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Verfahren zur Behandlung von leicht oxydierbare Elemente enthaltenden Legierungen.
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Oberfläche der geschmolzenen Charge führen zu einer übermässigen Menge an Verbrennungsprodukten.
Anderseits neigen die verschiedenen Legierungszusätze in verschiedenem Ausmasse zur Oxydation, d. h. einige verbrennen leichter als andere. Unter den in Giessereien und Schmelzräumen üblich vorhandenen Betriebsbedingungen bildet sich zumeist eine sehr ansehnliche Schlackenmenge. Die Reaktion, welche zwischen der Luft und den zugesetzten oxydierbaren Elementen oder der entstehenden Legierung unter gewöhnlichen atmosphärischen Verhältnissen stattfindet, wird nachfolgend kurz als Verbrennung oder Oxydation bezeichnet, wenn sie auch nicht allein auf die Entstehung von Oxyden beschränkt sein muss. Es können auch andere atmosphärische Bestandteile als Sauerstoff mit dem zugesetzten Elemente oder mit der Legierung reagieren und andere Verbindungen als Oxyde bilden.
Der Ausdruck Verbrennung und Oxydation wird daher hier in einem weiten Sinne zur Bezeichnung der stattfindenden Reaktion zur Gänze verwendet und nicht nur der speziellen Einwirkung des Sauerstoffs allein auf das Metall.
Es wurden bereits verschiedene Mittel zur Verminderung oder Verhinderung des Verbrennens von leicht oxydierbaren Metallen mit verschiedenem Erfolg vorgeschlagen. Man hat beispielsweise schon solche Aushilfsmittel, wie Arbeiten unter einem Vakuum, verwendet, doch erfordert ein derartiger Betrieb eine besondere Ausrüstung, welche in der Anschaffung als auch in der Verwendung kostspielig ist. Man hat ferner die Verwendung von geschmolzenem Salz zur Bedeckung der Schmelze vorgeschlagen, um eine Berührung von Luft mit den oxydierbaren Elementen der Legierungen zu verhindern.
Dieses Verfahren weist aber verschiedene Nachteile auf, wie etwa Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung der gewünschten Zusammensetzung, im Trocknen vor der Verwendung, ferner Verluste beim Schmelzen und Schwierigkeiten in der Entfernung der geschmolzenen Schutzschicht von der Charge vor Eingiessen der letzteren in die Formen.
Die Erfindung bezweckt nun unter anderm, einfache, aber wirksame Mittel zur Verminderung des Verbrennens leicht oxydierbarer Elemente zu schaffen, u. zw. sowohl während deren Zusatz zur Schmelze als auch der nachfolgend gebildeten Legierungen. Sie ermöglicht des weiteren, dieses Ziel ohne besondere Ausrüstung zu erreichen und ohne dass eine besondere Kunstfertigkeit bei der Behandlung erforderlich wird. Die Erfindung ermöglicht des weiteren, das Verbrennen zu verhindern, ohne dass nachteilige Rückstände auf der Oberfläche der Schmelze zurückbleiben oder mit dem Metall selbst vermischt werden. Sie bezweckt und löst des weiteren die Aufgabe, Mittel zur Verminderung der Verbrennung zu verwenden, welche frei von Wasserdampf sind und andauernd die erwünschte trockene Beschaffenheit aufweisen.
Als vorteilhaft ist des weiteren die Unschädlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens für die Arbeiter zu erwähnen.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass, wenn komprimierte feste Kohlensäure, üblich als Trockenes bekannt, unter gewöhnlichen atmosphärischen Bedingungen mit einer geschmolzenen Charge unter Wärmeaustausch in Verbindung gebracht wird, eine ausgiebige trockene Schutzschicht von Kohlensäure erhalten wird, welche eine Verbrennung der zugesetzten Elemente oder der oxydier- baren Legierung weitgehend vermindert oder sogar vollständig verhindert. Kohlensäure ist verhältnismässig inert gegenüber Reaktionen mit leicht oxydierbaren Elementen und kann daher zum Schutz dieser
Elemente während der Zeit ihres Zusatzes zur Schmelze und der nachfolgend gebildeten Legierung gegen die Einwirkung von in der Luft vorhandenem Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf verwendet werden.
Man hat bisher geglaubt, dass es ausserordentlich gefährlich wäre, ein Stück verfestigter Gasmasse, deren
Verfestigung bei einer Temperatur erheblich unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser stattgefunden hat, in Berührung mit einem Körper hoher Temperatur zu bringen. Überraschenderweise und im Gegen- satz zu den bei der Verwendung verfestigter Gase üblichen Vorsichtsmassnahmen hat es sich gezeigt, dass Trockenes gefahrlos auf die Oberfläche der geschmolzenen Charge aufgebracht werden kann, ohne dass eine Explosion oder Eruption des Metalls verursacht wird.
Das Trockenes verdampft allmählich und bildet eine Schutzschicht von trockener Kohlensäure unmittelbar über der Oberfläche des flüssigen
Bades, wodurch im wesentlichen der Zutritt von Luft zu dem geschmolzenen Metall behindert wird.
Das Gas wird genügend rasch entwickelt, um eine frische Schichte von Kohlensäure, die mit Luft nicht verdünnt ist, in unmittelbarer Nähe des Metalls aufrechtzuerhalten.
Trockenes und die von diesem entwickelte Kohlensäureatmosphäre besitzen gewisse Eigenschaften, welche erhebliche Vorteile gegenüber früheren Vorschlägen besitzen, bei welchen dieses Gas zwecks
Schutzes eines oxydierbaren Metalls gegen Oxydation verwendet wurde. Man hat beispielsweise schon kohlensäurehaltige Verbrennungsgase als Schutzatmosphäre versucht, doch war die hohe Temperatur des Gases und die Gegenwart anderer Bestandteile, insbesondere Stickstoff und Wasserdampf, hinderlich, um das gewünschte Ausmass an Schutzwirkung zu ergeben. Es wurde gefunden, dass Wasserdampf ein besonders und bereits in geringen Mengen abträglicher Bestandteil der Atmosphäre ist, welcher die Metall- korrosion fördert.
Sogar die handelsüblich in Stahlzylindern erhältliche Kohlensäure in komprimierter oder flüssiger Form ist mit Wasserdampf in solcher Menge verunreinigt, dass ihre Verwendung zur
Oxydations-oder Verbrennungsverhinderung nach durchgeführten Versuchen nicht zweckmässig ist.
Die einzige bisher verwendete praktische Methode zur Entfernung des Wasserdampfes aus Ofenabgasen bestand in der Durchleitung durch Trocknungsvorrichtungen, aber auch dieses Verfahren konnte sich aus wirtschaftlichen Erwägungen nicht durchsetzen.
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Im Gegensatz zu den vorhergehend geschilderten Schwierigkeiten, welche mit der Verwendung einer Schutzatmosphäre aus Kohlensäure zusammenhängen, hat sich nunmehr gezeigt, dass Trockenes eine leicht verfügbare und bequeme Quelle von trockenem kühlem Gas dargestellt. Das Gas kann leichter in fester Form gehandhabt werden, da dann keine besondere Ausrüstung zur Regelung des Gasstromes oder seiner Einführung in den Ofenraum erforderlich ist oder in eine den Tiegel für das flüssige Metall umgebende Vorrichtung. Es ist vielmehr dann nur notwendig, beispielsweise ein kleines Stück der festen Masse auf die Oberfläche des Metallbades zu bringen, wodurch sehr schnell eine Schutzatmosphäre von hoher Wirksamkeit erzeugt wird.
Das sich entwickelnde Gas ist zunächst sehr kühl, da es aus der festen Masse bei einer Temperatur von ungefähr -780 C verdampft. Da das Gas sehr kalt ist, ist es per Volumeinheit schwerer als dasselbe Gas bei höherer Temperatur und neigt daher dazu, in der Nähe der Metalloberfläche durch längere Zeit zu verbleiben. Die niedrige Temperatur des Gases selbst wirkt auch in der Richtung, jedwegliche Reaktion zu verhindern, da die Reaktionsgeschwindigkeit im allgemeinen mit steigender Temperatur steigt. Das Trockenes enthält ferner, soweit festgestellt werden konnte, nicht Wasserdampf in genügender Menge, um Oxydation zu fördern. Die Verwendung von Trockenes bietet aber auch weitere Vorteile.
Es bleibt kein Rückstand nach Verdampfung des Gases zurück und es wird keine Reinigung der metallenen Ausrüstungsgegenstände nach jeder Charge erforderlich, da sich kein wie immer geartetes Reaktionsprodukt ansammelt. Die Konzentration des Gases in der Nähe der Schmelztiegel ist unter üblichen Bedingungen nicht gross genug, um irgendwie schädlich auf die Bedienungsmannschaft zu wirken.
Bei der Anwendung vorliegender Erfindung ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die feste Kohlensäure tatsächlich auf die Oberfläche des Bades aufgebracht wird, um Schutz gegen Verbrennen zu bieten. Es ist vielmehr nur notwendig, dass das Trockenes in solche thermische Beziehung mit der geschmolzenen Charge gebracht wird, dass die Hitze aus dieser oder aus den Ofenheizungsmitteln eine relativ rasche und lebhafte Gasentwicklung herbeiführt und dass solche Gase in wirksamer Weise die einem Luftangriff ausgesetzte Metalloberfläche bedecken. Es hat sich aber gezeigt, dass das Aufbringen der festen Kohlensäuremasse direkt auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls eine besonders zufriedenstellende Methode der Herstellung einer Schutzatmosphäre auf der Metalloberfläche darstellt.
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geschmolzenen Strom zu folgen und ein Verbrennen desselben zu verhindern.
Eine wirksamere Methode zum Schutz des Metalls in der Gussform besteht darin, dass Stücke von Trockenes in der Nähe der Gussformöffnungen vor dem Eingiessen des Metalls derart eingebracht werden, dass der Hohlraum der Gussform vollständig mit dem Gas angefüllt wird, bevor das Metall eingebracht wird. Die niedrige Temperatur und das grössere spezifische Gewicht des Gases bewirken, dass die Kohlensäure sich in die Gussform hineinzieht und die leichtere und wärmere Luft verdrängt.
Es ist nicht wesentlich, dass die Kohlensäureatmosphäre während der ganzen Periode des Schmelzens und des Zusetzens von Legierungsbestandteilen aufrechterhalten wird, wenn das Grundmetall der Legierung nicht leicht verbrennt. Wenn beispielsweise eine Aluminium-Magnesium-Legierung hergestellt wird, so hat es sich gezeigt, dass das Trockenes nicht früher als unmittelbar vor dem Zusatz des Magnesiums verwendet werden muss. Magnesium und ähnliche leicht oxydierbare Metalle werden gewöhnlich kurz vor dem Giessen der Legierung zugesetzt, daher muss die Kohlensäure nur während einer kurzen Zeitspanne zwischen dem Zusatz solcher Legierungsbestandteile, und dem Eingiessen des Metalls in die Gussform verwendet werden.
Die trockene, verhältnismässig kühle Kohlensäureatmosphäre bietet auch Vorteile beim Schutz der Legierung, nachdem das leicht oxydierbare Element zugesetzt wurde. Verbrennungsvorgänge können solange als gewünscht durch Aufrechterhaltung einer gewissen Menge fester Kohlensäure auf der Oberfläche der Schmelze verhindert werden. Es ist auch wünschenswert, eine Schutzatmosphäre von Kohlensäure beim Umschmelzen solcher Legierungen zu verwenden, und Trockenes kann erfindungsgemäss auch zu diesem Zweck mit Vorteil verwendet werden.
Die Menge des verwendeten Trockeneises muss genügend gross sein, um eine dauernde und kräftige Gaszufuhr zu bewirken, durch welche die Luft von dem Metall abgehalten wird. Die dauernde Entwicklung einer frischen Menge von Kohlensäure verhindert auch Vermischung mit Luft auf der Metalloberfläche.
Die tatsächliche Menge Trockenes, welche für eine bestimmte Metallcharge erforderlich ist, hängt von dem Ausmass der der Luft ausgesetzten Oberfläche, der Dauer der für den Zusatz der Zulegierungskomponenten benötigten Zeit und von der Temperatur des Bades ab. Im Falle der Behandlung von Legierungen auf Aluminiumbasis hat es sich gezeigt, dass ungefähr 1-25 kg Trockenes per Quadratmeter ausgesetzte Oberfläche genügend ist, um die Legierung während einer Zeit von mehreren Minuten gegen Verbrennen zu schützen. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, bei der Verwendung fester Kohlensäure verhältnismässig kleine Stückchen zu gebrauchen, um dieselben in entsprechenden Zeiträumen hintereinander zuzusetzen, anstatt ein entsprechend grosses Stück auf einmal in Berührung mit dem Metall zu bringen, welches dieselbe Gasausbeute ergeben würde.
Trockenes von handelsüblicher Reinheit hat sich als zufriedenstellend zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens erwiesen. Der Ausdruck
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Trockenes wird hier nur als eine Bezeichnung für feste Kohlensäure überhaupt gebraucht, und die Erfindung soll damit nicht auf irgendeine bestimmte Quelle oder Herstellungsart für feste Kohlensäure beschränkt sein.
Die hier erwähnten leicht oxydierbaren Elemente beinhalten u. a. Kalium, Natrium, Magnesium, Lithium, Kalzium, Barium, Strontium, Beryllium, Phosphor, Arsen, Selen, Tellur und andere ähnlicher Art, welche in Berührung mit Luft verbrennen, wenn sie einem geschmolzenen Metallbad zugesetzt werden. Die Bezeichnung Oxydation oder Verbrennen soll hier die Reaktion andeuten, welche diese genannten Elemente mit irgendeinem oder mit allen Bestandteilen eingehen können, die normalerweise in Luft oder in einer Ofenatmosphäre vorhanden sind. Unter Legierungen auf Aluminiumbasis werden für Zwecke vorliegender Erfindung solche verstanden, welche 50% oder mehr Aluminium enthalten.
Aluminium oder irgendein anderes Metall, welches den überwiegenden Teil einer Legierung bildet, wird hier als Grundmetall oder Basis der Legierung bezeichnet. Unter Schmelzen einer Legierung wird in den Ansprüchen sowohl die ursprüngliche Legierungsherstellung verstanden, d. h. also der Zusatz von Legierungsbestandteilen zum geschmolzenen Grundmetall, als auch die Aufrechterhaltung der hergestellten Legierung in geschmolzenem Zustande sowie das eventuelle Umschmelzen der Legierung nach erfolgter Verfestigung. Verschiedenartige, durch Schmelzvorgänge erzielte Produkte sind hier zusammenfassend als Schmelze bezeichnet worden.