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Kupfer-Mangan-Schweißzusatzwerkstoff zum
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Lichtbogenschweißen
Insbesondere für die ScißunW
von Cu oler Cu-Legierungen wurden bereits früher als Schweirjzusatzwelkstoffe Cu-Mn-Legierungen
mit bis zu 10/ovo Mn verwendet, die zusätzlich Al und Si enthalten konnten. In DT-PS
l.o243l3 ist auch bereits eine Hinaufsetzung des Mn-Gehaltes von Cu-Mn-Schweißzusätzen
auf bis zu 55% vorgeschlagen worden, wobei jedoch jene Nachteile, die man bei einer
Hinaufsetzung des Mn-Gehaltes befürchtet hatte, nicht durch zusätzliche Maßnahmen
ausgeschaltet wurden, sondern die erwähnte Befürchtung zum Vorurteil erklärt wurde.
Tatsächlich läßt jedoch insbesondere die Warmfestigkeit eines bekannten Schweißzusatzes
etwa mit der Zusammensetzung 30 Mn, 5% Al, 0,1% Si, Rest Cu, zu wünschen übrig,
was sich bei dem hohen Ausdehnungskoeffizienten der Cu-Mn Legierung in unzulässiger
Schrumpfrißbildung äußert. Die gebildeten Überzüge und Schweißnähte sind für viele
Zwecke auch zu großkörnig.
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Insbesondere wenn es darum geht, durch Auftragschweißung auf kochfesten
Stählen verschleißfeste Oberflächen (beispielsweise von Schienenweichen im Eisenbahnwesen)
herzustellen, sind die bekannten Legierungen daher den heutigen Anforderungen nicht
gewachsen.
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Eine erfindungsgemäße Legierung ist dem gegenüber gekennzeichnet durch
Gehalte (in Gew.%) von 8,0-38,0, vorzugsweise 14,0 -38,0% Mn, 0,1 - 1.0% Si, 6,0
bis 24,0,vorzugsweise 6,0 - 18,0 XNi, 0.5 - 5.0% Fe, Rest im wesentlichen Cu, wobei
Ni bis zu 5% durch Co, Fe teilweise durch Cr, Al, Mo, Nb, Wo, und Si ganz oder teilweise
durch Ti, Li, Be ersetzt sein kann.
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Die Verwendung von Ni hat hier insbesondere den Vorteil einer Verbesserung
der Warmfestigkeit und des Schrumpfverhaltens, welche die Verwendung der angestrebten
hohen Mn-Gehalte, welche insbesondere die Korrosionsbeständigkeit der Legierung
garantieren, erst verantworten läßt. In Hinblick auf seinen im Vergleich zu Mn hohen
Preis wird man Ni im Rahmen der erfindungsgemäßen Legierungen natürlich möglichst
sparsam einsetzen, doch soll bei MN-Gehalten über 30% das Verhältnis Ni zu Mn nicht
unter 1:4 sinken.
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Die gesxnschte Gefügeausbildung und Feinkörnigkeit, insbesondere bei
Anwendungen, in denen gute Gleiteigenschaften und Verschleißschutz gefordert sind,
erhalten die erfindungsgemäßen Legierungen insbesondere durch den vorgesehenen Fe-Zusatz,
der nach oben hin vor allem durch die Forderung begrenzt ist, daß die neuen Legierungen
ohne zu große Schwierigkeiten zu Drähten oder Bändern verarbeitet werden können
sollen. Al, Mo, Nb, und Wo sind in Hinblick auf die Warmfestigkeit Fe und Cr gleichzusetzen
und erhöhen die Härte und Verschleißfestigkeit des Schweißgutes. Zusammensetzungen,
die sich in der praktischen Erprobung besonders bewährt haben, sind bei hohem Mn-Gehalt
34.0 - 38.0% Mn, 6.0 - 10.03' Ni, 0.5 - 1.5% Fe, 0.1 - 0.5% Cr, 0.1 - 0.3% Si, bei
niederem Mn-Gehalt 14.0 - 18.0% Mn, 14.0 - 18.0 Ni, 2.0 - 3.0% Fe, 1.0 - 2.0% Al
und 0.2 - 0.4% (Si + Ti).
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Der Schmelzpunkt von rund 900°C bei etwa 35% Mn ist gegenüber Ni-Legierungen
mit rund 14000C besonders günstig und kann schweißtechnisch genützt werden. Infolge
der guten Verformbarkeit des entwickelten Schweißzusatzwerkstoffes konnte der Legierungsgehalt
an Si gegenüber den gebräuchlichen Werkstoffen erheblich erhöht werden, wodurch
ein dünnflüssiges Schmelzbad und eine verläßliche Desoxidation ohne Porenbildung
erreicht wird. Ähnliche Einflüsse auf den Schmelz-und Fließvorgang, wie durch Si,
werden durch Zusätze von Ti, Li und Be beobachtet, die neben oder anstelle von Si
verwendet werden können.
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Die Cu-Mn-Legierung in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist nach
dem WIG- und MIG-Verfahren sowie als Mantelelektrode fehlerfrei verschweißbar bei
Kupfer-, Nickel- und Eisenlegierungen.
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Eine vorteilhafte Anwendung wurde gefunden beim Schweißan von Eisengußwerkstoffen.
Infolge des niedrigen Schmelzpunktes der Cu-Mn-Legierung und der geringen Dehnungs-
und Schrumpfwerte konnten beim Schweißen von Grauguß und Sphäroguß bessere Ergebnisse
erzielt werden als mit den üblichen Ni-Schweißzusatzwerkstoffen. Die beim Schweißen
von Eisengußwerkstoffen mit den bisher bekannten Elektroden auf Nickelbasis beobachteten
Fehler, wie die Neigung zu Spannungsrissen im Grundwerkstoff und das Aufschwemmen
von harten
Eisenlegierungen, treten mit den neuen Cu-4n-Schweißzusatzwerkstoffen
wesentlich seltener auf.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Legierungen liegt darin, daß
sie dazu verwendet werden können, Schweißverbindungen und Auftragschweißungen herzustellen,
welche als Legierungen auf Cu-Basis hohe Gehalte an Mn, Ni und Al aufweisen. Die
Vorteile solcher Legierungen sind an sich durchaus bekannt, doch ist es praktisch
nicht möglich, aus einer solchen Legierung einen Schweißzusatzwerkstoff herzustellen,
da die Verformung zu einem Draht außergewöhnlich kostspielig wäre. Das für die erfindungsgemäßen
Schweißzusatzwerkstoffe festgestellte hohe Legierungsvermögen und deren hohe Legiergeschwindigkeit
ermöglichen es nunmehr, eine Cu-Mn-Legierung sogar mit höheren Al- und Ni-Gehalten
als sie bisher mit hohem Mn-Gehalt vereinbart waren, in der Weise herzustellen,
daß der Schweißzusatzwerkstoff mit einem an sich bekannten Cu-Al-Schweißzusatzwerkstoff
mit 5.0 - 14.0% Al im elektrischen Schweißlichtbogen zusammengeschmolzen wird.
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Die erfindungsgemäße Cu-Mn-Legierung wird vorzugsweise mit einem bekannten
Aluminiumbronzezusatzwerkstoff im Lichtbogen mittels einer Auftragschweißmethode
zusammengeschmolzen, wobei nur mit dem Cu-A1 -Schweißzusatzwerkstoff der Schweißlichtbogen
gezogen wird und der zweite Zusatzwerkstoff im Schmelzbad zugeführt wird, ohne selbst
einen Lichtbogen zu erzeugen.
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Überraschenderweise entsteht eine gleichmäßig zusammengesetzte neue
Metallegierung durch Verschmelzen des Cu-Mn-und Cu-Al-Schweißzusatzwerkstoffes.
Die Werkstoffumwandlung geht über die Grenzen der bekannten Auflegierung von einzelnen
Elementen vor sich und erfolgt ohne Zuhilfenahme von Schmelz- und Reinigungshilfen
in der kurzen Zeit des elektrischen Schweißlichtbogens.
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Geeignete Schweißverfahren für das Zusammenschmelzen der beiden Legierungen
sind das WIG- und MIG-Zweidrahtschutzgasschweißverfahren sowie das Plasmaschweißen.
Beide Legierungen können auch in Form von Bändern nach der Bandschweißmethode verarbeitet
werden.
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Durch Veränderung des Mischungsverhältnisses und der Drahtlegierungen
gelingt es, im Zweidrahtschweißverfahren höher legierte Werkstoffe im Schweißgut
wirtschaftlich zu erzeugen, die bisher nach dem Eindrahtschweißverfahren nicht zu
erreichen war. Die Werkstoffe auf Al-, Mn- und Ni-Basis besitzen eine hohe statische
Festigkeit, Verschleißfestigkeit und ein ausgezeichnetes Korrosionsverhalten in
der Größenordnung von nichtrostendem Stahl. Sie zeichnen sich durch Hitzebeständigkeit
sowie hohen Widerstand gegenüber schnell bewegten Flüssigkeiten aus und sind gegen
Kavitationserscheinungen unempfindlich. Diese Werkstoffe sind daher vorzüglich geeignet
für Turbinengehäuse, Pumpenlaufräder, Schiffspropeller, Druckplatten und Kupplungsscheiben
bei Walzwerken, Ventile von chemischen Apparaten und für Gleitelemente im Schwermaschinenbau.
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Anschließend wird die Erfindung anhand einiger Beispiele erläutert.
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Beispiel 1 Es wurde ein Schweißzusatzwerkstoff mit der Zusammensetzung
54.6% Cu, 36.0% Mn, 8.0%Ni, 1.0% Fe, 0.2% Cr. 0.2% Si hergestellt und in Schweißversuchen
erprobt. Es zeigte sich, daß trotz der beim Lichtbogenschweißen kurzen Abkühlungszeit
die bei bekannten Legierungen auftretenden Warmschrumpfrisse vermieden werden konnten.
Dies dürfte mit den guten mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes zusammenhängen,
der eine Zugfestigkeit von 530 N/mm2 und 25% Dehnung aufwies.
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Beispiel 2 Mittels des MIG-Zweidrahtschweißverfahrensoder anderer
Lichtbogenschweißverfahren gelang es, die Schweißzusatzwerkstoffe Cu-Mn 36 und Cu-Mn
15 mit Cu-Al 10 zu Schweißgutlegierungen zusammenzuschmelzen. Der Eisengehalt wird
durch Aufmischung mit dem Stahl-Grundwerkstoff erhöht.
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Legierung Cu Mn Ni Al Fe Div. Anteil Cu - Al10 87.5 - - 10.0 2.0 0.5
67,6 Cu-Mn36 54.5 36.0 8.0 - 1.0 0.5 33; Schweißgut 74.5 12.0 3.0 7.0 3.0 0.5 100%
Die im Schweißgut hergestellte Mn-Al-Kupferlegierung entspricht dem Schweißzusatzwerkstoff
nach British Standard 2901, C22, für höchste Verschleiß- und Stoßbelastungen, deren
Herstellung in Drahtform außergewöhnlich kostspliig ist.
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Beispiel 3 Ebenfalls im Lichtbogen wurden eine Legierung Cu-Al10 und
eine Legierung Cu-Mn 15 zusammengeschmolzen, wobei das untenstehende Ergebnis bei
der Plattierung auf Stahl festgestellt wurde.
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Legierung Cu Mn Ni Al Fe Div. Anteil Cu-Al10 87.5 - - 10.0 2.0 0.5
67% Cu-Mn15 64.5 c 15.0 15.0 3.0 2.0 0.5 33% Schweißgut 76.5 5.0 5.0 8.0 5.0 0.5
100% Die oben genannte Legierung konnte bisher durch Schweißen nicht hergestellt
werden. Sie entspricht bewährten Gußwerkstoffen mit höchster chemischer Beständigkeit
bei gleichzeitiger Gluhbeanspruchung.
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Die aufgeschweißte Schicht zeigte bei hoher Warmfestigkeit und Zähigkeit
eine Härte von 230 bis 280 HB.
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Beispiel 4 Im Zweidrahtschweißverfahren gelingt das Zusammenschmelzen
von Kupfermangan- und Kupferaluminiumlegierungen mit Schweißzusatzwerkstoff dessen
Mn- und Ni-Gehalt außerhalb der für den gesondert aufzutragenden Zusatzwerkstoff
bevorzugten Grenzen liegt.
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Legierung Cu Mn Ni Al Fe Div. Anteil CuAl 12 83,5 - - 12 4 0,5 67%
CuMn8 71,5 8 20 - - 0,5 33% Schweißgut 79,0 2,5 6,5 8,5 3 0,5 100% Die im Schweißgut
hergestellte Mn-Ni-Legierung ist im Schiffbau für höchste Korrosionsbeanspruchungen
bekannt und war bisher nicht durch Auftragschweißen herzustellen.
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Auch wenn es sich am günstigsten erwiesen hat, bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Werkstoffe im Zweidrahtverfahren den Lichtbogen nur vom Cu-Al-Zusatzwerkstoff
zu ziehen, so ist es doch ohne weiteres möglich, stattdessen den erfindungsgemäßen
Werkstoff oder beide Werkstoffe stromführend zu machen.
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Wesentlich ist immer nur, daß beide Werkstoffe im selben Schmelzbad
abgeschmolzen werden. Auch die Zuführung der Werkstoffe in Drahtform ist zwar vorteilhaft,
doch sind auch andere Ausführungsformen, wie sie in der Schweißtechnik üblich sind
(Stab-,Band-, Rohr und Kornform), anwendbar.