Eine Grundierung zum Auftragen von Metall

Schweißer, die bei der Wartung von Geräten im Baugewerbe und im Bergbau helfen, sind wahrscheinlich mit der Auftragsschweißung vertraut, da das Verfahren dazu beiträgt, die Lebensdauer grob genutzter Komponenten zu verlängern. Getty Images

Das Auftragschweißen ist eine kostengünstige Möglichkeit, den Verschleiß zu minimieren und die Lebensdauer von Industrieteilen und -geräten zu erhöhen. Auf den ersten Blick kann das Aufpanzern verwirrend und mühsam sein, aber das ist nicht der Fall, wenn man die Fakten kennt.

Die folgenden Antworten auf 22 häufig gestellte Fragen können Ihnen helfen, die Grundlagen der Technologie zu verstehen, damit Sie die für Ihre Anwendung am besten geeigneten Aufpanzerungsprodukte auswählen können.

Metallteile erfüllen ihren vorgesehenen Zweck häufig nicht, weil sie brechen, sondern weil sie durch Abrieb, Stöße oder Metall-zu-Metall-Kontakt abgenutzt werden, wodurch sie an Größe und Funktionalität verlieren. Beim Auftragschweißen, auch Hartauftragschweißen genannt, wird ein aufbau- oder verschleißfestes Schweißgut durch Schweißen auf die Oberfläche eines Teils aufgetragen, um die Lebensdauer des Teils zu verlängern. Das Schweißgut kann als feste Oberfläche oder in einem Muster, beispielsweise einem Waffel-, Fischgräten- oder Punktmuster, aufgetragen werden.

Die Aufpanzerung wird für viele Branchen immer wichtiger, um Geräte zu schützen, die Verschleiß und Abrieb ausgesetzt sind. Durch die Verlängerung der Lebensdauer von Verschleißteilen können Sie Tausende von Dollar sparen und die Produktivität steigern. Mit der Auftragsschweißung können Teile wiederaufbereitet werden, die bereits einem Verschleiß ausgesetzt waren und ihre Nutzungsdauer verloren haben, oder sie können bei der Herstellung neuer Teile eingesetzt werden, um deren Lebensdauer vor der Inbetriebnahme zu verlängern. Die drei Haupttypen von Auftragschweißanwendungen sind:

Aufbau oder Umbau.

Aufpanzerung oder Overlay.

Kombinationsaufbau und Überlagerung.

Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle mit Kohlenstoffgehalten von weniger als 1 Prozent können gepanzert werden. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und niedriglegierte Stähle sind weit verbreitet, da sie eine höhere Festigkeit als Weichstähle und eine bessere Abriebfestigkeit bieten. Legierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt erfordern möglicherweise eine spezielle Pufferschicht. Die folgenden unedlen Metalle können gepanzert werden: Edelstahl, Manganstahl, Kohlenstoff- und legierte Stähle, Gusseisen, Legierungen auf Nickelbasis und Legierungen auf Kupferbasis.

Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle sind stark magnetisch und können leicht vom austenitischen Manganstahl unterschieden werden, der nicht magnetisch ist. Viele niedriglegierte und kohlenstoffreichere Stähle werden für die Herstellung von Geräten und Ersatzteilen verwendet, insbesondere für Geräte, die eine höhere Festigkeit und Abriebfestigkeit erfordern. Sie sind nicht leicht zu unterscheiden, sollten aber identifiziert werden, um die richtige Vorheiz- und Nachheiztemperatur zu bestimmen.

Mit zunehmendem Legierungsgehalt wird der Bedarf an Vorwärmen und Nachwärmen immer wichtiger. Beispielsweise erfordert Stahl aus 4130 im Allgemeinen eine Vorwärmung von 400 Grad F. Für Schienen verwendeter Stahl hat typischerweise einen höheren Kohlenstoffgehalt und erfordert eine Mindestvorwärmung von 600 bis 700 Grad F. Manganstahl erfordert keine Vorwärmung. Tatsächlich sollten Maßnahmen ergriffen werden, um die Hitze des Grundmetalls unter 500 Grad F zu halten.

Abbildung 1Viele Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit des Auftragschweißens, aber ein wichtiger Faktor ist die Ablagerungsrate, die hier für jeden Prozess geschätzt wird.

In der Reihenfolge ihrer Beliebtheit werden die folgenden Schweißverfahren zum Auftragen von Aufpanzerungen verwendet:

Fülldrahtschweißen (FCAW) mit offenem Lichtbogen oder Schutzgas-Aufschweißdraht

Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) mit Schutzgasdraht

Schutzgasschweißen (SMAW)

Unterpulverschweißen (SAW)

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW)

Autogenschweißen (OFW) oder Autogenschweißen

Plasma-Lichtbogenschweißen, Laserschweißen, thermisches Spritzen sowie Spritzen und Schmelzen

Der aktuelle Trend geht hin zum Einsatz von halbautomatischen und automatischen Schweißverfahren mittels FCAW und GMAW, die hinsichtlich der Beliebtheit etwa gleich beliebt sind. Für das GMAW-Schweißen mit Volldraht oder Metallkernschweißdraht ist ein Schutzgas erforderlich, während beim FCAW Schweißdrähte im offenen Lichtbogen oder ohne Gas sowie mit einem Schutzgas verwendet werden. SMAW mit flussmittelbeschichteten Elektroden erfreut sich nach wie vor großer Beliebtheit, insbesondere bei der Auftragsschweißung vor Ort, da die Ausrüstung kostengünstig und tragbar ist.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines Schweißverfahrens die folgenden Faktoren:

Verfügbarkeit von Schweißgeräten, einschließlich Größe der Stromquelle

Verwendung einer Stabelektrode oder eines halbautomatischen Drahtes

Verfügbarkeit von Verbrauchsmaterialien für die Auftragsschweißung

Größe des Schweißzusatzwerkstoffs

Verwendung von Schutzgasdraht, Draht mit offenem Lichtbogen oder Draht mit Unterpulver

Bedienerkenntnisse vorhanden

Schweißort – drinnen oder draußen

Bauteilgröße und -form sowie der zu beschichtende Bereich

Dicke der Ablagerung

Ablagerungsrate

Schweißposition

Bearbeitungsanforderungen

Gewünschtes Finish

Bauteilvorbereitung für zuvor gepanzerte Teile

• Vorwärm- und Nachschweißbehandlungen (Anlassen/langsame Abkühlung/Luftkühlung)

Im Folgenden sind die drei häufigsten Verschleißarten aufgeführt:

Abrasiver Verschleiß, der 40 bis 50 Prozent aller Verschleißfälle ausmacht, entsteht, wenn Materialien wie Getreide, Erde oder Sand, Kohle oder Mineralien über eine Metalloberfläche gleiten. Der abrasive Verschleiß lässt sich in Fugenhobelabrieb, hochbeanspruchten Schleifabrieb und gering beanspruchten Kratzabrieb einteilen.

Stoßverschleiß (20 Prozent) tritt auf, wenn ein Objekt von einem anderen Objekt getroffen wird, beispielsweise einem Brecherteil oder einem Eisenbahnwaggonrad, das über einen Manganübergang rollt, was zum Abplatzen oder Abplatzen des Materials führt.

Adhäsiver Verschleiß (Metall auf Metall) (15 Prozent) entsteht, wenn zwei metallische Oberflächen unter Druck gegeneinander gleiten und durch Reibungswärme ein Mikroschweißzustand entsteht. Es tritt im Allgemeinen unter ungeschmierten oder trockenen Bedingungen auf.

Hitze und Korrosion sind zwei weitere Verschleißarten, die jeweils etwa 5 Prozent aller Fälle ausmachen.

Die meisten verschlissenen Teile versagen nicht aufgrund einer einzelnen Art von Verschleiß, beispielsweise durch Stöße, sondern durch eine Kombination, beispielsweise durch Abrieb und Stöße. Beispielsweise ist ein Löffelzahn im Bergbau normalerweise sowohl Abrieb als auch Stößen ausgesetzt, obwohl ein Typ dominanter sein kann als der andere. Die Art des Verschleißes bestimmt, welches Aufschweißprodukt verwendet wird. Die Bestimmung des Verschleißmodus und das Verständnis der Umgebung, der das Teil ausgesetzt ist, sind entscheidend für die Auswahl der am besten geeigneten Auftragslegierung für die Anwendung.

Legierungen auf Eisenbasis lassen sich in vier Hauptkategorien einteilen:

Martensitisch. Zu dieser Gruppe gehören alle härtbaren Stähle mit einer Rockwell-Härte von 20 bis 65 HRC. Diese Legierungen härten ähnlich wie Werkzeugstahl beim Abkühlen aus. Sie eignen sich gut für Metall-auf-Metall- und abrasiven Verschleiß. Sie können auch großen Stößen standhalten. Legierungen mit einem HRC von weniger als 45 werden im Allgemeinen zum Auftragen vor dem Auftragschweißen oder zur Wiederherstellung der Abmessungen verwendet, und das Teil muss nach dem Schweißen bearbeitet werden. Für die Abriebfestigkeit werden martensitische Legierungen mit höherer Härte über 50 HRC verwendet.

Austenitisch. Austenitische Legierungen umfassen kaltverfestigende Manganstähle und rostfreie Stähle. Diese Legierungen sind beim Schweißen im Allgemeinen weich und härten erst aus, nachdem das Schweißgut wiederholten Stößen ausgesetzt wurde. Sie haben gute Schlageigenschaften und eine mäßige Abriebfestigkeit. Austenitischer Manganstahl findet sich im Allgemeinen in der Nähe von Brechern, Gleisstücken und -übergängen sowie Schaufelzähnen.

Metallcarbid und weiche austenitische Matrix. Diese Legierungen enthalten große Mengen an Metallkarbiden in einer weicheren Matrix und eignen sich gut für Anwendungen mit starkem Abrieb. Die Legierungen, die große Mengen an Chrom und Kohlenstoff enthalten, die Familie der Chromkarbide, ähneln eher Gusseisen oder Weißeisen. Sie enthalten manchmal zusätzliche Mengen an Niob und Vanadium. Ihre Härten liegen zwischen 40 und 65 HRC. Legierungen, die große Mengen an Wolfram und Kohlenstoff enthalten (die Familie der Wolframcarbide), enthalten manchmal kleine Mengen an Bor, die Boride bilden und sich für Anwendungen mit starkem Abrieb eignen.

Metallcarbid in harter martensitischer Matrix. Die martensitische Matrix ist im Wesentlichen ein Werkzeugstahl mit einer Härte von 45 bis 60 HRC. Diese Legierungen enthalten Zusätze von Niob, Vanadium, Molybdän oder Titan. Bei richtiger Vorgehensweise können sie in der Regel ohne Spannungsrisse angebracht werden.

Bei vielen Chromkarbidlegierungen kommt es beim Abkühlen auf mäßige Temperaturen zu Rissen, was normal ist. Andere, wie die austenitischen und martensitischen Werkstoffe, bilden bei Anwendung mit geeigneten Schweißverfahren keine Risse.

Wenn Risse oder Risse auftreten, bilden sich Risse senkrecht zur Wulstlänge. Sie treten im Allgemeinen in einem Abstand von 3/8 bis 2 Zoll auf und resultieren aus hohen Spannungen, die durch die Kontraktion des Schweißguts beim Abkühlen entstehen. Die Risse breiten sich über die gesamte Dicke der Schweißnaht aus und enden am Grundmetall, solange dieses nicht spröde ist. Wenn das Grundmetall hart oder spröde ist, wählen Sie eine Pufferschicht aus einem weicheren, zäheren Schweißgut, beispielsweise einer austenitischen Legierung.

Im Allgemeinen handelt es sich bei Chromkarbiden um Legierungen auf Eisenbasis, die hohe Mengen an Chrom (mehr als 15 Prozent) und Kohlenstoff (mehr als 3 Prozent) enthalten. Diese Elemente bilden harte Karbide, die dem Abrieb widerstehen. Die Ablagerungen bilden häufig etwa alle ½ Zoll Risse, was dazu beiträgt, die Spannungen beim Schweißen zu verringern. Ihr niedriger Reibungskoeffizient macht sie auch für Anwendungen geeignet, die Material mit gutem Schlupf erfordern.

Im Allgemeinen nimmt die Abriebfestigkeit mit zunehmendem Kohlenstoff- und Chromgehalt zu, wobei Kohlenstoff den größten Einfluss hat. Die Härtewerte liegen bei 40 bis 65 HRC. Sie können auch andere Elemente enthalten, die andere Karbide oder Boride bilden können, die zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit bei Hochtemperaturanwendungen beitragen. Diese Legierungen sind auf zwei oder drei Schichten beschränkt.

Komplexe Karbide sind im Allgemeinen mit Chromkarbidablagerungen verbunden, die Zusätze von Columbium (Niob), Molybdän, Wolfram oder Vanadium enthalten. Diese Elemente und Kohlenstoff bilden ihre eigenen Karbide oder verbinden sich mit den vorhandenen Chromkarbiden, um die Gesamtabriebfestigkeit der Legierung zu erhöhen. Sie können alle diese Elemente oder nur ein oder zwei enthalten. Sie werden für Anwendungen mit starkem Abrieb und hoher Hitze eingesetzt.

Diese Werkzeugstahllegierungen enthalten zahlreiche dicht gepackte Karbide aus Titan, Niob oder Vanadium. Karbide in Martensit sind eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die rissfreie Ablagerungen mit guten Verschleißeigenschaften erfordern. Schweißgut weist im Allgemeinen die gleichen verschleißfesten Eigenschaften auf, die von Chromkarbid-Aufpanzerungsprodukten erwartet werden. Da diese Legierungen nicht reißen, lassen sie sich tendenziell leichter erneut auftragen.

Bei diesem Verfahren, auch Wolframcarbid-Einbettung genannt, werden die Wolframcarbid-Partikel aus einem Trichter direkt in die geschmolzene Schweißpfütze von PS98 geleitet. Wenn die Schweißraupe abkühlt, enthält die entstehende Schweißablagerung große Mengen an Wolframkarbidpartikeln, eingebettet in eine Werkzeugstahlmatrix mit 55 bis 60 HRC. Diese extrem harten und verschleißfesten Partikel schützen Planierraupen- und Graderschaufeln, Schürfkübel- und Ladeschaufeln sowie viele verschiedene Arten von Hämmern bei vielen anspruchsvollen, stark abrasiven Anwendungen vor vorzeitigem Verschleiß.

Bei Arbeiten in steiniger Erde, Erz oder Schlacke besteht das Ziel darin, die Metalloberfläche vor Abrieb zu schützen, der durch die Bewegung des Gesteins darüber entsteht. Dies kann durch das Anbringen einer Reihe von Graten oder Schweißnähten parallel zum Materialfluss, ähnlich wie Schienen, erreicht werden, die verhindern, dass der felsige Boden mit der Oberfläche in Kontakt kommt.

Wenn Sie in Schmutz oder Sand arbeiten, tragen Sie Schweißraupen im Abstand von ¼ bis 11/2 Zoll und senkrecht oder gegen den Fluss eines abrasiven Materials auf. Das Erzwingen einer Verdichtung des Materials zwischen den Schweißnähten funktioniert gut bei feinkörnigen Sanden und Böden. Tragen Sie ein Punktmuster auf Bereiche auf, die keinem starken Abrieb, aber Verschleiß ausgesetzt sind, oder an denen Schweißstellen schwer zu erreichen sind.

Ein Punktmuster wird auch auf dünnen Grundmetallen verwendet, wenn Verformungen und Verwerfungen durch Überhitzung des Grundmetalls verursacht werden können. Bei Arbeiten in Böden mit etwas Tongehalt besteht das Ziel darin, ein Aufpanzerungsmuster zu verwenden, das den Boden an der Oberfläche einschließt und eine Schicht aus eingeschlossenem Boden bildet, die die darunter liegende Oberfläche schützt. Dies geschieht am besten mit einem Kreuzschraffur- oder Waffelmuster. Dieses Muster funktioniert auch gut, wenn eine Kombination aus feinem und grobem Boden vorliegt.

Nein. Eine martensitische Legierung und eine Chromkarbidlegierung können die gleiche Härte haben, sagen wir 58 HRC, und sich unter den gleichen Schleifbedingungen sehr unterschiedlich verhalten. Eine Chromkarbidlegierung bietet eine bessere Abriebfestigkeit als eine martensitische Legierung. Die metallurgische Mikrostruktur ist ein besserer Maßstab, aber dieser ist nicht immer verfügbar.

Die Härte kann nur dann zur Vorhersage des Verschleißes herangezogen werden, wenn die zu bewertenden Legierungen zur gleichen Familie gehören. Beispielsweise weist in der martensitischen Familie eine 55-HRC-Legierung eine bessere Abriebfestigkeit auf als eine 35-HRC-Legierung. Dies kann sowohl bei der Austenit- als auch bei der Metallkarbidfamilie der Fall sein oder auch nicht. Auch hier muss die Mikrostruktur berücksichtigt werden.

Dies hängt von der Art des beteiligten Verschleißes ab, aber im Fall von abrasivem Verschleiß – dem bei weitem vorherrschenden Verschleißmechanismus – entspricht der ASTM Intl. Der G65-Gummiradtest mit trockenem Sand wird häufig verwendet. Die Probe wird vor und nach dem Test gewogen und das Ergebnis wird normalerweise in Gramm Gewichtsverlust oder Volumenverlust ausgedrückt. Eine Probe wird mit einer bekannten Kraft über eine festgelegte Anzahl von Umdrehungen gegen ein rotierendes Gummirad gehalten. Zwischen der Probe und dem Gummirad wird eine bestimmte, sorgfältig sortierte Sandsorte herabgerieselt. Dies simuliert reinen Abrieb und die Zahlen dienen als Richtlinien bei der Materialauswahl.

Geringe Penetration und Verdünnung sind die Hauptziele beim Auftragschweißen, sodass reines Argon und Mischungen von Argon mit Sauerstoff oder Kohlendioxid im Allgemeinen das gewünschte Ergebnis liefern. Sie können auch reines CO2 verwenden, es kann jedoch zu mehr Spritzern kommen als bei einer Argonmischung.

Schweißdrähte erzeugen entweder eine Sprühübertragung oder eine kugelförmige (kugelförmige) Übertragung geschmolzenen Metalls über den Schweißlichtbogen.

Bei der Sprühübertragung handelt es sich um eine Dispersion feiner geschmolzener Metalltropfen, die sich durch eine sanft klingende Übertragung auszeichnet. Diese Drähte sind für Verbindungsanwendungen wünschenswert, die eine gute Durchdringung erfordern.

Kugeltransferdrähte verteilen größere geschmolzene Metalltropfen oder Kugeln. Diese Art der Übertragung fördert eine geringe Penetration und Verdünnung und eignet sich für die Auftragsschweißung. Der Lichtbogen ist lauter, erzeugt ein hörbares Knistern und verursacht im Allgemeinen ein höheres Spritzerniveau als Sprühübertragungsdrähte. Schweißparameter wie elektrischer Überstand, Gas, Stromstärke und Spannung können die Größe der Kugel und ihre Übertragung beeinflussen. Gaslose Drähte oder Drähte mit offenem Lichtbogen verfügen alle über eine Kugel- oder Kugelübertragung.

Beim Schweißen von niedriglegierten und kohlenstoffreichen Stählen, stark beanspruchten Teilen und Teilen mit komplexen Formen sind Risse in der Wärmeeinflusszone immer ein Problem. Generell sollten alle Teile mindestens bei Raumtemperatur geschweißt werden; Abhängig von der Chemie des Grundmetalls und dem verwendeten Auftragungsprodukt benötigen Sie möglicherweise höhere Vorwärm- und Zwischendurchgangstemperaturen.

Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt müssen vorgewärmt werden. Beispielsweise erfordert Stahl aus 4130 im Allgemeinen eine Vorwärmung von 400 Grad F. Stahl für Schienen hat typischerweise einen hohen Kohlenstoffgehalt und erfordert eine Mindestvorwärmung von 600 bis 700 Grad F.

Manganstahl und einige Edelstähle erfordern kein Vorwärmen und die Schweißtemperaturen sollten so niedrig wie möglich gehalten werden. Tatsächlich sollten Sie versuchen, die Temperatur des Mangan-Basismetalls unter 500 Grad F zu halten. Fragen Sie den Hersteller nach der besten Kombination, um Risse und Abplatzungen zu verhindern.

Bei Chromkarbid und komplexen Karbiden ist die Anzahl der Schichten, die aufgetragen werden können, im Allgemeinen begrenzt. Die Sprödigkeit der Metallkarbide führt zur Rissbildung, und wenn mehrere Schichten aufgetragen werden, baut sich die Spannung weiter auf und konzentriert sich an der Wurzel der Risse, bis es zu einer Trennung oder Abplatzung zwischen dem Grundmetall oder Puffer und der Aufpanzerung kommt.

Sofern vom Hersteller nicht anders angegeben und mit den richtigen Verfahren, können martensitische Auftragsschweißlegierungen in mehreren Schichten aufgetragen werden. Austenitische Mangan-Aufpanzerungsprodukte können in unbegrenzten Schichten aufgetragen werden, sofern der Hersteller nichts anderes angibt. Wenn mehr Schichten erforderlich sind, verwenden Sie eine Aufbau- oder Pufferlegierung.

21. Was sind Aufbau- und Pufferlegierungen?

Aufbau- und Pufferlegierungen ähneln in Härte und Festigkeit der Grundmetalllegierung. Sie werden auf stark verschlissene Teile aufgetragen, um diese wieder auf Maß zu bringen, wenn nach dem Schweißen eine Bearbeitung erforderlich ist. Mit einer Härte von 30 bis 45 HRC dienen sie als Puffer für nachfolgende Schichten einer verschleißfesteren Aufpanzerung. Wenn die Auftragungslegierung Risse erzeugt, verwenden Sie ein zähes Manganprodukt als Puffer, um die Risse abzustumpfen und zu verhindern, dass sie in das Grundmetall eindringen.

Eine Elektrode oder ein Draht aus Weichstahl sollte niemals zum Aufbau oder als Pufferschicht verwendet werden. Schweißprodukte aus Weichstahl eignen sich zwar hervorragend zum Verbinden und Herstellen, verfügen jedoch nicht über die Festigkeit und Härte, um eine Panzerung zu unterstützen. Eine weiche Pufferschicht aus Weichstahl kollabiert unter der Hardface-Schicht, was dazu führt, dass die Hardface-Schicht abplatzt und versagt.

22. Kann Gusseisen gepanzert werden?

Ja, aber berücksichtigen Sie unbedingt die Vorwärm- und Zwischendurchgangstemperaturen. Nickel- und Nickel-Eisen-Produkte eignen sich in der Regel zur Neuaufbereitung von Gusseisen. Sie werden durch den Kohlenstoffgehalt des Grundmetalls nicht beeinträchtigt und bleiben duktil. Mehrere Schichten sind möglich. Wenn ein zusätzlicher Verschleißschutz erforderlich ist, können Metallkarbidprodukte gut auf der Nickel- oder Nickel-Eisen-Schicht wirken.

Diese häufig gestellten Fragen befassen sich erst ansatzweise mit der Panzerung. Hersteller und Spezialisten für Auftragsschweißprodukte können zu einem tieferen Verständnis der Auftragsschweißung beitragen und Ihnen bei der Auswahl von Produkten und Prozessen für Ihre Anwendung helfen.

Bob Miller war Material- und Anwendungsingenieur bei Postle Industries Inc., 5500 W. 164th St., Cleveland, OH 44142, 216-265-9000, postle.com.