DE3619293C2 - Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen von Metallen, insbesondere von solchen mit sauerstoffaffinen Legierungsbestandteilen - Google Patents
Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen von Metallen, insbesondere von solchen mit sauerstoffaffinen LegierungsbestandteilenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektroschlackeum
schmelzen von Metallen, die zu mindestens 50 Gewichtsprozent
in Form mindestens einer stromführenden Abschmelzelektrode,
insbesondere einer solchen mit sauerstoffaffinen Legierungs
bestandteilen, durch ein geschmolzenes Schlackenbad hin
durch zu einem Block umgeschmolzen werden.
Beim Elektroschlackeumschmelzen wird das metallische
Ausgangsmaterial durch eine flüssige bzw. geschmolzene
Schlackeschicht hindurch zu einem Ingot oder Block
umgeschmolzen, an dessen Oberseite eine flüssige Zone,
der sogenannte Schmelzsee, aufrechterhalten wird. Der
Block kann dabei stationär (in einer sogenannten Stand
kokille) festgehalten werden oder kontinuierlich (aus
einer sogenannten Strangkokille) abgezogen werden. Das
Ausgangsmaterial kann sowohl in Form einer Abschmelz
elektrode zugesetzt werden, als auch in Form von Stück
gut oder Partikeln. Die Schmelz- und Prozeßwärme
wird durch den elektrischen Widerstand der flüssigen
Schlacke erzeugt, wobei die Stromzufuhr sowohl durch
die Abschmelzelektrode als auch (im Falle von partikel
förmigem Ausgangsmaterial) durch eine besondere
Permanentelektrode erfolgen kann. In der Regel ist
der Block und/oder die Kokille der elektrische Gegen
pol. Es ist bekannt, das Elektroschlackeumschmelzver
fahren wahlweise mittels Gleichspannung oder Wechsel
spannung durchzuführen.
Durch die DE-OS 14 83 646 ist es bekannt, das Elektro
schlackeumschmelzverfahren auch unter unteratmosphärischem
Druck, d. h. unter einem Druck unterhalb 1 bar durch
zuführen. Für die Stromzuführung sind hierbei allerdings
stets Permanentelektroden vorgesehen.
Für die Herstellung von Werkstücken mit hohen Anforderungen,
insbesondere aus Superlegierungen für rotierende scheiben
förmige Teile in Luftfahrttriebwerken, wird von den Ab
nehmern verlangt, daß die Ingots durch das bekannte
Vakuum-Umschmelzverfahren (VAR) hergestellt werden,
da das Umschmelzen unter Vakuum zu relativ reinen
Blöcken führt, die einen sehr geringen Gasgehalt
aufweisen. Trotz der Tatsache, daß beim VAR-Verfahren
aufgrund einer gerichteten Erstarrung die Blöcke
normalerweise frei von Makroseigerungen sind, können
einige typische Segregationserscheinungen, wie bei
spielsweise "Freckles", Ringmuster und "White Spots"
in den Blöcken auftreten. Während Segregationser
scheinungen wie die "Freckles" und Ringmuster mehr oder
weniger durch sorgfältige Einstellung der Schmelz
parameter beherrscht werden können, erscheint die Aus
bildung der "White Spots" unabhängig von den Schmelz
bedingungen zu sein. Kürzlich durchgeführte Unter
suchungen haben gezeigt, daß die Ausbildung von "White
Spots" nicht die Folge unregelmäßiger Erstarrungsbe
dingungen an der Erstarrungsfront sind. Es kann ange
nommen werden, daß die Bestandteile der "White Spots"
folgende sind:
- - Skelette aus Denidriten, die während des Abschmelzens von der gegossenen Abschmelzelektrode herabfallen,
- - Teilchen, die von der sogenannten "Krone" am oberen Blockrand herunterfallen (die "Krone" ist ein dünner, scharfer Rand oberhalb des Schmelzsees durch Konden sation bzw. Erstarrung von Dämpfen und Spritzern),
- - Ablösung von Teilchen von der Erstarrungskante des Schmelzsees.
Eine weitere Quelle der "White Spots", die nach eigenen
Erfahrungen des Erfinders aus Teilchen bestehen kann,
die aus der gegossenen Elektrode stammen können, wenn
diese aus einer Superlegierung besteht, die sehr häufig
entlang der Stengelkristalle aufreißt. Es ist daher
sehr schwer, wenn nicht gar unmöglich, diese Fehler
bei einem VAR-Block auszuschließen.
Bei dem eingangs beschriebenen ESU-Verfahren wird das
Umschmelzen unter einem überhitzten Schlackebad durch
geführt, dessen Temperatur üblicherweise mehr als 300°C
über der Liquidus-Temperatur der Superlegierung liegt.
Die Dendriten-Skelette oder die aus der Elektrode
herausgebrochenen Teilchen fallen notwendigerweise
durch die überhitzte Schlacke und haben infolgedessen
ausreichend Zeit zum Aufschmelzen, bevor sie den Schmelz
see erreichen. Auch gibt es beim ESU-Verfahren keine
Ausbildung einer Krone am oberen Blockrand. Infolgedessen
führt das ESU-Verfahren auch nicht zur Ausbildung von
"White Spots".
Obwohl die aus dem ESU-Verfahren hervorgegangenen Blöcke
mindestens ebenso gut sind wie die aus dem VAR-Ver
fahren hervorgegangenen Blöcke, fordern die Abnehmer
bei Superlegierungen regelmäßig die Anwendung des VAR-
Verfahrens für die Herstellung rotierender Scheiben von
Luftfahrttriebwerken. Der Grund hierfür ist darin zu sehen,
daß bei den üblichen ESU-Verfahren nicht nur keine Ent
gasung des Materials stattfindet, sondern sogar in ge
wissen Fällen eine zusätzliche Gasaufnahme zu befürchten
ist. Hierbei spielen Wasserstoff und Stickstoff die
gefährlichste Rolle.
Eine weitere, sehr wesentliche, Gefahr besteht in der
Bildung von Oxiden und oxidischen Einschlüssen durch
Oxidation des Metalls, insbesondere der sauerstoff
affinen Legierungsbestandteile, durch den umgebenden
Luftsauerstoff. Bei diesen sauerstoffaffinen Legierungs
bestandteilen handelt es sich um die Elemente Aluminium,
Bor, Titan, Zirkonium u. a. Durch die Oxidation der
artiger Legierungsbestandteile entsteht dann ein ent
sprechender Mangel.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben,
bei dem eine Oxidation verhindert wird, eine Entgasung
stattfindet und weder "Freckles", noch Ringmuster, noch
"White Spots" auftreten. Es ist dabei ganz entscheidend,
daß die betreffende Aufgabe im Hinblick auf alle Teil
aufgaben gleichzeitig gelöst wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem ein
gangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die
Kombination der Merkmale, daß man
- a) den Umschmelzprozeß unter unteratmosphärischem Druck durchführt,
- b) als Schlacke eine zu mindestens 80 Gewichtsprozent oxidische Schlacke aus solchen Oxiden verwendet, deren Siedepunkte über 2000°C liegen, und
- c) die Schlacke mittels Wechselstrom beheizt.
Sofern eine Schutzgasatmosphäre aus Inert- oder Edelgas
verwendet wird, kann mit einem Druck von höchstens
900 mbar gearbeitet werden. Bei Verwendung von Vakuum
ist es besonders zweckmäßig, in einem Druckbereich
zwischen 200 und 10-2 mbar zu arbeiten. In sämtlichen
Fällen findet eine ausreichende Entgasung der Schmelze
statt, und jegliche Oxidation des Elektrodenmetalls
und der Legierungsbestandteile wird wirksam ausge
schaltet, ohne daß dabei auf die Vorteile des ESU-Ver
fahrens hinsichtlich einer guten Blockoberfläche, einer
metallurgischen Arbeit und die Vermeidung der "White
Spots" verzichtet werden muß.
Von ganz besonderer Bedeutung ist dabei auch die Schlacke
zusammensetzung. So ist es z. B. aus der Literatur be
kannt, daß aus Schlackenmischungen mit hohen Fluoran
teilen infolge der chemischen Reaktionen der Fluor
verbindung mit oxidischen Schlackenanteilen laufend
gasförmige Fluorverbindungen austreten. Würde man eine
derartige Schlacke mit hohen Fluoridanteilen unter Vakuum
verwenden, so würde aufgrund der Herabsetzung des
Partialdrucks die Reaktion in Richtung auf die Bildung
weiterer flüchtiger Fluoride verschoben, so daß der
Prozeß schwer kontrollierbar würde.
Wenn man erfindungsgemäß eine Schlacke verwendet, die
zu mindestens 80 Gewichtsprozent aus oxidischen Komponenten
besteht, deren Siedepunkte über 2000°C liegen, so bleibt
die Schlackezusammensetzung stabil. In Frage kommen insbe
sondere reine Oxid-Systeme wie beispielsweise solche aus
CaO, Al2O3 und MgO. Mit besonderem Vorteil können dabei
CaO und Al2O3 zu je 48% und MgO zu 4 Gewichtsprozent
vorhanden sein.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
sich wie folgt darstellen:
- 1. Anwendung von Wechselstrom zur besseren Steuerung der gewünschten metallurgischen Reaktionen und zur Ver meidung von gleichgerichteten Magnetfeldern, die die Frecklesbildung im Umschmelzblock begünstigen würden,
- 2. Anwendung des Vakuums zur Beseitigung der Einflüsse von Wasserstoff und Stickstoff sowie zur Vermeidung der Oxidation von Schlacke und Metall,
- 3. Anwendung einer oxidischen, reaktionsfähigen Schlacke zur Erzielung eines besseren Reinheitsgrades als beim VAR-Verfahren und
- 4. Vermeidung von "White Spots".
Eine Abschmelzelektrode aus Inconel 718, eine Nickel-Basis-
Legierung mit hohen Gehalten an Titan und Aluminium, und mit
einer Länge von 500 mm und einem Durchmesser von 90 mm
wurde in einer wassergekühlten Standkokille mit einem
Innendurchmesser von 150 mm zu einem Block umgeschmolzen.
Die Höhe des Schlackenbades über dem Block betrug 70 mm.
Die Schlacke bestand zu je 48 Gewichtsprozent aus CaO und
Al2O3 und zu 4 Gewichtsprozent aus MgO. Die Elektrode wurde
mit einer Spannung von 35 V und einer Stromstärke von 2300 A
betrieben. Nach einer Umschmelzdauer von 15 Minuten unter
einem Vakuum von 5 × 10-1 mbar war die Elektrode bis auf
einen Rest abgeschmolzen. Der nach Abkühlung aus der
Kokille entnommene Block hatte eine saubere glatte Ober
fläche und besaß keinerlei "Krone". Schnittbilder ergaben,
daß der Block über seine gesamte Länge und seinen ge
samten Durchmesser frei von Freckles, White Spots und
Ringmustern war. Die Legierungszusammensetzung ent
sprach äußerst weitgehend derjenigen der Elektrode, d. h.
es wurde keinerlei Abbrand von Aluminium und Titan
beobachtet.
Claims (4)
1. Verfahren zum Elektroschlackeumschmelzen von Metallen,
die zu mindestens 50 Gewichtsprozent in Form
mindestens einer stromführenden Abschmelzelektrode,
insbesondere einer solchen mit sauerstoff
affinen Legierungsbestandteilen, durch ein geschmolzenes
Schlackenbad hindurch zu einem Block umgeschmolzen
werden, dadurch gekennzeichnet, daß man
- a) den Umschmelzprozeß unter unteratmosphärischem Druck durchführt,
- b) als Schlacke eine zu mindestens 80 Gewichtsprozent oxidische Schlacke aus solchen Oxiden verwendet, deren Siedepunkte über 2000°C liegen, und
- c) die Schlacke mittels Wechselstrom beheizt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Vakuum zwischen 200 und 10-2 mbar wählt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Umschmelzvorgang unter einer Inertgas
atmosphäre mit einem Druck von höchstens 900 mbar
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Frequenz des Wechselstroms zwischen 1
und 100 Hz wählt.
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