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Aluminium-Molybdän-Titanvorlegierung Aluminium und Molybdän enthaltende
Titanlegierungen werden weitgehend verwendet, zum Beispiel in der Flugzeugindustrie
zur Herstellung von Bau- und Maschinenteilen. Zur Herstellung von Titanlegierungen
wird im allgemeinen Titanschwamm mit einer Vorlegierung legiert, welche die in der
Endlegierung gewünschten Elemente enthält. Titanschwamm wird mit der Vorlegierung
in der Weise legiert, daß man zunächst eine Mischung aus Sc-hwamm und Vorlegierung
bildet, oie Mischung verdichtet und zu einer Elektrode durch Schweißen verbindet.
Die Elektrode wird dann in einem Vakuumofen unter Bildung der gewünschten Titanlegierung
geschmolzen. Um das Gemisch aus Titanschwamm und Vorlegierung zu bilden, muß die
Legierung krümelig oder spröde sein, so daß sie leicht auf die gewünschte Teilchengröße
gebracht werden kann, die eine gute Mischung mit dem Titanschwamm ermöglicht.
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Bei dem Versuch, eine etwa 38 % Molybdän und als Rest Aluminium enthaltende
Vorlegierung zu bilden, wurde festgestellt, daß eine solche Legierung verformbar
bzw. knetbar ist, so daß sie nicht auf eine zum Mischen mit Titanschwamm geeignete
Größe gebracht werden konnte. Es erwies sich deshalb alswAnschenswert, der Molybdän-Aluminium-Legierung
ein Element zuzusetzen, das die Legierung so brüchig macht, daß sie leicht auf die
zu einer Mischung mit Titanschwamm geeignete Größe gebracht werden kann.
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Aus den USA-Patentschriften 2.966.733 und 2.966.735 sind pulverförmige,
Molybdän und Titan enthaltende Aluminiumlegierungen bekannt.
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Man hat auch schon zum Herstellen von Titanlegierungen die Verwendung
von Vorlegierungen vorgeschlagen, die 40 bis 45 % Aluminium, 50 bis 55 % Molybdän
und weniger als 5 % Titan enthalten. Die mit diesen Vorlegierungen hergestellten
Titanlegierungen weichen hinsichtlich
ihrer Zusammensetzung und
Eigenschaften von den mit den Vorlegierungen vorliegender Erfindung hergestellten
Titanlegierungen ab.
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Zur Herstellung von Titanlegierungen aus Vorlegierungen ist es wichtig,
daß diese Legierungen sich ziemlich leicht schmelzen lassen und keine zu hohe Schmelztemperatur
haben, so daß sie sich schnell und gleichförmig mit dem Titan und Metall verbinden.
Die Vorlegierung soll auch von hoher Reinneit sein und keine Verunreinigungen enthalten,
die in die Titanlegierung gelangen würden. Es ist ferner von Vorteil, daß die Vorlegierung
einen niedrigen Sauerstoffgehalt, das heißt von weniger als 0,1 Gew.-; hat.
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Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zur Herstellung
von Titanlegierungen bestimmte Aluminium-Molybdän-Titan-Vorlegierung zu gewinnen,
die von honer Reinheit und brüchig ist, einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt
hat und weniger als 0,1 Gew.-% Sauerstoff enthält und verhältnismäßig leicht und
wirtschaftlich herzustellen ist.
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Zur Lösung dieser Aufhabe dient eine Vorlexierunz. die im wesent-
lichen aus etwa 35 bis 50 s Molybdän~etwa 6,5 bis 15 s Tita4und als Rest Aluminium
und nicht mehr als 0,1 Gew.-S Sauerstoff enthält.
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Die Legierungen vorliegender Erfindung werden auf einfache Weise durch
eine aluminothermische Reduktion von Molybdäntrioxid (MoO3) und Titandioxid mit
überschüssigem Aluminium hergestellt; die reduzierten Metalle verbinden sich mit
dem die gewünschte Vorlegierung bildenden Aluminium Kritisch ist, daß die Vorlegierung
Titan in einer Menge von 6,5 bis 15 Gew.-% enthält, so daß sie auf die für ein leichtes
Mischen mit Titanschwamm geeignete Größe gebracht werden kann. Der Titangehalt trägt,
wie angenommen wird, auch zur Löslichkeit des Molybdäns in der Titanlegierung bei.
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Die technische Durchführung der Umsetzung kann in verschiedenen Apparaten
erfolgen,
zum Beispiel in einem wassergekühlten Kupfergefäß oder Schmelztiegel. Die Verwendung
eines wassergekühlten Kupferofens schließt Verunreinigungen durch feuerfeste Auskleidungen
aus. Da bei der Umsetun~g zwei verschiedene Schichten gebildet werden, nämlich eine
Legierungsschicht, welche durch eine Schicht geschmolzener, das Flußmittel enthaltender
Schlacke bedeckt ist, kann die Anwendung eines Reaktionsgefäßes wünschenswert sein,
das in der Nähe des Bodens eine Öffnung hat, um dieTrennung der Legierung von dem
Schmelzmittel zu erleichtern. Das Reaktionsgemäß kann auch so ausgebildet sein,
daß die Aluminothermische Umsetzung in einer Atmosphäre eines inerten Gases, zum
Beispiel von Argon, durchgeführt werden kann. Ein bevorzugtes Reaktionsgefäß ist
ein wassergekühltes Kupfergefäß der Art, wie es in "Metallothermic Reduction of
Oxides in Water-Cooled Copper Furnaces" von F. 11.
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Perfect, Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Vol.
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239, SgSt 67, v Seiten 1282 bis 1286, beschrieben worden ist.
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Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung.können das Molybdäntrioxid,
das Titandioxid und Aluminium auf eine verhältnismäßig kleine Teilchengröße gebracht
und innig gemischt werden, so daß die Umsetzung sehr schnell und gleichförmig innerhalb
der gesamten Beschickung stattfindet, sobald diese gezündet worden ist.
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Aluminium wird in einer größeren Menge zugesetzt als zur Umsetzung
mit den Metalloxiden erforderlich ist, um eine Legierung der Metalle Molybdän, Titan
und Aluminium herzustellen.
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Je Zündung des Reaktionsgemisches kann durch Erhitzen der Beschikkung
oberhalb des Schmelzpunktes des Aluminiuiiittels eines elektrischen Bogens, Gasbrenners,
heißen Metallbarrem oder dergleichen stattfinden.
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Zu einer erfolgreichen Durchführung der Umsetzung müssen praktisch
alle aus der Zündung der Beschickung entstehenden Reaktionsprodukte geschmolzen
und im geschmolzenen Zustand lang genug verbleiben, um eine Trennung der Legierung
von der Schlade, das heißt Calciumaluminat, zu ermöglichen. Da die Trennung auf
einer Schicntenbildung infolge der Schwere erfolgt, muß das geschmolzene material
eine
ins Gewicht fallende Dünnflüssigkeit besitzen, die hinsichtlich
der Schlacke dadurch erzielt werden kann, daß man der beschickung gewisse anorganische
Stoffe zugibt, die als Schmelzmittel zur Erniedrigung der Viskosität der Schlacke
beitragen. Beispiele solcher Materialien sind Kalk und Flußspat, die bei den Reaktionstemperaturen
für die Absorption der Aluminiumschlacke ein Schmelzrnittel bilden. Diese Materialien
werden im allgemeinen durch die Reduktionsumsetzung nicht beeinflußt.
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Das Verfahren vorliegender Erfindung soll mit chemisch reinem olybdäntrioxid
durchgeführt werden, das mindestens 99 % oO3 enthält, oder mit sehr reinem Calciummolybdat.
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Es ist ein Vorteil des Verfahrens der Erfindung, daß die Anwendung
chemisch reinen Titandioxids nicht erforderlich ist. Obwonl handelsüblich reines
'Ditandioxid, das als Pigment verwendet werden soll und 99 A und mehr Titan enthält,
bevorzugt ist, kann auch weniger reines TiO2 enthaltendes material verwendet werden,
wie tiver Rutil, der etwa 96 s TiO2 und als Verunreinigung kleinere Mengen der Oxide
von Fe, Si, Zr, Cr. Al und Ca, wie aber auch S und P enthält. Handelsübliche reines
TiO2 wird bevorzugt, damit eine Legierung hoher Reinheit erhalten werden kann.
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Das Aluminium sollte von höchster Reinheit sein. Zerkleinerter Aluminiumdraht
(verhältnismäßig reines Leitermaterial), der weniger als 0,005 X Bor enthält, kann
verwendet werden. Reines Aluminiumpulver, das mehr als 99 ß Aluminium enthält, ist
das bevorzugte Reduktions- und Zusatzmittel für die Zwecke vorliegender Erfindung.
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Da die Metalloxide und Aluminium verscnieaener Reinheit sein können,
müssen ihre Mengen entsprechend gewählt werden, um eine Legierung der gewünschten
Zusammensetzung zu ernalten. Aus diesem Grunde sind ffi der Beschreibung und in
den Ansprüchen die Mengen der Reaktionsteilnenmer in Beziehung auf die Zusammensetzung
der gewünschten Legierung angegeben. Wie oben ausgeführt, sollen die Mengen dieser
Reaktionsteilnenmer in solchen engen gewählt werden,
daß eine Vorlegierung
mit etwa 35 bis 50 %-Molybdän, etwa 6,5 bis 15 % Titan und als Rest Aluminium anfällt.
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Während der Umsetzung wird Calciumaluminat als Schlacke gebildet.
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Wie angegeben, wird zur Erleichterung der Abtrennung der Schlacke
von der Legierung die Umsetzung in Gegenwart eines geschmolzenen Flußmittels durchgeführt,
das die Schlacke verdünnt und so fließfähiger macht.
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Das für die Zwecke der Erfindung angewendete Schmelzmittel kann eines
oder mehrere anorganische Materialien mit einem Schmelzpunkt enthalten, der unterhalb
der-Temperatur liegt, bei welcher das Molybdäntrioxid und das Titandioxid mit dem
Aluminium reagiert. Das Schmelzmittel muß in der Lage sein, die durch die Umsetzung
gebildete Schlacke zu verdünnen, so daß eine weniger viskose Schlacke entsteht,
die sich leicht von der Legierung trennt. Die leicht erhältlichen Fluoride und Chloride
solcher Metalle wie Calcium, Magnesium, Aluminium und Kalium, allein oder in Kombination
mit anderen anorganischen Materialien, sind-besonders'zur bildung von Schlacke absorbierenden
Schmelzen geeignet. Ein besonders bevorzugtes Flußmittel enthält Kalk und Flußspat
in einem Mengenverhältnis von etwa 0,5 : 1 bis 2 : 1.
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Die Menge der das Flußmittel bildenden Bestandteile sollte ausreichen,
um eine Menge geschmolzenen FliZemittels zu bilden, das die während der Reduktion
der Oxide des Molybdäns und Titan gebildeten Schlacke ausreichend verdünnt, so daß
eine weniger viskose Schlacke entsteht, die leicht von dem Metall getrennt werden
kann.
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Vorzugsweise wird ein Überschuß an Flußmittel über die Menge hinaus
verwendet, die erforderlich ist, um die gewünschte Viskositätserniedrigung zu erzielen.
Der Überschuß kann im allgemeinen die etwa 0,5- bis 2-fache Gewichtsmenge der sich
beim Verfahren bildenden Schlacke betragen.
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Die beim Verfahren der Erfindung anfallende Aluminium-Molybdä-n-Titanlegierung
enthält weniger als etwa O,1 ß Sauerstoff, was darauf
hinweist,
daß praktisch keine Teilchen mit einer niedrigen Dichte, wie Aluminiumoxid, Titanoxid
und Calciumoxid, vorliegen, das heißt teilchen, die, wenn sie in der Vorlegierung
in beacntlichen Mengen vorliegen, in die Titanlegierung und damit auch in die aus
der Titanlegierung hergestellten bauteile gelangen. In aus 'l'itanlegierungen hergestellten
bauteile könnten Teilchen solcher geringen Dichte nicht zugelassen werden, da dadurch
die bauteile den für den bau von Flugzeugen erforderlicnen hohen Ansprüchen nicht
mehr genügen.
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Zur Herstellung einer Titanlegierung aus den erfindungsgemäßen Titanvorlegierungen
werden diese zweckmäßigerweise auf eine Teilchengröße von 10 mm und weniger gebracht
und mit dem Titanschwamm in ausreichenden Hengen gemischt, so daß die gewünschte
lwtolybdän-Alu-
minium-Titan-Legierung geDildet fiwerden kani und/bei Raumtempera-
tur zu einer im allgemeinen zylindrischen Form zusammengepreßt/. Es können mehrere
Preßlinge zusammengeschweißt werden, um eine Elektrode geeigneter Größe zu bilden,
so daß die Elektrode elektrisch in bekannter Weise zur Herstellung der gewünschten
Legierung erschmolzen werden kann.
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Die Erfindung ist in den folgenden Beispielen beschrieben.
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1. Es wurden die nachstehenden Reaktionsteilnehmer in den angegebenen
Mengen gemischt; Molybdäntrioxid, sublimiert 36,3 kg TiO2 (Pigment) 13, kg Aluminiumpulver
56,7 kg Kalk (CaO) 9,07 kg Flußspat (Saurespat) 4,54 kg Nach dem Mischen wurde die
Beschickung in einen wassergekühlten Kupferofen gegeben, entzündet und eine Minute
sich überlassen.
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Die anfallende Legierung wurde abgezogen und der erhaltene barren
wog 61,7 bis ó2,ó kg, der Barren konnte leicht gebrochen
und auf
eine Teilchengröße von 10 mm und weniger gebracht werden.
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Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung: Mo 37,10 % Ti 12,50
g Al 4i,30 % 0 0,05 % 0,03 % H 0,0008 % Fe 0,32 % P 0,014 % Si 0,11 % s 0,006 %
V 0,06 g w 0,005 % 2. Zur Herstellung einer Legierung diente ein Gemisch aus folgenden
Bestandteilen: Molybdäntrioxid (MoO3) 800 g TiO2 (Pigment) 250 g Aluminiumpulver
900 g Kalk (CaO) 350 g Flußspat (CaF2) 100 g Das Gemisch wurde entzündet und 25
Sekunden sich überlassen; der erhaltene Barren wog 916 g; die Legierung hatte folgende
Zusammensetzung: Mo 48,63 % Ti 12,13 % Al 37,41 % O 0,11 %
3. Es
wurde eine Legierung aus einem Gemisch folgender Bestandteile hergestellt: Molybdäntrioxid
(MoO3) 600 g T102 (Pigment) 170 g Aluminiumpulver 860 g Kalk (CaO) 350 g Flußspat
(CaF2) 100 g Die Mischung wurde gezündet und 17 Sekunden sich überlassen; der gewonnene
Barren wog 910 g.
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Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung; Mo 47,96 % Ti 9,53
% Al 40,36 S o 0,03 % 4. Es wurde eine Legierung aus einer Mischung folgeneder Zusammensetzung
hergestellt: Molybdäntrioxid (MoO3) 800 g TiO2 (Pigment) 125 g Aluminiumpulver 840
g Kalk (CaO) 350 g Flußspat (CaF2) 100 g Das Gemisch wurde gezündet und sich 60
Sekunden überlassen; der erhaltene Barren wog 922 g.
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Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung: Mo 49,70 S Ti 6,92
% Al 41,64 % 0 0,02 % Patentansruch: