DE2924415A1

DE2924415A1 - Verfahren zur aufstickung von hochlegiertem stahl

Info

Publication number: DE2924415A1
Application number: DE19792924415
Authority: DE
Inventors: Johannes Jachowski; Rudolf Dipl Phys Dr Rer N Mohs; Paul Dipl Ing Pant
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Vereinigte Schmiedewerke 44793 Bochum De GmbH
Priority date: 1979-06-16
Filing date: 1979-06-16
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2924415C2

Description

Verfahren zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl, das unter erhöhtem Druck beim Elektroschlackeumschmelzen zur Anwendung kommt. Durch die Erhöhung des Stickstoffgehalts von hochlegierten Stählen wird die Verbesserung einiger -,ferkstoffeigenschaften erreicht.
Aus der DE-AS 1 758 782 ist ein Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen stickstoffhaltiger Metalle unter Gasüberdruck bekannt, bei dem der Elektroschlacke-Umschmelzvorgang zur Erhaltung des Stickstoffgehalts in einer Überdruckatmosphäre von 1,2 bis 1,5 at aus Stickstoff oder einem stickstoff-wdelgas-Gemisch erfolgt und bei dem der Umsc5mmelsvorgang zur weiteren Nitrierung des Metalls in einer Überdruckatmosphäre von 1,5 bis 1,7 at aus Stickstoff oder einem stickstoffhaltigen Gas durchgeführt wird. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß der Stickstoffgehalt des uzzuschmelzenden Metalls nur geringfügig erhöht wird, denn auch bei hohen Drücken wird von der Metallschmelze relativ wenig Stickstoff aus der stickstoffhaltigen Atmosphäre aufgenommen.
Legierungen mit größeren Stickstoffgehalten können mit dem in der DE-AS 2 425 032 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, bei welchem eine Metallelektrode in einer inerten Gasatmosphäre bi einem Druck von mindestens 20 at nach dem Elektroschlacke-Umschmelzprozeß abgeschmolzen wird, wobei der Schlacke Metallnitride, insbesondere Chro:n- mnd/oder Mangannitrid, sowie Desoxidationsmittel, insbesondere Erdalkalimetalle, zugeführt werden. Bei diesem Verfahren werden neben Stickstoff auch metalle wie Chrom und/oder mangan in die Metallschmelze eingebracht. Da Metallnitride einen hohen Metallgehalt haben - z.B. besteht nitriertes Ferrochrom aus 5% N, 65% Cr und Rest Fe - muß dieser Metallgehalt bereits bei der Herstellung der umzuschmelzenden Ausgangselektrode berücksichtigt werden, damit die Zusammensetzung der aufgestickten, umgeschmolzenen Legierung nicht in unerwünschter Weise durch den Metallgehalt der Metallnitride verändert wird. Die Herstellung von umzuschmelzenden Ausgangs elektroden mit einem niedrigen Gehalt bestimmter Metalle bereitet in der Praxis oft Schwierigkeiten, zumal wegen des geringen Stickstoffgehalts der Metallnitride zur Einstellung eines größeren Stickstoffgehalts in der umgeschmolzenen Legierung größere Metallnitridmengen und damit auch größere Metallmengen zugegeben werden müssen.
In der DE-OS 2 628 848 wird ein Verfahren zur Aufstikkung von hochlegierten Stahlen beim Elektroschlackeumschmelzen vorgeschlagen, bei dem der Schlacke während des bei Normaldruck ablaufenden Umschmelevorgangs ein Gemisch aus einem 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.-Vo, bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, liegt und wobei vorzugsweise als Desoxidationsmittel Calcium-Silicium oder Calcium-Silicium-Iagnesium und als Halbmetallnitrid Siliciumnitrid verendet wird. Das Desoxidationsmittel bindet den in der Schmelze vorhandenen Sauerstoff und beschleunigt dadurch die Diffusion des Stickstoffs von der Schlacke in die Schmelze. zeigen des hohen Stickstoffgehalts der verwendeten Halbmetallnitride, insbesondere des Siliciniiitrids, kann zwar bei diesem Verfahren in vorteilhafter reise eine hohe Aufstickung der Stähle mit einer kleinen Nitridmenge erreicht werden; andererseits hat sich aber gezeigt, daß bei der AufstiX-kung bestimmter Legierungen mit hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitriden unter Normaldruck keine ausreichend hohen Stickstoffgehalte erreicht werden können.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl beim Elektroschlackeumschmelzen zu schaffen, mit dem bei ruhiger Schmelzführung hohe Stickstoffgehalte erreicht werden können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß während des Umschmelzens und Abkühlens des Stahls durch Stickstoff und/oder Argon ein Druck von 1 bis 60 bar, vorzugsweise 5 bis 35 bar, aufrechterhalten und der Schlacke während des Umschmelzens ein Desoxidationsmittel sowie ein hochstickstoffhaltiges Halbmetallnitrid kontinuierlich zugesetzt wird. Das Desoxidationsmittel soll in bekannter Weise die Diffusionsgeschwindigkeit des Stickstoffs erhöhen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Stähle mit hohem Stickstoffgehalt hergestellt werden, ohne daß sich bei der Anfertigung der umzuschmelzenden Ausgangselektroden Schwierigkeiten ergeben.
Das Aufstickungsverfahren kann nach der Erfindung besonders erfolgreich durchgeführt werden, wenn die umzusckmelzenue Ausgangselektrode annähernd die gleichen Gehalte an den die Stickstofflöslichkeit fördernden Metallen aufweist wie der aufgestickte Stahl. Insbesondere sind die Gehalte der die Stickstofflöslichkeit fördernden Elemente Chrom und Mangan sowohl in den umzuschmelzenden Ausgangselektroden als auch im aufgesticken Material annähernd gleich. Diese erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht es, den Stickstoffgehalt entsprechend der durch die chemische Zusammensetzung bedingten Stickstofflöslichkeit in den unter Normaldruck hergestellten Ausgangselektroden auf einen hohen Wert einzustellen. Damit ergibt sich zwischen dem Stickstoffgehalt des aufgestickten Stahls und dem Stickstoffgehalt der Ausgangselektroden im Gegensatz zu den Gegebenheiten bekannter Verfahren eine minimale Differenz. Dementsprechend sind auch beim erfindungsgemäßen Verfahren die zur Einstellung der angestrebten Stickstoffgehalte erforderlichen Zusatz an Halbmetallnitriden relativ gering.
Da außerdem die verwendeten Halbmetallnitride stickstoffreich sind, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ruhigen und einwandfreien Schmelzführung Es ist ferner vorteilhaft, daß sich durch die geringen Halbmetallnitrid-Mengen die Schlackentemperatur nur unwesentlich verändert, wodurch die Schlackenhaut an der gesamten Oberfläche des erschmolzenen Stahlblocks eine konstante Dicke hat und eine gute Qualität der Blockoberfläche erreicht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn 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 umgeschmolzene Stahlmenge, liegt.
Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß als Desoxidationsmittel Calcium-Silicium oder Calcium-Silicium-Magnesium und als Halbmetallnitrid Silicium-Nitrid verwendet wird. 3ei Verwendung dieser Stoffe ist lediglich darauf zu achten, daß der S licium-Gehalt der umzuschmelzenden Ausgangselektrode unter 0,2 Gew.-Va liegt, da während der Aufstickung nur der Silicium-Gehalt des Stahls geändert wird, während sich die Gehalte aller anderen Legierungsbestandteile durch die Aufstickung nicht ändern, was eine optimale Homogenität der chemischen Zusammensetzung der umgeschmolzenen Stahlblöcke zur Folge hat.
Insbesondere war nicht zu erwarten, daß die gleichzeitige Verwendung von Silicium-Verbindungen und unter Druck stehendem Stickstoff zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl so gut abläuft, da der Fachmann weiß, daß der Stickstoffgehalt des Stahls durch die Erhöhung des Silicium-Gehalts gesenkt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die umzuschmelzende Ausgangselektrode mit einem Gemisch aus dem Desoxidationsmittel und dem Halbmetailnitrid beschichtet wird, da durch diese Maßnahme ein hoher Grad der Kontinuität bei der Dosierung der Zusatzstoffe erreicht wird.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Bei den im folgenden genannten Prozent-Angaben handelt es sich stets um Gewichts-Prozente.
Zur Herstellung eines aufgestickten Stahlblocks mit einem Gewicht von einer tonne und mit der Zusammensetzung 18,8 % Mn; 18,5 ß Cr; c 0,1 % C; 1,7 0 N; Rest Fe durch Druckaufstickung in einer ESU-Anlage muß bei Anwendung des Verfahrens nach der DE-AS 2 425 032 zunächst eine elektrode von 800 kg mit der Zusammensetzung 23,5 % 6,9 % Cr; Rest Be hergestellt werden. Der unter atmosphärischem Druck für diese Zusammensetzung einstellbare Stickstoffgehalt der Ausgangselektrode (unter InkauSnahme von Gasporosität) beträgt ca. 0,40 %. Beim Blektroschlackeumschmelzen unter Druck müssen dann zur Einstellung der gewünschten Endzusammensetzung 200 kg FeCrN (65 % Cr; 5 % N; 30 % Fe) zugesetzt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Herstellung dieses aufgestickten Stahlblocks eine Elektrode mit einem Gewicht von 980 kg und einer Zusammensetzung von 19,2 % Mn; 18,9 % Cr; @ 0,1 % C; Rest Fe gegossen. Der unter atmosphärischem Druck für diese Zusammensetzung einstellbare Stickstoffgehalt der Ausgangselektrode (unter Inkaufnahme von Gasporosität) beträgt 0,8 . Beim Elektroschlackeumschmelzen unter einem Druck von 17 bis 23 bar werden dann zur Einstellung der gewünschten Endzusammensetzung 17 kg Si3N4 und 3 kg CaSiMg zugesetzt.
Die beim Umsohmelzen verwendete Schlacke besteht aus 60 % CaF2, 20% CaO und 20 % Al2O3 oder aus 34 % CaF2, 33 ß 0a0 und 33 % Al203 Während nach dem Verfahren der DE-AS 2 425 032 bei der Aufstickung eine Differenz des Stickstoffgehalts von 0,9 % überwunden werden muß, ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nur eine Differenz von 0,5 % zu überwinden.
Aus der nachfolgenden Tabelle geht hervor, wie der Druck den Stickstoffgehalt des aufgestickten Stahls beim Elektroschlackeumschmelzen beeinflußt. Die Umschmelzvorgänge 1 bis 3 wurden auch mit Ausgangselektroden der Zusammensetzung 19,2 % Mn; 18,9 % Cr; < 0,1 % C; Rest Fe durchgeführt, wobei jeweils 1,7 % Si3N4, was 0,68 % N N entspricht, und 0,3 % CaSiMg zugesetzt wurden.

Umschmelzvorgang Druck N-Gehalt des umge-

Nr. [bar] schmolzenen Stahles

%

1 5 0,94

2 17 1,14

3 20 1,28

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten aufgestickten Stähle eignen sich insbesondere zur Fertigung von Kappenringen für Hochleistungsgeneratoren.
Zur Aufstickung des Stahls kann insbesondere wegen seiner Preiswürdigkeit ein Si 3N4 verwendet werden, das mit 10 % Eisen verunreinigt ist.

Claims

A n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl, das unter erhöhtem Druck beim ElektroscWjackeumschmelzen zur Anwendung kommt, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß während des Umschmelzens und Abkühl ems des Stahls durch Stickstoff und/oder Argon ein Druck von 1 bis 60 bar, vorzugsweise 5 bis 35 bar, aufrechterhalten und der Schlacke während des Umschmelzens ein Desoxidationsmittel sowie ein hochstickstoffhaltiges Halbmetallnitrid kontinuierlich zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umzuschmelzende Ausgangselektrode annähernd die gleichen Gehalte an den die Stickstofflöslichkeit fördernden Metallen aufweist wie der aufgestickte Stahl.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Desoxidationsmittelinenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.- und die im Halbmetallnitrid enthaltene Stickstoffmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-%, bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Desoxidationsmittel Calcium-Silicium oder Calcium-Silicium-Magnesium und als Halbmetallnitrid Siliciumnitrid verwendet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umzuschmelzende Ausgangselektrode mit einem Gemisch aus dem Desoxidationsmittel und dem Halbmetallnitrid beschichtet wird