DE2814350C2

DE2814350C2 -

Info

Publication number: DE2814350C2
Application number: DE2814350A
Authority: DE
Inventors: Otto 5100 Aachen De Knotek; Erich Vaal Nl Lugscheider; Wolfgang 5100 Aachen De Wichert
Original assignee: Eutectic Corp
Current assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1978-04-03
Publication date: 1987-11-12
Also published as: US4118254A; CA1096660A; JPH02277740A; JPS53125208A; GB1592123A; JPH0351776B2; JPS647145B2; DE2814350A1

Description

Die Erfindung betrifft ein säurebeständiges, verschleiß- und korrosionsfestes Schweißmaterial auf Nickelbasis mit einem Schmelzpunkt unter 1350°C, das als zusätzliche Komponenten Chrom, Silicium, Kohlenstoff und ggf. Wolfram enthält, das in Form eines Pulvers für die Herstellung harter Überzüge auf Metallflächen, beispielsweise Ventilsitzen, verschleiß- und korrosionsfester Gußformkörper, insbesondere für die Verwendung in der Kerntechnik, geeignet ist.

Verschleiß- und korrosionsfeste Legierungen für die Herstellung harter Metallflächen sind bereits bekannt. Eine bekannte verschleißfeste Legierung dieses Typs ist beispielsweise eine Legierung auf Kobalt-Basis, die 0,9 bis 1,6 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 5 Gew.-% Mangan, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 26 bis 29 Gew.-% Chrom, 4 bis 6 Gew.-% Wolfram, höchstens 2 Gew.-% Eisen und als Rest Kobalt enthält. Diese Legierung wird empfohlen für Anwendungszwecke bei Raum- und Hochtemperaturen, bei denen ein starker Abrieb auftritt, insbesondere bei einer Metall-auf-Metall-Reibung und - in geringerem Umfang - bei Schlag-, Wärmeschock- oder Spannungsbelastungen. Die Rockwell C-Härte dieser Legierung liegt im Bereich von 40 bis 49. Eine weitere bekannte verschleißfeste Legierung auf Kobaltbasis enthält 1,8 bis 2,2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Silicium, 30 bis 33 Gew.-% Chrom, höchstens 3 Gew.-% Nickel, 11 bis 13 Gew.-% Wolfram, höchstens 2 Gew.-% Eisen und als Rest Kobalt. Die Rockwell C-Härte dieser Legierung liegt im Bereich von 54 bis 58.

Es ist auch bereits eine verschleißfeste Legierung auf Nickelbasis bekannt, die enthält 0,25 bis 0,75 Gew.-% Kohlenstoff, 3 bis 5 Gew.-% Silicium, 10 bis 15 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Eisen, 1,5 bis 4 Gew.-% Bor, höchstens 0,2 Gew.-% Kobalt und als Rest Nickel in einer Menge von mindestens 77 Gew.-%. Diese Legierung ist besonders gut geeignet für die Herstellung von Zentrifugalgußformen. Sie hat einen Schmelzpunkt bei etwa 1065°C und eine Rockwell C-Härte von 40 bis 52. Vorzugsweise ist diese bekannte Legierung kobaltfrei, d. h. sie enthält nicht mehr als 0,2 Gew.-% Kobalt, und zwar insbesondere dort, wo die Gefahr radioaktiver Verseuchung besteht, wie bei bestimmten Anwendungsbereichen in der Nukleartechnik. Diese Legierung wird vorgeschlagen als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Rohren, Druckschuhen, Büchsen und anderen Ventilbauteilen in der Nukleartechnik.

Aus der US-PS 22 19 462 ist eine Schweißlegierung auf Nickelbasis bekannt, die besteht aus 15 bis 36 Gew.-% Chrom, bis zu 3% Silicium, 1 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 5 bis 34 Gew.-% Wolfram/Molybdän und zum Rest aus Nickel. Auch aus der US-PS 28 88 740 ist eine Legierung auf Nickelbasis bekannt, die 15 bis 35 Gew.-% Chrom, ggf. Silicium in nicht genannter Menge, 0,3 bis 4 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 25 Gew.-% Wolfram und 35 bis 75 Gew.-% Nickel enthält. Schließlich ist aus der US-PS 15 28 478 eine warmfeste und chemisch beständige Legierung bekannt, die 8 bis 40 Gew.-% Chrom, 1,3 bis 8 Gew.-% Silicium, bis zu 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 1 bis 10 Gew.-% Wolfram, 20 bis 50 Gew.-% Nickel und als Rest Eisen enthält.

Ein Problem, das bei der Herstellung von Beschichtungen mit harten Oberflächen und/oder Gußformen unter Verwendung der vorgenannten bekannten verschleiß- und korrosionsfesten Legierungen, insbesondere solchen auf Nickelbasis mit hohen Chrom- und Kohlenstoffgehalten, auftritt, besteht darin, daß diese Legierungen im geschmolzenen Zustand die Neigung haben, beim Abkühlen auszuseigern aufgrund ihres verhältnismäßig breiten Fest-Flüssig-Temperaturbereiches, über den die Erstarrung erfolgt. Dies ist insbesondere wichtig bei der Herstellung von Gußrohlingen für Anwendungen, die Verschleißfestigkeit verlangen und bei denen die Oberflächenhärte wichtig ist, wie beispielsweise bei Buchsen, Hülsen und Ventilbauteilen.

Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Legierung auf Nickel-Basis mit hohem Chrom- und Kohlenstoffgehalt zu finden, die nicht nur eine hohe Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit und große Härte, sondern auch einen möglichst engen Fest-Flüssig-Temperaturbereich aufweist, um so den Umfang der Ausseigerung beim Erstarren der geschmolzenen Legierung minimal zu halten.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst werden kann durch ein säurebeständiges, verschleiß- und korrosionsfestes Schweißmaterial auf Nickelbasis mit einem Schmelzpunkt unter 1350°C, das als zusätzliche Komponenten Chrom, Silicium, Kohlenstoff und ggf. Wolfram enthält und dadurch gekennzeichnet ist, daß es die folgende Zusammensetzung aufweist:

20 bis 35 Gew.-% Chrom,
1 bis 8 Gew.-% Silicium,
1,7 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
bis zu 15 Gew.-% Wolfram,
1 bis 4 Gew.-% Kupfer,
1 bis 4 Gew.-% Molybdän und
Rest Nickel in einer Menge von mindestens 50 Gew.-%,

wobei der Kohlenstoff als Carbid Cr₇C₃ vorliegt und der Chromgehalt des Carbids 65% bis weniger als 100% des gesamten Chromgehaltes ausmacht.

Das erfindungsgemäße Schweißmaterial eignet sich besonders gut für die Herstellung harter Überzüge auf Metallflächen, beispielsweise Ventilsitzen, verschleiß- und korrosionsfesten Gußformlingen, für die Herstellung pulvermetallurgischer Vorformen zur Herstellung verschleißfester Ventilsitze und verschleiß- und abriebsfester Gußstücke, wie Hülsen, Büchsen, Verschleißringe, Nutwalzen und dgl. Es weist eine Rockwell C-Härte im Bereich von etwa 35 bis etwa 55 auf und ist aufgrund seines Gehaltes an Kupfer und Molybdän besonders säurebeständig. Da es im wesentlichen frei von Eisen, Kobalt und Bor ist, d. h. nicht mehr als 0,2 Gew.-% Eisen bzw. Kobalt und nicht mehr als 0,1 Gew.-% Bor, enthält, eignet es sich besonders gut für kerntechnische Anwendungen. In Form eines Schweißstabes, der aus einem Nickelröhrchen und dem darin enthaltenen Pulvergemisch der übrigen Bestandteile besteht, lassen sich daraus besonders vorteilhafte Schweißablagerungen mit einer hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit herstellen.

Aufgrund eines hohen Chromgehaltes, der überwiegend an Kohlenstoff gebunden ist in Form des Carbids Cr₇C₃; weist das erfindungsgemäße Schweißmaterial einen engen Schmelzbereich auf, der bei 2 Gew.-% Silicium und 2 Gew.-% Kohlenstoff im Bereich von 1220 bis 1300°C bzw. bei 5 Gew.-% Silicium und 2 Gew.-% Kohlenstoff im Bereich von 1230 bis 1280°C liegt, der dazu beiträgt, während der Erstarrung die Ausseigerung minimal zu halten und zwar sowohl bei der Herstellung von Gußrohlingen als auch bei der Herstellung von Schweißablagerungen oder bei der Beschichtung von Metallflächen. Der Schmelzpunkt des erfindungsgemäßen Schweißmaterials liegt stets unter 1350°C und übersteigt im allgemeinen 1300°C nicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält das Schweißmaterial etwa 30 Gew.-% Chrom, etwa 2 bis 5 Gew.-% Silicium, etwa 2,4 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 5 Gew.-% Wolfram und beispielsweise etwa 58 bis 61 Gew.-% Nickel.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Beispiele für aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial hergestellte Gegenstände, teilweise im Schnitt, teilweise in der Draufsicht;

Fig. 4 einen aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial hergestellten ringförmigen Gegenstand in perspektivischer Darstellung und Fig. 5 eine aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial hergestellte bearbeitete Büchse oder Hülse, ebenfalls in perspektivischer Darstellung.

Die Fig. 1 zeigt einen rohrförmigen Schweißstab, wie er aus der UA-PS 30 33 977 bekannt ist. Dieser Schweißstab besteht aus einer Röhre aus Nickel mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesser, die mit Metallpulver gefüllt ist, das zusammen mit dem Nickel beim Schweißen einen Schweißniederschlag bildet, der die obengenannte Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Schweißmaterials hat. Wie oben angegeben, ist der Kohlenstoffgehalt des erfindungsgemäßen Schweißmaterials an Chrom gebunden in Form des Carbids Cr₇C₃, dessen Chromgehalt etwa 65 bis weniger als 100 Gew.-% des gesamten Chromgehaltes des erfindungsgemäßen Schweißmaterials ausmacht. Es können auch geringe Mengen an anderen Metallen im Gemisch vorhanden sein, um dieses zu variieren. Beispiele dafür sind die folgenden Carbide (CrW)₇C₃, (CrNi)₇C₃ und (CrWNi)₇C₃. Die hier angegebene Formel Cr₇C₃ ist daher so zu verstehen, daß sie auch die vorgenannten Carbide umfaßt, auch wenn dies im einzelnen nicht angegeben ist. Vorzugsweise macht der darin gebundene Chromgehalt 75 bis weniger als 100 Gew.-% des gesamten Chromgehaltes des erfindungsgemäßen Schweißmaterials aus. Dabei ist klar, daß nach dem Massenwirkungsgesetz ein Teil des Chroms in die Nickelmatrix eintritt und mit dieser eine feste Lösung bildet, wobei dieser Teil dem fertigen Schweißmaterial die erwünschte Korrosionsbeständigkeit verleiht. Der Rest des Chromgehaltes (mindestens 65 Gew.-%) liegt dann in Form des Carbids Cr₇C₃ vor.

Zusammen mit dem Metallpulver können in der Nickelröhre Flußmittel vorhanden sein. Die in der Fig. 1 dargestellte Nickelröhre enthält ein Pulvergemisch 11, das 30 Gew.-% Chrom, 2,4 Gew.-% Kohlenstoff, 5 Gew.-% Wolfram und als Rest im wesentlichen Nickel enthält. In der Pulvermischung kann auch etwas Nickelpulver enthalten sein als Verdichtungshilfsmittel während der Herstellung der Röhre, wobei die Menge des Nickelpulvers auf die Nickelmenge der Röhre abgestellt ist, so daß sich ein Schweißniederschlag mit dem gewünschten Nickelgesamtgehalt ergibt. Die Röhre 10 ist an beiden Enden 12, 13 geschlossen.

Ein weiterer Gegenstand, der aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial hergestellt werden kann, ist eine mit einem Flußmittel beschichtete Elektrode 14 gemäß Fig. 2 und Fig. 3. Solche Elektroden sind in der US-PS 32 11 582 beschrieben. Die Elektrode 14 weist einen Kern 15 aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial auf, der mit einem Flußmittel 16 beschichtet ist, wie es aus der US-PS 32 11 582 bekannt ist. In Fig. 3 ist die Elektrode 14 im Schnitt dargestellt.

Das erfindungsgemäße Schweißmaterial ist auch als Flammspritzpulver für die Beschichtung von Metalloberflächen verwendbar. Dabei wird das Pulver durch Versprühen einer Schweißmaterialschmelze mit der gewünschten Korngröße hergestellt. Bezüglich geeigneter Flammspritzbrenner wird auf die US-PS 32 26 028 und 32 28 610 verwiesen. Bei der Verwendung derartiger Pulver wird die zu beschichtende Fläche, beispielsweise Stahlfläche, zuerst in herkömmicher Wesie gereinigt, dann wird das Pulver aufgespritzt und mit der auf die Fläche gerichteten Flamme eingeschmolzen.

Zur Herstellung eines Ventilsitzes auf einem Ventilteil kann eine pulvermetallurgische Vorform verwendet werden, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist. Zur Herstellung der verdichteten Vorform wird ein Pulver aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial verwendet. Dabei ist die Verwendung eines Pulvers in Form von elementaren Metallen vorteilhaft, weil elementares Nickel geschmeidig ist und einen Verdichtungskörper mit einer guten Rohfestigkeit ergibt. Gewünschtenfalls kann aber auch ein Legierungspulver verwendet werden, das einen Mangel an Nickel hat, der durch Zumischen von Nickelpulver ausgeglichen wird, so daß auch in diesem Falle ein pulvermetallurgischer Formkörper gemäß Fig. 4 mit der erforderlichen Rohfestigkeit erhalten wird. Dieser Formkörper wird dann im Bereich des herzustellenden Ventilsitzes angeordnet und mit einem Brenner unter Verwendung üblicher Flußmittel geschmolzen, um eine metallurgische Verbindung zur betreffenden Ventilfläche zu schaffen.

Die Fig. 5 zeigt eine bearbeitete Gußhülse 18, wie sie aus dem erfindungsgemäßen Schweißmaterial hergestellt werden kann. Der Guß der Hülse erfolgt vorzugsweise im Schleudergußverfahren, wobei das geschmolzene Metall in eine zylindrische, rotierende Form aus Kohlenstoff oder Stahl gegossen wird. Durch schnelle Abschreckung in Verbindung mit den herrschenden Zentrifugalkräften erhält man eine feinkörnige Struktur und damit eine feine und gleichmäßige Verteilung der Metallcarbide. Ein solches Produkt weist eine außerordentlich hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf. Das erfindungsgemäße Schweißmaterial ist besonders säurebeständig aufgrund seines Gehaltes an Kupfer und Molybdän, wobei das zugesetzte Molybdän eine entsprechende Menge an Wolfram ersetzen kann.

Für kerntechnische Anwendungen ist es wichtig, daß das erfindungsgemäße Schweißmaterial frei von Eisen, Kobalt und Bor ist. Demgemäß soll der Eisen- und Kobaltgehalt jeweils nicht über 0,2 Gew.-% hinausgehen und der Borgehalt soll unter 0,1 Gew.-% gehalten werden.

Beispiele für die Zusammensetzung erfindungsgemäßer Schweißmaterialien sind nachstehend angegeben.

Etwa 10 Gew.-Teile Chrom, kombiniert mit etwa 1 Gew.-Teil Kohlenstoff entsprechen der Formel Cr₇C₃. Demgemäß sind bei dem Schweißmaterial Nr. 3 etwa 93 Gew.-% des Chroms an den Kohlenstoff gebunden. Wie oben erwähnt, können in Varianten des Carbids Cr₇C₃ mit einem wesentlichen Anteil an Chrom kleine Mengen desselben durch Wolfram und/oder Molybdän ersetzt sein, falls dieses vorhanden ist.

Claims

Säurebeständiges, verschleiß- und korrosionsfestes Schweißmaterial auf Nickelbasis mit einem Schmelzpunkt unter 1350°C, das als zusätzliche Komponenten Chrom, Silicium, Kohlenstoff und ggf. Wolfram enthält, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgende Zusammensetzung aufweist: 20 bis 35 Gew.-% Chrom,
1 bis 8 Gew.-% Silicium,
1,7 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff,
bis zu 15 Gew.-% Wolfram,
1 bis 4 Gew.-% Kupfer,
1 bis 4 Gew.-% Molybdän und
Rest Nickel in einer Menge von mindestens 50 Gew.-%,wobei der Kohlenstoff als Carbid Cr₇C₃ vorliegt und der Chromgehalt des Carbids 65% bis weniger als 100% des gesamten Chromgehaltes ausmacht.