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Verfahren zum Reinigen von hitzebeständigen und kriechfesten Nickel-
oder Nickel-Kobalt-Legierungen Die Eigenschaften von Metallen und Legierungen werden
oft durch Spuren von Elementen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, stark beeinflußt.
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Im besonderen werden die Kriecheigenschaften von hitzebeständigen
und kriechfesten Legierungen, deren Hauptbestandteil Nickel oder Nickel und Kobalt
ist und die auch Chrom, Aluminium und Titan enthalten, wobei die beiden letztgenannten
Elemente mit einem Teil des Nickels eine ausscheidungsfähige Phase bilden, durch
die Anwesenheit von weniger< zehntausendstel Prozent Blei beeinträchtigt.
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Es ist möglich, einige Metalle und Legierungen in der Weise zu reinigen,
daß sie im flüssigen Zustand einem Hochvakuum ausgesetzt werden, wodurch anscheinend
unerwünschte Spurenelemente verflüchtigt werden. Eine Vakuumbehandlung von geschmolzenen
Metallen bei hoher Temperatur erfordert aber verwickelte und teure Apparaturen und
eine überwachung durch erfahrene Fachleute; außerdem ist sie zeitraubend und teuer.
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Erfindungsgemäß wird eine flüssige Legierung in der Weise gereinigt,
daß ihre Oberfläche örtlich auf eine Temperatur oberhalb des Siedepunktes der Verunreinigungen
durch Berührung mit dem Plasma eines Lichtbogens in einer inerten Atmosphäre und
im wesentlichen bei Atmosphärendruck überhitzt wird. Als inertes Gas wird vorzugsweise
eines der Edelgase, z. B. Argon, verwendet; auch Stickstoff kann bei der Behandlung
von Legierungen benutzt werden, sofern keine Nitride gebildet werden. Zur Entfernung
der Verunreinigungen bei ihrer Verflüchtigung ist es vorteilhaft, das inerte Gas
über die Oberfläche der Schmelze strömen zu lassen.
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Um eine angemessene Geschwindigkeit der Reinigung zu erreichen, sollte
der mit dem Lichtbogenplasma in Berührung stehende Teil der Oberfläche auf eine
merklich oberhalb des Siedepunktes der zu entfernenden Verunreinigungen liegende
Temperatur erhitzt werden.
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So wird zur Entfernung von Blei, das bei Atmosphärendruck bei 1750°
C siedet, die Temperatur vorzugsweise örtlich durch den Lichtbogen auf mindestens
2000° C erhöht, wenn auch eine gewisse Reinigung bei Temperaturen zwischen 1750
und 2000° C erreicht werden kann. Bei diesen Temperaturen kann eine gewisse Verflüchtigung
der anderen Bestandteile der Legierung eintreten, was bei der Bestimmung der anfänglichen
Zusammensetzung der Schmelze berücksichtigt werden sollte; die überhitzungstemperaturen
sollten nicht so hoch sein, daß die Legierung im Lichtbogen siedet.
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Die Legierung befindet sich zweckmäßig in Form eines flachen flüssigen
Bades in einem beliebigen geeigneten Behälter. Die Erhitzung der Oberfläche des
Bades durch den Lichtbogen führt zu einer merklichen Wirbelbildung und Bewegung
der Schmelze durch Konvektion; vorzugsweise erfolgt jedoch ein zusätzliches Rühren,
um sicherzustellen, daß alle Teile der Schmelze schnell in die erhitzte Zone gebracht
werden. Eine Induktionsspule kann Anwendung finden, um sowohl ein Rühren als auch
ein allgemeines Erhitzen des Bades zu bewirken.
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Der Lichtbogen kann zwischen einer Elektrode und der Oberfläche der
Schmelze gezogen werden; vorzugsweise ist er von einem Strom von inertem Gas umgeben,
der gegen die Metalloberfläche gerichtet ist. Die Kühlung der Außenseite des so
erzeugten Lichtbogenplasmas ist von besonderer Bedeutung, weil dies den Lichtbogen
stabilisiert und ihn veranlaßt, sich radial einzuschnüren (der sogenannte Pinch-Effekt),
wodurch die Menge an elektrischer Kraft erhöht wird, die in der Entladung zerstreut
werden kann, mit einer entsprechenden Erhöhung der Temperatur des Metalls unmittelbar
unterhalb des Lichtbogenplasmas. Örtliche Temperaturen von bis zu 10 000° C können
auf diese Weise erhalten werden,
obschon derartige hohe Temperaturen
für den vorliegenden Zweck nicht notwendig sind.
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Vorzugsweise umgibt der Gasstrom den unteren Teil der Elektrode und
den Lichtbogen, weil er auf diese Weise dazu dient, die Elektrode zu kühlen und
sie vor Oxydation zu schützen, den Lichtbogen zu kühlen, die verflüchtigten Verunreinigungen
abzuführen und die Oberfläche der flüssigen Legierung vor Oxydation zu schützen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in Fig. 1 dargestellt. Die flüssige Legierung l ist in einem feuerfesten
Behälter 2, der von einer Induktionsspule 3 umgeben ist, die zum Erhitzen und Rühren
des Bades dient. Oberhalb der Badoberfläche ist eine Graphitelektrode 4 senkrecht
angebracht; zwischen der Elektrode und der Badoberfläche ist ein Lichtbogen 5 gezogen,
wobei der Stromkreis durch den feuerfesten Behälter 2 und eine zweite Elektrode
6 hergestellt wird, die in die Stütze, auf der der Behälter steht, verlegt ist.
Die erste Elektrode ist von einem Rohr 7 umgeben, das an seinem Boden offen ist
und den Einlaß 8 besitzt, durch den ein Strom von Argon geleitet wird, um den unteren
Teil der Elektrode und den Lichtbogen zu umgeben und sich dann auszubreiten und
die Badoberfläche zu schützen, wie dies durch die Pfeile 9 gezeigt ist.
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Diese Vorrichtung ist so durchgebildet, daß das inerte Gas sich über
die Gesamtoberfläche der Schmelze verteilt und sie vor Oxydation schützt; wenn der
Legierung nämlich die Möglichkeit gegeben wird, zu oxydieren, so kann sich eine
Schlacke auf der Oberfläche der Schmelze bilden, die die Verflüchtigung der Verunreinigungen
behindert. Wenn dagegen Verunreinigungen vorhanden sind, die viel leichter durch
Oxydation als durch Verflüchtigung entfernt werden können, kann es wünschenwert
sein, die Badoberfläche einer oxydierenden Atmosphäre, z. B. Luft, auszusetzen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die für diesen Zweck Verwendung finden
kann.
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Bei dieser Vorrichtung fließt der elektrische Strom über Verbindungen
zu einer Elektrode 11 und der Schmelze 12. Die Elektrode ist von zwei konzentrischen
Rohren 13 und 14 umgeben. Das inerte Gas tritt durch den Einlaß 15
ein, strömt in dem Raum zwischen dem Rohr 13 und der Elektrode 11 nach unten und
bewirkt ein Einschnüren des Lichtbogens 16 mit entsprechender Steigerung der Plasmatemperatur.
Das Gas tritt dann radial über die Oberfläche einer ringförmigen Zone der Schmelze,
die den Lichtbogen umgibt. Diese Zone wird vor ihrer Oxydation durch das inerte
Gas geschützt, das die Verunreinigungen entfernt, so wie sie bei der hohen herrschenden
Temperatur verdampfen. Das die Verunreinigungen führende Gas wird durch den Raum
zwischen den Rohren 13 und 14 zu dem Auslaß 17 abgeführt. Der Gasweg ist durch Pfeile
18 gezeigt. Das untere Ende des Rohres 14 ist erweitert, um die Geschwindigkeit
des Abgases zu verringern, wodurch verhindert wird, daß das Lichtbogenplasma in
den Raum zwischen den beiden Rohren gezogen wird.
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Die Schmelze wird elektromagnetisch gerührt, so daß sie - wie durch
die Pfeile 19 gezeigt - umläuft. Sie steigt unter dem Lichtbogen hoch und
tritt zunächst in die Zone ein, in welcher die Oxydation durch das inerte Gas verhindert
wird. Hier wird ihre Temperatur örtlich auf ein hohes Niveau erhöht, wodurch die
Verunreinigungen schnell verflüchtigt werden und durch das Gas fortgespült werden.
Das erhitzte Metall tritt nun unterhalb des argonbespülten Ringes aus und kommt
in Berührung mit der umgebenden oxydierenden Atmosphäre, die einige der anderen
Verunreinigungen unter Bildung einer Schlacke oxydiert.
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Die auswärts gerichteten radialen Strömungen des flüssigen Metalls
und des inerten Gases verhindern zusammen, daß die Schlacke die Oberfläche unterhalb
des Lichtbogens bedeckt und die Verflüchtigung der dort vorhandenen Verunreinigungen
verhindert.
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Der Lichtbogen kann auch zwischen zwei Elektroden gezogen werden,
die nicht in Berührung mit der Schmelze stehen, und das Lichtbogenplasma kann auf
die Oberfläche des geschmolzenen Metalls oder Legierung durch einen Strom von inertem
Gas geblasen werden. Es ist dann nicht erforderlich, eine elektrische Verbindung
zur Schmelze herzustellen. Eine geeignete Einrichtung dieser Art ist in Fig. 3 schematisch
dargestellt.
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Bei dieser Einrichtung wird ein Lichtbogen 20 zwischen einer zentralen
Elektrode 21, die senkrecht oberhalb der Oberfläche eines Metallbades 22 angebracht
ist und dem unteren Ende eines metallischen Rohres 23 gezogen, das koaxial zur Elektrode
angebracht und hiervon durch einen Isolator 24 isoliert ist. Das untere Ende des
Rohres 23 ist mit einem Durchgang 25 für Kühlwasser ausgerüstet. Inertes
Gas tritt durch den Einlaß 26 ein, tritt zwischen der Elektrode und dem Gasrohr
23 hindurch, bläst die äußere Zone 27 des Lichtbogens auf die Oberfläche der Schmelze
und wird dann durch den Raum zwischen dem Rohr 23 und einem äußeren koaxialen Rohr
28 zu einem Auslaß 29 abgezogen.
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Der indirekte Lichtbogen eines schwingenden Lichtbogenofens kann ebenfalls
Verwendung finden, um die Legierungsoberfläche zu überhitzen. Bei Öfen dieser Art
fließt eine Metallmasse durch die äußere Zone des Lichtbogens hin und her, anstatt
daß der Lichtbogen auf das Metall geblasen wird.
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Beispiel 4,5 kg einer flüssigen Legierung von folgender nomineller
Zusammensetzung: 15% Cr, 159/o Co, 4% Mo, 4'% Ti, 5% Al, 0,20/a C, Rest Nickel mit
geringen Mengen Bor, Zirkonium, Silicium, Mangan und Eisen, wurden in einen 4,5
kg fassenden Schaukelofen eingefüllt; die Oberfläche wurde mit Hilfe eines Wechselstromlichtbogens
überhitzt, der zwischen zwei Elektroden oberhalb der Metalloberfläche gezogen wurde,
während der Ofen geschwenkt wurde. Die Erhitzung wurde während 30 Minuten fortgesetzt,
während Argon mit einer Gschwindigkeit von 151/min durch den Ofen geleitet wurde.
Nach dieser Behandlung hatte das Bad eine Temperatur von 1840° C erreicht: die örtliche
Temperatur unmittelbar unterhalb des Lichtbogens war erheblich höher.
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Die in dieser Weise vorgenommene Erhitzung verringerte den Bleigehalt
der Legierung von einem ursprünglichen Wert von 8 - 10-40/a auf weniger als 2 -
10-40/0.
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Die Gehalte an Titan, Aluminium und Kohlenstoff wurden ebenfalls etwas
durch die Erhitzung verringert; die ursprünglichen Gehalte waren 4,310l0 Ti, 5,90/a
A1 und 0,18% C und die Endgehalte 4,201o Ti, 4,660/a Al und 0,16% C.