DE670846C

DE670846C - Verfahren zum Schweissen von Chrom- oder Chromnickelstaehlen

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Publication number: DE670846C
Application number: DEE47114D
Authority: DE
Original assignee: ELECTRO METALLURG CO
Current assignee: ELECTRO METALLURG CO
Priority date: 1934-07-28
Filing date: 1935-06-28
Publication date: 1939-01-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von Chrom- oder Chromnickelstählen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren für Chrom- oder Chromnickelstähle mit etwa 2 bis 30 °/₀ Chrom, 0,1 bis 0,5 °/₀ Kohlenstoff und gegebenenfalls 5 bis 30 °/₀ Nickel. Die Erfindung besteht darin, daß das Schweißen mit einem Zusatzmetall und einem Flußmittel erfolgt, die entweder beide oder einzeln Niob und Silicium enthalten. Vorzugsweise enthält das Zusatzmetall und/o.der Flußmittel Niob und Silicium in einer solchen Menge, daß in der Schweißnaht mindestens vier- bis zehnmal soviel als Kohlenstoff, jedoch nicht über etwa 5 °/o Niob und 0,5 °/o bis 2,5 °/₀, vorzugsweise jedoch nicht mehr als 1 °/₀ Silicium vorhanden sind. Unter den meisten Umständen werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn der Gehalt an Niob mindestens das Zehnfache des Kohlenstoffgehaltes der Schweißnaht beträgt und in dieser der Siliciumgehalt etwa 1 °/₀ und der Kohlenstoffgehalt etwa 0,3 °/₀ nicht übersteigen.

P'erritische Chromstähle, welche etwa 2 bis 16 % Chrom und mäßige Mengen an Kohlenstoff enthalten, sind ausgesprochene Lufthärtner ; Schweißnähte, welche mit diesen Stählen hergestellt werden, sind daher gewöhnlich sehr brüchig. Ferritische Chromstähle mit etwa 16 bis 35 % Chrom und mäßigen Gehalten an Kohlenstoff ermangeln einer zufriedenstellenden Dehnbarkeit im verschweißten Zustande. Ferner neigen Chromnickelstähle mit beispielsweise 12 bis 35°/₀ Chrom, 6 bis 35 °/₀ Nickel und bis zu etwa 0,3 °/₀ Kohlenstoff dazu, einen wesentlichen Teil ihrer Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korro-. sion zu verlieren, wenn sie verschweißt oder während langer Zeiten auf Temperaturen von etwa 500 bis 650⁰ C gehalten werden.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Schweißeigenschaften der obengenannten Stähle dadurch zu verbessern, daß man dem zu verschweißenden Stahl und dem Schweißstab Niob zusetzte. Obgleich auf diese Weise gute Ergebnisse erzielt worden sind, neigt aber ein niobhaltiger Stahl dazu, einen Teil seines Gehaltes an diesem Element während des Schweißens zu verlieren. Ein derartiger Niobverlust tritt nicht auf, wenn das Grundmetall aus titanhaltigem Chrom- oder Chromnickelstahl besteht. Bei titanfreien Grundmetallen ist es in manchen Fällen weder vom wirtschaftlichen noch metallurgischen Standpunkt aus ratsam, im Grundmetall und Schweißstabmetall eine überschüssige Menge Niob vorzusehen, damit in der Schweißnaht die Anwesenheit von genügend Niob sichergestellt wird.

Die Erfindung bezweckt nicht nur, den erwähnten Niobverlust während des Schweißens auf einem Mindestwert zu halten, sondern auch die Weichheit und Dehnbarkeit ge-S schweißter ferritischer Chromnickelniobstähle zu verbessern und die Neigung von Chromnickelniobstählen zum Verlust der Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion während des Schweißens und nach längerem Erto Mtzen auf erhöhte Temperaturen zu verringern.

Es ist zwar bekannt, daß gewisse Elemente beim Schweißen leichter ausbrennen und dagegen durch Beilegieren eines anderen EIementes von größerer chemischer Verwandtschaft zum Sauerstoff geschützt werden können; man hat auch schon versucht, eine gewisse Regel für die Auswahl von solchen Schutzelementen im Hinblick auf die verschiedenen Verbrennungswärmen aufzustellen. Eine derartige Regel, ihre strenge Gültigkeit vorausgesetzt, würde aber den Fachmann nicht zu der ganz bestimmten Auswahl führen, welche erfindungsgemäß die gleichzeitige Erreichung verschiedener Zwecke ermöglicht, nämlich die Erzielung einer Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion durch Vermeidung des Ausbrennens von Niob, der gleichzeitigen Verbesserung der mechanischen Beschaffenheit, insbesondere der Weichheit und Dehnbarkeit der Schweißnaht, und der Verbesserung der Schlacke hinsichtlich physikalischer urid chemischer Eigenschaften, insbesondere Zähigkeit, Haftfestigkeit im geschmolzenen und erstarrten Zustande, Auflösevermögen und Ausbeutung wertvoller Schlackenbestandteile. Dieses Zusammentreffen von verschiedenartigsten Vorteilen konnte daher auch weder aus dem Bekanntsein von gegen interkristalline Korrosion beständigen niobhaltigen Chromnickelstählen noch aus der bekannten Verwendung von tantal- und siliciumhaltigen Schweißstäben für korrosionsbeständige Chrom- oder Chromnickelstähle abgeleitet werden, abgesehen davon, daß Tantal und Niob sowohl aus allgemeinen Gründen als auch insbesondere für die Zwecke der Erfindung nicht als gleichwertig gelten können.

Die nachstehende Zahlentafel A von Prüfungsergebnissen zeigt die verbesserte Ausbeute an Niob, welche durch den Siticiumzusatz gemäß der Erfindung erzielt wird. Die Schweißnähte der Proben wurden an Blechen von 2,8 mm Stärke mit Schweißstäben von 3,2 mm Durchmesser hergestellt, und zwar sowohl mit der Sauer stoffacetylenfiamme als auch mit dem elektrischen Lichtbogen. Es wurde ferner ein Flußmittel verwendet, das kein freies, d. h. chemisch ungebundenes Metall enthielt.

Zahlentafel A.

Zusammensetzung des Schweißstabes	■%Ni	%Nb	%Si	Schweiß- verfahren	%Nbinder Schweiß
%Cr		0,70	0,30		naht
6,32	—	0,76	0,43	M	0,20
6,63	—	1,50	0,60	W	0,25
6,31	—	i,49	1,12	M	0,98
6,36	—	2,11	2,09	(I)	1,23
6,20	8,95	0,72	0,17	(I)	1,98
18,39	8,95	0,72	0,17	(I)	0,39
18,39	9,27	1,21	o,33	(2)	0,28
18,63	8,97	1,16	0,68	(2)	0,86
18,38	8,97	1,16	0,68	(I)	1,06
18,38	9,27	1,63	0,91	(2)	1,09
18,68	9,27	i,53	0,91	(I)	1,63
18,68	9,19	0,88	i,37	(2)	1,16
18,65	9,i9	0,88	1.37	(I)	0,88
18,65	8,88	1,04	1,73	(2)	o,74
18,16	8,88	1,04	1.73	(I)	0,96
18,16	9,08	1,09	2,23	(2).	0,91
18,35	9,08	1,09	2,23	(I)	1,07
18,35	(2)	0,93

(1) Acetylensauerstoffflammenschweißung.

(2) Elektrische Lichtbogenschweißung.

Es wurde auch gefunden, daß Silicium in wesentlichen Mengen dazu neigt, die Dehnbarkeit und Weichheit der mit ferritischen Chromniobstählen hergestellten Schweißnähte zu verbessern. Diese Wirkung des Siliciums wird durch die in der nachstehenden Zahlentafel B mitgeteilten Versuchsergebnisse bewiesen, in welcher die Brinellhärtezahlen für verschiedene Stähle im gewalzten Zustande mitgeteilt werden.

Zahlentafel B.

Es wurde ferner gefunden, daß Silicium in wesentlichen Mengen eine Verbesserung bei gewissen Chromnickelmobstählen bewirkt hinsichtlich des Verlustes an Korrosionsbeständigkeit während des Schweißens und nach länger dauerndem Erhitzen auf erhöhte Temperaturen. Der Zusatz von Silicium verleiht manchen Stählen, welche wegen ihres hohen

	Analyse	des	Stahles	%Si	Brinellhärte
%Cr	%c	1	%Nb	0,41
5,62	0,09		1,04	0,78	208
6,48	0,09		1,80	1,12	179
6,36	0,07		i,49	2,09	166
6,20	0,06		2,11	156

Kohlenstoffgehaltes oder eines etwas niedrigen Verhältnisses des Niob- zum Kohlenstoffgehalt sonst nicht völlig widerstandsfähig sind, eine Beständigkeit gegen die interkristalline Korrosion (den Zwischenkornangriff). Beispielsweise wurden Proben der in der nachstehenden Zahlentafel C mitgeteil-• ten Stähle während verschiedener Zeiten auf verschiedenen Temperaturen zwischen 300 und 850⁰ C gehalten, wobei für jede Kombination von Temperatur und Zeitdauer der Erhitzung eine gesonderte Probe benutzt wurde. Nachdem jede Probe auf der gegebenen Temperatur während der gegebenen Zeitdauer gehalten worden war, wurde sie in der üblichen angesäuerten Kupfersulfatlösung gekocht, um eine Zerstörung durch den Zwischenkornangriff herbeizuführen.

20	Stahl	% Cr	Zahl	entafel C.	0/ η /0 ^	%Nh	% Si
	i8,49		Analyse	0,09	1,18	0,18
*5 ^τ	19,45	V„ Ni	«/„Mn	0,12	1,14	o,35
	18,46	8,81	0,85	0,09	1,25	o,44
3	18,38	8,80	0,57	0,10	1,16	0,68
4 ■	8,89	0,57
	8,97	0,63

Wurden die Stähle in der beschriebenen Weise behandelt, dann zeigten die Proben 1 und 2 eine Zerstörung nach zweiwöchentlicher Erhitzung auf 550⁰ C und einer Koch dauer von 100 Stunden. Die Stahlproben 3 waren gesund und wurden nicht wesentlich angegriffen, nachdem sie während eines Monats auf Temperaturen von 300, 400, 475, 550, Ö5°j 750 und 850⁰ C gehalten und sodann während 100 Stunden gekocht wurden. Die Proben des Stahles 4 waren gesund und nicht wesentlich angegriffen, nachdem sie während eines Monats auf Temperaturen von 300, 400, 475> 55°' 6S°, 75° ^Ufld §50° C gehalten und sodann während 1000 Stunden gekocht worden waren.

Das Silicium kann in das Schmelzbad als Bestandteil entweder des Schweißstabes oder des Flußmittels eingeführt werden. Ein derartiges Flußmittel, welches nicht über 60 °/₀ Silicium in elementarer oder legierter Form, z. B. als Ferrosilicium, enthält, kann der Schweißstelle in Form eines Pulvers oder einer Paste zugeführt werden oder auch als Überzug oder Hülle auf dem Schweißstab angebracht sein. Der Rest des Flußmittels besteht vorzugsweise in der Hauptsache aus schlackenbildenden Stoffen, wie z. B. Metalloxyden, Silicaten, Carbonaten, Boraten und Fluoriden. Versuche haben die Wirksamkeit eines solchen siliciumhaltigen Flußmittels erwiesen. Beispielsweise wurden Schweißstäbe, deren analytische Zusammensetzung i8,39°/o Chrom, 8,95 °/o Nickel, 0,72 % Niob, 0,17 °/₀ Silicium und 0,06 % Kohlenstoff war, mit siliciumhaltigem Flußmittel überzogen und vermittels des elektrischen Lichtbogenschweißverfahrens geschmolzen auf die Schweißstellen aufgebracht. Das Schweißnahtmetall wurde dann in jedem Falle auf Niob und Kohlenstoff analysiert. Schweißstäbe von gleicher Zusammensetzung, welche jedoch in ihren Flußmittelüberzügen kein Silicium aufwiesen, wurden in ähnlicher Weise mit Hilfe der Lichtbogenschweißung auf die Schweißstelle niedergeschmolzen, und das Schweißnahtmetall wurde zwecks Vergleichs analysiert. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Zahlentafel D aufgeführt, in welcher sich alle Angaben auf Gewichtsprozente beziehen.

	Zahlentafel	des	D.	- CaO
	Zusammensetzung		Flußmittels	Chromerz
	I	II	Dextrin elementares Silicium
30	Teile Feldspat	30 Teile Feldspat
IO	- CaO	IO
5	Chromerz	5
2 V,	Dextrin 2 2	\

III

75 Teile Ca-Mg-Silicat
10 - Ton
10 - Rutil (TiO₂)
5 - Ferrosilicium (75 °/₀ Si)

Schweißnahtmetallprüfungen

% Nb im Schweißstab	Flußmittel	% Nb in der Schweißnaht	Ausbeute an Niob "/„
0,72 0,72 0,72 0,72	I II II III	o,35 0,49 o,55 o,47	49 68 76 65

In ähnlicher Weise ist es möglich, das im Schweißnahtmetall erwünschte Niob ganz oder teilweise dadurch zuzuführen, daß man Niob als Bestandteil des Flußmittels (Schweißmittels) wählt. Das Niob kann in Form von metallischem Niob oder einer Legierung, wobei etwa 2 bis 40 °/o Niob vorzugsweise dem Flußmittel zugefügt werden, oder in Form einer oxydischen Niobverbindung verwendet werden, wobei vorzugsweise etwa 25 bis 75 % Nioboxyd oder dessen Äquivalent in dem Flußmittel enthalten sind. Benutzt man eine oxydische Verbindung, dann reduziert das vorhandene elementare Silicium die oxydische Verbindung zu Metall.

Bei weiteren Versuchen wurde eine Ferronioblegierung mit angenähert 62,5 % Niob, 7 °/o Silicium, 2 °/o Mangan, 0,33 °/₀ Kohlenstoff, 1,64 °/o Tantal, Rest im wesentlichen Eisen, bis zu einer Korngröße, welche durch ein ioo-Maschen-Sieb (etwa 0,15 mm Maschenweite) hindurchgeht, gemahlen und mit schlackenbildenden Stoffen, welche Feldspat, Calciumcarbonat und Chromerz enthielten, gemischt. Es wurden drei Mischungen hergestellt, die etwa 13, 22 und 32,4 °/o Gewichtsprozente an Niob auf etwa 30 Gewichtsteile Feldspat, Io Gewichtsteile Calciumcarbonat und 5 Gewichtsteile Chromerz enthielten* und

'5 als Überzüge auf Schweißstäbe aufgebracht, welche weniger als 0,5 °/o Silicium enthielten.

Ein jeder so überzogener Schweißstab wurde dann mittels der elektrischen Lichtbogen--. schweißung niedergeschmolzen und die Schweißnaht analysiert, worauf die Analyse mit jener eines Schweißdrahtes verglichen wurde, der unter gleichen Bedingungen, jedoch ohne Benutzung des niobhaltigen Flußmittels verwendet worden war. Die Ergebnisse dieser Vergleichsversuche sind in der nachstehenden Zahlentafel E' enthalten.

Zahlen tafel E.

Zusammensetzung des Schweißstabes	% Ni	% c	%Nb	% Niob im Fluß	% Niob in der Schweißnaht
% Cr	.	0,07	i,55	mittel'	0,95
6,34	—	0,07	1,55		1,35
6,34	—	0,07	r,55	13,3	1,89
6,34	—■	0,07	i,55	21,9	2,30.
6,34	8,95	0,06	0,72	32,4	0,28
i8,39	8,95	0,06	0,72	—	0,64
18,39	8,95	o,o6	0,72	13,3	1,-19
18,39	8,95	0,06	0,72	21,9	2,17
18,39	32,4

Bei weiteren Versuchen wurde das Metall mittels der Acetylensauerstoffflammenschweißung von einem Schweißstab abgeschmolzen, welcher folgende analytische Zusammensetzung aufwies: 17,87% Chrom, 8,95 °/o Nickel, 0,74% Mangan, 0,1p °/₀ Kohlenstoff, 0,88 °/o Silicium, Rest Eisen. Ein Flußmittelüberzug wurde durch Eintauchen des erhitzten Schweißstabes in die nachstehende Mischung aufgebracht : Niobit (Columbit) 50 %> Feldspat 20%) Calciumfluoridi5°/o, Borax 7%, Kieselä °/ D Nibi b bi d Al

% 5/o 7%

säure 2 °/o- Der Niobit ergab bei der Analyse einen Gehalt von etwa 65 °/o Nb₂O₃. Das niedergeschmolzene Schweißstabmetall zeigte bei der Analyse einen Gehalt von 0,65 °/o bis 0,90 ?/o Niob, je nach der benutzten Flußmittelmenge, sowie etwa 0,10 °/o Kohlenstoff ßo und etwa 0,5 °/₀ Silicium. Bei anderen Proben wurde ein mit siliciumhaltigem Flußmittel überzogener Schweißdraht von geringem Siliciumgehalt verwendet. Die Ergebnisse waren ähnlich, nur die Niobausbeute \var nicht ganz so hoch.

Flußmittel, welche Sauerstoffverbindungen des Niobs enthalten und besonders empfehlenswert sind, zeigen etwa folgende Zusammensetzung:

Nioboxyd 25 bis 75 ⁰Z₀

Feldspat........... 5 - 35°/_n

Calciumfluorid 5 - 30°.',,

Borax..... ι - 15%

Kieselsäure ι - 10 °/„

Silicium oder Ferrosilicium ο - 5ο⁰Z₀

Claims

Patentanspruch ic:

1. Verfahren zum Schweißen von Chrom- oder Chromnickelstählen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen mit einem Zusatzmetall und einem Flußmittel erfolgt, die entweder beide oder einzeln Niob und Silicium enthalten.

2. Zusatzmetall und/oder Flußmittel zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Niob und Silicium derart ist, daß in der Schweißnaht mindestens vierbis zehnmal soviel als Kohlenstoff, jedoch nicht über etwa S°/_o Niob, und 0,5% bis ²)S %» vorzugsweise jedoch nicht mehr als etwa ι °/₀ Silicium vorhanden sind.

3. Schweißstab zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine niob- und siliciumhaltige, vorzugsweise die in Anspruch 2 angegebenen Niob- und Siliciumgehalte besitzende Umhüllung. 10p

4. Flußmittel nach Anspruch 2 oder Umhüllungsmasse für den Schweißstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Niob ganz oder teilweise in Form einer oxydischen Niobverbindung, vorzugsweise in Form von Nioboxyd vorhanden ist.

5. Flußmittel oder Umhüllungsmasse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außer einem wesentlichen Anteil an elementarem Silicium noch schlacken- · bildende Stoffe, wie z.B. Metalloxyde, Silicate, Carbonate, Borate und Fluoride, enthalten.