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Vorlegierung für die Herstellung von Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vorlegierung feinkörnigen Stählen für die Herstellung von feinkörnigen Stählen,
die unter anderem weniger als 1,70/& Kohlenstoff, 0,001 bis 0,05 11/a
Kalzium und 0 bis 0,03 % Cer, Lithium, Strontium, Barium und Magnesium, einzeln
oder zu mehreren, enthalten.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorlegierung für die Herstellung von
feinkörnigen Stählen der vorstehend angegebenen Art besteht aus 5 bis 40% Kalzium,
je 5 bis 559/o Nickel, Silizium, Aluminium und Mangan, einzeln oder zu mehreren,
0 bis 101/o von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium
und Magnesium, Rest Eisen.
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Die Menge der von Kalzium verschiedenen Metalle beträgt zweckmäßig
weniger als etwa ein Viertel des Kalziumgehaltes, da eine derartige Kalziumlegierung
die größte Wirksamkeit zeigt.
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Die Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung gestattet
die Herstellung von Stählen mit feinkörniger Struktur im Gußzustand, hoher Festigkeit
und guter Bearbeitbarkeit.
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Die Regelung der Korngröße in Stahl erfolgte bisher normalerweise
durch Zusatz einer geeigneten Menge eines Elementes, wie Aluminium, Titan, Vanadin,
Zirkonium und Stickstoff. Es sind auch zahlreiche Legierungen und Vorlegierungen
für die Verbesserung der Eigenschaften von Eisen und Stahl bekannt, die weitere
und andere Bestandteile enthalten. So ist aus der USA.-Patentschrift 2 676 097 eine
Zusatzlegierung aus 2 bis 20 % Magnesium, 2 bis 15 0/a Kalzium, Barium, Strontium
oder Lithium, 5 bis 50 % Silizium, 3 bis 50 0/0, Kupfer und 5 bis 65 1/o, Eisen
bekannt, die zur Regelung und Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von
Gußeisen und zur Behandlung von Stahl in geschmolzenem Zustand vorgesehen ist. Die
Legierung bewirkt bei Gußeisen, daß der Kohlenstoff im erstarrten Produkt Knötchenform
annimmt, und sie kann auch zur Senkung des Schwefelgehaltes im Stahl benutzt werden.
Im Gegensatz zu der Vorlegierung gemäß der Erfindung stellt Kalzium nur einen möglichen,
nicht aber einen unbedingt erforderlichen Bestandteil dar, andererseits enthält
die bekannte Legierung 3 bis 50'0/a Kupfer, also einen Bestandteil, der in der erfindungsgemäß
vorgesehenen Vorlegierung nicht zugegen ist. Derartige kupferhaltige Legierungen
sind für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der erfindungsgemäß vorgesehenen
Art wenig geeignet, da bereits geringe Kupfermengen deutlich nachteilige Wirkungen
zeigen, und eine Verfeinerung der Kornstruktur, wie sie bei Verwendung der Vorlegierung
gemäß der Erfindung eintritt, wird mit der bekannten Legierung nicht erzielt.
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Weiter ist aus der französischen Patentschrift 664458 eine Cer-Eisen-Legierung
bekannt, die Cer als maßgeblichen Bestandteil enthalten muß und daneben Vanadin,
Titan, Aluminium, Kalzium, Magnesium und Silizium enthalten kann. Dabei soll das
Verhältnis zwischen Cer und anderen Elementen zwischen 1:10 und 11 Ziegen. Demgegenüber
bildet Cer in der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung einen möglichen, aber
keinen notwendigen Bestandteil, und bei Gegenwart von Cer ist dessen Menge auf höchstens
ein Viertel des Kalziumgehaltes beschränkt. Vanadin oder Titan sind in der Vorlegierung
gemäß der Erfindung nicht enthalten. Auch diese bekannte Legierung eignet sich nicht
zur Herstellung von Stählen der erfindungsgemäß in Betracht kommenden Art, und es
wird keine vergleichbare Verfeinerung der Kornstruktur erzielt.
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Ferner sind Aluminium-Chrom-Ferrolegierungen mit weniger als 25 1/a
Titan und Cer in der französischen Patentschrift 905 424 beschrieben worden. Diese
Legierungen enthalten jedoch kein Kalzium und unterscheiden sich daher grundsätzlich
von der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung, bei der Kalzium einen zwingend
erforderlichen Bestandteil darstellt. Die erfindungsgemäß angestrebte und erzielte
Verfeinerung der Kornstruktur wird mit der bekannten Legierung nicht erzielt.
Weiter
ist in der britischen Patentschrift 721738 und der deutschen ,,Patentanmeldung :
St 3850 V1 a/ 18d eine Zusatzlegieiling für' die Herstellung von Gußeisen mit Kugelgraphit
bekannt, die 40 bis 80% Silizium, 10 bis 301/o Magnesium und 5 bis 30% Kalzium enthält.
Außerdem kann diese -Legierung bis zu 5 % Eisee ,ung/oder Kupfer und/oder Nickel
aufweisen, wobei die Gesamtmenge an Kupfer und Nickel 15% nicht übärschreiten soll.
Bei Gegenwart von Chrom und - Aluminium soll die Gesamtmenge dieser Metalle" zusammen
mit Kupfer oder Nickel 151/o nicht überschreiten. Diese Legierung dient dem Zweck,
die besonderen Schwierigkeiten bei alleinigem Zusatz von Magnesium zu beseitigen.
Der Zweck und die Zusammensetzung der bekannten Legierung sind völlig - verschieden
von Zweck und Zusammensetzung der Vorlegierung gemäß der Erfindung. Die bekannte
Legierung muß 10 bis 3011/o Magnesium enthalten, während in der Vorlegierung gemäß
der Erfindung Magnesium ein mögliches, aber nicht erforderliches Begleitelement
ist, dessen Menge auf ein Viertel des Kalziumgehaltes beschränkt ist. . Ein - derartiges
Kalzium-Magnesium-Verhältnis ist innerhalb der Bereichsgrenzen der bekannten Legierung
nicht herbeizuführen, vielmehr ist dort der Magnesiumgehalt gewöhnlich bedeutend
höher als der-. Kalziumgehalt. Weiterhin enthält die bekannte Legierung nur höchstens
5 % Eisen, während Eisen 'bei der Vorlegierung gemäß der Erfindung - wie -aus der
vorstehend aufgeführten Angabe der Komponenten hervorgeht - mindestens 10% beträgt
und bis zu 80"/o der Vorlegierung ausmachen kann. Das Eisen erhöht das spezifische
Gewicht der erfindungsgemäß vorgesehenen Vorlegierung und erleichtert infolge seiner
Identität mit dem Hauptbestandteil der Stahlschmelze die Einbringung und Wirkung
des Kalziums. Hierdurch werden besonders vorteilhafte Ergebnisse und geringe Verluste
an Kalzium erreicht.
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Schließlich ist in der belgischen Patentschrift 515 534 eine Legierung
-für ein Verfahren zur Behandlung von Eisen und Stahl bekanntgeworden, die als wesentliche
Bestandteile Kalzium, Silizium, Aluminium, Titan und Cer-Lanthan enthält, beispielsweise
etwa 15% Kalzium, 30%, Silizium, 10% Aluminium, 100/0 Titan und 3 % Cer-Lanthan.
In dieser Legierung muß also eine beträchtliche Menge an Titan als einer der wesentlichen
Bestandteile enthalten sein. Demgegenüber enthält die Vorlegierung gemäß der Erfindung
kein Titan. Die Vorlegierung gemäß der Erfindung ist daher billiger herzustellen,
trotzdem führt sie, wie aus den nachstehenden Angaben ersichtlich ist, zu ausgezeichneten
technischen Ergebnissen.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich die vorstehend aufgeführten
bekannten Legierungen nicht oder nicht in zufriedenstellender Weise für die Herstellung
von feinkörnigen Stählen der eingangs angegebenen Art eignen.
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Es ist auch aus keiner Beschreibung oder Angabe über diese bekannten
Legierungen ein Hinweis zu entnehmen oder herzuleiten, wie ein Fachmann auf der
Grundlage der bekannten Legierungen zu einer Vorlegierung mit besonderer Eignung
und technischen Vorteilen für die Herstellung von feinkörnigen Stählen der angegebenen
Art gelangen könnte und nach welchen Gesichtspunkten aus welchen der zahlreichen
angegebenen Komponenten und in welchen Mengenverhältnissen eine solche Legieiung'äufgebänt
sein müßte. ' -Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Angabe einer Vorlegierung
für die Herstellung von Stählen, die unter anderem.-weniger als 1,7% Kohlenstoff,
0,001 bis 0,05% Kalzium, und 0 bis 0,0ä 0/a ; Ger, Lithium, Strontiüm, Barium und
Magnesium; einzeln oder zu .mehreren, enthalten, welche zu einer starken Verfeinerung
der Kornstruktur führt, einwandfrei in die Stahlschmelze eingebracht werden kann,
sich gut mit der Stahlschmelze vermischt, eine hohe Rückhaltung von Kalzium in der
Schmelze herbeiführt und darüber hinaus billig herzustellen ist.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Vorlegierung aus 5 bis 4011/o Kalzium,
je 5 bis 55% Nickel, Silizium, Aluminium und Mangan, einzeln oder zu mehreren, 0
bis 101/o von Kalzium verschiedenen Metallen, wie Cer, Lithium, Strontium, Barium
und Magnesium, Rest Eisen, erfüllt diese Aufgabe in ausgezeichneter Weise. Der Eisengehalt,
der mindestens 10 und bis zu 80% der Vorlegierung beträgt, führt zu einem verhältnismäßig
hohen spezifischen Gewicht der Vorlegierung und erleichtert die Einbringung der
Vorlegierung und damit der darin enthaltenen Komponenten in die Schmelze und deren
vollständige Vermischung mit der Schmelze. Gleichzeitig wird hierdurch eine hohe
Rückhaltung von Kalzium in der Schmelze sichergestellt. Untersuchungen haben beispielsweise
gezeigt, daß die Ausbeute an Kalzium im Stahl bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorlegierung mehr als doppelt so hoch ist wie bei Verwendung von gewöhnlichem Kalziumsilizid.
Infolge des Aufbaues aus einfachen Bestandteilen ohne kostspielige metallurgische
Komponenten ist die Vorlegierung gemäß der Erfindung einfach und billig herzustellen.
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Infolge Vereinigung insbesondere der vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften
ist die Vorlegierung gemäß der Erfindung für den angestrebten Zweck den bekannten
Legierungen deutlich überlegen. Irgendein Hinweis auf eine der erfindungsgemäßen
Vorlegierung entsprechende oder ähnliche Legierung ist den Angaben über die bekannten
Legierungen nicht zu entnehmen.
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Die Vorlegierung gemäß der Erfindung wird der Schmelze eines Kohlenstoffstahles
oder eines Legierungsstahles mit einem Gehalt von weniger als etwa 1,7% Kohlenstoff
in einer Menge zugesetzt, daß der Stahl 0,001 bis 0,05% Kalzium und 0 bis 0,03 %
ein oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Cer, Barium, Lithium, Strontium und Magnesium
enthält.
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Bei Verwendung der Vorlegierung gemäß der Erfindung genügt eine verhältnismäßig
milde Desoxydation und Entschwefelung; es ist nicht erforderlich, den Sauerstoffgehalt
der Schmelze auf 0,001 bis 0,005% und den Schwefelgehalt auf 0,003 bis 0,015% zu
senken, um den gewünschten feinkörnigen Stahl zu erhalten. Selbst wenn der Stahl
mehr als 0,015% Schwefel und mehr als 0,005% Sauerstoff enthält, zeigen die bei
Zusatz der Vorlegierung gemäß der Erfindung erhaltenen Gußwaren und Gußblöcke feinkörnige
Struktur, vorausgesetzt, daß die Menge des im Produkt verbleibenden Kalziums 0,001%
überschreitet. Andererseits ist es nicht erforderlich, daß die Menge an zurückgehaltenem
Kalzium größer als 0,05 % ist: Die in der erfindungsgemäß vorgesehenen Vor-
Legierung
neben Kalzium gegebenenfalls enthaltenen Begleitmetalle, wie Cer, Lithium, Strontium,
Barium und Magnesium, führen zu einer Beschleunigung der Entschwefelung und der
Desoxydation. Vorzugsweise enthält die Vorlegierung gemäß der Erfindung derartige
Metalle, und zwar in einer Menge von weniger als einem Viertel des Kalziumgehaltes.
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Die Vorlegierung gemäß der Erfindung eignet sich zur Herstellung von
Kohlenstoffstählen und allen Sorten von Legierungsstählen mit weniger als 1,7% Kohlenstoff,
d. h. Stählen, die weniger als 1,7% Kohlenstoff und außerdem ein oder mehrere Elemente
aus der Gruppe Silizium, Mangan, Nickel, Kobalt, Chrom, Kupfer, Aluminium, Wolfram,
Molybdän, Vanadin, Titan und Zirkonium enthalten.
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Die mit der erfindungsgemäßen Vorlegierung hergestellten Stähle haben
feinkörnige Struktur. Die Dehnung und die Einschnürung und besonders die Kerbschlagzähigkeit
werden beträchtlich erhöht, und zwar ohne gleichzeitige Änderung der Zugfestigkeit.
Auch die Bearbeitbarkeit wird verbessert. Die Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften,
insbesondere im abgeschreckten und angelassenen Zustand, sind beträchtlich.
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Die nachstehenden Ausführungsbeispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung
der Vorlegierung gemäß der Erfindung und der damit erzielbaren technischen Vorteile.
Beispiel 1 Einer Schmelze für übereutektoiden Stahl mit einem Gehalt von 0,69% Kohlenstoff,
0,25% Silizium, 1,03% Mangan, 0,021% Phosphor und 0,022% Schwefel wurden 0,5% einer
Vorlegierung gemäß der Erfindung mit 15,6% Fe, 12,7% Mn, 20,5 % Ca, 45,7 9/o Si
und 4,5 9/o Mg zugesetzt.
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Ein aus dieser Schmelze hergestelltes Stahlgußstück zeigte nach 6stündiger
Erhitzung auf 900° C folgende mechanische Eigenschaften:
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . 71,0 kg/mm2 |
| Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . 25,50/0 |
| Einschnürung ............ 31,6% |
| Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 HB |
Das Produkt ist also durch hohe Dehnung und hohe Einschnürung ausgezeichnet. Das
Gußstück enthielt eine sehr geringe Menge nichtmetallischer Einschlüsse, die Korngröße
nach dem Timken-ASTM-Index betrug 7,5; das Produkt ist damit feiner und sauberer
als Stahl mit einer Korngröße von 5, wie er ohne Zusatz der Kalziumvorlegierung
gemäß der Erfindung erhalten wurde. Beispiel 2 Eine Schmelze eines Chrom-Molybdän-Stahles
mit einem Gehalt von 0,359/,C, 0,19%.Si, 0,77% Mn, 1,00 % Cr und 0,22%, Mo wurde
mit 1% einer Vorlegierung versetzt, die 33,5% Fe, 29,59/o Ca und 36 9/o Si enthielt.
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Ein aus dieser Schmelze hergestelltes .Stahlgußstück wurde nach dem
Walzen abgeschreckt und getempert. Der unter Verwendung der Vorlegierung hergestellte
Stahl zeigte eine Korngröße von 7,9, während ein sonst in der gleichen Weise, aber
nicht mit der Vorlegierung hergestellter Stahl, eine ASTM- Korngröße von 6,5 ergab.