DE2255557A1

DE2255557A1 - Schweisspulver zum auftragschweissen von baendern aus austenitischem cr-ni-stahl nach dem unterpulverschweissverfahren

Info

Publication number: DE2255557A1
Application number: DE19722255557
Authority: DE
Inventors: Farouk Barakat; Franz Neff; Hermann Dr Ornig; Klaus Winter
Original assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Current assignee: Gebrueder Boehler and Co AG
Priority date: 1972-01-25
Filing date: 1972-11-13
Publication date: 1973-07-26
Also published as: BR7300593D0; AT316253B; BE794097A; FR2169058A1; FR2169058B1; SE401116B; CS168023B2; GB1376269A; DD101116A5; JPS4886748A; IT988090B; CH578911A5; DE2255557B2; NL7216118A

Description

Die Erfindung betrifft ein Schweißpulver zum Auftragschweißen von Zusatzwerkstoffen in Form von Bändern aus austenitischem Cr-Nl-Stahl nach dem Unterpulverschweißverfahren.

Die Unterpulverschweißung mit bandförmigen Elektroden wird in erster Linie für Auftragschweißungen eingesetzt. Die wichtigste Anwendung dieses Verfahrens ist die Schweißplattierung von. unlegiertem oder\niedriglegiertem Stahl, wobei als Zusatzwerkstpff. Bänder aus austenitischem Cr-Ni-Stahl verwendet werden. Unter austenitiachem Cr-Ni-Stahl sind auch im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl Stähle mit rein austenitischem Gefüge, als auch solche mit höheren Ferritanteilen bis 50 % zu verstehen, die gegebenenfalls auch noch Mo, Cu, Si, Nb, Hn, Ta, Ti und/oder N enthalten.

Bei der Schweißplattierung kommt es vor allem darauf an, daß der Einbrand in den Grundwerkstoff möglichst niedrig gehalten wird, damit nicht durch die Vermischung mit dem

309830/080*3

_ ο _ ■

Grundwerkstoff die Korrosionsbeständigkeit der Schweißplattierung vermindert wird. Ferner muß die Oberfläche der gesamten Schweißplattierung möglichst glatt sein, da eine Bearbeitung der großen schweißplattierten Flächen viel zu kostspielig ist. Eine glatte Oberfläche der Plattierung wird erreicht, wenn nicht nur die Oberfläche der einzelnen Schweißraupen glatt, sondern auch die Übergänge zwischen zwei benachbarten Schweißraupen regelmäßig ausgebildet sind, d.h. weder Vertiefungen noch Überhöhungen aufweisen. Letztere Forderung wird am leichtesten erfüllt, wenn die Ränder der einzelnen Schweißraupen flach und gleichförmig ausgebildet sind.

Man war ursprünglich der Meinung, daß jedes Schweißpulver, das zur Unterpulverschweißung mit drahtförmigen Elektroden geeignet ist_s auch für die Schweißung mit bandförmigen Elektroden eingesetzt werden kann. Dies hat sich jedoch als irrig erwiesen, weil sich gezeigt hat, daß Schweißpulver, die für das Verschweißen von Drahtelektroden ausgezeichnete Eigenschaften besitzen, beim Verschweißen von Bandelektroden oft völlig versagen, weil sich Schweißraupen mit viel zu hohem Einbrand in den Grundwerkstoff oder völlig unbrauchbarer Oberfläche ergeben.. .

Für die unterpulverschweißung mit bandförmigen Elektroden aus austenitlschem Cr-Ni-Stahl wurden gelegentlich Pulver mit einem hohen MnO-Gehalt von 7 - 50 % MnO und etwa

309830/0803

35 - 50 % SiO₂ versucht, wie sie mitunter für die ünterpulverschweißung von niedrig legierten Drähten verwendet werden. Diese Pulver haben sich aber nicht bewährt, da sie zu schlechter Schlackenentfernbarkeit, Warmrißanfälligkeit und schlechter Korrosionsbeständigkeit durch hohen Cr-Abbrand führten.

Für die praktische Anwendung des Plattierens mit bandförmigen Zusatzwerkstoffen aus austenitischem Cr-Ni-Stahl wurden daher andere Schweißpulver herangezogen. Es handelte sich vorwiegend um geschäumte oder agglomerierte Pulver, die zur Hauptsaehe aus Metalloxiden bestehen. Sie hatten meist einen, halbbasischen Charakter und einen SiOp-Gehalt unter 38 %. Metallurgisch hatten diese Pulver den Vorteil, daß der Abbrand an Cr und der Zubrand an Si gering war.

Allerdings trat beim Schweißen ein relativ hoher Einbrand in den Grundwerkstoff aus unlegiertem Stahl auf. Das-führte nicht nur durch die Aufnahme von Kohlenstoff zu einer geringeren Korrosionsbeständigkeit der Schweißplattierung, sondern wegen der starken Vermischung mit dem unlegierten Grundwerkstoff auch zu einem Absinken des Cr-Gehaites im Schweißgut, der durch Zusatz von metallischem Chrom in das Pulver ausgeglichen werden mußte„ Ferner war mit diesen Schweißpulvern nur eine relativ rauhe Oberfläche der Schweißraupen zu erreichen. Die Ränder der Schweißraupen wurden meist ziemlich steil und ungleichmäßig ausgebildet, sodaß die

3096 30/08 0 3

übergänge zwischen zwei Schweißraupen nicht gleichmäßig bzw. glatt wurden und stellenweise Vertiefungen zeigten.

Durch die zunehmende Dicke der zu plattierenden Grundwerkstoffe war es nicht mehr möglich, die Ultraschallprüfung auf fehlerfreie Haftung der Plattierung von der Grundwerkstoff seite aus durchzuführen, sondern es mußte von der Plattierungsseite her geprüft werden. Die Ultraschallprüfung von der Plattierungsseite her ist aber im unbearbeiteten Zustand nur dann möglich, wenn die Oberfläche der Schweißraupen eine geringe Rauhigkeit aufweist und die übergänge zwischen den Raupen glatt und ohne Vertiefungen sind.

Diese Forderungen konnten zunächst durch Verwendung eines geschäumten Schweißpulvers erfüllt werden, dessen Zusammensetzung innerhalb der Grenzeng 40 - 50 % SiO₂* 11 17 % CaO, 22 - 28 % MgO und 10 - 16 % Fluoride lag.

Der hohe S10₂ ^aGehalt des Pulvers führte zwar zu einem er= höhtem Abbrand an Cr, der aber durch eine höhere Legierung der bandförmigen Elektrode mit Cr ausgeglichen werden konnte.

Bei genauer Prüfung der Plattierung auf Oberflächenfehler mittels Farbeindringverfahren stellte sich jedoch heraus, daß mit einem solchen Pulver eine große Anzahl sehr, feiner Poren im Oberflächenbereich der Plattierung (bis etwa 1 mm Tiefe) entstehen. Die Poren haben zumeist einen Durchmesser

309830/0803

zwischen 0,1 und' 0,5 mm und ^ind vielfach_t:pit Schlacke gefüllt. Ea konnte nachgewiesen werden» daß ^tIe Zusammen- . setzung der Schlacke in den Poren weitgehend mit Jener des geschmolzenen Schweißpulvers übereinstimmt. Es lag damit nahe, die Ursache für/diePorenbildung beim Schweißpulver zu »suchen. Diese Po?en verursachten kostspielige und_:zeit- <·. raubende Ausbesserungsarbeiten und machten eine weitere-/ Verwendung "des Pulvers. praktisch.;unmöglich..... .. -

. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein .-Schweißpulver anzugeben, welches; die. beschriebene Porenbil-. ■dung mit Sicherheit zu vermeiden gestattet, das eixie völlig, glatte Oberfläche der Schweißraupen ergibt und auch glatte übergänge zwischen benachbarten Schweißraupen ermöglicht.

Für die UhterpulverschWeißung mit drähtförmiger ,Elektrode ist bekannt j, daß die Porenanfälligkelt dadurch hervorge-x rufen werden kann, daß der. .Fluorgehält des .Schweißpulvers zu gering istj, um zusammen mit dem im Pulver vorhandenen SiOp genügend SiFr'zu bildenj, um den unvermeidliGhen ¥asserstpffaus der.-Feuchtigkeit des Pulvers als HF stabü zu binden. Es wurde daher untersucht j-.--Qb mit Pulyern mit einem höheren Fluorgehalt die feinen Poren in den Schweiß raupen vermieden werden können.

Öalei steilte s ich jedoCh entgegen den bisherigen Erfahr eri-heraus j teß durchweine Erhöhung-des FluoridgehalAes

auf atwa 20 % dl· Zahl dir ί·1η·η Poren Im Schweißgut sogar noch IUMhB. Außerdem war dl· Oberfläche der Schweißraupen rauh und In dar Kitt· ein«βfallen. Durch eine gleichzeitige Herabeetzung dee SiOg-Gehaltes auf 34 % könnt« zwar dia Anzahl dar Poren vermindert und die Oberfläche etwas verb«ss«rt w«rd«n. Be wurden aber dadurch dl· Ränder der Schweißraupen atall und unregelaäßig sowie die übergänge zwischen dan Schweißraupen uneben.

Wenngleich durch einen Zusatz von Titandloxid die Raupenränder in diesem Fall verbessert werden konnten, haftet· Jedoch dl· Pulverschlacke außerordentlich fest an der Raupenoberfläche an? al· war deshalb nur sehr schwer zu entfernen und das Pulver somit aus di«s«m Qrunde für eine praktische Schweißanwendung ungeeignet.

Di· Lösung d·· außerordentlich schwierigen technischen Probleeis gelang nun völlig überraichend alt de« erfindungsge-Bäß«n Schweißpulver, welches dadurch gekennzeichnet 1st, daß ·· aus 36-55 G«-w.-£ Silizium, berechnet als Siliziuadioxld, 10 -45 Gew.-* Irdalkallaetallen, berechnet als Brdalkaltoxide, insbesondere Hagnesium und KaIsIUp₄ wobeiMagnesium und Kalzium, berechnet als MgO und CaO, la Verhältnis 1i3 bis 10t1 stehen, 2-10 Qew.-% Alkalimetallen, vorzugsweise Natrium, berechnet ils Alkalioxid·, 1 - 20 0aw.->4 Aluminium, berechntt als Aluminiumoxid und 2 * 10 öew.-% riuorlden, b»rechnet als Kalzlumfluorid, βowl· unvermeid-

109110/Ol0 3 ^BAD

lichen Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, daß der = maxima;3it 'Siliziumgehalt, berechnet als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Fluorgehalt die Bedingung? %. S£®2 msöc.= 68 - 4,4 χ % F und der minimale Siliziumgehalt, berechnet als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt, berechnet: als Aluminiumoxid, die Bedingung: / ^: ; . J£ - '■ ■ ' min. = 46 - 0,68 χ % Al₂O₃ erfüllt.

Gemäß"einer vorteilhaften Ausführüngsform besteht das erfindungsgemäße Schweißpulver aus 39 - 52 Gew.*<-% Silizium, berechnet als.Siliziumdioxid, 20 - 4o Gew.-% Erdalkalime-■■?■ tallen, berechnet als Oxid, insbesondere Magnesium und Kalzium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnet als MgO und CaO, im Verhältnis 1 s 2' bis 7 J 1 stehen, 2 - 10 , Gew.-% Alkalimetallen, vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkaliöxid, 1 - 10 Gew.»96 Aluminium,* berechnet als Aluminiumoxid und 2 - 10 Gew.-% Fluoriden, berechnet als Kalziumflüori'd, sowie unvermeidlichen Verunreinigungen.

Es hat sich gezeigt, daß es beim erfindain-gsgemäßen ' Schweißpulver nicht-so' sehr auf* die Art der jeweils verwendeten Fluoride, von denen insbesöndero GaF₂, MgF₂, NaF und Na,AlFg zu nennen sind, sondern vorwiegend auf den Ein fluß des vorhandenen_F.luors ankommt. " .' ' - ,st* -

Als unvermeidliche Verunreinigungen gelten vor allem ein

3098 30/08 0 3

geringer, im allgemeinen jedoch 3 Gew.-# nicht übersteigender Gehalt an Eisenoxid sowie Gehalte an Phosphor, Schwefel, und Kohlenstoff von je max. 0,1 Gew.-#, gegebenenfalls auch noch bis etwa 1 Gew.-% Ti bzw. Zr.

Das erfindungsgemäße Schweißpulver kann zur Verminderung des Abbrandes an Mangan bis 3 Gew.-% chemisch gebundenes Mn, berechnet als MnO enthalten. Höhere Gehalte dürfen jedoch nicht vorliegen, weil sie eine schlechte Schlackenentfernbarkeit bewirken.

Zu betonen ist, daß das erfinduqgsgemäße Schweißpulver grundsätzlich nach allen für diese Technik bekannten Verfahrensarten hergestellt werden kann, somit also durch Sintern oder ScTimelzen, letzteres gegebenenfalls mit nachfolgendem Schäumen, bzw. durch Agglomerieren. Es treten dabei zwar Unterschiede im Schüttgewicht auf, die sich aber bei der praktischen Anwendung kaum auswirken.

Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Schweißpulver in agglomerierter Form vorliegt, kann es vorteilhaft sein, wenn es einen Zusatz von bis zu 10 Gew.-# Mangan, Nickel und/oder Chrom in metallischer Form enthält, um der Verdünnung des Schweißgutes entgegenzuwirken oder einen Legierungseffekt zu bewirken. Dies gilt ebenso für einen im Schweißpulver enthaltenen Zusatz von bis zu 5 Gew.-% Molybdän, Niob und/oder kupfer in metallischer Form, während durch einen Zusatz von

309830/0803

bis 5 Gev,-% an Karbonaten, insbesondere CaCCU, und die dadurch bedingte Gasentwicklung beim Schweißvorgang in manchen Fällen eine weitere Verbesserung der Raupenränder und auh der Raupenoberfläche erzielt werden kann.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; In.der folgenden Tabelle 1,sind in ,verschiedener, Weise (gesintert, geschäumt bzw, agglomeriert) hergestellte Schweißpulver nach der Erfindung paarweise angeführt.

Tabelle 1

Schweißplv.s
Nr. s

Herstell.
typ

SiO₂

Al₂O₃

Zusammensetzung in
MgO CaO Na₂O

3,7

3,9

JroW · /0
K₂O MnO

2,0

Fluoride
(als CaFgber.

CaCO,

Cr.
Met

Schütt
gew, kp/1

1

gesintert

43,5

7,6

30,1

4,1

10,0

—

9,5

-

sw

0,92

2

gesintert

44,0

6,1

25,0

18,9

6,2

-

7,0

OB

-

1,17

3

geschäumt

51,4

4 5

10,5

4,1

5,2

• -

7,1

0,83

4

geschäumt

45,4

6,1

33,6

4,1

3,0

-

3,8

—

0,78

:5

agglomeriert

44,0

3,0

31,0

4,1

3,0

1,0

8,5

3,0

-

1,05

6

agglomeriert

41,0

18,0

23,0

1,0

5,5

2,9

1,19
I

O (O OO

CD OO

CO

cn

- Mt . ■ -.-.:■

Diese Schweißpulver wurden beispielsweise wie folgt hergestellt?

Für das gesinterte Pulver Nr.·! wurden 2167 g Quarzmehl mit 99,2 % SiO₂, 253 g Tonerde mit 99,3 % Al₂O-, 1651 g gebrannter Magnesit mit 90,7 % MgO, 1,6 ^SiO₂, 4,5 % CaO und 3,2 % Verunreinigungen (insbesondere FeO), 827 g Kalkspat mit 99,1 % CaCO, und 466 g Kryolith (98 %ig), alle Substanzen mit einer Korngröße feiner als 0,3 mm, gemischt und 11 Stunden bei 970⁰C gesintert. Der Sinterkuchen wurde mit einem Backenbrecher zerkleinert und für die Schweißversuche die Korngröße 0,35 bis 2,5-mm ausgesiebt.

Für das geschmolzene und geschäumte Pulver gemäß Beispiel Nr. 4 wurden 1357 g Quarzmehl, 153 S Tonerde, 1111 g gebrannter Magnesit, 279 g Kalkspat, 112 g Kryolith und 109 g Soda (Na₀CO- techn. rein), alle mit derselben Zusämmensetzung und Körnung wie oben, gemischt.

Das Schmelzen des Gemisches erfolgte in einer wassergekühlten Kupferkokille von 145 mm Durchmesser durch Wider.stand erhitzung mittels einer 65 mm starken Grafitelektrode mit * 900 - 1000 A und 50 - 60 V. Die Schmelze wurde innerhalb von 20 min. auf 167O⁰C gebracht und dann in kaltes Wasser geschüttet. Das geschäumte Granulat wurde bei 300⁰C getrocknet, zerkleinert und für die Versuche ein Kornanteil von 0,35 bis 2,5 mm ausgesiebt. _;

Für das agglomerierte Pulver gemäß Beispiel Nr. 5 wurden

' ^; 309830/0Ö0 3 '

1000 g Kalifeldspat mit 75 % SiO₂, 15 96 Al₂O₃, 5 % Na₂O und 5 96 K₂O, 2240 g Forsterit mit 41,5 96 SiO₂ und 47,6 96 MgO, 540 g Magnesit mit 90 % MgO und 4,5 % CaO, 460 g Wollastoiiit mit 42,8 % SiO₂, 39,4 96 CaO und 15 96 CaCO₃, 80 g reinex* Kalkspat und 425 g reiner Flußspat zunächst trocken und dann mit 1160 ml Natronwasserglas mit 28 % SiO₂ und 8,5 % Na₂O naß gemischt, gekörnt und bei 650⁰C 2 Std. getrocknet und der Kornanteil zwischen 0,35 bis 2,5 mm ausgesiebt.

Zu den Herstellungsangaben sei bemerkt, daß es dabei je nach der Herstellungsart z.T. zu chemischen Umsetzungen kommt, die auch mit der Freisetzung von Gasen (z.B. CO₂,SiF,) verbunden sind. Der Verfahrensablauf bei der Herstellung erfindungsgemäßer Schweißpulver muß demnach in an sich bekannter Weise derart erfolgen, daß im Endergebnis ein in seiner Zusammensetzung der Erfindungsdefinition entsprechendes Schweißpulver erhalten wird. ,

Mit den in Tabelle 1 angeführten Schweißpulvern wurden Schweißversuche in Form von Auftragschweißungen mit Elektrodenbändern aus austenitischem Cr-Ni-Stahl jeweils auf einem 50 mm starken Blech aus unlegiertem Stahl (0,18 % C, 0,23 96 Si, 0,51 % Mn) mit Gleichstrom durchgeführt, wobei das Band am Pluspol angeschlossen war. /

Die übrigen Versuchsbedingungen waren wie folgts

309830/0803

Versuch Nr., ■ ■-" \ --^: "- "^: . '-■' 1 ν· ΐ·^"-2" ■ "■' -- 3 ^; -'■^:

Band'^-- " ' ^v ^i: .. : ' * " ^J ■ ■''"""'ä 'V -b '--'-· c" ^ι ■ Bandabmessung (mm) ,. _: ... ₍;. .60x0,5 75x0,5, I.OÖxO,4, Schweißpulver Nr. . . . _; ., 1 ... 2 .... 5 Stromstärke (A) ' " 650 720' 850

LichtlDogensparinung (Y) ^: " , ■ 2$ ' 23 ^{! v} -29 ^; Schweißgeschwindigkeit (cm/min.), . 11,0 .10,5. 10,0

Die verwendeten Elektrodenbänder und das Schweißgut der .1.. Lage der Schweißpiattierung hatten folgende Zusammensetzungs

Tab eile 2:

Vers. Nr.	Band a 1.Lage	" C	■ Si '	Zusammensetzung Gew. " Mn ' Cr ■ Ni	24,26 19,26	10,63 9,05	Mo^:	i·	■-■ --	Aufmischung
1	Band b • 1ο Lage	0,017 0,035,	0,44 0,98	2,29	24,-03 20,32	11 /98 -10,62	mm	2,63 2,41		• -15,0
2	Band c 1.Lage	0,017 0,037	0,40 ■t»Q1	2,06 1,15 ■	20,40 18,12;	14,50 13,38	0V78 0,50	■· . 11 »2
3	0,016 0,034	0,32 0,92	1,74 ,1,06		■ =■ 7,6'

Bei allen diesen Versuchen sowie einer Vielzahl weiterer Erprobungen der erfindungsgemäßen Schweißpulver wurden Schweißraupen erzielt, bei denen-nicht"nur die ·gefürchtete Pörenbildung zur Gänze besdttigt ist, sondern die auch eine außeror-

deutlich glatte Oberfläche und flache Ränder besitzen, sodaß sich sehr ebenmäßige Übergänge zu benachbarten Schweißraupen ausbilden, wodurch eine Ultraschallprüfung von der Plattierungsseite her ermöglicht ist. Der Einbrand ist beim Schweißen mit diesen Pulvern gering und damit auch die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff in den geforderten Grenzen gehalten.

3QS830/08Ü3

Claims

Patentansprüche

1. Schweißpulver zum Auftragschweißen von Zusatzwerkstoffen in Form von Bändern aus austenltischem Cr-Ni^Stahl nach dem Unterpulverschweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 36 - 55 Gew.-$ Silizium, berechnet als Siliziumdioxid, 10 - 45 Gew.-% Erdalkalimetallen, berechnet als Erdalkalioxide, Insbesondere Magnesium und Kalzium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnet als MgO und CaO, im Verhältnis 1 s 3 bis 10 ί i stehen, 2-10 Gew.-% Alkalimetallen,vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxide, 1 - 20 Gew.-% Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid und 2-10 Gew.-% Fluoriden, berechnet als Kalziumfluorid, sowie unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, mit der Maßgabe, daß der maximale Siliziumgehalt, berechnet als Siliziumdioxid_p in Abhängigkeit vom Fluorgehalt die Bedingungί

% SiO₂ max. = 68 - 4,4 χ % F und der minimale Siliziumgehalt ₈ berechnet als Siliziumdioxid, in Abhängigkeit vom Aluminiumgehaltj berechnet als Aluminiumoxid, die Bedingung: % SiO₂ min. = 46 - 0,68 χ % Al₂O erfüllt.

2. Schweißpulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 39 - 52 Gev&-% Silizium, be-

309630/0803

rechnet als Siliziumdioxid, 20 - 40 Gew.-% Erdalkalimetallen, berechnet als Oxid, insbesondere Magnesium und Kalzium, wobei Magnesium und Kalzium, berechnet als MgO und CaO, im Verhältnis 1 : 2 bis 7 : 1 stehen, 2 -10 Gew.-% Alkalimetallen, vorzugsweise Natrium, berechnet als Alkalioxid, 1-10 Gew.-% Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid und 2-10 Gew.-% Fluoriden, b&- rechnet als Kalziumfluorid, sowie unvermeidliche Verunreinigungen besteht.

3. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es zusätzlich bis 3 Gew.-?6 chemisch gebundenes Mangan, berechnet als MnO enthält.

4. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η n zeichne t,daß es bis 10 Gew.-% Mangan, Nickel und/oder Chrom in metallischer Form enthält.

5. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß es bis 5 Gew.-% Molybdän, Niob und/oder Kupfer in metallischer Form enthält.

6. Schweißpulver nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß es zusätzlich bis zu 5 Gew.-# Karbonate, insbesondere CaCO, enthält

Gebr. Böhler & Co.

Aktiengesellschaft t) Patentbüro

309830/08UJ