DE2141642C3

DE2141642C3 - HochleistungsschweiBelektrode

Info

Publication number: DE2141642C3
Application number: DE19712141642
Authority: DE
Inventors: Gilles Gaetan Charette; Herbert Huo Yee Lee
Original assignee: QUEBEC IRON AND TITANIUM CORP FER ET TITANE DU QUEBEC Inc TRACY QUEBEC (KANADA)
Current assignee: QUEBEC IRON AND TITANIUM CORP FER ET TITANE DU QUEBEC Inc TRACY QUEBEC (KANADA)
Priority date: 1970-08-20
Filing date: 1971-08-19
Publication date: 1975-02-13
Also published as: BE771490A; GB1349656A; CA954428A; DE2141642B2; DE2141642A1; FR2105887A5

Description

Fe (Metall) 50,3

Ti-Oxide (berechnet als TiO₁) 44,7

FeO 0,8

SiO₁ 0,8

AUOj 1,0

MgO 3,3

CaO 0,3

V₁O₆ 0,4

S 0,016

5. Verwendung eines Eisenmatrixtitanoxids, das im wesentlichen Fe_tO₃-frei ist, dessen Eisen einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,1 %, vorzugsweise weniger als 0,05%, aufweist, und das man durch Vermählen eines praktisch kein metallisches Eisen enthaltenden Ilmenits der gewichtsprozentualen Zusammensetzung

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Ti-Oxide (berechnet als TiO₁) 36,5

FeO Fe₁O, SiO₁ . Al₁O₁. MgO . CaO.. V₁O₅ S

28,2 28,0 2,2 1,8 3,1 0,4 0,3 0,35

erhält, wenn man den vermahlenen Ilmenit so lange reduziert, bis praktisch das gesamte Eisenoxid reduziert ist und in dem Reduktionsprodukt praktisch nur noch metallisches Eisen vorliegt, das Reduktionsprodukt abkühlt, bricht, mahlt und magnetisch anreichert, als Ummantelungsmaterial für eine Hochleistungsschweißelektrode nach Anspruch 1.

6. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Eisenmatrixtitanoxids mit Wasserstoff bei Temperaturen von 400 bis 1300^CC reduziert.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 5

oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung des Eisenmatrixtitanoxids nach dem Reduzieren eine Behandlung im Vakuum durchführt.

8. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung des Eisenmatrixtitanoxids den vermahlenen Ilmenit in Gegenwart von CO, Kohle, kohl tstoffhaltigen Feststoffen, öl. Erdgas oder Ge^ hen dieser Reduktionsmittel bei 400 bis 130ü C reduziert, bis praktisch das gesamte Eisen des Ilmenits zu metallischem Eisen reduziert ist und das Reduktionsprodukt, das praktisch Fe₁O₃-^e! ist, etwa die gewichtsprozentuale Zusammensetzung

Fe (Metall) 50,3

Ti-Oxide (berechnet als TiO₁) 44,7

FeO.. SiO₁.. Al₁O₃. MgO . CaO.. V₁O₅ S ....

0,8 0,8 1,0 3,3 0,3 0,4 0,016

aufweist, und daß man das Reduktionsprodukt vor dem Abkühlen im Vakuum oder unter Wasserstoff-, Ammoniak-, Argon-, Stickstoff- und/oder Heliumspülung bei Temperaturen oberhalb 600° C tempert, bis der Kohlenstoffgehalt des Eisens weniger als 0,1 %, vorzugsweise weniger als 0,05 %, beträgt.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung des Eisenmatrixtitanoxids auch das Titan(IV)-oxid teilweise reduziert.

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsschweißelektrode mit einem Kern aus einer Eisenlegierung und einer Umhüllung auf Titanoxid-Eisen-Basis sowie die Verwendung von Eisenmatrixtitanoxiden für solche Elektroden.

In der Technik, Schweißelektroden mit einem Überzug bzw. mit einer Ummantelung zu versehen, sind zahlreiche Zusammensetzungen verwendet worden Verschiedene Zusammensetzungen sind als geeignet

vorgeschlagen worden, und das Verhältnis der Bestandteile dieser Zusammensetzungen ist sowohl vom Standpunkt der Verwendung her als auch von der Verfügbarkeit und der Herstellung her variiert worden. Es ist bekannt, Titandioxid in den Ummantelungs zusammensetzungen für Schweißelektroden in einer Mischung mit verschiedenen anderen Bestandteilen zu verwenden, und ein großer Anteil der eigentlichen Entwicklung auf dem Gebiet der Schweißelektrode hat sich auf das Erforschen der Verwendung von

Titandioxid konzentriert.

Als Ausgangsmaterial für das Titandioxid ist in diesem Zusammenhang Ilmenit vorgeschlagen und verwendet worden. Darüber hinaus ist bekannt, daß Ilmenit in verschiedenen Formen und mit verschie denen Konzentrationen der darin enthaltenen Bestand teile vorkommt. Obwohl in der Vergangenheit Ilmenit auch in reduzierter Form verwendet worden ist, so hat diese Verwendung doch immer den Nachteil

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«habt, daß, da Ilmenit in den verschiedensten Zusammensetzungen vorkommt, die Bewertung und Ausnutzung der darin enthaltenen Bestandteile oder die Methoden zum Reduzieren auf empirische Beobachtungen gestützt werden mußten, ohne die Gründe zu verstehen, die gegen die Verwendung von Titandioxid in der Form, in der man es aus dem Ilmenit gewonnen hatte, sprechen.

Aus diesen Gründen trat eine Abkehr von der Verwendung von Ilment für die Ummantelung von Schweißelektroden ein, und man wendete sich dem Einsatz von reinem und reinstem Titan(IV>-oxid zu, das im allgemeinen im Gemisch mit Eisenpulver verarbeitet wurde. Auch wurde als Ersatz für die Verwendung von chemisch reinem Titan(IV)-oxid in der Natur vorkommender Rutil verwendet, der ebenfalls im wesentlichen chemisch reines Titandioxid ist. Auch der Rutil wurde im Gemisch mit verschiedenen Mengen von Eisenpulver verarbeitet. Auch bei der Herstellung von Schweißelektroden nach diesen Verfahren, bei denen das Titan(IV)-oxid mit den anderen Komponenten, wie beispielsweise mit dem Eisenpulver, in mehr oder minder frei bleibenden Verhältnissen gemischt wurde, stehen die empirischen Überlegungen beherrschend im Vordergrund. Die bekannten Verfahren lehren keine Maßnahmen zur gezielten Beeinflussung und Vorhersage der Eigenschaften des Titanoxids hinsichtlich der Zusammensetzungen der Ausgangsriiaterialien und ihrer Verbindung mit anderen Komponenten, insbesondere sowohl im Hinblick auf die Ausbildung der Schweißnaht als auch im Hinblick auf eine angemessene Schlackenbildung.

Da die vorstehend beschriebenen empirischen Beobachtungen und Grundlagen nur in beschränktem Maße praktische Richtlinien abzugeben vermögen, wurden bisher Schweißfehler, die auf die Zusammensetzungen der Schweißelektroden zurückgeführt wurden, dadurch zu beheben versucht, daß man, wiederum empirisch, verschiedene Zusammensetzungen ausprobierte, anstatt sich dem Studium der grundlegenden Funktionen der verschiedenen Komponenten der Schweißelektrodenummantelung zu widmen. In diesen Verhältnissen ist der Grund dafür zu suchen, daß die Technik der Schweißelektrodenummantelung bisher nur so langsam vorangekommen ist.

Auch das aus der USA.-Patentschrift 3 252 787 bekannte Verfahren zum Herstellen von etwa 9O°/oigem TiO₁ vermag an dieser Sachlage wenig zu ändern. Zwar wird im Rahmen dieses Verfahrens in einer Zwischenstufe ein TiO₁ erhalten, das auch praktisch eisen(IH)-fi*ies Eisen enthält, jedoch wird die Verwendbarkeit dieses Zwischenprodukts für Elektrodenummantelungen nicht in Erwägung gezogen. Auch wäre dieses Zwischenprodukt kaum für eine solche Verwendung geeignet, da selbst das als Endprodukt erhaltene »reine« TiO₁ noch immer fast 8 % Nichteisenverunreinigungen enthält.

Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine ummantelte Hochleistungsschweißelektrode zu schaffen, die die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Hochleistungsschweißelektrode der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ummantelung heben dem üblichen Bindemittel aus einem Pulver besteht, dessen Teilchen jeweils aus einem innigen Gemisch (»Eisenmatrix- 642

^a 4

titanoxid«) von Titanoxid, gegebenenfalls mit üblichen Begleiteiementen. in einer Matrix aus praktisch Fe₂O₃-freiem weitgehend zum Metall reduzierten Eisen mit einem Kohlenstoffgebalt von weniger als 0,1%, vorzugsweise weniger als 0.05 °_u, mit Resten von Eisen(II)-oxid bestehen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das für die Ummantelung verwendete Eisenmatrixtitanoxid direkt aus einem

»o Ilmeniterz hergestellt wird. Es ist das Verdienst der Erfindung, gezeigt zu haben, daß Ilmenit, wenn er in der vorgeschlagenen Weise behandelt wird, entgegen der heutigen Beurteilung durch die Fachwelt eine besonders vorteilhafte Komponente für die Her-

»5 stellung von Schweißelektrodenummantelungen ist. Insbesondere ist ein Ilmenit der dem Vorkommen von AHard Lake in Quebec, Canada, entsprechenden Zusammensetzung, die in der Tabelle 1 wiedergegeben ist, hervorragend zur Verwendung für die Herstellung

ao von Schweißelektrodenummantelungen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften geeignet, wenn er in der nachstehend beschriebenen Verfahrensweise behandelt wird.

Tabelle 1

^a5 Zusammensetzung des Allard-Lake llmenits

(in Gewichtsprozent)

Fe.. 0

Ti-Oxide (berechnet als TiO₁) 36,5

,ο FeO 28,2

Fe₁O₃ 28,0

SiO₁ 2,2

Al₁O₃ 1,8

MgO 3,1

,, CaO 0,4

V_tO_s 0,3

S 0,35

Wenn ein Ilmenit einer der Tabelle 1 entsprechenden Zusammensetzung in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise behandelt wird, so wird ein »Eisenmatrix titanoxid« der in Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung erhalten.

Tabelle 2

Zusammensetzung eines Allard-Lake-Ilmenits nach der Reduktion und Anreicherung (in Gewichtsprozent)

Fe (Metall) 50,3

Ti-Oxide (berechnet als TiO₁) ♦ 44,7

FeO 0,8

Fe₁O₃ 0,0

SiO₁ 0,8

Al₁O₃ 1,0

MgO 3,3

CaO 0,3

V₄O₅ 0,4

S 0,016

• Da das Titan (IV)-oxid partiell reduziert ist, liegen auch niedere Titanoxide vor.

Die Vorteile der vorgeschlagenen ummantelten Schweißelektroden liegen vor allem darin, daß das Eisenmatrixtitanoxid nur einen äußerst geringen *5 Gehalt an freiem Eisenoxid aufweist und daß die Reinheit des weitgehend zum Metall reduzierten Eisens in dem erfindungsgemäß reduzierten Ilmenit derjenigen der nach dem Stand der Technik verwendeten

Eisenpulver entspricht, wobei jedoch gerade die nach der Reduktion in der Matrix verbleibenden Dotierungen nach dem Vermählen der Matrix zu den besonders vorteilhaften Eigenschaften der Schweißelektrodenummantelung beitragen. Insbesondere trägt auch de partielle Reduktion des Titan(IV)-oxids zu der wesentlich verbesserten Leistungsfähigkeit der auf dieser Grundlage hergestellten ummantelten Schweißelektrode bei.

Darüber hinaus begünstigt die Kombination des besonders hohen Metallgehaltes in der Matrix und der innigen und vollständigen Durchmischung und Verteilung des Titanoxids in dieser Matrix in Verbindung mil den Dotierungen und Verunreinigungen, die in dem Eisenmatrixoxid nach der Reduktion des Jlmenits verbleiben, sowie in Verbindung mit dem in der Metallmatrix enthaltenen Titan(IV)-oxid die Bildung der Schweißraupe gegenüber der Schlackenbildung. Demzufolge kann also das reine Eisenpulver, das in Kombination mit Rutil oder mit reinem ao Titan( I V)-oxid nach dem Stand der Technik benutzt wurde, entweder vollständig ersetzt werden oder kann, auch im Gemisch mit Rutil, mit dem Eisenmatrixtitanoxid gemäß der Erfindung ergänzt und gemischt werden. Darüber hinaus kann das weitgehend redu- as zierte Metallmatrixtitanoxid auch im Gemisch mit dem in der Praxis häufig verwendeten Eisenpulver-Titan-Gemisch angewendet werden.

Auf diese Weise zeigt sich ein weiterer wesentlicher Fortschritt der ummantelten Schweißelektroden gemäß der Erfindung darin, daß sie für das Ummantelungsmaterial statt nach dem Stand der Technik zwei verschiedene Komponenten, die zwei verschiedenen Produktionszweigen mit hohen Reinheitsanforderungen entstammen, durch eine einzige Komponente, die in einem einzigen Verfahrensschritt erhalten werden kann, zu ersetzen vermag. Diese einzige Ummantelungskomponente enthält dabei die erforderlichen Teilkomponenten in optimaler Kombination.

Auf diese Weise ist es also möglich, mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Verwendung von reinem Eisenpulver in Kombination mit Titan(IV)-oxid, die verschiedenen Produktionsprozessen entstammen, durch ein technisch besseres Verfahren zu ersetzen. Das Zweikomponentensystem kann durch ein Einkomponentensystem ersetzt werden, das aus einer einzigen in der Natur vorkommenden Rohstoffquelle gewonnen werden kann. Vor allem erübrigt die innige Vermengung, in der das Titan(IV)-oxid bzw. das partiell reduzierte Titan(IV)-oxid erhalten werden, die sonst erforderlichen und nach dem Stand der Technik angewendeten Reinigungsstufen für das Titan(IV)-oxid.

Außerdem werden sowohl die Flußcharakterh.uen als auch die Oxydationsunterdrückung bei der Schweißnahtbildung verbessert, wenn ummantelte Schweißelektroden gemäß der Erfindung verwendet werden.

Die vorstehend beschriebene reduzierte Zusammensetzung für die Schweißclektrodenummantelung kann auf folgendem Wege hei gestellt werden: Reduzieren des definierten Jlmenits in einem fluiden oder stationären Bett oder in einem Drehtrommelofen bei Temperaturen von 400 bis 1300 C in Gegenwart von Wasserstoff als Reduktionsmittel; Durchführung dieser Reduktion, bis praktisch alles Eisenoxid des Ilmenits zu metallischem Eisen, das im innigen Gemisch mit dem Titanoxid anfallt, umgewandelt worden ist; Anreichern der reduzierten Verbindung durch Magnetscheidung und Abtrennung derjenigen Anteile mit geringem Eisengehalt sowie Brechen und Mahlen des in der Metallmatrix fein dispergierten Titpjioxids, wobei die vorstehend beschriebene Zusammensetzung in einer Korngröße erhalten wird, die in idealer Weise für die Herstellung ummantelter Schweißelektroden geeignet ist. In dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann der Reduktionsstufe eine Behandlung im Vakuum angeschlossen werden.

Außerdem kann die neue Schweißelektrodenummantelungskomponente auch in der folgenden Weise erhalten werden: Ein Ilmenit der dem AUard-Lake-Ilmenit entsprechenden Zusammensetzung bzw. ein Ilmenit dieser Fundstelle wird mit einem Reduktionsmittel, wie beispielsweise CO, Kohle, kohlenstoffhaltigen Feststoffen, öl, Erdgas oder Gemischkombinationen dieser Reduktionsmittel reduziert. Die Reduktion kann auch durch Ergänzung dieser kohlenstoffhaltigen Materialien mit Wasserstoff während des Reduktionsverfahrens durchgeführt werden. Die Reduktion wird durchgeführt bis der größte Teil der Eisenoxide des Ilmenits zu metallischem Eisen reduziert ist. Die Überwachung der Reduktion bzw. des Reduktionsgrades als Funktion der Reduktionsdauer ist an sich bekannt und braucht daher in diesem Zusammenhang nicht näher erläutert zu werden. Nach der Reduktion wird das Material einer Wärmebehandlung unterzogen, die mit einer Spülung mit einem der folgenden Gase oder einer Mischung dieser Gase verbunden werden kann: Wasserstoff, Ammoniak, Argon, Stickstoff oder Helium. Die Wärmebehandlung und gegebenenfalls die Spülung wird so lange fortgesetzt, bis das Metall oder die Verbindung praktisch kohlenstofffrei ist, d. h. einen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,1%, vorzugsweise höchstens 0,05%, aufweist. Auch kann der Wärmebehandlung eine Behandlung im Vakuum angeschlossen werden, bzw. kann die Behandlung im Vakuum die Wärmebehandlung ersetzen. Die Wärmebehandlung oder Vakuumbehandlung "wird bei einer Temperatur von über 600°C, in der Regel bei etwa 1000⁰C, durchgeführt; Temperaturen bis zu 1300⁰C können angewendet werden. Durch die postreduktive Behandlung, d. h. durch die Wärmebehandlung, wird der durch die kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel in dem im wesentlichen zu metallischem Eisen reduzierten Eisenanteil des Ilmenits auftretende Kohlenstoffgehalt in Form von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid praktisch bis auf NuIi gesenkt, was zu einer Entkohlung des reduzierten Ilmenits führt.

Die Figenschaften des Eisens in dem reduzierten Ilmenit vor der Wärmebehandlung und nach der Wärmebehandlung sind in der Tabelle 3 und nachstehend beschrieben.

Tabelle 3

Zusammensetzung des Allard-Lake-llmenits nach der Reduktion mit Kohle (bei 1050°C) und nach der Wärmebehandlung in Gegenwart von Wasserstoffzusatz (bei 1050⁰C)

	Nach der Reduktion	Nach der Wärme behandlung
°_u in Metall überführtes risen	96,5 0,74	97,8 0,05
?„ C

Infolge der vorstehend beschriebenen Reduktions- dung für die Schweißelektrodenummantelungen einverfahren ist auch das Titan(IV)-oxid, das in inniger stellt.

Vermengung und fein dispergiert in der metallischen Als Kerne sind die verschiedensten Modifikationen,

Phase bzw. Matt ix vorliegt, zu einem geringen Grad die für die verschiedensten Anwendungszwecke ent-

anreduziert, was ebenfalls als wichtiger Faktor 5 wickelt worden sind, bekannt. Von diesen bekannten

beiträgt zu den zusätzlichen Vorzügen, die sich als Kernen sind alle diejenigen auch zur Herstellung der

Ergebnis der kombinierten Ausnutzung dieser speziel- ummantelten Schweißelektroden gemäß der Erfindung

len Ilmenitzusammensetzung und seiner Anwen- geeignet, die auch für eine Ummantelung mit Eisen

und Titan(IV)-oxid benutzt wurden.

Claims

. Patentansprüche:

1. Hochleistungsschweißelektrode mit einem Kern aus einer Eisenlegierung und einer Umhüllung S auf Titanoxid-Eisen- Dasis, dadurchgekennzeichnet, daß die Ummantelung neben dem üblichen Bindemittel aus einem Pulver besteht, dessen Teilchen jeweils aus einem innigen Gemisch (»Eisenmatrixtitanoxid«) von Titanoxid, gegebenenfalls mit üblichen Begleitelementen, in einer Matrix aus praktisch FejOj-freiem weitgehend zum Metall reduzierten Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,1%, vorzugsweise weniger als 0,05%, mit Resten von Eisen(II)-oxid ij, bestehen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmatrixtitanoxid direkt aus einem Umeniterz hergestellt wurde.

3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung •us Eisenmatrixtitanoxid im Gemisch mit Eisenpulver und gegebenenfalls im Gemisch mit Eisenpulver-Titan-Gemisch und bzw. oder Rutil besteht.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenmatrixtitandioxid in Gewichtsprozenten die folgende Zusammensetzung hat: