DE3438634C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Lichtbogenauf­ tragsschweißen und betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Schichten durch Auf­ tragsschweißen sowie Vorrichtungen zu dessen Durch­ führung.

Die vorliegende Erfindung kann im Maschinenbau, Ge­ rätebau, in der Metallurgie bei der Herstellung von neuen und der Erneuerung von abgenutzten Bauteilen wie Wellen, Räder, Zahnräder, Bulldozermesser, Pflugschare usw., die unter starkem Verschleiß, in aggressiven Medien, bei hohen Geschwindigkeiten, Temperaturen und Belastungen be­ trieben werden, mit Erfolg eingesetzt werden.

Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von ver­ schleißfesten Schichten durch Auftragsschweißen, das das Lichtbogenschmelzen eines Elektrodendrahtes und die Zuführung von verschleißfesten Feststoffteilchen unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf die letzteren vorsieht (SU-PS 4 16 209).

Im bekannten Verfahren werden die verschleißfesten Feststoffteilchen auf die Oberfläche des aufgeschweißten Stahls durch Lichtbogenschmelzen des Elektrodenstrahldrah­ tes zugeführt. Dabei wird auf die auf der Oberfläche des aufgeschweißten Stahls bereits im festen Zustand bei einer Temperatur von 850 bis 900°C befindlichen Teilchen mit Ultraschallschwingungen eingewirkt.

Bei diesem Verfahren sind die Teilchen mit dem auf­ geschweißten Metall nicht fest gebunden und fliegen aus diesem schon bei geringen Belastungen heraus, weil sie in die bei einer Temperatur von 850 bis 900°C aufgeweichte Stahloberfläche nur eingedrückt und an der interatomaren Wechselwirkung mit dem Metall infolge vorhandener Oxid­ filme und Verunreinigungen nicht beteiligt sind. Wenn auch bei diesem Verfahren das aufgeschweißte Metall verfestigt wird, so findet es nur auf der Oberfläche und nicht im gesamten Volumen des aufgeschweißten Metalls statt.

Bekannt ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen, die einen magnetostriktiven Wandler enthält, der mit einem Hochfrequenzgenerator elektrisch und mit einem Konzentrator mechanisch verbun­ den ist, der die Ultraschallschwingungen auf die ver­ schleißfesten Feststoffteilchen überträgt. Ein Nachteil der Vorrichtung für die Erzeugung der Ultraschallschwin­ gungen besteht darin, daß die Ultraschallschwingungen vom Konzentrator auf die Teilchen unmittelbar durch deren Kontakt mit der abstrahlenden Stirnfläche des Konzentra­ tors übertragen werden. Dabei wird nur wenig akustische Energie auf die Teilchen übertragen, weil sie mit der abstrahlenden Fläche des Konzentrators nur in einzelnen Punkten im Kontakt stehen. Durch eine geringe akustische Kontaktfläche wird der Koeffizient der Energieübertragung auf die Teilchen verringert und folglich die Wirksamkeit der Wechselwirkung der Feststoffteilchen mit dem aufge­ schweißten Metall herabgesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, ein solches Verfahren zum Auftragen von ver­ schleißfesten Werkstoffen sowie eine derartige Vor­ richtung für dessen Durchführung zu schaffen, welche es gestatten, eine gleichmäßige Verteilung der verschleiß­ festen Feststoffteilchen im gesamten Volumen des auf­ geschweißten Metalls, eine gute Benetzung und Durch­ tränkung der Feststoffteilchen durch das Schmelzmetall zu gewährleisten.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Schichten durch Auf­ tragsschweißen gelöst, das das Lichtbogenschmelzen eines Elektrodendrahtes und die Zuführung von verschleißfesten Feststoffteilchen in die Schmelze unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen auf die letzteren vorsieht und in dem erfindungsgemäß die verschleißfesten Feststoff­ teilchen in einem Hohldraht untergebracht werden, der in das Schmelzbad des Elektrodendrahtes unmittelbar einge­ führt wird, und zur Einwirkung mittels Ultraschall­ schwingungen auf die verschleißfesten Feststoffteilchen diese Schwingungen dem Hohldraht mitgeteilt werden.

Im flüssigen Metall, beispielsweise Stahl, werden bei einer Temperatur von 1600 bis 1700°C unter Einwirkung des Ultraschallfeldes Strömungen erzeugt, durch die die im Metall befindlichen Feststoffteilchen über das gesamte Volumen des Schmelzmetalls transportiert und gleichmäßig verteilt werden und sich bei dessen Erstarren in diesem fest verankern. Durch die Kavitation im flüssigen Metall werden die Teilchen von unterschiedlichen Verunreinigungen und Oxidfilmen bis zu unbefleckten Oberflächen gereinigt, wobei zwischen den Atomen des Schmelzmetalls und der Teilchen eine interatomare Wechselwirkung entsteht. Beim Erstarren entsteht eine feste Bindung der Teilchen an das aufgeschweißte Metall. Außerdem wird die Bindung der Teilchen an das Metall durch den kapillaren Ultraschall­ effekt verstärkt, wodurch eine gute Durchtränkung der Feststoffteilchen durch die Metallatome gesichert und deren Bindung an die Atome des aufgeschweißten Metalls gefördert wird. Durch eine intensive Diffusion an der Schmelze-Feststoffteilchen-Grenzfläche sowie durch die Dispergierung der Feststoffteilchen in einem starken Ultraschallfeld wird das aufgeschweißte Metall durch die Atome der Feststoffteilchen legiert und modifiziert. Dadurch wird die Anzahl der aktiven Kristallisations­ zentren vergrößert, das Gefüge des Werkstoffs und seine physikalisch-mechanischen Eigenschaften geändert.

Zweckmäßigerweise werden Borkarbidteilchen als ver­ schleißfeste Feststoffteilchen verwendet, weil Borkarbid eine genügend hohe Härte und gute Korrosionsschutzeigen­ schaften besitzt.

Die Größe der verschleißfesten Teilchen kann in einem Bereich von 3 bis 20 µm liegen. Die Teilchen unter 3 µm werden im geschmolzenen Metall unter Ein­ wirkung der Hochtemperaturen und der Energie des Ultraschallfeldes praktisch völlig zerstört. Die Teilchen über 20 µm werden infolge ihrer großen Masse und der Trägheit gegenüber dem Transport durch akustische Strömungen ungleichmäßig im Volumen des aufgeschweißten Metalls verteilt.

Die Amplitude der Ultraschallschwingungen, die dem mit verschleißfesten Teilchen gefüllten Draht mitgeteilt werden, liegt in einem Bereich von 6 bis 15 µm und ihre Frequenz beträgt 18 bis 44 kHz. Bei einer Amplitude unter 6 µm reicht die Energie nicht aus, um die Aktivierung der Teilchen, Fluktationsvor­ gänge und Übergang von Fluktationen in Kristallisations­ keime, Benetzung, Durchtränkung, Dispergierung, Diffusion und eine gleichmäßige Verteilung der Teilchen im Volu­ men des aufgeschweißten Metalls zu erzielen. Bei einer Amplitude über 15 µm wird die Wirksamkeit ebenfalls ver­ ringert: einerseits infolge Dämpfungswirkung der ausge­ dehnten Kavitation und andererseits infolge hoher lokaler Temperaturen und Energien, durch die die Feststoffteilchen desaktiviert werden.

Der Frequenzbereich von 18 bis 44 kHz ist durch die technologischen Besonderheiten der ver­ schleißfesten Werkstoffe bedingt. Bei Frequenzen unter 18 und über 44 kHz und gleichen sonstigen Bedingungen des Aufschweißvorganges werden die physikalisch-mechani­ schen Werkstoffeigenschaften verschlechtert.

Die gestellte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die einen magnetostriktiven Wandler enthält, der mit einem Hochfrequenzgenerator elektrisch und mit einem Konzentrator mechanisch verbunden ist, durch den die Ultraschall­ schwingungen auf die Feststoffteilchen übertragen werden, und in der erfindungsgemäß der Konzentrator in Gestalt eines Stabes ausgebildet ist, der eine Spiralnut an der Außenfläche für die Unterbringung des Hohldrahtes be­ sitzt, der mit verschleißfesten Teilchen gefüllt und an die Konzentratoroberfläche durch eine den Konzentrator umschließende Hülse gedrückt ist.

Elastische mechanische Schwingungen, die aus den elektrischen Schwingungen des Generators durch den magnetostriktiven Wandler erzeugt werden, werden dem Konzentrator zugeführt. Da der akustische Kontakt des Drahtes mit den Feststoffteilchen durch die Spiralnut er­ folgt und ein Heraustreten des Hohldrahtes mit den Fest­ stoffteilchen aus der Nut durch die den Konzentrator um­ schließende Hülse verhindert wird, wird die akustische Energie vom Konzentrator auf den Draht und folglich auf die Feststoffteilchen stabil und zuverlässig übertragen.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall­ schwingungen schematisch im Längsschnitt dargestellt ist, durch die das erfindungsgemäße Verfahren zum Auftragen von verschleißfesten Werkstoffen realisiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auftragen von verschleißfesten Werkstoffen besteht im folgenden:

In der Aufschweißzone wird ein Elektrodendraht 1 für das Auftragsschweißen kontinuierlich zugeführt. Unter Wärmewirkung des Lichtbogens, der zwischen dem Ende des Elektrodendrahtes 1 und dem Auftragteil 2 brennt, schmilzt der Elektrodendraht 1 und bildet auf dem Teil 2 eine Schicht 3 des Auftragmetalls. In das Schweißbad 4 wird ein Hohldraht 5 eingeführt, der mit verschleißfesten Feststoffteilchen 6 gefüllt ist. Dabei werden dem mit den Feststoffteilchen 6 gefüllten Hohldraht 5 Ultraschallschwingungen mitgeteilt. Mit dem Eintauchen durch Flußmittelschicht 7 gelangt der Hohldraht 5 mit den Feststoffteilchen 6 in das Schweißbad 4, schmilzt auf und erzeugt Ultraschallschwingun­ gen im Schmelzbad 4. Im geschmolzenen Metall werden die verschleißfesten Feststoffteilchen unter Ein­ wirkung der Ultraschallschwingungen im gesamten Volumen des geschmolzenen Metalls gleichmäßig verteilt und bei dessen Erstarren in diesem fest verankert. Dabei werden die Feststoffteilchen 6 von den Verunreinigungen und Oxidfilmen ge­ reinigt und mit dem geschmolzenen Metall benetzt, so daß bei der Erstarrung des Metalls eine feste Bindung der Feststoffteilchen 6 an das Metall entsteht. Außerdem wird eine gute Durchtränkung der Feststoffteilchen 6 durch das geschmolzene Metall erzielt.

Durch die Ultraschallschwingungen im geschmolzenen Metall mit über das gesamte Volumen verteilten ver­ schleißfesten Feststoffteilchen 6 wird ein Legieren und ein Modifizieren des aufgeschweißten Metalls 3 durch die Atome der Feststoffteilchen 6 gefördert.

Als verschleißfeste Feststoffteilchen 6 werden Borkarbidteilchen verwendet. Es können ebenfalls Silizium­ karbid, Wolframkarbid und andere Karbide zur Anwendung kommen.

Die Teilchen haben eine Größe von 3 bis 20 µm.

Die Ultraschallschwingungen besitzen eine Amplitude von 6 bis 15 µm und eine Frequenz von 18 bis 44 kHz.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallschwingun­ gen, mit der die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahren ermöglicht wird, enthält einen magnetostriktiven Wandler 8, der mit einem Hochfrequenzgenerator 9 elektrisch und mit einem Konzentrator 10 mechanisch verbunden ist, der die Ultraschallschwingungen auf die Feststoffteilchen über­ trägt. Erfindungsgemäß ist der Konzentrator 10 in Gestalt eines Metallstabes ausgebildet, der eine Spiralnut 11 an der Außenfläche für die Unterbringung eines Hohldrahtes 5 besitzt, der mit verschleißfesten Feststoffteilchen 6 ge­ füllt ist. Für das Anpressen des Hohldrahtes 5 an die Ober­ fläche des Konzentrators 10 ist zwecks einer stabilen Übertragung der akustischen Energie auf das geschmolzene Metall eine Hülse 12 vorgesehen, die den Konzentrator 10 von außen umschließt und ein Heraustreten des Hohldrahtes 5 mit Feststoffteilchen 6 aus der Nut 11 verhindert.

Die Vorrichtung zur Erzeugung der Ultra­ schallschwingungen funktioniert folgenderweise.

Mechanische elastische Schwingungen, die aus elektrischen Schwingungen des Generators 9 durch den magnetostriktiven Wandler 8 erzeugt werden, werden in den Konzentrator 10 eingeleitet. Die Ultraschallschwin­ gungen werden von dem in der Spiralnut 11 angeordneten mit den Feststoffteilchen 6 gefüllten Hohldraht aufgenom­ men, und beim Aufschmelzen des Hohldrahtes 5 gelangen die verschleißfesten Feststoffteilchen 6 in das Schweißbad 4.

Claims (5)

1. Verfahren zum Auftragen von verschleißfesten Werkstoffen durch Auftragsschweißen mittels Lichtbogen­ schmelzen eines Elektrodendrahtes (1), Zuführung von verschleißfesten Feststoffteilchen (6) und unter Ein­ wirkung von Ultraschallschwingungen auf diese, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfe­ sten Feststoffteilchen (6) in einem Hohldraht (1) unter­ gebracht werden, der, in das Schweißbad (4) eingeführt, abschmilzt und auf den die Ultraschallschwingungen übertragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als verschleißfeste Feststoffteilchen (6) Borkarbid­ teilchen benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Teilchen eine Größe von 3 bis 20 µm besitzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit den verschleißfesten Feststoffteilchen (6) gefüllten Hohldraht (5) Ultraschallschwingungen mitgeteilt werden, die eine Amplitude von 6 bis 15 µm und eine Frequenz von 18 bis 44 kHz haben.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die einen Schweißkopf zur Zuführung einer Drahtelektrode (1), eine Einrichtung zum Zuführen von Feststoffteilchen (6) und einen magnetostriktiven Wandler (8) enthält, der mit einem Hochfrequenzgenerator (9) elektrisch und mit einem Konzentrator (10) mechanisch verbunden ist, der die Ultraschallschwingungen auf die verschleißfesten Feststoffteilchen (6) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrator (10) in Gestalt eines Stabes ausgebil­ det ist, der eine Spiralnut an der Außenfläche für die Unterbringung des Hohldrahtes (5) besitzt, der mit ver­ schleißfesten Feststoffteilchen (6) gefüllt ist und an die Oberfläche des Konzentrators (10) durch eine Hülse (12) gedrückt wird, die den Konzentrator (10) umschließt.