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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Mantelelektrode zur Metalllichtbogenschweißung
unter Schutzgas. Die Mantelelektrode enthält eine relativ große Menge Nickel und
ist geeignet zur Verwendung in der Auftragsschweißung' zum Zwecke, einem Metallkörper,
wie etwa einer aus Gußeisen hergestellten Metallform, eine harte Oberfläche zu verleihen.
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Es ist zur Zeit weit verbreitet, Gußeisen als Material relativ groß
bemessener Metallkörper und Vorrichtungen zur Preßverformung von Stahlblech zu verwenden.
Beispielsweise werden in der Automobilindustrie aus Gußeisen hergestellte, sehr
großformatige Metallformen zur Gestaltung von Verkleidungen für Autos verwendet.
Natürlich ist es notwendig, solchen Metallformen durch eine bestimmte Art von Oberflächenbehandlung
eine harte Oberfläche zu verleihen, Gemäß dem jüngster Trend in der Automobilgestaltung
besteht ein zunehmender Bedarf, ein sehr strenges und genaues Streckziehverfahren
auszuüben, um eine wünschenswert geformte Verkleidung zu erhalten, und somit wird
der Abriebbeständigkeit und Gleiteigenschaft der Formoberfläche größere Aufmerksamkeit
zugewandt. Es ist verständlich, daß ein Abrieb der Formfläche zu einer Herabsetzung
der Dimenw sionsgenauigkeit der geformten Verkleidung führt und die Notwendigkeit
beträchtlicher Zeit und Anstrengung zur Wiederherstellung der Form erfordert. Wo
die Gleiteigenschaften der Formfläche ungenügend sind, neigt das Streckziehverfahren
dazu, ein Festfressen zwischen der Formfläche und dem Stahlblech, das mit der Formfläche
in Gleitkontakt gebracht wurde, und das Auftreten von Kratzern auf der germten Verkleidungsoberfläche
oder einer nicht zufriedenstellenden Oberflächenrauhigkeit der geformten Verkleidung
zu erleiden.
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Hartchromplattierung ist ein Beispiel der Oberflächenbehandlungsmethoden,
um einen Gußeisenkörper mit einer harten, abriebbeständigen und weitgehend reibungsfreien
Uberzugsschicht zu versehen. Jedoch neigt, im Falle großformatiger Metallformen
für das forcierte Streckziehen, die plattierte Chromschicht dazu, während des Bearbeitens
von der Gußeisenoberfläche abzublättern. Daher ist es zur Praxis geworden, durch
ein überschichtungsschweißverfahren oder Auftragsschweißverfahren eine harte Uberzugsschicht
aufzubringen. Jedoch sind bis jetzt für diesen Zweck entwickelte, auf Eisen basierende
Schweißmaterialien überwiegend wegen der starken Auftrittsmöglichkeit von Schweißrissen
im allgemeinen unbefriedigend. Daneben besitzt ein von diesen Schweißmaterialien
stammendes, abgeschiedenes Metall ungenügende Gleiteigenschaft, so daß die Verwendung
einer durch dieses Schweißverfahren behandelten Metallform zu einer beträchtlichen
Verkratzung des Formgegenstandes führt. Weiterhin ist die behandelte Formfläche
selbst beträchtlichem Abrieb ausgesetzt. Daher wird es in diesem Falle erforderlich,
ein hochwirksames Schmier- bzw.
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Gleitmittel beim Preßformungsverfahren zu verwenden.
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In jüngster Zeit entwickelte Schweißmaterialien auf Nikkelbasis sollen
für die Verwendung im Auftragsschweißver fahren, um OuBeisenkörper mit einer harten
und reibungsfreien Uberzugs#chicht zu überziehen, geeignet sein. Tatsächlich kann,
wenn diese auf Nickel basierend#Schweißmaterialien auf Metallformen aufgetragen
werden, die Wahrscheinlichkeit des Verkratzens der Formgegenstände stark herabgesetzt
werden. Jedoch sind diese auf Nickel basierenden Schweißmaterialien bezüglich der
Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls im allgemeinen unzureichend, so daß
die mit diesen Schweißmaterialien behandelten Metallformen eine geringe Lebensdauer
besitzen und
dazu neigen, ein Runzeln bzw. Welligwerden der Formgegenstände,
insbesondere im Falle des Formens großbemessener Verkleidungen, zu verursachen.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mantelelektrode zur
Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas zur Verfügung zu stellen, wobei diese
Elektrode ein abgeschiedenes Metall mit hoher Abriebbeständigkeit und guter Gleiteigenschaft
liefert, ohne Schweißrisse zu erleiden, sogar bei Verwendung in der Schweißung auf
einem relativ großen Gußeisenkörper, und demzufolge für die Verwendung in der Auftragsschweißung
auf Metallformen geeignet ist.
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Eine erfindungsgemäße Elektrode zur Metallichtbogenschweißung unter
Schutzgas besteht aus einem Kerndraht und einer Ummantelung und weist solche Mengen
an Nickel, Silicium, Bor, Niob, Kohlenstoff und Zirkonium als wesentliche Legierungselemente
auf, daß das von der Elektrode gelieferte, abgeschiedene Metall mindestens 40 Gew.%
Nikkel, 3 bis 8 Ges.% Silicium, 0,1 bis 0,5 Ges.% Bor, 0,3 bis 2,0 Gew. Niob, 0,2
bis 1,5 Gew. Kohlenstoff und 0,01 bis 0,20 Gew.% Zirkonium enthält.
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Obwohl unwesentlich, kann diese Mantelelektrode weiterhin Eisen als
ein zusätzliches Legierungselement aufweisen.
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Es ist bevorzugt, daß die Gesamtmenge des in der Mantelelektrode enthaltenen
Nickels im Kerndraht vorliegt, wohingegen die anderen wesentlichen Legierungselemente
sämtlich in der Ummantelung enthalten sind.
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Vorzugsweise ist der Kerndraht entweder ein hauptsächlich aus Nickel
bestehender Draht, der mindestens 95 Gew.% Nickel enthält,oder ein Draht aus einer
Ferronickellegierung, enthaltend 50 bis 60 Ges.% Nickel. In beiden Fällen
ist
die Ummantelung so beschaffen, daß sie 5 bis 13 Gew.% Silicium, 1 bis 5 Gew.% Bor,
0,4 bis 4 Gew.# Niob, 1 bis 6 Ges.% Kohlenstoff und 0,1 bis 2,0 Gew.% Zirkonium
als wesentliche Legierungselemente aufweist. Daneben kann die Ummantelung herkömmliche
Zusätze, die als lichtbogenstabilisierende, gaserzeugende, schlackebildende und/oder
Gleitmittel dienen, enthalten.
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Eine erfindungsgemäße Mantelelektrode ist prinzipiell dadurch vorteilhaft,
daß Auftragsschweißarbeiten unter Verwendung dieser Mantelelektrode ohne das Auftreten
von Schweißrissen, praktisch unabhängig von der Größe und Form der Metallkörper
je nach Ziel der Schweißung, ausgeführt werden können und daß das von der Mantelelektrode
gelieferte, abgeschiedene Metall eine hohe Abriebbeständigkeit und gute Gleiteigenschaft
besitzt. Demzufolge eignet sich diese Mantelelektrode insbesondere zur Verwendung
in der Auftragschweißung, um eine Metallform für das Preßverformen von Stahlblech
mit einer harten Oberfläche zu versehen.
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Durch Verwendung einer mit dem von der Mantelelektrode stammenden,
abgeschiedenen Metall überlagerten Metallform kann ein Stahlblech preßverformt werden,
ohne daß ein Festfressen zwischen der Formfläche und dem mit der Formfläche in Gleitkontakt
gebrachten Stahlblech oder ein Verkratzen des Stahlbleches während dessen Gleitkontakt
mit der Formfläche erleidet wird, wobei es in den meisten Fällen möglich ist, das
Preßverformen gleichmaßig ohne Verwendung von jeglichem Gleitmittel auszuführen.
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Durch. die vorliegende Erfindung gelingt es, die Äuftrittsmöglichkeit
von Schweißrissen während Auftragsschweißarbeiten praktisch vollständig zu beseitigen,
und zwar dadurch, daß eine angemessene Menge Zirkonium in die Mantelelektrode und
daraus folgend in das abgeschiedene Metall eingarbeitet wird. Bei Verwendung der
erfindungsgemäßen
Mantelelektrode zur Uberschichtung einer Metallform
können sogar Eckbereiche oder sonstige kompliziert geformte Bereiche der Form leicht
und zufriedenstellend mit dem abgeschiedenen Metall, das keine Schweißrisse zeigt,
überzogen werden. Es ist nicht notwendig, die Metallform einer Vor- oder Nachtemperungsbehandlung
oder einer Hämmerungsbehandlung mit der Absicht, Schweißrisse zu vermeiden, auszusetzen,
so daß die Auftragsschweißarbeiten mit stark reduzierten Kosten ausgeführt werden
können. Ebenso ist es unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode einfach,
eine Metallform zu reparieren oder eine lokale Abänderung einer Metallform durchzuführen.
Auftragsschweißarbeiten unter Verwendung dieser Mantelelektrode können auf die Weise
von Wechselstrom- Lichtbogens chweißung ausgeführt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode; Fig. 2
ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der im abgeschiedenen Metall enthaltenen
Menge an Zirkonium und dem Ausmaß an Schweißrissen, wie sie bei einer versuchsweisen
Metallichtbogenschweißarbeit unter Schutzgas zur Hartbeschlagung eines Gußeisenteils
erhalten wurden, zeigt; und Fig. 3 ein Diagramm, das dieselbe Beziehung wie Fig.
2 zeigt, wie bei einem. getrennten Versuch erhalten.
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Das wesentliche Merkmal einer erfindungsg&aäßen Mantele'ektrode
zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas besteht darin, eine solche Menge an
Zirkonium zu enthalten, daß das abgeschiedene Metall 0,01 bis 0,2 Gew. Zirkonium
enthält. Neben Zirkonium ist es notwendig, daß die Mantelelektrode solche Mengen
an Nickel, Silicium, Bor,
Niob und Kohlenstoff enthält, daß das
abgeschiedene Metall mindestens 40 Gew. Nickel, 3 bis 8 Gew.°% Siliciurn, 0,1 bis
0,5 Ges.% Bor, 0,3 bis 2,0 Ges.% Niob und 0,2 bis 1,5 #ew.% Kohlenstoff enthält.
Der Rest des abgeschiedenen Metalls besteht aus Eisen, welches nicht wesentlich,
jedoch gewöhnlicherweise in der Mantelelektrode enthalten ist, sowie aus unvermeidbaren
Verunreinigungen. Für die wesentlichen Elemente des abgeschiedenen Metalls werden
die unteren bzw. oberen Grenzmengen mit folgender Begründung bestimmt. Im folgenden
beziehen sich die Prozentangaben der Elemente stets auf das Gewicht.
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Zirkonium hat die Wirkung, dem abgeschiedenen Metall eine feinkörnige
Struktur zu verleihen, so daß die Anfälligkeit des abgeschiedenen Metalls für Schweißrisse
stark herabgesetzt wird. Wenn weniger als 0,01% Zirkonium im abgeschiedenen Metall
vorliegen, verstärkt sich diese Wirkung mit Steigerung der Menge an Zirkonium, wobei
erfindungsgemäß bestätigt wurde, daß die Möglichkeit des Auftretens von Schweißrissen
bei angewandten Schweißarbeiten eliminiert werd#en kann, wenn es dem abgeschiedenen
Metall gestattet wird, mindestens 0,0I# Zirkonium zu enthalten. Die obere Grenze
des Zirkoniumgehaltes im abgeschiedenen Metall wurde bei 0,?05# gesetzt, da eine
weitere Steigerung der Zirkoniummenge keine bemerkenswerte Differenz in der Auftrittswahrscheinlichkeit
von Schweißrissen ergibt.
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Nickel gewährt dem abgeschiedenen Metall eine gute Gleiteigenschaft.
Im Falle von beispielsweise einer Metallform für ein Preßformungsverfahren, die
durch ein Auftragsschweißverfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode
hergestellt wurde, ist das Vorliegen einer ausreichenden Menge an Nickel in dem
abgeschiedenen Metall auf der Formoberfläche vollkommen wirksam, die Reibung zwischen
der Formoberfläche und einem mit der Form
oberfläche in Gleitkontakt
gebrachten Stahlblech stark herabzusetzen, so daß die Preßformbearbeitung ausgeführt
werden kann, ohne ein Festfressen zwischen der Formoberfläche und dem Stahlblech
oder ein Verkratzen des geformten Stahlbleches durch die Formoberfläche zu erleiden.
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Beträgt der Nickelgehalt im abgeschiedenen Metall weniger als 40°/0,
ist es wahrscheinlich, daß ein mit dem abgeschiedenen Metall in Gleitkontakt gebrachtes
Stahlblech beträchtlich verkratzt wird.
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Silicium vereinigt sich weitgehendst mit Nickel und Eisen unter Bildung
von Siliciumverbindungen hoher Härte und trägt somit zur Steigerung der Härte und
Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls bei. Jedoch ist diese Wirkung fast
nicht merkbar, und somit ist die Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls
unzureichend, wenn der Siliciumgehalt im abgeschiedenen Metall weniger als 3% beträgt.
Die Härte des abgeschiedenen Metalls steigert sich fortlaufend, sogar wenn der Siliciumgehalt
über 8% hinaus erhöht wird, jedoch ergibt solch eine Erhöhung des Siliciumgehalts
keine große Steigerung der Abriebbeständigkeit mehr und verursacht, als ein weit
ernsteres Problem, das abgeschiedene Metall, spröde und anfällig für Schweißrisse
zu werden.
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Bor wirkt verstärkend bezüglich der Härte und Abriebbeständigkeit
des abgeschiedenen Metalls. Diese Wirkung wird voll bemerkbar, wenn das abgeschiedene
Metall mindestens 0,1% Bor enthält, und wird verstärkt durch die gleichzeitige Anwesenheit
von Kohlenstoff. Die obere Grenze des Borgehaltes im abgeschiedenen Metall wurde
auf 0,5 festgelegt, da eine weitere Steigerung des Borgehalts das abgeschiedene
Metall spröde und anfällig für Schweißrisse macht und die Bearbeitbarkeit des abgeschiedenen
Metalls deutlich herabsetzt.
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Niob verleiht dem abgeschiedenen Metall eine feinkörnige Struktur
und vermindert beträchtlich die Anfälligkeit des abgeschiedenen Metalls für Schweißrisse.
Diese Wirkungen machen sich voll bemerkbar, wenn der Niobgehalt im abgeschiedenen
Metall etwa 0,30/0 erreicht. Das Vorliegen von jedoch mehr als 2% Niob im abgeschiedenen
Metall führt zur Bildung unerwünscht großer Mengen an Verbindungen von Niob mit
Nickel oder Bor, was zur ~Folge hat, daß das abgeschiedene Metall übermäßig hart
(z.B. über 380 Vicker'sche Härtewerte) und spröde wird und dazu neigt, Schweißrisse
zu erleiden.
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Kohlenstoff im abgeschiedenen Metall tritt teilweise gewaltsam in
die Legierungsmatrix als ein Mischkristall-Bestandteil ein und existiert teilweise
entweder in Niederschlagsform oder in Form von Carbiden in Kombination mit Niob
und/oder Bor. Daher wird die Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls beträchtlich
verstärkt, wenn der Kohlenstoffgehalt etwa 0,2% erreicht. Diese Wirkung des Kohlenstoffs
steigert sich, sowie die Menge an Kohlenstoff erhöht wird, jedoch ist es unerwünscht,
den Kohlenstoffgehalt über 1,5% hinaus zu steigern, da dies in einer übermäßigen
Zunahme der Mengen vorgenannter Carbide und einer Vergrößerung der Carbidkörner
resultiert, so daß ein mit dem abgeschiedenen Metall in Gleitkontakt gebrachtes
Stahlblech einem Verkratzen durch die Kanten der harten und großen Körner der Carbide
ausgesetzt ist.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht eine erfindungsgemäße Mantelelektrode
aus einem Kerndraht 10 und einer Ummantelung 20, ähnlich herkömmlichen Mantelelektroden
zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, daß die gesamte Menge an Nickel,
als eines der eben beschriebenen, wesentlichen
Elemente des abgeschiedenen
Metalls, ursprünglich im Kerndraht 10 der Mantelelektrode enthalten ist. Theoretisch
ist es zulässig, daß ein Teil der restlichen Legierungselemente, Silicium, Bor,
Biob, Zirkonium und Kohlenstoff, im Kerndraht 10 in mit Nickel legierter Form enthalten
ist. In der Praxis bereitet dies jedoch hinsichtlich des Drahtziehverfahrens zur
Herstellung des Kerndrahts 10 Schwierigkeiten und führt folglich zu geringerer Produktivität
und erhöhten Herstellungskosten. Deshalb ist es bevorzugt, daß die wesentlichen
Elemente des abgeschiedenen Metalls mit Ausnahme von Nickel vollkommen aus der Ummantelung
20 einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode stammen.
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Hinsichtlich des Kerndrahts 10 ist es möglich, entweder einen sog.
reinen Nickelkerndraht, welcher aus mindestens 95 Gew.% Nickel und praktisch unvermeidbaren
Verunreinigungen besteht, oder einen weniger teuren Ferronickelkerndraht, der aus
50 bis 60 Gew.% Nickel und zum Rest aus Eisen sowie unvermeidbaren Verunreinigungen
besteht, zu verwenden. In diesen beiden Fällen besteht kein Unterschied hinsichtlich
der oben aufgeführten Begrenzungen für die Zusammensetzung des Ummantelungsmaterials.
Das heißt, die Ummantelung 20 einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode enthält 0,1
bis 2,0 Gew.% Zirkonium, 5 bis 13 Gew.% Silicium, 1 bis 5 Ges.% Bor, 0,4 bis 4 Gew.%
Niob und 1 bis 6 Gew.% Kohlenstoff. Für diese Legierungselemente sind deren obere
bzw. untere Grenzmengen in der Ummantelung 20 so festgelegt worden, um mit den oben
beschriebenen Einschränkungen hinsichtlich der Zusammensetz-ng des abgeschiedenen
Metalls übereinzustimmen, sowie unter Berücksichtigung der folgenden Umstände. Ebenso
sind unvermeidbare Verluste dieser Elemente während der Schweißbearbeitung in Betracht
gezogen worden.
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Die Ummantelung muß mindestens 0,1% Zirkonium enthalten, um sicherzustellen,
daß das abgeschiedene Metall mindestens 0,01% Zirkonium aufweist. Wenn jedoch der
Zirkoniumgehalt in der Ummantelung 2,0% überschreitet, nimmt die Adhäsion der Schlacke
zu dem abgeschiedenen Metall derart zu, daß die Entfernung der Schlacke sehr schwierig
wird, so daß vielfach ein Schlackeneinschluß, insbesondere im Falle von mehrschichtigem
Schweißen, auftritt. Daneben wird es unmöglich, gut aussehende Schweißraupen bzw.
-wulste zu erzeugen.
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Die untere Grenze des Siliciumgehalts in der Ummantelung ist auf 5%
festgelegt worden, um die Gegenwart von mindestens 3% Silicium im abgeschiedenen
Metall sicherzustellen.
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Neben der Wirkung, die Härte und Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen
Metalls zu verstärken, hat in der Ummantelung enthaltenes Silicium die Wirkung,
die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls und somit das Aussehen der Raupen zu
verbessern. Jedoch ist es unerwünscht, den Siliciumgehalt in der Ummantelung über
13% hinaus zu steigern, da das abgeschiedene Metall spröde wird und dazu neigt,
Schweißrisse zu erleiden.
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Die Menge an Bor in der Ummantelung ist auf den Bereich von 1 bis
5% begrenzt, mit der Absicht, die begünstigende Wirkung von Bor auf die Abriebbeständigkeit
des abgeschiedenen Metalls sicherzustellen, ohne daß das abgeschiedene Metall zu
spröde wird und ohne die Betriebsfähigkeit oder Verwendbarkeit der Mantelelektrode
nachteilig zu beeinflussen. Mit ähnlicher Absicht ist der Niobgehalt in der Ummantelung
auf den Bereich von 0,4 bis 4% begrenzt.
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In der Ummantelung enthaltener Kohlenstoff dient nicht nur als ein
Legierungselement, sondern ebenso als ein starkes Desoxidationsmittel. Wenn die
Menge an Kohlenstoff in der Ummantelung weniger als 1% beträgt, ist es zweifelhaft,
ob der Kohlenstoffgehalt im abgeschiedenen Metall die untere Grenze des angegebenen
Bereichs erreicht; daneben ist es schwierig, fehlerfreie Raupen zu erhalten, aufgrund
einer großen Tendenz der Raupen, viele Grübchen und Luftblasen zu enthalten. Wenn
andererseits die Ummantelung mehr als 6% Kohlenstoff enthält, neigt das abgeschiedene
Metall dazu, sich in seiner Gleiteigenschaft zu verschlechtern infolge des Vorliegens
übermäßig großer Mengen an Carbiden. Daneben ist es im Falle der Verwendung einer
Mantelelektrode mit solch hohem Kohlenstoffgehalt wahrscheinlich, daß das Abblasvermögen
des Schweißlichtbogens nicht stark genug ist, eine gleichmäßige U~bertragung des
geschmolzenen Metalls auf das dem-Schweißen ausgesetzte Grundmetall sicherzustellen,
so daß es schwierig wird, gleichmäßige, gut aussehende Raupen zu erhalten, wobei
die Raupen unter einer intensiven Schlackeanhaftung leiden.
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Es ist gestattet, daß die Ummantelung einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode
neben den oben beschriebenen wesentlichen Legierungselementen eine geringe Eisenmenge
enthält. Das Vorliegen von Eisen bereitet insofern kein Problem, da das durch die
Elektrode abgegebene, abgeschiedene Metall mindestens 40% Nickel enthält Weiterhin
enthält die Ummantelung gewöhnlicherweise geeignete Mengen herkömmlicher Additive,
welche als lichtbogenstabilisierende, schlackebildende, gaserzeugende und/oder Gleitmittel
dienen. Besondere Beispiele solcher Additive sind Calciumcarbonat, Bariumcarbonat,
Fluorit und Glimmer.
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Eine erfindungsgemäße Mantelelektrode kann durch bekannte Verfahren
zur Herstellung herkömmlicher Mantelelektroden zur Metallichtbogenschweißung unter
Schutzgas hergestellt werden. Gewöhnlicherweise wird ein Bindemittel, wie etwa Wasserglas,
zu einer Ummantelungsmaterialzusammensetzung in Form einer pulvrigen Mischung von
Rohmaterialien der Legierungselemente und der Additive zugesetzt und die resultierende,
pastenähnliche Zusammensetzung wird auf den Kerndraht aufgetragen. Erfindungsgemäß
ist es empfehlenswert, daß das Gewichtsverhältnis der Ummantelung (in trockenem
Zustand) zu dem Kerndraht im Bereich von etwa 20:100 bis etwa 50:100 liegt.
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B e i s p i e 1 e 1 bis 4 In diesen Beispielen wurden unter Verwendung
eines sog.
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reinen Nickel-Kerndrahts erfindungsgemäße Mantelelektroden hergestellt.
Tabelle 1 zeigt das Analysenergebnis dieses Nickel-Kerndrahts.
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Tabelle 1 Nickelkerndraht (Gew.-%) C Si Mn P S Fe Ni Andere Verunreini
zungen 0,05 0,06 0,31 0,003 0,004 0,03 Rest zu0,5 In den Beispielen 1 bis 4 wurden
vier Arten von Ummantelungsmaterialzusammensetzungen durch Mischen pulverförmiger
Rohmaterialien, so daß die Legierungselemente bzw. andere Additive in den Verhältnissen,
wie in der folgenden Tabelle 2 gezeigt, enthalten waren, hergestellt. In jeder Zusammensetzung
lagen Silicium, Bor und Niob in Form der entsprechenden Eisenlegierungen vor, wobei
die Eisenmenge sich auf die Gesamtheit der Eisenbestandteile solcher Eisenlegierungen
bezieht.
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Eine geeignete Menge Wasserglas wurde zu der pulverförmigen Zusammensetzung
jedes Beispiels zugegeben und die resultierende,
klebrige Zusammensetzung
wurde mittels einer üblichen Behandlung auf den Nickel-Kerndraht aufgetragen, um
eine Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas herzustellen.
Der Kerndraht hatte einen Durchmesser von 3,2 mm und war 250 mm lang. Das Gewichtsverhältnis
der Ummantelung zu dem Kerndraht betrug etwa 40:100 und der Außendurchmesser der
Mantelelektrode betrug 5,4 mm.
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Vergleichsbeispiele 1 und 2 Als Vergleichsbeispiel 1 wurde die Ummantelungsmaterialzusammensetzung
aus Beispiel 1 dahingehend modifiziert, daß die Menge an Zirkonium unter den erfindungsgemäßen
unteren Grenzwert herabgesetzt wurde. Als Vergleichsbeispiel 2 wurde die Ummantelungsmaterialzusammensetzung
aus Beispiel 2 derart modifiziert, daß die Menge an Zirkonium über den oberen erfindungsgemäßen
Grenzwert gesteigert wurde. Die Mengen der Bestandteile der Zusammensetzungen von
Vergleichsbeispielen 1 und 2 sind ebenso in Tabelle 2 gezeigt. Die Ummantelungsmaterialzusammensetzungen
der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden jeweils auf den oben erwähnten Nickel-Kerndraht
aufgetragen, um Mantelelektroden für den Vergleich mit den Mantelelektroden der
Beispiele 1 und 2 herzustellen.
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Tabelle 2 (Ummantelungszusammensetzun-Bestandteile Bs#.1 Bsp,2 Bsp.3
Bs.4 Vg1B.1 Si 11 11 5 5 11 11 B 2 2 1 1 2 2 Nb 3 3 0,5 0,5 3 3 C 3 3 2 2 3 3 Zr
0,15 1,8 0,1 2,0 0,05 3,0 Fe 24 24 12 12 24 24 Calciumcarbonat 21 21 30 29 21 20
Bariumcarbonat 11 10 15 14 11 10 Fluorit 21 20 30 30 21 20 Glimmer 2 2 2 2 - 2 2
andere 1,85 2,2 2,4 2,5 1,95 2 Jede der in den Beispielen 1 bis 4 und Vergleichsbeispielen
1 und 2 hergestellten Mantelelektroden wurde in einem Wechselstrom-Lichtbogenschweißverfahren
mit einer Stromstärke von 95 bis 120 A verwendet, um einen als Grundmetall verwendeten
Cußeisenblock mit dem abgeschiedenen Metall zu überziehen. Die analytischen Daten
der Zusammensetzungen der abgeschiedenen Metalle aus den Mantelelektroden sind in
Tabelle 3 gezeigt. Wenn irgendeine der Mantelelektroden. aus den Beispielen 1 bis
4 oder die Elektrode aus Vergleichsbeispiel 2 verwendet wurde, wurden keine Schweißrisse
erhalten. Nur im Falle der Verwendung der Elektrode aus Vergleichsbeispiel 1 (sehr
geringer Zirkoniumgehalt) waren einige Schweißrisse zu beobachten.
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Die Härtewerte (Vicker-Härte) der abgeschiedenen Metalle und die Schlackegegebenheiten
sind in der folgenden Tabelle 4 zusammen mit den Ergebnissen weiterer Prüfungen
dargestellt.
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Tabelle 3 Analyse des abgeschiedenen Metalls (Gew.%) C Si B Nb Zr
Ni Fe Andere Bsp.1 0,80 5,06 0,30 1,76 0,019 77,4 Reste0,5 2 2 0,82 5,14 0,26 1,73
0,17 78>1 78 0,5 " 3 0,50 3,24 0,15 0,41 0,012 89,3 " 40,5 " 4 0,51 3,20 0,14
0,42 0,18 88,7 " <0,5 VGB.1 0,79 5,21 0,30 1,81 0,007 78,0 Rest<0,5 s 2 0,80
5,18 0,29 1,72 0,23 77,6 II 40,5 Um die Abriebbeständigkeit und Gleiteigenschaft
des durch jede der Mantelelektroden aus den Beispielen 1 bis 4 und Vergleichsbeispielen
1 und 2 abgegebenen, abgeschiedenen Metalls zu ermitteln, wurde eine Kombination
aus einer Matrizenform und einem Blechhalter für das Ziehen eines Stahlbleches zu
einem Becher mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einer Höhe von 15 mm hergestellt,
durch Ausführen eines Auftragsschweißverfahrens auf die rohgeformte Form und den
Blechhalter aus Gußeisen unter Verwendung jeder Mantelelektrode. Jedes Paar aus
Form und Blechhalter wurde in einer fortlaufenden Ziehbehandlung verwendet, um 10
000 Becher aus einem kaltgewalzten Stahlblech mit einer Dicke von 0,4 mm herzustellen.
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Vor und nach der Ziehbehandlung wurde die Oberflächenrauhigkeit jedes
Blechhalters in einem Bereich, der in Gleitkontakt mit dem Stahlblech kommt, mit
einer GenauLgkeit von 0,1 1um gemessen, um die Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen
Metalls durch die Differenz des Wertes für die Oberflächenrauhigkeit nach der-Ziehbehandlung
vom anfänglichen Wert der Oberflächenrauhigkeit anzugeben.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
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Die Gleiteigenschaft jedes abgeschiedenen Metalls wurde für jedes
Paar aus Form und Blechhalter ermittelt durch Messen der Tiefe kleiner Kratzer,
die auf der Zylinderaußenfläche der bei der letzten Stufe der Ziehbehandlung hergestellten
Becher in Erscheinung traten. In Spalte 4 für die Gleiteigenschaft in Tabelle 4
stellen die Buchstaben A und B die folgenden Kratzertiefen dar: A - weniger als
Sjum 3 - zwischen 5 und 10/um Hinweisend sei erwähnt, daß die Oberflächenrauhigkeit
des der Ziehbehandlung ausgesetzten Stahlbleches durchschnittlich 3 /um betrug.
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Tabelle 4 Härte d. Handhab- Abrieb- Gleit- Gesamtbeabgeschie- barkeit
ständig-eigen- wertung denen Me- beim keit schaft talls (Hv) Schweißen (/um) Bsp.1
298-312 ausgezeichn. 1,1 A ausgezeichnet 2 2 284-306 gut,geringe 1,3 B l, Schlackenadhäsion
3 3210-226 ausgezeichn. 1,9 A II 4 4 208-231 gut,geringe 1,8 B gut Schlackenadhäsion
VGB.1 287-308 ausgezeichn., 1>3 A tolerierbar jedoch einige Schweißrisse " 2
294-329 schlecht,in- wegen Schlacken- schlecht tensive einschluß keine Schlacken-
Prüfung möglich adhäsion Die in Tabelle 4 angegebenen Versuchs ergebnisse zeigen
deutlich, daß, wenn Hartbeschlagung von Gußeisen durch Metallichtbogenschweißung
unter Schutzgas nach Art der Auftragsschweißung unter Verwendung einer Mantelelektrode;
d#ie
solch eine Menge Zirkonium enthält, daß das abgeschiedene Metall 0,01 bis 0,20%
Zirkonium enthält, ausgeführt wird, die aufgeschweißte überzugsschicht sowohl in
der Abriebbeständigkeit als auch der Gleiteigenschaft vollkommen zufriedenstellend
ist und weiterhin keine Schweißrisse erleidet.
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Versuch Basierend auf dem obigen Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel
1 wurde ein Versuch durchgeführt, um die Beziehung zwischen dem Zirkoniumgehalt
im abgeschiedenen Metall und der Wahrscheinlichkeit oder dem Ausmaß an Schweißrissen
noch genauer zu bestimmen. Das heißt, die Ummantelungsmaterialzusammensetzung aus
Beispiel 1 wurde in mehrere Versuchszusammensetzungen abgeändert, durch Variieren
der Zirkoniummenge innerhalb des Bereichs von 0,02 bis 3,0%, ohne die Mengen an
Si (11%), Bor (2%), Niob (3%), Kohlenstoff (3%) und Glimmer (2%) zu variieren. Die
Mengen an Carbonat und Fluorit wurden gemäß den variierten Zirkoniummengen geändert.
Jede dieser Ummantelungsmaterialzusammensetzungen wurde auf den in Beispiel 1 verwendeten
Nickel-Kerndraht aufgetragen, um eine Mantelelektrode zu erhalten.
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Jede der so hergestellten Probeelektroden wurde in einem Versuchsauftragsschweißverfahren
verwendet, um drei Schichten fünfreihiger Raupen auf der Zylinderaußenfläche eines
Zylinderblocks aus Graugußeisen (240 mm Durchmesser und 150 mm Länge) zu bilden.
Die Raupen waren etwa 50 mm breit und etwa 120 mm lang. Für Jede Probe wurde-die
Länge querveXlaufender Raupenrisse, wie sie in der äußersten Raupenschicht auftraten,
gemessen, um das Ausmaß der Schweißrisse durch das Verhältnis (Prozent) der gemessenen
Raupenrißlänge zur Raupenbreite anzugeben. Das Ergebnis dieses Versuchs ist in Fig.
2 gezeigt, wobei der Zirkoniumgehalt
im abgeschiedenen Metall auf
der Abszisse zusammen mit der in Klammern stehenden Zirkonlummenge in der Ummantelungsmaterialzusammensetzung
angegeben ist.
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Wie die Fig. 2 deutlich zeigt, können Schweißrisse durch Verwendung
einer Mantelelektrode, die abgeschiedenes Metall liefert, welches mindestens 0,01
Gew. Zirkonium enthält, vollständig verhindert werden, sogar bei einer Auftragsschweißbehandlung
auf Gußeisen, welches dazu neigt, deutliche SchweiBrißbildung auftreten zu lassen,
wenn eine herkömmliche Mantelelektrode verwendet wird. Es ist jedoch unenfunscht,
daß der Zirkoniumgehalt in dem abgeschiedenen Metall 0,2% überschreitet, da dies
in einer intensiven Adhäsion der Schlacke an das abgeschiedene Metall resultiert,
wie durch Verwendung der Mantelelektrode aus Vergleichsbeispiel 2 demonstriert.
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B e i s p i e 1 e 5 bis 8 In diesen Beispielen wurden durch Verwendung
eines Eisen-Nickel-Kerndrahts, welcher weit billiger als der in den Beispielen 1
bis 4 verwendete Nickel-Kerndraht ist, erfindungsgemäße Mantelelektroden hergestellt.
Tabelle 5 zeigt die Analysenergebnisse dieses Eisen-Nickel-Kerndrahts.
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Tabelle 5 Fe-Ni-Kerndraht (Gew C Si Mn P S Ni Fe andere Verunreinigungen
0,02 0,12 0,57 0,012 0,011 57,20 Rest < 0,5 Als Beispiele 5 bis 8 wurden vier
Arten Ummantelungsmaterialzusammensetzungen hergestellt durch Mischen pulverförmiger
Rohmaterialien, so daß Legierungselemente und andere Additive in den Verhältnissen,
wie in der folgenden
Tabelle 6 gezeigt, enthalten waren. Wie ersichtlich,
wurde die Menge an Zirkonium variiert, ohne die Mengen an Silicium (11%), Bor (2%),
Niob (3) und Kohlenstoff (3%) zu verändern. Die Gesamtmenge der anderen Additive
wurde gemäß den geänderten Zirkoniummengen variiert.
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Die pulverförmige Zusammensetzung jedes Beispiels wurde mit Wasserglas
vermischt und auf den Eisen-Nickel-Kerndraht aufgetragen, um eine Mantelelektrode
zur Metalllichtbogenschweißung unter Schutzgas herzustellen. Der Kerndraht besaß
einen Durchmesser von 3,2 mm und eine Länge von 350 mm. Das Gewichtsverhältnis der
Ummantelung zu dem Kerndraht betrug etwa 40:100 und der Durchmesser der Mantelelektrode
betrug 5,4 mm.
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Ver#leichsbeis#iele 3 bis 5 Wie ebenfalls in Tabelle 6 gezeigt, wurden
drei Arten von Ummantelungsmaterialzusammensetzungen hergestellt durch Verringerung
der Zirkoniummenge in der Zusammensetzung des Beispiels 5 oder Steigerung der Zirkoniummenge
in der Zusammensetzung des Beispiels 8. Die Ummantelungsmaterialzusammensetzungen
der Vergleichsbeispiele 3 bis 5 wurden jeweils auf den oben erwähnten Eisen-Nickel-Kerndraht
auf getragen, um Mantelelektroden für den Vergleich mit den Mantelelektroden aus
den Beispielen 5 bis 8 herzustellen.
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Tabelle 6 Ummantelungszusammensetzungen Bestand- Beispiele Vergleichsbeispiele
(Gew.-%) teile 5 6 7 - 8 3 4 5 Zr 0,1 0,5 1,0 2,0 0,02 0,05 3,0 Si 11 11 B 2 2 Nb
3 3 C 3 3 Fe 24 24 Additive u.Verun- 56,9 56,5 56,0 55,0 56,98 56,95 54,0 reinigungen+
+Additive: Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, -Fluorit und Glimmer.
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Jede der in den Beispielen 5 bis 8 und den Vergleichsbeispielen 3
bis 5 hergestellten Mantelelektroden wurde in einer Wechselstrom-Schweißbehandlung,
welche in der Art einer Auftragsschweißung auf einen als Grundmetall verwendeten
Gußeisenkörper ausgeführt wurde, verwendet. Tabelle 7 zeigt die Analysenwerte der
Zusammensetzungen der abgeschiedenen Metalle, wie sie durch diese Mantelelektroden
abgegeben wurden. Die Härtewerte nach Vicker der abgeschiedenen Metalle, Schlackegegebenheiten
und die Ergebnisse der Raupenrißprüfung, wie im vorangehenden Versuch beschrieben,
sind in der folgenden Tabelle 8 gezeigt.
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Die Abriebbeständigkeit und Gleiteigenschaft für die abgeschiedenen
Metalle aus den Beispielen 5 bis 8 und Vergleichsbeispielen 3 und 4 wurden durch
das gleiche Testverfahren, wie in den Beispielen 1 bis 4 angewandt, geprüft, wobei
sämtliche mit "ausgezeichnet" bewertet wurden.
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Das abgeschiedene Metall aus Vergleichsbeispiel 8 wurde vom Zweck
der Prüfung und der Bewertung ausgeschlossen,
da die Adhäsion der
Schlacke an das abgeschiedene Metall so fest war, daß ein Einschluß der Schlacke
in das abgeschiedene Metall resultierte.
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Tabelle 7 Analyse des abgeschiedenen Metalls (Gew.%) C Si B Nb Zr
Ni Fe andere Bsp.5 0,82 5,3 0,25 1,58 0,011 46,3 Rest <0,5 6 0,84 5,Q 0,23 1,61
0,06 45,4 " 4 o,i 7 7 0,81 4,9 0,26 1,54 0,13 46,2 " <0,5 " 8 0,80 5,2 0,23 1,60
0,19 48,0 " <0,5 VGB.3 0,85 5,0 0,24 1,57 0,003 47,7 " <0,5 4 40,82 5>1
0,25 1,58 0,006 45,9 " <0,5 " 5 0,81 5,0 0,24 1,60 0,22 45,3 " <0,5 Tabelle
8 Härte d. Handhab- Shweißrisse Gesamtbewertung abgeschie- barkeit (%) denen Me-
beim talls (Hv) Schweißen Bsp@5 285-314 ausgezeichnet 5 ausgezeichnet 6 6 274-296
" 0 7 7 282-320 gut 0 8 287-332 gut,geringe 0 gut Schlackenadhäsion VGB.3 287-320
ausgezeichnet 50 schlecht 4 4 274-302 II 21 tolerierbar II 5 290-334 schlecht, inten-
0 schlecht sive Schlackenadhäsion Die Beziehung zwischen der Zirkoniummenge im abgeschiedenen
Metall (siehe Tabelle 7) und dem Ausmaß an Schweißrissen (siehe Tabelle 8) ist graphisch
in Fig. 3 gezeigt.
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Es ist offensichtlich, daß ebenso im Falle einer Mantelelektrode unter
Verwendung eines Eisen-Nickel-Kerndrahts, das Vorliegen von mindestens 0,01t/a Zirkonium
im abgeschiedenen
Metall Schweißrisse vollkommen wirksam verhindert.
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In sämtlichen angegebenen Beispielen war der Gegenstand der Auftragsschweißung
unter Veirwendung einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode Gußeisen in Form einer
Metallform für ein Preßformverfahren oder ein verwandtes Metallteil; dies soll jedoch
keinesfalls einschränkend sein. Eine erfindungsgemäße-Mantelelektrode ist ebenso
für die Auftragsschweißung auf andere Typen von Metallteilen, welche aus verschiedenen
eiserzhaltigen Materialien, unterschiedlich zu Gußeisen, hergestellt sein können,
geeignet und beweist in jedem Fall ihre Vorteile. Die Durchmesser der Mantelelektroden
und der Kerndrähte sowie das Gewichtsverhältnis der Ummantelung zu dem Kerndraht
in den obigen Beispielen sind rein beispielhaft. Wenn beispielsweise die Mantelelektroden
der Beispiele jeweils durch Verwendung eines Kerndrahtes mit 4,0 mm Durchmesser
(Nickeldraht oder.Eisen-Nickel-Draht) abgeändert wurden, um einen Außendurchmesser
von 6,8 mm zu besitzen, um Auftragsschweißung über relativ große Flächen mit hoher
Wirksamkeit aufzuführen, waren die Ergebnisse ebenso guts wie in den Beispielen.
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