Verfahren zum Schützen von leicht ogydierbare Elemente enthaltenden Metallschmelzen gegen Oberfläehenverschlackung. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Schützen von leicht ogydierbare Elemente enthaltenden Metallschmelzen ge- gcen Oberflächenverschlackung und wird mit Erfolg beispielsweise dazu angewendet, eine übermässige Verschlackung von Aluminium als Hauptbestandteil enthaltenden Legierun gen zu verhindern, welchen bei hoher Tem peratur leicht mit Luft reagierende Elemente zugesetzt werden.
Dieses Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass trockene, feste Kohlensäure derart in den thermischen Be reich der Schmelze gebracht wird, dass eine trockene, relativ kühle Schutzgasatmosphäre von Kohlensäure erzeugt wird.
Es ist bekannt, dass gewisse Elemente wie Alkali- und Erdalkalimetalle unter gewöhn lichen Bedingungen durch Luft unter Bil dung von verschiedenen nichtmetallischen Reaktionsprodukten angegriffen werden. Die Heftigkeit des Angriffes erhöht sich. mit steigender Temperatur, so dass schliesslich eindirektes sichtbares Verbrennen, eine Ent zündungeintreten kann. Das Reaktionspro dukt ist eine nichtmetallisch aussehende Substanz, welche im Falle eines geschmolze nen Metallbades auf der Oberfläche des selben schwimmt.
Geschmolzene Legierun- gen, welche Alkali- und Erdalkalimetalle enthalten, sind ebenfalls solchen Oxydations- erscheinungen unterworfen, insbesondere im Moment des Zusatzes der ogydierbaren Ele mente zu der geschmolzenen Grundmasse. Bei den in Giessereien häufig üblichen Be triebsbedingungen wird das Grundmetall ge schmolzen und die Zulegierungskomponenten zugesetzt, ohne dass irgendeine Massnahme getroffen wird, um eine Berührung der Luft mit der geschmolzenen Charge zu verhindern.
Infolgedessen sammelt sich eine dicke Schlackenschicht auf der Oberfläche an, welche einen entsprechenden Verlust an Me- fall bedeutet, insbesondere der leicht oxy- dierbaren, der Legierung zugesetzten Ele mente.
Diese Erscheinung einer übermässigen Schlackenmenge auf den Legierungsschmel zen könnte weniger Bedenken erregen, wenn nicht überdies hiermit besondere Nachteile für das Endprodukt verknüpft wäre. Es können nämlich Schlackenpartikelchen mit dem Metall vermischt werden, wenn dieses zwecks Erzielung einer gleichmässigen Mi schung mit den Legierungszusätzen gerührt, sowie später in die Form gegossen wird. Der Einschluss von nichtmetallischen Teilchen in das Metall kann späteren Bearbeitungsvor gängen wegen des Vorhandenseins harter Stellen hinderlich sein.
Diese in der Grund- masse eingebetteten Teilchen führen ferner zu Ungleichmässigkeiten der metallischen Struktur, welche die Ursache schwacher Stel len sind. In manchen Fällen können die nichtmetallischen Verunreinigungen als Kor rosionsangriffspunkte wirken und so zur Zerstörung des Metallgegenstandes führen.
Die Schlackenbildung bedeutet überdies einen Metallverlust, welcher besonders nachteilig dann ist, wenn. kleine Mengen von leicht oxy- dierbaren Elementen der Grundlegierung zu gesetzt werden und es wesentlich wäre, dass solche Zusätze in der Legierung verbleiben. Unter gewöhnlichen Schmelzbedingungen kann ein erheblicher Prozentsatz derselben durch Verbrennen verloren gehen, so dass der gewünschte Effekt des Legierungszusatzes nicht oder nur in sehr verringertem Aus masse erhalten wird.
Abgesehen von den ge schilderten Nachteilen der Schlacke kann die Oxydhaut, welche sich auf dem in die Form einfliessenden Metallstrom befindet, das Flie ssen des flüssigen Metallee erschweren und so die Herstellung zufriedenstellender Guss- stücke verhindern.
Die Menge der Schlacke oder oxydhalti- gen Verunreinigungen, welche durch den Zu satz leicht oxydierbarer Elemente zu einer geschmolzenen Metallgrundmasse unter ge wöhnlichen Bedingungen entsteht, hängt grossenteils von der Art der Ofenatmosphäre ab, in welcher der Schmelzvorgang vor sich geht, von der Temperatur des Metallee und von der Art und der Menge der zugesetzten Elemente.
Eine hohe Ofentemperatur in Verbindung mit dem Auftreten eines lebhaf ten Luftstromes über der Oberfläche der ge, schmolzenen Charge führen zu einer über mässigen Menge an Verbrennungsprodukten. Anderseits neigen die verschiedenen Legie rungszusätze in verschiedenem Ausmasse zur Oxydation, das heisst einige verbrennen leichter als andere.
Unter den in Giessereien und Schmelzräumen üblich oorhandenen Be triebsbedingungen bildet sich zumeist eine sehr ansehnliche Schlackenmenge. Die Reak tion, welche zwischen der Luft und den zu gesetzten oxydierbaren Elementen oder der entstehenden Legierung unter gewöhnlichen atmosphärischen Verhältnissen stattfindet, wird nachfolgend als Oberflächenverschlak- kung bezeichnet, wobei zu bemerken ist,
dass auch andere atmosphärische Bestandteile als Sauerstoff mit dem zugesetzten Elemente oder mit der Legierung reagieren und andere Verbindungen als Oxyde bilden können.
Es wurden bereits verschiedene Mittel zur Verminderung oder Verhinderung des Verbrennens von leicht oxydierbaren Metal len mit verschiedenem Erfolg vorgeschlagen. Man hat beispielsweise schon solche Aus hilfsmittel, wie Arbeiten unter einem Va kuum verwendet, doch erfordert ein derartiger Betrieb eine besondere Ausrüstung, welche sowohl in der Anschaffung, als auch in der Anwendung kostspielig ist.
Man hat ferner die Verwendung von geschmolzenem Salz zur Bedeckung der Schmelze vorgeschlagen, um eine Berührung von Luft mit den oxy- dierbaren Elementen der Legierungen zu verhindern. Dieses Verfahren weist aber verschiedene Nachteile auf, wie etwa Schwie rigkeiten in der Aufrechterhaltung der ge wünschten Zusammensetzung, im Trocknen vor der Verwendung, ferner Verluste beim Schmelzen und Schwierigkeiten in der Ent fernung der geschmolzenen Schutzschichten von der Charge vor Eingiessen der letzteren in die Formen. Die Erfindung beruht auf der Beobach tung, dass, wenn komprimierte feste Kohlen säure,
üblich als Trockeneis 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 oxydierbaren Legierung weitgehend ver mindert oder sogar vollständig verhindert. Kohlensäure ist verhältnismässig inert gegen über Reaktionen mit leicht ogydierbaren Elementen und kann daher zum Schutz die ser Elemente während der Zeit ihres Zu satzes zur Schmelze und der nachfolgend gebildeten Legierung gegen die Einwirkung von in der Luft vorhandenem Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf verwendet wer den.
Man hat bisher geglaubt, dass es ausser ordentlich gefährlich wäre, ein Stück ver festigter Gasmasse, .deren Verfestigung bei einer Temperatur erheblich unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser stattgefunden hat, in Berührung mit einem Körper hoher Temperatur zu bringen. Überraschender weise und im Gegensatz zu den bei der Ver wendung verfestigter Gase üblichen. Vor sichtsmassnahmen hat es sich gezeigt, dass Trockeneis gefahrlos auf die Oberfläche der geschmolzenen Charge aufgebracht werden kann, ohne dass eine Explosion oder Eruption des Metalles verursacht wird.
Das Trocken eis verdampft allmählich und bildet eine Schutzschicht von trockener Kohlensäure un mittelbar über der Oberfläche des flüssigen Bades, wodurch im wesentlichen der Zutritt von Luft zu dem geschmolzenen Metall be hindert wird. Das Gas wird genügend rasch entwickelt, um eine frische Schicht von Koh lensäure, die mit Luft nicht verdünnt ist, in unmittelbarer Nähe des Metalles aufrecht zu erhalten.
Trockeneis und die von diesem ent wickelte Kohlensäureatmosphäre besitzen ge wisse Eigenschaften, welche erhebliche Vor teile gegenüber früheren Vorschlägen be sitzen, bei welchen dieses Gas zwecks Schutzes eines oxydierbaren Metalles gegen Oxydation verwendet wurde. Man hat bei spielsweise schon kohlensäurehaltige Ver brennungsgase als Schutzatmosphäre ver sucht, doch war die hohe Temperatur des Gases und die Gegenwart anderer Bestand teile, insbesondere Stickstoff und Wasser dampf, hinderlich, um das gewünschte Aus mass an Schutzwirkung zu ergeben.
Die An melderin hat bei ihren Versuchen 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 Versuchen der Anmelderin 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 wirtschaft lichen Erwägungen nicht durchsetzen.
Im Gegensatz zu den vorhergehend ge schilderten Schwierigkeiten, welche mit der Verwendung einer Schutzatmosphäre aus Kohlensäure zusammenhängen, hat sich nun mehr gezeigt, dass Trockeneis eine leicht ver fügbare und bequeme Quelle von trockenem kühlen Gas darstellt.
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 um gebende 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 ent wickelnde Gas ist zunächst sehr kühl, da es aus der festen Masse bei einer Temperatur von ungefähr - 78 C verdampft.
Da das Gas sehr kalt ist, ist es per Volumeinheit schwerer als dasselbe Gas bei höherer Tem peratur 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, jegliche Reaktion zu verhindern, da die Reaktionsgeschwindigkeit im allgemeinen mit . steigender Temperatur steigt. Das Trockeneis enthält ferner nicht Wasser dampf in genügender Menge, um Oxydation zu fördern, soweit von der Anmelderin fest gestellt werden konnte. Die Verwendung von Trockeneis bietet aber auch weitere Vorteile.
Es bleibt kein Rückstand nach Verdampfung des Gases zurück und es wird keine Reini gung der metallenen Ausrüstungsgegen stände nach jeder Charge erforderlich, da sich kein wie immer geartets Reaktionspro dukt ansammelt. Die Konzentration des Gases in der Nähe der Schmelztiegel ist unter üblichen Bedingungen nicht gross ge nug, um irgendwie schädlich auf die Bedie nungsmannschaft zu wirken.
Bei der Anwendung vorliegender Erfin dung 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 Trockeneis derart in den thermischen Bereich der ge schmolzenen Charge gebracht wird, dass die Hitze aus dieser oder aus den Ofenheizungs- mitteln eine relativ rasche und lebhafte Gas- entwicklung herbeiführt, und dass solche Gase in wirksamer Weise die einem Luftan griff ausgesetzte Metalloberfläche bedecken.
Es hat sich aber gezeigt, dass das Aufbrin gen der festen Kohlensäuremasse direkt auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalles eine besonders zufriedenstellende Methode der Herstellung einer Schutzgasatmosphäre auf der Metalloberfläche darstellt. Wenn das Trockeneis bei einem mit Metall gefüllten Tiegel oder Behälter verwendet wurde und das Metall später in die Gussform gegossen wird, so neigen die vorhandenen schützenden Gase dazu, dem geschmolzenen Strom zu folgen und ein Verbrennen desselben zu ver- hindern.
Eine wirksamere Methode zum Schutz des Metalles in der Gussform besteht darin., dass Stücke von Trockeneis in der Nähe der Gussformöffnungen vor dem Ein giessen des Metalles derart eingebracht wer den, dass der Hohlraum der Gussform voll ständig mit dem Gas angefüllt wird, bevor das Metall eingebracht wird. Die niedrige Temperatur und das grössere spezifische Ge wicht des Gases bewirken, dass die Kohlen säure sich in die Gussform hineinzieht und die leichtere und wärmere Luft verdrängt.
Es ist nicht notwendig, dass die Kohlen säureatmosphäre während der ganzen Periode des Schmelzens und des Zusetzens von Le gierungsbestandteilen aufrecht erhalten wird, wenn. das Grundmetall der Legierung nicht leicht verbrennt. Wenn beispielsweise eine Aluminium-Magnesiumlegierung hergestellt wird, so hat es sich gezeigt, dass das Trok- keneis nicht früher als unmittelbar vor dem Zusatz des Magnesiums verwendet werden muss.
Magnesium und ähnliche leicht oxy- dierbare Metalle werden gewöhnlich kurz vor dem Giessen der Legierung zugesetzt, daher muss die Kohlensäure nur während einer kurzen Zeitspanne zwischen dem Zu satz solcher Legierungsbestandteile und dem Eingiessen des Metalles in die Gussform ver wendet werden.
Die trockene, verhältnismässig kühle Kohlensäureatmosphäre bietet auch Vorteile beim Schutz der Legierung, nachdem das leicht oxydierbare Element zugesetzt wurde. Verbrennungsvorgänge können so lange als gewünscht durch Aufrechterhaltung einer gewissen Menge fester Kohlensäure auf der Oberfläche der Schmelze verhindert werden.
Es ist auch wünschenswert, eine Schutz atmosphäre von Kohlensäure beim Um schmelzen solcher Legierüngen zu verwenden und Trockeneis 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 Metall oberfläche.
Die tatsächliche Menge Trocken eis, welche für eine bestimmte Metallcharge erforderlich ist, hängt von dem Ausmass der der Luft ausgesetzten Oberfläche, der Dauer der für den Zusatz der Zulegierungskompo- nenten benötigten Zeit und von der Tempe ratur des Bades ab. Im halle der Behand lung von Legierungen auf Aluminiumbasis hat es sich gezeigt, dass ungefähr 1,2206 kg Trockeneis per m2 ausgesetzte Oberfläche genügend ist, um die Legierung während einer Zeit von mehreren Minuten gegen Ver brennen 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 Gasaus beute ergeben würde. Trockeneis von han delsüblicher Reinheit hat sich als zufrieden stellend zur Ausübung des erfindungsge mässen Verfahrens erwiesen. Der Ausdruck Trockeneis wird hier nur als eine Bezeich nung für feste Kohlensäure überhaupt ge braucht und die Erfindung soll damit nicht auf irgend eine bestimmte Quelle oder Her stellungsart für feste Kohlensäure be schränkt sein.
Die 'hier erwähnten leicht oxydierbaren Elemente sind unter anderem Kalium, Na trium, Magnesium, Lithium, Kalzium, Ba rium, Strontium, Beryllium, Phosphor, Ar sen, Selen, Tellur und andere ähnlicher Art, welche in Berührung mit Luft verbrennen, wenn sie einem geschmolzenen Metallbad zu gesetzt werden. Unter Legierungen auf Alu miniumbasis werden solche verstanden, wel che<B>50%</B> oder mehr Aluminium enthalten.
Aluminium oder irgend ein anderes Metall, welches den überwiegenden Teil einer Legie rung bildet, wird hier als Grundmetall oder Basis der Legierung bezeichnet.