DE3114701C2 - Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Schweißtechnik. Das Verfahren besteht im Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung von Auftragschweißgut auf der Grundlage eines Legierungselementes. Das Auftragschweißen wird bei einer spezifischen Leistung der Wärmequelle von 10 ↑3 bis 10 ↑5 W/cm ↑2 durchgeführt, wobei das Auftragschweißgut und das Schweißbad in einer Menge von 20 bis 98 Masseprozent eingebracht wird, worauf das Auftragmetall bei einer 1,2- bis 10fachen Vergrößerung des Schweißbadvolumens umgeschmolzen wird. Mit dem größten Nutzeffekt kann die Erfindung bei der Herstellung von Fahrzeug-, Schiffs- und ortsfesten Verbrennungsmotoren sowie im Flugzeug- und Raketenbau verwendet werden.

Description

20
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung eines Auftragschweißgutes auf der Grundlage mindestens eines Legierungselementes.
Bei der Herstellung von Fahrzeug-, Schiffs- und ortsfesten Verbrennungsmotoren sowie im Flugzeug- und Raketenbau haben gegenwärtig Aluminiumlegierungen eine breite Verwendung gefunden.
Die ständig zunehmende Leistungserhöhung 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 Temperaturen und gleichzeitiger Wirkung von Schlagbeanspruchungen ausgesetzten Baugruppen und -teilen gestellt wird, ist ihre Verschleißfestigkeit. Zur weiteren Erhöhung der durch die Betriebsbedingungen bedingte Verschleißfestigkeit von aus Aluminiumlegierungen gefertigten Teilen ist ein derart hoher Gehalt an Legierungselementen erforderlich, daß solche Teile nach herkömmlichen Hersteliungverfahren 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 Metall. Die Möglichkeiten (!er Schweißtechnologie der Aluminlumlcgierungen sind aber ebenfalls beschränkt, well das Einbringen von gro-Ben Mengen an Legierungselementen in das Auftragsmetali nach den bisher bekannten Verfahren unmöglich ist.
Es ist ein Verfahren zum Hartmetallauftragschweißen auf eine Aluminiumlegierung durch Verwendung von mit dünnem (0,2 mm-starkem Nickeldraht verfestigtem Aluminlunidraht als Auftragschweißgut bekannt (s. Nikitin, N. D.. Schalaja, A. N. und Wassllijew, Ju. A. »lspytanija aluminijewych porschnej dlselej s isnossostojkoi naplawkoj«, Moskau. Nll-lnformtjashmasch, (,ο
Is ist aber nicht möglich, durch das erwähnte Verfahren eine gleichmäßige Verteilung von Nickel in der Auftragschicht /11 gewährleisten, wodurch die Verschleißfestigkeit der \erlestigten Teile beeinträchtigt (,s wird. Ferner ist das genannte Verfahren wenig produkte Die Aul'tragsehweißgcschwindigkcit beträgt höchstens Id bis 20 m/h. Darüber hinaus ist für die Durchführung des erwähnten Verfahrens eine Vorwärmung der zu bearbeitenden Erzeugnisse auf eine Temperatur vor. 200° C 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 Herstellungstechnologie von Mehrstoffdraht ziemlich arbeitsaufwendig und bisher nur unter Laborbedingungen 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 zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung zu erarbeiten, welches es ermöglicht, zugleich mit der Erhöhung der Auftragschwelßleistung die Betriebskennwerte der aus Aluminiumlegierungen hergestellten Teile durch Änderung der Auftragschweißparameter zu verbessern, weiche die Verwendung eines im wesentlichen Legierungselemente enthaltenden Auftragschweißgutes gewährleisten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung von Auftragschweißgut auf der Grundlage von Legierungselementen das Auftragschweißen erfindungsgemäß bei einer spezifischen Leistung der Schweißwärmequelle von 10' bis 105 W/cm3 durchgeführt wird und das Auftragschwcißgut In einer solchen Menge In das Schweißbad eingebracht wird, daß dieses sich zu 20 bis 98 Gew.-% aus Auftragschweißgut, Rest aufgeschmolzener Aluminiumlegierung, zusammensetzt, wonach das Auftragmetall umgeschmolzen wird und sich das Schweißbadvolumen beim jeweiligen Aufschmelzen ums 1,2-bis lOfache vergrößert.
Das Einbringen des Auftragschweißgutes in das Schweißbad wird vorzugsweise In mehreren Stadien durchgeführt. Zu Anfang soll der Anteil des einzubringenden Auftragschweißgutes 20 bis 98 Gew.-% im Schweißbad betragen. Eine gleichmäßige Verteilung des Auftragschweißgutes über das Schweißbadvolunien wird durch die Verwendung einer konzentrierten Schweißwärmequelle (spezifische Leistung 10' bis 10! W/cm:) Im Vergleich zu den für die Erhaltung eines ähnlichen Schweißbadvoluniens herkömmlicherweise verwendeten Schwelßwärmequellcn - gewährleistet.
Insbesondere ist beim Lichtbogenauftragschweißen die Schweißstromstärke ums 1,5- bis 3fache zu vergrößern - bei gleichzeitiger Erhöhung der Auftragschweißgeschwindigkeit ums 3- bis lOfache. Dabei sind eventuelle Schweißnahtdefekte, wie Einbrandkerben und dergleichen möglich, die aber bei darauffolgender Auftragschweißführung geglättet werden.
Dabei reicht es aus, für einen Anteil des Auflragschweißgutes im Schweißbad von 20% die Schweißstromstärke ums l,5fache zu vergrößern und die Auftragschweißgeschwindigkcit ums 3fache zu erhöhen, während für einen Anteil an Auftragschweißgut von 98% im Schmelzbad die Schweißstromstärke ums 3fache zu vergrößern und die Schweißgeschwindigkeit ums lOfache zu erhöhen sind. Es sollte hervorgehoben werden, daß die Erhöhung beziehungsweise Vergrößerung der Auftragschweißparameter nur wahrend der Einbringung des Auftragschweißgutes vor sich geht. Das darauffolgende Umschmelzen erfolgt ohne Einbringen des Auftragschweißgutes, so daß in diesem Stadium normale Schweißparameter eingehallen werden. Mit Jen
normalen Schweißparametern sind solche Parameter gemeint, wenn zum Auftragschweißen einer 5 mm-siarken Metallschicht ein Schweißstrom von 250 bis 300 A und eine Schweißgeschwindigkeit von 16 bis 20 m/h verwendet werden.
Beim darauffolgenden Umschmelzen des während des Anfangsstadiums des Auftragschmelzvorgangs aufgeschmolzenen Metalls ist das Schweißbadvolumen ums 1,2- bis lOfache zu vergrößern. Dies ha; zum Zweck, eine gleichmäßige Verteilung der Leglerungselemente zu gewährleisten.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Auftragschweißverfahrens wird es möglich, die Verschleißfestigkeit, Wännebeständigkeit sowie andere Betriebskennwerte der der Einwirkung von lokalen Beanspru- is chungen 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 Sollbetriebszeil ums 1,5- bis 2fache zu verlängern 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
Das Verfahren gemäß der erfindungsgemäßen Technologie wurde in folgender Weise durchgeführt.
Das Harimetallauftragschweißen 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 Gew.-96): Silizium = 12,1; Magnesium = 0,8; Nickel = 1,3; Eisen = 0,4; Mangan = 0,2; Titan = 0,1; Aluminium = Rest.
Das Auftragschweißen wurde nach dem Argon-Lichtbogen-Schwelßverfahren unter Verwendung eines Auftragschweißgutes auf Elsengrundlage durchgeführt. Als Auftragschweißgut wurde Kompaktdraht mit einem Durchmesser von 1,2 mm verwendet.
Der erwähnte Draht wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: Kohlenstoff = 0,1; Mangan = 1,9; Silizium = 0,8; Eisen = Rest.
Die erforderliche Einbrandtiefe betrug für die gegebene bauliche Gestaltung des Kolbens 4 bis 5 mm.
Das Einbringen des Auftragschweißgutes erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern:
30
35
40
45
50
Spezifische Lichtbogenleistung: 0,7 · 10" W/cm2
(Schweißstromstärke: 500 A; Schweißstromfrequenz: 50 Hz;
Lichtbogenspannung: 15 bis 18 V)
Wolframelektrode-Durchmesser: 8 mm
Schutzgasverbrauch: 10 l/min
Auftragschweißgeschwindigkeit: 180 m/h Drahtzuführungsgeschwindigkeil: 90 m/h
Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 50 Gew.-% Legierungselemente einzubringen. Die Grundlage des Auftragmetalls bildete dabei eine Intermetallische Elsen-Aluminium-Verbindung, die sich durch eine erhöhte Sprödlgkcit kennzeichnet.
Die gewonnene intermetallische Verbindung wurde in der Aluminiumlegierung aufgelöst. Zu diesem Zweck wurde das Auftragmetall - bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 7fache - umgeschmolzen, wozu die Schweißgeschwindigkeit von 180 m/h auf 54 rn/h herabgemindert wurde. Danach wurde das erhaltene Auftragmetall - bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 4fache - wiederholt umgeschmolzen. Die Schweißgeschwindigkeit wurde von 54 m/h auf 36 m/h herabgesetzt.
Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-96) auf: Silizium = 11,6; Elsen = 5,3; Kupfer = 2,1; Magnesium = 0,8: 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 Brinellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Untersuchungen sind nachstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 180 MPa
Brineilharte: bei 20° C 125HB
bei 250° C 80 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ/m2
Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetal! wurde metallographischen Untersuchungen unterzogen. Die Untersuchungen haben ergeben, daß das erwähnte Metall ein durch Intermetallische Verbindungen verfestigtes heterophasiges Mchrstoffgefüge aufwies, welches ein hohes Elastizitätsmodul gewährleistet, das dem Elastizitätsmodul von Gußeisen nahe kommt. Die Prüfungen der Kolben mit der erwähnten, im Bereich des ersten Kompressionsringes aufgeschmolzenen Hartmetallauftragschicht wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor durchgeführt. Die Prüfungen haben ergeben, daß die Verschleißfestigkeit der erwähnten Kolben viermal so hoch, wie die der Kolben ohne Hartmetallauftragschicht ist. Es wurden ferner Vergleichsprülungen eines Kolbens mit Hartmetallauftragschicht sowie eines Kolbens, welcher Im Bereich des ersten Kompressionsringes eine Niresist-Einlage hatte, unmittelbar am Verbrennungsmotor durchgeführt. Diese Prüfungen ergeben, daß die Verschleißfestigkeit der Kolben mit Hartmetallauftragschicht die der Kolben mit Nlresist-Einlagen um 10 bis 20% übersteigt.
Beispiel 2
Das Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
Das Hartmetuliauftragschweißen wurde an der Teilebene des Zylinderkopfes eines Kraftwagenmotors durchgeführt. Der Zylinderkopf war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) 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) unier Verwendung eines Auftragschweißgutes in Gestalt einer pulverförmigen Metallmischung auf Magnesiumgrundlage durchgeführt. Die Metallmischung wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-",,) auf: Eisen= 10.S: Chrom = 15,6; Silizium = 20,3; Mangan = Rest
Das Einbringen der erwähnten Metallmischung in J.i-
Auftragmetall erfolgte bei folgenden Auftragschweißparameiern:
Spezifische Leistung
der Laser-Wärmequelle: 103 W/cm2
Laserstrahl-Schweißdurchmesser: 2 mm
Argonverbrauch: 4 bis 6 l/min
Auftragschweißgeschwindigkeit: 80 ni/h
Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 20 Masse% Metallmischung auf Mangangrundlage einzubringen. Dabei befanden sich cie Legierungselemente im Auftragmetall in Gestalt von einzelnen spröden intermetallischen 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 Schweißgeschwindigkeit von 80 m/h auf 10 m/h erzielt.
Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: Silizium =8,6; Mangan = 3,3; Nickel =0,03; Titan = 0,02; Magnesium = 0,2; Eisen = 0,6; Kupfer = 0,1; Chrom = 0,8; Aluminium = Rest.
Das Auftragmetall wurde mechanischen Prüfungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es wurde ebenfalls seine Brinellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sinö nachstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 200 MPa
Brinellhärte: 120 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ/m2
Das auf solche Weise aufgeschmolzene Metall wurde metallographischen 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 Vergleichsprüfungn eines Zylinderkopfes für Kraftwagenmotoren, der im Bereich der Auslaßöffnungen durch Hartmetallauftragschweißen verfestigt wurde, sowie eines nichtverfestlgten Zylinderkopfes für Kraftwagenmotoren durchgeführt.
Die ausgeführten Prüfungen ergaben, daß die Wärmefestigkeit 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 Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
Das Hartmetallauftragschweißen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich des ersten KompresMonsringes vorgenommen. Der Kolbendurchrr.esser betrug 100 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung Hn Gew.-",,) aufwies: Silizium = 12,1; Kupfer= 1.6; Magnesium = 0,8; Nickel = 1.4; Eisen = 0,4; ManiMη = 0.1: Titan = 0,03; Aluminium = Rest.
Das Auftragschweißen wurde nach dem Elektronensirahl-Schweißverfahren unter Verwendung eines Auftragschwelßgutes auf Nickelgmndlage 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 10s W/cm2 und einem Durchmesser von 10 mm bei einer Auftragschweißgeschwindigkeit von 220 m/h ausgesetzt wurde.
Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 98 Masse* Nickel einzubringen.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Legierungselementes wurde das Auftragmetall umgeschmolzen - bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 6fache. Dies wurde durch Herabminderung der Schweißgeschwindigkeit von 220 m/h auf 80 m/h erzielt. Danach wurde das gewonnene Auftragrnetall bei einer Vergrößerung des Schweißbadvolumens ums 7fache wiederholt umgeschmolzen. Die Schweißgeschwindigkeit wurde von 80 m/h auf 25 m/h herabgemindert.
Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Gew-%) 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 wurde auch seine Brinellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 210 MPa
Brinellhärte: 130 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ'm2
35 Es wurden ferner unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetallauftragschicht sowie eines Im Bereich des ersten Kompressionsringes mit einer Niresist-Einlage versehenen Kolbens durchgeführt. Diese Prüfungen ergaben, daß die Verschleißfestigkeit der Kolben mit Hartmetallauftragschicht die der Kolben mit Niresist-Einlage ums l,2fache übersteigt.
45
Beispiel 4
Das Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
Das Hartmetallauftragschweißen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich der Kante des Kolbeninnenraums ausgeführt. Der Kolbendurchmesser betrug 110 mm. Der besagte Kolben war aus einer AIumlnium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Ge\v.-%) aufwies: Silizium= 12,1; Kupfer =2,2; Magnesium = 0,8; Nickel = 1,3; Eisen = 0,4; Mangan = 0,2; Titan = 0,1; Aluminium = Rest.
Das erwähnte Auftragschweißen wurde mit Hilfe einer Piasma-Wärmequelle unter Benutzung eines plasmabildenden Gases (Argon) unter Verwendung eines Auftragschweißgutes in Gestalt eines pulverförmiger! Metallgemisches auf der Grundlage der Legierangseicmente durchgeführt. Die erwähnte Metallmischunu wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-",.) aiii: Eisen = 20,0; Kobalt = 4,0: Chrom = 10.0; Mangan = 5,0: Silizium = 20,0; Vanadium = 2,0; Aluminium = Resi. Das Einbringen des aufgeschmolzenen Metallgemi-
sches in das Auftragmetall erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern:
Spezifische Leistung
der PlasmaWärmequelle: 104 W/cm2 Schweißstromstärke: 260 A
Schweißstromfrequenz: 50 Hz Lichtbogenspannung: 15 bis 18 V Wolframelektrode-Durchmesser: 5 mm Schulzgasverbrauch: 6 l/min
Auftragschweißgeschwindigkeit: 150 m/h
Die erwählen Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Aufiragmetall 20 Masse* Legierungseiemente einzubringen. Dabei befanden sich die Lcgicrungselemente im Auftragmetall in Gestalt von einzelnen spröden intermetallischen Verbindungen.
Zwecks einer gleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente wurde das Auftraginetail - bei l,2facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens - umgeschmolzen. Dies wurde durch Herabminderung der Schweißgeschwindigkeit von 150 m/h auf 40 m/h erzielt.
Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (In Gew.-%) auf: Silizium = 11,9; Nickel = 7,0; Kupfer = 1,6; Magnesium = 0.8; Elsen = 0,4; Mangan = 0,1; Titan = 0,03; Aluminium = Rest.
Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unierzogen. Es wurde auch seine Brlnellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 210 MPa
Brinellhärte: 130 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ/m2
35
Das auf solche Weise gewonnene Auftragmetall wurde metallographischen Untersuchungen unterzogen. Diese haben ergeben, daß das Metall von feinkörnigem Mehrstoffgefüge mit einem Netzwerk aus dendritische Form aufweisenden intermetallischen Verbindungen Ist.
Ferner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hanmeiallaufiragschicht sowie eines Kolbens ohne diese Schicht durchgeführt. Diese Prüfungen ergaben, das die thermozyklische Festigkeit der Kanten der Kolben mit aufgeschmolzener Hartmetaliauftragschicht diese der Kolben ohne Hartmetaliauftragschicht um 50% übersteigt.
Beispiel 5
Das Verfahren wurde in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt.
Das Hartmetallauftragschweißen wurde am Kolben eines Verbrennungsmotors im Bereich des ersten Kompressionsringes ausgeführt. Der Kolbendurchmesser betrug 130 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) 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 Auftragschweißen wurde nach dem Argon-Lichtbogen-Schwelßverfahren 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 Gew.-"o) auf: Kohlenstoff = 0.1: Mangan =1,9; Silizium = 0,8; Elsen= Rest. Die Pulverdrahtzusammensetzung war die folgende (in Masse";.); 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: 0,8 ■ 10' W/cnr
Schweißstromstärke: 600 A
Schweißstromfrequenz: 50 Hz
Lichtbogenspannung: 18 bis 20 V
Wolfrarnelektrode-Durchmesser: 10 mm
Schutzgasverbrauch: 10 l/min
Auftragschweißgeschwindigkeit: 180 m/h
Schweißdraht-Zuführungsgeschwindigkeit: 180 m/h
Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, In das Auftragschweißmetall 30 Masse1« Legierungselemente einzubringen.
Die Grundlage des Auftragmetalls bildete dabei eine intermetallische Verbindung der Legierungselemente 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 Schweißgeschwindigkeit von 180 m/h auf 45 m/h erzielt. Danach wurde das gewonnene Auftragmetall bei 5facher Vergrößerung des Schweißbadvolumens wiederholt umgeschmoizcn; die Schweißgeschwindigkeit wurde von 45 m/h auf 28 m/h herabgemindert.
Das auf solche Weise aufgeschmolzene Auftragmetall wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: Silizium = 19,0; Mangan = 0,3; Nickel = 1,4; Titan = 0,2; Magnesium = 0,4; Eisen = 5,0; Kupfer = 2,8; Chrom = 0.2; Molybdän = 0,1; Vanadium = 0,1; Kobalt = 0,1;
Aluminium = Rest.
Das Auftragmetall wurde mechanischen Untersuchungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeil unterzogen. Es wurde auch seine Brinellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nachstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 220 MPa
Brinellhärte: 135 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ/m2
Ferner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetallauftragschicht sowie eines Kolbens ohne solche Schicht vorgenommen. Diese Prüfungen ergaben, daß die Verschleißfestigkeit eines Kolbens mit Hartmetallauftragschicht diejenige eines Kolbens ohne Hartmetallauftragschicht ums l,5fache übersteigt.
60
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 Kolbendurchmesser betrug 120 mm. Der Kolben war aus einer Aluminium-Gußlegierung gefertigt, welche folgende Zusammen-
scizung (in Gew.-96) aufwies: 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 Schulzgas vorgenommen. Für das Auftragschweißen wurde ein Auftragschweißgut in Gestalt eines gefüllten Mehrstoffschweißdrahtes verwendet. Der Schweißdraht stellte einen in einen Aluminummantel von 2,0-mm-Durchmesser eingeschlossenen Stab von 0,8 mm-Durchmesser, bestehend aus 50 Masse* Eisen und 50 Masse* Nickel, dar.
Das Einbringen des Auftragschweißgutes erfolgte bei folgenden Auftragschweißparametern:
15
Spezifische Leistung
der Plasma-Wärmequelle: 0,7 · 104 W/cm2
Schweißstromstärke: 500 A
Sehweißstromfrequenz: 50 Hz
Lichtbogenspannung: 16 bis 17 V Wolframelektrode-Durchmesser: 8 mm
Schutzgasverbrauch: 9 1/mln
Auftragschweißgeschwindigkeit: 200 m/h
Schweißdraht-Zuführungsgeschwindigkeit: 280 m/h
25
Die erwähnten Auftragschweißparameter machten es möglich, in das Auftragmetall 60 Masse% Legierungselemente einzubringen.
Dabei bildete der über eine erhöhte Sprödlgkeit verfügende intermetallische Eisen-Nickel-Aluminium-Ein-Schluß die Crundlage 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 9fachen Vergrößerung des Schweißbadvolumens - umgeschmolzen. Dies wurde durch Herabminderung der Schweißgeschwindigkeit von 200 m/h auf 30 m/h erzielt.
Das auf solche Weise aufgeschmolzene Auftragmetal! wies folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf: Silizium = 0,1; Mangan = 0,03; Nickel = 3,4: Titan = 0,04; Magnesium = 1,4; Eisen = 3,5; Kupfer = 2,0; Aluminium = Rest.
Im weiteren wurde das Auftragmetall mechanischen Prüfungen auf Kerbschlagzähigkeit und Zerreißfestigkeit unterzogen. Es wurde ebenfalls seine Brinellhärte bestimmt.
Die Ergebnisse der erwähnten Versuche sind nächstehend zusammengestellt:
Zerreißfestigkeit: 250 MPa
Brinellhärte: 140 HB
Kerbschlagzähigkeit: 0,1 MJ/m2
Ferner wurden unmittelbar am Verbrennungsmotor Vergleichsprüfungen eines Kolbens mit aufgeschmolzener Hartmetallauftragschicht sowie eines Kolbens ohne solche Schicht durchgeführt. Diese Prüfungen haben ergeben, daß die Verschleißfestigkeit eines Kolbens mit Hartmetallauftragschicht l,5mal 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 Gew.-",, Metallgemisch eingebracht. Dabei kam es nicht nur zur Bildung von einzelnen Intermetallischen Einschlüssen durch die Legierungselemente, sondern auch zur Ablagerung der letzteren Im Auftragmetall in Gestalt von nichtaufgeschmolzenen Partikeln. Deshalb erscheint die Fortsetzung des Auftragschweißvorgangs unzweckmäßig, da es zur ungleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente kommt, wodurch eine erhöhte Sprödlgkeit der Auftragschicht verursacht wird.
Beispiel 8 (negativ)
Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 3 beschriebene Weise durchgeführt.
Der Metallspritzüberzug des Kolbens wurde jedoch mit einem Elektronenstrahl mit einer spezifischen Leistung von 106 W/cm! aufgeschmolzen.
Die Erhöhung der spezifischen Leistung der Wärmequelle oberhalb des angegebenen oberen Grenzwertes führt zu einer erhöhten Verdunstung des schmelzflüssigen Metalls, was Verluste an Legierungselementen im Auftragmetall, Störungen bei der Bildung der Auftragschicht sowie die Entstehung eines dünnen Metallbeschlags an den Schaulöchern der Vakuumkammer zur Folge hat.
Beispiel 9 (negativ)
Das Verfahren wurde im wesentlichen auf die im Beispiel 1 beschriebene Welse durchgeführt. Die spezifische Lichtbogenleistung betrug aber 0,8 · 10J W/cm2.
Die Herabminderung der spezifischen Lichtbogenleistung unterhalb des mindestzulässigen Grenzwertes hatte zur Folge, daß es nicht gelungen war, das Auftragschweißgut 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 12fachen Vergrößerung des Schweißbadvoiurnens durchgeführt. Dabei büden die Legierungselemente einzelne spröde intermetallische Einschlüsse von bedeutenden Abmessungen in der Auftragschicht, die eine sprunghafte Herabsetzung der Kerbschlagzähigkeit der aufgeschmolzenen Metallschicht verursachen. Durch das darauffolgende Umschmelzen konnte dieser Nachteil nicht behoben werden, well die Temperatur des Schweißbades bei einer derartigen Prozeßführung nicht über 900° C erhöht werden kann, während die erwähnten Einschlüsse eine Schmelztemperatur von 1300 bis 1400° C haben.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung unter Verwendung eines Auftragschweißgutes auf der Grundlage mindestens eines Legierungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftragschweißen bei einer spezifischen Leistung der Schweißwärmequelle von 10! bis 10s W/cm2 durchgeführt wird und das Auftragschweißgut in einer solchen Menge in das Schweißbad eingebracht wird, daß dieses sich zu 20 bis 98 Gev/.-% aus Auftragschweißgul, Rest aufgeschmolzene Aluminiumlegierung, zusammensetzt, wonach das Auftragmetall mit einer 1,2- bis is lOfachen Vergrößerung des Schweißbadvolumens beim jeweiligen Aufschmelzen umgeschmolzen wi^d.
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