DE3140240C2

DE3140240C2 - Zirkonium enthaltende Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas

Info

Publication number: DE3140240C2
Application number: DE3140240A
Authority: DE
Inventors: Hirohiko Yokosuka Date; Sumio Yokohama Kanagawa Hirao; Katsuhiro Kishida; Yutaka Mekuchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-10-09
Filing date: 1981-10-09
Publication date: 1983-09-08
Also published as: GB2085921A; US4394560A; JPS5764494A; GB2085921B; FR2491800A1; FR2491800B1; DE3140240A1; IT8149442A0

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas, welche insbesondere für die Verwendung in der Auftragsschweißarbeit, zum Zwecke, eine Metallform mit einer harten Oberfläche zu versehen, geeignet ist, beschrieben. Die Mantelelektrode weist solche Mengen an Nickel, Silicium, Bor, Niob, Kohlenstoff und Zirkonium als wesentliche Legierungselemente auf, daß das abgeschiedene Metall mindestens 40 Gew.% Nickel, 3 bis 8 Gew.% Silicium, 0,1 bis 0,5 Gew.% Bor, 0,3 bis 2,0 Gew.% Niob, 0,2 bis 1,5 Gew.% Kohlenstoff und 0,01 bis 0,20 Gew.% Zirkonium enthält. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird entweder Nickeldraht oder Eisen-Nickel-Draht als Kerndraht verwendet, und die Ummantelung enthält die notwendigen Mengen sämtlicher wesentlicher Legierungselemente, mit Ausnahme von Nickel. Das abgeschiedene Metall besitzt hohe Abriebsbeständigkeit und gute Gleiteigenschaft, wobei die Anwesenheit von Zirkonium sehr wirksam das Auftreten von Schweißrissen verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung 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.

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 jüngsten 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 Dimensionsgenauigkeit der ge-

to formten 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, daj mit der Formfläche in Gleitkontakt gebracht wurde, und das Auftreten von Kratzern auf der geformten Verkleidungsoberfläche oder einer nicht zufriedenstellenden Oberflächenrauhigkeit der geformten Verkleidung zu erleiden.

Hartchromplattierung ist ein Beispiel der Oberflächenbehandlungsmethoden, um einen Gußeisenkörper mit einer harten, abriebbeständigen und weitgehend reibungsfreien Oberzugsschicht 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 Überschichtungsscb *eißverfahren oder Auftragsschweißverfahren eine harte Überzugsschicht aufzubringen. Jedoch sind bis jetzt für diesen Zweck entwikkelte, 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 drsem Falle erforderlich, ein hochwirksames Schmier- bzw. Gleitmittel beim Preßformungsverfahren zu verwenden.

In jüngster Zeit entwickelte Schweißmaterialien auf Nickelbasis sollen für die Verwendung im Auftragsschweißverfahren, um Gußeisenkörper mit einer harten und reibungsfreien Überzugsschicht zu überziehen, geeignet sein. Tatsächlich kann, wenn diese auf Nickel basierenden 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.

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.

Eine erfindungsgemäße Elektrode zur Metallicht-

bogenschweißung 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.-°/o Nickel, 3 bis 8 Gew.-% Silicium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Bor, 0,3 bis 2,0 Gew.-% Niob, 0,2 bis 1,5 Gew--% Kohlenstoff und 0,01 bis 0,20 Gew.-°/o Zirkonium enthält

Obwohl unwesentlich, kann diese Mantelelektrode weiterhin Eisen als ein zusätzliches Legierungselement aufweisen.

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.

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 Gew.-% Nikkei In beiden Fällen ist die Ummantelung so beschaffen, daß sie 5 bis 13 Gew.-°/o Silicium. 1 bis 5 Gew. % Bor, 0,4 bis 4 Gew.-% Niob, 1 bis 6 Gew.-% Kohlenstoff und 0,1 bis ZO Gew.-% Zirkonium als wesentliche Legierungselemente aufweist Daneben kann die Ummantelung herkömmliche Zusätze, die als lichtbogenstabilisierende, gaserzeugende, schlackebildende und/oder Gleitmittel dienen, enthalten.

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 Auftragsschweißung, · im eine Metallform für das Preßverformen von Stahlblech mit einer harten Oberfläche zu versehen. Durch Verwendung einer mit dem von der Mantelelektrode stammenden, abgeschiedenen Metall überlagerten Metallform kann ein Stahlblech preßverformt werden, ohne daß ein Festfressen zwischen der FormPiäche und dem mit der Fonnfläche in Gleitkontakt gebrachten Stahlblech oder ein Verkratzen des Stahlblechs während dessen Gleitkontakt mit der Formfläche erleidet wird, wobei es in den meisten Fällen möglich ist. das Preßverformen gleichmäßig ohne Verwendung von jeglichem Gleitmittel auszuführen.

Durch die vorliegende Erfindung gelingt es, die Auftrittsmöglichkeit von Schweißrissen während Auftragsschweißarbeiten praktisch vollständig zu beseitigen, und zwar dadurch, daß eine angemessene Menge Zirkonium in die Mantelelektrode und daraus folgend in aas abgeschiedene Metall eingearbeitet wird. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Mantelelektrode zur Überschichtung 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 Metallfonn durchzuführen. Auftragsschweißarbeiten unter Verwendung dieser Mantelelektrode können auf die Weise von Wechselstrom-Lichtbogenschweißung ausgeführt werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; es ^eigt
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

F i g. 2 zeigt, wie bei einem getrennten Versuch erhalten.

Das wesentliche Merkmal einer erfindungsgemäßen Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas besteht darin, eine solche Menge an Zirkonium zu enthalten, daß das abgeschieden.; Metall 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium enthält Neben Zirkonium ist es notwendig, daß die Mantelelektrode solche Menren an Nickel, Silicium, Bor, Niob und Kohlenstoff enthält daß das abgeschiedene Metall mindestens 40 Gew.-% Nikkei, 3 bis 8 Gew.-% Silicium, 0,1 bis 03 Gew.-% Bor, 03 bis 2,0 Gew.-% Niob und 0,2 bis 1.5 Gew.-% 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.

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 werden kann, wenn es dem abgeschiedenen Metall gestattet wird, mindestens 0,01% Zirkonium zu enthalten. Die obere Grenze des Zirkoniumgehaltes im abgeschiedenen Metall wurde bei 0,20% gesetzt, da eine weitere Steigerung der Zirkoniummenge keine bemerkenswerte Differenz in Cer Auftrittswahrscheinlichkeit von Schweißrissen ergibt.

Nickel gewährt dem abgeschiedenen Metall eine gute GleiiNiigenschaft 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 Formöberfläche in Gleitkontakt gebrachten Stahlblech stark herabzusetzen, so daß die Preßformbearbeitung ausgeführt werden kann, ohne ein Festfressen zwischen der Formoberfläche und dem Stahlblech odir ein Verkratzen des geformten Stahlblechs durch die Fornioberfläche zu erleiden. Beträgt der Nickelgehalt im abgeschiedenen Metall weniger als 40%, ist es wahrscheinlich, daß ein mit dem ab-

geschiedenen Metall in Gleitkontakt gebrachtes Stahlblech beträchtlich verkratzt wird.

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 Siiiciumgehalt im abgeschiedenen Metall weniger als 3% beträgt. Die Härte des abgeschiedenen Metalls steigert sich fortlaufend, sogar wenn der Siiiciumgehalt 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.

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 Borgehalts 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. 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 0,3⁰Zo 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 abgeschie- <J£«£ Jvietaü überrrsäßi™ hart 'z B über 3SO Vicker'sche Härtewerte) und spröde wird und dazu neigt, Schweißrisse zu erleiden.

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 13% 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.

Wie in F i g. 1 gezeigt besteht eine erfindungsgemäße Mantelelektrode aus einem Kerndraht 10 und einer Ummantelung 20, ähnlich herkömmlichen Mantelelektroden zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas.

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 enthahen ist Theoretisch ist es zulässig, daß ein Teil der restlichen Legierungselemente, Silicium, Bor, Niob, 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 Kerndraht«; 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.
Hinsichtlich des Kerndrahtes 10 ist es möglich, entweder einen sogenannten 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 Verunreinigtingen besteht, zu verwenden. In diesen beiden Fällen besteht kein Unterschied hinsichtlich der oben aufgeführten Begrenzungen für die Zusammensetzung des Ummantelurigsmaterials. Das heißt, die Ummantelung 2Ö einer ertindungsgemaßen (vianteielektrode enthält 0,1 bis 2,0 Gew.-% Zirkonium. 5 bis 13 Gew.-% Silicium, 1 bis 5 Gew.-% 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 Zusammensetzung des abgeschiedenen Metalls übereinzustimmen, sowie unter Berücksichtigung de.- folgenden Umstände. Ebenso sind unvermeidbare Verluste dieser Elemente während der Schweißbearbeitung in Betracht gezogen worden.

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 Aor c^Mn^iso cat.» _t^i,„m,;„ ..,._rA <..-% j.i) ..iaif^.^u „:_

Schlackeneinschluß, insbesondere im Falle von mehrschichtigem Schweißen, auftritt. Daneben wird es unmöglich, gut aussehende Schweißraupen bzw. -wulste ,zu erzeugen.

Die untere Grenze des Siliciumgehalts in der Ummantelung ist auf 5% festgelegt worden, um die Gegenwart von mindestens 3% Silicium im abgeschiedenen Metal! sicherzustellen. Neben der Wirkung, die Härte und Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls 2-.U 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 Siliciumgeh?'t in der Ummantelung über 13% hinaus zu steigern, da das abgeschiedene Metall spröde wird und dazu neigt, Schweißrisse zu erleiden.

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 Abriebbestäncligkeit 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

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 ange-

gebenen Bereichs erreicht; daneben ist es schwierig, fehlerfreie Raupen zu erhalten, auf Grund einer großen Tendenz der Rauoen, 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 Übertragung des geschmolzenen Metalls auf das dem Schweißen ausgesetzte Grundmetall sicherzustellen, so daß es schwierig wird, gleichmäßige, gut aussehende Raupen zu erhalten, wobei die is Raupen unter einer intensiven Schlackenanhaftung leiden.

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 gewöhnlicher-

Tabelle 1
Nickelkerndraht (Gew.-°/o)

weise geeignete Mengen herkömmlicher Additive, welche als lichtbogenstabilisierende, schlackebildende, gaserzeugende und/oder Gleitmittel dienen. Besondere Beispiele solcher Additive sind Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, Fluorit und Glimmer.

Eine erfindungsgemäße Mantelelektrode kann durch bekannte Verfahren zur Herstellung herkömmlicher Mantelelektioden 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 20 : 100 bis 50 : 100 liegt.

Beispiele 1 bis 4

In diesen Beispielen wurden unter Verwendung eines sogenannten reinen Nickel-Kerndrahtes erfindungsgemäße Mantelelektroden hergestellt. Tabelle 1 zeigt das Analysenergebnis dieses Nickel-Kerndrahts.

Si

Mn

Fe

Ni

Andere
Verunreinigungen

0,06

031

0,003

0,004 0,03

Rest

<0,5

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.

Eine geeignete Menge Wasserglas wurde zu der pulverförmigen Zusammensetzung jedes Beispiels zugegeben und die resultierende, klebrige Zusammensetzung wurde mittels einer üblichen Behandlung auf den Nikkel-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.

Vergieichsbeispiele 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 Ummante-Iungsmaterialzusammensetzung 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 Mantelelefctroden der Beispiele 1 und 2 herzustellen.

ίο

Tabelle 2
Ummantelungszusammensetzungen(Gew.-%)

Bestandteile

Beispiel I Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4

Vergib. I

Vergib. 2

Si	11	11	5	5
B	2	2	1	1
Nb	3	3	0.5	0,5
C	3	3	2	2
Zr	0,15	1,8	0,1	2,0
Fe	24	24	12	12
Calciumcarbonat	21	21	30	29
Bariumcarbonat	11	10	15	14
Fluorit	21	20	30	30
Glimmer	2	2	2	2
Andere	1,85	22	2,4	2,5

0,05
24
21
11
21

1,95

11

3,0
24
20
10
20

Jede der in den Beispielen ! bis 4 urid Yergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Mantelelektroden wurde in einem Wechselstrom-Lichtbogenschweißverfahren mit einer Stromstärke von 95 bis 120A verwendet, um einen als Grundmetall verwendeten Gußeisenblock 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 ! bis 4 oder die Elektrode aus Versleichsbeispiel 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. Die Härtewerte (Vickers-Härte) der abgeschiedenen Metalle und die Schlackegegebenheiten sind in der folgenden Tabelle 4 zusammen mit den Ergebnissen weiterer Prüfungen dargestellt.

Tabelle 3

Analyse des abgeschiedenen Metalls (Gew.-°/o)

	C	Si	B	Nb	Zr	Ni	Fe	Andere
Beispiel 1	0,80	5,06	030	1,76	0,019	77,4	Rest	<0.5
Beispiel 2	0,82	5,14	0,26	1,73	0,17	78,1	Rest	<0,5
Beispiel 3	0,50	3,24	0,15	0,4 i	0,012	893	Rest	<0,5
Beispiel 4	0,51	3,20	0,14	0.42	0,18	88,7	Rest	<0,5
Vergib. 1	0,79	5,21	030	1,81	0,007	78,0	Rest	<0,5
Vergib. 2	0,80	5,18	0,29	1.72	0,23	77,6	Rest	<0,5

Um die Abriebständigkeit 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 Stahlblechs zu einem Becher mit einem Außendurchmesser von 35 mm und einer Höhe von 15 mm hergestellt, durch Ausführen eines Auftrags-Schweißverfahrens 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.

Vor und nach der Ziehbehandlung wurde die Oberflächenrauhigkeit jedes Blechhalters in einem Bereich, der in Gleitkontakt mit dem Stahlblech kommt, mit einer Genauigkeit von 0,1 μπι gemessen, um die Abriebbeständigkeit des abgeschiedenen Metalls durch die Differenz des Wertes für die Oberflächenrauhigkeit nach der Ziehbehandlung vom anfänglichen Wert der Oberflächenrauhigkeit anzugeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.

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 5 μπι

B — zwischen 5 und 10 μπι.

Hinweisend sei erwähnt, daß die Oberflächenrauhigkeit des der Ziehbehandlung ausgesetzten Stahlbleches durchschnittlich 3 μπι betrug.

Taoeiie 4

Härte des

abgeschiedenen

Metalls(Hv)

Handhabbarkeit beim Schweißen

Abriebbeständigkeit
(μπι)

Gleiteigenschaft

Gesamtbewertung

Beispiel 1	298-312
Beispiel 2	284-306
Beispiel 3	210-226
Beispiel 4	208-231
Vergib. I	287-308
Vergib. 2	294-329

ausgezeichnet gut, geringe Schlackenadhäsion ausgezeichnet gut, geringe Schlackenadhäsion

ausgezeichnet, jedoch einige Schweißrisse schlecht, intensive Schlackenadhäsion 1,1

1,9

!,8

1,3

A
B

wegen Schlackeneinschluß
keine Prüfung möglich

ausgezeichnet
ausgezeichnet

ausgezeichnet
gut

tolerierbar
schlecht

Die in Tabelle 4 angegebenen Versuchsergebnisse 7eigen deutlich, daß. wenn Harthpschlag'JP.g von Gußeisen durch Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas nach Art d ··; Auftragsschweißung unter Verwendung einer Mantelelektrode, die 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.

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 wude auf den in Beispiel 1 verwendeten Nickel-Kerndraht aufgetragen, um eine Mantelelektrode zu erhalten.

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.

Tabelle 5
Fe-Ni-Kerndraht (Gew.-%)

Die Raupen waren etwa 50 mm breit und etwa 120 mm !8π^σ. Für »ede Probe wurde die Län^c ⁿuerver!2iifender 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 F i g. 2 gezeigt, wobei der Zirkoniumgehalt im abgeschiedenen Metall auf der Abszisse zusammen mit der in Klammern stehenden Zirkoniummenge in der Ummantelungsmaterialzusammensetzung angegeben ist.

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 wer den, sogar bei einer Auftragsschweißbehandlung auf Gußeisen, welches dazu neigt, deutliche Schweißrißbildung auftreten zu lassen, wenn eine herkömmliche Mantelelektrode verwendet wird. Es ist jedoch unerwünscht, 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.

Beispiele5 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.

Si

Mn

Ni

Fe

Andere
Verunreinigungen

0,12

0,57

0,012

57,20

Rest

<0,5

Als Beispiele 5 bis 8 wurden vier Arten Ummantelungsmaterialzusammensetzungen hergestellt durch Mischen pulverförmiger Rohmaterialien, ?o 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.

Die pulverförmige Zusammensetzung jedes Beispiels wurde mit Wasserglas vermischt und auf den Eisen-Nikkel-Kerndraht aufgetragen, um eine Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung 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 et-

wa 40 :100 und der Durchmesser der Mantelelektrode betrug 5,4 mm.

Vergleichsbeispiele 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 Zirkomummenge in der Zusammensetzung des Beispiels 8. Die Ummantelungsmaterialzusammensetzungen der Vergleichsbeispiele 3 bis 5 wurden jeweils auf den oben erwähnten Eisen-Nickel-Kerndraht aufgetragen, um Mantelelektroden für den Vergleich mit den Mantelelektroden aus den Beispielen 5 bis 8 herzustellen.

Tabelle 6 Ummantelungszusammensetzungen (Gew.-%)

bestandteile

Beispiele 5

Vergleichs Beispiele 3 4

Zr Si B

Nb C Fe

Additive und Verunreinigungen*)

0.1

0,5

1.0

2,0

0,02

11 2 3 3

24

565

56,5

56,0

55,0

5658

*) Additive: Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, Fluorit und Glimmer.

0,05 11

3 24 5635

54,0

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 Vickers der abgeschiedenen Metalle, Schlackengegebenheiten und die Ergebnisse der Raupenrißprüfung, wie im vorangehenden Versuch be schrieben, sind in der folgenden Tabelle 8 gezeigt 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. 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 EinschluS der Schlacke in das abgeschiedene Metall resultierte.

Tabelle 7 Analyse des abgeschiedenen Metalls (Gew.-%)

	C	Si	B	Nb	Zr	Ni	Fe	Andere
Beispiel 5	0,82	53	0.25	1,58	0.011	463	Rest	<05
Beispiel 6	0,84	5,0	0.23	1,61	0,06	45,4	Rest	<05
Beispiel 7	0,81	43	0,26	154	0.13	46,2	Rest	<05
Beispiel 8	0,80	5,2	0.23	1,60	0.19	48.0	Rest	<05
Vergib. 3	0,85	5,0	0,24	157	0,003	47,7	Rest	<0,5
Vergib. 4	0,82	5,1	0,25	158	0,006	45,9	Rest	*<05*
Vergib. 5	0,81	5,0	0,24	1,60	0,22	453	Rest	<0.5

Tabelle 8

Härte des abgeschiedenen Metalls (Hv)

Handhabbarkeit beim Schweißen

Schweißrisse Gesamtbewertung

Beispiel 5	285-314	ausgezeichnet	5
Beispiel 6	274-296	ausgezeichnet	0
Beispiel 7	282-320	gut	0
Beispiele	287-332	gut, geringe	0
		Schlackenadhäsion
Vergib. 3	287-320	ausgezeichnet	50
Vergib. 4	274-302	ausgezeichnet	21
Vergib. 5	290-334	schlecht, intensive	0
		Schlackenadhäsion

ausgezeichnet
ausgezeichnet
ausgezeichnet
gut

schlecht

tolerierbar

schlecht

Die Beziehung zwischen der Zirkoniummenge im abgeschiedenen Metall (s. Tabelle 7) und dem Ausmaß an Schweißrissen (s. Tabelle 8) ist graphisch in F i g. 3 gezeigt Es ist offensichtlich, daß ebenso im Falle einer Mantelelektrode unter Verwendung eines Eisen-Nickel-Kerndrahts, das Vorliegen von mindestens 0,01 % Zirkonium im abgeschiedenen Metall Schweißrisse vollkommen wirksam verhindert

In sämtlichen angegebenen Beispielen war der Gegenstand der Auftragsschweißung unter Verwendung 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 vt.schiedenen eisenhaltigen 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 gut wie in den Beispielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zirkonium enthaltende Mantelelektrode zur Metallichtbogenschweißung unter Schutzgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus einem Kerndraht und einer Ummantelung besteht und als wesentliche Legierungselemente solche Mengen an Ni, Si, B, Nb, C und Zr aufweist, daß das von der Mantelelektrode abgegebene, abgeschiedene Metall mindestens 40 Gew.-% Nickel, 3 bis 8 Gew.-o/o Silicium, 0,1 bis 0,5 Gew.-°/o Bor, 03 bis %0 Gew.-°/o Niob, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und 0,01 bis 0,20 Gew.-% Zirkonium enthält

2. Mantelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des abgeschiedenen Metalls aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht

3. Mantelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndraht mindestens 95 Gew.-°/o Nickel enthält und die Ummantelung 5 bis 13 Gew.-% Silicium. 1 bis 5 Gew.-% Bor, 0,4 bis 4 Gew.-% Niob, 1 bis 6 Gew.-% Kohlenstoff und 0,1 bis 2,0Gew.-% Zirkonium aufweist

4. Mantelelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Ummantelung weiterhin Eisen als ein zusätzliches Legierungselement aufweist

5. Mantelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Kerndraht im wesentlichen aus 50 bis 60 Gew.-% Nickel und zum Rest aus Eisen besteht und die Ummantelung 5 bis 13 Gew.-% Silicium, 1 bis 5 Gew.-% Bor, 0,4 bis 4 Gew.-% Niob, 1 bis 6 Gew.-°/o Kohlenstoff und 0,1 bis 2,0 Gew.-% Zirkonium aufweist

6. Mantelelektrode naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Ummante'i ng weiterhin Eisen als ein zusätzliches Legierungselement aufweist

7. Mantelelektrode nach Anspruch 3 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die Ummantelung weiterhin mindestens ein lichtbogenstabiiisierendes Mittel, ein gaserzeugendes Mittel, ein schlackebildendes Mittel und ein Gleitmittel aufweist

8. Mantelelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung Calciumcarbonat, Bariumcarbonat und Fluorit aufweist.

9. Mantelelektrode nach Anspruch 3 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der Ummantelung zu dem Kerndraht in dem Bereich von 20 : 100 bis 50 :100 liegt.