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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.