DE69727391T2

DE69727391T2 - Verfahren für eine oberflächen-beschichtung eines metallsubstrats durch unterpulverschweissen

Info

Publication number: DE69727391T2
Application number: DE69727391T
Authority: DE
Inventors: Hans Hallen; Karl-Erik Johansson
Original assignee: Hoganas AB
Current assignee: Hoganas AB
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: EP0930951A1; KR20000048487A; JP4447057B2; KR100641509B1; EP0930951B1; CN1084653C; US6331688B1; WO1998012010A1; ATE258479T1; DE69727391D1; ES2213837T3; AU4478097A; JP2010017766A; JP2001500432A; CN1233203A; SE9603486D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Metallsubstrats mit dem Unterpulverschweißverfahren.
Das Unterpulverschweißverfahren (UP-Schweißen) ist ein bekanntes Verfahren, dessen Prinzip z. B. in Kapitel 28 des Schweißhandbuches Nr. 2, 4. Auflage (1958), Abschnitt 2, Schweißverfahren, beschrieben wird.
Gegenwärtig wird das UP-Schweißverfahren als ein sehr rationelles Verfahren zum Schweißen und Oberflächenbeschichten betrachtet. Auch wenn dieses Verfahren sehr rationell ist, besteht Interesse daran, seine Produktivität zu erhöhen. Ein Weg zur Erhöhung der Produktivität ist die Verwendung von Mehrdrahtsystemen in Kombination mit einer hohen Amperezahl. Ein anderer Weg ist, der Schweißnaht während des gesamten Schweißprozesses sorgfältig abgemessene Mengen an Metallpulver hinzuzufügen. Das Metallpulver kann durch "Vorwärtseinleitung" hinzugefügt werden, das heißt das Pulver wird vor der Flussmitteleinleitung und dem Elektrodendraht eingeleitet, oder durch "direkte Einleitung", das heißt das Pulver haftet magnetisch am Elektrodendraht/an den Elektrodendrähten.
Die gegenwärtig verwendeten Metallpulver sind im Wesentlichen unlegierte Metallpulver, während die Elemente derjenigen, die für die Endnaht gewünscht werden, und die Zusammensetzung derselben von dem Elektrodendraht/den Elektrodendrähten oder der Elektrodenschnur/den Elektrodenschnüren bestimmt werden, die hohe Mengen an Legierungselementen enthalten.
Erfindungsgemäß ist jetzt festgestellt worden, dass das UP-Schweißverfahren verbessert werden kann, indem ein vorlegiertes verdüstes Metallpulver eingesetzt wird, das große Mengen von Legierungselementen in Kombination mit mindestens einem abschmelzbaren Elektrodendraht oder Elektrodenschnur enthält, die aus unlegiertem oder niedriglegiertem Metall bestehen. Es ist wesentlich, dass das Pulver vorlegiert ist, da es ansonsten nicht möglich sein wird, eine einheitliche Beschichtung zu erhalten. Ein weiteres wichtiges Merkmal besteht darin, dass das Pulver auf der Außenseite des Elektrodendrahts bereitgestellt wird, der beim UP-Schweißverfahren genutzt wird.
Besonders wichtige Vorteile werden erzielt, wenn das erfindungsgemäße Verfahren für die Oberflächenbeschichtung von Metallsubstraten angewandt wird, wie z. B. niedriglegierte Stahlsubstrate, die beschichtet werden müssen, um die Härte, die Festigkeit, die Oxidation und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die Probleme bei gegenwärtig genutzten Beschichtungsverfahren sind niedrige Produktivität und eine verhältnismäßig starke Verdünnung der Oberfläche des Metallsubstrats. Eine Folge der starken Verdünnung ist, dass mehrere Schichten und große Mengen des Legierungsmaterials benötigt werden, um eine Oberflächenbeschichtung zu erhalten, welche die gewünschte Zusammensetzung und die gewünschten Eigenschaften aufweist. Kurz gesagt bedeutet dies, dass die beschichteten Substrate, die mit den gegenwärtig angewandten Verfahren entstehen, teuer sind und die Produktivität niedrig ist.
Das USA-Patent 2 810 063 offenbart ein Verfahren, wobei ein Metallpulver zum Unterpulverschweißen verwendet wird. Die bei diesem Patent speziell genutzten Pulver schließen Ferrochrom, Ferromangan und Ferromolybdän in Kombination mit einem weichen Eisenpulver und einem Natriumsilikat ein. Ein kennzeichnendes Merkmal gemäß diesem Patent ist das Vorhandensein des Eisenpulvers, das wesentlich dafür ist, dass die Legierungselemente magnetisch mit dem Elektrodenstab oder -draht verbunden werden. Es bestehen jedoch Probleme hinsichtlich der Einheitlichkeit von Oberflächenbeschichtungen, die mit diesen Pulvern erzielt werden, da sich die verschiedenen Komponenten der Pulvermischung leicht von einander trennen.
Dieser Nachteil, der in der Praxis das Verfahren gemäß dem USA-Patent inakzeptabel für industrielle Anwendungen macht, bei denen eine hohe Gleichmäßigkeit erforderlich ist, kann vermieden werden, indem ein erfindungsgemäßes vorlegiertes Metallpulver verwendet wird.
Ein Verfahren, das dem Verfahren gemäß USA-Patent 2 810 063 ähnlich ist, wird im USA-Patent 2 191 471 offen gelegt.
Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen vorlegierten Pulvers ist festgestellt worden, dass nicht nur eine sehr gleichmäßige Struktur erzielt werden kann, sondern dass auch die Mikrostruktur feiner ist. Das Risiko des Entstehens von Mikrorissen in der Beschichtung wird somit verringert, und die Festigkeit ist größer. Durch das separate Aufbringen des vorlegierten Pulvers auf die Außenseite der Elektrodenoberfläche, d. h. durch das Einleiten des magnetisch an der Außenseite der Elektrode/Elektroden haftenden Pulvers, wird die geschmolzene Substratoberfläche wirksam gekühlt, und das Schmelzbad kann reduziert werden. Die Menge teurer Legierungselemente kann auf Grund der Tatsache verringert werden, dass die Legierungselemente nicht im gleichen Maße verdünnt werden, wie dann, wenn der Hauptteil der Legierungselemente in den Schmelzelektrodendraht oder die Schmelzelektrodenschnur eingeschlossen ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Geschwindigkeit des Schmelzauftrags oder des Beschichtens er höht werden kann. Es ist somit festgestellt worden, dass für einen gegebenen zu beschichtenden Bereich die Produktivität dreimal so hoch ist, als wenn das Verfahren des nackten Lichtbogens angewandt wird. Im Vergleich zur Beschichtung gemäß dem herkömmlichen UP-Schweißverfahren, d. h. bei dem das Material der Elektrode relativ hochlegiert ist und das Metallpulver im Wesentlichen unlegiert ist, bietet die vorliegende Erfindung eine Verbesserung von ca. 50 Prozent.
Die Art und die Menge des Metallpulvers werden in einer solchen Weise ausgewählt, dass das Pulver in Kombination mit dem Elektrodendraht die gewünschte Zusammensetzung der Beschichtung des Substrats ergibt. Das Pulver, welches magnetisch ist, kann aus einer großen Vielfalt von verfügbaren Pulvern ausgewählt werden, und es kann dem Substrat zugeführt oder zusammen mit einem (magnetischen) Elektrodendraht zu diesem transportiert und auf diesem befestigt werden. Magnetische Pulver werden für Beschichtungsrollen besonders bevorzugt.
Ein wesentliches Merkmal ist, dass das Pulver vorlegiert ist und große Mengen von Legierungselementen enthält, was in diesem Kontext bedeutet, dass die Menge an Legierungselementen des Pulvers größer ist als die des Drahtes. Die Menge an Legierungselementen sollte mindestens 2 Gew.-% des Pulvers betragen, um wirksam zu sein. Die Menge an Legierungselementen des Metallpulvers sowie die Zuführung des Metallpulvers und des Elektrodendrahtes werden unter dem Aspekt der gewünschten Zusammensetzung der Endbeschichtung des Substrats ausgewählt. Die Pulverzuführung beträgt gewöhnlich zwischen 30% und 80% des gesamten Füllmaterials, d. h. Pulvermetall und Drahtmetall. Durch die Verwendung von gas- oder wasserverdüsten vorlegierten Pulvern kann ein hoher Grad der Genauigkeit der Beschichtungszusammensetzung erzielt werden.
Beispiele geeigneter Legierungselemente in Pulvern auf Eisenbasis sind Cr, Ni, Mo, Mn, V, Nb, Si, N, C, Co, Ti und W.
Ein Beispiel eines hochlegierten Pulvers auf Eisenbasis, das für die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung gut geeignet ist, ist ein Pulver, das im Wesentlichen aus Eisen und 0–55 Gew.-% Cr, 0–50 Gew.-% Ni, 0–35 Gew.-% Mo, 0–15 Gew.-% Mn, 0–17 Gew.-% V, 0–15 Gew.-% Nb, 0–5 Gew.-% Si, 0–0,8 Gew.-% N, 0–8 Gew.-% C, 0–55 Gew.-% CO, 0–15 Gew.-% Ti und 0–65 Gew.-% W besteht.
Bevorzugte Mengen der Legierungselemente sind 12–35 Gew.-% Cr, weniger als 25 Gew.-% Ni, weniger als 15 Gew.-% Mo, 0,05–15 Gew.-% Mn, 0–8 Gew.-% V, 0–8 Gew.-% Nb, 0–10,0 Gew.-% Si, weniger als 0,5 Gew.-% N und 0,005–5 Gew.-% C.
Konkreter könnte dieses Pulver 20–34 Gew.-% Cr, 0–18 Gew.-% Ni, 0,5–8 Gew.-% Mo, 0,1–5 Gew.-% Mn, 0,1–2,0 Gew.-% V, 0,1–2,0 Gew.-% Nb, 0,05–3 Gew.-% Si, 0,005–0,4 Gew.-% N und 0,005–0,8 Gew.-% C enthalten.
Eine weitere interessante Pulverzusammensetzung, die erfindungsgemäß einsetzbar ist, ist ein Pulver auf Eisenbasis mit 0–40 Gew.-% Co, 7–17 Gew.-% W, 5–15 Gew.-% Mo, 0,05–2,5 Gew.-% Mn, 1–6 Gew.-% V, 0,05–2,5 Gew.-% Si, weniger als 0,40 Gew.-% N und 1–4,0 Gew.-% C.
Erfindungsgemäß ist es die Hauptaufgabe des abschmelzbaren Elektrodendrahtes, ausreichende Wärme für das Schmelzen des Metallpulvers und der Substratoberfläche zu liefern. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass der gleiche Elektrodendraht, wenn er mit unterschiedlichen Arten von Metallpulver kombiniert wird, die unterschiedliche Legierungselemente enthalten, für unterschiedliche Arten von Beschichtungen genutzt werden kann.
Wenn der Elektrodendraht ein Draht auf Eisenbasis ist, kann er ein unlegierter oder niedriglegierter Elektrodendraht sein, wie z. B. S1 oder S2 gemäß DIN 8557. Alle unlegierten oder niedriglegierten Elektrodendrähte, einschließlich von Metallschnur- und Flussmittelschnurelektroden, d. h. hohle Elektroden, können jedoch erfindungsgemäß verwendet werden.
Durch den Einsatz der obigen Kombination von Elektrodendraht und Metallpulver ist es möglich, während des gleichen Zeitraums eine größere Menge von Beschichtungsmaterial auf das Metallsubstrat aufzubringen, als wenn herkömmliche Beschichtungsverfahren benutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es möglich ist, die genaue Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung mit dünneren Beschichtungen zu erreichen, was bedeutet, dass beträchtliche Einsparungen bei dem teuren Beschichtungsmaterial gemacht werden können.
Erfindungsgemäß könnte das Verhältnis von Elektrodendraht zu Pulver vorzugsweise zwischen 2,33 und 0,25 variieren. Am günstigsten beträgt das Verhältnis weniger als 1,5. Das Metallsubstrat kann im Wesentlichen jede Form aufweisen, und das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird nur durch praktische Erwägungen eingeschränkt. Typische Substrate könnten niedriglegierte Stähle oder Werkzeugstähle sein, d. h. die chemische Zusammensetzung des Substrats kann sich innerhalb eines breiten Bereiches bewegen.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzte Flussmittel ist vorzugsweise ein basisches unlegiertes Flussmittel.

Die Erfindung wird weiter durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht: Beispiel 1

Substrat:	Rolle (Durchmesser 227 mm, Länge 305 mm) mit einer peripheren Rotationsgeschwindigkeit von 21 cm/min.
Stromquelle:	650 A, 32,2 V
Zwillingsbogen:	OK 1220 S2 Durchmesser 2,5 mm, erhältlich bei ESAB AB, Schweden
Metallpulver X:	345-4
Flussmittel:	basisch unlegiert.

Eine 3 mm dicke Endbeschichtung mit der erforderlichen Zusammensetzung wurde durch das Aufbringen eines magnetischen verdüsten vorlegierten Eisenpulvers mit der in der Tabelle angegebenen Zusammensetzung erzielt, und zwar bei einer Geschwindigkeit von 15,0 kg/Stunde und dem Draht bei 9,5 kg/Stunde, d. h. die gewünschte Beschichtung wurde bei einer Rate von 24,5 kg/Stunde erzielt. Das Pulver wurde magnetisch auf die Außenseite des Elektrodendrahtes aufgebracht. In diesem Fall betrug die Dicke der Beschichtung 55 mm. Dieser Wert sollte mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren verglichen werden, wie z. B. dem UP-Schweißverfahren, bei dem hochlegierte Beschichtungsmaterialien in Form von Streifen, Drähten etc. ohne eine Zuführung von Metallpulver von außen zur Anwendung kommen. Auf Grund der großen Menge von geschmolzenem Substratmaterial können gemäß dem bekannten UP-Schweißverfahren nur zirka 10 kg/Stunde Beschichtungsmaterial auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, weshalb wegen der großen Verdünnung mehrere Schichten geschaffen werden müssen, ehe die erforderliche Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung erreicht wird.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der erforderlichen Beschichtung, den Draht, das Metallpulver und die endgültige Zusammensetzung von Abschnitten, die von der Rolle erhalten werden.
Tabelle 1
Beispiel 2
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde mit einem N-legierten Pulver wiederholt. Bei diesem Beispiel waren 13,8 kg Pulver/Stunde und 9,5 kg Elektrodendraht/Stunde erforderlich, um die gewünschte Beschichtung zu erzielen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Beispiel 3
Das Verfahren gemäß Beispiel 1 wurde mit einem magnetischen legierten Pulver mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 3 wiederholt. Bei diesem Beispiel wurde ein Einzelbogen S2 mit einem Durchmesser von 4,0 mm genutzt.
8 kg Pulver/Stunde wurden direkt zugeführt, d. h. magnetisch an die Außenseite der Elektrode auf die Substratplatte aufgebracht.
Die Drahtzuführgeschwindigkeit lag bei 8 kg/Stunde für die direkte Zuführung. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3

Claims

Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Metallsubstrats mit dem Unterpulverschweißverfahren mit einem/einer oder mehreren abschmelzbaren Elektrodendrähten oder Elektrodenschnüren, wobei das Verfahren das Einleiten eines gas- oder wasserverdüsten vorlegierten Metallpulvers, das große Mengen an Legierungselementen enthält, in ein Schmelzbad umfasst, wobei das Pulver magnetisch an der Außenseite der abschmelzbaren Elektrodendrähte oder -schnüre haftet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver ein Pulver auf Eisenbasis ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, wobei der/die eine oder die mehreren Schweißdrähte oder Schweißschnüre aus einem unlegierten oder niedriglegierten Metall bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Verhältnis von abschmelzbarer Elektrode zu Pulver zwischen 2,33 und 0,25, vorzugsweise weniger als 1,5, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Menge an Legierungselementen in dem Pulver wenigstens 2 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Legierungselement aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Cr, Ni, Mo, Mn, V, Nb, Si, N, C, Co, Ti und W besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die Legierungselemente 0 bis 55 Gew.-% Cr, 0 bis 50 Gew.-% Ni, 0 bis 35 Gew.-% Mo, 0 bis 15 Gew.-% Mn, 0 bis 17 Gew.-% V, 0 bis 15 Gew.-% Nb, 0 bis 5 Gew.-% Si, 0 bis 0,8 Gew.-% N, 0 bis 8 Gew.-% C, 0 bis 55 Gew.-% Co, 0 bis 15 Gew.-% Ti und 0 bis 65 Gew.-% W enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Pulver im Wesentlichen aus Eisen und 0 bis 40 Gew.-% Co, 7 bis 17 Gew.-% W, 5 bis 15 Gew.-% Mo, 0,05 bis 2,5 Gew.-% Mn, 1 bis 6 Gew.-% V, 0,05 bis 2,5 Gew.-% Si, weniger als 0,40% N und 1 bis 4 Gew.-% C besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Pulver im Wesentlichen aus einem Pulver auf Eisenbasis besteht, das 12 bis 35 Gew.-% Cr, weniger als 25 Gew.-% Ni, weniger als 15 Gew.-% Mo, 0,05 bis 15 Gew.-% Mn, 0 bis 8 Gew.-% V, 0 bis 8 Gew.-% Nb, 0 bis 10 Gew.-% Si, weniger als 0,5 Gew.-% N und 0,005 bis 5 Gew.-% C enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Pulver im Wesentlichen aus Pulver auf Eisenbasis besteht, das 20–34 Gew.-% Cr, 0–18 Gew.-% Ni, 0,5–8 Gew.-% Mo, 0,1–5 Gew.-% Mn, 0,1–2,0 Gew.-% V, 0,1–2,0 Gew.-% Nb, 0,05–3,0 Gew.-% Si, 0,005–0,4 Gew.-% N und 0,005–0,8 Gew.-% C enthält.