DE2511095A1

DE2511095A1 - Verfahren zur herstellung einer legierung

Info

Publication number: DE2511095A1
Application number: DE19752511095
Authority: DE
Inventors: Jphn G Gorsuch; John L Ham
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1975-10-02
Also published as: JPS50158503A; US3933474A; CA1049268A; NL7502189A

Description

Verfahren zur Herstellung einer Legierung

Die Erfinduiii; betrifft die Herstellung von Legierungen aus Metallstäben, enthaltend ein im wesentlichen reines Hauntmetall, in dem man oberflächlich Streifen aus verdichte Len Pulvergomischen. der Legierungselemente und des Hau ntmeta11w anbringt,fortschreitend den Stab über seine Länge hin schmilzt, wodurch man eine gleichmäßige LegierungsriChmolae erhält, und diese dann zu einem Knüppel oder Stab abgioßt brjw. erstarren läßt. Dieses Verfahren führt zu Knüppülu odor Stäben gleichmäßiger Zusammensetzung bei relativ leicht flüchtigen Legierungnelementen.

Ui u ijrf inäiuii; botri L'f fc ein Verfahren zur Herstellung von fits gier ungen, i. no be sondere von v/armfesten V*alzvorprodukten,die i-:ich durch verbeLiiJorte Formbarkeit, Zähigkeit und/oder Hoch-temijoratur—Kriechbeständigküit und Stabilität gegenüber Korn./aehntum aus se lehnen.

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ORIGINAL JNSfECTED

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Die erfindungsgemäß herzustellenden Legierungen enthalten ein Hauptmetall und ein oder mehrere Legierungselemente. Das Hauptmetall kann Tantal, ITiob, Molybdän, Hafnium, Zirkonium oder Wolfram sein oder deren Legierungen in einem G-ewichtsanteil von zumindest SO ',.'> vorliegen. Bevorzugt wird Tantal mit üblichen Verunreinigungen für im Lichtbogen oder durch Elektronenstrahl erschmolzene gegossene Knüppel. Zu den Legierungselementen rechnen die verschiedensten Metalle und Nichtmetalle.

Die verdichteten Pulverstreifen werden hergestellt aus dem Hauptmetall und den Legierungselementen, die in diesen Streifen in einer wesentlich größeren Menge vorliegen.als sie in der fertigen Legierung angestrebt werden. Es wird aus dem Hauptmetall ein Stab hergestellt und die Streifen über die Länge des Stabs an der Oberfläche gebunden. Die Dicke der Streifen soll c- 1/4, vorzugsweise < 1/10 des Durchmessers bzw. der Querschnittsfläche des Stabes betragen. Vorzugsweise is I; der Stab eine im Lichtbogen oder Elektronenstrahl erschmolzene Elektrode. Die Streifen sind eher länglich und breit und werden an einer oder beiden Seiten der Elektrode ohne Unterbrechung oder Überlappung mit einer Wolfram-Elektrode in Inertgas angeschweißt, insbesondere in einer Kammer mit Argon (uninterrupted T.I.G.type weld). Die Streifen können verteilt v/erden in beliebiger Art, so daß gleichmäßig große Querschnitte zustande kommen.

Der Stab wird dann über seine Länge abgeschmolzen und die Schmelze tropft in eine Form,wo sie unter energiereichen Bedingungen aufgefangen wird, wodurch in Verbindung mit einem elektromagnetischen Mischen oder auf andere V.¹ eise eine Durchmischung der Schmclzbestandteile vor deren Erstarrung erfolgt.

Die erstarrte Legierung, vorzugsweise in Form eines Knüppels, wird geschmiedet, gewalzt oder auf sonst übliche V/eise umgeformt. Es wurde festgestellt, daß man gegenüber den üblichen Legierungshc-r.-j bellungsverfahreti auf pulvermetallurgischem V.'ege oder durch Abschmelzen im Lichtbogen eine bessere Einstellung der Legierungszuiüätae erhalten kann» Das oben erwähnte Ein-

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ORIGINAL INSPECTED

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schmelzen nach der Erfindung führt dazu, daß die Streifen an ihren Enden in der gleichen Geschwindigkeit abschmelzen wie der Stab. Auf diene Weise wird eine genaue Dosierung der Legierungselemente in die Schmelze selbst bewirkt.

Aufgrund der hohen Schmelzpunkte der warmfesten" Metalle würde zugegebenes Legierungselement ohne der erfindungsgemäßen Dosierung weit vor dem warmfesten Metall schmelzen, wodurch es zu einer regellosen und unkontrollierbaren Zusammensetzung der Schmelze käme. Das Pulvergemisch der Streifen nach der Erfindung regelt das Schmelzen und wirkt sozusagen als Schwamm, in dem die Legierungselomente gehalten werden bis zum richtigen Zeit— JDUniet der !Freisetzung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung beim Einschmelzen im Lichtbogen liegt darin, daß die geregelte allmähliche Zugabe der Legierungselemente eine Regelung der Bogenstromstärke ermöglicht,die sonst außer Kontrolle gerät, immer dann, wenn eine bestimmte Menge eines relativ nieder schmelzenden und nieder siedenden Elements zugefügt wird.

In den Streifen sollen die Hauptmetalle zumindest 50, vorzugsweise 80 Gew.-^ ausmachen. Die genaue Zusammensetzung richtet π ich danach, daß die Legierungselemente im Lauf der Verarbeitung festgehalten werden, was auch für die Anteile gilt, die bereits in den Stäben als Verunreinigung oder dergleichen enthalten sind«,

Die Erfindung 'wird an der beiliegenden Figur weiter erläutert. Diese ist ein schomatischer Querschnitt durch eine Lichtbogenschmelzanlage unter Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode mit dem Pulverstreifen. Die Elektrode 10 hat Streifen 12 hintereinander angeordnet über die Länge der Elektrode an einer Seite und mittels einer ununterbrochenen Schweißraupe angeschweißt. An der Kokillenwand 14, die von dem Untersetzblock abgeschlossen wird, befindet sich der Kühlmantel 13. In der Kokille bildet sich der Knüppel 16, über dem noch der Schmelzsumpf 18 steht. Bei diesem Lichtbogenschnielsen in Verbindung mit einem magnetischen Rühren mit Hilfe der Spule 19 herrscht in Sumpf 13 ausreichende Turbulenz j um eine gleichmäßige Ver-

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teilung der lerierungselemente in dem Haup .,metall zu gewährleisten. Hit fortschreitender Erstarrung der ,Schmölze v.'ird der Knüppel über den Untersetzblock 15 nach unten gezogen.

Die Streifen 12 haben einen tieferen Schmolzpunkt als die Elektrode 10, so daß sie nicht hinau;;stehen über die abschmelzende Elektrode. Das Abschmelzen der Streifen über die Elektrode ninaus nach rückwärts ist ein selbstbegrenzender Torgang, denn bei entsprechend zurückgeschmolzenem Streifen erlangt dieser nicht mehr die Schmelztemperatur.

Es ist möglich₍anstelle eines Lichtbogens auch-einen Elektronenstrahl für das Einschmelzen anzuv/enden, v/o bei jedoch auch in diesem Fall ein Magnetrühren zweckmäßig ist.

Die Streifen werden auf übliche isostatiache oder Formpreßmethoden aus einem homogenen Pulvergemisch der Hauptelemente und Legierungselemente hergestellt. Um maximaIe Festigkeit der Streifen zu erreichen, sollte man scharfkantige Pulver oder längliche Produkte anwenden und nicht epiaxiale feinteilige Stoffe, so daß man bei Preßdrucken von 700 bis 1000 kg/cm ausreichende Grünfestigkeit für die Handhabung erreicht.

Die Streifen v/erden bei dem Anschweißen gesintert. Durch das Sintern erhöht sich .die Festigkeit der Pulverbindung innerhalb der Streifen und verringert damit die "Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen Einbringung der Bestandteile der Streifen in die Schmelze«, Die Grünfestigkeit muß die Handhabung .und Befestigung an der Elektrode einschließlich des Schweißens gestatten,,

Elektrode 10 und Streifen 12 gewährleisten ein im v/esentlichen gleichzeitiges Abschmelzen in den Sumpf 18 und damit eine geregelte Zufuhr der Legierungselemente in die Schmelze. Darüber— hinaus wird die Verdampfung von flüchtigen Legierungselementen weitgehend eingeschränkt durch den dünnen Querschnitt der Streifen und Begrenzung des Y.'ärmeüberganrs über die 'Länge»

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Die Streifen sind beispielsweise rechteckige Stäbe mit folgenden Diine na ionen: 6,35 bis 19 mm ^x 6,35 bis 19 mm zu einer Länge von 150 bin 610 mm.

Die grünen Streifen kann man vorsintern zur Erhöhung der festigkeit, wenn dies wegen einer rauheren Handhabung durch Versand und/oder Lagerung für spätere Anwendung zweckmäßig erscheint.

Die Elektrode 10 kann ein Knüppel sein, der im Lichtbogen oder Elektrodenstrahl aus einem losen Granulat erschmolzen wurde, ein auf pulvermetallurgischem Wege erhaltener Formling oder ein G-ießling. Alle diese rohen Elektroden können dann noch mechanisch nachbearbeitet sein.

Während für die meisten Zwecke eine einzige Reihe von Ende an Ende aneinanderstoßende Streifen ausreicht, so kann man auch zwei derartige Reihen in einem Abstand von 30° anwenden oder die Streifen versetzt anordnen, um die einzuführende Legierungsmenge zu vergrößern zur Kompensation des Verziehens entweder während des Bindens des Streifens oder des Abschmelzens oder um bestimmte Elektrodenwiderstände, Durchmesser von Elektrode und Knüppel oder Schmelz- und Rührbedingungen zu gestatten.

Die Erfindung wird an den folgenden Beispielen weiter erläutert:

Beispiel 1

Ein T-antalknügpelvon 3 ei wurde erhalten durch Schmelzen im Lichtbogen und Schmieden. Es wurden Streifen hergestellt für das Zulegieren von Kohlenstoff, Silicium, Eisen, Nickel, Hiob und Yttrium in den Knüppel. Der Anteil an Verunreinigungen in dem Knüppel ist in Tabelle 1 durch die Zeile A angegeben. Die Zeile B gibt den Anteil der Legierungselemente an. Die Einbrim-:unc: von Yttrium geschah als Yttriumoxid im Hinblick auf 400 ppm Yttrium. Yttriummetall ist kostspielig und an der

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Luft unbeständig. Während des Einschmelzens wird das Yttriumoxid unter Freisetzung von 108 ppm Sauerstoff reduziert. Die anderen Legierungsbestandteile wurden in Form der Elemente zugefügt. Im Rahmen der Herstellung der Streifen wurden die entsprechenden Kengen der Legierungoelemente zusammen mit 87 /i Tantal, bezogen auf das gesamte Pulvergewicht,

gemischt und isostatisch unter einem Druck von 700 kg/cm verpreßt auf acht 380 mm lange Streifen,um eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente über die gesamte Elektrodenlänge zu gewährleisten.

Die Streifen wurden auf der Elektrode hintereinander auf einer Seite ununterbrochen mit einer VJolframelektrode unter Schutzgas angeschweißt ( d.h. an den Ecken der Streifen in tangentialem Kontakt mit der Elektrode) .Das Schweißen erfolgte in einer trockenen Kammer. Die Schweißhitze sinterte das Pulver der Streifen soweit zusammen, daß die Festigkeit und Bruchbeständigkeit wesentlich erhöht wurden ·

Die mit dem Streifen versehene Abschmelzelektrode arbeitete unter einer Bogenstromstärke von 590 bis 100 A/cm Elektrodendurchmesser, wobei das Magnetfeld für das Rühren 24 Oe betrug.

Eine einzige Streifenreihe in gerader Linie ergibt gute Gleichmäßigkeit und Festhalten der Legierungselemente. In der folgenden Tabelle sind in der Zeile G die Gesamtanteile an Legierungselementen in der Elektrode, in der Zeile D die Analyse des erhaltenen Legierungsknüppeis und in Zeile E das prozentuale Festhalten der Bestandteile der Legierungselemente zusammengefaßt:

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Tabelle I O IT C Si Ee Ui lib Y

angestrebt gering gering gering 30 40 40 80 60 A.Biektroden-

statir,e ppn 56 16 11 4.10 2 12 <25 9

B. Zusatz durch

Streifen 108 0 51 53 133 55 80 400 C.Analyse der

trode 164 16+ 62 58-49 135 67 80-105 409

D. xinlvoe la na 1 y s e

ppm " '56 8 43 35 56 22 70 52 E.Eetention £ 34 - 69 .75-92 41 33 74-87 13

Tabelle II bringt einen Vergleich von erfindungsgemäß hergestelltem Draht mit anderen Verfahren. Der Knüppel ITr. 3 unter Verwendung von Streifen, um Kohlenstoff, Silicium, Eisen, nickel, ITiob und Yttrium einzubringen, enthielt die zugesetzten Elemente. Der daraus hergestellte Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm hatte eine bessere Beständigkeit gegenüber Verspröden unter Sauerstoff und Kornwachstum bei 21CO⁰C während 2 min bzw. Lornwachstum bei 1300⁰C während 1,5h und 2000⁰C während 0,5 h gegenüber einem Draht, der aus einem nicht-legierten Tantalknüppel Vergleich 1 oder Vergleich 2 nur legiert mit Yttrium erhalten worden ist, wobei das Yttriummetall bei diesem Knüppel in Form von Einsätzen in Längsvertiefungen der Elektrode eingebracht wurde. In der Tabelle sind die Anzahl der Biegungen bis zum Bruch (Mittel aus 6 Versuchen) angegeben, wobei die Prüfkörper in 2 η Luftdruck bei 2100⁰C gehalten wurden und diese Untersuchungen ein Haß für die Versprödungsbeständigkeit unter Sauerstoff ergeben.

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	1	O	N	G	Si	Tabelle II	ppm Ni	lib	Y	Biegung bis Bruch	ASTM - Korngröße A B	_	C
	2	—	—	12	10	j Pe	6	25		0,25	6	7-1/2 7-	1
Vergl.	•	42	12	23	10	3	17	25	30	2,21	7	9	-1/2
Vergl.		56	8	43	35	1	22	70	52	2,96	8		8
erf.gem				56

A: 2 min bei 2100⁰C B: 1,5h bei 1300⁰C C: 0,5 h bei 2000⁰C

Beispiele 2 bis 5 -

Nach Beispiel 1 wurden vier weitere Tantal-Legierungslmiippel hergestellt und daraus Draht oder dergleichen gemacht. Auch hier zeigte sich die gute Beständigkeit gegen Kornwachstum und Versprödung unter Sauerstoff.

Tabelle III

	0	•Ν	C	Si	Ee	Ppm	lib	Y	Y (als YpO.-) zugesetzt
Knüppel	43	20	15	39	37	ITi	54	_	(ppm Y)
1	60	8	32	22	29	18	47	57	0
ro	72	10	47	37	28	14	49	57	200
3	55	11	45	52	23	14	55	67	400
4 1					14		400

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Aus der US-PS 3 565 602 ist bekannt, leichter flüchtige, niederer schmelzende Metalle mit geringen Mengen eines hoch warinfesten Elements zu legieren, indem man das Pulvergemisch in eine Hohlelektrode füllt und diese im Lichtbogen oder mit einem Elektronenstrahl abschmilzt. Dies ist gerade die Umkehrung der erfindungsgemäß herzustellenden Legierungen. Nachteilig daran ist, daß zu Beginn des Einschmelzens das niederer schmelzende Hauptmetall praktisch vollständig abschmilzt, bevor die höher schmelzenden Legierungslemente Schmelztemperatur erreichen. Damit kann aber keine homogene Schmelze mehr erreicht werden und gleichzeitig wird der Lichtbogen instabil. Diese Probleme traten erfindungsgemäß nicht auf.

- Patentansprüche -

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Claims

lA-45 629 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Legierungen, dadurch gekennzeic hn e t, daß man ein Pulvergemisch der leichter flüchtigen niederer schmelzenden Legierungselemente und des hoch warmfesten Hauptmetalls zu Streifen formt, diese achsial an der Oberfläche einer Stange aus dem Hauptmetall befestigt, diese Stange mit befestigten Streifen als Elektrode unter einem Lichtbogen oder Elektronenstrahl abschmilzt und die Schmelze zu Knüppeln erstarren läßt.

2. Verfahren zur Herstellung von Legierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hauptmetall Tantal, Niob, Molybdän, Hafnium, Zirkonium, Wolfram und deren Legierungen mit mehr als 80 % dieser Elemente anwendet.

3. - Verfahren zur Herstellung von Legierungen nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die verpreßten Pulverstreifen vorsintert.

4. Verfahren zur Herstellung von Legierungen nach Anspruch bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Streifen an die Stange des Hauptmetalls anschweißt.

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