DE2435577C3

DE2435577C3 - Verwendung einer Hartstofflegierung als Schweißzusatzwerkstoff

Info

Publication number: DE2435577C3
Application number: DE2435577A
Authority: DE
Inventors: Fritz 4115 Krefeld Frehn
Original assignee: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG 4000 DUESSELDORF
Current assignee: THYSSEN EDELSTAHLWERKE AG 4000 DUESSELDORF
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1974-07-24
Publication date: 1979-07-26
Also published as: FR2279509A1; ES439721A1; SE7508249L; DE2435577B2; GB1496744A; FR2279509B1; DE2435577A1; AT334152B; ATA419375A

Description

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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Hartstofflegierung als Schweißzusatzwerkstoff für die Bildung einer zähen und verschleißfesten Verbindungsschweißung zwischen Teilen aus Hartstoff bzw. Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus Stahl, der aber auch zur Herstellung von zähen verschleißfesten Aufpanzerungen verwendet werden kann.

Bei den aus dem deutschen Patent 2149 772 bekannten Schweißzusatzwerkstoffen aus härtbaren Hartstofflegierungen handelt es sich um sogenannte Lufthäi ter, die nach einer Austenitisierung in Luft, Gas, öl oder Warmbad abgeschreckt und dadurch gehärtet und anschließend gewünschtenfalls noch einer Anlaßbehandlung unterworfen werden können. Wird mit Elektroden aus solchen Lufthärter-Legierungen geschweißt, so bildet sich durch das Abkühlen des Schweißguts von Schmelztemperatur auf Raumtemperatur und der damit verbundenen Härtung ein sehr hartes Gefüge, das spröde ist und zur Bildung von Rissen neigt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die μ Schaffung eines Schweißzusatzwerkstoffs mit Stahlmatrix, der zu harten, verschleißfesten, dennoch aber auch zähen Schweißverbindungen führt, wobei die Härte der niedergelegten Schweiße durch eine einfache Wärmebehandlung noch steigerungsfähig sein soll. r> '■>

Aus der DE-PS 20 44 208 ist ein Schweißstab für Schmelzschweißung aus einer gesinterten Legierung mit 20 bis 90% eines Metallkarbids und 80 bis 10% einer Metallegierung aus 10 bis 90% Nickel und 90% bis 10% Molybdän oder Kupfer, das teilweise durch bis 50% Eisen und/oder Chrom ersetzt werden kann, bekannt Da die Metallmatrix dieser bekannten Legierung weniger als 50% Eisen enthält, handelt es sich nicht um eine Stahllegierung und entspricht somit nicht der Gattung des Erfindungsgegenstands. Die bekannte Legierung ist im übrigen nicht durch eine Wärmebehandlung auf höhere Härte härtbar, wie dies nach dem erfindiingsgemäßen Lösungsvorschlag möglich sein soll. Die vorerwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Legierung aus (in Gew.-%)

10 bis 70% Titankarbid, wobei bis zu 50% des Titankarbids durch Karbide des Chroms, Vanadiums, Molybdäns, Wolframs, Tantals, Zirkoniums ersetzt sein können und vornehmlich als Mischkarbid mit Titankarbid vorliegen, und
90 bis 30% einer Stahllegierung, bestehend aus
6 bis 30% Nickel
2 bis 10% Molybdän
0,2 bis 3,5% Titan

Rest Eisen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen an Phosphor, Schwefel, Silizium sowie nicht mehr als 0,50% Kohlenstoff

als Schweißzusatzwerkstoff gelöst Die Stahllegierungsmatrix dieses Schweißzusatzwerkstoffs kann zusätzlich noch bis 0,04% Stickstoff, bis 0,5% Bor, bis 2,0% Kupfer, bis 0,1% Zirkonium, bis 2,0% Mangan, bis 13% Niob und/oder Tantal, bis 20% Chrom, bis 18% Kobalt und bis 1,5% Aluminium einzeln oder zu mehreren enthalten.

Bevorzugt wird eine Legierung als Schweißzusatzwerkstoff, bestehend aus

30 bis 35% Titankarbid und
65 bis 70% Stahllegierung mit
höchstens 0,03% Kohlenstoff

6 bis 18% Nickel

7 bis 10% Kobalt

4 bis 7% Molybdän
0,5 bis 1,0% Titan
03 bis 1,0% Aluminium
bis 15% Chrom
bis 1,0% Kupfer
bis 0,05% Bor
Rest Eisen.

Es erschien bisher unmöglich, die oben angegebenen Legierungen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Schweißzusatzwerkstoffe zu verwenden. Es mußte nämlich damit gerechnet werden, daß sich beim Aufschweißen der Legierung das Metallkarbid in erheblichem Maße zersetzt und in Metall und Kohlenstoff aufgespalten wird und dadurch der für den angestrebten Verschleißwiderstand entscheidende Faktor in Fortfall geraten würde. Aber auch die zur Aushärtung in Form ausscheidender intermetallischer Verbindungen notwendigen Elemente, besonders Aluminium und Titan, die intermetallische Verbindungen mit Nickel eingehen, zeigten starke Veränderungen im Schmelzfluß.

Es mußte daher überraschen, daß bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung der genannten Legierung als Schweißzusatzwerkstoff sowohl für die Verbindung von Teilen gleicher oder unterschiedlicher Härte als auch zum Auftragschweißen bzw. Aufpanzern eine verhältnismäßig harte und verschleißfeste, gleichzeitig aber auch zähe Schweiße erzeugt werden kann.

Der durch die Zersetzung des Metallkarbids im Schmelzfluß frei werdende Kohlenstoff kann durch Zusatz karbidbildender Elemente, wie Titan, Niob/Tantal und Zirkonium gebunden werden und trägt zur Erhöhung der Härte der Stahlmatrix bei. Dadurch wird die Härte der bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung des Schweißzusatzwerkstoffs niedergelegten Schweiße höher als die des Schweißzusatzwerkstoffs im Ausgangszustand, wobei die Härte der Schweiße durch eine Auslagerungsbehandlung noch erhöht werden kann. Wesentlich dabei ist, wie gesagt, daß die Schweiße trotz ihrer Härte und Verschleißfestigkeit ausreichend duktil bleibt, so daß nicht wie bei ähnlichen bekannten Schweißzusatzwerkstoffen erhöhte Rißgefahr in der Schweißnaht zu befürchten ist Aufgrund dieser Eigenschaft ist die erfindungsgemäß als Schweißzusatzwerkstoff zu verwendende Hartstofflegierung sowohl mit Vorteil zur Verbindung von Teilen verhältnismäßig hoher Härte und von Teilen höherer und niedrigerer Härte einzusetzen sondern auch zur Herstellung von harten, verschleißfesten und duktilen Aufpanzerungen, z. B. auf Stahlteilen.

Die Herstellung von Schweißelektroden aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen erfolgt durch Mischen des pulverisierten Metallkarbids bzw. Mischkarbide und der Stahllegierung und/oder deren Einzelkomponenten in Pulverform mit einer durchschnittlichen Korngrößenverteilung von 6 bis 10 μπι, Mahlen unter nicht oxydierenden Medien auf Korngrößenverteilungen von 1 bis 5 μπι und feiner und 3u Trocknen im Vakuum zum teilweisen Verflüchtigen des Mahlmittels. Anschließend erfolgt nach Einbringen von preßerleichternden Mitteln das Pressen oder nach Zusatz von Plastifizieningsmitteln das Strangpressen zu Schweißstäben. Diese werden dann nach einem Vortrockenprozeß im Vakuum bei besser als 10~² Torr zwischen Temperaturen von 1250 und 145O⁰C gesintert Danach erfolgt eine Lösungsglühung zwischen 800 und 900" C mit Luft- bzw. ölabkühlung auf eine Härte zwischen 40 und 48 RC Durch Schleifverfahren werden eventuelle Randzonen beseitigt

Nach dem Schweißen mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Legierung kann durch eine 6- bis lOstündige Anlaßbehandlung bei 460 bis 500° C eine Härte von 60 bis 65 RC erreicht werden. Bei höherem Karbidgehalt des erfindungsgemäßen Schweißzusatzwerkstoffes steigt nach der Auslagerung die Härte bis auf ca. 78 RC. Diese hochkarbidhaltigen Legierungen werden vornehmlich zur Auftragsschweißung benutzt

Die nach der Erfindung hergestellten blanken ">o Elektroden können auch ummantelt für die normale Elektroschweißung durch deich- bzw. Wechselstrom eingesetzt werden, jedoch hat sich wegen der guten Umspülung mit Argon das WIG-Verfahren als nützlicher erwiesen. >·>

Bei der pulvermetallurgischen Herstellung der Schweißstäbe können auch bis zu 100% auf ca. 3 μπι Korngröße gemahlene Späne der genannten Legierung angesetzt werden. Werden ah von gesinterten Teilen anfallenden Späne auf eine Korngröße von 0,04 bis «> 0,08 μπι zerkleinert, können diese auch mittels Plasmaspritzen aufgetragen werden. Bei einer Korngröße von 0,04 bis 0,12 mm ist auch das Aufspritzen mittels Acethylen-Sauerstoff-Spritzpistole möglich.

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Beispiel 1

Nach dem beschriebenen pulvernnetallurgischen Preß- und Sinterverfahren wurde eine blanke Schweißelektrode von 3 mm Durchmesser und 200 nun Länge hergestellt, und zwar mit folgender Zusammensetzung:

30% Titankarbid und 70% einer Stahlsnatrix mii 0,03% C
15,5% Ni

6,0% Mo

9,0% Co

03% Cu

0,75% AI

0,60% Ti

0,02% B
Rest Fe

Mit dieser Schweißelektrode wurde mittels Argon-Arc-Schweißgerät bei 150 A Stromstößen und 15 L ArgonfluS eins, zwei und drei Schweißraupen ubereinandergelegt, und zwar auf eine härtbare Hartstofflegierung mit ähnlicher Zusammensetzung:

33% Titankarbid und 67% einer Stahlmatrix mit 0,03% C
15,0% Ni
9,0% Co
5,0% Mq
0,7% Ti
0,7% Al
Rest Fe

Diese Hartstofflegierung hatte eine Härte von 51 RC Nach de.' Schweißung und Luftabkühlung wurden in den Schweißen folgende Härten gemessen:

Eine Lage: 53/54 RC Zwei Lagen: 53/56 RC Drei Lagen: 55/56 RC Grundwerkstoff nach dem Schweißen: 52/53 RC

Diese Auftragungen ließen sich durch Fräsen und Hobeln bearbeiten.

Anschließend wurden die Schweißungen 2 h bei 850° C lösungsgeglüht und an Luft abgekühlt Die jetzt entstandenen Härtewerte sind nur unwesentlich gefallen:

Erste Lage:	52/54 RC
Zweite Lage:	53/54 RC
Dritte Lage:	51/52 RC
Grundwerkstoff:	50/51 RC

Eine weitere mechanische Bearbeitung machte selbstverständlich keine Schwierigkeiten.

Nun folgte eine Auslagerung der Schweißraupen 8 h bei 480° C.

Überraschenderweise stiegen alle Härtewerte höher als beim Grundmaterial:

Erste Lage: 65/66 RC Zweite Lage: 63/64 RC Dritte Lage: 64/65 RC Grundwerkstoff: 60 RC

Es entstand eine hochverschleißfeste Schweißung bei nicht meßbarem Verzug des gesamten Werkstückes.

Beispiel 2

Mit einer 3 mm Durchmesser Schweißelektrode, hergestellt nach folgender Analyse der Erfindung bei

33% Titankarbid und 67% einer Matrix von

12,5% Chrom
6,0% Molybdän
7,0% Nickel

24 35 5	0^% Kupfer	5	577 6
0,75% Aluminium		7,0% Nickel
10,0% Kobalt		18,0% Kobalt
0,70% Titan		04% Kupfer
0,02% Bor		0,75% Aluminium
Rest Eisen	to	0,70% Titan
		0,02% Bor
wurden auf einem austenitischen rostfreien Stahl mit		Rest Eisen
einer Härte unter 20 RC zwei Lagen nach dem
WIG-Verfahren aufgetragen.		wurde auf einen kohlenstofffreien nickelmartensitischen
Stromstärke 150 A und Argonfluß 8 Liter/min.	15	Stahl folgender Zusammensetzung aufgeschweißt:
Die Härtemessung nach der Schweißung ergab
52/54 RC Die Schweiße ließ sich ohne weiteres		0,01% Kohlenstoff
spangebend bearbeiten.		1140% Chrom
Anschließend wurde ohne Lösungsglühung 8 h bei		2,0% Molybdän
480⁰C ausgelagert Überraschend zeigte sich, daß also	20	73% Nickel
ohne Zwischenglühung eine Bearbeitung möglich ist		5_S3% Kobalt
und dann durch eine Auslagerung Härtewerte zwischen		1,1% Titan
63 und 65 RC zu erzielen sind. Immer weiche		Rest Eisen
austenitische Werkstoffe können gemäß der Erfindung
gepanzert, bearbeitet und durch eine einfache Anlaßbe	2j	Bekanntlich besitzen diese Stähle nur einen geringen
handlung (Auslagerung), die das Gefüge des Grund		Verschleißwiderstand wegen fehlender Karbide oder
werkstoffes nicht verändert, hochverschleißfest ge		anderer Hartstoffe. Eine verschleißfeste Panzerung liegt
macht werden. Das gleiche gilt sinngemäß für		deshalb oftmals im Interesse. Nach der Schweißung
kohlenstofffreie Stähle.		wurden 50/52 RC gemessen, die eine Bearbeitung der
	30	Schweißrsupc ermöglichen. Eine direkt folgende Ausla
Beispiel 3		gerung 8 h bei 480°C brachte die Härte der Schweiße
Eine Elektrode von 3 mm Durchmesser gemäß der		auf 63/65 RC, so daß eine hochabriebfeste Auflage
Erfindung nach folgender Analyse hergestellt:	j5	gegeben war. Bei dieser Kombination ist selbst beim
50% Titankarbid und 50% einer Matrix mit		Schweißen der Verzug sehr gering, da die Grundmasse
12^% Chrom		der Elektrode gemäß der Erfindung dem Grundwerk stoff Stahl sehr ähnlich ist und bei der gleichen Zeit und
6,0% Molybdän 7,0% Nickel		Temperatur auszulagern ist
18,0% Kobalt	■10	Beispiel 5
04% Kupfer		Es wurden ein 12%iger Chromstahl, gehärtet auf
0,75% Aluminium		60 RC, mit einer lufthärtenden Hartstofflegierung der
0,70% Titan 0,02% Bor		Zusammensetzung
Rest Eisen		33% Titankarbid und 67% Stahl mit
	43	0,60% Kohlenstoff
Eine Aufschweißung von einer Lage damit unter den		14,0% Chrom
im Beispiel 2 genannten Bedingungen auf einem Stahl		3,0% Molybdän
St 37 ergab in der Schweiße eine Härte von 60 RC, war		03% Kupfer
also nicht bearbeitbar. Eine direkt folgende Auslage		Rest Eisen
rung 8 h bei 480° C ergab eine Härte von 68/70 RC, also	50
eine höchstverschleißfeste Panzerung.		gehärtet auf 69 RC, einmal durch eine Elektrode nach
		Beispiel 1 zusammengeschweißt und zweitens durch
Beispiel 4		eine lufthärtende Elektrode obiger Zusammensetzung
Eine Elektrode, 4 mm Durchmesser, hergestellt	■55	verbunden. Die Verbindungsnaht mit der Elektrode
gemäß der Erfindung mit folgender Zusammensetzung:	gemäß der Erfindung zeigte keine Risse in der Naht bei
33% Titankarbid und 67% einer Matrix aus	einer Härte von 48 - 50 RC (bearbeitbar). Die durch die
124% Chrom	lufthärtende Legierung hergestellte Verbindungsnaht ist dagegen aufgrund ihrer entstandenen Härte von
6,0% Molybdän	67 - 68 RC (nicht bearbeitbar) gerissen.

Claims

Patentansprüche:
t. Verwendung einer Legierung aus (in Gew.-%)

10 bis 70% Titankarbid, wobei bis zu 50% des Titankarbids durch Karbide des Chroms, Vanadiums, Molybdäns, Wolframs, Tantals, Zirkoniums ersetzt sein können und vornehmlich als Mischkarbid mit Titankarbid vorliegen, und ίο

90 bis 30% einer Stahllegierung, bestehend aus
6 bis 30% Nickel
2 bis 10% Molybdän
0,2 bis 3,5% Titan

Rest Eisen, sowie unvermeidbare Verunreinigungen an Phosphor, Schwefel, Silizium sowie nicht mehr als 0,5% Kohlenstoff

als Schweißzusatzwerkstoff.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1

30 bis 35% Titankarbid und
65 bis 70% Stahllegierung, bestehend aus
höchstens 0,03% Kohlenstoff

6 bis 18% Nickel

7 bis 10% Kobalt

4 bis 7% Molybdän
0,5 bis 1,0% Titan
0,5 bis 1,0% Aluminium
bis 15% Chrom
bis 1,0% Kupfer
bis 0,05% Bor
Rest Eisen

für den Zweck nach Anspruch 1.

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