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Verfahren zur Herstellung von legierten oder unlegierten Stählen mit niedrigem Gehalt an nichtmetallischen oxydischen Einschlüssen
Den üblichen bekannten Verfahren zur Herstellung von Stählen hohen Reinheitsgrades und damit niedrigen Gehaltes an oxydischen Verunreinigungen haftet eine grosse Unsicherheit an, die immer wieder zu Ausfällen in der Produktion führt. Diese Ausfälle treten auch dann ein, wenn neben der üblichen Desoxydation mit Mangan und Silizium oder der zusätzlichen Verwendung von Sonderdesoxydationsmitteln die allgemein als günstig angesehenen Schmelzbedingungen, wie ausreichender Kochvorgang und hohe Stahltemperatur, eingehalten werden. Auch die Verwendung von Sonderdesoxydationsmitteln, die leicht abscheidbare Reaktionsprodukte ergeben sollen, stellt bisher keine betriebssichere Arbeitsweise dar.
Zur Erzielung eines hohen Reinheitsgrades sind auch Verfahren bekannt, welche eine bestimmte Art des Zusetzens der Desoxydationslegierungen, z. B. im vorgeschmolzenen Zustand in ein sauerstoffreiches Bad, vorschreiben, um eine rasche Abscheidung der Reaktionsprodukte zu erreichen. Darüber hinaus wird durch alle genannten Massnahmen die Unsicherheit nicht beseitigt, die durch die Sauerstoffaufnahme des flüssigen Stahles und durch Reaktionen mit dem feuerfesten Steinmaterial beim Giessen gegeben ist, sofern man nicht Vakuumschmelz- und Giessverfahren anwendet, die jedoch nur für Sonderzwecke wirtschaftlich Verwendung finden können.
Besonders grosse Schwierigkeiten treten dann auf, wenn es sich um die Erzeugung von Feinkornstählen oder alterungssicheren Stählen handelt, welche einen Zusatz von Aluminium als Sonderdesoxydationsmittel verlangen. Das immer wieder beobachtete Auftreten grösserer Mengen tonerdereicher Einschlüsse und die schlechte Vergiessbarkeit des aluminiumdesoxydierten Stahles hat zu der Arbeitsregel geführt, den Aluminiumsatz so gering wie möglich zu halten und die Restgehalte an metallischem Aluminium im Stahl von mehr als etwa 0, 02'10 möglichst zu vermeiden.
Umfangreiche Untersuchungen haben gegenüber dem bisherigen Stand der Technik gezeigt, dass gerade das Aluminium als Legierungselement ein ausserordentlich wirksames Mittel ist, um Stähle hohen Reinheitsgrades betriebssicher herzustellen. Abweichend von der bisher üblichen Erzeugungsart durch Zusatz von Mangan, Silizium und geringen Mengen Aluminium ist es dabei notwendig, Aluminiumgehalte
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erfindungsgemäss vorgeschlagenen Legierungsgehalte an Aluminium im Stahl stehen in keinem Zusammenhang mit den Aluminiumgehalten, die zur Erzielung bestimmter Eigenschaften, z. B. der Nitrierfähigkeit, der verbesserten Zunderbeständigkeit oder besonderer elektrischer oder magnetischer Eigenschaften, dienen.
Die Erzielung eines Stahles hohen Reinheitsgrades durch Legieren mit Aluminium im angegebenen Ausmass beruht auf folgenden Erkenntnissen, die weitgehende Abscheidung von oxydischen Reaktionsprodukten bei der Desoxydation des Stahles ist an eine niedrige Viskosität und damit an eine ausreichend hohe Stahltemperatur gebunden. Hält man diese Bedingungen ein, so weist der flüssige Stahl einen weit höheren Gasgehalt, besonders an Sauerstoff auf als bei Schmelzen, die mit niedriger Temperatur fertiggemacht werden. Bei der üblichen Desoxydation, mit Silizium und Mangan sowie Aluminiumzusätzen zur vollständigen Desoxydation erfolgt nur eine relativ geringe Erniedrigung des Gehaltes an gelösten Gasen, besonders an Sauerstoff.
Nach dem bisherigen Stand der Technik genügt in diesem Fall ein Restaluminiumgehalt bis zirka 0, 02%, um optimale Werte der Desoxydation sicherzustellen. Wird eine solche
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Schmelze vergossen, so scheiden sich bei der Abkühlung und beim Erstarren so grosse Mengen an Oxyden bis zur Löslichkeitsgrenze des Sauerstoffes im festen Zustand ab, dass die Verwendbarkeit des Stahles beeinträchtigt oder gar in Frage gestellt ist. Der bisher übliche Restgehalt an Aluminium im Stahl gewährt auch keinen Schutz vor den Angriffen der Luftoxydation beim Giessen. Weiterhin wird der Angriff der feuerfesten Baustoffe in der Giessgrube durch den verhältnismässig hohen Sauerstoffgehalt des Stahles geför- dert.
Die bei der Abkühlung sich bildenden Oxyde bestehen vornehmlich aus FeO-und MnO-reichen Oxydgemischen, welche zusammen mit dem im Stahl enthaltenen Mangan in bekannter Weise eine stark korrodierende Wirkung auf das feuerfeste Steinmaterial ausüben und damit den Schlackengehalt des Stahles weiter erhöhen. Es kann somit als Folge der geschilderten Vorgänge bei diesen Stählen, auch wenn die Abscheidung der primär gebildeten Reaktionsprodukte nach der Desoxydation im Ofen oder in der Pfanne durch Einhalten einer hohen Stahltemperatur weitgehend gelingt, eine starke Verschlechterung des Reinheitsgrades eintreten.
Wird jedoch der Stahl nach dem Erfindungsgedanken mit Aluminium im angegebenen Ausmass legiert, so wird auch bei hoher Stahlendtemperatur der Gasgehalt, besonders an Sauerstoff, im flüssigen Stahl auf ausserordentlich niedrige Werte gesenkt. Die im Augenblick des Aluminiumzusatzes entstehenden tonerdereichen Einschlüsse lassen sich jedoch bei ausreichend hoher Stahltemperatur, wie in zahlreichen Untersuchungen bei der Entwicklung dieses Verfahrens nachgewiesen werden konnte, entgegen den bisherigen Anschauungen innerhalb weniger Minuten bis auf Restgehalte weit unter 0, 01%, also praktisch vollständig abscheiden. Durch den niedrigen Sauerstoffgehalt im flüssigen Stahl ist eine nennenswerte Umsetzung mit den feuerfesten Baustoffen der Giessgrube nicht mehr möglich.
Infolge des hohen Aluminiumgehaltes können sich im Stahl nur mehr geringe Mengen tonerdereicher und praktisch FeO-und MnO-freier Einschlüsse bilden, die sich gegenüber den feuerfesten Baustoffen der Giessgrube neutral verhalten. Auch durch die unvermeidbare Luftoxydation des Giessstrahles tritt keine Erhöhung des gelösten Sauerstoffgehaltes im Stahl ein, weil dieser an der Oberfläche des flüssigen Stahles sofort durch das im Überschuss anwesende Aluminium abgebunden wird. Dies gilt auch für die Reaktionsprodukte des Mangans mit den feuerfesten Baustoffen, weil das entstehende Manganoxydul mit dem Aluminium des Stahles zu Tonerde umgesetzt wird, welche eine Schutzschicht auf dem feuerfesten Werkstoff bildet und damit weitere Reaktionen verhindert.
Die zu diesem Zeitpunkt entstehenden Oxyde steigen, wie Untersuchungen ergeben haben, im Gussblock praktisch vollständig auf und gehen in den Blockschaum über. Bei der nachfolgenden Abkühlung des Stahles und Erstarrung in der Kokille können sich aus der sauerstoffarmen Schmelze nur mehr äusserst geringe Mengen an Einschlüssen abscheiden, die praktisch in keinem Fall mehr zu einer merklichen Verschlechterung des Reinheitsgrades und damit zu einer Beanstandung des Stahles führen ;
Die zur Herstellung von Stählen gemäss der Erfindung notwendigen Stahltemperaturen beim Zusetzen des Aluminiums müssen mindestens 1500 über der Liquidustemperatur der entsprechenden Stahlqualität liegen. Als günstigster Bereich hat sich eine Temperatur von 180 bis 200 C über Liquidus erwiesen.
Um die notwendigen Aluminiumgehalte von mehr als 0, 05% Aluminium sicher in den Stahl zu bringen, bedient man sich zweckmässigerweise des Zusatzes von vorgeschmolzenem Aluminium, welches man sowohl bei Siemens-Martin-als auch bei Elektrostahl während des Abstechens langsam in den Giessstrahl einflie- ssen lässt. Auf diese Weise erzielt man im Gegensatz zur Zugabe von festem Aluminium in einer der bisher üblichen Formen ein wesentlich höheres Ausbringen. Es hat sich gezeigt, dass man im Durchschnitt ein Ausbringen von 60 bis 80% der zugesetzen Aluminiummenge erreicht. Dieser Satz reicht aus, um die Treffsicherheit des Verfahrens zu gewährleisten.
Die günstige Wirkung des nach der Erfindung erzielten hohen Reinheitsgrades des Stahles äussert sich bereits beim Abguss der aluminiumlegierten Stähle in einer einwandfreien Vergiessbarkeit.
Ausführungsbeispiel :
1. Chrom-Mangan-Einsatzstahl aus dem basischen Siemens-Martin-Ofen : a) Übliche Desoxydation mit Mangan, Silizium und 0, 6 kg Al/t : Abstichtemperatur zirka 16800C.
Restgehalt an Aluminium im Stahl 0,010-0,020So, Schlackengehalt 0,012-0, 018%. Wertzahl der Stufendrehprobe im Mittel 6-15. b) Neue Arbeitsweise : Abstichtemperatur 1680-17o . Zusatz von 1, 5 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Aluminium im Stahl 0, 090-0, 12%. Schlackengehalt im Mittel 0, 009%. Wertzahl der Stufendrehprobe 0-1.
2. Unlegierter Werkzeugstahl aus dem basischen Siemens-Martin-Ofen mit 0, 7% C : a) Übliche Desoxydation mit Mangan, Silizium und 0, 3 kg Aluminium je Tonne. Abstichtemperatur 16200, Rest-Aluminiumgehalt im Stahl kleiner als 0, 01%. Gesamtschlackengehalt 0, 010-0, 014%.
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Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) 150-250. b) Neue Arbeitsweise :
Abstichtemperatur im Mittel 16500. Anlegien mit 1, 2 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Alumini- umgehalt im Stahl 0, 09-0, 100/0. Gesamtschlackengehalt im Mittel 0, 007%. Reinheitsgrad nach Diergarten
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3. Mangan-Werkzeugstahl aus dem basischen Lichtbogenofen (0, 80/oC, 2, 070 Mn) : a) Normal desoxydiert mit Silizium und 0, 5 kg Aluminium je Tonne, Abstichtemperatur im Mittel 16300. Aluminiumrestgehalt im Stahl 0, 01-0, 02%. Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) im Mittel 150-200. b) Neue Arbeitsweise :
Abstichtemperatur 1630 . Legiert mit 1, 2 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Aluminium gehalt im Stahl 0, 07-0, 11%.
Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) im Mittel 50-80.
Grossversuche im Stahlwerk haben erwiesen, dass die ausserordentlich niedrigen Einschlussmengen im Stahl vollkommen betriebssicher erreichbar sind und sich die aluminiumlegierten Stähle durch ausserordentlich hohe Gleichmässigkeit in den technologischen Gütewerten auszeichnen. Sie ist darauf zurückzuführen, dass Kristall- und Blockseigerungen auf ein Mindestmass zurückgeführt werden. Es können also grosse Walz- oder Schmiedeblöcke mit einem Gewicht von beispielsweise 4 Tonnen ohne erkennbare Blockseigerung hergestellt werden. Die beim Erreichender Liquidustemperatur entstehenden geringen Mengen ausserordentlich feiner, zum Teil submikroskopischer Einschlüsse wirken als Keime kornverfeinernd auf das Primär-und Sekundärgefüge.
Die durch die geschilderte Herstellungsart der aluminiumlegierten Stähle erreichte Verteilungsform der Oxyde und Nitride in der metallischen Grundmasse ergibt auch eine absolute Sicherheit gegenüber Komwachstum bei den üblichen Einsatz- und Härtetemperaturen, so dass die genannten Chrom-ManganEinsatzstähle mit einer bisher nicht gewährleisteten Sicherheit aus der Einsatztemperatur direkt gehärtet werden können. Sie sind auch bei den längsten in der Praxis zur Anwendung kommenden Zementationszeiten vollkommen komwachstumsicher. Diese Kornwachstumsicherheit bleibt auch bei allen andem Oberflächenhärteverfahren, z. B. bei der induktiven Oberflächenhärtung oder bei der Brennhärtung, erhalten.
Wird bei der Bemessung des Aluminiumgehaltes im Stahl darauf geachtet, dass der Aluminiumgehalt mindestens das 7-fache des Stickstoffgehaltes beträgt,. so wird durch die praktisch quantitative Bindung des Stickstoffes an das Aluminium auch eine vollkommene Alterungsbeständigkeit erreicht. Ein über die Bindung des Stickstoffes hinausgehender Aluminiumgehalt ist notwendig, um die Ausscheidung von Aluminium-Nitriden in unschädlicher Form zu bewerkstelligen. In Zusammenhang damit steht die Erzielung hoher Zähigkeitswerte in den aluminiumlegierten Stählen nach dem Erfindungsgedanken, welche sie für die Anwendung bei tiefsten Temperaturen besonders geeignet macht. Der Gehalt an Aluminium im angegebenen Ausmass wirkt ausserdem in bekannter Weise verbessernd auf die Durchhärtung und Durchvergütbarkeit.
Die erfindungsgemäss hergestellten aluminiumlegiertenstähle geben somit erstmals die Möglichkeit, die Legierungswirkung des Aluminiums in technisch wirksamem Ausmass voll auszunutzen, ohne die bisher aufgetretenen Nachteile schlechter Vergiessbarkeit und Bildung unzulässig hoher Einschlussmengen in Kauf nehmen'zu müssen. Die günstige Wirkung des Legierens mit Aluminium gilt nicht nur für die als Ausführungsbeispiel angeführten Stahlgruppen, sondern bringt auch bei Stählen anderer chemischer Zusammensetzung aus dem basischen Siemens-Martin- und Lichtbogenofen die gleich guten Ergebnisse.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von legierten oder unlegierten Stählen mit niedrigem Gehalt an nichtmetallischen oxydischen Einschlüssen, dadurch gekennzeichnet, dass dem mit Mangan, Silizium od. dgl. vordesoxydierten Stahlbad, dessen Temperatur mindestens 150 C, vorzugsweise jedoch 160-2000C über der Liquidustemperatur liegt, so ausreichende Mengen an Aluminium zulegiert werden, dass der Stahl im erstarrten Zustand mehr als 0, 05-0, 50%, vorzugsweise 0, 07-0, 25% Aluminium enthält.