsver- daß dadurch die Schweißbarkeit, die Festigkeit, die luste vernachlässigt, kann man die Menge der Oxyde 15 Duktilität ,die Rißfestigkeit oder andere wünschensvon sauren und basischen Metallen in der Schlacke, die werte Eigenschaften beeinträchtigt werden,
von besonderem Interesse ist, in der ans der Tabellen Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zu ersehenden Weise rechnerisch ermitteln. verbesserte Lichtbogenschweißelektroden der eingangs

Beim vorliegenden Berechnungsbeispiel beträgt die bezeichneten Art zu schaffen, die nicht oder zumindest

Gesamtmenge der Oxyde saurer bzw. basischer Metalle 20 nicht wesentlich teurer als bekannte und in der

in Mol 0,285 bzw. 0,206, entsprechend einer Basizität Praxis gebräuchliche Elektroden dieses Typs, diesen

von 1,38. gleichzeitig jedoch hinsichtlich der mechanischen

Wie bereits erwähnt, gibt es mehrere Gründe dafür, Gütewerte des damit niedergelegten Schweißgutes und

daß bekannte und in der Praxis bewährte kalkbasisch insbesondere dessen Kerbschlagzähigkeit beim Charpy-

umhüllte Elektroden in der Regel Schlacken mit Basi- 25 Kerbschlagzähigkeitstest eindeutigüberlegen sind,ohne

zitäten von nur etwa 1,2 bis etwa 1,9 liefern. Einer der daß dadurch andere günstige Eigenschaften, wie die

wichtigsten ist darin zu sehen, daß mit den bislang ge- Elektrodenschweißbarkeit oder die Schweißgutfestig-

bräuchlichen Komponenten für Umhüllungen kalk- keit, -duktilität und Rißbei.tändigkeit, beeinträchtigt

basisch umhüllter Elektroden mit Rücksicht auf die werden.

Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes an sich er- 30 Es wurde nunmehr gefunden, daß es vor allem durch wünschte hohe Basizitäten nur schwer und mit ver- die Verwendung bislang in jmhüllten Elektroden unhältnismäßig hohen Kosten und Basizitäten, die gebräuchlicher Desoxidationsmittel auf preiswerte wesentlich über dem in der britischen Patentschrift Art gelingt, kalkbasisch umhüllte Elektroden herzu-1 142 873 geforderten Mindestwert liegen, praktisch stellen, die Schweißschlacken mit einer wesentlich über überhaupt nicht zu erreichen sind. So tragen die bei be- 35 dem in der britischen Patentschrift 1 142 873 geforderkannten kalkbasisch umhüllten Elektroden gebrauch- ten Mindestwert liegenden Basizität bilden, daß aber liehen Silikatbindemittel erheblich zu einem hohen solche Elektroden überraschenderweise nur dann SiOj-Gehalt der Schlacke bei, der durch das herkömm- ein Schweißgut mit voll befriedigenden mechanischen licherweise als billiges und zweckmäßig zu hand- Gütewerten liefern, wenn ihre Schweißschlackenbasizihabendes Desoxydationsmittel verwendete Ferrosili- 40 tat mindestens 2,2 beträgt (also erheblich über dem aus cium noch erhöht wird. Die verwendeten Mengen der der britischen Patentschrift 1142 873 bekannten Alkalimstalloxyde Na₂O und K₂O sind teils wegen des Mindeslwert liegt) und die Elektroden Titan und oder Einflusses dieser Oxyde auf den Schweißvorgang, teils Titanoxyd(c) in Mengenverhältnissen und einer Anweil Stoffe mit hohem Gehalt an diesen Oxyden und Ordnung enthalten, die auf die Zusammensetzung gleichzeitig geringem Wassergehalt und geringer Nei- 45 und den Aufbau der Elektroden so abgestimmt sind, gung Wasser aufzunehmen nur schwer erhältlich sind, daß das mit diesen Elektroden niedergelegte Schweißnach oben begrenzt. Der Calciumcarbonatantsil läßt gut Titan in einer weniger als 0,07⁰Z₀ ausmachenden sich zwar grundsätzlich steigern, jedoch macht die Menge enthält, und hinsichtlich des Verhältnisses von zwangläufig damit verbundene erhöhte Entwicklung vorhandenem Titan und/oder Titanoxyd zur Basizität von Kohlendioxyd beim Schweißen eine vermehrte 50 der von der Elektrode gebildeten Schweißlschacke Desoxydation erforderlich, die gewöhnlich durch eine und/oder dem CO₂-Gehalt bestimmte Bedingungen erErhöhung der verwendeten Ferrosiliciummenge crzieli füllt sind.

wird, was wiederum den Anteil an sauren Oxyden bzw. Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfmdungs-Oxyden saurer Metalle in der Schlacke erhöht. Fall- gemäß dadurch gelöst, daß die sich bildende Schweißweise kann als Dasoxydationsmiüel auch Aluminium 55 schlacke eine Basizität von mindestens 2,2 aufweist und verwendet werden, jedoch ist das daraus entstehende in der Umhüllung und/oder im Kerndraht Titan und/ Aluminiumoxyd ebenfalls ein saurer Schlackenbe- oder Titanoxyd bzw.-oxyde in so auf ihre Zusammenstandteil. Setzung und ihren Aufbau abgestimmter Menge und Aus dem Vorstehenden ist zu ersehen, daß bei den Anordnung enthalten sind, daß der Titangehalt des kalkbasisch umhüllten Elektroden nach dem Stand der 60 niedergelegten Schweißgutes weniger als 0.07⁰Z₀ ausTechnik die Basizität der Schweißschlacken ineist durch macht, mit der Maßgabe, daß gegebenenfalls im Kerndie herkömmliche Art. das Problem der Bindemittel draht vorhandenes Titan mit dem Faktor 1,33 niulti- und der Desoxydationsmittel zu lösen, gesenkt wird. pliziert als in der Umhüllung enthaltenes Titan be-Ein weiterer wichtiger ürund dafür, daß bislang statt rücksichligt ist. die Mengen an metallischem Titan der aus der britischen Patentschrift 1 142 873 bekann- 65 und oder oxydisch gebundenem Titan in der Umhülten Schweißschlacken mit einer Basizität von minde- hing so gewählt sind, daß die Summe aus dem Gehalt stcns 2,0 bildenden, kalkbasisch umhüllten Elektroden an oxydisch gebundenem Titan und dem 2,(Sfachen in der Regel kalkbasisch umhüllte Elektroden mit ge- Gehalt an metallischem Titan bei einer I?asi7ität

von weniger als 3 höchstens 1,71%,
von 3 bis 4 höchstens 1,18% und
von über 4 höchstens 0,89 %,

bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, beträgt und/oder, insbesondere für Tieftemperaturanwendungen, der sich beim Dividieren der Summe aus dem jeweils aus der Umhüllung stammenden Gehalt an oxydisch gebundenem Titan und dem llfachen Gehalt an metallischem Titan durch den Anteil an CO₂ in Gewichtsprozent ergebende Quotient durchschnittlich einen Wert von 0,04 bis 0,13 besitzt. Die Lichtbogenschweißelektroden der Erfindung ergeben ein Schweißgut aus nicht austenitischem Stahl, das sich durch überlegene Zähigkeit beim Charpy-Kerbschlagzähigkeitstest auszeichnet.

Der Gehalt an erfindungsgemäßen kalkbasisch umhüllten Elektroden an metallischem Titan und/oder Titanoxyd(e) liefernden Bestandteilen wird Vorzugsweise so gewählt, daß der Titangehalt des mit den Elektroden niedergelegten Schweißgutes unter 0,045% liegt.

Das Ausmaß der erfindungsgemaß erzielten Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit hängt von dem im Einzelfall verwendeten Legierungssystem ab, wobei einige Legierungssysteme, wie aus den nachstehenden Beispielen zu ersehen ist, eine weit höhere Verbesserung aufweisen als andere. Bei einem gegebenen Legierungssystem wird der erzielte Fortschritt geringer, wenn man sich den Grenzen des durch die erfindungsgemäßen Auswahlregeln definierten Bereiches nähert. Der typische HöchstwertdesAusmaßesdererfindungsgemäß erzielten Verbesserung schwankt" im allgemeinen zwischen etwa 30 und einigen 100%. Auf Grund der bislang zu erzielenden Schweißgutkerbschlagzähigkeiten war man der Ansicht, daß das Schweißen mit kalkbasisch umhüllten Elektroden geringere Möglichkeiten bietet als Gas-Metall-Lichtbogen- oder Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen.

Die erfindungsgemäß erzielte erhebliche Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts ermöglicht im Verein mit der Tatsache, daß im Schutzgas-Lichtbogenschweißverfahren erfahrene Schweißer verfügbar sind, daß das Arbeiten mit solchen Elektroden allgemein einfach ist sowie daß solche kalkbasisch umhüllte Elektroden zuverlässig und billig sind, die Anwendung der Lichtbogenschweißelektroden der Erfindung auf Gebieten, auf denen eine hohe Schweißgüte erforderlich ist, und kalkbasisch umhüllte Elek- troden bisher völlig versagten oder zumindest immer mehr außer Gebrauch kamen.

Aus den nachstehenden, durch Beispiele erläuterten derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich weitere Vorteile der Erfindung.

gierungszusätze, um zu gewährleisten, daß die Festigkeitseigenschaften des mit der Elektrode niedergelegten Schweißguts den Anforderungen an Schweißgut aus Elektroden der Klasse E-Il 018 entsprechen.

Trockene Bestandteile

Calciumcarbonat 20,0 g

Calciumfluorid 43,3 g

Magnesium 2,7 g

50°/₀ Ferrosilicium 5,0 g

40%Ferrotitan 0,13 g

Nickel 4,37 g

65 % Ferromolybdän 1,5 g

Eisenpulver 19,3 g

Mangan 3,7 g

Summe 100,0 g

Feuchte Bestandteile (Bindemittel)

Wasser 11,90 g

Organische Strangpreßhilfe 1,52 g

Kaliumhydroxyd 0,67 g

Natriumaluminat (40°/₀ Natriumoxyd, 31 °/₀ Aluminiumüxyd, 23°/₀Wasser) 1,91 g

Summe 16,00 g

35 Eine Berechnung der in der Tabelle Il erläuterten Art zeigt, daß die auf diese Weise erhaltene kalkbasisch umhüllte Elektrode eine Schweißschlacke mit einer bislang unerreicht hohen Basizität von 4,42 ergibt. Die erheblich verbesserten Kerbschlagzähigkeitseigenschaften des unter Verwendung dieser Elektrode niedergelegten Schweißguts sind aus der Tabelle III zu ersehen in der sie mit denen eines im wesentlichen gleichartiger Schweißguts, das repräsentativ für den Stand dei Technik ist, verglichen werden.

Tabelle III Beispiel 1

Aus dem nachstehend aufgeführten Umhüllungsgemisch, das auf einen 0,397 mm starken, leitenden Kerndraht von handslsüblicherStandardqualität aus C-1008-Flußstrahl aufgetragen und dann bis zu einem geringen Wassergehalt getrocknet wird, wird eine kalkbasisch umhüllte Elektrode vom Typ AWS E-11 018 hergestellt. Die Umhüllung macht etwa 35% des Elektrodengewichts aus und enthält eine ausreichende Menge Le-

60

Schlackenbasizität

Härte, Rockwell »C«

Charpy-Kerbschlagzähigkeit (m · kp)

Raumtemperatur ...

-73,3°C

-101,1⁰C

Schweißgutanalyse, %

Kohlenstoff

Mangan

Silicium

Nickel

Chrom

Titan

Stand der Technik (E-11018)

1,48 29

11,8 4,27

1,11

0,086 1,55 0,40 l,6^d) 0,4^d) <O,O45^d)

Erfindung (Beispiel 1)

4,42 33

19,75

10,65

5,95

0,092 1,81 0,36 1,76 0,36 < 0,045'

^a) Aus LegierungsabscheidungskuTven abgeleitet.

Das unter Verwendung der Elektrode nach Beispiel 1 niedergelegte Schweißgut ist etwas höher legiert und daher auch etwas härter als das mit der zum Vergleich als Stand der Technik herangezogenen Elektrode der Klasse E-Il 018 niedergelegte Schweißgut. Es wäre zu erwarten, daß die größere Härte zu einer Verringerung der Kerbschlagzähigkeit führen würde, jedoch erzielt man erfindungsgemäß, wie aus der Tabelle III zu ersehen ist, überraschend eine wesentliche Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, die, je nach der Prüftemperatur, zwischen etwa 68 und über 400°/_fl beträgt. Besonders bedeutsam ist die Tatsache, daß für die Zwecke der Erfindung ein Kerndraht von handelsüblicher Standardqualität verwendet werden kann und man keine teuren hochreinen Kerndrähte zu verwenden braucht.

Beispiel 2

Unter Verwendung des nachstehend aufgeführten Gemisches wird analog Beispiel 1 eine weitere erfindungsgemäße Elektrode hergestellt. Die Umhüllung macht etwa 35°/₀ des Elektrodengesamtgewichts aus und enthält ausreichend Legierungszuschläge, um ein niedriglegiertes Schweißgut mit einem Nickelgehalt von 3,5% zu liefern.

Trockene Bestandteile

Kaüumtitanat 4,1 g

Strontiumcarbonat 14,7 g

Calciumcarbonat 20,3 g

Calciumfluorid 24,3 g

Magnesium 2,0 g

50°/₀ Feirosilicium 5,7 g

Nickel 7,6 g

Mangan 0,7 g

Eisen 20,6 g

Summe 100,0 g

Feuchte Bestandteile (Bindemittel)

12,0 cm⁸ einer wäßrigen Lösung

eines Alkalimischsilikats mit

einem Gehalt von

Siliciumdioxyd 5,30 g

Natriumoxyd 1,24 g

Kaliumoxyd 1,33 g

Die Berechnung der Schweißschlackenbasizität füi diese Elektrode ergibt einen Wert von 2,59.

In der Tabelle IV sind Vergleichswerte für mit diesel erfindungsgemäßen kalkbasisch umhüllten sowie einei für den Stand der Technik typischen kalkbasisch um hüllten Elektrode erhaltenes Schweißgut aufgeführt

Tabelle IV

Stand der Technik

Erfindung (Beispiel 2)

Elektrodenschlackenbasizität

Härte, Rockwell »C«

Charpy-Kerbschlagzähigkeit (m · kp)

Raumtemperatur

-73,3⁰C

- 101,1⁰C

Schweißgutanalyse, °/₀

Kohlenstoff

"Mangan ·

Silicium

Nickel

Titan

^d) Aus Legieningsabscheidungskurven abgeleitet.

Beispiel 2 zeigt, daß erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere bei niederen Temperaturen, trotz der nur bescheidenen Erhöhung der Schlackenbasizität auf 2,59 eine deutliche Verbesserung der Schweißgutkerbschlagzähigkeit erzielt wird.

Wie die Beispiele 1 bzw. 2 zeigen, können die Fiektroden der Erfindung eine mit einem Alkalialuminat oder einem Alkalisilikat gebundene Umhüllung besitzen. Sowohl Beispiel 1 als auch Beispiel 2 erläutern ferner zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen ein wohlausgewogenes Gemisch von Desoxydationsmittelmetallen, unter anderem Magnesium, dessen Oxydrückstand einen wichtigen Beitrag 1,48
21

20,16
7,47
3,04

ö,059
0,67
0,33
2,98
<0,045^d)

2,59 20

22,24 13,94 5,25

0,073· 0,66 0,41 3,01) <0,045<i)

zur Erhöhung der Basizität der Schweißschlacke Ie stet, verwendet wird. Würde man im Umhüllungsg misch von Beispiel 2 das Magnesium durch die gleicl Gewichtsmenge 50⁰/„iges Ferrosilicium ersetzen, würde sich die Schlackenbasizität von 2,59 auf 1,70 ve ringern. Bei der Umhüllung von Beispiel I₁ bei der e Aluminatbindemittel verwendet wird, ist der Effe ähnlich. Die Verwendung von 2,7 g Magnesium ι Stelle von 2,7 g 50⁰/„iges Ferrosilicium führt dabei, w gezeigt, in Verbindung mit der Verwendung eines Al minatbindemittels an Stelle eines üblichen Silikatbind mittels zur Erhöhung der Schlackenbasizität von etv 1,75 auf 4,42. Wenn als Desoxydationsmittel η

11 12

Ferrosilicium verwendet würde, so würde die Basizität Calciumcarbonat 29,9 g

der Schlacke sich dem unteren erfindungsgemäß ge- Calcfumfluorid 29,3 g

forderten Grenzwert von 2,2 nähern, jedpch nicht den Magnesium 3,2 g

erfindungsgemäß bevorzugten Mindestwert von 3 über- 50°/₀ Ferrosilicium 6,3 g

steigen. Bei der Verwendung von Magnesium als 5 Rutil 1,4 g

Desoxydationsmittel werden die geforderten Mindest- Nickel 5,4 g

basizitäten jedoch leicht überschritten. 65°/„ Ferromolybdän 1,8 g

70°/₀ Ferrochrom 2,2 g

Mangan 2,0 g

ίο Eisenpulver 15,5 g

Beispiel 3 Manganoxyd 2,4 g

CMC (Strangpreßhilfe) 0,6 g

, , „..,,.., . . · Summe der Trockenbestandteile 100,0 g

Analog Beispiel 1, jedoch unter Anwendung eines

höheren Calciumcarbonatgehalts und anderer kleinerer 15 Das Bindemittel entspricht dem im Beispiel 1 verAbänderungen, wird eine dritte erfindungsgemäße wendeten, enthält jedoch kein Kaliumhydroxyd.
Elektrode hergestellt. Die Umhüllung macht etwa Die im Vergleich zu Schweißgut aus bekannten 35°/₀ des Elektrodengewichts aus und enthält aus- kalkbasisch umhüllten Elektroden der Klasse E-14018 reichend Legierungszuschläge, um ein Schweißgut zu stark verbesserte Kerbschlagzähigkeit von Schweißgut, erzielen, das bezüglich der Festigkeitseigenschaften »0 das mit solchen erfindungsgemäßen Elektroden der den Anforderungen an Schweißgut aus Elektroden der Klasse E-14 018 niedergelegt wird, sind aus der Ta-Klasse E-14 018 genügt. belle V zu ersehen.

Tabelle V

Stand der Technik
(E-14018)

Erfindung
(Beispiel 3)

Elektrodenschlackenbasizität

Härte, Rockwell »C«

Charpy-Kerbschlagzähigkeit (m · kp)

Raumtemperatur

-17,8⁰C

-51,1⁰C

Festigkeit

Zugfestigkeit, kp/mm²

Streckgrenze, kp/mm²

Dehnung, °/o

Schweißgutanalyse, °/₀

Kohlenstoff

Mangan

Phosphor

Schwefel

Silicium

Chrom

Nickel

Molybdän

Titan

·) Durchschnittswert aus einer Reihe von Versuchen.

1,5

37

6,91
4,84

103,4
99,1
18

0,08
1,90
0,006
0,005
0,43
0,55
2,00
0,42
<0,045^d)

4,5
37

10,92

10,10

8,30

111,8
99,8
19

0,074
1,77
0,004^a)
0,003^a)
0,41
0,78
2,59
0,49
<0,045<¹)

^d) Aus Legierungsabscheidungskurven abgeleitet.

Das Schweißgut aus der Elektrode nach dem Stand der Technik gleicht dem mit der erfindungsgemäßen Elektrode niedergelegten Schweißgut bezüglich der Härte und der Streckgrenze ziemlich weitgehend. Hingegen sind die Charpy-Kerbschlagzähigkeitswerte des aus der erfindungsgemäßen Elektrode erhaltenen Schweißguts bei Raumtemperatur bzw. —51,1°C um 58 bzw. °/„ höher als diejenigen des mit einer Elektrode nach dem Stand der Technik niedergelegten Schweißguts.

Anstatt metallisches Magnesium zu verwenden, kann die Schlackenbasizität der Elektroden der Erfindung durch andere Abwandlungen der Umhüllungszusammensetzung erhöht werden. Eine solche Abwandlung besteht darin, beständige Formen von Magnesiumoxyd zu verwenden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin,

den Siliciumoxydgehalt aus dem Bindemittel zu ver ringern, indem man geringere Bindemittelmengen odei verdünnte Bindemittel verwendet. Ferner kann inai zu diesem Zweck den Alkaligehalt durch Verwendunj von Hydroxyden, Carbonaten oder Titanaten inner halb der erfindungsgemäß zulässigen Grenzen erhöhei und/oder an Stelle von Silicium andere Desoxydations mittel, wie Calcium, Lithium (obzwar diese beiden Me taue, wie dem Fachmann klar ist, infolge ihrer Reak tionsfähigkeit mit dem Bindemittel gewisse Problemi bieten), Titan (im Rahmen der an durch die Wirkunj dieses Metalls auf die Kerbschlagzähigkeit ijezogenei Grenzen) oder seltene Erdmetalle (Mischmetal!), ii beschränktem Ausmaß sowie andere A us tauschst off 1 verwenden.

Unter Anwendung von Kombinationen vorstehender Maßnahmen läßt sich die Basizität der Schweißschlacke nötigenfalls erheblich über den erfindungsgemäß geforderten Mindestwert von 2,2hinaussteigern, wobei jedoch zu beachten ist, daß die handelsüblichen und technischen Standardwerte der Umhüllungszähigkeit und der Elektrodenbetriebsverhältnisse eingehalten werden müssen. Jedoch ist eine günstige Schlackenbasizität durch die Verwendung von Magnesiummetall viel leichter zu erzielen.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die bisherigen Beispiele zeigen, daß, bei etwa gleichem Titangehalt des Schweißgutes, die Kerbschlagzähigkeit von Schweißgutr aus Elektroden, die eine Schweißschlacke mit einer über dem erfindungsgemäß geforderten Mindestwert von 2,2 liegenden Basizität bilden, erheblich höher ist als bei Elektroden deren Schweißschlackenbasizität unter diesem Wert liegt.

Nachstehend werden der Einfluß des Titangehalts im Schweißgut auf dessen Kerbschlagzähigkeit und die erfindungsgemäß für die Verwendung von Titan und/ oder Titanoxyd(en) in kalkbasisch umhüllten Elektroden vorgeschlagenen Auswahlregeln erläutert.

Es wurde bereits im Zuge früherer Forschungsarbeiten erkannt, daß die Verwendung der Metalle Titan, Aluminium und Zirkonium in Drähten für das Schutzgaslichtbogenschweißen die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts beeinflußt, jedoch wurde erst im Rahmen der Erfindung gefunden, daß bei kalkbasisch umhüllten Elektroden Titan einen wesentlichen Einfluß auf die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts hat, während Aluminium und Zirkonium nur von sekundärem Interesse sind, vorausgesetzt, daß ein zu großer Überschuß vermieden wird. Beispielsweise wurde gefunden, daß ein Aluminiumgehalt des Schweißguts von mehr als etwa 0,03 °/„ schädlich ist. Bei den verbesserten Elektroden der Erfindung sind daher bezüglich des Gehalts an Titan in metallischer Form oder als Oxyd Grenzen vorgesehen, deren Wert sowohl von der von der Umhüllungentwickelten Kohlendioxydmenge als auch von der Basizität der von der Elektrode gebildeten Schweißschlacke abhängt. Es wäre zu erwarten, daß metallisches Titan in der aus dem Carbonatgehalt der Elektrodenumhüllung stammenden, vorwiegend aus Kohlendioxyd bestehenden Atmosphäre sich leicht oxydieren und kaum in das Schweißgut gehen würde, und noch weniger wäre eine Reduktion von Titanoxyd zu erwarten. Nach dem Stand der Technik wurde Titandioxyd von Schweißfachleuten als saurer, amphoterer oder neutraler Schlackenbestandteil angesehen und seine Verwendung als Umhüllungsbestandteil mit Rücksieht auf eine hohe Schlackenbasizität gewissen Beschränkungen unterworfen (vgl. z. B. britische Patentschrift 1 142 873). Wäre Titandioxyd sauer oder amphoter, so wäre zu erwarten, daß es in einer hochbasischen Schlacke fester und leichter gebunden

ίο würde, als in einer saureren Schlacke, so daß zu erwarten wäre, daß der Titangehalt in einem Schweißgut, das im Gleichgewicht mit einer bestimmten Titandioxydmenge in der Schweißsclilacke steht, mit zunehmender Basizität de:: Schlacke abnimmt (das Gleichgewicht zwischen Silicium im Schweißgut und Siliciumdioxyd in der !schlacke verhält sich so). Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß Titan sich genau umgekehrt verhält, d. h., daß bei gegebenem Gehalt der Elektrode an als Metall oder als

ao Oxyd vorliegendem Titan mit steigender Basizität der Schlacke der Gehalt an in Schweißgut aufgenommenem metallischem Titan zunimmt.

B e i ü ρ i e 1 4

Aus der Tabelle VI, in der Testergebnisse aus eii.r Reihe von Vergleichsversuchen zwischen Schweißest aus einer nicht erfindungsgemäßen titanfreien und mehreren erfindungsgemäßen Elektroden vom T ρ E-IO018, die sämtlich einen Kerndraht mit ein.ni Durchmesser von etwa 0,397 mm besitzen und eine Schlacke mit einer Basiztät von etwa 4,5 bilder., zusammengestellt sind, ist die durch die Verwendung kontrollierter Mengen Titan in verschiedenen Formen zu erzielende Verbesserung zu ersehen. Alle Elektroden enthalten erforderliche Legierungszusätze. Die Elektroden b, c und d besitzen Umhüllungen, deren Zusammensetzung sich von derjenigen der Elektrode a nur dadurch unterscheidet, daß der Umhüllungsmasse je-

weils Titan in der für dl·; bestimmte Form optimalen Menge zugesetzt ist. Alle Elektroden werden untei Standardbedingungen geprüft und liefern ein Schweiß gut mit einer Rockwellhä.rte von etwa 25, einer Streck grenze von etwa 63,3 kp/mm* und etwa folgender

Elementaranalyse: 0,07 % Kohlenstoff, 1,1 % Manean 0,4% Silicium, 1,7% Nickel, 0,4% Chrom und 0,3 °/₀ Molybdän.

Tabelle VI

Elektrode

Beschreibung

Der Umhüllungsmasse zugesetzte Menge, g

Verfügbares Titan in °/₀ des Elektroden gewichts

Titan im Schweißgut Anzahl der geprüften Testbleche

Durchschnittliche Charpy-Kerbschlagzähigkeit (m · kp)

Raumtemperatur

-73,3°C

-101,1⁰C

Grundgemisch,
kein Titan in
irgendeiner
Form

Kein Zusatz 0 0

Kaliumtitanat

1,67

0,26

0,024

34,6 15,87+ 3,32

^d) Aus den Legierungsabscheidungskurven abgeleitet.

TiO_a-Pigment

1,0

0,21 0,02

31,0

15,32+ 2,21

42% Ferrotitan

0,12

0,0176 0,003^a) 2

27,3 14,08+ 5,39

T Τ .4 ■?

15 16

Anmerkung: Das Pluszeichen hinter einigen der vorstehenden Werte bedeutet, daß einer der Prüfkörper bei der entsprechenden Temperatur eine über dem bei 16,29 m · kp liegenden Höchstwert der Testmaschine liegende Kerbschlagzähigkeit aufweist. Da bei der Prüfung der Kerbschlagzähigkeit die Ergebnisse üblicherweise stark streuen, nimmt man gewöhnlich den Durchschnittswert aus mehreren Tests.

Bereits die Kerbschlagzähigkeittestergebnisse für das 3. wie in etwa der Titangehalt im Schweißgui be-Schwcißgut der mit dem Grundgemisch umhüllten sr. /X werden muß. um die Kerbschlagzähigkeit Elektrode a sind den bei Schweißgut nach dem Stand de> Schweißguts auf Werten zu halten, die über den der Technik mit gleich hoher Festigkeit zu erzielenden io für die Kerbschlagzähigkeit von Schweißgut nach Werten weit überlegen. Wie aus den Testergebnissen dem Stand der Technik charakteristischen Werten der erfindungsgemäßen Elektroden b, c und d zu er- liegen,
sehen ist, kann die Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts weiter erhöht werden, indem man dem Grund- Bei der Darstellung und Erläuterung der Regeln für gemisch der Elektrodenumhüllungen optimale Mengen 15 die einstellung und Stsuerung des T'.angehalts werden an Titan in verschiedenen Formen zusetzt. durchschnittliche Schweißbedingungen als Annahme

Es wird eine Reihe weiterer Tests mit verschieden zugrunde gelegt. Alle Angaben in °'_o beziehen sich

hohen Schiackenbasizitäten von etwa 2,79, 2.44 bzw. auf das (Gesaml)-EJek!rodenge wicht, wobei nachsie-

3,9 durchgeführt, wobei für jeden Schlackenbasizitäts- hend folgende Angaben benutzt werden:
wert jeweils Versuche mit verschieden hohen Kohlen- 20

dioxydkonzentrationen gemacht werden, indem man _{i>0/ Tkan a},_s _Qxyd _{;n der Umhü}„

pro 100 g Umhullungsmasse jeweils 20 bzw. 30 g Ca - _{i)0/ Tjtan a]s M} j_ta„ _{in der Umhün} .

cumcarbonat als Kohlend.oxydl.eferanten verwendet. ,_{>0/ co in der UmhQ1Iung(((das CO}„ stammt dabei

Der Schweißgutdesoxydationsgrad w,rd jeweils in _au° _{dem bzw den Cart}f_on ^V _at(eil)) '. _B. _Calcklm_

etwa auf dem optimalen Wert gehalten, indem man 25 carbonat)
den Desoxydationsmittelgehalt der kalkbasisch umhüllten Elektroden jeweils so einstellt bzw. geringfügig

ändert, daß Änderungen bezüglich des Carbonatge- Wie vorstehend bereits erwähnt, hatte sich auf Grund

halts oder des Zusatzes an metallischem Titan ausge- der Testergebnisse bei der Prüfung der Kerbschlag-

glichen werden. Obwohl die Festigkeitswerte sich mit 30 Zähigkeit von Schweißgut aus Schvveißungen, die mit

geringen Schwankungen in der Kohlenstoff- und der zahlreichen erfindungsgemäßen Elektroden der Klasse

Manganaufnahme im Schweißgut etwas ändern, lassen E-XX18 durchgeführt wurden, gezeigt, daß. um die

sich die bei dieser Versuchsreihe erhaltenen Werte Vorteile der Erfindung besonders erfolgreich ausnutzen

doch so anordnen, daß man daraus grob die optimalen zu können, der Titangehalt der Elektroden nach Art.

Titanzusatzmengen zur Elektrode sowie die Höchst- 35 Ort und Menge in bestimmter Art und V/eise eingestellt

menge an Titan ermitteln kann, die mit Vorteil in er- werden muß, wobei auf Grund der Analyse der Test-

findungsgemäßen Elektroden zu verwenden ist. ergebnisse Grenzbedingungen für die Verwendung von

An Hand von mit zahlreichen Elektroden des Typs Titan in allgemeiner Form festgestellt wurden. Die

E-XX18 durchgeführten Versuchen wurde festgestellt. Werte der nachstehenden Tabel.e VH. die durch

daß man bei der Wahl des Titangehalts erfindungsge- 40 graphische Auswertung der einzelnen Versuchsreihen

mäßer Elektroden eines Versuchselektrodenprogramms ermittelt wurden,

zeigen, daß zwischen der Basizität dsr Schweißschlacke und der Höchstmenge an Titan (in oxydischer oder

1. die Elektrodenschlackenbasizität, metallischer Form), die man unter Erzielungeines Vor-

... , , .... ... .... ,· ,45 teils einer titanfreien Grundmischung für die Elektro-

2. die von der Umhüllung entwickelte Kohlendioxyd- _{denumhüllung zusctzcn kann}, _eine £_irekte Beziehung

menge und besteht. Aus den Werten der Tabelle VIl wurde dann

3. die örtliche Anordnung und die Form durch graphische Verallgemeinerung die Tabelle VII-A

entwickelt, die zeigt, daß i ⁰/₀ Titan als Metal! in der

50 Umhüllung bezüglich des genannten Effekts auf die

berücksichtigen muß, in der das Titan vorliegt, wo- Kerbschlagzähigkeit des Schweißgas etwa 2,6mal so bei metallisches Titan im Kerndraht wirksamer ist wirksam ist, wie 1 °/₀ Titan als Oxyd in der Umhüllung, als Titan in der Umhüllung, das seinerseits wiederum Der Faktor 2,6 ist zwar über den ganzen mich der wirksamer ist, als in Form des Oxyds in der Umhüllung Lehre der Erfindung in der Praxis angewendeten Beenthaltenes Titan. 55 reich von Schiackenbasizitäten nur in etwa richtig, kann Nachstehend wird bezüglich der kalkbasisch umhüll- aber dennoch als empirischer Faktor dazu benutzt werten Elektroden der Erfindung erläutert, den, den Effekt von Titan, das sowohl in Form des

Oxyds als auch in Form des elementaren Metalls vor-

...,_. , , . , 1 ■· liegt, rechnerisch hinreichend genau zu ermitteln.

1. wie hoch der T.tangehalt ansteigen kann, ehe d,e _{6o Aus de},. _{Tabc||c V||}, _{jst dje} _Bc?k] _{zwjschcn t},_cr

Kerbschlagzah.gke.tswerte des Schweißgas von Sciiiackcnbasizität und dem Höchstwert eines ma.hc-

den Höchstwerten wieder auf Werte abfallen, die _ma1ischen Ausdrucks zu ersehen, der berücksichtig

nicht hoher s.nd wie die des Schweißgutes von _{daß djc Umnülkmg Tilan als} Metall und oder Oxul

mit dem titanfreicn Ausgangsgemisch umhüllten _{enthäU ErßndungsgemaBe} Elektroden, deren Hm-

hlektroden. g₅ |_lü||_{l|ng T}j_{lan jn} ._{Ulf c}|_{jcsC Weisc} b_lMCC|_incten Höchst-

2. wie Titan dazu verwendet werden kann, eine mengen enthielt, ließen sich unter Niederlegung eines optimale Verbesserung der Kcrbschlagzähigkeii /u Schweißguts mit einem Titangehalt von ctw;t0.03" „\ererzielen und schweißen.

	Gramm Ca
Schlacken-	in der
basizität	U'mhüllu
1,79	31,7
2,44	20,0
3,9	20,0
4,5	31,7
4,5	■ —
	20,0

Tabelle VH

Gramm CO₁

in der Umhüllung

13,6 8,6 8,6

13,6 8,6 7„ co_t

in der
Umhüllung

4,75
3,02
3,02

4,75
3,02

Höchster Gehalt der

Elektrodenumhüllung an als Oxyd

oder Metall vorliegendem Titan,

bei dem noch eine Verbesserung

gegenüber dem Gnuidgemisch erzielt wird

7„ Titan I ⁰U Titan

als Oxyd I als Metall

1,68
1,68

0,93
0,90

0,98 0,59 0,49

0,17 0,21

	Tabelle VII-A	7„ Titan	2	Durchschnitts	Tabelle VIII	Schlacken-	Noch zu einer Verbesserung gegenüber
	Höchster Gehalt der	als Metall		verhältnis :		- basizität	dem Grundgemisch führender Höchstwert
	Elektrodenumhüllung	(Spalte B)					der Summi: °/₀ Titan als Oxyd
	an als Oxyd oder Metall	0,73 0,45		Spalte A	unter:	in der Umhüllung + 2,6 · (°/₀ Titan als
	vorliegendem Titan, bei	0,32	Spalte B	3 bis 4	Metall in der Umhüllung)
	dem noch eine Ver			über 4	1,71
Schlacken-	besserung gegenüber				1,18
basizität	dem Grundgemisch			Λ OA
	erzielt wird	2,11 2,67		0,89
	°U Titan	2,97
	als Oxyd	2,59
	(Spalte A)	(Durchschnitt)
unter 3 3 bis 4	1,54 1,20
ίΐ Wp r 4	0,95
U UCl *τ

niedriglegierten, hochfesten Elektroden mit Ni-Cr-Mo-Legierungen und den nickelhaltigen Qualitäten, z. B. den S'/j'Vo-Nidcel-Typen, _ej_ne andere Auswahlregel. Die in der Tabelle IX wiedergegebenen Werte stammen aus der gleichen Versuchsreihe wie die Daten in

»5 der Tabelle VII. Die Tabelle IX bezieht sich auf die günstigsten Bereiche des Verhältnisses von in der Elektrode vorhandenem, in der Umhüllung enthaltenem Titan zum COj-Gehalt der Umhüllung in °/₀, während die Tabelle VII, wie bereits erwähnt, die Schlacken-

basizität als Bezugsgröße enthält. Wie aus den Spalten A und B in der Tabelle IX zu ersehen ist, liegt der günstigste Bereich für das Verhältnis

/₀ Titan als Oxyd in der Umhüllung °/₀ CO₂ in der Umhüllung

zwischen 0,039 und 0,133 (Titanoxyd als einzige Titanquelle), während der günstigste Bereich für das Verhältnis

°/₀ Titan in der Umhüllung °/₀ CO₂ in der Umhüllung

zwischen 0,0037 und 0,0116 liegt (einzige Titanquelle

metallisches Titan).

> Setzt man diese beiden Verhältnisse hinsichtlich der größtmöglichen Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit miteinander in Beziehung, so ergibt sich, daß in der

Anmerkung: In den Tabellen VIl, VII-A und VIII Umhüllung enthaltenes Titan als Metall etwa llmal

n/ :^„,_Q;i„ _{ailf rfn(;} so wirksam ist, wie als Oxyd. Dieser Faktor, von etwa. 55 11 kann mit für die Praxis ausreichender Genauigkeit dazu benutzt werden, um die Wirkung von sowohl als Oxyd, als auch in Form des Metalls vorhandenem Titan in einem methematischen Ausdruck zusammenzufassen. Bezüglich einer möglichst starken Verbesse-6o rung der Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen sind Werte des Verhältnisses

Anmerkung: In den Tabellen VU, VII-A und VIII beziehen sich Angaben in °/₀ jeweils auf das Gesamtgewicht der Elektroden.

Bezüglich der Grenzwerte des Titangehalts, der erforderlich ist, um eine möglichst starke Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts bei Temperatüren von —51,1 bis 101,1⁰C zu erzielen, gilt beiden

₍o_/o Titan als Oxyd in der Umhüllung) +Jl₁ l'_/. Titan alsMetall in derUmhüliung)

°/„ CO₂ in der Umhüllung

.■on etwa 0.04 bis etwa 0,13 optimal.

Tabelle IX

Schlackenbasizität

Gramm
CaCO₃

Gramm
CO,

"/„CO, Mengenbereiche innerhalb welcher in der Elektrodenumhüllung als Oxyd oder Metall vorhandenes Titan zu einer optimalen Verbesserung der

Tieftemperaturkerbschlagzähigkeit führt
(Angaben in »/„ beziehen sich jeweils auf das Elekfodengesamtgewicht)

"Ό Titan als Oxvd

"/„ Titan als Metall

in der Umhüllung 7o Titan als
Oxyd

7o CO₂
(Spalte A)

7„ Titan als Metall

(Spalte B)

Durchschniilsverhältnis

Spalte A

Spalte B

1,79
2,44
3,9

4,5
4,5

31,7	13,6	4,75
20,0	8,6	3,02
20,0	8,6	3,02
31,7	13,6	4,75
20,0	8,6	3,02 I

0,15 bis 0,56 0,105 bis 0,36 keine Werte 0,27 bis 0,73 0,105 bis 0,42

0,021 keine Werte

0,0105 bis 0,03 S

0,0105 bis 0,028

0,0175 bis 0,056

0,0105 bis 0,038 0,031 bis 0,119
0,035 bis 0,119

keine Werte
0,057 bis 0,154
0,035 bis 0,140

0,0044 keine Werte

0,0035 bis 0,0128

0,0035 bis 0,0093

0,0037 bis 0,0118

0,0035 bis 0,0128

0,039 bis 0,133
Durchschnitt

0.0037 bis 0,0116 Durchschnitt

11

Hs ist bekannt, daß Schweißer gern umhüllte Elektroden verwenden, die Titandioxyd in verschiedenen Formen, vorzugsweise Titandioxydpigment, jedoch zu-veilen auch Rutil oder Kaüumtitanat, in der Umhüllung enthalten. Titandioxyd ist somit zwar unter diesem Gesichtspunkt eine zweckmäßige Umhüllungskomponente und wirkt sich überdies günstig auf die Kcrbschlagzähigkeit des Schweißguts aus, wenn man es in den vorstehend erfindungsgemäß angegebenen Mengenverhältnissen verwendet, hat aber, wie gefunden wurde, bezüglich der Schweißgutkerbschlagzähigkeit bei den tiefsten angewandten Prüftemperaturen keine so ausgeprägte Wirkung wie metallisches Titan. Wird in der Umhüllung jedoch nur metallisches Titan verwendet", so ist der Höchstgehalt bzw. optimale Gehalt an Titan so gering, daß die durch Oxydation von überschüssigem Titan erhaltene Titandioxydmenge nicht ausreicht, um den gewünschten günstigen Effekt bezüglich der Handhabung zu erzielen. Diesbezüglich wurde gefunden, daß es sich gewöhnlich empfiehlt, die Zusammensetzung der Umhüllungsmasse so abzustimmen, daß man den das Schweißverhalten der Elektrode verbessernden Effekt von Titandioxyd so weit als praktisch und zweckmäßig ausnutzt und sich außerdem die günstige Wirkung von metallischem Titan als bevorzugtem Mittel zur Verbesserung der Tieftemperaturkerbschlagzähigkeit zunutze macht, indem man in der Umhüllung sowohl Titanoxyd als auch metallisches Titan in der aus der Tabelle X zu ersehenden Weise verwendet. Diese Kombination ergibt bei Elektroden mit einem Kerndraht aus normalem, im wesentlichen titanfreiem, unberuhigtem Flußstahl wohlausgewogene Eigenschaften.

Tabelle X
(⁰Zo"Werte beziehen sich jeweils auf das Gesamtgewicht der Elektroden)

Mindestens Höchstens

a)

°/o Titan als Oxyd in der Umhüllung °/₀ CO₂ in der Umhüllung

11 · (% Titanmetall in der Umhüllung °/₀ CO₂ in der Umhüllung

a) + b)

(Dieser Wert muß zwischen 0,04 und 0,13 liegen.)

0,05	0,11
0,02	0,07
0,07	0,13

Metallische Elemente können sowohl aus der Umhüllung als auch aus dem Kerndraht, in dem sie als Legierungsbestandteile oder Einschlüsse enthalten sind, in das Schweißgut gelangen. Dies trifft auch bei erfindungsgemäßen kalkbasisch umhüllten Elektroden auf metallisches Titan zu. Die Verwendung von titanhaltigem Kerndraht mit Spezialanalysenwerten an Stelle von Kerndraht aus gewöhnlichem Flußstahl ist somit zwar technisch-möglich aber wirtschaftlich unzweckmäßig, da die Elektroden dadurch beträchtlich verteuert werden, ohne daß dafür irgendein nennenswerter Vorteil in anderer Hinsicht erzielt werden kann. Einen gewissen Ausgleich schafft zwar die Tatsache, daß die erforderliche Menge an metallischem Titan um ein Viertel geringer ist, wenn das Titan statt in der Umhüllung im Kerndraht ist, da das Titanmetall

im Kerndraht geschützter ist und dadurch ein höherer Prozentsatz in das Schweißgut gelangt. Dieser Faktor kann mit Hilfe einiger weniger Tests überprüft werden. indem man an Steile der für die Umhüllungen erfindungsgemäßer Elektroden angegebenen Mengen an Titanmetall das Titan im Kerndraht verwendet.

Vorstehend wurden einige Hinweise und Auswahlreeeln für die Bestimmung der Titanmenge gegeben, die den kalkbasisch umhüllten Elektroden der Erfindung zuzusetzen ist. um ein Schweißgut mn möglichst hoher Kerbschlagzähigkeit bei tiefen Temperaturen zu erhalten. Besonders günstige Eigenschaften weist das aus erlindungsgemäßen Elektroden niedergelegte, besonders reine Schweißgut auf, wenn der Titangehalt der Elektrode, falls das Titan als Oxyd vorliegt, etwa 0.016°'_o und, falls das Titan als Metall vorliegt, etwa 0.004 °/₀ beträgt. Wenn Titan sowohl als Metall als auch als Oxyd vorhande;. ist. so liegt der günstigste Tilangehait der Elektroden zwischen diesen beiden Werten. Der Titangehalt des Schweißguts der Elektroden b. c bzw. d beträgt 0.024.0,02 bzw. 0.003 °,₀.

Die in nicht austenitischem Schweißgut verwendeten Legierungssysteme unterscheiden sich voneinander durch die ihnen eigenen Kerbschlagzähigkeitsbereiche. Es sei deshalb angemerkt, daß die Erfindung sich zwar auf zahlreiche Legierungssysteme günstig auswirkt, jedoch natürlich nicht aus einem von Haus schlechten Legierungssystem ein hervorragendes machen kann.

Bei der Verwendung von AWS E-9O18B3 Elektroden erhaltenes, warmbehandelbares, entspantibares Schweißgut mit einem Chromgehalt von 2¹Z₂ ⁰Z_n und einem Molybdängehalt von 1 °/'„ ist erwartungsgemäß normalerweise bezüglich der Kerbschlagzähigkeit erheblich schlechter als das nickellegierte Schweißgut. das bei der Verwendung von AWS E-Il Of8-Elektroden erhalten wird.. Dennoch werden die Chrom-Molybdän-Legierungen wegen ihrer Vorteile bezüglich der Kriechfestigkeit und/oder ihrer Beständigkeit eeeen Graphitisierung verbreitet benutzt, weshalb ein kerbschlagzäheres Chrom-Molybdän-Schweißgut besonders interessant wäre.

Früher wurde meistens mit einem Mangangehalt der oberen Grenze des zulässigen Bereiches gearbeitet, um Schweißungen bzw. ein Schweißgut zu erhalten.

ίο deren bzw. dessen Kerbschlagzähigkeit im Schweißzustand möglichst hoch war. Höhere Mangangehalte führen jedoch zu einer beträchtlichen Verringerung der Kerbschlagzähigkeit, wenn die Schweißungen bzw. das Schweißgut einer lang dauernden Entspannungsglühung unterworfen werden, sowie zu einer ziemlich schlechten Kerbschlagzähigkeit in abgeschrecktem oder getempertem. Zustand. Schweißgut mit geringem Mangangehalt weist zwar eine weniger starke Abnahme der kerbschfagzähigkeit beim Entspannungsglühen

und bei einer Wärmebehandlung auf, jedoch ist dieses Schweißgut im allgemeinen bezüglich der Kerbschlagzähigkeit sowohl »wie geschweißt« als auch im entspannten Zustand unbefriedigend. Mit Hilfe der Erfindung bzw. durch die Verwendung erfindungsge-

mäßer Elektroden kann man häufig die Kerbschlagzähigkeit von Legierungssystemen, die metallurgisch zum Entspannen bzw. Entspannungsglühen und/oder für eine Warmbehandlung £;eeignet sind, auf eine Hinreichende Höhe bringen.

Beispiel 5

Die in der Tabelle Xl wiedergegebenen Versuchswerte erläutern die erfindungsgemäß bei einem AWS E-9018B3-Schweißgut erzielte Verbesserung der Kerb-Schlagzähigkeit.

Tabelle XI

Elektrode

Stand der Technik
(E-9018 BJ)

Siandardsilikatgebundener
Typ

Erfindung (Beispiel 5)

Wie Beispiel 1. jedoch

die Legierungszuschläge

so verändert, daß die

Analyse der von

E-9018 B3 entspricht

Elektrodenschlackenbasizität

Häite, Rockwell »Cc

wie geschweißt

entspannungsgeglüht

Charpy-Kerbschlagzähigkeit nach Entspannungsglühung(l Stunde bei 690^cC) (m · kp)

Raumtemperatur

- 17,8 C

Schweißgutanalyse, °/„

Kohlenstoff

Mangan

Silicium

Chrom

Molybdän

Schwefel

Titan

'·) Aus Legierungsabsclicidungskurvcn abgeleitet.

Warum die Kerbschlagzähigkcitscigenschaften von aus erlindungsgemäßen Elektroden niedergelegtem Schweißgut soviel besser sind als diebislangerzielbaren.

.48

32
27

7,19

1,52

0.060
0,71
0,67
2,20
0,98
0,016
: 0,045")

4,42

38

24

23,76 16,31 +

0.110 0,70 0,35 2,35 0,77 0,0045 < 0,045")

kann, bis jetzt noch nicht völlig befriedigend erklärt werden. Es hat sich gezeigt, daß der Schwefelgehall: in nicht austenitischem Schweißeut von mittlerer und

hoher Festigkeit eine wesentliche Bedeutung besitzt. Unterschied bezüglich der Kerbschlagzähigkeit kann Wenn alle anderen Faktoren bzw. Einflußgrößen gleich- jedoch auch durch den Sauerstoffgehalt nicht ganz bleiben, kann man bezüglich der Kerbschlagzähigkeit allein erklärt werden. Diesbezüglich sei noch angeerheb'iiche Verbesserungen erzielen, wenn man den merkt, daß sich bei Schweißstählen Sauerstoffgehalte Schwefelgehalt auf sehr geringe Werte, unter 0,01 °/₀. 5 von 130 bis 190 ppm außerordentlich nachteilig auf vermindert. Daher könnte einer der Gi ündc dafür, die Kerbschlagzähigkeit auswirken würden.
da13 die aus erfindungsgemäßen Elektroden gebildeten Die Erfindung ermöglicht dit: Verwendung preisbasischen Schlacken sich so günstig auswirken, mit der werter Kerndrähte von handelsüblicher Qualität an Fähigkeit dieser Schlacken zusammenhängen, Stähle Stelle von sehr teuren hochreinen Kerndrähten. Die zu entschwefeln. Durch eine Schweißschlacke mit einer ao Bedeutung dieses Vorteils wird durch folgendes er-Basizität von etwa 4 wird der Schwefelgehalt eines läuter: Seit Jahren wurde nach Schweißelektroden ge-Schweißguts aus einem Elektrodenkerndraht mit einem sucht, die ein Schweißgut ergeben, dessen Tieftempe-Schwefelgehalt von 0,025 °/₀ typischerweise bis auf i'aturkerbschlagzähigkeitseigenschaften denen eines unter 0,01 °/₀ verringert. Diese Fähigkeit, Schwefel zu 9°/₀-Nickelstahls gleichkommen. Es wurde berichtet, entziehen, ist sicher günstig und dürfte zur Erzielung 15 daß es möglich sein soll, dieses Problem duroh die einer guten Kerbschlagzähigkeit beitragen, jedoch Verwendung eines blanken hochreinen Drahtes zum lassen sich die erfindungsgemäß erzielten guten Schutzgaslichtbogenschweißen zu lösen, jedoch ist Ergebnisse durch diesen Effekt allein anscheinend nicht diese Lösung sehr teuer, und selbst mit den besten und vollständig erklären. Elektrodenumhüllungen, die kostspieligsten Methoden die Verunreinigungen zu stark aluminiumhaltige Schlacken liefern, sind nämlich 20 kontrollieren und gering zu halten, ist die Möglichkeit ebenfalls sehr wirksame Entschwefelungsmittel, wes- ein Schweißgut zu erhalten, das bei —195,6°C beim halb zahlreiche kalkbasisch umgüllte Elektroden dieses Charpy-Kerbschlagzähigkeitstest eine Kerbschlagzä-Typs hergestellt wurden, die ein Schweißgut mit einem higkeit von mindestens 3,45 m · kp besitzt, nicht absobis auf einen Bereich von 0,002 bis 0,004 °/₀ verringerten lut sichergestellt.

Schwefelgehalt lieferten, das dennoch nicht die bislang 25 Nunmehr wurde jedoch eine Reihe von Tests mit unerreicht guten Kerbschlagzähigkeitseigenschaften 8 erfindungsgemäßen Elektroden mit legierten Kernvon Schweißgut aufwies, das aus erfindungsgemäßen drähten, und zwar 2 mit hochreinen unter Vakuum kalkbasisch umhüllten Elektroden erhalten wird. geschmolzenen Kerndrähten und 6 weitere mit kohlen-Auch die Umhüllung herkömmlicher Elektroden der stoffarmen herkömmlichen Kerndrähten, die jeweils so Klasse E-XX18 wirkt, wenn auch weniger stark, ent- 30 zusammengesetzt waren, daß sie ein Schweißgut mit schwefelnd, so daß man mit Elektroden dieses Typs, einem Nickelgehalt von 9°/₀ lieferten, durchgeführt, wenn sie schwefelarme Kerndrähte mit einem Schwe- Die beim Charpy-Test bei —195,6⁰C ermittelten felgehalt von 0,005 bis 0,008 ⁰Z₀ besitzen, ein Schweiß- Kerbschlagzähigkeitswerte des Schweißguts lagen bei gut mit einem Schwefelgehalt von nur 0,002 bis 0.004°/,, allen diesen Elektroden zwischen 5,8 und 6,49 m · kp. niederlegen, kann Dieses Scbweißgut besitzt zwar 35 Zwischen aus Elektroden mit hochreinen teuren Kerneine recht gute Kerbschlagzähigkeit, ist aber nicht an- drähten und aus Elektroden mit Kerndrähten von nähernd so kerbschlagzäh, wie unter Verwendung er- handelsüblicher Qualität niedergelegtem Schweißgut findungsgemäßer Elektroden niedergelegtes Schweiß- konnte dabei kein signifikanter Unterschied festgestellt gut. werden. Wurden hingegen die billigen Kerndrähte mit Es wurde auch schon vermutet, daß der hohe Sauer- 40 Umhüllungen herkömmlicher Zusammensetzung verstoffgehalt von Schweißgut aus kalkbasisch umhüllten sehen, so war die Kerbschlagzähigkeit des Schweiß-Elektroden die Hauptursache für die Beeinträchtigung guts so schlecht, daß es für eine praktische Anwendung der Kerbschlagzähigkeit ist, da bekannt ist, daß überhaupt nicht in Betracht kam, und selbst die teuren Sauerstoff die Kerbschlagzähigkeit von Schweißstahl hochreinen Kerndrähte ergaben in Kombination mit bzw. warmverformtem Flußstahl stark vermindert. 45 Umhüllungen herkömmlicher Zusammensetzung kein Bei der Analyse von Schweißgut, das durch Hand- befriedigendes Schweißgut.

schweißen mit herkömmlichen kalkbasisch umhüllten Von den in der Tabelle V angeführten Elektroden

Elektroden erhalten wurde, wurden Sauerstoffgehalte wurden die erfindungsgemäßen aus einem handels-

von 200 bis 450 ppm festgestellt. Aus erfindungsge- üblichen C 1008-Flußstahlkerndraht hergestellt, der

mäßen Elektroden erhält man zwar Schweißgut mit 50 0,007 °/₀ Phosphor und 0,02 °/„ Schwefel enthielt, wäh-

niedrigeren Sauerstoff gehalten von 130 bis 190 ppm, rend für die für den Stand der Technik typischen Elek-

, jedoch zeigt sich, wenn man die Schweißungen paar- troden teurere, reinere Elektrostahlkerndrähte ver-

j weise miteinander vergleicht, daß das bessere Schweiß- wendet wurden, die höchstens jeweils 0,01 ⁰Z₀, typiscr

gut häufig einen höheren Sauerstoffgehalt besitzt. So- jedoch nur je etwa 0,006°/₀ Phosphor und Schwefe

mit besteht zwar ein allgemeiner Zusammenhang 55 enthielten. Dennoch ergaben beide Kerndrähte eil

zwischen dem Sauerstoffgehalt und der Kerbschlag- Schweißgut mit einem Phosphorgehalt von etw<

Zähigkeit des Schweißguts, und zweifellos wirkt sich 0,005 °/₀ und einem Sch wefeigen alt von etwa 0,004 °/₀ ein niedrigerer Sauerstoffgehalt günstig aus. Der

Claims

Patentansprüche:

1. Kalkbasisch umhüllte Lichtbogenschweißelektrode zum Niederlegen eines Schweißgutes mit erhöhter Kerbschlagzähigkeit aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl, bestehend aus einem Weichstahlkerndraht, der 45 bis 80% des Gesamtgewichtes der Elektrode ausmacht, und einer kalkbasischen Umhüllung, die, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, aus

0 bis 30°/₀ Legierungsmetallpulver,
2 bis 7% Desoxydationsmetallpulver,

4 bis 15% Metallfluoriden, einzeln oder zu

mehreren,

5 bis 15% Erdalkalikarbonaten, einzeln

oder zu mehreren,
0 bis 10% Schlackenbildnern und
0,5 bis 8% anorganischen Bindemitteln, einzeln oder zu mehreren, ^ao