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Verfahren zur Herstellung von Gusslegierungskörpern nach dem
Lichtbogenschmelzverfahren
Die Erfindung betrifft die Herstellung sehr gleichmässig zusammengesetzter, qualitativ hochwertiger
Halbzeuglegierungen, insbesondere solcher Legierungen, die bezüglich Gleichförmigkeit und Qualität gewöhnlich schwer zu analysieren sind.
Bei der Herstellung von Gussblockmetall wurde das sogenannte I-Schmelzverfahren angewandt, bei dem abgemessene Mengen von Metallteilchen oder-stücken durch eine röhrenförmige Elektrode zugeführt werden und bei dem das Elektrodenmetall und die Metallstücke in einer gekühlten Gussform, unter Verwendung von Röhrenelektroden und der Metallstücke als Verbrauchselektrode in einer Lichtbogenschmelze unter einer Schlackenschicht geschmolzen werden. Die zugeführten Bestandteile sollen in dem Masse schmelzen und die Gussform soll mit solcher Geschwindigkeit gekühlt werden, dass Metall vorbestimmter Zusammensetzung ununterbrochen verfestigt wird, während ein Bad von geschmolzenem Metall genügender Tiefe aufrecht erhalten bleibt, um die Bestandteile unter der Flussmittel- bzw. Schlackenschicht einander zu mischen und zu legieren.
Es ist sodann unter dem Namen"Elektroschlackenumschmelzverfahren"ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem die umzuschmelzende Legierung in Form einer selbstverzehrenden Elektrode in Barrenoder Stangenform eingesetzt wird, die mit ihrem unteren Ende in eine dicke Schlackenschicht taucht, die ein geschmolzenes Metallbad in einer gekühlten Giessform, dem sogenannten Kristallisator, bedeckt.
Unter dem Einfluss der durch den Stromdurchgang zwischen Elektrode und Metallbad in der Schlackendecke entstehenden Joule'schen Wärme schmilzt das Metall der Elektrode in Tröpfchenform ab und diese Tropfen sinken durch die hocherhitzte Schlackenschicht auf den von Metallschmelze bedeckten Boden des Kristallisators, wobei sie vollkommen durchgeschmolzen und von Verunreinigungen befreit werden.
Die Schlackendecke befindet sich dabei in einem verhältnismässig ruhigen Zustand und ist von solcher Dicke, dass die Atmosphäre von dem abschmelzenden Elektrodenende, den abschmelzenden und in das Metallbad wandernden Metallteilchen sowie dem Schmelzbad ausgeschlossen ist. Das langsame Abschmelzen des Metalls von der Elektrode und die dementsprechend gesteuerte Erstarrung im Kristallisator nach dem eine Reinigungswirkung entfaltenden Durchfallen der verhältnismässig dicken Schlackendecke bewirkt, dass Inhomogenitäten des Ausgangsmaterials beseitigt werden und die Qualität des Materials gesteigert wird.
'Das Verfahren ist bei der Herstellung von Eisenlegierungen und Stählen mit niedrigen und mittleren Gehalten an Legierungsbestandteilen ganz besonders erfolgreich gewesen. Bei guter Überwachung mit grösserer Genauigkeit können auch Legierungen mit verhältnismässig hohen Gehalten an Legierungsbestandteilen, wie einige der Molybdän, Chrom, Vanadin und Wolfram enthaltenden Werkzeugstähle in technischen Mengen erzeugt werden.
Während der letzten Jahre besteht eine steigende Nachfrage nach sogenannten Superlegierungen für
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Art auf. DieErzeugung solcher Superlegierungen wird ferner durch die Tatsache kompliziert, dass praktisch fehlerlosesMakrometallhergestellt werden muss, wenn strenge Qualitätsanforderungen zu befriedigen sind.
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Dabei ergab sich, dass beispielsweise Material, das gewöhnlich genügend hohe Qualität für Werkzeugstähle besitzt, als Material für Turboelemente von Strahlturbinen verworfen werden muss.
Es wurde gefunden, dass bei der Erzeugung dieser sogenannten Superlegierungen alle vorher angewandten Verfahren der Gussblockerzeugung, selbst wenn sie genau geregelt werden, kein gleichmässig annehmbares Material ergeben, insbesondere nicht im Hinblick auf die vollständige Ausschaltung makrokristallinischer und nichtmetallischer Einschlüsse, sowie von Saigerungen, von Kohlenstoff und schwer schmelzbarem Metall, von Carbonitridfäden usw.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im wesentlichen gleichmässiges Korngefüge durch den ganzen Gussblock, sowohl von seiner Mittelachse nach seinem Umfang hin, als auch in der Längsrichtung der Gussblockachse zu erreichen, sowie die Notwendigkeit zur Entfernung von Metall an der oberen, der unteren und der Umfangsfläche des Gussblockes vor dessen Verarbeitung zu Schmiedestücken für Teile, die hoher Temperatur- und Arbeitsbeanspruchung ausgesetzt sind, auf ein Minimum herabzusetzen.
Während der letzten Jahre sind Metallegierungen, unter Anwendung des oben erwähnten Verfahrens,
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stellt worden. Da gewisse schwer schmelzbare Metalle, wie Titan und Zirkon, aussergewöhnlich empfindlich für die Aufnahme von Verunreinigungen einschliesslich atmosphärischer Gase sind, werden in neuerer Zeit Verbrauchselektroden-Vakuumschmelzverfahren benutzt, damit keine atmosphärischen Bestandteile die Schmelze verunreinigen, und um Verunreinigungen, insbesondere gasförmiger Art aus der Schmelze schon während des Schmelzvorganges auszutreiben. Es wurde indessen gefunden, dass hohe Stromstärken und Schmelzgeschwindigkeiten erforderlich sind, um den Lichtbogen genau zu regeln.
Das hat ein verhältnismässig tiefes Schmelzbad mit den üblichen Saigerungsproblemen und mit der Ausscheidung von Härte- und Fehlerstellen, insbesondere entlang der Achse des Gussblockes, zur Folge.
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müdungs- und Brucherscheinungen.
Die Bestrebungen bei der Herstellung von Superlegierungen sind-in den letzten Jahren dahin ge- gangen, Legierungen auf Eisen- oder Nickelbasis, mit und ohne Aluminium zu benutzen, die Härtung- bestandteile, wie Titan, enthalten. Solche Härtungsbestandteile vergrössern weiter die Schwierigkeiten in der Schmelzpraxis. Zufolge der Verringerung des Maschinengewichts bei Turbokonstruktionen stiegen sowohl die Beanspruchungen als auch die Temperaturen ; anderseits müssen Defekte bei einem Düsen- triebwerk mit allen Mitteln vermieden werden. Daher sind die Qualitätsanforderungen für die dazu be- nutzten Werkstoffe äusserst streng.
Auch durch das oben genannte Verfahren und durch den Vakuum-Schmelzprozess konnten sogenannte
Dunkel- oder Schwarzpunkte oder-stellen (möglicherweise nicht gelöstes Metall oder nichtmetallische
Einschlüsse), Sprenkel (möglicherweise niedriger schmelzende Legierungen mit einem verhältnismässig hohen Siliziumgehalt), Gefügeumbildungen und Nitridfäden, Carbonitrideinschlüsse usw., nicht ganz vermieden werden. Bei einer ersten Schmelze neigen die Dunkelstellen dazu, sich ziemlich unregelmässig durch den ganzen Querschnitt des Gussblockes auszubreiten.
Es wurde versucht, die sogenannten Dunkelstellen wenigstens durch Umschmelzen unter Benutzung eines Verbrauchs-Vakuumverfahrens zu vermindern. Dabei werden viele Dunkelstellen um den Gussblock herum angereichert. Dieses angereicherte Gebiet wird dann durch Bearbeitung oder Abdrehen von ungefähr 20 - 300/0. des Gussblockes entfernt. Sprenkel kommen vorzugsweise im Innern von in Inertgas, im Vakuum und in Luft geschmolzenen Gussblöcken vor, unabhängig davon, ob eine zweite Schmelze durchgeführt worden ist oder nicht. Eine Doppelschmelze dieser Art belässt also noch zufällige Dunkelstellen durch den ganzen Querschnitt des Gussblockes hindurch und entfernt nichtmetallische Einschlüsse nicht völlig, besonders im Hinblick auf die schwerschmelzbaren Metallnitrid oder Carbonitride.
Es wurde festgestellt, dass eine langsame Schmelzgeschwindigkeit für die Erzeugung eines flachen Schmelzbades vorteilhaft ist, dass sie aber nur eine geringwertige Umfangsfläche um den Gussblock liefert ; eine schnellere Schmelzgeschwindigkeit anderseits ist vorteilhaft zur Erlangung einer besseren Umfangsfläche, aber sie ist unvorteilhaft, weil sie eine Saigerung im Inneren des Gussblockes herbeiführt. Wenn versucht wird, einen Mittelweg zu beschreiten, sind beide unvorteilhafte Faktoren vorhanden. Mit der erfindungsgemässen Schlackenschmelzmethode werden beide Faktoren dadurch beseitigt, dass eine langsamere Schmelzgeschwindigkeit bewirkt und dennoch eine Umfangsfläche geschaffen wird, die gegenüber jeder, die bis jetzt sogar beiAnwendungschneller Schmelzgeschwindigkeit erreicht werden konnte, wesentlich verbessert ist.
Anderseits wird bei Anwendung eines üblichen Schmelzverfahrens, wie das mittels Verbrauchs-Vakuumelektrode, einer Luft- oder Inertgasschmelze, unabhängig davon, ob es
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sich um eine erste oder zweite Schmelze handelt, eine sogenannte ananas- oder maiskolbenartige Um- fangsfläche gebildet, die abgeschliffen oder abgedreht werden muss, bevor der Gussblock zur Herstellung eines Schmiedstückes verwendet werden kann. Dies bedeutet eine erhebliche Metallverschwendung.
Bisher war man der Meinung, dass eine Schlackenmethode nicht der geeignete Weg zur Erzeugung von Gussblöcken äusserst hoher Qualität ist, und ganz besonders nicht im Hinblick auf Legierungen, die höher legiert sind und die schwerschmelzbare Legierungsbestandteile enthalten. Es wurde angenommen, dass die Schlacke die Schmelze verunreinigen würde und das Gase, wie Wasserstoff, Stickstoff, und elementarer Kohlenstoff, der nichtmetallische Einschlüsse bewirkt, nicht auf diese Weise entfernt werden könnten.
Eine zweite Schmelze mittels Verbrauchselektrode unter Vakuum erschien daher als die einzige
Möglichkeit zur Erzielung von Gussstücken höchster Qualität. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass entgegen dieser Annahme bei dem erfindungsgemässen Arbeiten unter einer Schlackenschutzschicht alle sogar gasförmige Verunreinigungen, die als Makroeinschlüsse in gewöhnlichen Schmelzen er- scheinen, entfernt werden und ein Gussblock bestmöglicher Qualität mit einem Minimum an Kosten er- zeugt werden kann.
Die Erfindung besteht in einem Elektroschlackenumschmelzverfahren, wobei von einem als selbst- verzehrende Elektrode ausgebildeten kompakten, teilweise homogenen Gusskörper aus einer Metallegierung ausgegangen wird, deren analytische Zusammensetzung im wesentlichen gleich der des zu erzeugenden
Produktes, deren Qualität aber geringer ist, dass die vom Elektrodenende abgeschmolzenen Metallteilchen fortlaufend völlig durchgeschmolzen und in dieser Form durch die Schlacke durchgeführt werden, so dass sie von Verunreinigungen befreit in die Schmelze gelangen, wobei die Schlackendecke in verhältnismässig ruhigem Zustand und in einer solchen Dicke gehalten wird, dass die Atmosphäre vom Entladungs- ende der Elektrode, den abschmelzenden und in das Schmelzbad wandernden Metallteilchen sowie dem
Schmelzbad ausgeschlossen ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle eine elektrische Lichtbogenentladung verwendet wird.
Die Schlackenschutzdecke dient als Schutzschicht und ermöglicht eine ruhige, verhältnismässig langsame Schmelzgeschwindigkeit, die der Verfestigungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalles entspricht ; sie macht es möglich, dass alle Metallteilchen von der Elektrode vollständig abgeschmolzen und in gelöstem Zustand in das Schrrelzbad gebracht werden, bevor sie zum Gussblock abgekühlt werden. In dem Mass, wie sich das geschmolzene Metall verfestigt und den endgültigen Gussblock bildet, baut sich eine dünne schützende Schlackenschale auf der Umfangfläche des Gussblockes auf.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert Gussblöcke, die allen Qualitätsanforderungen entsprechen, auch bei Legierungen mit Anteilen von hochschmelzenden Metallen, u. zw. unabhängig davon, in welcher Weise der als Verbrauchselektrode dienende Gussblock hergestellt wurde, sofern dieser die Legierungsbestandteile in der für das Endprodukt gewünschten Zusammensetzung (von geringfügigen korrigierenden Zusätzen abgesehen) enthält. Der Elektrodenblock kann also nach irgendeinem der üblichen Schmelzverfahren - Luft- oder Inertgasschmelze, Induktionsschmelze, Vakuumschmelze usw. - erzeugt und gegebenenfalls an seiner Oberfläche bearbeitet oder abgeschliffen sein, um angereicherte Schwarzstellen usw. zu entfernen.
Diese Wirkung ist der gegenüber der reinen Widerstandserhitzung beim Elektroschlackenumschmelzverfahren wesentlich höheren Temperaturen des Lichtbogens, insbesondere an dessen Ansatzstellen, zuzuschreiben, wodurch ein Durchschmelzen auch schwerschmelzender metallischer Bestandteile des die selbstverzehrende Elektrode bildenden Ausgangsmaterials gewährleistet wird.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelingt es auch, das eigentümliche Spritzen des Metalles, wie es beim Luft-, Inertgas- und Vakuumschmelzverfahren auftritt und bei dem ein sich verfestigender Kragen über dem Ende des Gussblockes gebildet wird, auszuschalten ; ferner wird die Notwendigkeit einer schnellen oder harten Lichtbogenschmelze beseitigt und die Bildung von unerwünschten maiskolben-und ananasartiger Oberflächeneffekte wird vollständig behoben. Die bereits erwähnten sogenannten Dunkelflecken, wie insbesondere im Falle von Aluminium und Titan enthaltenden Eisen-und/oder Nickelgrundlegierungen, wie DiscaloyundA-286, erscheinen nicht, weder als Anreicherungen noch durch den Schnitt des Gussstückes hindurch verteilt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 zeigt Makro-Ätzscheiben von Längsschnitten, die von im Querschnitt 22, cm im Quadrat messenden Scheiben von Knüppeln abgeschnitten wurden, die aus Gussblöcken geschmiedet waren. Die erste Scheibe stammt vom obersten Ende eines nachdem Vakkum-Verbrauchselektroden-Verfahren erzeugten Knüppels ;
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die zweite Scheibe stammt von demselben Knüppel, jedoch 10, 16 cm tiefer ; die dritte Scheibe stammt von einem Doppelschmelz-Enderzeugnis nach der Erfindung, und zeigt die Abwesenheit von Nitridfäden, die in der ersten und zweiten Scheibe nach dem bekannten Verfahren noch auftreten.
Es wird nach der Erfindung ein mittels der"I"-Schmelze (USA-Patentschrift Nr. 2, 191, 479) oder i irgend eines üblichen Verfahrens erzeugter Gussblock als feste Verbrauchselektrode und als Haupt-Metalllegierungsquelle für das Endgussblockprodukt benutzt und unter einer elektrisch ionisierten Schlackcnschutzdecke umgeschmolzen. Ein verhältnismässig weicher Lichtbogen wird benutzt, der die Schlacke ionisiert und einen weichen oder relativ ruhigen Schmelzvorgang an der Oberfläche bewirkt. Dadurch wird die Bildung eines Oberflächen-Kragens vermieden, denn die bei andern Verfahren, einschliesslich Luft-, Inertgas- oder Vakuumlichtbogenschmelze, auftretenden Spritzer entfallen.
Eine viskose Schlacke dient als Dämpfungsmittel beim erfindungsgemässen Schmelzprozess, der zum Unterschied von Inertgasoder Vakuumschmelzverfahren relativ langsam durchgeführt wird, was sich als ausserordentlich zweckmässig erwiesen hat.
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gefähr 2-15 cm über dem geschmolzenen Metall stehen. Es kann eine Stromstärke von ungefähr 30 bis
70 V und eine Stromstärke von ungefähr 2 500 bis 15 000 A eingehalten werden. Die Schlackentiefe kann der Grösse des zu bildenden Gussblockes, der Grösse der benutzten Verbrauchselektrode und der besonderen
Art der zu schmelzenden Legierung angepasst werden. Im allgemeinen wird eine umso grössere Schlacken- tiefe vorgezogen, je höher der Anteil an schwer schmelzbarem Metall der Legierung ist.
Beispielsweise wurde eine Schutzdecke von etwa 15 cm für eine A-286 Legierung und eine Schutzdecke von etwa 3 cm für eine 16-25-6-Legierung benutzt. (Die Zusammensetzung dieser Legierungen ist in untenstehender
Tabelle angegeben.) Kühlwasser wird der Formwand im wesentlichen mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die der Schmelzgeschwindigkeit entspricht. Das geschmolzene Metallbad kann unterhalb des Flussmittels bei einer Tiefe von ungefähr 12 bis 15 cm gehalten werden. Unter solchen Bedingungen beträgt die Oberflächentemperatur der Schlackenschicht ungefähr 1 9220C.
Die Gussform wird in ihrer ganzen Länge gekühlt, so dass das verfestigte Metall schnell bis zu einer Temperatur abgekühlt wird, die gut unterhalb des Verfärbungsbereiches liegt. Der Gussblock oder mehrere vorher hergestellte Gussblöcke (Elektroden) können nacheinander geschmolzen werden. Geringe Zusätze von Legierungsbestandteilen können durch die Schmelzmittelschutzschicht hindurch erfolgen, um eine bestimmte Endzusammensetzung zu erhalten. Flussmittelzugaben können auch während des Schmelzprozesses erfolgen.
Der Endgussblock zeigt bei der Untersuchung über seine ganze Länge eine im wesentlichen gleichmässige Zusammensetzung. Die Makroätzquerschnitte des Gussblockes zeigen das vollkommene Fehlen von ferritischen Einschlüssen, ohne Erscheinung irgendeiner Makrosaigerung, von metallischen oder nichtmetallischen Einschlüssen, wie auch durch Beschallungsteste. nachgewiesen wurde. Dehnungs- oder andere Teste erwiesen das Fehlen von absorbiertem Wasserstoff. Makrographische Untersuchungen der Abstiche zeigen den Kleinkorncharakter des Metalles in seinem Endzustand als Guss. Es treten keine grossen dendritischen Strukturen in Erscheinung und die Metallkörner sind im wesentlichen gleichachsig mit heterogen orientierten Achsen.
Ungleichmässig verstreute Klümpchen von Reaktionsprodukten, die in der Verbrauchselektrode oder dem ursprünglichen Gussblock vorhanden sein können, fehlen in dem Endgussblock vollständig. Das verhältnismässig ruhige und vollständige Abschmelzen des Metalles von der Elektrode stellt den vollständigen Ausschluss von Nichtmetallen, Gasen und gasförmigen Verbindungen sicher.
Da die Bestandteile des Grundmetalles bei mässigen Temperaturen, etwa unter 16440C schmelzbar sind, sind diejenigen von Metallen mit höherem Schmelzpunkt, meist weit über 16000C, zu denen die schwerschmelzbaren Metalle gehören, bei Temperaturen in der Grössenordnung der Schmelzpunkte der Grundbestandteile und-wenn etwas Kohlenstoff zugegen ist, in den Grundbestandteilen unvollständig löslich. Solche schwerschmelzbaren Metalle reagieren schnell mit Kohlenstoff und atmosphärischen Bestandteilen und bilden metallische Verbindungen von äusserster Härte und von Schmelzpunkten, die weit über 16440C liegen.
Die durch Anwendung der Lichtbogenbeheizung gewährleistete hohe Temperatur an den Ansatzstellen des Lichtbogens erlaubt es, eine Verbrauchselektrode zu verwenden, die bei Temperaturen zwischen der Schmelztemperatur üblicher leichter schmelzbarer Anteile solcher Legierungen, das ist etwa 1644 C, und den wesentlich höheren Schmelztemperaturen der schwerschmelzbaren Metalle, wie Wolfram, oder von Karbiden schwerschmelzender Metalle, liegen, erschmolzen wurde. Die Verweilzeit der Bestandteile in der Schmelzzone genügt für eine wesentliche Vervollständigung der Reaktion
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der schmelzenden Metalle mit Kohlenstoff und den atmosphärischen Bestandteilen, wie auch für die
Saigerung der Reaktionsprodukte.
In diesem Stadium werden Bestandteile der gewünschten Legierung, um ein Metall der bestimmten Zusammensetzung zu erhalten, in eine Schmelzzone eingeführt, in der sie miteinander gemischt und bei der Zwischentemperatur verflüssigt werden. Die benutzten Bestandteile enthalten Komponenten des Grundmetalls, die bei mässigen Temperaturen schmelzbar sind und andere, die in den Grundbestandteilen bei Temperaturen in der Grössenordnung der Schmelztemperaturen der
Grundbestandteile schwer löslich sind. Die Verweilzeit ist kürzer als sie für die vollständige Lösung der schwer löslichen Bestandteile erforderlich ist.
Nach der Erfindung wird die Gussblock-Verbrauchselektrode mit ihrem unteren Ende, unterhalb der
Oberfläche der schützenden Decke des Flussmittels, in eine luft- oder wassergekühlte, ummantelte Guss- form eingesenkt. Ein elektrischer Strom wird von dem untergetauchten Ende der Elektrode aus entladen, um die Schlacke zu ionisieren, Wärme zu erzeugen und Metall fortschreitend über den Querschnitt der Elektrode abzuschmelzen, und so ein geschmolzenes Metallbad über den ganzen Querschnitt der Gussformhöhlung zu erzeugen.
Die Stromstärke wird so geregelt, dass sich eine Lichtbogenentladung entwickelt und aufrechterhalten wird, so dass eine genügende, von der Flussmittelschutzdecke zurückgehaltene Wärmemenge erzeugt wird, um das gesamte Metall, das in die Gussform eintritt, vollständig zu verflüssigen, die Metallbestandteile gegenseitig zu lösen und zu vermischen und um Gase und nichtmetallische Komponenten durch Freimachen, Ausschwemmen oder Austreiben in die Flussmittelschutzdecke zu überführen, derart, dass nichtmetallische Verbindungen, einschliesslich Carbonitride, durch die Flussmitteldecke zurückgehalten werden und die verhältnismässig schwereren Metalle darunter ein Bad bilden.
Die Kühlgeschwindigkeit der Gussform wird so geregelt, dass ein Metallbad ausreichender Temperatur und Grösse aufrecht erhalten wird, damit die von der Elektrode abschmelzenden Teilchen genügend lange Zeit darin verweilen, um sich vollständig zu verflüssigen und sich mit dem bereits im Bad befindlichen Metall zu vermischen, wobei das Metall des Bades fortlaufend vom Boden her mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit verfestigt wird, mit der das Metall dem Bad von der Elektrode zugeführt wird.
Die Flussmittelschutzdecke ist derart zusammengesetzt, dass sie die nichtmetallischen Einschlüsse und andere Verunreinigungen aus dem Bade und insbesondere von den Metallklümpchen entfernt, die laufend von dem untergetauchten Ende der Verbrauchselektrode abgeschmolzen werden. Die sich verbrauchende Elektrode hat die Form eines durchgehenden Körpers einer kompakten, im wesentlichen homogenen Metallegierung der erforderlichen Zusammensetzung, aber von geringerer Qualität, wie sie
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bad im wesentlichen ganz aus dem Elektrodenmaterial oder Metall bereitet wird, das vorher durch Verschmelzen und durch Verfestigung als Ganzes roh hergestellt worden ist ;
im Gegensatz zur Verwendung von gepulvertem Metall oder Metallstücken oder-teilchen, die die Temperaturbelastung der Schmelze erhöhen und die in gewöhnlichen Schmelzprozessen dazu neigen, an den äusseren Bereichen des Gussstückes zu sintern, statt zu schmelzen.
Gemäss dem Verfahren nach der Erfindung werden elektrisch geladene Metallanteil oder Klümpchen fortlaufend von dem Ende der vorher hergestellten Verbrauchselektrode durch Entladung eines elektrischen Stromes von dieser, unter Bildung eines Metallbades innerhalb der Gussform, abgeschmolzen. Das Metall vom Ende der Elektrode wird fortlaufend verflüssigt oder verdampft, während eine Schlackenschutzschicht von genügender Tiefe aufrechterhalten wird, um die Atmosphäre von den Stromentladungsenden der Elektrode, den abgelösten Metallteilen, dem Lichtbogen und dem geschmolzenen Metallbad, auszu- schliessen.
Die Wärme der elektrischen Lichtbogenentladung und die Kühlung des geschmolzenen Metalles wird so geregelt, dass gasförmige und nicht gasförmige Verunreinigungen von den elektrisch geladenen, von der Elektrode gelösten Metallteilchen schon während ihres fein verteilten Durchganges durch die Schlacke entfernt bzw. von dieser aufgenommen werden. So wird ein Höchstmass an Reinigungseffekt erzielt, noch bevor die Teilchen das Schmelzbad erreichen.
Die Notwendigkeit für eine Aufwärtsbewegung oder ein Entweichen der Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Metallbad nach oben in die Schlacke wird so im wesentlichen ausgeschaltet, obwohl Bedingungen aufrechterhalten werden, die einem solchen Vorgang förderlich sind.
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der ge-bindungen in das Gussblockmetall, so dass eine bessere physikalische und metallurgische Struktur erreicht wird als bei den belzannten Verfahren. Falls erwünscht, kann ein Vakuum oder Inertgas über der Schlackenschutzdecke der zweiten Schmelzstufe aufrechterhalten werden. Es ist kennzeichnend, dass eine dünne
Schlackenhülle am Umfang des Gussstückes, während des Schmelzens und der Verfestigung entsteht.
Oberflächenaufrauheffekte anderer Schmelzverfahren werden somit ausgeschaltet und eine Metallentfernung am Umfang des Gussblockes ist nicht nötig. Diese dünne Hülle dient als Schutzschicht während der Bildung des endgültigen Gussblockes.
Ein nach der Erfindung hergestellter Gussblock hat weder Unregelmässigkeiten an der Oberfläche noch Nitridfäden unter der Oberfläche und Nitridsaigerungen nach der Mitte zu. Die Schlackenschicht dient nicht nur als Schutzdecke während der abschliessenden Elektrodenschmelze, sondern entfernt auch schädliche Nitrideinschlüsse, statt sie über den Gussblock zu verteilen, wie es bei der Vakuum-Verbrauchselektroden-Schmelzung vorkommt.
Die Entfernung von Makro-Nitrideneinschlüssen steht in direktem Gegensatz zu dem, was Fachleute bisher von der Verwendung von Schlacke erwarten konnten. Das kommt daher, dass die Fachwelt der Ansicht war, dass Stickstoff im wesentlichen nur als Gas zu entfernen sei, nicht aber durch Aufsteigen seiner Verbindungen während des Schmelzvorganges. Die Kosten können bei dem Verfahren nach der Erfindung um ungefähr 30% gesenkt werden. Die sogenannten Dunkelstellen und Sprenkel, die bei andern Schmelzverfahren so störend sind, treten bei makrographischen Untersuchungen nicht in Erscheinung.
Spanabhebungen wegen Beschallungsmängeln sind nicht mehr nötig. Die schützende Schlackenhülle bewirkt eine verhältnismässig glatte und lunkerfreie Umfangsfläche, so dass der Gussblock zu Knüppeln geschmiedet werden kann, mit einem Minimum an Schleifarbeit und ohne Benutzung einer Drehbank.
Weiter wird, im Gegensatz zur Ansicht der Fachleute, die Schlacke nicht von der Schmelze aufgenommen, sondern die Entfernung einer dünnen, oberen Schicht genügt, um restliches, zurückgehaltenes Flussmittel zu beseitigen. Beanstandungen des Endproduktes sind praktisch nicht vorgekommen. Die folgende Aufstellung von Legierungen veranschaulicht Typen, für die die Erfindung besonders anwendbar ist :
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Typische Analysen
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<tb> Bezeichnung <SEP> C <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Cr <SEP> Ni <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> V <SEP> Al <SEP> W
<tb> 16-25-6 <SEP> 0,06 <SEP> 1, <SEP> 50 <SEP> 0,75 <SEP> 16,0 <SEP> 25,0 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> - <SEP> - <SEP> Rest
<tb> Discaloy <SEP> 0,06 <SEP> 1,25 <SEP> 0,75 <SEP> 13,5 <SEP> 26,0 <SEP> 3,0 <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> - <SEP> Rest <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP>
<tb> A-286 <SEP> 0,06 <SEP> 1,25 <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> 14,50 <SEP> 26,0 <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP> 2, <SEP> 00-Rest <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP>
<tb> A-252 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 1,25 <SEP> 0, <SEP> 75 <SEP> 19,0 <SEP> Rest <SEP> 10,0 <SEP> 2,50 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 0-1, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Waspaloy <SEP> 0,08 <SEP> 0,75 <SEP> 0,50 <SEP> 19,0 <SEP> Rest <SEP> 4,5 <SEP> 3,0 <SEP> 13,5 <SEP> 1, <SEP> 0-1,
<SEP> 25 <SEP>
<tb> T-1 <SEP> 0, <SEP> 70 <SEP> - <SEP> - <SEP> 4,0 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> Rest <SEP> 1,0 <SEP> - <SEP> 18,0
<tb>
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Ein vorläufiger Gussblock oder Schmelzkörper, wie er bei Anwendung üblicher Verfahren erzeugt wird, dient in der zweiten Verfahrensstufe nach der Erfindung als unreine Verbrauchselektrode, die einer Umschmelzung und einer Wiederverfestigung unter erheblichenQualitätsverbesserungen unterworfen wird.
Für diesen Zweck kann das Legierungsmetall direkt durch Elektroschmelze in Gussblöcke geformt oder zu kompakten Stangen verarbeitet sein mit geeigneten Querschnitten und Längen für die Verwendung als Verbrauchselektrode für die Erzeugung des endgültigen Legierungsproduktes.
Der Umschmelz- und Reinigungsvorgang kann zweckmässig in einer Vorrichtung gemäss Fig. l durchgeführt werden. Die hier schematisch dargestellte elektrische Schmelzvorrichtung 10 umfasst einen Stromanschluss und Regelvorrichtungen, die von Elektro. öfen und Schweissgeräten bekannt sind. Sie können auf der Rückseite einer Schalttafel 11 angeordnet sein. Auf der Schalttafel 11 ist ein Antriebsrad 12 vorgesehen, das auf der Welle eines Elektrodenantriebsmotors üblicher Art angebracht ist, der so gesteuert ist, dass er entsprechend den Charakteristiken des elektrischen Stromflusses, den Elektrodenvorschub für eine Lichtbogenentladung unter vorher eingestellten Kenndaten aufrechterhält.
Das Antriebsrad kann gemäss den Zeichnungen ein Zahnrad 12 sein, das in eine Zahnstange 13 eingreift ; diese ist auf einer Stange 16 angebracht, die sich gegen eine Rolle 15 abstützt.
Die Stange 16 endet in einem Kopf 17, an dem die Elektrode 14 befestigt ist. Der Einfachheit halber wird die Elektrode als am Kopf 17 durch Heft- oder Punktschweissstellen 18 be- festigt dargestellt. Sie erstreckt sich in die Gussfdrm 20, die so gross'ist, dass sie einen End-Legierungs- körper von gewünschtem Querschnitt zulässt.
Für die Kühlung der Gussform 20 können verschiedene Anordnungen vorgesehen werden. Als Bei-
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dung und einen Stahlmantel, der auf einem Sockel. 24 steht und in nicht dargestellter Weise darauf befestigt ist.
Der Strom wird der Elektrode 14 durch ein Kabel 25, das mit einer Stromquelle hinter der
Schalttafel 11 verbunden werden kann, zugeführt, die andere Seite der Stromquelle kann mit der Gussform 20 durch Kabel 26 verbunden werden. Die andere Seite, ebenfalls Gussform und Sockel, können geerdet werden. Die Kabel 25 und 26 sind mit dem Regelstromkreis des Elektrodenantriebmotors verbunden. Das ist notwendig, um den Antriebsmotor mit Energie zu versorgen und um eine elektrische Entladung oder einen Lichtbogen 13 vorbestimmter Kenndaten am Ende der Elektrode 14 zu erzeugen, während diese unterhalb einer Schutzdecke 27 eintaucht.
Der von den Enden der Elektrode entladene Strom ionisiert die Schlacke 27 und ist von genügend hoher Amperezahl, um eine vollständige Verflüssigung eines jeden Zuwachses oder von Metallklümpchen davon zu gewährleisten und die Schaffung eines Flüssigkeitsbades 28 genügend hoher Temperatur sicherzustellen, zur schnellen Vermischung aller Bestandteile der Legierung, verbunden mit einer schnellen Bewegung durch das Bad und um alle unerwünschten nichtmetallischen Bestandteile der Elektrode abzuschwemmen. Das Kühlmittel wird mit solcher Geschwindigkeit durch den Mantel geführt, wie zur Herstellung von verfestigtem Metall 29 in einer Menge erforderlich ist, die jeweils etwa der Menge am Elektrodenmetall 14 entspricht, die verflüssigt wird.
Das Bad 28 wird dabei auf einem solchen Volumen und bei einer solchen Temperatur gehalten, dass jeder Elektrodenmetallzuwachs solange darin verweilt, dass eine vollständige Vermischung und Homogenisierung mit dem Metall in dem Bad gewährleistet ist.
Die Geschwindigkeit mit der die Gussform gekühlt wird, wird weiterhin so geregelt, dass die Verweilzeit kurz genug ist, um zu gewährleisten, dass keine unerwünschte Trennung oder Saigerung von Legierungsbestandteilen im Bad beim Phasenwechsel vom flüssigen Bad 28 zum festen Metall 29 erfolgt.
Die Gesamtmenge der Bestandteile, die der elektrischen Entladung mittels der hohlen Elektrode der Vorrichtung des I-Schmelz-Verfahrens zugeführt werden, ist begrenzt. Daher ist auch die Wärmemenge, die durch die Verflüssigung der hohlen Elektrode erzeugt wird, begrenzt und reicht nicht aus, um unveränderlich eine vollständige Verflüssigung und Homogenisierung des Legierungsmetalles und insbesondere der losen Metallstücke oder -teilchen, sicherzustellen. Beim Arbeiten gemäss Fig. 1 hingegen liefert die Elektrode 14 immer fast 100% des gesamten Metalles für die elektrische Stromabgabe.
Da sie nur eine verhältnismässig geringe Menge von Material mit höherem Schmelzpunkt oder von Material das mit den übrigen Bestandteilen nicht völlig vermischt und verflüssigt worden ist, enthält, ist ein Überschuss an erzeugter Wärme vorhanden, so dass das Bad 27 für die Erzeugung von Metall höchster Qualität leicht in geeigneter Grösse und bei geeigneter Temperatur aufrecht erhalten werden kann. Das Um-
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schmelzen und Wiederverfestigen unter einer Schlackendeckschicht verbürgt nicht nur eine völlige Ver- flüssigung und Vermischung aller Legierungsbestandteile einschliesslich der schwer schmelzenden Bestand- teile, sondern entfernt auch nichtmetallische Anteile, Oxyde, Gase und andere Stoffe, die etwa während des ersten Arbeitsganges zur Bildung des Gussblockes aufgenommen wurden.
Unter Benutzung einer Schlackendeckschicht kann der abschliessende Schmelzvorgang ruhig, ohne das andern Verfahren eigene Spritzen (Luft- und Vakuumschmelze), durchgeführt werden. Es ist daher möglich, die bei der elektrischen Entladung entstehende Wärme und die Kühlung des geschmolzenen
Metallbades so zu regeln, dass eine praktisch vollständige Abgabe von Gasen und nichtmetallischen Ein-
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Schlacke zu erreichen ist, sowie eine verhältnismässig langsame aber wirksamere schmelz-Schmelzbad gebildet worden ist, praktisch gänzlich ausgeschaltet wird.
Bei dieser Regulierung und der
Kühlung des verfestigten Metalles bis unter einen Verfärbungstemperaturbereich noch innerhalb der Guss- blockform bildet sich eine'dünne, schützende Hülle aus verfestigter Schlacke am Umfang des sich ver- festigenden Metalls, deren Bildung allmählich nach oben, entlang der Form, entsprechend dem An- wachsen-des Gussblockes, fortschreitet. Die verhältnismässig ruhige Arbeitsweise unter Schlackenschutz und die Bildung der verfestigten schützenden Schale, schaltet die Bildung der maiskolben-oder ananas- ähnlich aufgerauhten Oberfläche vollständig aus, die andern Schmelzvorgängen eigen ist.
Auch aus den Zeichnungen geht hervor,. dass atmosphärische Gase von dem geschmolzenen Metall, dem Elektrodenende, von dem die elektrisch geladenen Teilchen abgeschmolzen werden, und von dem
Lichtbogen ferngehalten werden. Auch wird eine Verunreinigung des Endgussblockes durch Anwendung einer elektrisch ionisierten Schlackendeckschicht, durch Kühlung eines solchen Gussblockes unter seinen
Verfärbungsbereich und durch Bildung der dünnen Schale, bevor der Gussblock aus der Gussform entfernt wird, verhindert.
Früher konnten sogar bei einem vakuumgeschmolzenen oder luftgeschmolzenen Guss- block, der an seiner Aussenfläche. vorbearbeitet wurde, um dort konzentrierte Einschlüsse vor der Be- nutzung als Verbrauchselektrode in einer zweiten Phase des Schmelzverfahrens zu beseitigen, störende Makrosprenkel und Dunkelpunkte über den ganzen Querschnitt des Gussblockes nicht vermieden werden.
Dies wird zum ersten Male mit der Erfindung erreicht. Da jedoch ein Gussblock, der durch das soge- nannte I-Schmelzverfahren hergestellt wird, Einschlüsse zeigt, konnte zunächst keineswegs angenommen werden, dass die Anwendung einer Schlackenschutzschicht nach dem erfindungsgemässen Schmelzvor- gang unter Verwendung einer elektrischen Lichtbogenentladung als Wärmequelle bei einem Elektro- schlackenumschmelzverfahren und unter Benutzung eines Verbrauchselektrodenkörpers von der Endzu- sammensetzung des zu bildenden Endgussblockes, aber wesentlich geringerer Qualität, Ergebnisse bringen könnte, wie sie gemäss der Erfindung erreichbar sind.