DE3114701A1 - Verfahren zum auftragschweissen einer metallschicht auf eine aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zum auftragschweissen einer metallschicht auf eine aluminiumlegierung

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Description

  • BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Schweibtechnik und betrifft insbesonuere ein Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung.
  • Mit dem größten Nutzeffekt kann die Erfindung bei der Herstellung von Fahrzeug-, Schiffs- und ortsfesten Verbrennungsmotoren sowie im Flugzeug- und Haketenbau verwendet werden.
  • Auf den genannten Gebieten der Technik haben gegenwartig Aluminiumlegierungen eine breite Verwendung gefunden. sie ständig zunehmende Leistungserhöhnung der maschinen und Aggregate macht die verwendung von immer verschleißfesteren Legierungen erforderlich. Eine der zusätzlichen Anforderungen, welche an die der Einwirkung von beträchtlichen Belastungen bei hohen Tenjperaturen und gleichzeitiger Wirkung von Schlabeanspruchungen ausgesetzten Baugruppen und -teilen gestellt wird, ist ihre Verschleißfestikeit. Zur weiteren Erhöhnung der durch die Betriebsbedlngungen bedingten Verschleißfestigkeit von aus Aluminiumlegierungen gefertigten Teilen ist ein derart hoher Gehalt an Legierungselementen erforderlich, daß solche Teile nach herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Gießen, Schmieden bzw. Pressen nicht hergestellt werden können. Das für die Verfestigung der erwähnten Teile am meisten geeignete Verfahren ist das Auftragschweißen einer Schicht aus einem anderen, über eine höhere Verschleißfestigkeit verfügenden kletall. Die Möglichkeiten der ohweißtechnolo6ie der Aluminiumlegierungen sind aber ebenfalls beschränkt, weil das Einbringen von großen Mengen an Legierungselementen in das Auftragmetall nach den bisher bekannten Verfahren unmöglich ist.
  • Es ist ein Verfahren zum IIartmetallauftragschweißen auf eine Aluminiumlegierung durch Verwendung von mit dünnem (0,2-mm-starkem Nickeldraht verfestigtem Aluminiumdraht als Auftragschweißgut bekannt (9. Nikitin, N.i)., Schalaja, A.N. und Wassilijew, Ju.A. "Ispytanijy aluminijewych porschej disclej s isnossostojkoj naplawkoj", Moskau, NII-Informtjashmasch, 1977).
  • Es ist aber nicht möglich, durch das erwähnte Verfahren eine gleichmäßige Verteilung von Nickel in der Auftragschicht zu gewihrleisten, wodurch die Verschleißfestigkeit der ver-Sestigten Teile beeinträchtigt wird. Ferner ist das genannte Verfahren wenig produktiv. Die Auftragschweißgeschwindigkeit beträgt höchstens 16 bis 20 m/h. Darüber hinaus ist für die Durchführung des erwähnten Verfahrens eine Vorwärmung der zu bearbeitenden Erzeugnisse auf eine Temperatur von 200 0C vonnöten, so daß beträchtliche Schwierigkeiten beim Umgang mit den erhitzten Erzeugnissen entstehen, die die Verwendung von zusätzlichen Ausrüstungen erforderlich macht.
  • Ferner ist hervorzuheben, daß die Herstellungdtechnologie von mehrstoffdraht ziemlich arbeitsaufwendig und bisher nur unter Laborbedingugen durchführbar ist, wodurch die Produktionskosten beträchtlich erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Zweck, die vorstehend erwähnten nachteile zu beseitigen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren eine zum Auftragschweißen einer i.etallachioht auf Aluminium legierung zu erarbeiten, welches es ermöglicht, zugleich mit der Erhöhung der Auftragschweißleistung die Betriebskennwerte der aus 81 uminiumlegiciungen hergestellten leile durch Änderung der Auftragschweißparameter zu verbessern, welche die Verwendung eines im wesentlichen Legierungselemente enthaltenden Auftragschweißgutes gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einen Verwahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung von Äuftragschweißgut auf der Grundlage von Legierungselementen das Äuftragschwei-Losen erfindungsgemäß bei einer spezifischen Leistung der Schweißwärmequelle von 103 bis 105 W/cm2 durchgeführt wird und das Auftragschweißut in das Schweißbad in einer Menge von 20 bis 98 Masseprozent eingebracht wird, wonach das Auftragmetall umgeschmolzen wird und sich das Schweißbadvolumen beim jeweiligen Aufschmelzen ums 1,2- bir 10fachs vergrößert.
  • Das wesentlichste Unterscheidungsmerkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Auftragschweißgut auf der Grundlage von Legierungselementen, darunter auch derartieer Elemente , deren Schmelztemperatur die des Aluminiums übersteigt, verwendet wird. Das sind Elemente wie Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und Chrom.
  • Das Einbringen des erwähnten Auftragschweißgutes in das Schweißbad wird vorzugsweise in mehreren Stadien durchgeführt.
  • Zu Anfang soll die menge des einzubringenden Auftragschweißgutes 20 bis 98 Masseprozent von der Masse des Schweißbades betragen. Eine gleichmäßige Verteilung des Auftragschweiß gutes über das Schweißbadvolumen kann durch Verwendung einer konzentrierteren - im Vergleich zu den für die Erhaltung eines ähnlichen Schweißbadvolumens herkömmlicherweise verwendeten --Schweißwärmequelle gewähleistet werden.
  • Insbesondere ist beim Lichtbogenauftragschweißen die Schweißstromstärke ums 1,5- bis 3fache zu vergrößern - bei gleichzeitiger Erhöhnung der Auftragschweißgeschwindigkeit ums 3- bis lOfache. Dabei sind eventuelle Schweißnahtdefekte, wie Einbrandkerben u.dgl., möglich, die aber bei darauffolgender Auftragschweißführung geglättet werden. Dabei reicht es aus, bei einem Gehalt des Auftragschweißgutes ari Legierungselementen von 20 % die Schweißstromstärke ums 1,5 fache zu vergröbern und die Auftragschweißgeschwindigkeit ums 3fache zu erhöhen, während bei einem Gehalt an isegierungselementen von 9d % die Schweißstromstärke ums 3 fachs zu vergrößern und die Auftragschweißgeschwindigkeit ums lOfache zu erhöhen sind. Es sollte hervorgehoben werden, daß die Erhöhnung beziehungsweise Vergrößerung der Auftragschweißparameter nur wührend der Einbringung des Auftragschweißgutes vor sion geht.
  • Das darauffolgende Umschmelzen erfolgt ohne Einbringen des Auftragschweißgutes, so daß in diesem Stadium normale Auftragschweißparameter eingehalten werden. Mit den normalen Auftragschweißparametern sind solche Parameter gemeint, wenn zum Auftragschweißen einer 5-mm-starken Metallschicht ein SchweiL'strom von 250 bis 300 A und eine Auftragschweißgeschwindigkeit von 16 bis 20 m/h verwendet werden.
  • Beim darauffolgenden Umschmelzen des während des Anfangsstadiums des Auftragschmelzvorgans aufgeschmolzenen Metalls ist das Schweißbadvolumen ums 1,2-bis lOfache zu vergrößern.
  • Dies hat zum Zweck, eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente zu gewährleisten.
  • Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Auftragschweißverfahrens wird es möglich, die Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit sowie andere Betriebskennwerte der der Einwirkung von lokalen Beanspruchungen bei hohen Temperaturen ausgesetzten Teile zu erhöhen. Dies ermöglicht es ferner, die technisch-wirtschaftlichen Kennziffern von beispielsweise Verbrennungsmotoren durch Erhöhung von deren Leistungsdaten zu verbessern, ihre Sollbetriebszeit umsil,5- bis 2fache zu verlüngern sowie solche teuren Stoffe, wie Nickel und Kobalt, welche gewöhnlicherweise für die Verbesserung der Betriebskennwerte der Aluminiumlegierungen verwendet werden, einzusparen.
  • Im folgenden wird das Wesen der vorliegenden Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert.
  • Beispiel 1 bas Verfahren gemäß der erfindungsgemaßen Technologie wurde in folgender Weise durchgefuhrt.
  • Das Hartmetallauftragschweiße wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich des ersten Kompressionsringes ausgeführt. Der Kolbendurchmesser betrug 110 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, enthaltend folgende Bestandteile (in Masseprozent): Silizium - 12,1; Magnesium - 0,8; Nickel - 1,3; Lisen - 0,4; Mangan - 0,2; Titan - 0,1; Aluminium - liest.
  • Das Auftragschweißen wurde nach dem Argon-Lichtbogen-Schweißverfahren unter VervJendung eines Auftragschweiß gutes auf Einsengrundlage durchgeführt. Als Auftragschweißgut wurde Kompaktdraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm verwendet.
  • Der erwähnte Draht wies folgende Zusammensetzung (in Masseprozent ) auf: Kohlenstoff - 0,1; Mangan - 1,9; Silizium - 0,8; Eisen - Hest.
  • Die erforderliche Einbrandtiefe betrug für die gegebene bauliche Gestaltung des Kolbens 4 bis 5 mm.
  • Das Einbringen des Aui'tragschweißgutes erfolgte bei folgenden uftragschweißparametcrn: Spezifische Lichtbogenleistung, W/cm² ........ 0,7.104 (,chweißstromsturke - 500 A; Schweißstromfrequenz - 50 Hz; Lichtbogenspannung - 15 bis 18 V) Wolframelektrode-Durchmesser, mm ............. 8 Schutzgasverbrauch, l/min .................... 10 Auftragschweißgeschwindigkeit, m/h ........... 180 Drahtzuführungsgeschwindigkeit, m/h .......... 90 Die. erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 50 Masseprozent Legierungselemente einzubringen. Die Grundlage des ituftragmetalls bildete dabei eine intermetallische isen-Aluminium-Verbindung, die sich uurch eine erhöhte Sprödigkeit kennzeichnet.
  • Die gewonnene intermetallische Verbindung wurde in der Aluminiumlegierung aufgelöst. Zu diesem Zweck wurde das Auftragmetall - bei einei Vergrößerung des Schweißbadvolumens wno 7 fache - umgeschmolzen, v.ozu die Auftragschweißgeschwindigkeit von 180 m/h auf 54 m/h herabgemindert wurde. Danach wurde das erhaltene Auftragmetall - bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 4fache - wiederholt umgeschmolzen.
  • Die Auftragschweißgeschwindigkeit wurde dabei von 54 m/h auf 36 m/h herabgesetzt.
  • Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wies folgende Zusammensetzung (in Masserprozent) auf: Silizium - 11,6; Eisen - 5,3; Kupfer - 2,1; Magnesium - O,d; Nickel - 1,2; Mangan - 0,2; Titan 0,1; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es wurde auch seine brinellharte bestimmt.
  • Die Ergebnisse der erwähnten Untersuchungen sind nachstehend zusammengestellt: Zerreißfestigkeit, Pa ................. 180 Brinellhärte, HB: bei 20°C ............................... 125 bei 250°C .............................. 80 Kerbschlagzähigkeit, 7 Im20.......... 0,1 Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wurde metallographischen Untersuchungen unterzogen. Die Untersuchungen haben ergeben, daß das erwähnte Metall ein durch intermetallische Verbindungen verfestigtes heterophasiges Mehrstoffgefüge aufwies, welches ein hohes Elastizitätsmodul gewährleistet, das dem Elastizitätsmodul von Gußeisen nahe kommt.
  • Die PrüSunden der Kolben mit der erwähnten, im Bereich des ersten Kompressionsringes aufgeschmolzenen Hartmetallauftragschicht wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor durch führt. Die Prüfungen haben ergeben, daß die Verschleißfestigkeit der erwähnten Kolben viermal so hoch, wie die der Kolben ohne Hartmetallauftragschicht, ist. Es wurden ferner Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit HartmetallauStragschicht sowie eines Kolbens, welcher im Bereich des ersten Kompressionsringes eine Niresist-Einlage hatte, unmittelbar am Verbrennungsmotor durchgeführt. Diese Prüfungen ergaben, daß die Verschleißfestigkeit der Kolben mit Hartmetallauftragschicht die der Kolben mit Niresist-Einlagen um 10 bis 20 ß übersteigt.
  • Beispiel 2 Das Verfahren wurde in Ubereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
  • Das HartmetallauStragschweiZen wurde an der Teilebene des Zylinderkopfes eines Kraftwagenmotors durchgeführt. Der Zylinderkopf war aus einer Aluminium-Gußleigierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung in Masserprozent) aufwies: Silizium - 8,7; Mangan - 0,2; Nickel- 0,03; Titan - 0,03; Magnesium - 0,3; Eisen - 0,6; Kupfer - 0,1; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragschweißen wurde mit einer Laser-Wärmequelle in einer Schutzgasatmosphäre (Argon) unter Verwendung eines Auftragschweißgutes in Gestalt einer pulverförmigen j'.etalimischung auf Magnesiumgrundlage durchgeführt. Die Metallmischung wies folgende Zusammensetzung (in Masseprozent) auf: Eisen - 10,8; C4rom - 15,6; SLlizium -20,3; Mangan - Rest.
  • Das Einbringen der erwähnten Metallmischung in das Auftragmetall erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern: opezifische Leistung der Laser-Wärmequelle iJ/cm2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . . . l0 Laserstrahl-Schweißdurchmesser, mm ....... 2 Argonverbrauch, l/min .................... 4 bis 6 Auftragschweißgeschwindigkeit, m/h . 80 Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 20 Lasseprozent lletallmisohung auf Mangangrundlage einzubringen. Dabei befanden sich die Legierungselemente im Auftxagmetall in Gestalt von einzelnen spröden intermetalllischen Einschlüssen.
  • Zwecks einer gleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente im Auftragmetall wurde dieses einer Umschmelzung mit Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums lOfache unterzogen. Dies wurde durch Herabminderung der Auftragschweißgeschwindigkeit von 80 m/h auf 10 m/h erzielt.
  • Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wies folgende Zusammensetzung (in Masseprozent) auf: Silizium - 8,6; Mangan - 3,3; Nickel - 0,03; Titan - 0,02; Magnesium - 0,2; Eisen - ; 0,6; Kupfer - V,1 Chrom - 0,8 Alwainium - test.
  • Das Auftragmetall wurde mechanischen Prüfungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestifgkeit unterzogen. Es wurde ebenfalls seine Brinellhärte bestimmt.
  • Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sich nachstehend zusammengestellt: Zerieißfestigkeit, MPa ...................... 200 Brinellhärte, B ............................ 120 Kerbschlagzähigkeit, MJ/m² .................. 0,1 Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wuide metallgraphischen Untersuchungen unterzogen. Die Untersuchungen haben ergeben, daß das Metall ein durch ein Netzwerk aus intermetallischen Verbindungen auf der Grundlage von Mangan und Chrom verfestigtes heterophasiges Gefüge aufwies.
  • Es wurden auch unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Zylinderkopfes für hraftwagenmotoren, der im Bereich der Auslaßöffnungen durch Hartmetallauftragschweißen verfestibt wurde, sowie eines nichtverfestigten Zylinderkopfes für Kraftwagenmotoren durchführt.
  • Die ausgeführten Prüfungen ergaben, daß die Warmefestigkeit des verfestigten Zylinderkopfes zweimal so hoch,wie die eines nichtverfestigten Zylinderkopfes, ist. Dies ermöglicht es, die Sollbetriebszeit des Verbrennungsmotors ums Zweifache zu verlängern.
  • Beispiel 3 Das Verfahren wurde in Ubereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchführt.
  • Das Hartmetallauftragschweißen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich des ersten Kompressionsringes vorgenommen. Der Kolbendurchmesser betrug 100 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Nasseprozent) aufwies: Silizium -- 12,1; Kupfer - 1,6; Magnesium - 0,8; Nickel - 1,4; Eisen -- u,4, Mangan - 0,1; Titan - 0,03; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragschweißen wurde nach dem ßlektronenstratil-chweißverfahren unter Verwendung eines Auftragschwe ißgutee auf Nickelgrundlage durchgeführt. Das Spritzen wurde bei einem Unterdruck von ca. 10 4 Torr nach dem Plasmahartauftragschweißverfahren vorgenommen. Danach ging man zum Aufschmelzen der Spritzmetallschicht über, wozu diese der Einwirkung eines Elektronenstrahls mit einer spezifischen Leistung von 105 W/cm2 und einem Durchmesser von 10 mm bei einer Auftragschweißgeschwindigkeit von 220 mXh ausgesetzt wurde.
  • Die erwahnten Auftragschweißparameter machten es möglioh, in das Auftragmetall 98 Masseprozent Nickel einzubringen.
  • Zur gleichmäßigen Verteilung des Legierungselementes wurde das Auftragmetall umgeschmolzen - bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 6 fache. Dies wurde durch Herabminderung der Auftragschweißgeschwindigkeit von 220 m/h auf 80 m/h erzielt. Danach wurde das gewonnene Auftragmetall bei einer Vergrößerung des chweißbadvolumens ums 7 fache wiederholt umgeschmolzen. Die Auftragschweißgescwindigkeit wurde dabei von 80 m/h auf 25 m/h herabgemindert.
  • Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Masserprozent) auf: Silizium - 11,9; Nickel - ?,O; Kupfer - 1,6; Magnesium - 0,6; Eisen - 0,4; mangan - 0,1; Titan - 0,03; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es wurde auch seine Brinellhärte bestimmt.
  • Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt: Zerreißfestigkeit, Pa .............. 210 Brinellhärte, HB .................... 130 Kerbschlagzähigkeit, MJ/m² .......... 0,1 Es wurden ferner unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleicheprüfungen eines Kolbens mit aufgesciimolzener Hartmetallauftragsohioht sowie eines im Bereich des ersten Kompresionsringes mit einer Niresist-Einlage versehenen Solbens durchgeführt. Diese Prüfungen ergaben, daß die Verschleißfestigkeit der Kolben mit liartmetallauftragschicht die der Kolben mit Niresist-Enlage ums 1,2 fache übersteigt.
  • Beispiel 4 Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
  • Das Hartmetallauftragschweißen wtu'de am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich der Kante des Kolbeninnenraums ausgeführt. Der Kolbendurchmesser betrug 110 mm. Der besagte Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Masserprozent) aufwies: Silizium -- 12,1; Kupfer - 2,2; Magnesium - 0,8; Nickel - 1,3; Eisen -- 0,4; kann - 0,2; Titan - 0,1; Aluminium - Rest.
  • Das erwähnte Auftragschweißen wurde mit Hilfe einer Plasma-Wärmequelle unter Benutzung eines plasmabildenden Gases (Argon) unter Verwendung eines Auftragschweißgutes in Ge-Stalt eines pulverförmigen Metallgemisches auf der Grundlage der Le;ierungselemente durchgeführt. Die erwähnte Metallmischung wies folgende Zusammensetzung (in Masserprozent) auf: Eisen - 20,0; Kobalt - 4,0; Chrom - 10,0; mangan - 5,0; Silizium - 20,0; Vanadium - 2,0; Aluminium - Rest.
  • Das Einbringen des aufgeschmolzenen Metallgemisches in das Auftragmetall erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern: Spezifische Leistung der Plasma-Wärmequelle, W/cm² .. 104 Schweißstromstärke, A ............................. 260 Schweißstromfrequenz, Hz .......................... 50 Lichtbogenspannung, V ........................ 15 bis 18 Wolframelektrode-Durchmesser, mm .............. 5 Sctiutzgasverbrauch, l/min ..................... 6 Auftragschweißgeschwindigkeit, m/h ............ 150 Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 20 Masserprozent Legierungselemente einzubringen. Dabei befanden sich die begierungselelnente im Auftragmetall in Gestalt von einzelnen spröden intermetallisohen Verbindungen.
  • Zwecks einer Gleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente wurde das Auftragmetall - bei l,2facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens - umgeschmolzen. Dies wurde durch ijerabminderung der AuStragschweißgeschwindiskeit von 150 m/h auf 40 m/h erzielt.
  • Das auf solche Welse gewonnene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Masserprozent) auf: Silizium - 11,9; Nickel - 7,0; Kupfer - 1,6; Magnesium - 0,8; Eisen - 0,4; Mangan - 0,1; Titan - 0,03; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es zurde auch seine Brinellhärte bestimmt.
  • Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt: Zerreißfestigkeit, MPa ................ 210 Brinellhärte HB ........................ 130 Kerbschlagzähigkeit, MJ/m² ............. 0,1 Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wurde metallographischen Untersuchungen unterzogen. Diese haben ergeben, daß das metall von feinkörnigem hehrstoffgefüge mit einem Netzwerk aus dendritische Form aufweisenden intermetallischen Verbindungen ist.
  • werner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetellauftragschicht sowie eines Kolbens ohne diese Schioht durchgeführt. Diese Prüfungen ergaben, das die thermozyklische Festigkeit der Kanten der Kolben mit aufgeschmolzener Hartmeta£lauftragschicht diese der Kolben ohne Hartmetallauftragschicut um 50 % übersteigt.
  • Beispiel 5 Das Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
  • Das HartmetallauftragschweL.ßen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereiten des ersten Kompressionsrinsee ausbeführt. Der Kolbendurchmesser betrug 130 mm. Der Kolben war aus einer luminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Masseprozent) aufwies: Silizium - 20,0; Mangan - 0,3; Nickel - 1,5; Titan - 0,2; Magnesium - 0,5; Eisen - 1,3; Kupfer - 3,0; Aluminium - Rest.
  • Das Auftragschwejßen wurde nach dem Argon-Lichtbogen-Schweißverfahren unter Verwendung eines Auftragschweißgutes auf Eisengrundlage durchgeführt. Als Auftragschweißgut wurde gefüllter Schweißdraht in Eisenhülle mit einem Durchmesser von 1,6 mm verwendet.
  • Die Hülle des gefüllten Schweißdrahtes wies folgende Zusammensetzung (in assepr'ozent) auf: Kohlenstoff -- 0,1; Mangan - 1,9; Silizium - 0,8; Eisen - Rest. Die Pulverdrahtzusammensetzung war die folgende (in Masseprozent ) : Chrom - 25,0; Molybdän - 12,0; Vanadium - 13,0 Titan - 20,0; Kobalt - 13,0; Silizium - Rest.
  • Das Einbringen des Auftragschweißgutes erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern: Spezifische Lichtbogenleistung, W/cm² .... 0,8 # 104 Schweißstromstärke, A ............ .. 600 Schweißstromfrequenz, Hz ................. 50 Lichtbogenspannung, V...................... 18 bis 20 Wolframelektrode-Durchmesser, mm........... 10 Schutzgasverbrauch, l/min.................. 10 Auftragschweißgeschwindigkeit, m/h . m/h 180 Schwißdraht-Zuführungsgeschwindigkeit, m/h 180 Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragschweißmetall 30 Masseprozent Legierungselemente einzubringen.
  • Die Grundlage des Auftragmetalls bildete dabei eine intermetallische Verbindung der Lgierungselemnt,-e mit Aluminium.
  • Zwecks Auflösung der gewonnenen intermetallischen Verbindung im Grundwerkstoff wurde das Auftragmetall - bei 7,5facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens - umgeschmolzen. Dies wurde durch Herabminderung der Auftragschweißgeschwindigkeit von 180 m/h auf 45 m/h erzielt. Danach wurde das gewonnene Auftragmetall bei 5facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens wiederhol umgeschmolzen, wobei die Auftragschweißgeschwin digkeit von 45 m/h auf 28 m/h herabgemindert wurde.
  • Das auf solche Weise aufgeschmqlzene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Masseprozent) auf: Silizium -- 19,0; Mangan -0,3; Nickel - 1,4; Titan - 0,2; Magnesium -- 0,4; Lisen - 5,0; Kupfer - 2,d; Chrom - 0,2; Molybdän - 0,1; Vanadium - 0,1; Kobalt - 0,1; Aluminium - erst.
  • Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es wurde auch seine Brinellhälter bestimmt.
  • Die ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt.
  • Zerreißfestigkeit, MPa............... 220 Brinellhärte, HB..................... 135 Kerbschlagzähigkeit, MJ/m²........... 0,1 Ferner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetallauftragschicht sowie eines Kolbens ohne solche Schicht vorgenommen. Diese Prüfungs ergaben, daß die Verschleißfestigkeit eines Kolbeas mit iartmetallauftragschicht diejenige eines Kolbens ohne Hartmetallauftragschicht ums 1,5fache übersteigt.
  • Beispiel 6 Das Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
  • Das Hartmetallauftragschweißen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich des ersten Kompressionsringes ausgeführt. Der Kolbendurohmesser betrug 120 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgenden Zusammensetzung (in Masseprozent) aufweiss. Silizium - 0,1; Mangan - 0,04; Nickel - 0,9; Titan - 0,04; Magnesium - 1,4; Eisen - 0,9; Kupfer - 2,0; Aluminium - Rest.
  • Das erwähnte Auftragschweißen wurde mit Hilfe einer Plasma-Wärmequelle unter Verwendung von Argon als plasmabildendem und Schutzgas vorgenommen. Fur das Auftragschweißßn wurde ein Auftragschweigut in Gestalt eines gefüllten Mehrstoffschweißdrahtes verwendet. Der Schweißdraht stellte einen in einen Al uminiummantel von 2,0-mm-Durchmesser eingeschlossenen Stab vom 0,8-mm-Durchmesser, bestehend aus 50 Laßseprozent Eisen und 50 Masseprozent Nickel, dar.
  • Das Einbringen des Auftragschweißgutes erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern: Spezifische Leistung der Plasma-Wärmequelle, W/cm²........................... 0,7 # 104 Schweißstromstärks, A................... 500 Schweißstromfrequenz, Hz ..... ........... 50 Lichtbogenspannung, V ................... 16 bis 17 Wolframelektrode-Durchmesser, mm ........ 8 Schutzgasverbrach, l/min............... 9 Auftragschweißgeschwindigkeit, m/h..... 200 Schweißdraht-Zuführungsgeschwindigkeit, m/h 280 Die erwähnten Auftragschweißparauieter machten es möglich* in das Auftragmetall 60 Masseprozent Legierungselemente einzubringen.
  • Dabei bildete der über eine erhöhte Sprödigkeit verfügende intermetallische Eisen-Nickel-Aluminium-Einschluß die Grundlage des Auftragmetalls.
  • Die gewonnene intermetallische Verbindung wurde in der Aluminiumlegierung so lange aufgelöst, bis eine intermetallische Eisen-Nickel-Aluminium-Verbindung gebildet wurde, die sich durch eine erhöhte Festigkeit und Beständigkeit auszeichnet. Zu diesem Zweck wurde das gewonnene Auftragmetall - bei einer 9fachem Vergrößerung des schweißbadvolumens - umgeschmolzen. Dies wurde durch Herabminderung der Auftragschweißgeschwindigkeit von 200 m/h auf 30 m/h erzielt.
  • Das auf solche Weise aufgeschmolzene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Masseprozent) auf: Silizium -- 0,1; Mangan - 0,03; Nickel - 3,4; Titan - ü,04; b.agnesi um - 1,4; Eisen - 3,5; Kupfer - 2,0; Aluminium - Rest.
  • lui weiteren wurde das Auftragmetall mechanischen Prüfungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen.
  • Es wurde ebenfalls seine Brinellhärte bestimmt.
  • Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt: Zerreißfestigkeit, MPa ............. 250 Brinellhärte, HB . . .......... 140 Kerschlagzähigkeit, MJ/m²......... 0,1 Ferner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vcrgleiohsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetallauftragschicht sowie eines Kolbens ohne solche schicht durohgeführt. Diese Prüfungen haben ergeben, daß die Verschleißfestigkeit eines Kolbens mit Hartmetallauftra6"schicht 1,5 mal so hoch, wie diejenige eines Kolbens ohne Hartmetallauftragschicht, ist.
  • Beispiel 7 (negativ) Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 2 beschriebene Weise durchgeführt.
  • In das Auftragmetall wurden aber 15 hlaessprozent Metallgemisch eingebracht. Dabei kam es nicht nur zur Bildung von einzelnen intermetallischen Einschlüssen durch die Begierungseleluente, sondern auch zur Ablagerung der letzteren im Auftragmetail in Gestalt von nichtaufgeschmolzenen Partikeln.
  • Deshalb erscheint die Fortsetzung des Auftragschweißvorgangs unzweckmäßig, da es zur ungleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente kommt, wodurch eine erhöhte Sprödigkeit der Auftragschicht verursacht wird.
  • Beispiel 8 (negativ) Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 3 beschriebene Weise durchgeführt.
  • Der bjetallspritzüberzu6 des Kolbens wurde Jedoch mit einem Elektronenstrahl mit einer spezifischen Leistung von 106 W/cm2 aufgeschmolzen.
  • Die Erhöhung der spezifischen Leistung der Wärmequelle oberhalb des angegebenen oberen Grenzwertes führt zu einer erhöhten Verdunstung des schmelzflüssigen etalls, was Verluste an Legierungselemente im Auftragmetall, störungen bei der Bildung der Auftragschicht sowie die Entstehung eines dumnen Metallbeschlags an den Schlaulöchern der Vakuumkammer zur Folie hat.
  • Beispiel 9 (negativ) Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise durchgeführt. Die spezifische Dichtbogenleistung betrug aber 0,8 . 103 W/cm2.
  • Die Herabminderung der spezifischen Lichtbogeneistung unterhalb des . mindestzulässigen Grenzwertes hatte zur Folge, daß es nicht gelungen war, das AuStragsohweißgut aufzuschmelzen.
  • Daher war die Fortsetzung des Auftragschweißvorgangs unmöglich.
  • Beispiel 10 (negativ) Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 5 beschriebene Weise durchgeführt. Das Auftragschweißen wurde aber bei einer 12facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens durchgeführt. Dabei bilden die tegierungselemente einzelne spröde interinetallische Einschlüsse von bedeutenden Abmessungen in der Auftragschicht, die eine sprunghafte Herabsetzung der Kerbschlagzähigkeit der aufgeschmolzenen Metallschicht verursachen. Durch das darauffolgenden Umschmelzen konnte dieser Nachteil nicht behoben werden, weil die Temperatur des Schweißbades bei einer derartigen Prozeßführunde nicht über 90000 erhöht werden kann, während die erww"mten Einschlüsse eine Scimelztemperatur von 1300 bis 140000 haben.
  • Vorstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindurch erläutert, welche verschiedene für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik offenkundige Änderungen und Ergänzungen zulassen. Demzufolge ist die Erfindung durch die erläuterten.
  • Beispiele oder einzelnen E1e;ente nicht eingeschränkt und kann geändert werden, ohne daß die Änderungen vom Wesen und vom durch die Patentansprüche definierten Rahmen der Erfindung abweichen.

Claims (1)

  1. VERFAHREN ZUM AUFTRAGSCHWEISSEN EINER METALLSCHICHT AUF EINE ALUMINIUMLEGIERUNG PATENTANSPRUCH 0 Verfahren zum Auftragschwetßen einer äetallschioht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung eines Auftragschweißgutes auf der Grundlage eines Legierungselementes, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß das Auftragschweißen bei einer spezifischen Leistung der Wärmequelle von 103 bis 105 W/cm² durchgeführt wird und das Auftragschweißgut in das Schweißbad in einer Menge von 20 bis 98 Masseprozent eingebracht wird, wonach das Auftragmetall mit einer 1,2- bis lOfachen Vergrößerung des Schweißbadvolumens beim jeweiligen Aufschmelzen umgeschmolzen wird.
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