DE959786C - Verfahren zur Herstellung von verschleissfesten Auftragsschweissungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von verschleißfesten Auftragsschweißungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von eisenhaltigen Auflagen auf Stahlgegenständen durch Auftragsschweißung und ist auf die Herstellung von Auflagen gerichtet, die eine große Zähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.
• Je nach Art der auftretenden Abnutzung sind bereits unterschiedliche Legierungen für Auftragsschweißungen entwickelt worden. Die üblichen verschleißfesten Werkstoffe dieser Art, die mit Hilfe von Lichtbogen-Schweißelektroden oder Schweißstäben aufgetragen werden, gliedern sich im großen in folgende drei Gruppen: a) Legierungen auf. Eisenbasis, die Zusätze wie Kohlenstoff, Chrom, Mangan und Wolfram enthalten, b) Legierungen auf Kobaltbasis mit Zusätzen wie Kohlenstoff, Chrom und Wolfram und c) Legierungen aus Wolframkarbiden und Flußstahl. Im letzteren Falle ist es üblich, beim Herstellen der Auftragsschweißung eine Lichtbogen-Schweißelektrode oder einen Schweißstab in Form eines Rohres aus Flußstahl zu verwenden, das zerkleinertes Wolframkarbid und/oder auch andere Karbide enthält. Das Stahlrohr dient lediglich als Hilfsmittel beim Auftragen und soll die Karbidteilchen mit seinem Metall beim Abschmelzen binden und einbetten. Bei späterer Abnutzung legt der sich schneller abnutzende Stahl die härteren Karbidteilchen frei, die dann eine verschleißfeste Oberfläche bilden. Als verschleißfester Werkstoff ist Manganstahl bekannt. In seinem normalen und austenitischen Zustand hat dieser Stahl eine verhältnismäßig niedere Naturhärte, erlangt jedoch eine hochgradige Oberflächenhärte, wenn er einer Kaltbearbeitung und Stoßbeanspruchung ausgesetzt wird. Dieser Eigenschaft und dem Umstande, daß das unter der Oberfläche liegende Material seine Zähigkeit und Dehnbarkeit beibehält, verdankt der Werkstoff seine große Festigkeit gegen Verschleiß und Stoß.
• Die lufthärtenden Arten von Manganstahl, 7-13. Manganstahl mit einem Siliziumgehalt von 0,3 bis ?"50/" haben den Vorteil, daß sie ihre austenitische Struktur beibehalten, also bei Kaltbearbeitung und Stoßbeanspruchung eine Oberflächenhärtung erfahren, sofern sie je nach der Größe des Metallquerschnittes einer Selbstkühlung in Luft von Temperaturen zwischen etwa 8oo bis 115o° unterliegen. Diese Eigenschaft wird auch bei Auftragsschweißungen mit Lichtbogen-Schweißelektroden und Schweißstäben aus Manganstahl ausgenutzt.
• Die Erfindung ist darauf gerichtet, durch Auftragsschweißung ein Auflagematerial zu erhalten, das die Zähigkeit von Eisenlegierungen austenitischer Struktur mit einer erhöhten Festigkeit gegen Verschleiß und Stoßbeanspruchung verbindet. Dabei soll durch Schmelzschweißung eine eisenhaltige Legierung von austenitischer Struktur mit einer Dispersion von Teilchen eines Materials versehen werden, das eine höhere, vorzugsweise wesentlich höhere Härte aufweist als das austenitische Ausgangsmaterial. Unter »austenitischer Struktur« ist dabei eine eisenhaltige Legierung zu verstehen, die aus einer festen Lösung von Kohlenstoff mit einem oder mehreren Zusätzen metallischer Elemente wie Mangan- und Nickel in gamma-Eisen besteht, d. h. einer Eisenart mit einem flächenzentrierten kubischen Gefüge, die eine nennenswerte Härtbarkeit aufweist.
• Das Verfahren nach der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß man beim Herstellen der Auftragsschweißung austenitischen Manganstahl in Gestalt eines Schweißstabes gleichzeitig mit pulverförmigen Karbiden hochschmelzender Elemente von höherer Härte aufträgt, wobei die Teilchen des härteren Materials als Überzug und/oder als Kern auf oder in dem Stab aus austenitischem Manganstahl angeordnet sind.
• Die in den austenitischen Manganstahl zu dispergierenden Teilchen bestehen aus mindestens einem Karbid der Elemente Wolfram, Bor, Titan, Molybdän, Vanadin, Tantal, Zirkon oder Niob, das wesentlich härter als der austenitische Manganstahl ist und eine Körnungsgröße aufweist, die die Dispersion der Teilchen in dem Stahl ermöglicht.
• Das Mengenverhältnis des austenitischen Manganstahls zu den pulverförmigen Teilchen des Karbids kann innerhalb weiter Grenzen schwanken, wobei jeder Bestandteil überwiegen kann. Vorzugsweise beträgt die Menge der dispergierten Teilchen 5o bis go Gewichtsprozent des fertigen Auftrages.
• Als austenitisches Ausgangsmaterial kann beispielsweise ein Manganstahl benutzt werden, der etwa o,9 bis i,4 °/p Kohlenstoff und- io bis 14 °/p Mangan, vorzugsweise etwa 4925 °/p Kohlenstoff und etwa 13 0/p Mangan enthält.
• Als lufthärtendes Ausgangsmaterial kann ein Stahl benutzt werden mit einem Gehalt von 0,3 bis o,85 °/o Kohlenstoff, mindestens 0,304 Silizium, io bis 15()/, Mangan, bis zu 4 °/p Nickel und/oder bis zu 8 °/p Chrom, vorzugsweise etwa o,7 °/p Kohlenstoff, 0,7 °/p Silizium, 140/p Mangan und 3,5 °% Nickel. Die Verwendung von j lufthärtendem Ausgangsmaterial empfiehlt sich besonders beim Herstellen der Auflage mit Schweißelektroden und -stäben, da das Ausgangsmaterial dann in. der Auflage beim Abkühlen erhärtet. Die Auftragsschweißung im Lichtbogen ist nicht auf die Verwendung von -lufthärtendem austenitischem Manganstahl beschränkt. Grundsätzlich kann die Auflage auch mit anderem austenitischem Manganstahl hergestellt werden. Gegebenenfalls können die erstrebten Eigenschaften durch nachfolgende Arbeitsgänge, die eine Härtung bewirken, erhalten oder gesteigert werden.
• Die hinzugefügten Teilchen des härteren Stoffes können je nach Stoffart in ihrer Körnung gleichmäßig oder unterschiedlich groß sein. So kann sich z. B. die Teilchengröße bei Anwendung von Wolframkarbid von 3o bis go Maschen (I.M.M.) erstrecken. Das Material der Auflage kann daher eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion der Karbidteilchen enthalten oder eine dendritische Struktur mit eutektischen Karbidteilchen von mehr oder weniger gleichmäßiger Größe aufweisen, die sich im Gefügebild flächenhaft bzw. als »Inseln« markieren, oder es kann größere Teilchen enthalten, die für sich allein liegen oder von kleineren Teilchen umgeben sind, die nicht miteinander in Lösung gekommen sind, aber jedenfalls zu der gewünschten Härte der Auflage beitragen. Die größeren und weniger großen Teilchen können sich im unteren Teil des aufgetragenen Materials ablagern, während der obere Teil, der wenig oder keine größeren Teilchen enthält, die erwähnte dendritische Struktur zeigt.
• Die Herstellung von Lichtbogen-Schweißelektroden zum Bilden des verschleißfesten Auflagematerials nach der Erfindung kann beispielsweise so erfolgen, daß ein Kerndraht aus lufthärtendem austenitischem Mangan-Nickel-Stahl von der ungefähren Zusammensetzung 0,70f, Kohlenstoff, o,70/, Silizium, 130[, Mangan und 3,5 °/0 Nickel mit etwa dem gleichen Gewicht an zerkleinertem Wolframkarbid in Teilchengrößen von 30 bis go Maschen (I.M.M.) ausgerüstet wird, das einen Teil des üblichen Flußmantels der Elektrode bildet.
• Durch die Auftragsschweißung können nach Bedarf eine oder mehrere Schichten des zähen, verschleißfesten Auflagematerials bis zu j eder gewünschten Stärke als Schutz gegen Abnutzung auf Stahlgegenstände aufgebracht werden. Diese Gegenstände selbst können aus austenitischem oder anderem Stahl bestehen. Abgenutzte oder ungenügend widerstandsfähige Gegenstände können auf diese Weise wiederhergestellt oder verbessert werden, wie sich die Erfindung sonst aber auch zur Herstellung neuer Gegenstände verwenden läßt, so z. B. zum Herstellen der Schneiden an Schneidstählen für Drehbänke, Hobelmaschinen usw. und zum Herstellen sonstiger Werkzeuge, ferner zur Herstellung von Einzelteilen, die durch Schweißen, Löten, -Vernieten oder auf sonstige Weise mit anderen Metallgegenständen verbunden werden sollen.
• Eine nach der Erfindung ausgeführte Auftragsschweißung, die mit einer ummantelten Elektrode hergestellt wurde, ist in der Zeichnung in Gefügebildern dargestellt, die in schwach verkleinertem Maßstab nach Mikrophotographien angefertigt wurden, und zwar zeigt Fig. i einen Schnitt, in 25facher Vergrößerung aufgenommen, der die Übergangsstelle vom Schweißauftrag zum Metall des damit versehenen Gegenstandes zeigt, Fig. 2 einen Schnitt der Übergangsstelle, in 25ofacher Vergrößerung aufgenommen, und Fig. 3 einen Schnitt, ebenfalls in 25ofacher Vergrößerung, der einen Teil des gleichmäßigen Gefüges des in Fig. i gezeigten Schweißauftrages wiedergibt.
• Das Metall des mit dem Schweißauftrag versehenen Gegenstandes, bei a dargestellt, ist ein austenitischer Manganstahl, der rund 1,2 % Kohlenstoff und 13 °/o Mangan enthält. Etwa 3 mm unterhalb der Schweißauflage wurde eine Vickers-Diamanthärte von etwa 230 gemessen. Die Übergangsstelle b war eine deutlich erkennbare, nur leicht unregelmäßige Linie.
• Die zur Herstellung des Auftrages benutzte Elektrode enthielt einen Kerndraht aus lufthärtendem Manganstahl mit rund o,7 °% Kohlenstoff, o,7 °/ö Silizium, 13 % Mangan und 3,5 % Nickel. Zerkleinertes Wolframkarbid mit einer zwischen 30 und go Maschen (I.M.M.) schwankenden Teilchengröße wurde in einer dem Gewicht des Kerndrahtes annähernd entsprechenden Menge als Teil des üblichen Flußmantels angewandt.
• Der Schweißauftrag besteht in der Hauptsache aus der im wesentlichen gleichmäßigen Auftragsmasse c, die dendritische Teilchen aus Karbid-Eutektikum in einer Muttersubstanz von Mangan-Nickel-Stahl in einer Struktur aufweist, die in Fig. i gerade noch in Form von Gruppen feiner paralleler Linien erkennbar ist. Fig. 3 zeigt, daß die dendritischen Teilchen d von mehr oder weniger einheitlicher Gestalt sind. Sie wurden beim Übergang des geschmolzenen Kerns und Mantels der Elektrode in den festen Zustand aus der Lösung ausgeschieden. Die im wesentlichen gleichmäßige Struktur, die eine ziemlich gleichmäßige Dispergierung der Karbidteilchen anzeigt, geht aus Fig. 3 klar hervor.
• Dieses Auflagematerial, das bei Stoßbeanspruchung eine unerwartet hohe Festigkeit gegen Abblättern und Rißbildung aufweist, hat im aufgetragenen Zustand eine Vickers-Diamanthärte von etwa 6oo oder 7oo, ist also beträchtlich härter als der austenitische Manganstahl a, selbst nach einer Arbeitshärtung. Dabei besitzt das Auflagematerial selbst die Fähigkeit der Arbeitshärtung.
• Fig. i zeigt, daß dicht an der Übergangsstelle b größere und kleinere Teilchen e abgelagert werden. Weder die großen noch die kleineren Teilchen haben sich in Lösung befunden, aber sie alle tragen zu der erhöhten Abnutzungsfestigkeit des Schweißauftrages bei. Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab ganz dicht an der Übergangsstelle b eines der großen Teilchen e von Fig. i, das groß genug war, um sowohl eine Identifizierung als auch eine Härteprüfung nach dem Vickers-Diamantverfahren zuzulassen, wobei der vom Diamanten hinterlassene Eindruck f deutlich sichtbar ist.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung einer zähen und verschleißfesten Auflage auf Stahlgegenständen durch Auftragsschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß man austenitischen Manganstahl in Gestalt eines Schweißstabes gleichzeitig mit pulverförmigen Teilchen eines Materials von höherer Härte aufträgt, das aus mindestens einem Karbid der Elemente Wolfram, Bor, Titan, Molybdän, Vanadin, Tantal, Zirkon und Niob besteht und in einem Kern oder Überzug des Schweißstabes enthalten ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auflage ein Stahlstab mit etwa o,9 bis 1,4% Kohlenstoff und =o bis =q.°/, Mangan verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auflage ein lufthärtender Mangan-Nickel-Stahl mit etwa o,3 bis 0,85)/, Kohlenstoff, mindestens 0,3 °/o Silizium, =o bis 15 Mangan und bis zu etwa q. ')/p Nickel und/oder bis zu etwa 8 % Chrom verwendet wird. q..
4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der harten Metallkarbidteilchen 5o bis go °% des Gesamtgewichts der Auflage beträgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die harten Metallkarbidteilchen in einer Körnungsgröße von etwa 3o bis go Maschen (I.M.M.) verwendet werden.