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Verfahren zum Vakuumschmelzen und Vergüten von metallen und Legierungen.
Die Schmelzung und das Gießen von Metallen. und Legierungen im Vakuum ist an sich
bekannt. Es ist schon für sehr verschiedene Zwecke technisch und wissenschaftlich
und unter sehr verschiedenen Bedingungen ausgeführt oder vorgeschlagen worden. Teilweise
sollte die Evakuierung nur dazu dienen, die in einer Schmelze vorhandenen Gase rein
mechanisch zum Aufsteigen zu bringen und abzuführen und so blasigen Guß zu vermeiden.
Es war weiter schon erkannt worden, daß die Entfernung der Luft aus dem Ofen Vorteile
für leicht oxydierbare Metalle hat. - Es ist auch schon angestrebt worden, einzelne
Metalle durch eine besondere, dem betreffenden Metall und Sonderzweck angepaßte
Vakuumbehandlung zu vergüten. So ist vorgeschlagen worden, die Vakuumbehandlung
längere Zeit andauern zu lassen, für andere Zwecke das Vakuum sehr niedrig zu halten,
und die verschiedensten Temperaturbedingungen sind für solche Sonderbehandlungen
angegeben worden.
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Man sollte- danach annehmen, daß von dieser Seite her die Technik
wesentliche Bereicherung hätte erfahren müssen. Dies ist bis jetzt nicht der Fall
gewesen; man hat nichts von besonderer Eigenschaften vakuumgeschmolzener Metalle:
und Legierungen oder auch von speziellen Aufgaben gehört, die durch Vakuumschmelzung
mit besonders gutem Erfolg gelöst werden könnten. Dies scheint bereits darauf hinzudeuten,
daß bei den bisherigen einschlägigen Versuchen wesentliche Punkte nicht erkannt
oder gewürdigt worden sind. Eingehende und langwierige Versuche haben in der Tat
ergeben, daß sich Resultate erzielen lassen, die man bisher kaum für möglich gehalten
hätte, geschweige denn verwirklichen konnte, und daß tatsächlich Erzeugnisse von
ganz spezifischen Eigenschaften erhalten und Aufgaben gelöst werden können, die
mit den bisherigen Mitteln teils überhaupt nicht, teils nicht mit der erwünschten
Präzision gelöst werden konnten. Naturgemäß ist es bei dem außerordentlichen Umfang
des Gebietes und der Fülle von Problemen nicht möglich, in kurzer Zeit eine völlige
theoretische Aufklärung und technische Durcharbeitung aller einzelnen Ausführungsformen
zu erzielen. Fest steht bis jetzt nur, daß sich neue und charakteristische Wirkungen
erzielen lassen, und es lassen sich dafür hinreichende Bedingungen angeben, ohne
daß zugleich bereits behauptet werden könnte, ob alle diese Bedingungen auch notwendige
sind. Ebenso können die Begründungen und Erklärungen dafür vorläufig noch keinen
Anspruch auf absolute Exaktheit machen; sie lassen sich nur so geben, wie sie sich
nach dem gegenwärtigen Stand der Erforschung darzubieten scheinen, ohne daß durch
diese Umstände jedoch die Tatsache berührt werden könnte, daß neue und charakteristische
Wirkungen und Fortschritte erzielt sind.
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Nach diesem gegenwärtigen Stand scheint sich das Wesentliche und Neue
etwa auf folgende Formel bringen zulassen: Neue charakteristische Eigenschaften
sowie wesentliche und überraschende
Verbesserungen der technischen
Eigenschaften von Metallen und Legierungen sowohl für die Verarbeitung wie für die
Anwendung der aus ihnen hergestellten Gegenstände treten auf, wenn durch die Vakuumbehandlung
im geschmolzenen Zustand nicht nur, -bildlich gesprochen, makroskopisch eine
Befreiung von Gasen und Verunreinigungen erreicht wird, sondern auch mikroskopische
oder vielleicht sogar submikroskopische Gasmengen entfernt werden. Als Anzeichen
dafür, daß das so anschaulich gemachte Ziel erreicht ist, hat sich bis jetzt nur
folgendes Kriterium als stichhaltig erwiesen. Die Entgasung kann in dem geschilderten
Sinne als beendet angesehen werden, wenn bei stillstehender Luftpumpe selbst mit
den schärfsten anwendbaren Meßmethoden eine merkliche Verschlechterung des Vakuums
auch bei längerer Beobachtungsdauer und variierter Temperatur nicht mehr wahrnehmbar
wird. Damit ist zugleich implicite gefordert, daß der zu benutzende Vakuumschmelzofen
nicht nur relativ, sondern für praktische Anforderungen absolut dicht sein soll.
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Hiermit ist die eine Bedingung des Verfahrens gegeben, welche im allgemeinen
in einer Steigerung und gleichzeitigen Anwendung der bisher schon bei dem Vakuumschmelzen
für andere Zwecke bekannten einzelnen Mittel und Maßnahmen besteht. Im besonderen
scheiden damit für den gedachten Zweck alle Einrichtungen aus, bei welchen gleitende
Dichtungen, Stopfbüchsen u. dgl. in Anwendung kommen, da diese immer nur relativ,
nie absolut dicht halten. Anwendbar sind im allgemeinen elektrische Widerstandsöfen
und Induktionsöfen, evtl. auch Kathodenstrahlöfen, während Lichtbogenöfen wegen
lokaler Überhitzung weniger geeignet scheinen.
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Die zweite Bedingung ist die Zeitdauer. Die Dauer der Behandlung muß
viel länger genommen werden, als bisher üblich, wenn, wie oben angegeben, in einem
statischen Vakuum keine Druckänderung mehr zu beobachten sein soll. Im besonderen
ist dabei die eigentümliche Beobachtung bei einzelnen Metallen gemacht worden, daß
die Gasentwicklung unstetig erfolgen kann, d. h. daß nach scheinbarer Austreibung
des ganzen Gasgehaltes und eingetretener Ruhe wiederholt neue Gaswellen zur Entbindung
gelangen können, wobei bisweilen die Gasabgabe auch ohw-. ein sichtbares Aufkochen,
vielleicht durch einen mehr diffusionsartigen Vorgang erfolgen kann.
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Dies leitet zu dem dritten Bedingungskomplex über, der die Regelung
der Temperaturen umfaßt. Hier läßt sich allerdings noch weniger eine scharfe Formel
aufstellen"die einfach in jedem Fall angewendet werden könnte. Nur die altgemeinenMaßgaben
für das Arbeiten lassen sich auf Grund der neuen Erkenntnisse formulieren, die dann
nicht mechanisch, sondern in sachverständiger Erfassung des Grundgedankens die Arbeitsweise
für den Einzelfall ergeben, evtl. durch sachverständiges Probieren auf Grund der
neuen Erkenntnisse. Es kommen Fälle vor, in denen aus scheinbar völlig entgasten
Schmelzcn bei Temperatursteigerung, aber auch Temperatursenkung, neue Gaswellen
entbunden werden; bisweilen erfolgt dies sogar erst beim Erstarren. Dabei ist nicht
nur die Eigenart des zu schmelzenden Metalles oder Metallgemisches von entscheidendem
Einfluß, sondern auch die zufälligen mehr oder minder geringfügigen Beimengungen
oder Verunreinigungen, evtl. sogar die jeweils vorhandene Kombination verschiedener
solcher kleiner Beimengungen. Beim Erstarren einer Schmelze im Vakuum nach ungenügender
Entgasungsdauer kann der Regulus von mikroskopischen Gasblasen durchsetzt sein,
welche sogar eine Verschlechterung des Ausgangsstoffes infolge zu kurzer Vakuumbehandlung
bedeuten können.
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Die Anwendung des statischen Vakuums hat eine weitere Bedeutung für
die Sauberkeit des Verfahrens, die in der vollständigen Vermeidung der Verunreinigung
durch den Sauerstoff und den Stickstoff der Luft besteht. Man hat bisher nicht genügend
beachtet, daß die Anwendung des Vakuums auch eine Verstärkung des eintretenden Luftstromes
durch alle undichten Stellen veranlaßt und damit immer erneuerte Gasmengen über
die Schmelze streichen läßt, was für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vollständig
ausgeschlossen werden muß. Nur in einem derartigen Vakuum können mehrmalige Umschmelzungen
ohne Abbrand oder Verschlechterung vorgenommen werden und in besonderen Legierungen
von bisher unerreichter Genauigkeit und Beherrschung des Enderzeugnisses hergestellt
werden.
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Auf weitere Einzelheiten soll als zu weit führend nicht eingegangen
werden. Höchstens mag noch erwähnt sein, daß die Sauberkeit einer Vakuumschmelzanordnung
sich bezüglich nachträglich beim Schmelzen aufgenommener Verunreinigungen am stärksten
bei sehr kleinen Schmelzmengen geltend macht; eine gute Anordnung muß bei Mengen
von einigen Gramm ein ebenso gutes Produkt ergeben wie bei vielen Kilo. Bezüglich
vorher darin enthaltener, nach Möglichkeit auszutreibender Gase und Verunreinigungen
darf umgekehrt die Güte des Endproduktes bei großen Schmelzmengen hinter der bei
kleinen nicht zurückstehen. Auch hieraus können wieder Fingerzeige und Kriterien
hergeleitet werden.
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Die Erfolge des Verfahrens liegen nach drei Seiten: Erstens können
Erzeugnisse mit neuen nützlichen Eigenschaften gewonnen werden, zweitens bildet
das Verfahren für bekannte Erzeugnisse
einen neuen und einfachen
Weg der Herstellung und drittens kann ganz allgemein die Herstellung bestimmter
Erzeugnisse in einer Weise beherrscht werden, welche die- Herstellung von Erzeugnissen
von im voraus genau berechneter Zusammensetzung und bestimmten Eigenschaften verbürgt,
wie es namentlich für Präzisionsinstrumente von äußerster Wichtigkeit ist.
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Als eine allgemeine Eigenschaft der nach der Erfindung behandelten
Metalle zeigt sich, daß sie leichter verarbeitbar sind als die nach den gebräuchlichen
Schmelzverfahren hergestellten. Dies zeigt sich beispielsweise darin, daß beim Verjüngen
durch Schmieden, Walzen oder Ziehen ein Ausglühen in größeren Zwischenräumen erforderlich
wird als bei nicht vakuumgeschmolzenen Metallen. Dies geht so weit, daß manche Metalle
und Legierungen, die überhaupt nicht oder kaum verarbeitbar erschienen, nach dem
Schmelzen im Vakuum verarbeitbar sind. Trotz der anscheinend größeren Weichheit
brauchen Zähigkeit und Festigkeit nicht unbedingt ebenfalls geringer zu sein; die
Dehnung, ehe Zerreißen eintritt, ist häufig sogar vergrößert.
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Nachdem vorstehend das allgemeine Ziel und die Kriterien und Mittel
zu seiner Erreichung umschrieben sind, seien nachstehend zur Erläuterung noch einige
spezielle Fälle herausgegriffen.
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Es ist bisher schon gelungen, eine große Anzahl von Metallen, wie
z. B. Nickel und Eisen, in großer Reinheit herzustellen, aber in einem schwammigen
oder staubförmigen Zustand, der eine technische Verwendung nicht zuließ, während
Verfahren, sie unter Erhaltung der Reinheit in den regulinischen Zustand überzuführen,
nicht bekannt waren. Hier handelt es sich außer um die angegebenen Bedingungen bei
der Ausführung des Verfahrens auch um die Anwendung des Vakuumschmelzens überhaupt
auf einen Rohstoff oder Zwischenstoff, auf welchen es bisher noch nicht angewendet
war, und ein neues, höchst nützliches Erzeugnis, welches die Reinheit mit dem regulinischen
Zustande verbindet, ja unter Umständen noch größere Reinheit als der Ausgangsstoff
zeigt.
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Aus unreinen Metallen können durch Anwendung des Verfahrens gewisse
Verunreinigungen weitgehend entfernt und dadurch ein wesentlich reineres Produkt
erhalten werden. Als Beispiele für die Entfernung. von Verunreinigungen, die erst
bei der Schmelztemperatur gas- oder dampfförmig werden, durch die Entfernung von
Silizium aus Eisen und von Zink, auch Kupfer, aus Nickel erwähnt. Ebenso wird aus
vielen ,technischen Metallen beim Umschmelzen im Vakuum Natrium ausgetrieben. Verschiedene
Anzeichen deuten aber auch darauf hin, daß vielleicht zugleich mit der Entfernung
gasförmiger Verunreinigungen auch andere, wie beispielsweise Kohlenstoff, entfernt
werden. Möglicherweise könnten dabei auch Vorgänge nach Art von Dissoziation mit
hereinspielen. Ebenso erscheint es beispielsweise möglich, außer Zink und Kupfer,
sogar Eisen aus damit verunreinigtem Nickel durch längeres Schmelzen im Vakuum zu
entfernen, da Eisen bereits bei seinem Schmelzpunkt in gutem Vakuum verhältnismäßig
stark flüchtig zu sein scheint. In allen derartigen Fällen ist jedoch extremes,
statisch aufrechterhaltbares Vakuum von ausschlaggebender Bedeutung. Im gleichen
Sinne liegt eine weitere Anwendung des neuen Verfahrens Die Entfernung von Verunreinigungen
aus nach dem Goldschmidtverfahren o. dgl. hergestellten Metallen und Legierungen.
Diese enthalten sehr oft Verunreinigungen, deren Beseitigung bisher noch nicht ausgeführt
worden ist.
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Ein Beispiel mag die so erreichbare Veredelung etwas näher erläutern.
Schmilzt man gewöhnlichen sogenannten Bindeeisendraht im Vakuum und vergleicht vollkommen
gleich behandelte Stücke -des Ausgangs- und des umgeschmolzenen Materials, indem
man dynamometrisch die Kräfte mißt, die notwendig sind, um beim Ziehen eine bestimmte
Abnahme des-Ouer-Schnittes zu erzielen, so findet man diese Kräfte beim vakuumgeschmolzenen
Material um ein Drittelt ja sogar auf die Hälfte verringert. Es erscheint nicht
ausgeschlossen, auf diesem Wege z. B. Eisen in so weichem Zustande zu erhalten,
daß es sogar das Kupfer zur Verwendung für Geschoßführungsringe ersetzen könnte.
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Ein möglichst reines weiches Flußeisen erforderte beispielsweise,
um eine bestimmte Querschnittsverminderung durch Ziehen zu erreichen, eine Zugkraft
von =q. bis 16 kg. Dasselbe Material erforderte unter genau den gleichen Verhältnissen
nach Umschmelzen im Vakuum nur noch 8 bis g kg, während vakuumgeschmolzenes reinstes
Elektrolyteisen unter den gleichen Bedingungen 7 bis 8 kg brauchte. Also kann sogar
bei dem besten, nach den üblichen Verfahren hergestellten Eisensorten durch Vakuumschmelzen
noch eine ganz außerordentliche Veredelung erzielt werden, die es chemisch reinem
und chemisch rein geschmolzenem Eisen nahezu gleichwertig macht. Zum Vergleich sei
noch angeführt, daß Elektrolytkupfer ebenfalls unter den nämlichen Bedingungen eine
Zugkraft von 6 bis 7 kg erforderte.
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Gut verarbeitbares Nickel und Nickellegierungen waren bisher nur vermittels
Zusätze von Magnesium, Aluminium o. dgl. vor dem Vergießen zu gewinnen. Dabei enthält
dann das Endprodukt wechselnde Mengen dieser Zusätze, wodurch beispielsweise die
thermoelektrischen Eigenschaften unkontrollierbar beeinfiußt werden. Die Anwendung
des neuen Verfahrens ergibt
ohne solche Mittel ein gleichgutesErzeugnis
mit immer identischen Eigenschaften. Ebenso erübrigt sich bei Eisen der übliche
Manganzusatz, was beispielsweise zur Herstellung gewisser Edelstähle von Bedeutung
ist.
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Aus den bisherigen Ausführungen ergibt sich ferner ohne weiteres,
daß nach dem gekennzeichneten Verfahren hergestellte Metalle besonders geeignet
sein müssen zur Herstellung von hochwertigen Präzisionslegierungen, und daß wiederum
das Verfahren zur Herstellung solcher Legierungen besonders geeignet und berufen
sein muß. Auch die Anwendung chemisch reiner Metalle zur Herstellung von Legierungen
gewinnt dadurch erhöhte und entscheidende Bedeutung. Wenigstens andeutungsweise
seien auch hierfür einige Beispiele angeführt.
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Viele Legierungen, insbesondere für Präzisionsinstrumente, Pyrometer,
Invar, Kompensationszwecke verschiedener Art u. dgl., konnte man bisher in der Herstellung
nicht so beherrschen, daß man in jedem einzelnen Arbeitsgange ein Erzeugnis von
einer genauen vorbestimmten Zusammensetzung erhielt. Man mußte den Ausweg beschreiten,
in jeder möglichst großen Schmelze die zufällige Zusammensetzung durch Analyse zu
ermitteln und danach Eichungen auszuführen, welche nun nur für die Instrumente aus
dieser Schmelze galten. Nach dem neuen Verfahren kann durch bloße Dosierung der
Legierung bei Vermeidung jedes Abbrandes und jeder Verunreinigung auch durch sogenannte
reinigende Zusätze immer dieselbe Zusammensetzung erzielt werden. Und nicht nur
das, sondern die Dosierung läßt außerdem eine noch genauere Bestimmung der Zusammensetzung
zu, als durch die analytischen Methoden nachträglich feststellbar ist.
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Als Beispiel sei Invar erwähnt, dessen physikalische Eigenschaften
sich mit jedem zehntel, ja fast hundertstel Prozent ändern, um das sich das Verhältnis
von Eisen und Nickel zueinander verschiebt. Ähnlich, wenn auch nicht so ausgeprägt,
liegen die Verhältnisse bei den übrigen »Ausdehnungslegierungen«, die für Uhrmacherzwecke
als Einschmelzdrähte für Glühlampen und andere Zwecke bestimmt sind. Für Einschmelzdrähte
usw. haben übrigens vakuumgeschmolzene Legierungen noch den weiteren sehr großen
Vorzug der Porenfreiheit, wodurch die Gefahr von Undichtigkeiten im Draht wegfällt.
Ferner ist bekannt, daß Thermoelemente, die aus Unedelmetallegierungen verschiedener
Herkunft hergestellt sind, in ihren Thermokräften meist nicht genügend genau übereinstimmen,
und daß daher mindestens jede Schmelze individuell geeicht werden muß. Erst das
Vakuumschmelzverfahren erlaubt, Unedelmetall-Thermoelemente mit der gleichen Präzision
undÜbereinstimmungverschiedener Schmelzen untereinander herzustellen, die technisch
bisher nur für Thermoelemente aus Edelmetalllegierungen, beispielsweise das Le Chatelier-Element
aus Platin und ioprozentigem Platinrhodium, erreichbar war.