DD160344A5

DD160344A5 - Verfahren zur oberflaechenhaertung eines auf eisen basierenden legierungssubstrats

Info

Publication number: DD160344A5
Application number: DD81231207A
Authority: DD
Inventors: Harry J Brown
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1981-06-26
Publication date: 1983-06-01
Also published as: AU7218681A; ZW13581A1; IL63128A; CA1161703A; EP0043103A1; EP0043103B1; IL63128A0; JPS5744494A; CS233720B2; AU545796B2; NO812059L; PL231849A1; ZA814026B; DE3172330D1; YU158581A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflaechenhaertung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrates fuer die Behandlung von Maschinenverschleissteilen, wie Schneidwerkzeugen, Haemmer, Zaehnen von erdbewegenden und -grabenden Anlagen. Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens, mit dem kostensparend eine haertebeschichtete Oberflaeche mit herausragender Haerte und Verschleissfestigkeit hergestellt werden kann. Erfindungsgemaess wird als haertendes Material eine Zusammensetzung verwendet, die im wesentlichen aus chemisch gebundenem Vanadium, Chrom und Kohlenstoff besteht, wobei die Gewichtsverhaeltnisse ungefaehr zwischen 80-20% VC und 20-80% Cr tief 3 C tief2 liegen, und von 0 bis ungefaehr 15 Gew.-% in dem Aggregat aus Kobalt, Eisen, Nickel und Molybdaen. Die Zusammensetzung liegt in Form eines kaltgesinterten festen Materials in Partikelform vor und enthaelt vorwiegend Chromkarbid in fester Loesung mit Vanadinkarbid, wobei die Bindung zwischen der Oberflaeche und dem haertenden Material durch ein elektrisches Schweissverfahren erreicht wird.

Description

312 0 7 4· Berlin, -15. б. 1982

AP G 21 D / 231 207/4 59 453 11

Verfahren zur Oberflächenhärtung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrats

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenhärtung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrats durch Bildung einer Verbindung zwischen dieser Oberfläche und einem härtenden Material.

Das Verfahren wird in vielerlei Anwendungsbereichen genutzt* Insbesondere wird es angewandt zur Vergütung von Maschinenverschleißteilen wie Schneidwerkzeugen, Hämmern und dergleichen oder etwa von Zähnen erdbewegender und -grabender Anlagen, um deren Verschleißfestigkeit zu erhöhen,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das Hartebeschieh.ten ist ein weithin bekanntes Verfahren, welches im wesentlichen darin besteht, daß einem metall!- sehen Träger, wie beispielsweise einem Eisenlegierungs-Trägerstoff, eine Metallschicht aufgetragen wird, die wesentlich härter als das Basismetall ist. Dieses Verfahren wird in vielerlei Anwendungsbereichen genutzt, um die Härte und Verschleiß- oder Abriebfestigkeit des Basismetalls zu verbessern. So kann beispielsweise mit Hilfe dieses Verfahrens eine Härteschicht auf die Oberfläche verschiedenartiger Maschinenverschleißteile, wie etwa von Schneidwerkzeugen, Hämmern und dergleichen oder etwa von Zähnen erdbewegender und -grabender Anlagen aufgebracht werden.

59 453 11

231207 к

J-xgj Ъ J—ол.и. vx J-O Uvo. v*j.O uvnl ^ ^ixu lJ.j_ w j. j. »vau wj,iuo u oil uu.4. ϋυ**

schichtsubstanzen zumeist aus einer Gruppe von Metallkarbiden und Metallkarbidgemischen, wie beispielsv/eise etwa Karbiden von Wolfram, Titanium, Tantal, Chrom, Vanadium und Zirkonium - um nur einige zu nennen - ausgewählt worden. Diese Härteschichtstoffe haben sich in den meisten Anwendungsfällen als befriedigend geeignet erwiesen, um metallischen Trägern verbesserte Verschleiß- und Schlagfestigkeit zu verleihen.

In den letzten Jahren ist Wolframkarbid auf G-rund seiner ausgezeichneten Härte und Verschleißfestigkeit am häufigsten als Härteschichtmaterial verwendet worden. Wolframkarbid ist indes ein teueres Material und v/eist überdies gewisse Nachteile auf. So muß beispielsweise auf Grund der hohen Dichte von Wolframkarbid eine verhältnismäßig große Masse an Material eingesetzt werden, um eine ausreichende Hartebeschichtung des Trägermetalles zu erreichen.

Im Bemühen um Überwindung dieser Einschränkungen ist vorgeschlagen worden, Gemische von Wolframkarbid mit anderen Metallkarbiden wie etwa Vanadiumkarbid und Trichromdikarbid als Härtungsmittel zu verwenden. Bis in die jüngste Zeit sind diese Härtungsmittel durch mechanisches Vermischen feinverteilter Partikel der Metallkarbide mit geeignetem oder ohne geeignetes Bindemittel hergestellt worden.

Die US-PS 4 055 742 nach H. J. Brown et al. vermittelt ein verbessertes Verfahren der Hartebeschichtung eines metallischen Trägerstoffes, wobei eine aus feinverteilten Partikeln bestehende Zusammensetzung von chemisch gebundenem Vanadium und Kohlenstoff sowie von in Fest—

59 453 11

31 207

etofflösung vorliegendem FoIfram auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird.

Ein besonderer Vorteil dieser verbesserten Methode besteht darin, daß die VC-WC-Pestkörperlösung nicht dazu neigt, in die geschmolzene Metallmatrix abzuwandern, sondern daß sie sich vielmehr weitgehend gleichmäß.ig darauf verteilt und daß so im Ergebnis die verfestigte Auflage ausgezeichnete Härte- und Verschleißfestigkeitseigenschaften aufweist.

Die US-PS 4 162 392 nach H. J. Brown et al. offenbart eine weitere verbesserte Methode des Härtebeschichtens eines metallischen Trägerstoffes unter Verwendung einer aus feinverteilten Partikeln bestehenden Zusammensetzung von chemisch gebundenen Vanadium, Wolfram und Kohlenstoff in Masseverhältnissen von 0,75 VC - 0,25 WC gemeinsam mit etwa 5 bis etwa 40 Masse-% Trichromdikarbid. Das Trichromdikarbid kann in der Zusammensetzung als ein freies Karbid vorliegen, es kann aber auch teilweise oder vollständig mit der VC- WC-Pe st st off Ib" sung chemisch verbunden vorhanden sein. Dieser Härteschichtstoff ist ebenfalls geeignet, eine Auflage zu erzeugen, die in ihrer Verschleißfestigkeit zumindest der durch alleinigen Wolframkarbideinsatz gewonnenen Auflage vergleichbar ist, wobei auf Grund der Verwendung verhältnismäßig großer Anteile der weniger teuren Chromkarbide noch eine beträchtliche Kosteneinsparung erreicht wird.

Es wäre in hohem Maße wünschenswert, noch größere Mengen an Trichromdikarbid in der partikulären Zusammensetzung zu verwenden, wenn dem nicht die Tatsache entgegenstünde, daß bei einem Ansteigen der Trichromdikarbidgehalte auf über 40 Masse-% die Abriebfestigkeit der mittels her-

59 453 11

231207 4

kömmlicher Elektroschweißtechniken aufgetragenen Härteschicht schlagartig abnimmt. Die genaue Ursache für diese plötzliche Änderung der Verschleißfestigkeit ist noch nicht ermittelt; gleichzeitig ist festzustellen, daß durch herkömmliches Autogenschweißen aufgetragene Härteschichten aus der gleichen partikulären Zusammensetzung mit hohem Trichromdikarbidgehalt eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufweisen, welche jenen Härteschichten vergleichbar ist, die unter alleinigem Wolframkarbideinsatz gefertigt wurden.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Oberflächenhärtung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrats zur Herstellung einer härtebeschichteten Oberfläche mit herausragender Härte und Verschleißfestigkeit,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Material aufzufinden, das zur Oberflächenhärtung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrats zur Verbesserung seiner Verschleißfestigkeit geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird ein Material verwendet, welches Vanadiumkarbid und Trichromdikarbid in Feststofflösung enthält und vermittels konventioneller Autogen- oder Elektroschweißtechniken eine Härteschicht—Oberfläche von vorzüglicher Härte und Verschleißfestigkeit auch in jenen Fällen erzeugt, in denen der Härtungsstoff vorwiegend Trichromdikarbid enthält.

59 453 11

231207 к

Insbesondere wird erfindungsgemäß ein neues und verbessertes Verfahren des Härtebeschichtens eines metallischen Tiägerstoffes wie beispielsweise eines Eisenlegierungs-Trägerstoffes zur Verfügung gestellt, welches darin besteht, daß unter Anwendung herkömmlicher Autogen- oder Elektroschweißtechniken ein fester Härteschichtstoff auf die Oberfläche des metallischen Trägermaterials aufgebracht wird, wobei dieser Härteschichtstoff im wesentlichen aus chemisch gebundenem Vanadium, Chrom und Kohlenstoff in Masseanteilen von etwa 80,,. 20 % VC und 20...80 % Cr-,Cp allein oder gemeinsam aggregiert mit bis zu etwa 15 Masse-/? Kobalt, Eisen, Nickel und Molybdän besteht. Darüber hinaus kann der Härteschichtstoff Wolframkarbid in kleineren Anteilen von bis zu etwa 5 Masse-% an der Gesamt-Zusammensetzung entweder in mechanischer Beimischung oder mit dem ѴС-СгоСр chemisch verbunden enthalten.

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Herstellung einer Härteschicht-Oberflache auf einem Metallträger wie beispielsweise einem Eisenlegierungs-Trägerstoff unter Anwendung herkömmlicher Elektroschweißtechniken, wobei ein Härtungsmittel eingesetzt wird, welches sowohl Vanadiumkarbid als auch Trichromdikarbid in Peststofflösung enthält und welches Cr-C₂ in einem Anteil von mehr als 50 Masse-% am Gesamt-Härtungsmittel aufweist.

Das in der oben erwähnten Härtemittel-Zusammensetzung vorliegende Vanadiumkarbid wird als VC ausgewiesen, wenngleich in Wirklichkeit der Kohlenstoff auf einer Stufe gehalten wird, welche einem Karbid von VCq on oder γ/enig darüber entspricht, um eine gewisse Entkohlung zu ermöglichen.

59 453 11

231207 Д

Die vorliegende Erfindung soll im folgenden mit speziellem Bezug auf die im Bildteil enthaltenen Mikrophotografien detaillierter beschrieben werden. Diese Photogräfien zeigen Elektronenmikrosonden-Analysen von geschweiß ten Härteschichten, die unter Verwendung von .Härtungsmittel hergestellt wurden, welches Vanadiumkarbid und Trichromdikarbid in Feststofflösung enthielt.

Die Abbildungen 1 (a),.*(f) veranschaulichen eine Elektronenmikrosonden-Analyse, die in 40Ofacher Vergrößerung an einer durch konventionelle Elektroschweißtechniken hergestellten Auflage eines Härtungsmittels aus 96 (80 VC_{0 8}n 20 Cr₃C₂) 2 Ui - 2 Mo vorgenommen wurde.

Die Abbildungen 2 (a)..»(f) veranschaulichen in 40Ofacher Vergrößerung die Elektronenmikrosonden-Analyse einer in ähnlicher Weise hergestellten Auflage, deren Härtungsmittel jedoch 96 (25 VC _Q _QS 75 Cr₃G₃) 2 Ni - 2 Mo enthielt.

Die Abbildungen 3 (a)...(d) zeigen in 800facher Vergrößerung die Elektronenmikrosonden-Analyse einer in ähnlicher Weise hergestellten Auflage, deren Härtungsmittel jedoch 75 VC_n о 25 Cr^C₀ enthielt.

Die Abbildungen 4 (a)...(d) zeigen in 800facher Vergrößerung die Elektronenmikrosonden-Analyse einer in ähnlicher Weise hergestellten Auflage, deren Härtungsmittel 25 VC_{0 9} 75 Cr₃C₂ enthielt.

Die Abbildungen 5 (a)..„(d) zeigen in 80Ofacher Vergrößerung die Elektronenmikrosonden-Analyse einer in ähnlicher Weise hergestellten Auflage, deren Härtungsmittel 50 VC_{0 9} 50 Cr₃C₂ enthielt.

59 453 11

231207 Д

Die Abbildungen 6 (a)*»<-(f) zejgen die SOOfsrth vergrößerte Elektronenmikrosonde^Analyse einer durch herkömmliche Autogenschweißtechniken hergestellten Auflage, bei der ein Härtungsm.itte 1 aus 25 (V_{n 7C}-W_{n OC}-C + 3 % Co) 75 Cr^Gp verwendet wurde.

Die Abbildungen 7 (a),,,(f) zeigen die 500fach vergrößerte Elektronenmikrosonden-Analyse einer Auflage aus dem bereits im obigen Beispiel (Abb, 7 a,,.f) genannten Härtungsmittel, wobei in diesem Falle das Aufschweißen mittels herkömmlicher Elektroschweißtechniken vorgenommen worden war.

Das in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendete Härtungsmittel kann durch verschiedene im Fachgebiet weithin bekannte Techniken zubereitet werden. So kann das Mittel beispielsweise durch Vermischen feinverteilter Partikel der Rohstoffe wie etwa Vanadium, Chrom, Kohlenstoff, Nickel und Molybdän in den passenden stöchiometrischen Mengenanteilen, durch Kaltpressen der partikulären Mischung zu kleinen Pellets und anschließendes Brechen der Pellets zu einem Granulat hergestellt v/erden. Die Granalien werden dann in einem Vakuum oder in einer reaktionsschwachen Atmosphäre bei hohen Temperaturen (z, B. etwa 1400 C) über eine Zeitspanne hinweg gesintert, welche ausreicht, um die Granalien zusammenzuschmelzen. Anderenfalls kann das Härtungsmittel durch Schmelzen des partikulären Gemisches in einem elektrischen Hochtemperatur-Lichtbogenofen und anschließendes Zerkleinern des verfestigten Produktes zwecks Bildung eines feinverteilten körnigen HärteSchichtmaterials hergestellt werden.

59 453 11

231207 4

Eine spezielle Verkörperung der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Auftragschweißstab in herkömmlicher Form, der zum Auftragschweißen von Eisen und metallischen Trägerstoffen auf der Grundlage von Eisenlegierungen verwendet werden kann. Ein derartiger Schweißstab besteht aus einem metallischen Mantel bzw. einer Röhre (üblicherweise aus Eisen oder Stahl) und der darin enthaltenen Härtungssubstanz gemäß vorangegangener Beschreibungen.

Das Verfahren des Auftragschweißens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann unter Anwendung bekannter Techniken des Autogen- und Elektroschweißens, wie beispielsweise des in der "Meistertabelle der Schweißverfahren" - Amerikanische Vereinigung für Schweißtechnik (19Ö9) beschriebenen Autogenschweißens, des Lichtbogenschweißens sowie anderer dort genannter Techniken durchgeführt werden, wobei geeignete Fließmittel wie beispielsweise etwa Silikamangan oder Borax Verwendung finden.

Das Härtebeschichten gemäß vorliegender Erfindung kann des weiteren unter Nutzung des bekannten Plasma-Flammspritzens oder anderweitig bekannter Beschichtungstechniken vorgenommen werden.

Eine besonders vorteilhafte Verkörperung der vorliegenden Erfindung sind o'ene Praktiken des Härtebeschichtens, welche darin bestehen, daß eine Puddel aus geschmolzener Eisenlegierung (v/ie z, B, Stahl) auf dem Trägerstoff gebildet wird und die Partikel (wie z. B, die Granalien) des Härteschichtmaterials - etwa in einer Siebgröße von 12...80 - in die Puddel .hineingetropft werden, um nach Verfestigung des Puddel eine Härteschicht zu ergeben, die aus einer Stahlmatrix besteht, in welcher die Par-

59 453 11

231207 к

tikel des Härtungsmittels gemäß vorliegender Erfindung gleichmäßig verteilt und eingeschlossen vorliegen, Beispiele für derartige Praktiken sind ⁿMengen"-TIG- (Wolfram-Schutzgas) und -MIG- (Metall-Schutzgas)-Techniken, bei denen das Härtungsmittel in eine kleinere Metallpuddel getropft wird.

Beim Härtebeschichten von Metall-Trägerstoffen gemäß vorliegender Erfindung vermittels der oben erwähnten konventionellen Techniken gehen Metall-Trägerstoff und Härtungsmittel eine metallurgische Bindung ein.

Die resultierende Harte schicht«-Auflage besteht aus einer Matrix aus Eisen oder niedriglegiertem Metall auf Eisengrundlage, in welche die Partikel des Härtungsmaterials der vorliegenden Erfindung durch metallurgische Bindung eingebettet sind.

Bei Auftragen auf einen hochlegierten Trägerstoff wie etwa HadfMd-Stahl liefert das Härtungsmittel der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenauflage, die in ihrer Verschleißfestigkeit hinter der Auflage auf niedriglegierten Stählen zurücksteht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verschleißfestigkeit durch Kalthärtung der Oberfläche verbessert werden kann,

Ausführungsbeispiel

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sollen die praktische Umsetzung der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.

23 1207 4

Ausführungsbeispiel I

Die nachstehenden Stoffe wurden verwendet, um eine kaltgepreßte, gesinterte HärteSchicht-Zusammensetzung aus 96 Masse-% (80 % VC_{n o} 20 Cr-C₀) 2 Masse-% ITi und 2 Masse-% Mo für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu gewinnen:

(a) 487,1 g einer handelsüblichen Substanz (Union Carbide Corporation) mit einem Gehalt von gemischtem V_?C + VC der Maschenweite 65 und darunter mit folgenden Analysewerten: 84,55 % V

13,62 % C 1,10 % 0

im Feuchtegleichgewicht sowie mit unmaßgeblichen Verunreinigungen.

(b) 42,2 g Graphitpulver, 200er Siebgröße und feiner

(c) 13₅O g Nicke!pulver, Siebfeinheit 123₅ der Firma Alcan Metals

(d) 13>0 g Molybdän-Metallpulver (4 Mikron) der Firma Amax

(e) 108,7 g metallisches Chrom der Siebgröße 65 und feiner. Das Chrom bestand aus 99,48 % Cr, 0,52 % 0.

Die Pulver wurden in eine 2,2-1-Kugelmühle mit 4550 g Kugeln von 6,35 mm Durchmesser eingebracht und 88 h lang bei 110 U/min vermählen. Danach wurde das Material bei 50 t Preßdruck in einer Pelletiermatrize zu Pellets mit 50,8 mm Durchmesser^ verarbeitet. Diese Pellets wurden zu Granalien zerkleinert. Die Granalien wurden in Graphitschiffchen eingebracht und 2 h lang einem Vakuum bei 1400 ⁰C ausgesetzt. Die Granalien wurden oberflächlich aneinander gebunden, konnten jedoch unter Einsatz eines Backenbrechers leicht separiert v/erden. Unabhängig vom

59 453 11

231207

darin enthaltenen Fi "bildete sich das Härtungsmittel aus chemisch gebundenem Vanadium, Chrom, Molybdän und Kohlenstoff. Das Material zeigte folgende Masseanteile:

V = 62,21 % Cr = 16,22 %

Fe = 1,00 % M = 2,00 %

Mo = 1,99 % C= 15,09 %

0 = 0,25 % N = 0,46 %

Das in der oben beschriebenen Weise zubereitete kaltgepreßte und gesinterte Material wurde als Härtungsmittel verwendet. Zusätzliches Granulat wurde durch Einsatz variierender Mengen an Cr^C _? hergestellt; die Weiterverwendung der Härtungsmittel erfolgte in der nachstehend geschilderten Weise,

Pur das Elektro-Auftragschweißen wurden Granalien der Siebgröße 12 χ 30 in 304,8 mm lange Weichstahlröhren von 6,35 пші Außendurchmesser und 4,83 mm Innendurchmesser eingelagert. Die Granalien machen etwa 45 % der Gesamtmasse des Schweißstabes aus. Der Schweißstab wurde geschmolzen und bei 180 Amp Gleichstrom (D.C.R,P,) einem Eisen-Trägerstoff aufgetragen. Pur das Autogen-Auftragschweißen wurden Granalien der Siebgröße 30 χ 80 in ähnlicher Weise in Weichstahlröhren eingelagert, zum Azetylen-Sauerstoff-Schweißen geschmolzen und unter einer aufkohlenden Flamme mit minimaler Eindringtiefe einem Weichstahl-Trägerstoff aufgebracht.

Die entstehenden härtebeschichteten Oberflächen wurden unter Anwendung eines Gummirad/Sand-Verschleiß- und Abriebtests hinsichtlich ihrer Abriebfestigkeit geprüft. Hierzu wurde ein Stück unlegierten kohlenstoffarmen Stahles der Abmaße 25,4 mm χ 76,2 mm χ 12,7 mm mit dem

59 453 11

2312 07 4

Iicäi.'IiUiI^SIn-U ο υθα. wS 3Cl-ULClI υβ Oj U.J.G SC gCt-LciruS l/S

Oberfläche wurde plangeschliffen. Diese Fläche wurde mit einer Kraft von 5,2 kpm (38 ft-lb) gegen eine Heopren-Drehscheibe (Durometerhärte Shore A 50·..60) von 231»8 mm Außendurchmesser und.12,7 mm Dicke gedruckt. Silikasand (Sandstrahl-Sand Größe 2, QROK) wurde im Überschuß zwischen die Scheibe und die härtebeschichtete Oberfläche eingespeist, wobei die Drehscheibe während einer Testzeit von 1 min 200 Umdrehungen vollführte. Das im Test befindliche Prüfstück wurde vor und nach dem Abreiben gewogen, die Prozedur wurde wiederholt, bis sich ein konstanter Masseverlust über mehrere Tests hinweg einstellte. Dieser Masseverlust galt als Maß der Verschleiß- und Abriebfestigkeit. Die in diesen Tests gewonnenen Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.

τ—	Schweiß muster	96	(80	TABELLE	1	Auftrag schweiß technik	Rockwell A, Härte der Auflage	Abrieb-Ver- schleißtest Masseverlust
59 453 1	A	96	(80	Zusammensetzung des Härtung smi 11 e1s		Autogen	87,7	0,022
	В	96	(25	VC 20 Cr₃C₂) 2 Ni 2	Mo	Elektro	84,3	0,030
	С	96	(25	VC 20 Cr₃C₂) 2 Ni 2	Mo	Autogen	84,9	0,017
	D		VC 75 Cr₃O₂) 2 Ei 2	Mo	Elektro	82,9	0,018
			VC 75 Cr₃C₂) 2 Ei 2	Mo

231207 к

59 453 11

Aus Tabelle I geht hervor, daß das Härtungsmittel der VOT¹IJ Agenden ΈτΤϊ ndiuig в.і.пѳ gebertete Oberfl я о he von hervorragender Verschleiß- und Abriebfestigkeit liefert. Darüber hinaus wird deutlich, daß die Härte und Verschleißfestigkeit der sowohl durch Elektro- als auch durch Autogenschweißen aufgebrachten Härteschichten. über den gesamten Bereich der Trichromdikarbid-Zugaben d. h. 20...80 % Cr^Cp ~ hinweg im wesentlichen unverändert bleibt. Im speziellen Pail des Schweißmusters D beispielsweise, welches mit einer Härtungsmittel-Zusammensetzung vorwiegend aus Trichromdikarbid (kein Wolfram) hergestellt worden war, entspricht die Verschleißfestigkeit der Auflage dem Prüfwert jener Auflage, die mit dem gleichen Härtungsmittel durch Autogenschweißen aufgebracht wurde. Auch die Härtewerte aller getesteten Schweißauflagen entsprechen einander im wesentlichen, ausgenommen lediglich ein geringfügiger Rückgang der Härte bei jenen Auflagen, die unter Einsatz höherer Mengenanteile von Trichromdikarbid hergestellt worden v/a r en.

Ebenfalls vorgenommen wurde eine"Elektronenmikrosonden— Analyse der in den obigen Beispielen hergestellten Härteschichtauflagen. Diese Analyse besteht im Grunde aus zwei Bildtypen, dem Elektronenbild und dem Röntgenbild. Das Elektronenbild zeichnet die Elektronenemissionseigenschaft des Probestückes bei Strahlanregung auf, die so erzeugten Videosignale werden zur Herstellung von Mikrophotografien verwendet, welche optischen Mikrophotografien geometrisch ähnlich sind. Ein Vorteil dieser Analyse besteht jedoch darin, daß die Kontrastzonen auf den Mikrophotografien zu den inhaltlichen Veränderungen in der Härteschicht in Beziehung stehen.

59 453 11

231207 4

Die Röntgenstrahlen-Bildabtastung entspricht der auf einem Mikrographen dargestellten Verteilung eines Einzelelementes. Das Bild setzt sich, aus einer großen Anzahl von Flekken zusammen, die Kartierung dieser Flecken verweist auf die Konzentration eines spezifischen Elementes in der abgetasteten Fläche.

Abbildung 1 (a) zeigt das 40Ofach vergrößerte Elektronenbild einer elektrogeschweißten Auflage, die unter Verwendung einer Härtungsmittelzusammensetzung aus 96 % (80 VC_{0 89} 20 Cr₃C₂) 2 % Ni - 2 % Mo hergestellt worden war. Diese Auflage entspricht dem Schweißmuster B in Tabelle I, In den Abbildungen 1 (b)..,(f) werden die entsprechenden Röntgenstrahlbilder für V_} Cr, Fe, Mo und Ni wiedergegeben. Aus dieser Analyse wird ersichtlich, daß das Chrom in der Auftragschicht zu homogener Feinverteilung neigt und sich mit Eisen unter Bildung von Eisenkarbiden verbindet. Das Vanadium andererseits zeigt überhaupt keine Neigung, sich mit dem Eisen des Basismetalls zu verbinden. Sowohl liickel als auch Molybdän neigen zu homogener Feinverteilung in der Auftragschicht.

Abbildung 2 (a) zeigt das 40Ofach vergrößerte Elektronenbild der durch Elektroschweißen aufgebrachten Härtemittelzusammensetzung aus 96 % (25 VC_n on 75 Cr-C ) 2 % Ni - 2 % Mo. Diese Auflage entspricht dem Muster D in Tabelle Auch hierfür sind in den Abbildungen 2 (b)...(f) die entsprechenden Röntgenbilder für V, Cr, Fe, Mo und Ni dargestellt. Aus dieser Analyse wird jedoch erkennbar, daß der Hauptanteil des Chroms hier dazu neigt, sich mit dem Vanadium als Feststofflösung zu verbinden und Niederschläge von VCr-Karbid zu bilden. Das Nickel und das Molybdän neigen zu gleichmäßiger Feinverteilung in der gesamten Schweißauflage,

231207 A

Es ist wichtig anzumerken, daß offensichtlich eine Umwandlung in der Ivlikrostruküur der Schweiß schient en sxattfindet, obwohl sich deren Härte und Verschleißfestigkeit bei zunehmenden Anteilen von Trichromdikarbid im Härtungsmittel nicht wesentlich ändert. So zeigt sich in den Abbildungen 1 (a)..„(f) im Fall geringer Cr^G -Anteile, daß sich das Chrom mit dem Eisen unter Bildung relativ weicher Eisenkarbide verbindet. Die ausgezeichneten Härte- und Verschleißfestigkeitseigenschaften dieser Auflagen sind offenbar auf die relativ große Menge des darin enthaltenen Vanadiumkarbids zurückzuführen. Andererseits geht aus den Abbildungen 2 (a)...(f) hervor, daß sich bei hohen СГоСр-Anteilen das Chrom nunmehr eher mit dem weniger reichlich vorhandenen Vanadium unter Bildung von harten Vanadium/Chrom-Karbideη in Peststofflösung verbindet, als die Verbindung zu relativ weichen Eisenkarbiden einzugehen. Das lietto-Resultat besteht dann darin, daß bei Stattfinden dieser erwähnten Mikrostruktur-Umwandlung der Härteauflage die Neigung des Chroms zur VCrC-Bildung offensichtlich kompensierend auf den Rückgang der Bildung von Vanadiumkarbid im Härtungsstoff Einfluß nimmt und somit überraschenderweise die Härte- und Verschleißeigenschaften des entstehenden Schweißauftrages im wesentlichen unverändert bleiben.

So wird deutlich, daß das Härtebeschichten von Trägerstoffen auf der Basis von Eisenlegierungen nunmehr durch das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung bei im wesentlichen gleichen Resultaten sowohl unter Verwendung von Härtungsmittel-Zusammensetzungen mit überwiegend Vanadiumkarbid oder überwiegend Trichromdikarbid oder aber mit im wesentlichen gleichen Anteilen beider durchgeführt werden kann. Unter dem Aspekt der Herstellungskosten wird die weniger teure Zusammensetzung mit überwiegendem Cp—Anteil bevorzugt.

59 453 11

231207 к

Ausführungsbeispiel_II

Aus den folgenden Substanzen wurde eine geschmolzene Härtemittel-Zusammensetzung der Masseanteile 75 VC_{n o} 25 Cr-C₀ hergestellt:

(a) 27,02 g einer handelsüblichen Substanz aus gemischtem VpC + VC der Siebgröße 6,5 und feiner mit den Analysewerten 85,90 % Y

13,01 % C 0,068 % 0

(b) 2,99 g Graphitpulver, 200er Siebgröße und feiner

(c) 8,12 g elektrolytisches Chrommetall der Siebgröße 100 und feiner,

Die Pulver wurden in einer Drehtrommel miteinander vermischt und dann zu einem Pellet von 19,05 mm Durchmesser gepreßt.

Das Pellet wurde in einen nichtverschleißenden Lichtbogen-Schmelzofen auf einem wassergekühlten Kupfergestell eingebracht. Die Brennkammer wurde evakuiert, und das Pellet wurde' unter Einsatz einer Wolframelektrode bei 175 Amp im Lichtbogen geschmolzen. Sodann wurde das Pellett auf die Siebgrößen 12 χ 30 und 30 χ 80 zerkleinert.

Das in der eben beschriebenen Weise und unter Einbringung verschiedener Mengenanteile Cr^C₂ hergestellte geschmolzene Granulat wurde wie folgt als Härtungsmittel benutzt:

Pur das Elektro-Auftragschweißen wurden Granalien der Siebgröße 12 χ 30 in 304,8 mm lange Weichstahlröhren von 6,35 mm Außendurchmesser und 4,83 mm Innendurch-

231207 i

messer eingelagert. Die Granalien machen etwa 45 % der Gesamtmasse des SchweißStabes aus. i)er bchweißs'cab wurde geschmolzen und bei 180 Amp Gleichstrom (D.C,R.P.) einem Eisen-Trägerstoff aufgetragen. Für das Autogen-Auftragschweißen wurden Granalien der Siebgröße 30 χ 80 in ähnlicher Weise in V/eichstahlrb'hren eingelagert, zum Azetylen-Sauerstoff-Schweißen geschmolzen und unter einer aufkohlenden Flamme mit minimaler Eindringtiefe einem Weichstahl-Trägerstoff aufgebracht.

Die entstandene Härteschicht-Oberflache wurde hinsichtlich ihrer Härte sowie Verschleiß- und Abriebfestigkeit geprüft. Die Prüfmethoden entsprachen den bereits in Ausführungsbeispiel I beschriebenen Methoden, Tabelle II stellt die Testergebnisse zusammen.

Schweißmuster

TABELLE II

Zusammensetzung des V-Quelle Härtungsmittels

Auftrag- Rockwell A Abrieb-Verschweiß- Härte der schleißtest technik Auflage Masseverlust

E	75	VC	25	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Autogen	82,0	0,033
P	75	VC	25	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Elektro	82,5	0,015
G	50	VC	50	Cr₃C₂	PeV	Autogen	84,5	0,025
H	50	VC	50	Cr₃C₂	PeV	Elektro	82,7	0,032
I	50	VC	50	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Autogen	82,8	0,018
J	50	VC	50	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Elektro	84,8	0,008
	25	VC	75	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Autogen	79,8	0,014
L	25	VC	75	Cr₃C₂	(V₂C₊VC)	Elektro	82,6	0,012

231207 4 ⁵⁹⁴»¹¹

Aus Tabelle II geht hervor, daß auch die in diesem Ausführvjngrbeispi⁰! h.erg^pste3ч +<=> σροη-ρ] at>p geschmolzene Fartungsmittel-Zusammensetzung eine Härteschicht-Oberflache von ausgezeichneten Härte- und Verschleißfestigkeitseigenschaften liefert. Wieder sind Härte und Verschleißfestigkeit der Auflagen über den gesamten Bereich der Trichromdikarbid-Zusätze (d. h. 20...0 % Cr^C ) hinweg sowohl bei Einsatz von Autogen- als auch von Elektroschweißtechniken im wesentlichen gleich. Wie insbesondere in den Schweißproben I bis einschließlich L deutlich wird, scheint sich die Verschleißfestigkeit der Auflagen mit zunehmenden CrJüp-Anteilen leicht zu verbessern, obwohl die Härte im wesentlichen in gleichem Maße erhalten bleibt. Wird PeV als Vanadiumquelle verwendet, dann steigen auch die Härtewerte an.

Auch mit den in Ausführungsbeispiel II hergestellen Härteschichten wurde eine Elektronenmikrosonden-Analyse vorgenommen. Abbildung 3 (a) zeigt das 80Ofach vergrößerte Elektronenbild der durch Elektro-Auftragschweißen einer Härtemittel-Zusammensetzung aus 75 VC₀ q 25 hergestellten Härteschicht. Es handelt sich hierbei um Beispiel F aus Tabelle II. Die Abbildungen 3 (b)...(d) zeigen die entsprechenden Röntgenbild-Eikrophotografien für V, Cr bzw. Fe. Aus dieser Analyse geht klar hervor, daß das Chrom dazu neigt, sich im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Auflage hinweg in Peinverteilung auszubreiten und sich mit dem Eisen des Basismetalls unter Bildung verhältnismäßig v/eicher Eisenkarbide in der Schweißmatrix zu verbinden. Das Vanadium zeigt nur geringe Ueigung, sich mit dem Eisen zu verbinden, es ist zumeist ausschließlich in Form von Vanadiumkarbid anzutreffen.

Abbildung 4 (a) zeigt das SOOfach vergrößerte Elektronenbild einer unter Einsatz eines Härtungsmittels mit

231207

59 453 11

höherem Cr-^-Anteil (25 VC_Q q 75 Gr₃C₂) elektrogeschweißten Härteschicht» Diese Härtung entspricht dem Schweißmuster L in Tabelle II.

Die Abbildungen 4 (b).,.(d) zeigen die entsprechenden Röntgenbild—Mikrophotografien für V, Cr und Fe. Aus dieser Analyse wird ersichtlich, daß bei einer Härtemittel-Zusammensetzung mit überwiegendem Cr^C^-Anteil das Vanadium erneut dazu neigt, sich mit dem Chrom zwecks Bildung eines harten Vanadium/Chrom-Karbids in der Härtungsschicht zu verbinden. Sowohl Eisen als auch Chrom sind in der gesamten Schweißprobe im wesentlichen gleichmäßig als ein gemischtes Karbid feinverteilt.

In Abbildung 5 (a) wird ein 80Ofach vergrößertes Elektronenbild einer anderen, durch Elektroschweißen mit einem Härtungsmittel aus gleichen Anteilen Vanadiumkarbid und Trichromdikarbid (50 VC₀ q 50 Cr^C₂) hergestellten Schweißauflage gezeigt. Hierbei handelt es sich um Beispiel J aus Tabelle II. Die Abbildungen 5 (b)...(d) geben die entsprechenden Röntgenbild-Mikrophotografien für V, Cr und Pe wieder. Interessanterweise ist anhand dieser Analyse festzustellen, daß bei annähernd gleichen Anteilen Vanadiumkarbid und Trichromdikarbid in der Härtemittel-Zusammensetzung eine Umwandlung in der MikroStruktur der Schweißauflage auftritt bzw. aufzutreten beginnt» So beginnt Chrom sich mit dem Vanadium unter Bildung eines gemischten Vanadium/C.hrom-Karbids zu verbinden, wie dies bei Vergleich der Mikroaufnahmen in den Abbildungen 5 (b) und 5 (c) deutlich erkennbar wird. Y/ieder wird das Eisen des Basismetalls im wesentlichen gleichmäßig über die Schweißzone hinweg feinverteilt und verbindet sich mit dem Chrom unter Bildung des gemischten Karbids,

231207 4

Ausführungsbeispiel III

59 453 11

Unter Verwendung eines Härtemittels aus Vanadium/Wolfram/ Chrom-Karbid wurde eine Serie zusätzlicher Schweißauflagen hergestellt, indem entweder 40 Masse-% oder 75 Masse-% Chrom mit Vanadiumkarbid und Wolframkarbid sowohl als mechanische Granulatmischung als auch chemisch miteinander verbunden mit etwa 3 % Kobalt als Sinterhilfsmittel kombiniert wurden. In beiden Fällen wurden die Substanzen zwecks Herstellung eines Schweißstabes in eine Weichstahlhülse von 5 mm Durchmesser eingeschlossen. Die Schweißstäbe wurden sowohl mittels Autogen- als auch mittels Elektroschweißtechnik auf plane Trägerstücke aus kohlenstoff armem Stahl mit den Abmaßen 25,4 mm χ 88,9 mm χ 12,7 mm aufgetragen. Rockwell-Härte und Abrieb-Verschleißfestigkeit der Schweißproben wurden in der bereits oben beschriebenen Weise gemessen. Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle III zusammengefaßt.

^viin

Schweiß- Pulver-

Biuster Zusammensetzung

TABELLE III

Pulver- Auftragtyp im schweiß-Schweißstab technik

Rockwell A Härte der Auflage

- 60

40

40 Cr₃C₂ - 60

^(V0,75^W0,25^G+3foCo) 40 Cr₃C₂ - 60

^(V0,75^W0,25^C+3foCo) 75 Cr₃C₂ - 25

^(V0,75^W0,25^C+3%Go) 75 Cr₃C₂ - 25

75 Cr₃C₂ - 25

75 Cr₃C₂ - 25 ^(V0,75^W0,25^G+j%Go)

Me eh

Mischung

Mech, Mischling

Granulat

Me ch

Mischung

Me ch

Mischung

Granulat

Autogen Elektro Autogen Elektro

Autogen

Elektro Autogen

Elektro

77,9 80,5 77,0 79,3

82,1 79,3

77,8

Abrieb-Verschleißtest Masseverlust g·

67 36 21 40

21

251 32

355

231207 к

59 453 11

Aus obiger Tabelle III geht hervor, daß sowohl bei Autogen- als auch bei Elektroschweißen durch den Zusatz von 40 Masse-% Cr^Cp zu einer WC-haltigen Härtemittel-Zusammensetzung herausragende Ergebnisse erzielt werden. Es hat sich aber auch gezeigt, daß sich die Verschleißfestigkeit der elektrogeschweißten HärtebeSchichtungen zunehmend verschlechtert, wenn die Cr_Cp-Zusätze 40 Masse-% übersteigen. So zeigen - siehe Tabelle III - Elektroschweißauflagen, die unter Einsatz eines Härtemittels mit 75 Masse-% СгоС gefertigt wurden, einen etwa zehnfach größeren Masseverlust während des Abriebtests als herkömmlich autogengeschweißte HärtebeSchichtungen mit der gleichen Härtemittelzusammensetzung,

Auch die Mikrostruktur der in diesem Ausführungsbeispiel geschweißten HärtebeSchichtungen wurde mittels Elektronenmikrosonde qualitativ analysiert. Abbildung 6 (a) zeigt das 50Ofach vergrößerte Elektronenbild eines mit einer Härtemittel-Zusammensetzung aus chemisch verbundenem VWC mit 75 % Cr^Cρ autogengeschweißten Musters. Dieses Muster entspricht der Kummer S in Tabelle III. Die Abbildungen 6 (b)...(f) zeigen die entsprechenden Röntgenbild-Mikrophotografien für Fe, Cr, V, Co und W. Aus dieser Analyse geht hervor, daß wiederum Vanadium und Chrom dazu neigen, im Falle hoher Trichromdikarbid-Masseanteile sich vorzugsweise unter Bildung eines gemischten Karbids miteinander zu verbinden, anstatt die relativ weichen Eisenkarbide zu bilden.

Abbildung 7 (a) gibt das 500fach vergrößerte Elektronenbild einer Schweißauflage wieder, die unter Einsatz des gleichen Härtemittels aus chemisch gebundenem VWC mit

231207

59 453 11

75 % Gr-Cρ, allerdings durch Elektroschweißen hergestellt wurde. Es handelt sich, hierbei um das Muster T aus Tabelle III, Aus den entsprechenden Röntgenbild-Mikrophotografien (Abbildungen 7 b...f) für Pe, Cr, V, Co und W ist ersichtlich, daß Chrom und Eisen trotz des Vorhandenseins eines Chromüberschusses in der Härtemittel-Zusammensetzung zu chemischer Bindung und dabei Bildung weicher gemischter Eisenträgerstoffkarbide neigen. Aus Abbildung 5 (d) wird darüber hinaus deutlich, daß das Wolfram im wesentlichen über die gesamte Eisenmatrix hinweg feinverteilt wird.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Oberflächenhärtung eines auf Eisen basierenden Legierungssubstrats durch die Bildung einer Verbindung zwischen dieser Oberfläche und einem härtenden Material, gekennzeichnet dadurch, daß das oberflächenhärtende Material eine Zusammensetzung ist, die im wesentlichen aus chemisch gebundenem Vanadium, Chrom und Kohlenstoff besteht, wobei die Gewichtsverhältnisse ungefähr zwischen 80 - 20 % VC und 20 - 80 % Cr₃C liegen, und von 0 bis ungefähr 15 Gew.—% in dem Aggregat aus Kobalt, Eisen, Nickel und Molybdän,

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die härtende Zusammensetzung in Form eines kalt-gepreßten und gesintertem festen Material in Partikelform vorliegt.

3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die oberflächenhärtende Zusammensetzung vorwiegend Chromkarbid in fester Lösung mit Vanadiumkarbid enthält j wobei die Bindung zwischen der Oberfläche und dem härtenden Material durch ein elektrisches Schweißverfahren erreicht wird.

4. Mit einer Härteschicht an der Oberfläche versehenes Rundeisen (Rundstahl) mit einer Metallhülle, gekennzeichnet dadurch, daß ein härtendes Material in Form von fein verteilten Teilchen vorhanden ist, die im wesentlichen aus chemisch gebundenem Vanadium, Chrom und Kohlenstoff bestehen, in dem Gewichtsverhältnis von ungefähr 80 - 20 % VC und 20 - 80 % Cr₃C und von 0 bis 15 Gew.-% in dem Aggregat aus Kobalt, Nickel, Eisen und Molybdän.

59 453 11

5« Mit einer HärteSchicht versehenes Rundeisen nach Punkt 4} £,'ѲКвГі1і2і6л.С111і.Ѳ ü ü.a,ClUj.'^jOü j tictjj Utta .£1а.х^;'Сс1хи.ё iviä'üeX'jLeix vorwiegend Chroinkarbid in fester Lösung mit Vanadiumkarbid enthält.

6, Mit einer Härteschicht versehenes Rundeisen nach Punkt 4, gekennzeichnet, dadurch, daß die härtende Zusammensetzung in Form eines kaltgepreßten und gesintertem festen Material in Partikelform auftritt.