DE2537112B2 - Verfahren zum Herstellen einer Schweißelektrode zum Hartauftragsschweißen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer Schweißelektrode zum HartauftragsschweißenInfo
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Description
55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schweißelektroden oder dergleichen Produkte
für die Verwendung beim Hartauftragsschweißen, d. h. Aufbringen von harten Oberflächenschich- t>o
ten auf verschiedene Substrate. Das erfindungsgemäße Verfahren wird angewendet auf ein Hartauftragsschweißmaterial,
das normalerweise sowohl im kalten als auch im warmen Zustand vollständig unbearbeitbar
ist. Erfindungsgemäß wird aber dem Mate- b5 rial eine gute Verformbarkeit gegeben, so daß es in
Form eines Drahtes oder dergleichen für die automatische Schweißung verwendet oder verarbeitet werden
kann, d. h. so, daß es a!s fortlaufende Elektrode ohne Schwierigkeiten verwendet werden kann.
Es ist bereits bekannt, daß die Lebensdauer von Teilen oder Oberflächen, die Schlagbeanspruchungen,
Verschleiß, Korrosion usw. ausgesetzt sind, durch eine Oberflächenbeschichtung oder Hartauftragsschweißung
erhöht werden kann. Praktisch alle Stähle können durch Lichtbogenschweißung mit einer harten
Schicht versehen werden. Um maximale Ergebnisse zu erhalten, sollte aber das Substrat niedrig legiert und
für das Schweißen geeignet sein.
Unter den Hartauftragsmaterialien, die besonders widerstandsfähig gegen Verschleiß und Schlagbeanspruchungen
sind, befinden sich die Legierungen, in denen eine harte Karbidphase ausgeschieden ist oder
sehr fein in einer weicheren Metallmatrix verteilt ist. Materialien, in denen die harte Phase im wesentlichen
aus Wolframkarbiden und Chromkarbiden besteht und bei denen die Matrix hauptsächlich aus Kobalt
besteht, sind von besonderer Wichtigkeit. Die vorliegende Erfindung betrifft die erwähnte Materialart,
und zwar insbesondere eine harte Legierung, die in Gewichtsprozenten - folgende Zusammensetzung
hat: 0,05 bis 5,0% C, 5 bis 35% Cr, 0,5 bis 20% W und Rest Co neben normalerweise vorhandenen Verunreinigungen.
Die erwähnte harte Legierung betrifft somit ein Material der »Stellit«-Art mit einer Zusammensetzung
von insbesondere 0,5 bis 3,0% C, 25 bis 35% und vorzugsweise 27 bis 31% Cr, 1 bis 15%
und vorzugsweise 3 bis 13% W und Rest Co, was 54 bis 69% Co bedeutet (alle Komponenten sind in Gewichtsprozent
berechnet). Als Beispiele können die » Haynes Stellite« 1,6 bzw. 12 genannt werden, die
aus sogenannten 23-Karbiden aus C-Cr-Co-W in einer Matrix aus Co bestehen und die folgende Nenn-Zusammensetzung
haben (Gew.%):
C Cr VV Co
»Haynes Stellit 1«
»Haynes Stellit 6«
»Haynes Stellit 12«
»Haynes Stellit 6«
»Haynes Stellit 12«
Da die genannte Legierung sowohl in warmem Zustand als auch in kaltem Zustand vollständig unbearbeitbar
ist, sind Elektroden zur Hartauftragsschweißung bisher in geeigneten Dimensionen gegossen
worden, und zwar normalerweise in Längen von etwa 0,35 Metern und Durchmessern von etwa 3 bis 6 mm.
Auch größere Längen -1,8 bis 2,4 m - sind hergestellt
worden, wobei aber alle diese gegossenen Elektroden in kaltem Zustand nicht verformbar sind. Dies bedeutet
eine gewisse Schwierigkeit bei der Herstellung, jedoch besteht der größte Nachteil darin, daß das Material
nicht für die automatische Hartauftragsschweißung verwendet werden kann, welches eine kontinuierliche
und verformbare Elektrode erfordert. Im Betrieb werden oft sehr hohe Anforderungen an die
Flexibilität oder Verformbarkeit der Elektrode gestellt, d. h. sie muß in viele Windungen aufgewickelt
werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet eine Lösung der genannten Schwierigkeiten und führt zu
einer Schweißelektrode mit zufriedenstellender Verformbarkeit, die für die Anwendung beim automatischen
Hartauftragsschweißen geeignet ist. Das bedeutet, daß die gleiche Materialart in der harten Schicht
nach dem Schweißvorgang enthalten ist, wie es der
2,5 | 30 | 12 | 55,5 |
1,0 | 28 | 4 | 67 |
1,25 | 29 | 8 | 61,75 |
Fall sein würde, wenn die Legierung auf normalem Wege durch Schmelzen und Gießen hergestellt worden
wäre. Somit werden die gewünschte Struktur und die anderen Vorteile und vorteilhaften Eigenschaften
der Legierung nicht geändert oder beeinträchtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft eine Kombination von Verfahrensschritten im Bereich der
Schmelzmetallurgie, der Pulvermetallurgie und Bearbeitung, wobei die Schritte an sich bekannt sind und
auch in ähnlichen Verbindungen angewendet worden ι ο sind. Im vorliegenden Fall sind aber die genannten
Bedingungen besonders angepaßt oder ausgesucht in bezug auf das verwendete Material und auf das Anwendungsgebiet.
Als Beispiel einer bekannten Technik kann die Herstellung von Schweißelektroden aHein aus Pulver
durch Pressen und Sintern und anschließendes Bearbeiten auf die endgültige Dimension genannt werden.
Ein solches Verfahren könnte im folgenden Falle aber nicht allgemein angewendet werden, weil eine vollständige
Sinterung der Legierung zu einer unzureichenden Verformbarkeit für eine folgende Verformung
führen würde. Außerdem würde das Endprodukt aus dem gleichen Grunde eine unzufriedenstellende
Verformbarkeit aufweisen.
Als weiteres Beispiel der bekannten Technik können Schweißelektroden erwähnt werden, die aus einer
rohrförmigen äußeren Metallschicht und einem inneren Kern aus Metallpulver bestehen. Wenn solche
Elektroden für die Hartauftragsschweißung verwendet werden, besteht der Kern oft aus harten Karbidkörnern
oder aus Hartmetall, d. h. aus harten Elementen und Bindermetall, die gesintert und zerkleinert
worden sind. Auch diese EJektrodenart würde im vorliegenden Fall weniger geeignet sein. Bei der
Bearbeitung, Schweißung usw. von »Stellit«-Material oder dergleichen muß der Kern der Elektrode homogen
und verhältnismäßig frei von Poren sein. Sonst können Schwierigkeiten während des Schweißens
aufgrund innerer Oxydation, ungleichförmiger Temperaturverteilung oder anderen Gründen nicht verhindert
werden.
Schließlich kann erwähnt werden, daß Verfahren zur Herstellung von »Stellit«-Legierungen durch Pulvermetallurgie
an sich bekannt sind. Bei diesen Verfahren sind Vorlegierungen verwendet worden, die
auf Kobalt und Chrom der im wesentlichen ö-Phasenart basieren, das zerkleinert und mit gewünschten Legierungs-
oder Basiselementen gemischt worden ist. Dann sind die Pulvermischungen gepreßt oder verdichtet
und schließlich bei hoher Temperatur, gewöhnlich oberhalb 1200° C zu dem Endprodukt gesintert
worden. Das beschriebene Verfahren führt aber nicht zu einem Gegenstand, der für Elektroden
beim automatischen Schweißen geeignet wäre oder der vorzugsweise zu einem solchen Produkt weiterverarbeitet
werden könnte. Die abschließende Sinterung bei hoher Temperatur führt zu einem Material,
das gewiß bessere Verformoarkeit als normales, gegossenes »Stellit« aufweist, jedoch ist es trotzdem zu
hart oder zu unbearbeitbar, als daß es zu einem endlosen Schweißdraht verarbeitet werden könnte.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß alle harten Bestandteile oder
Elemente, die solche harten Bestandteile bilden, in einer oder mehreren brüchigen, leicht zerkleinerten
Phasen - Legierungen oder Verbindungen - isoliert werden. Diese werden durch Schmelzen oder Gießen
vorbereitet, worauf das erhaltene Produkt in Pulver fein zerteilt wird.
Die weichere metallische Matrix besteht im wesentlichen aus Co oder einer Co-Legierung (z. B. ist
Co legiert mit 1,5 bis 3,5% Ti, um die Verformbarkeit beim Kaltwalzen oder Kaltmahlen zu erhöhen). Die
weichere Metallmatrix wird dann mit den harten Substanzen gemischt. Es ist oft vorteilhaft, so große Mengen
wie möglich an freiem Matrixmaterialbinder in der Pulvermischung zu haben, um eine maximale Bearbeitbarkeit
und Verformbarkeit zu erhalten. (Eine gewisse Menge dieses Metallbinders wie Co ist oft ein
Teil der leicht zerkleinerten Phasen harter Bestandteile.) Darauf wird das Pulver verdichtet (in kaltem
Zustand) und auf eine verhältnismäßig mäßige Temperatur erhitzt, worauf eine Warmbearbeitung, wie
z. B. Strangpressen, folgt. Dan können möglicherweise reduzierende Arbeitsvorgänge, vorzugsweise
Warmwalzen und/oder Kaltwalzen, angewendet werden, um die endgültige Abmessung zu erhalten, die
normalerweise einen runden oder flachen Querschnitt aufweist. Durch Ausschaltung des Gießschrittes der
harten Legierung - oder besser der Verschiebung dieses Schrittes zu einem späteren Niederschmelzen und
dafür die Haltung der harten Bestandteile in einem verhältnismäßig weich gebundenen Zustand in
einer verformbaren Matrix - ist es möglich gewesen, ein Produkt zu erhalten, das eine zufriedenstellende
Verwendbarkeit beim automatischen Schweißen hat und das in Form eines Drahtes oder eines Streifens
oder dergleichen verwendet werden kann.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere brüchige, leicht zerkleinerte, aus
Karbid und/oder Sigma-Phase bestehende Vorlegierungen vorbereitet werden, und zwar vorzugsweise auf
schmelzmetallurgische Weise. Diese Vorlegierungen bestehen aus Karbid und/oder Sigma-Phase, welche
die Gehalte oder Mengen an Cr und W enthält, die in der endgültigen harten Legierung vorhanden sind.
Die Sigma-Phase enthält auch wesentliche Mengen an Co und teilweise auch C. Auch das Karbid oder die
Karbide enthalten natürlich C.
Die brüchigen, leicht zerkleinerten Vorlegierungen der Sigma-Phasen-Art, die als geeignet befunden
worden sind, haben normalerweise eine Zusammensetzung, die aus 45 bis 65% Cr, 0,5 bis 20% W und
20 bis 50% Co besteht. Besonders gute Qualitäten hatte die Zusammensetzung von 50 bis 60% Cr, 4
bis 12% W und 30 bis 40% Co. Als Beispiele können Legierungen mit folgender Zusammensetzung erwähnt
werden: 56 Cr - 8 W - 36 Co sowie 54 Cr -12W-34O). Auch C-enthaltende Varianten haben
sich als geeignet erwiesen. Ein Beispiel ist: 56 Cr 8 W - 34 Co - 2 C.
Unter den Karbiden, die sich als sehr leicht zerkleinert und als geeignet für die alleinige Verwendung
oder die Verwendung zusammen mit Sigma-Phase erwiesen haben, kann Chromkarbid erwähnt werden,
das aus 85 bis 95 % Cr und 5 bis 15 % C, beispielsweise Cr7C3 (91 % Cr, 9% C) besteht, erwähnt werden, und
ferner gemischte Karbide aus Cr und W, beispielsweise (Cr, W)23C6 (85% Cr, 12% W, 3% C).
Nach der feinen Zerteilung der Vorlegierung, wie durch Quetschen, Mahlen oder dergleichen zu Pulver,
werden gewünschte Mengen an C und/oder Co zugesetzt oder zugemischt, worauf die Pulvermischung anschließend
verdichtet wird, und zwar vorzugsweise durch Pressen bei Raumtemperatur zu Körpern.
Durch eine entsprechende Auswahl der Pulver die Teilchen sind in diesem Falle im wesentlichen kugelförmig-ist
es auch möglich, den Kaltverdichtungsschritt zu vermeiden, da eine für eine erfolgreiche
Warmverdichtung durch Strangpressen ausreichende relative Dichte ohne irgendwelche Vorverdichtungsschritte
erreicht werden kann.
Nach einer möglichen Verdichtung erfolgt normalerweise eine Warmbehandlung der Preßlinge bei etwa
700° bis 900° C in einer Schutzatmosphäre, wobei das bei der Verdichtung verwendete Schmiermittel
ausgetrieben wird und eine verbesserte Festigkeit des Preßlings erreicht wird.
Darauf erfolgt eine weitere Verdichtung und/oder Durchmesserreduktion in warmem Zustand durch
Warm bearbeitung, zweckmäßigerweise durch Strangpressen. In diesen Verfahrensschritt werden die gepreßten
und warmbehandelten Körper oder möglicherweise unverdichtete Pulver in Metallschichten
eingeschlossen, die evakuiert und verschlossen werden, wodurch das Material vor Oxydation bei der
Wärme geschützt wird. Auf diese Weise werden auch geeignete Stränge oder Blöcke für eine weitere
Warmbearbeitung und entsprechende Behandlungen erhalten. Nach Erwärmung des Blockes oder Stranges
auf eine Temperatur unterhalb 1200° C, gewöhnlich zwischen 1050 bis 1175° C, erfolgt die Warmbearbeitung,
vorzugsweise als Strangpressen, die normalerweise durch einen folgenden Walzvorgang oder
Schmiedevorgang vervollständigt wird. Auf diese Weise kann oft unmittelbar ein Endprodukt erhalten
werden. Ein gewisses Kaltbearbeiten durch Walzen, Ziehen usw.-das nicht wesentlich die Verformbarkeit
des Produktes ändert - kann in gewissen Fällen als Endschritt geeignet sein, ebenso wie andere Arten der
Behandlung und/oder der Warmbehandlung. Die Warmbearbeitung kann erleichtert werden, wenn die
Co-Matrix legiert ist, beispielsweise mit 1,5 bis 3,5% Ti.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung und/oder die
Bearbeitung des ursprünglichen Pulvers zu dem gewünschten Produkt, d. h. dem Schweißdraht, unter
solchen Bedingungen erfolgt, daß eine zufriedenstellende Dichte, Homogenität und Struktur in dem Material
erreicht werden kann.
Gleichzeitig erhält der Schweißdraht die gewünschte Verformbarkeit oder Flexibilität. Dies wird
erreicht mit Hilfe einer sehr feinen Verteilung des Pulvers, wie oft durch Mahlen bis herab zu einer mittleren
Korngröße zwischen 0,2 bis 20 μ, üblicherweise 0,3 bis 10 μ, und eine strenge Kontrolle der verwendeten
Prozeßbedingungen. Die Temperatur der Warmbearbeitung oder Warmverdichtung sollte somit innerhalb
eines verhältnismäßig beschränkten Bereiches erfolgen. Durch diese Maßnahme ist es möglich,
eine zufriedenstellende Warmbearbeitbarkeit und Dichte des Materials zu erhalten, ohne ein so hartes
gesintertes Produkt zu erhalten, daß seine Bearbeitbarkeit oder Verformbarkeit beeinträchtigt ist. Solch
ein Temperaturbereich liegt oft zwischen 1100 und 1150° C (die beeinträchtigte Bearbeitbarkeit wird im
wesentlichen bewirkt durch eine Diffusion von Legieruneselementen in die Matrix, wobei diese Elemente
in der Sigma-Phase oder in den Karbiden enthalten sind).
Wie früher bereits erwähnt, hat es sich oft als vorteilhaft erwiesen, die Zusammensetzung des ursprünglichen
Pulvers so einzustellen, daß so große Teile wie möglich oder der gesamte Teil der verformbaren
Matrix, d. h. üblicherweise Co, in der Mischung verteilt sind. Im letztgenannten Falle, können die harten
Bestandteile gemischte Karbide aus Cr und W
ίο sein, die kein Co enthalten. Solche Karbide haben
normalerweise eine Zusammensetzung von 0,05 bis 15%, vorzugsweise 1 bis 10% C, 75 bis 95%, vorzugsweise
80 bis 90% Cr, und 0,5 bis 20%, vorzugsweise 8 bis 16% W. Als Beispiel einer solchen leicht zerkleinerten
Karbidzusammensetzung kann erwähnt werden: 85 Cr - 12 W - 3 C.
Das folgende Beispiel beschreibt die Vorbereitung einer fortlaufenden Elektrode zum automatischen
Schweißen durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Elektrode bestand aus einem Material der »Stellit«-Art
mit einem Cr:W-Verhältnis von ungefähr 7:1 und einem Gehalt von Co oberhalb 65%.
Ein leicht zerkleinertes gemischtes Karbid aus Cr und W, ein sogenanntes 23-Karbid mit der Formel
2) (Cr, W)23C6, wurde durch Schmelzen der Metallkomponenten
zusammen mit Kohle in einem elektrisch beheizten Ofen vorbereitet. Das gemischte Karbid,
das eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur (FCC) mit einem Gitterparameter 10,70 A (Ang-
jo strom) aufwies, wurde zu einer mittleren Korngröße
von 0,5 bis 2 μ zerkleinert und mit der gewünschten Menge an Co-Pulver und Preßschmiermittel in Verbindung
mit dem erwähnten Mahlen gemischt. Nach Trocknung des Pulvers erfolgte eine Pressung von
Körpern in Form von Platten oder Zylindern mit einem Durchmesser von etwa 50 mm. Die Preßlinge
wurden dann warm behandelt bei 800° C in einer Schutzatmosphäre, worauf eine Anzahl von Körpern
in einem rohrförmigen Körper aus Stahl mit einer Wanddicke von etwa 3 mm eingeschlossen wurden.
Nach Evakuierung des Behälters von der eingeschlossenen Luft usw. wurde die äußere Schicht verschlossen
und abgedichtet. Der so erhaltene Strang oder Block wurde dann auf etwa 1100° C aufgeheizt und zu einer
Stange mit einem Durchmesser von etwa 3 mm stranggepreßt. Durch Warmwalzen, wobei der genannte
Block oder Strang auf eine Temperatur zwischen 1125 und 1150° C erhitzt wurde, erfolgte eine
weitere Bearbeitung des Materials auf die gewünschte Drahtdimension, d. h. auf einen Durchmesser von 5
mm. Der Draht wurde dann bei der Hartauftragsschweißung von Stahl in Form von automatischer
Schweißung geprüft und zeigte zufriedenstellende Dehnbarkeit und Flexibilität. Das Schweißen konnte
ohne Unterbrechungen erfolgen, und das Ergebnis zeigte eine gleichförmige und gut haftende Oberflächenschicht
aus einer harten Legierung, welche die charakteristische erstarrende Struktur der entsprechenden
gegossenen Legierung aufwies. Beim Schweißen erfolgt somit ein Schmelzen und eine vollständige
Mischung der Legierungselemente. Die erhaltene harte Auftragsschicht war gekennzeichnet
dnrch eine extrem feine Verteilung oder Dispersion von Cr- und W-Karbiden in einer Matrix aus Co.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung einer Schweißelektrode für die automatische Hartauftragsschweißung,
wobei das Elektrodenmaterial aus einer harten Legierung besteht, die 0,05 bis 5,0%
C, 5 bis 35% Cr, 0,5 bis 20% W und Rest im wesentlichen Co neben normalen Verunreinigungen
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere brüchige, leicht zerkleinerte,
aus Karbid und/oder Sigma-Phase bestehende Vorlegierungen vorbereitet werden, wobei diese
Vorlegierungen neben wesentlichen Gehalten an C und/oder Co die Gehalte an Cr und W der endgültigen
harten Legierung enthalten, daß die vorbereitete Vorlegierung durch Quetschen, Mahlen
oder einen ähnlichen Bearbeitungsvorgang in Pulver fein verteilt wird, worauf fehlende Gehalte an
C und/oder Co zugesetzt odor zugemischt werden, -?o
und daß anschließend das vorbereitete Pulver durch Behandlung oder Bearbeitung in kaltem
Zustand oder in heißem Zustand bei einer Temperatur unterhalb 1200° C zu einem verformbaren,
bearbeitbaren Produkt gepreßt oder verdichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen des Pulvers ein
Pressen oder Kaltverdichten zu einem Körper oder zu mehreren Körpern umfaßt, die bei einer
Temperatur zwischen 700° und 900° C in einer Schutzatmosphäre warm behandelt werden, worauf
dieser oder diese Körper in eine äußere Schicht aus Metall oder dergleichen eingeschlossen und
durch Strangpressen, Walzen oder dergleichen bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1175° warm
verdichtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung
aus Sigma-Phase besteht, die aus 45 bis 65% Cr, 0,5 bis 15% W und 20 bis 50% Co zusammengesetzt
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung
aus einem aus 1 bis 10% C, 80 bis 90% Cr und 8 bis 16% W enthaltenden, gemischten
Karbid besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leicht zerkleinerte Vorlegierung
aus Chromkarbid mit 85 bis 95% Cr und 5 bis 15% C besteht.
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