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Mit Rücksicht auf die desoxydierende Wirkung ist es zweckmässig, wenn die Legierung neben dem Eisen die Hauptkomponenten in folgenden Mengen enthält : Ca 2 bis 6%, Al 15 bis 50% und Si 30 bis 50%. In dieser Grundlegierung sind Titan, Bor, Vanadium, Magnesium und Barium zu 0, 8 bis 12, 5% enthalten, während die Menge an Schwefel und Phosphor 1% nicht übersteigt.
Es ist bekannt, dass die meisten Lösungen oder Schmelzen nach dem auf das Abkühlen folgenden Erstarren eine kristalline Struktur zeigen. Die Bildung der Kristalle wird durch das Entstehen eines mikroskopisch kleinen, manchmal lediglich aus einigen Atomgruppen bestehenden festen Körpers, des Kristallkeimes, eingeleitet.
Die Grösse der nach dem völligen Abkühlen in der Struktur vorliegenden Kristalle hängt ausser von der Art des Stoffes auch von den Bedingungen des Abkühlens ab. Bei Metallen werden die Teilchenstruktur des Materials und damit dessen mechanische Eigenschaften in hohem Mass von der Art der Legierungssubstanz und der angewandten Wärmebehandlung beeinflusst.
Durch die Wärmebehandlung wird ferner bedingt, ob die entstehende Materialstruktur thermodynamisch
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stabil oder instabil ist, was sich auch auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Bei vorgegebener Me- tallqualität kann mittels Wärmebehandlung die Teilchenstruktur ohne das Auftreten unerwünschter Folgen je- doch nur innerhalb gewisser Grenzen beeinflusst werden.
Will man z. B. die Teilchenfeinheit durch schnelles Abkühlen verbessern, so bilden sich zwar feine Teil- chen, gleichzeitig wird der Stahl jedoch spröder, ausserdem ist die Sprödigkeit in den verschiedenen Richtun- gen eines Kreuzprofils nicht gleichmässig.
Es ist demnach wünschenswert, In den flüssigen Rohstahl von der Qualität des Stahles unabhängige, künstliche Kristallkeime einzubringen, um welche herum die Kristallisation des Stahles dann beginnt. Die Anzahl der eingebrachten Kristallkeime beeinflusst die nach dem Erstarren des Stahles vorliegende Kornfeinheit wesentlich. Dieses wünschenswerte Vorgehen wird durch die erfindungsgemässe Legierung möglich ge- macht.
Wie durch Experimente bewiesen wurde, müssen die eingebrachten Kristallkeime, damit sie den Zweck der Kornverfeinerung erfüllen, aus Verbindungen bestehen, deren Schmelzpunkt wesentlich über der Temperatur der Stahlfabrikation liegt ; sie müssen ferner bereits in der desoxydierenden Legierung in feiner Verteilung eine selbständige Phase bilden und sich in dem flüssigen Stahl verteilen, ohne zu schmelzen, sich zu lösen oder zu agglomerieren. Die Grösse der Kristallkeime liegt zweckmässig unter 100 A und darf 1000 Ä nicht überschreiten.
Die Kristallkeime stellen einen Fremdkörper im Stahl dar, in grösserer Menge oder bei grösserem Teilchendurchmesser sind sie eindeutig schädlich, weil sie die Qualität des Stahles verschlechtern. Aus diesem Grunde dürfen im Desoxydierungsmittel die Kristallkeime nur in einer Menge enthalten sein, bei der die Teilchenverfeinerung noch gewährleistet, eine durch Diffusion oder auf andere Weise verursachte schädliche Agglomeration jedoch ausgeschlossen ist, weil in diesem Falle die Teilchengrösse dieser Fremdstoffe im Stahl anstiege und sich Einschlüsse bilden würden.
Unabhängig von der desoxydierenden und teilchenverfeinernden Wirkung ist es wichtig, dass mit der Legierung keine schädlichen Verunreinigungen in den Stahl gelangen dürfen, welche dessen Qualität verschlechtern. Solche Stoffe sind z. B. Schwefel, Phosphor und fallweise Kohlenstoff. Die maximal zulässigen Mengen für diese Stoffe sind S = 0, 05%, P = 0, 15% und C = 1%. Diese Bedingung wird bei dem Verfahren durch Wahl von Ausgangsstoffen entsprechender Qualität eingehalten.
Bei der Herstellung der beschriebenen Legierung werden die Oxyderze der die Legierung bildenden Elemente zusammen mit einem geeigneten Kohlenstoffträger, zweckmässig mit Koks, auf eine Korngrösse von unter 200 , vorzugsweise ungefähr 60 p. vermahlen und brikettiert, und das brikettierte Material oder aber natürliche Minerale, die gemeinsam die aufgeführten Stoffe enthalten, bei einer Temperatur von mindestens 20000C karbothermisch reduziert und dann die Legierung abgestochen.
Bei der Herstellung der erfindungsgemässen Legierung müssen die Erze der die gewünschte Legierungszusammensetzung bildenden Elemente so zusammengestellt bzw. gewählt werden, dass das zu reduzierende Gemisch Magnesium- und Bariumverbindungen in einer Menge enthält, die einen Magnesiumgehalt von 0, 1 bis 2% und einen Bariumgehalt von 0,05 bis 6% in der fertigen Legierung gewährleistet.
Durch die Wirkung dieser Elemente fällt ein Teil der die Kristallkeime bildenden Metalle in Form von Verbindungen an, die selbständige Phasen bilden und zum grössten Teil aus diskreten Teilchen kleiner als
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chen zurückgedrängt.
Die kornverfeinernde Wirkung des Magnesiums war neben seiner desoxydierenden Wirkung auch bisher schon bekannt. Trotzdem kann dieser Effekt nur verhältnismässig selten ausgenutzt werden, da das metallische Magnesium infolge seines geringen spezifischen Gewichtes (1, 74), ebenso die bekannten Magnesiumlegierungen, die ebenfalls nur ein geringes spez. Gewicht aufweisen, in dem Stahl (spez. Gewicht 7, 8) schnell nach oben steigen und daher ihre Wirkung nicht entfalten können.
Wegen dieser Nachteile und auch wegen ihres hohen Preises werden die Magnesiumlegierungen daher im allgemeinen nicht verwendet. Zwischen der erfindungsgemässen Legierung, deren spez. Gewicht 4, 5 bis 5,5 beträgt, und dem Stahl ist der Unterschied im spez. Gewicht jedoch wesentlich geringer, so dass das Magnesium zusammen mit dem andern Komponenten seine Wirkung ausüben kann. Im Falle des Bariums ist ausser der hohen primären Desoxydationsfähigkeit noch wichtiger seine Wirkung auf das Aluminium : dessen Fähigkeit zum Sauerstoffbinden steigt in Gegenwart von Barium noch an.
Bei der Zusammenstellung des Ausgangsgemisches muss ferner in Betracht gezogen werden, dass sich die Dampftensionen der verschiedenen Bestandteile bei der Temperatur der karbothermischen Reduktion stark voneinander unterscheiden, so dass mit verschieden hohen Verdampfungsverlusten gerechnet werden muss ; ferner verbrennt ein Teil des Kohlenstoffes. Der grösste Verlust tritt beim Silicium auf.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher beschrieben. Im Beispiel 1 wird die Herstellung der erfindungsgemässen Legierung erläutert. Ferner werden die Parameter einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Legierung angegeben. In den Beispielen 2 und 3 werden die mit den allgemein verwende-
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ten desoxydierenden Legierungen erreichbaren Stahlveredelungsergebnisse mit denen der erfindungsgemä- ssen Legierung verglichen. Im Beispiel 4 wird die erfindungsgemässe Legierung mit der Legierung gemäss der ungarischen Patentschrift Nr. 164987 verglichen.
Beispiel l : Die für die Legierung verwendeten Ausgangsstoffe haben folgende Zusammensetzung : Quarz : SiO = 95%, Fe2O3 = 3%, Al2O3 = 2%.
Gebrannter Dolomit : CaO = 55%, MgO = 25%, Fie 20 3 5%, ApO = 3%, SiO = 2%, Glühverlust 10%.
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Von diesen Stoffen werden im ersten Schritt des Verfahrens der Quarz, der Dolomit und der Koks grob vermahlen. Danach wird die Rohmischung zusammengestellt, wobei für eine Charge folgende Mengen zum Einsatz gelangen :
Quarz 60 kg
Bauxit 54 kg
Koks 62 kg
Eisen 30 kg
Dolomit 4 kg Umenit 2 kg
Baryt 1 kg
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dung von 5% Roggenmehl und 5% Melasse auf kaltem Wege brikettiert. Die fertigen Briketts werden in einen Lichtbogenofen eingebracht, der mit Dreiphasenstrom gespeist wird und eine Leistung von 400 kVA aufweist.
Das nutzbare Volumen des völlig mit Kohlenstoff ausgekleideten Ofeninnenraumes beträgt 0, 4m'. Die aus Graphit bestehenden Elektroden haben einen Durchmesser von 150 mm, die Sekundärspannung des Ofens beträgt 50 V. Das Elektroschmelzen geht bei ungefähr 22500C vor sich.
Für die Herstellung einer Tonne der Legierung in diesem Ofen werden 19 500 kWh Elektroenergie benötigt.
Die abgestochene Legierung hat folgende Zusammensetzung :
Si = 32, 5%, Fe = 47, 1%, Al = 15, 7%, Ca = 2, 1%,
Ti = 0, 8%, Mg 0, 5%, Ba = 0, 4%, V = 0, 17%, B = 0,12%,
C = 0, 5%, P = 0, 08%, S = 0,03%.
Nach weiteren Analysen enthält die Legierung auf ihr Gesamtgewicht bezogen, 0, 1% Titan, 0, 015% Bor und 0, 02% Vanadium in Form von Carbid, Carbonitrid und Nitrid. Ausserdem werden 0, 6% SiC nachgewiesen. 65% dieser Verbindungen weisen eine Teilchengrösse von weniger als 100 # auf, die Teilchengrösse von 100% liegt unter 1000 3.
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Verbindung liegt zu 100% unter 1000 , 58% der Verbindungen liegen als Teilchen von weniger als 100 Teilchengrösse vor.
Die vorteilhaften Eigenschaften der kornverfeinernden, legierenden und desoxydierenden Legierung zeigt folgender Vergleich, bei dem identischer Rohstahl einmal mit einer herkömmlichen, zum andern mit der erfindungsgemässen komplexen Desoxydierungslegierung veredelt wird und die Eigenschaften der erhaltenen Stähle miteinander verglichen werden. Der Rohstahl hatte folgende Zusammensetzung :
Ni = 0, 9%, Mn = 0, 7%, Cr = 0, 25%,
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verschiedenen Temperaturen gemessen.
Folgende Ergebnisse wurden erhalten :
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<tb> - <SEP> 50 C-40 C-30 C-20 C <SEP> 0 C <SEP> + <SEP> 20 C <SEP>
<tb> Herkömml. <SEP> Legierung
<tb> KCU <SEP> mkp/cm2 <SEP> 10 <SEP> 22 <SEP> 20 <SEP> 22 <SEP> 25 <SEP> 26
<tb> Erfindungsgem. <SEP> Legierung <SEP> KCU <SEP> mkp/cm2 <SEP> 22 <SEP> 24 <SEP> 25 <SEP> 27 <SEP> 28 <SEP> 28
<tb>
Aus den Angaben ist ersichtlich, dass sich die Vorteile der Anwendung der erfindungsgemässen Legierung vor allem bei niedrigen Temperaturen zeigen.
Beispiel 3 : Bei einer Vergleichsuntersuchung wurde die Schlagzähigkeit von Reifenstahl AB 115 als
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Desoxydierungslegierung behandelt. Die herkömmlichesetzung :
Al = 57%, Si = 21%, Fe = 18%, Ca = 4%.
Die erfindungsgemässe Legierung wies folgende Bestandteile auf :
Si = 46%, Al = 24%, Fe = 18, 3%, Ca = 5%, Ti = 2, 5%, Mg = 1, 6%,
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tieferen Temperaturen gemessenen Schlagzähigkeiten werden in Prozent davon ausgedrückt :
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<tb>
<tb> - <SEP> 80 C <SEP> - <SEP> 60 C <SEP> - <SEP> 40 <SEP> - <SEP> 20 C <SEP> 0 C <SEP> + <SEP> 20 C
<tb> Herkömmliche
<tb> Legierung <SEP> 13 <SEP> 12 <SEP> 28 <SEP> 70 <SEP> 90 <SEP> 100 <SEP>
<tb> Erfindungsgem.
<tb>
Legierung <SEP> 67 <SEP> 70 <SEP> 78 <SEP> 81 <SEP> 94 <SEP> 100
<tb>
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Für die spezifische Schlagzähigkeit wurden folgende Werte erhalten :
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<tb>
<tb> KCU <SEP> 30/3 <SEP> mkp/cm2
<tb> Probe
<tb> 120 C <SEP> - <SEP> 80 C <SEP> - <SEP> 40 <SEP> 0 C <SEP> + <SEP> 20 C
<tb> 1. <SEP> 3,9 <SEP> 6,3 <SEP> 9,4 <SEP> 12,3 <SEP> 13,2
<tb> 2. <SEP> 1,4 <SEP> 5,5 <SEP> 9,3 <SEP> 13, <SEP> 1 <SEP> 14, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
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