DE2754437A1

DE2754437A1 - Herstellung von schweisstaeben

Info

Publication number: DE2754437A1
Application number: DE19772754437
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Brandis; Wolfgang Dr Rer Nat Spyra
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1977-12-07
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1979-07-26

Description

Herstellung von Schweißstäben
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Schweißstäben zur mikroporenfreien Panzerung von Zerspanungs-, Umform-, Stanz- und Preßwerkzeugen für Kalt- und Warmarbeit mindestens an deren auf besonderen Verschleiß beanspruchten Stellen.
Es ist bereits bekannt, Verschleißteile an besonders beanspruchten Stellen durch Aufschweißungen zu panzern. Hierfür kommen üblicher weise naturharte, hochverschleißfeste Uartlegier Ni-Cr-B-Si- und Fe-Cr-C-Basis in Form gegossener Stäbe als Schweißelektroden zum Einsatz. Beispielsweise sind moderne Dampfarmaturen ohne Co-Cr-W-C-, eine maschinelle iiohlglasproduktion ohne Ni-Cr-B-Si-, eine neuzeitliche Ziegelherstellung ohne Fe-Cr-C-Legierungen undenkbar. Die Kobalt- und Nickel-}!artlegierungen sind jedoch in den Legierungskosten sehr aufwendig. Nickel-Hartlegierungen sind zudem empfindlich gegen Stoßbeanspruchung. Historisch gesehen wurden die Kobalt-Hart legierungen als Schneidwerkstoffe von den Sinterhartmetallen abgelöst. Die hochgekohlten Eisen-liartlegierungen mit Chromgehalten zwischen 9 und 35 ß weisen großen Widerstand gegen Mineralverschleiß auf, sind aber bei Hockwellhärten über 60 HRc sehr spröde und besitzen bei Gebrauchstemperaturen um 5000C keine überragende Warmfestigkeit.
Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, Schweißstäbe zum Aufpanzern auf verschleißbeanspruchten Stellen von Zerspanungs-, Preß-, Stanz- und Umformwerkzeugen zu schaffen, die einfach und preiswert in der Herstellung sind, insbesondere ohne Beschränkung ihres Legierungsgehaltes ein Ausbringen von über 80 % erreichen, wenig teure Legierungselemente im Gegensatz zu den Kobalt- und Nickel-IIartlegierungen enthalten, eine umständlictle und schwierige Wärmebehandlung nach dem Schweißen überflüssig machen und ein mikroporenfreies Schweißgut mit Härten zwischen 60 und 70 HRc bei ausreichender Zähigkeit ergeben. Insbesondere hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, bekannte Schnellarbeitsstähle, die nach AISI-Werkstoffnormen sowie Stahl-Eisen-Werkstoffblatt in folgendem Bereich liegen: 0,5 bis 3,o % C 0 bis 12,o % Co 3 bis 5,o X Cr o,5 bis 12,o % Mo 1 bis lo,o % V 1 bis l9,o % W Rest Fe durch Abwandlung der Legierungszusammensetzung und durch Verbesserung der bisherigen Herstellungsart von Schweißstäben für Aufpanzerungszwecke geeignet zu machen.
Schnellarbeitsstähle zeichnen sich durch hohe Anlaßbeständigkeit und Warmhärte sowie durch großen Verschleißwiderstand aus. Der Chromgehalt der Schnellarbeitsstähle liegt im Mittel bei 4 X. Dieser Chromgehalt in Verbindung mit Kohlenstoff gewährleistet in einem ferritfreien, restaustenitarmen, martensitischen Gefüge genügende Härte und Zähigkeit. Die Warmhärte wird gesteigert durch Sekundärausscheidung von Sonderkarbiden der Elemente Molybdän, Wolfram und Vanadin. Der Kohlenstoffgehalt der Schnellarbeitsstähle wird auf die Gehalte der Primär- und Sekundärkarbide bildenden Legierungselemente abgestimmt.
Die Auftragsschweißung von Schnellarbeitsstahl üblicher Zusammensetzung hat in den letzten Jahren insbesondere für die Reparatur beschädigter oder abgenutzter Werkzeuge an Bedeutung gewonnen. Die Herstellung von Schweißstäben aus Schnellarbeitsstahl geschieht zur Zeit derart, daß das Material nach Erschmelzung im Lichtbogenofen durch Schmieden, Warmwalzen und Ziehen zu Draht verarbeitet wird. Das Ausbringen nach der konventionellen Verarbeitung nimmt stark ab mit zunehmendem Legierungsgehalt der Schnellarbeitsstähle.
Wesentliche Ursache ist der steigende Karbidanteil im Gefüge. Daher weisen angelassene Schnellarbeitsstähle nicht nennenswert mehr als 30 Vol.-% Karbid auf. Der Legierungsgehalt ist beschränkt durch die Warmverfonnbarkeit. Problematisch ist die Erzielung eines seigerungsfreien, homogenen Gefüges beim Auftragsschweißen von Panzerungsschichten aus Schnellarbeitsstahl, weil sich die Karbidteilchen leicht entmischen. Schwierigkeiten bereitet des weiteren die Gefahr von Rißbildungen bei Abkühlung des Schweißgutes und das Auftreten von Poren. Vor Beginn der Schweißung wird der Grundkörper auf etwa 550 bis 6000C vorgewärmt. Nach beendeter Schweißung sind die Werkzeuge weich zu glühen. Härtung und Anlassen erfolgen bei den der Zusammensetzung des Schweißgutes entsprechenden Temperaturen. Als besondere Art der Auftragsschweißung hat sich das Stufenhärtungsschweißen bewährt. Es beruht darauf, daß die Auftragsschweißung an dem vorher auf Härtetemperatur erwärmten Werkzeug nach Abkühlen in einem Temperaturbereich von 500 bis 5500C vorgenommen wird, in dem bekanntlich das austenitische Gefüge sehr stabil ist, wodurch geringste Gefahr der Rißbildung besteht. Nach Durchführung der Auftragsschweißung kann durch Abkühlen in warmem d1 oder trokkener Druckluft gehärtet werden. Das Anlassen muß sofort anschließend daran in üblicher Weise erfolgen.
Nach einem anderen Verfahren wird bei der Herstellung von Lichtbogen-Schweißelektroden ein unlegierter oder niedriglegierter Kerndraht verwendet und die Legierungselemente werden über das Ummantelungsmaterial eingebracht. Die Legierungshomogenität des Schweißgutes dürfte jedoch derjenigen unterlegen sein, die bei Einsatz fertiglegierter Kerndrähte zu erzielen ist.
Das Standzeitverhalten von auftragsgeschweißten Zerspanungswerkzeugen, die in der bekannten Weise gefertigt sind, ist dem von Werkzeugen aus Schmiedematerial in der Regel stark unterlegen. Als Ursache wird gewöhnlich die Gußstruktur angesehen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe und zur Vermeidung der vorstehend genannten Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, aus einer Stahlschmelze bestehend aus: 0,5 bis 3,o % C 0 bis 0,2 Z u 0,05 bis 2,0 % B o,5 bis 3,0 % Si o,ol bis l,o % Mn o bis 15,0 ß Co 3,o bis 7,0 C Cr

0 bis 2o,o ; Mo

0 bis 20,0 » l 4 t ß + + MoMo # 5

o,5 bis lo,o % V O bis 5,o <Z Ti O bis 2,o % Nb und oder Ta Rest Eisen mittels des an sich bekannten Stranggußverfahrens Stäbe zu formen.
Dabei fließt die Schmelze aus einem Warmhalteofen in eine wassergekühlte Kokille beispielsweise aus Kupfer- oder einer Kupferlegierung eventuell mit einer verschleißfesten Auskleidung der Kokillenwand. Die Schmelze erstarrt in der Kokille. Durch eine Ziehvorrichtung wird der sich ergebende Strang herausgezogen. Ein im Strang gelegentlich vorliegender Fadenlunker kann bei Bedarf durch ilachwalzen beseitigt werden. Der Durchmesser des Stranges ist in weiten Grenzen frei wählbar. Übliche Durchmesser für Schweißstäbe liegen zwischen lo und 3 mm.
Vorteile des Stranggußverfahrens sind: a) gleichmäßiges Gefüge.
b) vernachlässigbares Volumen des Fadenlunkers bei Schweißstäben, c) Durchmessertoleranz der Stäbe von etwa + 1 %, d) Oberfläche der Stäbe frei von Glas- und Schleifstaub, e) Aneinanderschweißen der Gußstäbe zur Erzielung größerer Längen entfällt.
Im Vergleich zum Vakuum-Saugverfahren benötigt das Stranggußverfahren keine wegwerfkokillen aus Glas und relativ wenig edienungsersonal (etwa 3-4 Mann). Das Stranggießen erfolgt besonders wirtschaftlich bei einer über längere Dauer gleichbleibenden Erzeugung von Material gleicher Zusammensetzung und Abmessung.
Bei der iJeuherstellunr von Werkzeugen kann ein Grundwerkstoff aus unlegiertem oder legiertem Baustahl mit etwa doo N/mm 2 Festigkeit gewählt werden. Vor Beginn der Scilweißung wird der Grundkörper gewöhnlich auf etwa 500 bis 7000C vorgewärmt. Das Auftragsschweißen mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schweißstabe kann mit Gasschmelz- oder Lichtbogenschweißung durchgeführt werden. Für die Gasschmelz- und Schutzgasschweißung werden blanke Drähte, für die offene Lichtbogenschweißung ummantelte Elektroden benutzt, letzteres uin Abbrand von Kohlenstoff und Legierungsmetallen zu verhindern. Bei der Lichtbogenschweißung kann durch die Zuführung größerer Wärmemeneren eine stärkere Verrnischurlg mit dem Grundwerkstoff auftreten, so daß eine größere Anzahl von Schweißlagen erforderlich wird. Für die iJeuanSertigung von Werkzeugen werden das Gasschmelzschweißen und das WIG-Schweißen bevorzugt.
Nach dem Auftragsschweißen kann das Werkzeug der Zusammensetzung des Schweißgutes entsprechend in üblicher Weise weichgeglüht, gehärtet und angelassen werden. Die Härte im weichgeglühten Zustand steigt an mit zunehmenden Gehalten an Bor und Silizium. Dabei ist Bor etwa viermal so wirksam wie Silizium. Es zeigte sich, daß Weichglüh- und llirtungsbehandlungen bei Vorliegen erhöhter Siliziumgehalte eingespart werden können. Eine bei etwa 5jo°C durchgeführte Anlaßbehandlung des Schweißgutes bringt bemäld den Beispielen 1 bis 4 bereits angenähert die volle Harteannahme. Von Vorteil ist, daß die zur Wärmebehandlung benötigte niedrige Temperatur um 5500C nicht zu starkem Verzug des Werkzeuges führt. Ohne die Sekundärhärtung beim Anlassen zu beeinträchtigen, verbessert der Siliziumzusatz stark das Schweißverhalten hinsichtlich Sprühen, Benetzen und Fließen.
Zerspanungsversuche mit Werkzeugen aus gegossenen bzw. auftragsgeschweißten Schnellarbeitsstählen haben ergeben, daß nicht so sehr, wie üblicherweise angenommen wird, die Gußstruktur als vielmehr die gußbedingte Mikroporsität zu einer starken Herabsetzung der Standzeit im Vergleicll zu geschmiedetem Material führt. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß die Mikroporosität durch steigenden Borgehalt vermindert und sogar beseitigt werden kann. Für mikroporenfreie gegossene bzw. auftragsgeschweißte Werkstoffe aus Schnellarbeitsstahl werden unerwartet große Standzeiten erreicht, die denen von Schmiedewerkstoff ohne Silizium- und Borzusatz entsprechen, obgleich ungewohntes Gußgefüge mit komplexem Aufbau vorliegt.
Beispielsweise wurde an einem auftragsgeschweißten Drehmeißel aus S lo-4-3-lo + 2 % Si bei einer Schnittgeschwindigkeit von 21 m/min eine Temperaturstandzeit von nur 8 min erreicht. Demgegenüber wurde an einem auftragsgeschweißten Drehmeißel aus S lo-4-3-lo + 2 9 Si + 1 % B bei gleichen Wärmebehandlungs- und Zerspanungsbedingungen eine Temperaturstandzeit von 183 min gemessen.
In weiteren Beispielen wird das Temperaturstandzeit- und das Verschleißverhalten auftragsgeschweißter Drehmeißel mit geschmiedeten Drehmeißeln verglichen. Die Drehmeißelschäfte für die autogene Auftragsschweißung bestanden aus dem mikrolegierten perlitischen Stahl 49 MnSiNb 3. Die bei der Zerspanung vorgelegenen Versuchsbedingungen und die Versuchsergebnisse sind den beigefügten Diagrammen zu entnehmen. Es ist ersichtlich, daß der auftragsgeschweißte Werkstoff trotz einfacherer Wärmebehandlung im Rahmen üblicher Streuungen Werte der Standzeit und der Verschleißmarkenbreite erzielt, die vergleichbar sind mit denen des geschmiedeten Werkstoffes ohne Silizium- und Borzusatz.
Den Darlegungen ist zu entnehmen, daß die Gebrauchseigenschaften auftragsgeschweißter Schnellarbeitsstähle bei vorausgesetzt sorgfältiger Abstimmung der Legierungselemente aufeinander insbesondere durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatz höherer Bor- und Siliziumgehalte in der angegebenen Menge sowie durch das Stranggießen von Schweißstäben in Verbindung mit einer günstigen einfachen Wärmebehandlung des Schweißgutes erheblich verbessert werden. Beispiel@l S 10-4-3-10 + 2 % Si mit folgen@@ C N Si k P S Cr Mo V W Co 1,24 0,046 1,99 0,29 0,011 0,025 4,04 3,67 3,30 10,75 10,49 Rest So2idustemperatur: 1252°C casschmelzschweiße 3-lagig auf St 37 Unterlage Behandlungszustand: Härte H@@ geschweißt 64 geschweißt + 5joOC 2 x 1 h 65 Beispiel 2 S 12-1-4-5 + 2 % Si mit folgender Analyse: C Si Mn P S Cr Mo V W Co Fe 1,36 1,91 0,20 o,lo 0,020 4,o6 o,93 3,58 11,82 5,16 Rest Gasschmelzschweiße 3-lagig auf St 37 Unterlage Behandlungszustand: Härte HRe gescheißt Beispiel 3 S 10-4-3-10 + 2 % Si + 0,2 % B mit folgender Analyse: C N Si Mn P S Cr Mo V W Co B Fe 1,20 0,045 1,87 0,25 0,04 0,023 4,00 3,60 3,45 10,90 10,37 0,18 Rest Solidustemperatur: 11260C Gasschmelzschweiße 3-lagig auf St 37 Unterlage Behandlungszustand: Härte HRc geschweißt 65 ge;chweißt + 550°C 2 x 1 h 68 Beispiel 4 S 10-4-3-10 + 2 % Si + 1 % B mit folgender Analyse: C N Si Mn P S Cr Mo V W Co B Fe 1,22 0,045 1,70 0,26 0,012 0,024 3,99 3,46 3,38 10,44 9,85 1,04 Rest Solidustemperatur: 1113°C Gasschmelzschweiße 3-lagig auf St 37 Unterlage Behandlungszustand: Rärte HRc geschweißt 65 geschweißt + 550°C 2 x 1 h 68 Temperaturstan@@eitye@@ten eines auf@eschweißton @e@@@ im Ver@@eich zu einem ceschmieceten D@@@@meißel Wärmebehzndtung: S 10-4-3-10: 1240°C 160 sWarmbad + 56 S 10-4-3-10 + 2%Sl + 1%B: autogen geschweißt + 560° Schneidengeometrie:

α γ # # # #

8° 15° 90° 60° 4° 1,0mm

a x s = 20 x 0,45 mm2 Werkstückstoff: 30 CrNiMo 8 mit 980 N/mm² Schnittgeschwindigkeit in m/min Verschleißverhalten eines auf?eschweißten Drehmeißeis im Vergleich zu einem geschmiedeten Drehmeißel Wärmebehandlung: S 10-4-3-10: 1240°C 160 sWarmbad + 560°C 2 x 1h S 10-4-3-10 + 2% Sl + 1% B: autogengeschweißt + 560°C 2 x lh Schneidenggometrie:

α γ # # #

80150900600401,0 mn

a x s = 2,0 x 0,45 mm2 2 Werkstückstoff: 30 CrNiMo 8 mit 980 N/mm Drehgeschwindigkeit v - 27 m/min Dreh@auer in min

Claims

Anspruch Herstellung von Schweißstäben zur mikroporenfreie Zerspanungs-, Preß-, Stanz- und Urnformwerkzeugen für Kalt- und Warmarbeit mindestens an deren auf besonderen Verschleiß beanspruchten Stellen, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Stahlschmelze bestehend aus: o,5 bis 3,o % C O bis o,2 % N 0,05 bis 2,0 % B, vorzugsweise 0,1-1,5 % B o,5 bis 3,o % Si, vorzugsweise o,8-2,o S Si 0,01 bis 1,0 % Mn bis 15,0 % Co 3,o bis 7,0 % Cr 0 bis 20,0 % Mo % W + % Mo # 0 bis 20,0 % W

o,5 bis lo,o V O bis 5,o % Ti 0 bis 2,0 % Nb und/oder Ta Rest Eisen @ittels des an sich bekannten Stranggußverfa aus einem Warmbalteofen in gekühlte Koki erstarrte Strang aus der Kokille gezogen wir @en.