<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Metallblöcken durch Umschmelzen, insbesondere Elektroschlacken-Umschmelzen einer verzehrbaren Metallelektrode od. dgl., wobei das schmelzflüssige Metall in eine kühlbare Kokille eingebracht und diese während des Aufschmelzens des Blockes um ihre Längsachse hin- und hergeschwenkt wird.
In der neuzeitlichen Technik besteht ein zunehmender Bedarf an grossen Metallblöcken, die zur
Weiterverarbeitung bestimmt sind und insbesondere als Ausgangsprodukte bei der Fertigung einstückiger, schwerer Maschinen- oder Gerätebestandteile dienen. Von solchen Blöcken wird eine möglichst gleichmässige
Beschaffenheit des Blockmaterials nicht nur hinsichtlich seiner Zusammensetzung, sondern auch hinsichtlich des
Gefüges und damit der mechanischen Eigenschaften verlangt. Das bei der Herstellung der Blöcke von verzehrbaren Elektroden im Vakuum-Lichtbogenverfahren oder im Elektroschlacken-Umschmelzverfahren abgeschmolzene, in einer gehörig grossen, kühlbaren Kokille aufgefangene Metall bildet eine grosse und demnach eine erhebliche Wärmemenge enthaltende Masse schmelzflüssigen Metalles, aus dem der Block erstarrt.
Die
Abfuhr dieser Wärme mit Hilfe der gekühlten Kokille nimmt insbesondere bei schlecht wärmeleitenden Metallen oder Legierungen eine erhebliche Zeit in Anspruch und beeinträchtigt die Blockqualität, denn ausser Seigerungen und Schwindrissen ergibt sich infolge der geringen Erstarrungsgeschwindigkeit oft eine grobkristalline
Makrostruktur des erstarrten Blockes. Derartige Strukturen sind unerwünscht, denn sie beeinträchtigen die für viele Weiterverarbeitungen erwünschte Plastizität des Blockmaterials, vergrössern den Verformungswiderstand und verringern die Möglichkeiten der Materialprüfung mit Ultraschall. Es ist daher versucht worden, das flüssige
Metall innerhalb der Kokille mittels elektromagnetischer Wanderfelder zu bewegen. Beim Elektroschlacken-Um- schmelzverfahren beschränkt sich die elektromagnetische Rührwirkung praktisch auf das Schlackenbad.
Bei im
Vakuumlichtbogen erzeugte Blöcken ergab sich eine Verbesserung des Gefüges im Sinn einer Verfeinerung, jedoch waren Seigerungen und Porositäten im Bereich des Blockkernes nicht auszuschliessen. Vor allem führt aber die Anwendung elektromagnetischer Felder bei aus Metallen unterschiedlichen magnetischen Verhaltens legierten Blöcken oft zu durchaus nicht vernachlässigbaren Entmischungen innerhalb des Metallbades, die natürlich auch im Block wiederkehren und auf die unterschiedliche Wirkung des Feldes auf die metallischen
Konstituenten des Blockmaterials zurückgehen.
Es ist deshalb vorgeschlagen worden (deutsche Offenlegungsschrift 2228280), bei der Herstellung von
Blöcken, aus denen Schmiedestücke von bis zu 300 t geschmiedet werden sollten, die das portionsweise und schmelzflüssig eingebrachte, mit einem Schlackenbad überschichtete Metall enthaltende Kokille um ihre
Längsachse in Drehschwingungen mit einer Amplitude zwischen 30 und 1200 zu versetzen. Das portionsweise
Zugeben des schmelzflüssigen Metalles in gehörigen Zeitabständen sichert ein in Richtung der Kokillenachse orientiertes Blockgefüge, zu dessen Vergleichmässigung über den gesamten Kokillenquerschnitt das Schlackenbad mittels in Nähe der Kokillenwandung angeordneter, unverzehrbarer Elektroden erhitzt werden kann.
Abgesehen davon, dass die Wärme aus dem Metallbad und im soeben erwähnten Fall zusätzliche Wärme ausschliesslich durch den bereits erstarrten Block hindurch abgeführt werden muss, fällt das Gefüge zwar gleichmässig aber keineswegs feinkristallin aus.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken mit feinkristallinem Gefüge. Dieses Ziel ist mit einem Verfahren der eingangs umrissenen Art erreichbar, bei welchem erfindungsgemäss die Schwenkbewegungen der Kokille sich über das ganze Erstarrungsintervall des Metallblockes erstrecken, wobei die Frequenz pro Minute zwischen 1 und 300 beträgt und der Schwenkwinkel in einem Bereich zwischen 5 und 1800 liegt. Die Wärmeabfuhr erfolgt zu einem erheblichen Anteil durch die Kokillenwandung, an der sich eine erstarrte Metallschicht bildet, welche an die eine feste und eine. flüssige Phase enthaltende Erstarrungszone grenzt, die ihrerseits das schmelzflüssige Metall umgibt.
Zufolge der schwingenden Bewegung der Kokille und der von ihr mitgenommenen, bereits erstarrten Metallschicht entsteht zwischen dieser und der Erstarrungszone eine Relativbewegung, die zufolge der festgelegten Amplitude und Frequenzen ausreicht, das Entstehen langer Dendriten auszuschliessen, ohne die Kristallisation schlechthin zu stören. Vielmehr werden unerwünscht lange Dendriten gebrochen und zusätzlich Kristallisationskeime geschaffen, so dass das erwünschte feinkristalline Gefüge entsteht und überdies die Erstarrungszone dünner ausfällt und beim Erstarren und damit verbundenen Schwinden leichter schmelzflüssiges Metall in sich ergebende interkristalline Zwischenräume eintreten kann. Es entstehen also nicht nur feinkristalline, sondern auch dichte Blöcke.
Die Temperaturverteilung innerhalb des Schlackenbades wird vergleichmässigt, aber die Wärmeabfuhr durch die Kokillenwandung nicht unterbunden, so dass die Erstarrungsdauer des Gesamtblockes nicht allzu lange ausfällt. Die Bewegung des Schlackenbades gegenüber der Elektrode trägt dazu bei, von der letzteren bereits kleine Tröpfchen geschmolzenen Metalles mechanisch abzulösen und damit die raffinierende Wirkung der Schlacke zu erhöhen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
Beispiel l : In einer Vorrichtung zum Elektronenschlacken-Umschmelzen wurde in einem aus Fluorit und Tonerde bestehenden Schlackenbad eine selbstverzehrende Elektrode zu einem Block von 110 mm Durchmesser umgeschmolzen. Die Kokille wurde während des Umschmelzvorganges und der Erstarrungsdauer des Blockes 120 mal/min über 300 um ihre Längsachse hin und her verschwenkt. Dieser Block wird mit einem in herkömmlicher Weise in einer feststehenden Kokille erzeugten Block derselben Dicke verglichen. Der
<Desc/Clms Page number 2>
erfindungsgemäss hergestellte Block wies ein dichtes, homogenes Makrogefüge mit Körnern auf, deren Querschnitt ein Siebentel des Kornquerschnittes des Vergleichsblockes betrug.
Seine Hitzebeständigkeit und seine rissfreie plastische Verformbarkeit übertrafen die entsprechenden Kennwerte des Vergleichsblockes um 15 bzw. 25%.
Beispiel 2 : In einer Elektroschlacken-Umschmelzvorrichtung wurde in einem Schlackenbad aus Fluorit eine Elektrode zu einem Block von 150 mm Durchmesser aus einer Chrom-Nickellegierung umgeschmolzen. Die Kokille wurde mit einer Frequenz von 90 min um 40 hin und her verschwenkt. Das Blockgefüge war dicht, feinkörnig und homogen.
Beispiel 3 : In einem Plasmalichtbogenofen wurden in einer Edelgasatmosphäre aus selbstverzehrenden Elektroden ein Block von 80 mm Durchmesser aus einer hochschmelzenden Molybdänlegierung erschmolzen, wobei die Kokille mit einer Frequenz von 180 bis 300 min um 5 bis 10 hin und her verschwenkt wurde. Der Block war feinkristallin, dicht und leicht verformbar.
Beispiel 4 : In einer Elektroschlacken-Umschmelzvorrichtung wurden in einem Schlackenbad aus Fluorit und Tonerde selbstverzehrende Elektroden zu einem Block aus hochlegiertem nichtrostendem und hitzebeständigem Stahl umgeschmolzen. Der Durchmesser des Blockes betrug 425 mm. Mit einer Frequenz von 1 bis 5 min wurde die Kokille um 150 bis 1800 hin und her verschwenkt. Das Blockmaterial war feinkristallin, und aus dem Block hergestellte Schmiedestücke konnten anstandslos mittels Ultraschalles geprüft werden.
Wesentlich für das erfindungsgemässe Verfahren ist die schwingende Bewegung der Kokille während der Bildung und Erstarrung des Blockes, nicht aber ob die Elektroden durch in einem Schlackenbad erzeugte Joule'sche Wärme oder in einem Lichtbogen umgeschmolzen werden. In beiden Fällen resultiert aus der Bewegung der Kokille und der erstarrten Metallkruste eine Beeinflussung der Erstarrungszone, die sich in einem dichten und feinkristallinen Blockgefüge kundtut. Die Verformbarkeit und Wärmefestigkeit von nach der Erfindung hergestellten Blöcken ist besser als die herkömmlich erzeugte.