DE2628848C3

DE2628848C3 - Verfahren zur Aufstickung von hochlegierten Stählen beim Elektroschlackeumschmelzen

Info

Publication number: DE2628848C3
Application number: DE19762628848
Authority: DE
Inventors: Dr.Rer.Nat. Rudolf Mohs
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1976-06-26
Filing date: 1976-06-26
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE2628848B2; DE2628848A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufstickung (Erhöhung des Stickstoffgehalts) von hochlegierten Stählen beim Elektroschlackeumschmelzen.

Hochlegierte Stähle werden nach ihrer Herstellung zur Reinigung, Homogenisierung und Verbesserung der Werkstoffeigenschaften sehr oft im Elektroschlackeumschmelzverfahren (ESU-Verfahren) umgeschmolzen. Der Stickstoffgehalt des umgeschmolzenen Stahls wird unter anderem durch die Erstarrungstemperatur der Schmelze, den Partialdruck des Stickstoffs und die Zusammensetzung der Schmelze bestimmt. So kann durch die Zugabe von Chrom, Mangan, Niob und Molybdän der Stickstoffgehalt des Stahls erhöht werden, während der Stickstoffgehalt des Stahls durch die Erhöhung des Kohlenstoff- und Siliciumgehalts gesenkt wird. Der Stickstoff liegt im Stahl in gelöster Form und/oder in gebundener Form als Nitrid-Stickstoff vor. Mit der Erhöhung des Stickstoffgehalts im Stahl wird in der Regel eine Erweiterung des y-Bereichs, eine Austenitstabilisierung und eine Erhöhung der Härte erreicht So wird in Schnellarbeitsstählen und warmfesten Stählen durch die Nitride des Vanadiums und Niobs das Kornwachstum bei erhöhter Temperatur sowie die Primärstruktur günstig beeinflußt Stickstofflegierte, austenitische Chrom-Nickel-, Chrom-Mangan- und Chroffl-Nickel-Mangan-Stähle weisen eine gute Kaliverformbarkeil und Kaitverfestigungsfahigkeit sowie eine erhöhte Festigkeit auf. Die Aufstickung von hochlegierten Stählen ist wegen der damit erreichbaren Verbesserung der Werkstoffeigenschaften von technischem Interesse.

Es ist bekannt, daß zur Aufstickung hochlegierter StIhIe das Elektroschlackeumschmelzen und das Erstar· ren der Schmelze in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von 30 bis 50 atm durchgeführt werden. Auch das Erstarren der Schmelze muß unter erhöhtem Druck ablaufen, da anderenfalls eine Entgasung der Schmelze, das sogenannte »Treiben«, eintreten würde. Zur Durchführung der Aufstickung bei erhöhtem Druck ist ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufstickung hochlegterter Stähle beim Elektroschlackeumschmelzen zu schaffen, das ohne Druckapparaturen auskommt, eine ruhige Schmelzfüh-

s rung während des Elektroschlackeumschmelzens zuläßt und in den bekannten, verschiedenartig gestalteten ESU-Anlagen durchgeführt werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in überraschender Weise dadurch gelöst, daß der Schlacke

ι ο während des bei Normaldruck ablaufenden Umschmelzvorgangs ein Gemisch aus einem starken Desoxidationsmittel und einem hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitrid, dessen Halbmetall die Werkstoffeigenschaften der hochlegierten Stähle nicht nachteilig beeinflußt, kontinuierlich zugegeben wird, wobei die Desoxidationsmittelmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-% und die im Halbmetallnitrid enthaltene Stickstoffmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-%, bezogen auf die ac igeschmolzene Stahlmenge, liegt Die der Schlacke zugegebene Halbmetallnitridmenge muß mindestens so groß sein, daß durch den im Halbmetallnitrid enthaltenen Stickstoff der theoretisch zu erwartende Stickstoffgehalt des Stahls überschritten wird. Andererseits darf die der Schlacke zugesetzte Halbmetallnitridmenge nicht so groß sein, daß der einwandfreie Ablauf des Umschmelzprozesses gestört wird oder daß die umgeschmolzenen Stahlblöcke Gasporosität aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft durchgeführt werden, wenn als Desoxidationsmittel Calcium-Si-

jn licium oder Calcium-Silicium-Magnesium und als Halbmetallnitrid Siliciumnitrid verwendet wird. Durch die zugesetzten Siliciumverbindungen wird der Silidumgehalt des aufgestickten Stahles festgelegt
Obwohl der Sauerstoff die Löslichkeit des Stickstoffs im Stahl nicht merklich vermindert, besetzt er als oberflächenaktiver Stoff doch einen großen Teil der Grenzfläche zwischen Schlacke und Schmelze und verlangsamt den Stickstoffübergang in die Schmelze. Durch das Desoxidationsmittel wird der auf den Metalltröpfchen vorhandene Sauerstoff schnell abgebunden. Der in der Schlacke durch die Dissoziation des hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitrids entstehende Stickstoff kann daher ungehindert und schnell in die Schmelze eindringen. Außerdem enthalten die verwendeten hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitride soviel Stickstoff, daß während des Schmelzvorgangs bezogen auf die Schlacken- und Stahlmenge nur eine kleine Menge des Halbmetallnitrids kontinuierlich in die Schlacke gegeben werden muß, was die besonders ruhige Schmelzführung während der «rfindungsgemäßen Aufstickung bewirkt Weiterhin kann das gemäß der Erfindung gestaltete Verfahren in ESU-Anlagen mit Stand- und Gleitkokillen angewendet werden, wobei keine besonderen Druckapparaturen erforderlich sind

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten hochlegierten Stahle haben Stickstoffgehalte, die deutlich über den theoretisch zu erwartenden Stickstoffgehalten liegen, welche entsprechend den bekannten Gleichgewichtsbeziehungen für die jeweilige Stahlzusammensetzung berechnet werden. Die gemäß der Erfindung hergestellten Stahlblocke weisen keiner« lei Gasporosität auf, besitzen eine spiegelglatte Oberfläche und haben eine homogene Zusammensetzung.

fn Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert. Die in den Beispielen genannten Prozentzahlen sind Gewichtsprozente.

Beispiel 1

Ein austenitischer Stahl mit der Zusammensetzung 13,7% Mn, 4,75% Cr, 0,15% Mo, 0,8% Ni, 0,08% V, 0,64% Si, 0,56% C und 0,07% N wurde in einer ESU-Anlage unter einer Schlacke mit der Zusammensetzung 60% CaF₂, 20% CaO und 20% Al₂O₃ bei Normaldruck in Gegenwart von Luft umgeschmolzen. Während des Umschmelzens wurde der Schlacke ein Gemisch aus 0,5% CaMgSi und 0,57% Si₃N₄ 0,23% N, jeweils bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, kontinuierlich zugegeben. Der umgeschmolzene und erfindungsgemäß aufgestickte Stahl hatte eine Zusammensetzung von 18,2% Mn, 4,7% Cr, 0,15% Mo, 0,8% Ni, 0,08% V, 1,2% Si, 0,55% C, 0,06% Al, 0,003% Ca, 0,001% Mg, 0,001% O und 0,15% N. Der für die Stahlzusammensetzung errechnete, theoretische Stickstoffgehalt liegt bei 0,09% und auch der Stickstoffgehalt von Stählen, welche die angegebene Zusammensetzung haben und nur nach dem ESU-Verfahren umgeschmolzen werden, liegt erfahrungsgemäß zwischen 0,07 und 0,09%. Obwohl der tatsächliche Stickstoffgehalt des gemäß der Erfindung hergestellten Stahls nahezu um 70% größer ist als der theoretisch mögliche Stickstoffgehalt, hatte der Block eine völlig homogene Zusammensetzung und wies keine porösen Stellen auf.

Beispiel 2

Ein austenitischer Stahl A mit der Zusammensetzung 17,5% Cr, 13% Ni, 2J5Vo Mo, 1,35% Mn, 0,4% Nb, 0,32% Si, 0,059% C und 0,16% N wurde in einer ESU-Anlage unter einer Schlacke mit der Zusammensetzung 60% CaF₂, 20% CaO und 20% AKb be; Normaldruck in Gegenwart von Luft umgeschmolzen. Während des Umschmelzens wurde der Schlacke cn Gemisch aus 0,45% CaMgSi und 0,45% Si₃N₄ 0,18% N, jeweils bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, kontinuierlich zugegeben. Der umgeschmolzene und kontinuierlich aufgestickte Stahl B hatte eine Zusammensetzung von 17,5% Cr, 13% Ni, 2£% Mo, 135% Mn, 0,45% Nb, 0,75% Si, 0,066% C, 0,05 AJ, 0,005% S, 0,005% Ca, 0,001% Mg, 0,002% O und 0,23% N, Der für die Stahlzusammensetzung errechnete theoretische Stickstoffgehalt liegt bei 0,19%. Der aufgestickte Stahl B hatte keine Gasporosität, besaß eine spiegelglatte Oberfläche und wies eine homogene chemische Zusammensetzung auf. Die nachfolgende Tabelle enthält die Werkstoffeigenschaften der Stähle A und B. Die in der Tabelle verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung:

aaa=Streckgrenze ob = Zugfestigkeit ό = Dehnung φ =

N/mm*] N/mm*]

Stahl A

Geschmiedet u. austenisiert

ob δ

Ψ 10 % kaltverformt u. angelassen

o_B δ

Ψ 20% kaltverformt u. angelassen Of)J ob δ

40% kaltverformt u. angelassen ^σ0,2 ob δ

Stahl B

400	415
750	770
41,7	42,3
66	65
795	920
930	1020
25	20
62	59
920	1100
1040	1170
21	20
574	48
1210	1520
1280	1550
12,7	8
49	28

Claims

Patentansprüche:

1, Verfahren zur Aufstickung von hochlegierten Stählen beim Elektroschlackeumschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlacke während des bei Normaldruck ablaufenden Umschmelzvorganges ein Gemisch aus einem starken Desoxidationsmittel und einem hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitrid, dessen Halbmetall die Werkstoffeigenschaften der hochlegierten Stähle nicht nachteilig beeinflußt, kontinuierlich zugegeben wird, wobei die Desoxidationsmittelmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-°/o und die im Halbmetallnitrid enthaltene Stickstoffmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-%, bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, liegt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Desoxidationsmittel Calcium-Silicium oder Calcium-Silicium-Magnesium und als Halbmetallnitrid Siliciumnitrid verwendet wird.