DE2916617A1

DE2916617A1 - Schweisstaebe und schweissdraehte und ihre verwendung

Info

Publication number: DE2916617A1
Application number: DE19792916617
Authority: DE
Inventors: Alfred J Paoletti
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1979-11-08
Also published as: CA1134681A; JPS54146249A; US4192983A; GB2019290A; FR2424790A1; AU4661179A; NL7903302A

Description

Schweißstäbe und Schweißdrähte und ihre Verwendung

Die Erfindung betrifft Schweißstäbe und Schweißdrähte und Verfahren zur Panzerung von Oberflächen, insbesondere mit Bor beschichtete Schweißstäbe und Schweißdrähte und ein Verfahren zur Aufpanzerung durch Aufschweißen einer Borlegierung aus dem Schweißstab oder Schweißdraht auf eine zu panzernde Metalloberfläche.

Die Panzerung von Metalloberflächen zur Erzielung höherer Verschleißfestigkeit ist bekannt. Die Panzerung erfolgt im allgemeinen durch Auftrag einer Hartmetallschicht auf eine zu schützende Oberfläche, beispielsweise mit Hilfe von Schweißverfahren oder Diffusionsverfahren. Beispielsweise ist es seit langem üblich, eine Schicht aus einer Stellite-Legierung auf Pflugscharen, Schaufeln von Planierern, Zähne von Baggereimern, Ventile von Automobiles motoren usw. mit Hilfe von Schweißverfahren aufzutragen, bei denen eine Elektrode aus dem Metall auf die zu panzernde Oberfläche aufgeschmolzen wird. Es ist ferner bekannt, Oberflächen durch Bordiffusionsverfahren zu pan- i zern, bei denen das zu panzernde Werkstück mit einer borierenden Masse behandelt wird, indem das Werkstück in diese Masse gepackt und in einem Ofen auf erhöhte Temperatur erhitzt wird. Diese Massen und Verfahren wer- , den in der US-PS 2 849 336 und in den GB-PSen 1 436 945, 193 917 und 193 918 beschrieben. Diese Methoden erfordern lange Verweilzeiten in öfen bei erhöhten Temperaturen.

Sie sind kostspielig und für viele Werkstücke, insbesondere solche, die am Ort des Gebrauchs gepanzert werden müssen, völlig ungeeignet. Bei einem anderen Verfahren der Boridbeschichtung einer Schneidkante wird das Borid durch Hochfrequenzzerstäubung oder chemisches Aufdampfen von Borid auf eine Oberfläche aufgebracht, wie in der

909845/0821
ORIGINAL INSPECTED

US-PS 3 960 608 beschrieben. Auch dieses Verfahren ist kostspielig, erfordert große Reaktionskammern und ist für Anwendungen an Ort und Stelle völlig ungeeignet.

Gegenstand der Erfindung sind eine Elektrode und die Aufpanzerung mit Bor nach einem Verfahren, das einfach in der Anwendung ist, an Ort und Stelle und im Betrieb anwendbar und hinsichtlich der Kosten relativ wettbewerbsfähig ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich wesentlich von den bekannten Verfahren zur Panzerung mit Bor darin, daß vollständiges Legieren des Bors in der Oberfläche zur Zeit der Auftragschweißung stattfindet und die Dicke der Panzerungsschicht viel größer sein kann und im allgemeinen viel größer ist, als sie bei allen bekannten Panzerungsverfahren durch Boridbildung erreichbar ist.

Beim metallischen Schweißdraht oder Schweißstab gemäß der Erfindung ist Bor in die Oberfläche in einer Menge zwischen etwa 0,5% und 8% des Gesamtgewichts des Drahts bzw. Stabes diffundiert, und dieser Schweißdraht oder Schweißstab ermöglicht die Bildung einer Panzerung auf Werkstücken durch Aufschweißen des Stabes oder Drahts als vollständig legierte Schweißschicht oder Schweißung von ausgewählter Dicke auf die Oberfläche. Das Bor im Schweißdraht oder Schweißstab ist zwar nur in die Oberfläche des Drahts oder Stabes diffundiert, wird jedoch beim Auftragen als Schweißschicht oder Schweißung in der Schweißung vollständig legiert. Der Schweißdraht wird vorzugsweise aus einer Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierung, z.B. Flußstahl, Hastelloy-Legierung B, Haynes-Legierung Nr. 25, C-276 u.dgl. hergestellt. Der Schweißstab oder Schweißdraht gemäß der Erfindung kann durch Schweißen unter Schutzgas mit Wolframelektrode, durch Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas oder durch abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen aufgebracht werden. Im Falle des abgeschirmten Metall-Lichtbogenschweißens kann eine übliche mineralische Strangpreßbeschichtungs-

909845/0821

masse, die die notwendige abschirmende Abdeckschlacke bildet, wie bei der Herstellung von Elektroden mit abge- ' schirmtem Lichtbogen um den Kerndraht extrudiert werden. Vorzugsweise wird der Schweißdraht gemäß der Erfindung einem Bordiffusionsverfahren unterworfen, durch den die Oberflächenschicht des Metalls in eine Schicht aus Metallboriden umgewandelt wird. Beispielsweise wird Eisen in Eisenboride (2Fe +B= Fe~B) umgewandelt. Der Diffusions- ' prozeß wird durchgeführt, bis die gewünschte Borkonzen- ι tration im Schweißstab erreicht ist. Bei hohen Borkonzentrationen wird die Oberfläche des Schweißdrahts oder Schweißstabes spröde und neigt zum Abspalten und Reißen, so daß der Schweißdraht ebenso wie im Falle aller umhüllten Schweißelektroden vorsichtig behandelt werden muß i und scharfe Knicke vermieden werden müssen. Das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung aufgepanzerte Werkstück enthält Bor als vollständig legierten Bestandteil über die volle Tiefe der Schweißung. Die Tiefe der aufgebrachten Panzerung kann somit einfach durch Änderung der aufgeschweißten Menge des Schweißwerkstoffs weitgehend ver- ■ ändert werden. Die Oberfläche ist somit nicht durch geringe Tiefe praktischer Durchdringung, die nach bekannten Bordiffusionsverfahren erzielbar ist, begrenzt und ! weist nicht die Probleme extremer Sprödigkeit auf, die ' für bekannte Bordiffusionsoberflächen kennzeichnend sind.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen weiter erläutert. :

Fig. 1 ist ein metallographisches Schliffbild eines borumhüllten Drahts von 1,588 mm Durchmesser aus Stahl 1095 mit 7,5% Bor. j

Fig. 2 ist ein metallographisches Schliffbild eines ' Drahts von 1,588 mm Durchmesser aus der Hastelloy-Legierung B, der 3,4% Bor enthält. ,

909845/0821

INSPECTED

Fig. 3 ist ein metallographisches Schliffbild eines Drahts von 1,588 mm Durchmesser aus nichtrostendem Stahl 410 mit 3,3% Bor,

Fig. 4 ist ein metallographisches Schliffbild eines Drahts von 1/588 mm Durchmesser aus Haynes-Legierung Nr. 25 mit 2,2% Bor.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die adhäsive (Metall zu Metall) Verschleißfestigkeit von erfindungsgemäß gepanzerten Werkstücken im Vergleich zu einem gleichen Werkstück, das mit Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6, einem üblichen Aufschweißwerkstoff, gepanzert worden ist, veranschaulicht.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Abriebverschleißfestigkeit von erfindungsgemäß gepanzerten Werkstücken im Vergleich zu einem gleichen Werkstück, das mit Haynes-Stellite-Legierung Nr. .6 gepanzert worden ist, veranschaulicht.

Fig. 1 bis 4 zeigen in 5Ofacher Vergrößerung metallographische Gefügebilder von borumhülltem Drähten von 1 ,588 mm Nenndurehmesser mit verschiedenen Zusammensetzungen und verschiedenen Borkonzentrationen in der Umhüllung · Wie die Abbildungen zeigen, ist die Umhüllung, die grundsätzlich aus Metallboriden besteht, stark porös. Die in Fig. 1 bis 4 dargestellten umhüllten Drähte wurden hergestellt, indem der Draht in eine borierende Packung (z.B. Ferrobor oder Borcarbid, ein Aktivator und ein inertes Streckmittel) gelegt und auf eine hohe Temperatur (z.B. 90O⁰C) erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten wurde, bis eine gewünschte Diffusion des Bors in die Oberflächenschicht des Drahts stattgefunden hatte. Die Bordiffusion in den Draht kann nach beliebigen bekannten Verfahren des Borierens bewirkt werden. ■

84 5/082 t

Ai INSPECTED Beispiel 1

Verschiedene Elektroden, die, falls nicht anders angegeben, einen Durchmesser von 1,588 mm hatten, wurden in einer borierenden Packung bei erhöhten Temperaturen behandelt, um Borumhüllungen mit verschiedenen Konzentrationen auf fertigbearbeiteten Elektroden von 1,6 mm zu bilden. Die Zusammensetzung dieser Elektroden ist nachstehend in Tabelle I genannt.

Tabelle I

10 Zusammensetzung der Elektrode

Stahl 1095 Stahl 1095 (3,175 mm-Draht) Stahl 1095

15 Haynes-Legierung Nr. 25

(1,02 mm-Draht)

Haynes-Legierung Nr. 25 Hastelloy-Legierung B Hastelloy-Legierung B 20 nichtrostender Stahl 410 nichtrostender Stahl 410 Hastelloy-Legierung C-276

Die in Tabelle I genannten Elektroden wurden zum Aufschweißen einer Panzerung aus wenigstens zwei Schichten auf einen 12,7 mm-Stahlcoupons entweder durch Schweißen unter Schutzgas mit Wolframelektrode, durch Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas oder durch abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen verwendet.

Alle Schweißungen wurden Prüfungen auf adhäsive (Metall zu Metall) Verschleißfestigkeit unterworfen und mit einer Aufschweißung aus Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6, die dem gleichen Test unterworfen wurde, verglichen. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in Fig. 5 genannt. Die Werte zeigen, daß bei sechs erfindungsgemäß hergestellten

909845/082*

_ .. ORIGINAL INSPECTED

Menge des	diffundierten	,0%
Bors	,6%
4	,5%
3	,8%
7	,2%
1	,4%
2	,9%
3	,7%
1	,3%
1	,9%
3
1

Proben der Abriebverlust weit unter dem Verlust bei der Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6 liegt.

Beispiel 2

Eine weitere Gruppe von Elektroden, die, falls nicht anders angegeben, einen Durchmesser von 1,588 mm hatten und auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt worden waren, wurde verwendet. Die Zusammensetzung der Elektroden ist nachstehend in Tabelle II genannt.

Tabelle II	Zusammensetzung der Elektrode	Menge des diffundierten Bors
Stahl 1095	4,0%
Stahl 1095	7,5%
Stahl 1095 (Draht von 3,175 mm Durchmesser)	3,6%
nichtrostender Stahl 410	1,7%
nichtrostender Stahl 410	3,3%
Haynes-Legierung Nr. 25	1 ,8%

(1,02 mm-Draht)

Haynes-Legierung Nr. 25 1,9%

(1,02 mm-Draht)

Haynes-Legierung Nr. 25 2,2%

Hastelloy-Legierung B 1,9%

Hastelloy-Legierung B 3,4%

Hastelloy-Legierung C-276 1,9%

Die in Tabelle II genannten Elektroden wurden zum Auftragen wenigstens einer einschichtigen Panzerung auf einen 12,7 mm-Stahlabschnitt durch Schweißen unter Schutzgas mit Wolframelektrode, Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas und abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen verwen- , det. Die hierbei gebildeten aufgeschweißten Schichten ■ wurden dem gleichen üblichen Abriebverschleißtest unter-

I ä

worfen und mit einer Aufschweißschicht aus der Haynes- '

Stellite-Legierung Nr. 6, die dem gleichen Abriebver- '·

909845/0821

ORIGINAL INSPeCTED

schleißtest unterworfen wurde, verglichen. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in Fig. 6 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß alle Prüfkörper in der Abriebverschleißfestigkeit der mit der Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6
gebildeten Aufschweißschicht gleichwertig oder überlegen

waren. Die Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6 wird üblicher- ■ weise als Aufschweißelektrode zur Bildung von verschleiß- ' festen Oberflächen verwendet und ist eine der besseren be-| kannten und am häufigsten verwendeten Elektroden für ι

diesen Zweck. ^;

Metallographische Prüfungen der erfindungsgemäß hergestellten Schweißungen zeigen, daß die Elektroden gemäß der Erfindung bei Verwendung als Aufschweißelektroden auf der ; Oberfläche des zu panzernden Werkstücks in vollständig
legierte Metalle umgewandelt werden.

Wie die vorstehenden Beispiele zeigen, weisen die gemäß
der Erfindung durch übliches Schweißen unter Schutzgas
mit Wolframelektrode, Metall-Lichtbogenschweißen unter j Schutzgas oder abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen ' hergestellten Schweißungen die gewünschten Panzerungseigenschaften .(Abriebfestigkeit) auf, vorausgesetzt, daß j genügend Bor in der durch Diffusionsumwandlung der Außen-

fläche des Schweißdrahts oder Schweißstabes gebildeten ; Schicht vorhanden ist. . j

Beispiel 3 ;

Um die effektive Eindringtiefe des Bors in die Drahtober- : fläche bei verschiedenen Borkonzentrationen zu bestimmen,

wurden Messungen vor und nach der Borbehandlung vorgenom
men. Die Ergebnisse sind in Tabelle III genannt.

909845/0821

■-.- 11 -

Draht

Tabelle III

Bor ursprüngl. Enddurch- FeB-

„ Durchmesser messer Haut

mm mm mm

FeB-Volumen

2,38	mm	Stahl	2	2,381	3
2,38	mm	Stahl	4	2,381	3
2,38	mm	Stahl	6	2,381	3
2,38	mm	Nickel	2	2,381	3
2,38	mm	Nickel	4	2,381	3
2,38	mm	Nickel	6	2,381	3

2,4194
2,4521
2,4874

2,4232
2,4765
2,5248

0,0838 0,1397 0,2134

0,0787 0,1575 0,2413

13% 21% 46%

12%

Der unbeeinflußte Drahtdurchmesser im Falle von Stahldraht von 2,38 mm Durchmesser mit 2% Bor wurde mit 2,256 mm bestimmt. Dies zeigt eindeutig, daß durch die Reaktion des Bors mit der Oberfläche das Bor in das Metall eindringt und der Durchmesser des Drahts größer wird. Der Effekt ist deutlich in Fig. 1 bis Fig. 4 erkennbar.

Beispiel 4

Eine zweischichtige Panzerung wurde mit einer Elektrode aus Haynes-Legierung Nr. 25 mit einer 1,8% Bor enthaltenden Umhüllung auf einen 12,7 mm dicken Stahlcoupon durch Metall-Lichtbogenschweißen unter Schutzgas aufgeschweißt. Ein Schliffbild und ein Mikrohärteprofil wurden angefertigt. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV genannt.

'909845 ORIGINAL V

	Tabelle	Stelle	IV	Vickers- Härte	Rockwell- Härte
500 g- Eindring- körper	Oberflächenschicht	Filiar- Einheiten	518	Rc 50
1		212	518	Rc 50
2		212	518	Rc 50 '
3		212	518	Rc 50
4		212	518	Rc 50 '■
5	Mitte	212	518	Rc 50 :
6		212	518	Rc 50
7		212	504	Rc 49
8		215	504	Rc 49
9		215	504	Rc 49
10	215	425	Rc 43
11	bodennahe Verbindungs- 234 linie

12 Stahl 370 170 Rb 85

909845/0821

ORIGINAL INSPECTED

-42-,

Leerseite

Claims

VON KREISLER SCHÖNWALD EiSHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973 Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soder- Dr. J. F.'Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln Ke /Ax DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF D-5000 KÖLN 1 , 24. April 1979 CABOT CORPORATION, High Street, Boston, Massachusetts 02110 (U.S.A.) Patentansprüche

1. Schweißdraht in Form eines Metalldrahts mit einer darauf gebildeten Außenschicht aus einem Metallborid.

2. Schweißdraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus Metallborid durch Diffusion und Reaktion von Bor auf der Metalloberfläche des Drahts gebildet worden ist.

3. Schweißdraht nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor etwa 0,5 bis 8 Gew.-% des Drahts ausmacht.

4. Hartmetall-Auftragschweißung auf einer Oberfläche eines Metallwerkstücks, bestehend im wesentlichen aus einer Schweißmetallschxcht, die durch ein elektrisches Schweißverfahren mit Hilfe eines Metalldrahts, dessen Oberflächenschicht aus einem Metallborid besteht, unter Schmelzen des

S0984S/0821

Tolpfon: (0221) 131041 ■ Telex: 8R82307 dopn d ■ Telegramm- Dompatenl Köln

Drahts und der Boridschicht zu einer Legierungsschicht mit im wesentlichen gleichmäßiger borhaltiger Zusammensetzung aufgetragen worden ist.

5.' Hartmetall-Auftragschweißung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 0,5 bis 8% Bor enthält.

6. Verfahren zum Aufpanzern von Metallwerkstücken durch Hartmetall-Auf tragschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine borhaltige Oberflächenschicht auf einen Elektrodendraht aufbringt und

b) wenigstens eine Auftragschweißschicht auf der Oberfläche ! des zu panzernden Werkstücks bildet, indem man den Elektrodendraht durch elektrisches Lichtbogenschweißen ■ auf die Oberfläche aufträgt und hierbei den Draht und dessen borhaltige Oberflächenschicht zu einer Legierungsschicht von im wesentlichen gleichmäßiger borhaltiger Zusammensetzung schmilzt und diese mit der Oberfläche j verschmilzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die j borhaltige Schicht auf dem Schweißdraht durch Diffusion von Bor- in die Oberfläche des Elektrodendrahts gebildet ! worden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, | daß die borhaltige aufgeschweißte Schicht etwa 0,5 bis | 8% Bor, bezogen auf das Gewicht des Drahts, enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus Stahl bestehenden Schweißdraht verwendet.

10. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus einer Nickel-Legierung bestehenden Schweißdraht verwendet.

909845/0821

ORIGINAL INSPECTED

11. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus einer Kobalt-Legierung bestehenden Schweißdraht verwendet.

909845/0821