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Schweißelement zum Schweißen von Gußeisen mit Kugelgraphit und damit
hergestellte Schweißverbindung Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von
Gußeisen mit Kugelgraphit, dessen vorteilhafteEigenschaften, insbesondere seineFestigkeitswerte
und Korrosionsbeständigkeit, bekannt sind.
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Verschiedene Möglichkeiten zum Schweißen von Werkstücken aus gewöhnlichem
Gußeisen sind bekannt. Das Schweißen wird gewöhnlich unter Verwendung von Zusatzmetallen
verschiedener Zusammensetzung durchgeführt. Es ergibt sich in der Regel eine Schweißnaht,
deren Zusammensetzung im allgemeinen von derjenigen des Grundmetalls verschieden
ist. Die Festigkeitseigenschaften dieser Schweißnähte liegen in der Größenordnung
derjenigen des gewöhnlichen Gußeisens, d. h. zwischen 2o und 25 kg/mm2, bei. ei=ner
häufig sehr gerinigen Dehnung.
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Im Falle der Schweißung von Gußeisen mit Kugelgraphit, dessen mechanische
Feistigkekswerte wesentlich besser sind und in der Größenordnung von 5o bis $o kg/mm2
bei bis zu 2oa/a gehender Dehnung liegen, sind solche Schweißungen unzulänglich.
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Bei Verwendung von Schweißzusatzmetallen, die eine. gegenüber dem
zu schweißenden Gußeisen mit Kugelgraphit unterschiedliche Zusammensetzung besitzen,
besitzt die so hergestellte Schweißverbindung eine unterschiedliche Gefügestruktur.
Einerseits ist die Übergangszone zwischen Grundmetall
und Schweißmetall
spröder als das Grundmetall selbst, andererseits ergeben sich infolge einer elektrochemischen
Elementenbildung Korrosionsgefahren.
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Selbst wenn als Schweißzusatzmetall Gußeisen oder eine Gußeisenlegierung
von bester Qualität verwendet wird, treten zwischen den verschweißten Werkstücken
und der Schweißstelle Gefügeunterschiede auf, die auf eine Verschiedenheit der Graphitausbildung
zurückzuführen sind. Der an der Schweißstelle in Form von Lamellen vorliegende Graphit
verursacht eine gewisse Sprödigkeit und ergibt keineswegs eine Festigkeit, die mit
der von Gußeisenkörpern mit Kugelgraphit vergleichbar ist.
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Man könnte daran denken, zum Schweißen dieser Werkstücke solches Gußeisen
als Schweißzusatzmetall zu verwenden, das selbst Kugelgraphit und keinen freien
Zementit enthält; die Erfahrung zeigt aber, daß auch dann die sich ergebenden Schweißnähte
ein unterschiedliches Gefüge besitzen.
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Auf Grund von Untersuchungen ist anzunehmen, daß dieseUngleichmäßigkeiten
auf einenSchwimmvorgang des Graphits oder eine Absonderung von in dem Zusatzmetall
enthaltenen Graphitkugelteilchen während .des Schmelzens des, Zusatzmetalls im Augenblick
des Schweißens zurückzuführen sind. Andererseits konnte festgestellt werden, daß
beim Schweißen mit einem Zusatzmetall aus Gußeisen mit Kugelgraphit der Graphit
in gewissen Fällen nach der Verfestigung der Schweißnaht trotzdem in Form von Lamellen
vorliegt.
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E's ist bekannt, daß die Entstehung des Kugelgraphits auf das Vorhandensein
von gewissen Elementen in relativ geringer anteiliger Menge im Gußeisen zurückzuführen
ist. Unter diesen Elementen sind die bekanntesten Magnesium, Cer und Kalzium.
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Ferner ist bekannt, daß beim Ändern des Legierungsgehaltes eines solchen
Elementes unter Berücksichtigung der Guß- und Abkühlbedingungen ein kritischer Gehalt
für dieses Element besteht, oberhalb dessen die Bildung von weißem Gußeisen hervorgerufen
wird, in welchem der überwiegende Teil des Kohlenstoffs in Form von Karbiden enthalten
ist.
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Gegenstand der Erfindung ist einSchweißzusatzwerkstoff in Form eines
Stabes, Drahtes, einer Scheibe od. dgl. zum Schweißen von Werkstücken aus Gußeisen
mit Kugelgraphit, der eine Schweißverbindung herzustellen gestattet, bei welcher
die Schweißnaht ein Gefüge besitzt, das praktisch mit demjenigen des Gußeisens,
aus dem dieWerkstücke bestehen, identisch ist und auch gleiehartigeFestigkeitseigenschaften
aufweist.
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Dieser Schweißzusatzwerkstoff ist dadurch gekennzeichnet, daß er aus
einem weißen Gußeisen besteht, welches etwa 2,5 bis 4,5 % Kohlenstoff enthält, von
dem mindestens 70o/0 als Karbid vorliegt, während der Rest deg Kohlenstoffes als
Graphit im Keimzustand vorhanden ist, und das außerdem ein solches Stabilisierungsmittel
für die Karbide enthält, welches bei der Erstarrungstemperatur der Legierung nur
oberhalb eines bestimmten kritischen Mindestgehaltes. als Stabilisator wirkt, während
es unterhalb dieses kritischen Mindestgehaltes die Bildung von Kugelgraphit in der
Schweißnaht begünstigt, wobei sein wirksamer Anteil in dem weißen Gußeisen den kritischen
Wert um eine Menge überschreitet, die kleiner als der Verlust dieses Stabilisierungsmittels
bei der Herstellung der Schweißnaht ist.
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Infolgedessen bleibt der Zustand des Schweißzusatzwerkstoffes aus
weißem Gußeisen bis zum Augenblick seiner Verwendung stabil; im Zeitpunkt des Schweißens
jedoch bewirkt sein Schn elzen infolge einer teilweisen Verflüchtigung, einer chemischen
Verbindung od. dgl. des Stabilisierungsmittels dessen Gehaltsverringerung bis unterhalb
des vorbestimmten Mindestwertes. Sobald die Karbide sich zersetzen, sammelt sich
der frei gewordene Graphit an den vorhandenen Graphitkeimen in Form von Kugelgraphit
an.
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Dieses Stabilisierungsmittel besteht aus mindestens einem Element
der Gruppe Magnesium, Cer und Kalzium.
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Wird Magnesium als Stabilisierungsmittel verwendet, so weist der Schweißstab
folgende Zusammensetzung auf
| Kohlenstoff insgesamt ... 3,0 bis 4,3 0/0 |
| gebundener Kohlenstoff .. 2,7 - 3,0/9 |
| Silizium .............. 48 - q.,00/0 |
| Mangan ..... « ......... o, i - o,80% |
| Phosphor ............. 0,05 - 0,3% |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . C 0,05010 |
| Magnesium . . . . . . . . . . . . 0,o6 bis 0,2% |
| Eisen ................. Rest |
Bei der Verwendung von Cer kann die Zusammensetzung des Schweißstabes ähnlich der
vorhergehenden Zusammensetzung sein, wobei der Gehalt an Cer zwischen 0,04 und o,20/0
schwanken kann.
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Gleichzeitig ist der Gegenstand der Erfindung eine Schweißverbindung
zweier Werkstücke aus Gußeisen mit Kugelgraphit, bei welcher mittels des beschriebenen
neuen Schweißzusatzwerkstoffes eine Schweißnaht aus Gußeisen mit gleichmäßig verteiltem
Kugelgraphit von mit der der Werkstücke identischer Struktur erzielt wird.
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Vorteilhafterweise kann der Gehalt des Schweißstabes an Kohlenstoff
und/oder Silizium o,i bis o,5 bzw. o,2 bis 1% größer sein als der Gehalt dieser
Elemente in dem Gußeisen, aus welchem die verschweißten Werkstücke bestehen.
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Abb. i stellt einen Längsschnitt durch zwei zu verschweißende Werkstücke,
ferner den Schweißstab nach der Erfindung und den Azetylen-Sauerstoff-Schweißapparat
dar; Abb. 2 ist ein Längsschnitt durch die beiden miteinander verschweißten Werkstücke,
wobei der klareren Darstellung wegen die Schweißnaht nicht schraffiert ist und die
Schraffur der beiden verschweißten Werkstücke über die Schweißstelle hinausragt,
um die Gleichförmigkeit des Gefüges zu zeigen, die erreicht wird;
Abb.
3 bis 5 sind Mikrographien A, B, C in
hundertfacher Vergrößerung, die Ausschnitte
aus der Abb. 2 an den angekreuzten Stellen a, b, und c darstellen.
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Gute Resultate werden beispielsweise im Falle des Verschweißens von
Werkstücken y und 2 aus Mg-haltigem Gu.ßeis.en mit Kugelgraphit :der folgernden
Zusammensetzung:
| Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,400/0 |
| Silizium .. .. .. .. .. .. ...... .. . 2,50% |
| Mangan ..................... 0,300/0 |
| Phosphor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,11 0/0 |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,01 0/0 |
| Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,o6 % |
| Eisen ....................... Rest |
erzielt, wenn zur Bildung der Schweißnaht 3 ein Schweißstab 4 benutzt wird, der
eine der folgenden Zusammensetzungen I bzw. II aufweist:
| Zusammensetzung I |
| Kohlenstoff . . . . . . . .. . . . . . . . . . 3,85% |
| Silizium ..................... 2,700/0 |
| Mangan ..................... 0,15% |
| Phosphor .................... 0,06% |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,0, 0/0 |
| Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,110/0 |
| Eisen ....................... Rest |
| Zusammensetzung II |
| Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,6511/o |
| Silizium ..................... 2,900/0 |
| Mangan ..................... 0,19% |
| Phosphor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,05110 |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o,oy 0/0 |
| Cer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
0,070/0 |
| Eisen ...".................... Rest |
Aus einer dieser beiden Zusammensetzungen wird der Schweißstab 4 von zylindrischer
Form durch Sandforschung entsprechend den gebräuchlichen Verfahren hergestellt.
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Bei der Herstellung eines solchen zylindrischen Schweißstabes 4 mit
einem Durchmesser von 7 mm aus einem Gußeisen der obigen Zusammensetzung wurde festgestellt,
daß sich das Gußeisen in einer solchen Form verfestigt, daß der Kohlenstoff mindestens
zu 90% als Karbid vorliegt.
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Das Verschweißen der Werkstücke y und 2 mittels eines Azetylen-Sauerstoff-Schweißapparates
5 erfolgt unter Verwendung eines üblichen Schutz-und Flußmittels und Abkühlenlassen
der Schweißnaht 3 an der Luft in normaler Weise.
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Das Schweißzusatzeisen wird bis auf eine wenig oberhalb seiner Schmelztemperatur
liegendeTemperatur, und zwar so kurzzeitig, als e& notwendig ist, um dieses
in den geschmolzenen Zustand überzuführen, erhitzt.
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Da das Zusatzeisen gemäß der obigen Zusammensetzung bei einer Temperatur
von y 12o° C anfängt flüssig zu werden, ist eine Erhitzung bis auf etwa 120o° C
zweckmäßig. Bei einer Schweißnaht von 24 cm Länge und einem Querschnitt von 0,8o
cm2 wird der Schweißvorgang in nahezu i2 Minuten durchgeführt, wobei an jedem Punkt
der Schweißnaht jedoch das Zusatzeisen nicht länger als höchstens y Minute geschmolzen
bleibt.
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Während des Schweißvorganges geht ein Teil des im Zusatzeisen enthaltenen
Magnesiums durch Verflüchtigung und Oxydation verloren, so daß in der Schweißnaht
nicht mehr als etwa o,o80/a Magnesium enthalten ist. Unter Berücksichtigung der
Abkühlbedingungen der Schweißnaht ist dieser prozentuale Anteil an Mg geringer als
der kritische Wert, oberhalb dessen das Zusatzeisen bei seiner Verfestigung weiß
erstarrt.
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Dank der Tatsache, daß der Kohlenstoff in dem Schweißstab 4 gemäß
der Erfindung vor dem Schweißen in nahezu vollkommen gebundenem Zustand vorliegt,
beträgt der Gehalt an Graphit vor dem Schweißen keineswegs mehr als 1o0/9 des gesamten
Kohlenstoffgehalts. Da der im Zusatzeisen vorhandene Graphit in feiner Verteilung
in Form von Graphitkeimen vorliegt, hat der dann beim Schweißen während des Schmelzens
und der Verfestigung neu gebildete Graphit keine Zeit, auf Grund seines gegenüber
Eisen geringeren spezifischen Gewichts zu wandern, sondern setzt sich vorzugsweise
an den vorher schon vorhandenen Graphitkeimen an. Mit anderen Worten, beim Schweißen
treten bezüglich des Graphits Flotations-bzw. Schwimmvorgänge oder Absonderungen
im Schmelzfluß nicht auf.
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In der erhaltenen Schweißnaht ist der Graphit in Kugelform und in
gleichmäßiger Verteilung vorhanden.
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Die Abb.-3, 4 und 5 stellen Mikrographien A, B
und C in hundertfacher
Vergrößerung an den Stellen a, b und c im Metall des Körpers y; an der Schweißnaht
3 und in der Verbindungszone dar. Aus den drei Mikrographien ist ersichtlich, daß
das Gefüge eine perlitische Struktur 6 hat, in dem die für Eisen mit Kugelgraphit
charakteristischen Graphitkügelchen verteilt sind. Die Ähnlichkeit der drei Mikrographien
zeigt, daß zwischen dem Körper y, der Verbindungszone und der Schweißnaht 3 keine
Gefügeunterschiede vorhanden sind. Die gesamte Schweißverbindung hat ein vollkommen
gleichmäßiges Gefüge.
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Zugversuche mit Probestäben aus dem Bereich der Schweißnaht 3 and
aus dem Grundwerkstoff der Teile y und 2, ergeben praktisch identische Charakteristiken
(d. h. Festigkeitswerte von 68 kg/mm2 bei einer Dehnung von 20/0).
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Auf Grund der obigen Eigenschaften besitzt also die Schweißnaht 3
praktisch im voraus bekannte Festigkeitseigenschaften, so daß der Widerstand der
Schweißverbindung mit Sicherheit berechnet werden kann.
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Die Anwendung des Schweißzusatzeisens gemäß der Erfindung ergibt außerdem
zahlreiche weitere Vorteile.
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Wegen der weißen Gefügestruktur des Zusatzeisens, seiner gegenüber
dem graphitischen Gußeisen
besseren thermischen Leitfähigkeit und
seines niedrigeren Schmelzpunktes werden der Schweißvorgang und die Erzielung einer
regelmäßigen Schweißnaht erleichtert.
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Zu bemerken ist, daß bei gleicher Erhitzungstemperatur die Legierung
des erfindungsgemäßen Zusatzeisens flüssiger ist als die Legierung eines üblichen
grauen Gußeisens.
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Das oben beschriebene Beispiel bezieht sich auf das Verschweißen von
zwei Werkstücken aus Gußeisen mit Kugelgraphit, das ein perlitisches Gefüge G#afweist-,
es ist ohne weiteres verständlich, daß die #e-schweißten Werkstücke einer Wärmebehandlung
u=nterworfen werden können, um die Gefügestruktur :as=d insbesondere die Ferritbildungsvorgänge
zu beeinflussen.
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Wurden die Werkstücke einer der Schweißung vorangehenden Wärmebehandlung
ausgesetzt, so genügt es, die Schweißnaht einer örtlich begrenzten gleichen Wärmebehandlung
zu unterwerfen, um ihr dieselbe Gefügestruktur zu geben.
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Bei einer beispielsweisen Verwendung des Schweißzusatzeisens gemäß
der Erfindung bei einer Verschweißung von zwei stumpf aufeinanderstoßenden Rohrstücken
aus Gußeisen mit Kugelgraphit von ungefähr z50 mm Durchmesser und 8 mm Wandstärke
wurde diese kugelförmige Graphita.usbildung vor dem Schweißvorgang durch eine in
bekannter Weise durchgeführte Wärmebehandlung erzielt.
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Die Analyse der beiden Rohrstücke zeigt folgende Zusammensetzung:
| Gesamtkohlenstoff ............ 3,52% |
| Silizium ... .. .. ...... .. .. .. . . 2,94°/o |
| Mangan ..................... 0,340/a |
| Phosphor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o, ro % |
| Schwefel .................... o,oo80% |
| Magnesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,o65 |
| Eisen ....................... Rest |
Der Schweißvorgang wurde mit Hilfe des Azetylen-Sauerstoff-Schweißapparates in bekannter
Weise durchgeführt und hierbei ein Schweißstab gemäß der Erfindung von etwa folgender
Zusammensetzung verwendet:
| Gesamtkohlenstoff ............ 3,57o/0 |
| gebundener Kohlenstoff . . . .. . . . 2,9oa/o |
| Silizium ... ................. . 3,33°/o |
| Mangan ..................... 0,32% |
| Phosphor .................... o,o8a/o |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,0030/e |
| Magnesium .................. o, i2o/a |
| Eisen .................... . Rest |
Die erhaltene Schweißnaht, die, abgesehen von dem vorhandenen Kugelgraphit, eine
perlitische Gefügestruktur besaß, wurde einer örtlich begrenzten Wärmebehandlung
zwecks Ferritanreicherung unterworfen.
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Nach dieser Wärmebehandlung der Schweißnaht wurden die verschweißten
Rohrstücke einem inneren hydraulischen Druck ausgesetzt. Hierbei wurde selbst bei
Anwendung eines bis zur Zerreißfestigkeitsgrenze von 345 kg/mm2 gehenden Druckes
noch keine Undichtigkeit oder ein Aussickern an der Schweißnaht festgestellt.
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Die Prüfung der schließlich hervorgerufenen Bruchstelle zeigte
0,5 m von der Schweißstelle entfernt einen Längsriß an dem einen Rohrstück,
das jedoch weder zersplittert, losgerissen noch verformt war.
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Die mikroskopische Metalluntersuchung ergab für die Rohrstücke, die
Schweißnaht und die Verbindungszone einander ähnliche, vollständig gleichmäßige
Gefügestrukturen.
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Die Analyse der Schweißnaht zeigte folgende Werte:
| Gesamtkohlenstoff ............ 3,49°/a |
| Silizium ......... ....... .... . 3,02°/0 |
| Mangan ..................... 0,27°/o |
| Phosphor .................... 0,070/a |
| Schwefel .................... o,oodo/o |
| Magnesium .................. o,o8% |
| Eisen ....................... Rest |
Zugversuche mit Proben, die parallel zur Achse der Rohrkörper sowohl den Rohrstücken
selbst als insbesondere auch der Schweißnaht entnommen wurden, hatten folgende Ergebnisse:
| Den Rohrstücken entnommene Proben |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . 56 bis 58 kg/mm2 |
| Dehnung . . . . . . . . .'.. 7 - 90/& |
| Der Schweißnaht entnommene Proben |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . 52 bis 54 kg/mm2 |
| Dehnung ........... 8 - io% |
Kerbschlagproben von io X 6 X 8o mm Abmessung, die aus dem Bereich der Schweißnaht
entnommen wurden, zeigten eine mittlere Kerbschlagzähigkeit von 8 bis i2 mkg/cm2
bei einem Biegewinkel von 25 bis 35°.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die oben als Beispiel angeführten
Schweißverbindungen beschränkt.