DE2607239B2

DE2607239B2 - Elektrode für die Auftragsschweißung

Info

Publication number: DE2607239B2
Application number: DE2607239A
Authority: DE
Inventors: Remus Adam Natrona Heights Lula; Donald James Export Mcmahon
Original assignee: Allegheny Ludlum Industries Inc
Current assignee: Allegheny Ludlum Steel Corp
Priority date: 1975-02-24
Filing date: 1976-02-23
Publication date: 1980-07-03
Also published as: GB1542292A; FR2301329A1; JPS51109257A; US4000373A; SE7602171L; DE2607239C3; DE2607239A1; CA1048614A

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für die Auftragsschweißung mit einem Aufbau aus mindestens zwei Schichten, wobei wenigstens eine aus einem nicht-rostenden austenitischen Stahl bestehende Schicht und wenigstens eine weitere Schicht vorgesehen sind. Eine derartige Kompositelckfrodc is( bereits aus der DE-AS 1758989 bekannt. Diese bekannte Schweißelektrode besteht aus einem Kernstab aus nicht-rostcndem austenitischen Stahl und einer aus Pulver aufgebauten Umhüllung mit Chrom, Nickel und Eisen.

Wie bekannt, wird die Auftragsschweißung häufig dazu verwendet, um einen metallischen Grundwerkstoff mit einem Metall, beispielsweise einem nicht-rostenden Stahl, zu überziehen. Bei fortschrittlichen Auftragsschweißungsverfahren werden anstelle von früher üblichen Elektroden in Stangen- oder Drahtform nunmehr Schweißelektroden verwendet, die die Gestalt von Streifen oder Bändern besitzen, da sich mit solchen Streifenelektroden die Metalloberflächen leichter vollständig beschichten lassen. Streifenelektroden gestatten nämlich einen höheren Metallauftrag, da der größere Querschnittsbereich dieser Streifenelektroden das Arbeiten mit vergleichsweise größeren Strömen gestattet

Werden austenitische, nicht-rostende Stähle auf einen metallischen Grundwerkstoff durch Auftragsschweißung aufgetragen, so kommt es häufig zu Warmrissen in der aufgebrachten austenitischen Stahlschicht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für die Auftragsschweißung der aus der DE-AS 1758 989 bekannten Gattung so auszubilden, daß der aufgebrachte, nicht-rostende Stahlwerkstoff keine Neigung zur Warmrissigkeit zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des neuen Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß nunmehr austenitische, nicht-rostende Stahlschichten durch Auftragsschweißen aufgebracht werden können, die keine Warmrissigkeit zeigen. Dieses liegt in erster Linie daran, daß der mit HiUe der erfindungsgemäßen Schweißelektrode aufgetragene Stahl wenigstens 2 Gew.-% ό-Ferrit enthält. Untersuchungen haben ergeben, daß ein kleiner Anteil an Ö-Ferrit im Gefüge enthaltender rostfreier Stahl weit weniger rißanfällig ist als ein austenitischer rostfreier Stahl ohne derartige o-Ferrit^ehalte. Ein austenitischer, nichtrostender Stahl mit darin enthaltener gesonderter δ -Ferritphase ist jedoch so schwer warmzuverformen, daß die Herstellung von Elektroden aus einem solchen Werkstoff äußerst kostenintensiv ist. Die Schwierigkeiten bei der Warmverformung von nicht-rostendem Stahl mit d-Ferritgehalten nehmen mit steigenden Gehalten an O-Ferrit so lange zu, bis der Ferrit eine kontinuierliche Phase bildet.

Die etfindungsgemäße Elektrode läßt sich leicht auf herkömmliche Weise herstellen, zeichnet sich jedoch dadurch aus, daß mit ihrer Hilfe durch Auftragsschweißen ein metallischer Überzug aus einem austenitischen, nicht-rostenden Stahl erzeugt wird, welcher 2 bis 35 Gew.-% einer darin enthaltenen gesonderten ό-Ferritphase aufweist. Die erfindungsgempße Elektrode ist als eine Vielzahl von Schichten umfassende Kompositelektrode aufgebaut, wobei ein besonderer Vorteil darin zu sehen ist, daß jede der Schichten sich leicht warmverformen läßt. Die einzelnen Schichten sind so gewählt, daß sie eine Insgesamt-Zusammensetzung aufweisen, welche im aufgetragenen und erstarrten Schweißgut zu einer Legierung führt, die ein austenitisches Gefüge besitzt und 2 bis 35 Gew.-% einef gcsöndefteri <5-Ferrifphase aufweist. Bei diesen Schichten kann es sich um Schichte-i aus austenitischem, nicht-rostendem Stahl, um ferritischen, nichtrostenden Stahl, um warmverformbare Duplexgefügc oder um reine Metalle, wie Chrom, handeln. Die Zusammensetzung, die sich daraus ergibt, daß alle Schichten schmelzen und wieder erstarren, enthält wenigstens 2 Gew.-% n-Ferrit.

Im Rnhmcn der Erfindung sind unter der Bezeich-

nung »Schichten« oder »Schichtungen« sowohl ebene Schichten eines Mehrfachkomponentenstreifens als auch konzentrische Schichten eines Mehrtachkoroponeniendrahtes oder -Stabes zu verstehen, Demzufolge wird im Rahmen der Erfindung auch der Kern einer einen runden Querschnitt besitzenden Elektrode als Schicht bezeichnet, obgleich man eine solche Schicht auch als Kern bezeichnen könnte.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann jegliche Anzahl von Schichten aufweisen. Besitzen die die Streifenelektrode nach der Erfindung bildenden Schichten die Gestalt eines ebenen Streifens oder Bandes, so können sie durch Walzen, durch Explosivbindung oder auch dadurch aneinandergebunden werden, daß Kompositblöcke abgegossen und nachfolgend ausgewalzt werden. Darüber hinaus können alle Arbeitsweisen verwendet werden, die zum Verbinden zweier Metallstücke miteinander bekannt sind. Ebene oder flache Streifenelektroden können auch dadurch hergesteiif werden, daß ein Metall auf das andere plattiert wird. Vorzugsweise werden wenigstens drei Schichten verwendet, um sicherzustellen, daß die erfindungsgemäße Streifenelektrode zu einer homogenen Flüssigkeit schmilzt und um Schwierigkeiten, wie die Kräuselbildung, zu verhindern, falls die unterschiedlichen Metalle unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten oder unterschiedliche Walzeigenschaften besitzen. Wird eine Elektrode mit kreisförmigem Querschnitt benutzt, so ist bevorzugt, daß die äußeren Schichten durch Plattieren aufgebracht sind, v.ennglüch andere Verfahren zur Herstellung konzentrischer Schichten verwendet werden können, wozu das Verstäuben. die Abscheidung aus der Dampfphase oder die Abscheidur ; aus der Gasphase genannt seien. Gegebenenfalls kann die laminierte kreisförmige Elektrode dann auf die angestrebte Endabmessung gezogen werden.

Die Zusammensetzung des fertigen durch Auftragschweißung erzeugten Metallüberzuges hängt ab sowohl von der Zusammensetzung der Schichten als auch von deren jeweiligen Dicken. Unter Berücksichtigung der Faktoren können die Zusammensetzungen des fertigen Auftragsmaterials leicht berechnet werden.

Wie bereits erwähnt, besteht wenigstens eine der Schichten der erfindungsgemäßen Elektrode aus austenitischen nicht-rostenden Stahl und diese Schicht soll im folgenden stets als »erste Schicht« bezeichnet werden. Als Werkstoff für diese erste Schicht können bekannte nichtrostende Stähle, wie solche gemäß den Typenreihen 304 L, 308 L, 309 L oder 316 L des American Iron and Steel Institute (AISI) verwendet weiden. Wenngleich diese nichtrostenden Stähle in der Regel austenitisch sind, muß ihre Auswahl dahingehend erfolgen, daß einige wenige Zusammensetzungen innerhalb ihrer breiten Gehaltsgrenzen vermieden werden, welche bei hohen Temperaturen δ -Ferrit bilden und dann schwer warmzuverformen sind. Es wird angenommen, daß sogar geringe Mengen an Λ-Ferrit in austenitischen nichtrostenden Stählen dazu führen, daß diese Stähle schwer warmzuverformen sind, da sich die weichere und diskontinuierliche ό-Ferritphase unter Ausbildung von Rissen trennt. Liegt die Λ-Ferritphase jedoch in großen Mengen von etwa 50 Gevv.-% vor, so ist die ή-Ferritphase entweder kontinuierlich oder sehr nahe am kontinuierlichen Zustand, wodurch das Duplexlegierungsgefüge leicht in der Wärme verformbar ist.

Ein Duplexgefüge mit etwa 2 bis 35 Gew,-% δ-Ferrit ist für die Auftragsschweißung am günstigsten, aber ein solches Duplexgefüge ist am schwierigsten warmsuverfonnen. Enthalten demzufolge die Schichten der erfindungsgemäß aufgebauten Elektrode eine Schicht aus einem leicht walzbaren austenitischen nichtrostenden Stahl und eine Schicht aus leicht walzbarem δ-Ferrit, oder Duplexstahl mit großen Gehalten an δ -Ferrit, oder reinem Chrom, so wird

to das abgeschmolzene und erstarrte Schmelzgut oder Auftragsmaterial ein austenitischer nichtrostender Stahl sein, in welchem eine diskontinuierliche δ-Ferritphase enthalten ist.

Die in einer gegebenen Zusammensetzung vorliegende Menge an δ-Ferrit kann leicht anhand der Literatur bestimmt werden. So beinhaltet beispielsweise das Schaefflerdiagramm (enthalten im Aufsatz »Ferrite In Austenitic Stainless Steel Weld Metal« veröffentlich in »Welding Research Supplement« to the

μ Welding Journal, Juli 1974, Seiten 273 bis 296) genügend Informationen, um dem Fachmann das Bestimmen der in einer gegebenen Zusammensetzung enthaltenen Menge an δ-Ferrit zu ermöglichen. Ist somit eine bekannte Menge an austenitischem nichtrostenden Stahl in den ersten Schichten oder im Kern eines Drahtes vorgesehen und ist die Menge an Λ-Ferrit bekannt, die für den mit Hilfe des Auftragsschweißens erzeugten Metallüberzug erforderlich ist, so können Veröffentlichungen wie das erwähnte Schaefflerdia-

iii gramm oder vergleichbare Quellen benutzt werden, um die Zusammensetzung zu bestimmen, die für die Legierung in der zweiten Schicht erforderlich ist. Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf zwei Metalle oder Legierungen beschränkt ist und es

ι "> sei ferner darauf hingewiesen, daß ggf. auch Schichten aus Flußmitteln oder dergleichen verwendet werden können.

So ist dem Schaefflerdiagramm beispielsweise zu entnehmen, daß die folgende Legierung etwa 15

4Ii Gew.-% ö-Ferrit enthält.

C	N	Si	Mn	Cr	Ni	Fe und Verun reinigungen
0,015 ⁴¹ max.	0,03	0,2	1,50	22,6	10,40	Rest

Die vorstehend genannte Zusammensetzung würde derart schlechte Warmwalzeigenschaften besitzen, daß es äußerst und schwierig und dementsprechend auch äußerst teuer wäre, sie zu einem dünnen Bandmaterial zu verarbeiten, welches als Elektrode für das Auftragsschweißen oder als Schweißdraht geeignet wäre. Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Legierung dadurch hergestellt, daß eine Kompositelektrode mit ersten Schichtungen aus einem nichtrostenden Stahl gemäß AISl 304 verwendet wird, der die folgende Zusammensetzung besitzt.

C hl)	S	N	Si	Mn	Cr	S	Ni	Fe und Verun reinigungen
0,01		η οι	0?	I S	IS		10,0	Rest
max

Die zweiten Schichten sollten aus einer Legierung bestehen, die sehr große Mengen an Ferrit, und zwar einem leicht warmverformbaren, enthält. Eine derartige Legierung enthält 34 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Nickel, 0,7 Gew.-% Mangan, Rest Eisen und

Verunreinigungen. Es läßt sich leicht berechnen, daß eine Kompositelektrode, in welcher ein nichtrostender Stahl gemäß AISI304 70% der Dicke einnimmt und die ferrithaltige Legierung 30% der Dicke beansprucht, zu dem oben aufgeführten angestrebten ferrithaltigen Auftragsmetall führt. Vorzugsweise ist die Elektrode aus drei Schichten aufgebaut, wobei zwei Schichten aus dem nichtrostenden Stahl gemäß AISI 304 besteh im. Jede der Schichten aus nichtrostendem Stahl nimmt 35% der Gesamtdicke der Elektrode ein und sandwichartig zwischen diesen Schichten ist eine Schicht aus der ferrithaltigen Legierung angeordnet, welche 30% der Elektroden-Gesamtdicke beansprucht. Eine derartige Elektrode kann dadurch hergestellt werden, daß die Komponenten durch Kaltwalzen miteinander verbunden werden, woran sich eine Diffusionsglühung zur Verbesserung der Bindungsintensität anschließt. Andererseits können auch die Enden des aus drei übereinandergelegten Schichten bestehenden Stapels miteinander verschweißt werden, worauf der Dreischichtstape! in der Wärme ausgewalzt wird, um seine Dicke so widt zu vermindern, daß anschließend in der Kälte auf die angestrebte Endabmessung ausgewalzt werden kann.

Die Zusammensetzung des fertiggestellten Auftragmetalls, die, wie bereits erwähnt, etwa 15 Gew.- % (5-Ferrit enthält, kann auch dadurch erzielt werden, daß von einem nichtrostenden Stahl gemäß AISI 310 ausgegangen wird. Ein solcher Stahl hat die folgende Zusammensetzung.

C	N	Si	Mn	Cr	Ni	Fe und Verun reinigungen
0,2 max.	0,03 max.	0,2	1,5	25	20	Rest

Um eine Zusammensetzung des Auftragsmetalls, wie oben genannt, zu erzielen, wird eine Kompositlegierung, die zu 50% ihrer Dicke aus einem rostfreien Stahl gemäß AISI 310 und zu 50% aus einer zweiten Legierung mit folgender Zusammensetzung besteht, hergestellt, wodurch die angestrebte Zusammensetzung erreicht wird.

	N	Si	Mn	6	Ni	Fe und Verun reinigungen
C	0,03 max.	0,2	1,5	Cr	0,25 max.	Rest
0,01 ₅ max.			20,0

Die Elektrode kann rund oder flach sein und als Zweischichtenelektrode oder mit so viel Schichten wie angestrebt, ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch eine

ι ο flache oder ebene Elektrode mit drei Schichten, wobei zwei Schichten jeweils 25% der Elektrodendicke einnehmen und eine mittlere Schicht vorgesehen ist, die 50% der Elektrodendicke einnimmt. Für die Außenschichten kann entweder der Werkstoff gemäß AISI 310 oder die zweite Legierung verwendet werden. Auch diese Elektrode kann dadurch hergestellt werden, daß die drei Komponenten durch Kaltwalzen miteinander verbunden werden, oder daß die drei Schichten sandwichartig aufeinander angeordnet und dann mit ihren Vorderenden untereinander verschweißt werden, worauf ein Vförmwalzen und ein abschließendes Kaltwalzen auf die ündabmessung folgen. Eine besondere Stärke der Bindungen zwischen den einzelnen Schichten ist nicht erforderlich solange nur sichergestellt ist, daß die Bindung den Beanspruchungen gewachsen ist, die bei Verwendung der Elektrode als Schweißelektrode auftreten. Es muß jedoch ein ausreichender elektrischer Kontakt zwischen den Schichten gewährleistet sein.

ίο Ein 15% δ-Ferrit enthaltendes Schweißgut kann aus einem Schweißdraht hergestellt werden, der aus einer 19 Gew.-% Chrom und 10,88 Gew.-% Nickel enthaltenden Eisenlegierung hergestellt ist, wobei unterstrichen sei, daß die genannte Legierung leicht

jj warmzuverformen ist. Diese Legierung wird zu einem Draht mit einem Durchmesser von 1,48 mm ausgezogen und unter Anwendung herkömmlicher Arbeitsweisen mit Chrom plattiert, wobei eine Chromschicht mit einer Dicke von etwa 0,015 mm auf den als Kern dienenden Draht erzeugt wird. Schmilzt die Elektrode ab und erstarrt das abgeschmolzene Gut anschließend, so wird ein metallischer Überzug oder eine Auftragsschweißung erzeugt, die etwa 15% ö-Ferrit enthält.

Claims

Patentansprüche;

1. Elektrode für die Auftragsschweißung mit einem Aufbau aus mindestens zwei Schichten, wobei wenigstens eine aus einem nicht-rostenden austenitischen Stahl bestehende Schicht und wenigstens eine weitere Schicht vorgesehen sind, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schichtungen derart gewählt sind, daß im von der Elektrode abgeschmolzenen und wieder erstarrten Metall wenigstens 2 Gew.-% δ-Ferrit enthalten sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wieder erstarrte Metall wenigstens 5 Gew.-% ö-Ferrit enthält

3. Elektrode nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sie die Gestalt eines flachen Streifens besitzt.

4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine runde Querschnittsgestalt besitzt

5. Elektrode, nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht aus einer Eisenlegierung besteht, welche zu wenigstens 50 Gew.-% aus ö-Ferrit besteht.

6. Elektrode nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht aus Chrom besteht.

7. Elektrode nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode die Gestalt eines flachen Streifens besitzt und aus drei Schichten aufgebaut ist, wobei die äußeren Schichten aus derselben Legierung bestehen.

8. Elektrode nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als austenitischer nicht-rostender Stahl ein Werkstoff gemäß AISI304 verwendet wird und daß die weitere Schicht 12% Nickel, 34% Chrom, 0,7% Mangan, Rest Eisen und Verunreinigungen enthält.

9. Elektrode nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als austetnitische Legierung ein rostfreier Stahl gemäß AISI 310 verwendet wird, und daß die weitere Schicht 20% Chrom, 1,5% Mangan, max. 0,25% Nickel, Rest Eisen und Verunreinigungen, enthält.