DE2924415C2

DE2924415C2 - Verfahren zur Aufstickung von Stählen mit hohen Chrom- und Mangangehalten

Info

Publication number: DE2924415C2
Application number: DE2924415A
Authority: DE
Inventors: Johannes 4100 Duisburg Jachowski; Rudolf Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 4300 Essen Mohs; Paul Dipl.-Ing. 4300 Essen 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: 1984-02-23
Also published as: DE2924415A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufstickung von Stählen mit hohen Chrom- und Mangangehalten durch Druck-EIektroschlackeumschmelzen.

In der DE-OS 26 28 848 wird ein Verfahren zur Aufstickung von hochlegierten Stählen beim Elektroschlaf keumschmelzen vorgeschlagen, bei dem der Schlacke während des bei Normaldruck ablaufenden Umschmelzvorgangs ein Gemisch aus einem Desoxidationsmittel und einem hochstickstoffhaltigen Halbmetallnitrid, dessen Halbmetall die Werkstoffeigenschaften der hochle-' gierten Stähle nicht nachteilig beeinflußt, kontinuierlich zugegeben wird, wobei die Desoxidationsmittelmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-% und die im Haibmetallnltrid enthaltene Stickstoffmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew,-%, bezogen auf d'e umgeschmolzene Stahlmenge. Hegt und wobei als Desoxidationsmittel vorzugsweise Calcium-Sillcium oder Calclum-Sillclum-Magneslum und a!s Halbmetallnitrid Siliciumnitrid verwendet wird. Das Desoxidationsmittel bindet den in der Schmelze vorhandenen Sauerstoff und beschleunigt dadurch die Diffusion des Stickstoffs von der Schlacke in die Schmelze. Wegen des hohen Stickstoffgehalts der verwendeteten Halbmetallnitride, Insbesondere des Slllclumnitrlds, kann zwar bei diesem bekannten Verfahren in vorteilhafter Welse eine hohe Aufstickung der Stähle mit einer kleinen Nitridmenge erreicht werden; andererseits hat sich aber gezeigt, daß bei der Aufstickung bestimmter Legierungen mit hochstickstoffhaltigen Halbmetatlnitriden unter Norrnaidruck keine ausreichend hohen Stickstoffgehalte erreicht werden kühnen.

Daher Hegt der Erfindung die Aufgäbe zugrunde, ein Verfahren zur Aufstickung von hochlegiertem Stahl durch Elektroscirlackeumschmelzen zu schaffen, mit dem bei ruhiger Schmelzführung hohe Stickstoffgehalte ⁶^ erreicht werden können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, jdaß der aus CaF₂, CaO und AI₂O₃ zusam-

mengesetzten Basisschiacke Si₁N₄ sowie ein Desoxidationsmittel, vorzugsweise Calcium-Sillcium oder CaI-cium-Sllicium-MagnesIuivi. kontinuierlich zugeführt werden, wobei die mit dem Si₃N₄ in den Stahl eingebrachte StickstofFmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-% und die zugesetzte Desoxidationsmittelmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-%, bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, Hegt und daß während des Umschmelzens und Abkühlens des Stahls durch Stickstoff und/oder Argon ein Druck von 5 bis 60 bar, vorzugsweise 5 bis 35 bar, aufrechterhalten wird. Da sich das Si₃N₄ erst bei hohen Temperaturen zersetzt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine ruhige und einwandfreie Schmelzführung erreicht, und da das Si₃N₄ viel Stickstoff enthält, ist nur eine verhältnismäßig geringe Menge zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich, wodurch sich die Schlackentemperatur während der S! N₄-Zugabe nur unwesentlich verändert. Die nahezu konstante ScWackentemperatur bewirkt in vorteilhafter Weise, daB die Schlackenhaut an der gesamten Oberfläche des erschmolzenen Stahlblocks eine konstante Dicke hat und eine gute Qualität der Blockoberfläche erreicht wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Stahlblöcke mit hohem Stickstoffgehalt hergestellt werden.

Obwohl aus der DE-AS 24 25 032 ein Verfahren bekannt ist, bei welchem eine Metallelektrode in einer inerten Gasatmosphäre be: einem Druck von mindestens 20 at nach dem Elektroschlacke-Umschmelzprozeß abgeschmolzen wird, wobei der Schlacke Metailnitride, insbesondere Chrom- und/oder Mangannitrid, sowie Desoxidationsmittel, insbesondere Erdalkalimetalle, zugeführt werden, war nicht zu erwarten, daß ein Stahl mit hohem Stickstoffgehalt durch Aufstickung mit Si₃N₄ unter hohem Druck hergestellt werden kann, denn es ist bekannt, daß sich SUN₄ bei Normaldruck erst oberhalb 1900° C mit nennenswerter Geschwindigkeit thermisch zersetzt, da erst bei ca 2000° C der N₂-Dlssoziationsdruck von I bar erreicht wird und daß die Zersetzungstemperatur durch die Erhöhung des Drucks ansteigt. Es konnte also nicht erwartet werden, daß Si₃N₄ Insbesondere in Verbindung mit der vorgesehenen Bassisschlacke beim Elektroschlackeumschmelzen unter erhöhtem Druck als Stickstoffdonator wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch deshalb besonders erfoigreich durchgeführt werden, well die umzuschmelzende Ausgangselektrode annähernd die gleichen Gehalte an den die Stickstofflösllchkeit fördernden Metallen aufweist «, ,e der aufgestickte Stahl. Insbesondere sind die Gehalle der die Stlckstofflöslichkelt fördernden Elemente Chrom und Mangan iowchl in den umruschmeizenden Ausgangseiektroden ais auch im aufgestickten Material annähernd gleich. Dadurch ist es möglich, den Stickstoffgehalt entsprechend der durch die chemische Zusammensetzung bedingten-Stickstofflösllchkeit In den unter Normaldruck hergestellten Ausgangselektroden auf einen hohen Wert einzustellen, und es ergibt sich zwischen dem Stickstoffgehalt des aufgestickten Stahls und dem Stickstoffgehalt der Ausgangselektroden eine vergleichsweise minimale Differenz. DsiT!entsⁿrechsnd sind auch beim erf!ridun°^<cTefn«ßen ~ Verfahren~dje zur Einstellung der [angestrebten Stickstoffgehalte erforderlichen' Zusätze" ah' SI₃N₄ relativ gering.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders erfolgreich durchgeführt werden, wenn die Basisschlacke aus 60 Gew.-« CaF₂, 20 Gew.-% CaO und 20 Gew.-ft Al₂O₃ oder aus 34 Gew.-% CaF₂, 33 Gew.-« CaO und 33 Gew.-% AI₂O₃ besteht, da mit diesen Baslsschlackenzu-

sehr

ruhige Schmelzführung

sammensetzungen eine
erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die umzuschmelzende Ausgangselektrode mit einem Gemisch aus dem SIjN₄ und dem Desoxidationsmittel 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 Gew.-%.

Zur Herstellung eines aufgestickten Stahlblocks mit einem Gewicht von 1 t und mit der Zusammensetzung 18,8* Mn; 18,5% Cr, <O,1%C; 1,3ft, N; Rest Fe durch Druckaufstickung in einer ESU-Anlage muß bei Anwendung des Verfahrens nach der DE-AS 24 25 032 zunächst eine Elektrode von 800 kg mit der Zusammensetzung 23,5% Mn; 6,9% Cr, Rest Fe hergestellt werden. Der unter atmosphärischem Druck für diese Zusammensetzung einstellbare Stickstoffgehalt der Ausgangselektrode (unter Inkaufnahme von Gasporosität) beträgt 0,40%. Beim Elektroschlackeumschmelzen 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 atmospärischem Druck für diese Zusammensetzung einstellbare Stickstoffgehalt der Ausgangselektrode (unter Inkaufnahme vor Gasporosität) beträgt 0,8%. Dieser Stickstoffgehalt wird durch Verwendung von Nitriden des Chroms und Mangars bei der Erschmelzung der Ausgangselektrode in die Ausgangselektrode eingebracht. 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 Umschmelzen verwendete Schlacke besteht aus 60% CaF₂,

20% CaO und 20% AhO, oder aus 34% CaF₂, 33% CaO und 33% Al₂O₅. Während nach dem Verfahren der DE-AS 24 25032 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. D'e Umschmelzvorgänge 1 bis 3 wurden auch mit Ausgangselektroden der Zusammensetzung 19,2% Mn; 18,9% Cr, < 0,1% C; 0,8% N; Rest Fe durchgeführt, wobei jeweils 1,7% Si₃N₄, was 0,68% N entspricht, und 0,3% CaSiMg zugesetzt wurde.

Umschmelzvorgang
Nr.

Druck N-Gehalt des umge-

[barj schmoizenen Slzhies

5	0,94
17	1,14
20	1,28

Bei der Durchführung def erfindungsgemäßen Verfahrens ist darauf zu achten, daß der Siliciumgehalt der umzuschmelzenden Ausgangselektrode unter 0,2 Gew.-% liegt, da während des Verfahrens der Siliciumgehalt des Stahls geändert wird, während sich die Gehalte aller anderen Legierungsbestandteile mit Ausnahme des Stickstoffs nicht ändern, was eine optimale Homogenität der chemischen Zusammensetzung der umgeschmolzenen Stahlblöcke zur Folge hat. Zur Aufstickung des Stahls kann wegen seiner Preiswürdigkeit ein Si₁N₄ verwendet werden, das mit 10% Elsen verunreinigt ist.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten aufgestickten Stähle eignen sich insbesondere zur Fertigung von Kappenringen für Hochleistungsgeneratoren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufstickung von Stahlen mit hohen Chrom- und M^.igangehalten durch Druck-Elektroschlackeumschrhelzen, dadurch gekennzeichnet, daß der aus CaF₂, CaO und AI₂Oi zusammengesetzten Basisschiacke SJjN₄ sowie ein Desoxidationsmittel, vorzugsweise Calciam-Sillclum oder Calclum-SHIcIum-Magnesium, kontinuierlich rügeführt werden, wobei die mit dem Si₃N₄ In den Stahl eingebrachte Stickstoffmenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-* und die zugesetzte Desoxldationsmltteimenge zwischen 0,1 und 0,8 Gew.-%, bezogen auf die umgeschmolzene Stahlmenge, liegt, und daß während des Umschmelzens und Abkühlens des Stahls durch Stickütoff und/oder Argon ein Druck von 5 bis 60 bar, vorzugsweise 5 bis 35 bar, aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschiacke aus 60 Gew.-% CaF₂, 20 Gew.-96 CaO und 20 Gew.-% AI₂O₃ oder aus 34 Gew.-% CaF₂, 33 Gew.-% CaO und 33 Gew.-ife Al₂O₃ besteht.

3. Verfahren nacr den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umzuschmefzende Ausgangselektrode mit einem Gemisch aus dem Si₅N₄ und dem Desoxidationsmittel beschichtet wird.