DE2123381A1 - Schweißlegierung, Verfahren zum Verbessern der Standzeit von Formteilen, Schweißkonstruktion, Schweißstab und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Schweißlegierung, Verfahren zum Verbessern der Standzeit von Formteilen, Schweißkonstruktion, Schweißstab und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Schweißlegierung, Verfahren zum Verbessern
der Standzeit von Formteilen, Schweißkonstruktion, Schweißstab und Verfahren zu dessen Herstellung.
Gegenstand der Erfindung ist eine Zusammensetzung für einen Schweißstab sowie ein Verfahren zum Schweißen und Reparieren
von Formelementen, wie etwa Gußformen und deren Teilen,
die aus Feuerfestmaterialien oder Stahl bestehen.
In den letzten Jahren hat in der Formgießerei die Entwicklung von Feuerfestmetallen einschließlich Wolfram- und
Molybdänlegierungen für Formelemente einschließlich Gußformen und deren Teilen, wie etwa Kernzapfen, an Bedeutung
gewonnen. Die viel längere Lebensdauer oder Standzeit derartiger Formelemente im Vergleich zu ähnlichen Erzeugnissen
aus Stahl galt in der Formgießerei als maßgebende Große für die Entwicklung bei diesem Erzeugnis. Wolframverbindungen
für Formelemente sind in den USA-Patentanmeldungen vom 5. September 1969 mit den Serial Nos. 855 701 und
855 712 beschrieben und auf diese Anmeldungen wird hier Bezug genommen.
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Bei der Anwendung von Feuerfestmaterialien für Formelemente bestand ein Problem jedoch darin, daß, wenn in den
Formelementen kleine Fehler auftraten, wie etwa Erosionsstellen,
Bearbeitungsfehler, Ermüdungsbrüche und andere Fehler, kein Verfahren verfügbar war, um diese Fehler zu
beheben und so die Standzeit der Formelemente noch zu verlängern.
Manchmal möchte man auch Gestaltänderungen an den Formelementen mit einfachen Mitteln vornehmen, etwa durch Anwendung
einer Schweißung bei Feuerfest-Formelementen oder bei Warmformstählen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schweißstabzusammensetzung zum Schweißen von Feuerfesitmaterialien
und Formenstählen zu schaffen. Ferner soll die Erfindung ein Verfahren zur Erzielung einer größeren
Lebensdauer oder Standzeit von Gußformelementen und zur
Erreichung einer größeren Flexibilität bei der Anwendung derartiger Formelemente schaffen. Die Erfindung soll ferner
ein Verfahren zum Herstellen einer Schweißlegierung angeben, die zum Schweißen von Formelementen geeignet ist.
Ferner soll die Erfindung eine neue Schweißkonstruktion schaffen.
Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß eine Wolframlegierung mit 40 bis 80 Gew.-% Wolfram, 5 bis 40 Gew.-%
Nickel und 1 bis 25 Gew.-% Eisen erfolgreich an Feuerfestmaterialien
und Formenstählen anschweißbar ist.
Die Legierung enthält vorzugsweise 50 bis 70 Gew.-% Wolfram,
20 bis 30 Gew.-% Nickel und 10 bis 15 Gew.-% Eisen.
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Außerdem kann eine zusätzliche Schweißfestigkeit dadurch erzielt werden, daß man eines oder mehrere der folgenden
Zusatzelemente in einer Menge zusetzt, die zwischen einer Spur und bis zu 5 Gew.-% liegt; Diese Zusatzelemente sind
Kobalt, Kupfer, Chrom, Titan, Tantal, Rhenium, Vanadium und Molybdän. Die Gesamtmenge derartiger Zusätze ist vorzugsweise
nicht größer als etwa 10 Gew.-%, da sonst die Schweißkonstruktion zu spröde werden kann.
Typische Molybdänlegierungen umfassen gegossenes oder gesintertes Molybdän, Mischkristall(feste Lösung)-Legierungen
von Wolfram und Molybdän und Molybdänlegierungen mit geringen Legierungszusätzen wie etwa Titan, Niob, Vanadium
und Zirkon bis zu 2 Gew.-% und Kohlenstoff bis zu 0,2 Gew.-%.
Formelemente werden auch oft aus Formenstählen hergestellt. Z.B. C.3-.5, Cr, Mo, V, Co bis zu 5 Gew.-%, Mn bis zu
1 Gew.-%, Si bis zu 1,3 Gew.-%.
In der obenerwähnten USA-Patentanmeldung mit der Serial No. 855 712 ist erläutert, daß Wolframlegierungen, die
sich besonders für Formelemente eignen, 1 bis 12 Gew.-% Nickel und 0,5 bis 8 Gew.-% Eisen enthalten können. Die
Formelemente umfassen Gußformen, Kerne, Kernzapfen und dergleichen Teile.
In der obenerwähnten USA-Patentanmeldung mit der Serial No. 855 701 ist eine weitere Formelementzusammensetzung
beschrieben, die eine Wolframlegierung mit 1 bis 12 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 8 Gew.-% Eisen und 0,5 bis 8 Gew.-%
iwi-ybdän enthält. Der Zusatz von Molybdän bewirkt eine
größere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Tem-
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peraturwechselbeanspruchungen.
In den erwähnten beiden USA-Patentanmeldungen sind die Qualitäten der Wolfrara-Formelemente bei Raumtemperatur
und bei erhöhter Temperatur ebenso wie die hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Wärmespannungsermüdung dieser
Materialien dargestellt.
Im allgemeinen haben die unter Verwendung der Schweißlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten
Schweißungen, sei es, daß sie bei Wolfram- oder Molybdänmaterialien oder bei Formstählen angewendet werden, bei
Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von wenigstens 7030 kg/
2 2
cm (100.000 p.s.i.) eine 2 % Dehngrenze von 6333 kg/cm (90.000 p.s.i.), eine Proportionalitätsgrenze von wenig-·
2
stens 3520 kg/cm (50.000 p.s.i.) und eine Dehnung in einem Zoll von wenigstens 1 %.
stens 3520 kg/cm (50.000 p.s.i.) und eine Dehnung in einem Zoll von wenigstens 1 %.
Vorzugsweise wird eine Zugfestigkeit von 8050 kg/cm (115.000 p.s.i.), eine 2 % Streckfestigkeit von 7030
2
kg/cm (100.000 p.s.i.) und eine Proportionalitätsgrenze
kg/cm (100.000 p.s.i.) und eine Proportionalitätsgrenze
2
von 4220 kg/cm (60.000 p.s.i.) erreicht. Die bevorzugte Dehnung ist wenigstens etwa 2 % in einem Zoll.
von 4220 kg/cm (60.000 p.s.i.) erreicht. Die bevorzugte Dehnung ist wenigstens etwa 2 % in einem Zoll.
Was die Eigenschaften bei erhöhter Temperatur angeht, so
haben die Schweißungen eine Kurzzeit-Zugfestigkeit bei 649°C (1200°F) von wenigstens 5250 kg/cm (75.000 p.s.i.)
und eine Dehnung in einem Zoll von 2 %. Bei 1093 C (2000 F) wird im allgemeinen eine Zugfestigkeit von wenig-
2
stens 1400 kg/cm (20.000 p.s.i.), vorzugsweise wenigsten
stens 1400 kg/cm (20.000 p.s.i.), vorzugsweise wenigsten
2
1680 kg/cm (24.000 p.s.i.) und eine Dehnung in einem ZoI von wenigstens 3 %, vorzugsweise etwa 4 %, erreicht.
1680 kg/cm (24.000 p.s.i.) und eine Dehnung in einem ZoI von wenigstens 3 %, vorzugsweise etwa 4 %, erreicht.
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Der Fachmann erkennt ohne weiteres, daß diese Eigenschaften mehr als ausreichend sind, um den bei der Anwendung
der Formelemente beim Guß oder entsprechenden Anwendungen auftretenden Beanspruchungen und Temperaturwechselzyklen
zu widerstehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß die Schweißlegierung gemäß
der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, um eine Deckschicht auf Formelemente aus Formstahl aufzubringen,
die beispielsweise die obenbeschriebenen Stahlzusammensetzungen haben. Die Deckschicht wird durch Bogenschweissung
aufgebracht und hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,508 mm bis 3,175 mm (zwei Tausendstel bis 1 Achtel Zoll)
Es ist nicht zu erwarten, daß eine solche Deckschicht befriedigend arbeitet, und zwar wegen des großen Unterschiedes
der Wärmedehnungskoeffizienten des Formstahls und der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Es
ist jedoch anzunehmen, daß der guten, festen metallurgischen Bindung, die sich zwischen der Legierungsdeckschicht
und dem Stahl bildet, die befriedigenden Gußteile und die erzielte lange Lebensdauer wenigstens zum
Teil zuzuschreiben ist.
Die Schweißlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann auf die folgende Weise hergestellt werden. Elementare Pulver aus metallischem Wolfram, Nickel und Eisen
mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 10 Mikron, vorzugsweise 1 bis 8 Mikron, werden zusammen mit einem
geeigneten organischen Binder oder mit einem Gemisch aus Bindern, beispielsweise Paraffin, in einer typischen
Menge von 3 bis 15 Gew.-% gemischt. Gemäß einer Variante
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kann man zerkleinerte Pulver dieser Metalle mit einer Partikelgröße unter 10 Mikron benutzen.
Nach der Mischung folgt zunächst ein Preßvorgang. Dies kann hydraulisch oder hydrostatisch geschehen oder man
kann auch einen Strangpreßvorgang anwenden. Im allgemei-
2 nen wendet man einen Druck von etwa 140 bis 7000 kg/cm
(1 bis 50 Tonnen je Quadratzoll) an.
Selbstverständlich ist, wenn ein hydrostatischer Preßvorgang angewendet wird, die Verwendung eines Binders
im Pulvergemisch nicht erforderlich. Beim Preßvorgang benutzt man Formen, deren Gestalt derjenigen der gewünschten
Schweißstäbe entspricht, die jedoch wesentlich größer sind, so daß während der Vorsinterung und der Sinterung
noch eine Schrumpfung stattfinden kann. Am Ende des Preßvorganges erhält man einen Preßling, der für den Vorsinterüngsyorgang
ausreichend fest ist.
Während der Vorsinterung werden die Preßlinge auf Boote gelegt , die beispielsweise aus Kohle oder keramischem
Werkstoff bestehen und dann erhitzt. Die Vorsinterungstemperatur soll 400° bis 1200°C betragen und 15 bis 75
Minuten dauern. Wenn der Schweißstab runden Querschnitt hat, kann man ihn während der Vorsinterung in pulverförmiges
Feuerfestmaterial oder in "V"-Nutenscheiben legen,
die beispielsweise aus Metall oder keramischem Werkstoff, wie etwa Tonerde, hergestellt sind. Während der Vorsinterung
wird im allgemeinen eine Schrumpfung von etwa 5 % erwartet..
Die Sintertemperatur ist sehr wichtig und soll unter 1485°C liegen, damit die Legierung nicht schmilzt. Die
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Sinterzeit beträgt 10 Minuten bis 24 Stunden und die Sintertemperatur
liegt vorzugsweise zwischen 1430 und 1470 C. Hierbei erhält man ein Erzeugnis, das etwa 85 %
des theoretischen Dichteminimums aufweist.
Zur Erzielung einer höheren Dichte kann man die gesinterte Legierung gesenkschmieden mit einer Verringerung der
Fläche von 1 bis 30 %. Gewöhnlich ist nur ein Durchgang
erforderlich und führt zu einem Erzeugnis, dessen fefee«-
c Dichte über 90 % und vorzugsweise über 95 % der theoretischen Dichte liegt.
Die Schweißlegierung, vorzugsweise in Stabform, kann ohne
weiteres in herkömmlichen Schweißanlagen verwendet werden. Beispielsweise kann man eine Linde HDA-300-Schweißvorrichtung
benutzen. In beim Schweißen üblicher Weise wird ein Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode, beir^ielsweise
einer Wolframelektrode, und dem Werkstück erzeugt, und der Schweißstab wird in den Lichtbogen hineingeführt» und zwar vorzugsweise unter einem spitzen Winkel
zur Elektrode. Der Lichtbogen schmelzt den Schweißstab und auf dem Werkstück bildet sich eine Ablagerung, wie es
dem Schweißfachmann bekannt ist.
Während des Schweißvorganges verwendet man typischer Weise zunächst während des Starts einen Strom von 375 A und wendet
während der weiteren Arbeit einen Strom von 200 A an. Der Lichtbogen wird vorzugsweise zwischen der Elektrode
und dem Werkstück erzeugt, bevor der Schweißstab in den Lichtbogen eingeführt wird. Die Spannung über den Lichtbogen
kann beispielsweise 20 bis 80 Volt betragen. Selbstverständlich können die angewendeten Schweißströme und
Spannungen nach Bedarf und Wunsch verschieden sein. Des-
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gleichen kann der Schweißfachmann die Atmosphäre um den
Schweißvorgang herum verändern. Das Verfahren kann in einem trägen Gas, wie etwa Argon, Helium oder Stickstoff,
oder auch in einer Vakuumkammer durchgeführt werden. Nach Belieben ist eine solche Kammer jedoch entbehrlich und
der Schweißvorgang kann in der Luft durchgeführt werden.
Die mit den obenbeschriebenen Verfahren hergestellten Schweißungen sind fest, nicht porös, dicht und stark und
haben die obenbeschriebenen mechanischen Eigenschaften.
Das Verfahren kann von jedem normalen Schweißer ohne Spezialkenntnisse und Spezialausbildung angewendet werden.
Eine erschöpfende metallurgische Analyse hat dies erwiesen. Außerdem haben anschließende Wärmewechselermüdungstest
gezeigt, daß die Lebensdauer oder Standzeit der Schweißkonstruktionen derjenigen des Formelentes oder des
Grundmaterials entspricht, aus dem das Formelement besteht.
Die Widerstandsfähigkeit gegen Wärmespannungsermüdungen
bei den Gußanwendungen hat sich als hervorragend erwiesen insofern, als bei einer Untersuchung nach 40.000 Zyklen
bei einem Messingformguß keine Schaden infolge Wärmespannungsermüdung
feststellbar waren.
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Claims (27)
1) Schweißlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 40 bis 80 Gew.-% Wolfram, 10 bis 40 Gew.-% Nickel und 1 bis 25
Gew.-% Eisen enthält.
2) -Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframgehalt 50 bis 70 Gew.-% beträgt.
3) Legierung nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen einer Spur bis hinauf zu 5 Gew.-% wenigstens
eines der folgenden zusätzlichen Elemente enthält: Kobalt, Kupfer, Chrom, Titan, Rhenium, Tantal, Molybdän,
Vanadium.
4) Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gesamtgehalt von zwei oder mehr zusätzlichen Elementen zwischen einer Spur bis hinauf zu 10 Gew.-% beträgt.
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5) Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 20 bis 30 Gew.-% Nickel und 10 bis 15
Gew.-% Eisen enthält.
6) Verfahren zur Verbesserung der Standzeit von Feuerfest- und Stahl-Fonnelementen, dadurch gekennzeichnet, daß man
wenigstens einen Teil der Oberfläche derselben mit einer
Legierung aus 40 bis 80 Gew.-% Wolfram, 10 bis 40 Gew.-%
Nickel und 1 bis 25 Gew.-% Eisen schweißt.
7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement eine Wolframlegierung ist.
8) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement eine Molybdänlegierung ist.
9) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Formelement ein Formstahl ist.
10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stahl eine Deckschicht vorgesehen ist.
11) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 50 bis 70 Gew.-% Wolfram, 20 bis 30 Gew.-%
Nickel und 10 bis 15 Gew.-% Eisen enthält.
12) Schweißstab, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 besteht.
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13) Verfahren zum Herstellen von Schweißstäben, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Man mischt Pulver mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 10 Mikron aus Wolfram, Nickel und Eisen;
Man mischt Pulver mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 10 Mikron aus Wolfram, Nickel und Eisen;
man preßt die Pulver bei einem Druck von 140 bis 7000
2
kg/cm (1 bis 50 Tonnen je Quadratzoll) in die gewünschte Schweißstabgestalt;
kg/cm (1 bis 50 Tonnen je Quadratzoll) in die gewünschte Schweißstabgestalt;
man sintert diesen Schweißstabrohling bei einer Temperatur von 400° bis 1200°C vor; und
man sintert ihn anschließend bei einer Temperatur unter 1485 C, um den Schweißstab zu erhalten.
14) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schweißstab zur Vergrößerung seiner Dichte gesenkschmiedet.
15) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver im elementaren Zustand sind.
16) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver 40 bis 80 Gew.-% Wolfram, 10 bis 40 Gew.-%
Nickel und 1 bis 25 Gew.-% Eisen enthalten.
Nickel und 1 bis 25 Gew.-% Eisen enthalten.
17) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zwischen 1430 und 1470 C liegt.
18) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßvorgang hydraulisch durchgeführt wird.
19) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßvorgang hydrostatisch durchgeführt wird.,
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20) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßvorgang durch Strangpressen durchgeführt wird.
2L) Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver zusätzlich zerkleinert werden.
22) Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt 20 bis 30 Gew.-% und der Eisengehalt
10 bis 15 Gew.-% beträgt.
23) Schweißkonstruktion, dadurch gekennzeichnet, daß sie
" einen Feuerfest- oder Stahlgrundwerkstoff aufweist mit
wenigstens einer Schweißverbindung aus einer Legierung
nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
24) Schweißkonstruktion nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial als Grundmaterial
Wolfram enthält.
25) Schweißkonstruktion nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial als Grundmaterial
k Molybdän enthält.
26) Schweißkonstruktion nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuerfestmaterial ein Stahl ist.
27) Schweißkonstruktion nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Deckschicht aufweist.
23) Schweißkonstruktion nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschicht auf einem Stahl-Formelement
vorgesehen ist.
109849/1182
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