DE1958207A1

DE1958207A1 - Verfahren zur Kornverfeinerung von Metallen

Info

Publication number: DE1958207A1
Application number: DE19691958207
Authority: DE
Inventors: Dennison John Philip; Davies Peter Wesley
Original assignee: DAVIES PETER WESLEY
Current assignee: DAVIES PETER WESLEY
Priority date: 1968-11-21
Filing date: 1969-11-19
Publication date: 1970-06-04
Also published as: JPS502842B1; SE349060B; DE1958207B2; FR2023803A1; GB1239066A; US3635701A; AT293038B

Description

\ 1958207 Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-lng. R. König Patentanwälte · 4doo Düsseldorf · Cecilienallee 76 -Telefon 433732

Unsere Akte: 25 373 18. November1969

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Herr Feter Wesley Bavies, 127 Summerland Lane,

sss=sssazs=csa3B=BBsssssnsssBs.sszsssssarssasss

Caswell, Swansea, Wales, Großbritannien, SS=SS=3S=Ssa3SSS=SBSS3SSSSS«SSSBX8aaSSSS John Philip Denn!son, 1 Channel View, Sketty,

ss=as=as=sxss=ssss=ss=BS3ss=sssssanxssss=r3SB

Swansea, Wales, Großbritannien.

"Verfahren zur Kornvarfeinerung von Metallen"

Die Erfindung besieht sich auf die Kornverfeinerung des Erstarrungsgefüges von Metallen oder Legierungen.

Es ist bekannt, daß die Verringerung der Korngröße dureh feinkörnige Impfstoffe erreicht werden kann, deren Teilchen einer Schmelze als Kristallieationskeime zugegeben werden.

Erfindungsgemäß werden zur Verbesserung des Gefüges von Metallen die Kristall!sationsk·ine in Gestalt von im Wege der inneren Oxydation eines im Bad schmelzenden Träger· hergestellten Teilchen eingeführt, wobei die Teilchengröße 2 Mikron, vorzugsweise 1 Mikron nicht übersteigt. Im Bad löst sich der Träger auf, so daß die Oxydteilchen feindispers verteilt in das Bad übergehen. Wegen ihrer geringen Korngröße und ihrer guten Benetzbarkelt gegenüber dem sohmelzflüseigen Metall ergibt sich eine außerordentlich starke Kornrerfeinerung des behandelten Metalle,

Sie Kornverfeinerung hängt von der LegierungsiRsaamenset-

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zung, dem Block- oder Gußstüekgewicht und anderen Faktoren ab; die erfindungsgemäße Behandlung ermöglicht es jedoch, Legierungen, die ohne Impfzusätze eine durchschnittliche Korngröße von über 2 en haben würden, mit einer durchschnittlichen Korngröße von unter 1 mm herzustellen.

Um eine homogene Verteilung der Kristallisationskeime in der Schmelze zu erreichen, ist es wichtig, ein örtliches Erstarren der Sohmelz· bein Einbringen des Trägers zu vermeiden. Allein aus diesem Grunde sollte der Träger möglichst dünn sein, weswegen er vorteilhafterweise aus einer 0,05 bis 0,4 mm dicken folie besteht. Ein anderer für die * Verwendung derartiger folien sprechender Grund besteht darin, daß die Eindringtiefe bei der inneren Oxydation zeit- und temperaturabhängig ist, so daß die Oxydationszeit bei einem Metallträger größerer Dicke bis zu einer gleichmäßigen inneren Oxydation größer ist. Obgleich es nicht von wesentlicher Bedeutung ist, daß der Träger durchgehend oxydiert ist, ergibt sich doch bei der Verwendung durchgehend oxydierter Träger insofern ein besonderer Vorteil, als dabei die Zugabe eines Minimums an Trägermetall verbunden ist·

Sie Wahl des jeweils für die inner· Oxydation und Kornverfeinerung geeigneten Trägermetalls hängt von zahlreichen Faktoren ab. Das Metall muß mindestens ein Element enthalten, das besonders sauerstoffaffin 1st, um eine feindisperse Oxydverteilung im Trägermetall zu erreichen. Gleichzeitig müssen die oxydischen Seilchen als Kristall!eatlonekeime in dem zu behandelnden Metall geeignet sein und demzufolge einen Schmelzpunkt besitzen, der beträchtlich über dem Schmelzpunkt des zu behandelnden Metalls liegt· Außerdem muß das nicht oxydierte Trägermetall eine gute Löslichkeit in der zu behandelnden Schmelze besitzen, obgleich die Verwendung eines Metalls mit entsprechend niedrigem Schmelzpunkt nicht unbedingt erforderlich ist. Die unver-

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meidliohen Zusatzmengen unoxydierten Irägermaterials dürfen die -technologischen Eigenschaften des aus der behandelten Schmelze hergestellten Werkstückeβ nicht beeinträchtigen. Vorzugsweise handelt es sieh bei dem Trägermetall um eine Einphasen-Legierung, da bei einer Zweiphasen-Legierung die streite Phase im ungelösten Zustand in die Schmelze übergehen könnte und die ungelösten Teilehen, obgleich sie nicht notwendigerweise schädlich sein müssen, keinen Vorteil ergeben oder die Keimbildung bsw« Kristallisation be« einträchtigen.

Bereits O_t1j6 eines oxydierten Hetallträgers, bezogen auf das Gewicht der su behandelnden Sehmelse, reichen für eine wirksame Kornverfeinerung aus, wenngleich sich im allgemeinen auoh in den Grenzen von O₉02 bis O,5# eine Kornverfeinerung ergibt·

Das erfindungsgemäße Impf mittel eignet sich insbesondere zur Kornverfeinerung von Hiekel-, Nickel-Kupfer-, Nickel-Chrom- oder Nickel-, Chrom- und Kobalt-Legierungen, die bis 50$ Eisen enthalten können· Hierzu gehören Legierungen beispielsweise aus 20 bis 8O# Nickel, 5 bis 35$ Chrom, 0 bis 40* Kobalt und 0 bis 50$ Eisen und einem oder mehreren der Elemente Aluminium oder Titan bis je 10#, Niob, Tantal, Wolfram, Zirkonium, Bor und Hafnium in bei hochwarmfeaten Legierungen üblichen Gehalten. Zur Kornverfeinerung derartiger Metallschmelzen eignen sich als Impfmittel oxydierte Kupfer-Nickel-, Kupfer-Kobalt- und Kupfer-Niokel-Kobalt-Legierungen mit 90* oder mehr Kupfer, beispielsweise eine Legierung alt 95* Kupfer und 5* Nickel, 96* Kupfer und 4* Kobalt, 92,5* Kupfer, 5* Niekel und 2,5* Kobalt.

Angesichts der relativ geringen Gehalte an sauerstoffaffinen Elementen bei den vorerwähnten Trägerlegierungen läßt sich praktiseh eine quantitative Innere Oxydation der oxydierbaren Bestandteile in angemessener Zelt erreichen. Der

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Träger kann jedoch auch höhere Gehalte oxydierbarer Elemente enthalten, doch fällt die Geschwindigkeit der inneren Oxydation dann ab, so daß die Oxyde bei Legierungen mit beispielsweise 30% leicht oxydierbarer Elemente nicht die gewünschte geringe Korngröße besitzen·

Obgleich die innere Oxydation üblicherweise in luft erfolgt, sind auch andere Atmosphären, beispielsweise reiner Sauerstoff geeignet·

Der Metallträger kann sowohl äußerlich als auch im Gefüge oxydiert sein; so kann beispielsweise auch die Oberfläche . eines vornehmlich aus Kupfer bestehenden Trägers bei einem Gewichtsverlust desselben in Kupferoxyd überführt werden. Die oxydierte Oberfläche sollte jedoch vor der Zugabe des Trägers in die Schmelze abgebürstet und entfettet werden.

Sie Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des Näheren erläutert.

Beispiel 1

Ein 0,2 mm dicker und 4 cm breiter Streifen einer Legierung aus 95% Kupfer und 5% Nickel wurde 4 Stunden bei 85O⁰C in Luft erhitzt. Die Streifendieke verringerte sieh infolge der Oberflächenoxydation auf 0,1 mm. Eine Untersuchung ergab, daß im wesentlichen das gesamte Nickel in Nickeloxyd mit einer Korngröße unter 1 Mikron überführt worden war und sieh in feiner Verteilung über dem gesamten Träger befand.

Im Gegensatz dazu ergab sich beim Oxydieren desselben Streifens in Luft bei einer Temperatur von 600⁰O praktisch nur eine Oxydation an den Korngrenzen· Ein Glühen bei 700⁰C erfordert dagegen eine entsprechend längere Zeit für die vollständige innere Oxydation. Ein Glühen bei 900⁰C führt

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dagegen zu unerwünschten groben Teilchen, während ein Glühen bei 1OOO°O oxydierte Teilohen mit einer Korngröße von 20 Mikron ergab, die wirkungslos bei der Kornverfeinerung bleiben.

Beispiel 2

Ein 0,2 Bm dicker und 4 cm breiter Streifen au« einer Legierung mit 92,53* Kupfer, 5J& Nickel und 2,5# Kobalt wurde 4 Stunden bei 850⁰C in Luft geglüht. Dabei verringerte eich die Streifendicke auf 0,1 mm, während im wesentlichen das gesamte Nickel und Kobalt als Nickel- bzw. Kobaltoxyd mit einer Korngröße unter 1 Mikron und in feindisperser Verteilung über dem Träger vorlag.

Beispiel 3

Ein 0,4 mm dicker und 6 cm breiter Streifen einer Legierung aus 92£ Kupfer, 43* Nickel und A$> Eisen wurde 16 Stunden bei 85O⁰C in Luft geglüht. Nach dem Glühen betrug die Streifendieke nur noch 0,2 mn und lagen im wesentlichen das gesamte Nickel und Eisen als feindispers verteiltes Nickel- bzw, Sisenoxyd mit einer Korngröße unter 1 Mikron vor.

Beispiel 4

Sin 0,2 mm dicker und 4 om breiter Streifen einer Zweiphasen-Legiereng aus 96£ Kupfer und 43* Kobalt wurde 4 Stunden bei 050⁰C in Luft erhitzt. Danach hatte sich die Streifendicke auf 0,08 mm verringert und lag der überwiegende Anteil des Kobalts in feindisperser Verteilung als Kobaltcxyd mit einer Korngröße unter 1 Mikron vor, während das Kobalt der anderen Phase Kobaltoxydteilchen mit einer Korngröße über 2 Mikron ergab.

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Beispiel 5

Ein 0,4 mm dicker und 6 cm breiter Streifen einer Zweiphasen-Legierung aus 95% Kupfer und 5% Eisen wurde 16 Stunden bei 85O⁰C in Luft geglüht. Danach betrug die Streifendioke nur noch 0,2 mm und lag der überwiegend« Teil des Eisens in feindisperser Verteilung als Eisenoxyd mit einer Teilchengröße unter 1 Mikron vor, während das Eisen der anderen Phase bei der Onydation eine Teilchengröße von über, 5 Mikron annahm.

Beispiel 6

Auf die Oberfläche einer 907 kg-Sehmelze aus einer Legierung aus 9256 Kupfer und 8£ Aluminium wurden bei einer Badtemperatur von 1150⁰C nacheinander Eisenoxyd-Teilchen enthaltende Streifen gemäß Beispiel 5 in einer Menge von etwa Of7 kg gegeben und mittels Stahlstangen untergetaucht. Anschließend wurde die Schmelze in Sandformen mit Kohlenstoffboden zu einem Gußteil mit einer Höhe von 20 cm und einer Kantenlänge von 60 χ 60 cm vergossen.

Die mittlere Korngröße des Gußgeftiges lag unter 1 mm. Im Gegensatz dazu ergab sich beim Vergießen einer nicht geimpften Schmelze derselben Zusammensetzung in derselben Gußform eine mittlere Korngröße von 2 cm.

Beispiel 7

In eine 45 kg-Sehmelze einer Legierung aus 92# Kupfer und 8# Aluminium wurden bei einer Badtemperatur von 1150⁰C zu Hülsen um einen Draht aus einer 80/20-Niokel-Chrom-Legierung mit einem Durchmesser von 2 mm gebogene Streifen gemäß Beispiel 3 in einer Gesamtmenge von etwa 45 g eingetaucht. Die Schmelze wurde dann in eine Metallform zu einem Rundstab mit einem Durchmesser von 18 om vergossen. Die

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mittlere Korngröße des G-ußgefüges lag unter 1 mm, während die mittlere Korngröße eines in derselben Weise vergossenen Metalls derselben Zusammensetzung jedoch ohne Impfzusatz 1 cm betrug.

Beispiel 8

Eine 4,3 kg-Schmelze einer legierung aus 93?6 Kupfer und li» Aluminium wurde bei 1000⁰C in eine feuerfeste Form mit einem Innendurchmesser von 7 cm vergossen«, Nach dem Abkühlen des vergossenen Metalle auf 1130⁰C wurde ein 4»5 g schwerer Streifen gemäß Beispiel 5, der um einen 1 mm dikken Draht aus einer eO/^O-Nickel-Chrom-Legierung gebogen war, in die Schmelze eingetaucht. Die mittlere Korngröße des Blockgefüges lag unter 1 mm. Im Gegensatz dazu betrug die mittlere Korngröße desselben, jedoch nicht geimpften, aber unter denselben Bedingungen vergossenen Metalls 0,6 cm* Auch das Eintauchen eines nicht umhüllten Mckel-Chrom-Drahtes ergab keine Kornverfeinerung.

Beispiel 9

Eine 4i5 kg-Sohmelze aus einer Legierung mit 93$ Kupfer und 7# Aluminium wurde bei 1000⁰C in eine feuerfeste Form mit einem Innendurchmesser von 7 cm vergossen. Nach dem Abkühlen des Metalls auf 1130⁰C wurde ein etwa 3,2 g schwe rer, um einen 1 mm dicken Draht aus einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung gewickelter Streifen gemäß Beispiel 3 in das Metall eingetaucht. Die mittlere Korngröße des Gußgefüges lag unter 1 mm, während die mittlere Korngröße desselben, jedoch ungeimpften, aber in derselben Weise vergossenen Metalls 0,6 cm betrug.

Beispiel 10 Eine 4,5 kg-Schmelze aus einer Legierung mit 88# Kupfer

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und 12# Aluminium wurdt in «ine feuerfeste Form mit einem Innendurchmesser von 7 cm bei 100O⁰C vergossen. Nach dem Abkühlen des Metalle auf 1160⁰C wurde ein etwa 4,5 g schwerer, um einen 1 mm dicken Draht aus einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung gewiekelten Streifen gemäß Beispiel 4 in das Metall eingetaucht. Sie mittlere Korngröße des Gußgefüges lag unter 1 mm, während die gleiche, jedoch ungeimpfte und in derselben Weise vergossene Legierung •ine Korngröße des Gußgeftiges von 1,2 cm besaß.

Beispiel 11

Ψ Sasselbe Ergebnis wurde bei der Wiederholung des Versuchs gemäß Beispiel 10 erzielt, obgleich der Streifen gemäß Beispiel 4 durch einen 45 g schweren Streifen gemäß Beispiel 2 ersetzt wurde.

Bei jedem der folgenden Ausführungsbeispiele bestand die Schmelze aus einer Legierung mit 20$ Chrom, 16# Kobalt,

Titan und 1,2$ Aluminium, Rest im wesentlichen Nickel

und besaß beim Einführen des Impfmittelträgers eine Temperatur von 149O⁰C, die oberhalb der Sehmelstemperatur der verschiedenen Träger lag.

Beispiel 12

Streifen gemäß Beispiel 1, die um einen 1 mm dicken Draht aus einer 80/20-Nickel-Chrom-Legierung gewiekelt waren, wurden in einer Gesamtmenge von etwa 4,5 g in eine 4,5 kg-Schmelze eingetaucht. Sie behandelte Legierung wurde alsdann in eine Eisenform mit einem Innendurchmesser von 6 cm vergossen. Sas Gußgefüge besaß eine mittlere Korngröße unter 1 mm. Im Gegensatz dazu besaß das Gußgefüge des gleichen, jedoch ungeimpften, aber in derselben Weise vergossenen Metalls eine mittlere Korngröße von 0,5 cm. Auch führte das Eintauchen des vorerwähnten Drahtes allein zu keiner Änderung der Korngröße.

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Beispiel 15

Das Beispiel 12 wurde wiederholt, wobei jedoch insgesamt 1,4 g Streifen zugesetzt wurden. Auch in diesem falle wies da« Gußgefüge eine mittlere Korngröße unter 1 mm auf.

Beispiel 14

In eine 9 kg-Schmelze wurden in einer Gesamtmenge von etwa 9 g um einen 3 mm dicken Niekel-Chrom-Draht gewickelte Nickeloxyd-Streifen eingetaucht. Danach wurde die Legierung bei einer lemperatur won 850⁰C in eine feuerfeste Form mit einem Innendurchmesser von 7f5 cm vergossen. Die mittlere Korngröße des Gußgefüges lag unter 2 mm. Im Gegensatz dazu besaß die gleiche, jedoch nicht ^impfte und in derselben Weise vergossene Legierung eine mittlere Korngröße von 1,2 cm. Auch das Eintauchen des vorerwähnten Drahtes alleine ergab keinen Einfluß auf die Korngröße.

Beispiel 15

Dieselben Ergebnisse wurden bei einer Wiederholung des Versuohs gemäß Beispiel 14 wiederholt, bei dem jedoch die Kobaltoxyd enthaltenden Streifen gemäß Beispiel 4 verwendet wurden.

Beispiel 16

Bei einer Wiederholung des Versuohs nach Beispiel 14 und der Verwendung von Nickel- und Kobaltoxyd enthaltenden Streifen gemäß Beispiel 2 ergaben sich dieselben Korngrößen.

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Claims

-I

Herr Peter Wesley Davies, 127 Summerland Lane, Caswell, Swansea, Wales, Großbritannien,

Herr John Philip Dennison, 1 Channel View, Sketty, Swansea. Wales, Großbritannien

Patentansprüche;

1* Yei2aiLZi ι sur lornverfeinerung von Metallen beim Erstarren durefe Zusatz tines f listen Impf mittels, dadurch f gekennzeichnet, daß in die Schmelze ein

auf eine Oxydkorngröße von höchstens 2 Mikron innenoxydierter und bei der Badtemperatur schmelzender metallischer Träger eingetaucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daS ein Innenoxydierter Träger mit einer maximalen Oxydkorngröße von 1 Mikron in die Schmelze eingetaucht wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schmelze ein 0,03 . bis 0,4 mm dicker Träger eingetaucht wird.
4* Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schmelze ein innenoxydierter Träger aus einer Einphasen-Legierung eingetaucht wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daS der innenoxydierte Träger aus mindestens 905· Kupfer, Rest Nickel und/oder Kobalt in eine Nickel-, Nickel-Kupfer-, Niokel-Chrom-, oder Niokel-Chrom-Kobalt-legierung mit jeweils bis 50?· Eisen eingetaucht wird.

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6, Verfahren nach einem oder mehreren der Anspiüohe 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß in eine Schmelze aus einer Einphasen- oder einer eine /5-Phase enthaltenden Kupfer-Aluminium-Legierung eine innenoxydierte Legierung mit mindestens 90$ Kupfer, Rest Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt eingetaucht wird.

7· Verfahren naoh einem oder mehreren dtr Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in einer Menge von 0,02 bis 0,5$ in die Schmelze eingetaucht wird.

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