DE69330035T2 - IRON METAL CASTING MATERIALS, ESPECIALLY FOR ROLLING REELS - Google Patents
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft Gußeisen oder Stahl, hierin definiert als "technische Eisenmetalle". Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Walzwerkwalze, die Gußeisen oder Stahl umfaßt.This invention relates to cast iron or steel, defined herein as "engineering ferrous metals". More particularly, this invention relates to a rolling mill roll comprising cast iron or steel.
Mechanische Eigenschaften von technischen Eisenmetallen und damit einer Walzwerkwalze, die aus technischen Eisenmetallen hergestellt ist, werden beeinflußt durch das Vorhandensein von Carbiden, deren Verteilung und Bildung abhängig ist von Kohlenstoffgehalt, Wärmebehandlung und dem Zusatz anderer Legierungselemente. Kohlenstoff wird zu technischen Eisenmetallen zugesetzt, während das Gußeisen oder der Stahl geschmolzen ist, und der Kohlenstoff wird anschließend als Metallcarbide während der Verfestigung und während der Phasentransformation im festen Zustand ausgefällt. Solche Carbide werden hierin als "Transformationscarbide" bezeichnet. Die Art und die Menge an Transformationscarbid, das in technischen Eisenmetallen vorliegt, ist somit durch die Thermodynamik und Chemie eines bestimmten Eisenmetalls beschränkt und werden durch das relevante Phasendiagramm repräsentiert.Mechanical properties of engineering ferrous metals, and hence of a rolling mill roll made from engineering ferrous metals, are influenced by the presence of carbides, the distribution and formation of which depends on carbon content, heat treatment and the addition of other alloying elements. Carbon is added to engineering ferrous metals while the cast iron or steel is molten, and the carbon is subsequently precipitated as metal carbides during solidification and during phase transformation in the solid state. Such carbides are referred to herein as "transformation carbides". The type and amount of transformation carbide present in engineering ferrous metals is thus limited by the thermodynamics and chemistry of a particular ferrous metal and is represented by the relevant phase diagram.
Es hat ein lang andauernder Wunsch bestanden, Carbide unterschiedlicher Zusammensetzung und Volumenfraktion in technischen Eisenmetallen bereitzustellen, als mit den bisher bekannten, oben beschriebenen Techniken möglich ist, die auf Phasentransformation beruhen, wenn das Metall aus dem flüssigen Zustand abkühlt.There has been a long-standing desire to provide carbides of different composition and volume fraction in engineering ferrous metals than is possible with the previously known techniques described above, which rely on phase transformation as the metal cools from the liquid state.
US-A-5,023,145 offenbart eine Legierung mit im wesentlichen gleichförmiger Verteilung von Drei-Carbid-Aggregaten, in denen eine gleichförmige Verteilung der drei Carbide durch Verwendung eines relativ schwereren Bindermaterials mit einem relativ leichteren Carbid erreicht wird, was die resultierenden Aggregate relativ ähnlich in der Dichte macht.US-A-5,023,145 discloses an alloy with a substantially uniform distribution of three-carbide aggregates in which a uniform distribution of the three carbides is achieved by Using a relatively heavier binder material with a relatively lighter carbide, making the resulting aggregates relatively similar in density.
EP-A-0 386 515 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Körpers unter Verwendung eines Elektroschlacke--Aufreinigungsverfahrens, in dessen Verlauf feste Legierungscarbidteilchen in der Form von Wolframcarbid zur Schmelze zugesetzt werden. ·EP-A-0 386 515 discloses a process for producing a metallic body using an electroslag purification process in which solid alloy carbide particles in the form of tungsten carbide are added to the melt.
WO 91/16466 offenbart eine Legierung auf Eisenbasis mit darin dispergierten Wolframcarbid-Teilchen.WO 91/16466 discloses an iron-based alloy with tungsten carbide particles dispersed therein.
WO 93/03192 offenbart den Zusatz von eisenbeschichteten Legierungscarbidteilchen (WTiC) passender Dichte (7 bis 7,9 g/cm³) zu einer Schmelze auf Eisenbasis.WO 93/03192 discloses the addition of iron-coated alloy carbide particles (WTiC) of appropriate density (7 to 7.9 g/cm³) to an iron-based melt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung eines technischen Eisenmetalls zur Verfügung zu stellen, durch das die obengenannten Probleme überwunden oder verringert werden, und eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein neues und verbessertes technisches Eisenmetallprodukt mit einem gewünschten Carbidgehalt zur Verfügung zu stellen, das nicht durch thermodynamische Überlegungen beschränkt ist. Gemäß einem Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Verfügung.An object of the invention is to provide a new and improved process for producing an engineering ferrous metal which overcomes or reduces the above problems and a further object of the invention is to provide a new and improved engineering ferrous metal product having a desired carbide content which is not limited by thermodynamic considerations. According to one aspect of the invention we provide a process according to claim 1.
Mit "Benetzen" meinen wir die Fähigkeit des flüssigen technischen Eisenmetalls, das Beschichtungsmetall zu benetzen. Insbesondere z. B. wo Grenzflächenspannung zwischen dem flüssigen technischen Eisenmetall und dem festen Beschichtungsmetall derart ist, daß der Kontaktwinkel dort zwischen 0º und 90º liegt.By "wetting" we mean the ability of the liquid engineering ferrous metal to wet the coating metal. In particular, for example, where the interfacial tension between the liquid engineering ferrous metal and the solid coating metal is such that the contact angle there is between 0º and 90º.
Mit "einer passenden Dichte" meinen wir eine Dichte, die im Bereich von 6-8 g pro cc liegt. Dies ist zu vergleichen mit einer typischen Dichte von 7 g pro cc für Gußeisen und Stahl. Bevorzugter haben die Legierungscarbidteilchen eine Dichte von ± 5% der Dichte des technischen Eisenmetalls, zu dem sie zugesetzt werden.By "a suitable density" we mean a density that is in the range of 6-8 g per cc. This compares to a typical density of 7 g per cc for cast iron and steel. More preferably, the alloy carbide particles have a density of ± 5% of the density of the engineering ferrous metal to which they are added.
Die Benetzbarkeit der beschichteten Teilchen und die Dichte der Legierungscarbidteilchen fördern jeweils eine gleichförmige Verteilung der Carbidteilchen im flüssigen technischen Eisenmetall, die beibehalten wird, wenn das Metall sich verfestigt.The wettability of the coated particles and the density of the alloy carbide particles each promote a uniform distribution of the carbide particles in the liquid engineering ferrous metal, which is maintained as the metal solidifies.
Mit einer "gleichförmigen Verteilung" meinen wir eine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Querschnitt eines Gußwerkstückes, das aus dem technischen Eisenmetall hergestellt ist, ohne signifikante Segregation. Die festen Carbidteilchen sind nicht in irgendeiner Richtung ausgerichtet und sind über alle Phasen der Mikrostruktur verteilt.By "uniform distribution" we mean a uniform distribution over the entire cross-section of a cast workpiece made of engineering ferrous metal, without significant segregation. The solid carbide particles are not oriented in any direction and are distributed throughout all phases of the microstructure.
Das Beschichtungsmetall umfaßt vorzugsweise Eisen oder eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, kann aber auch eine Legierung aus zwei oder mehr Elementen umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, die Eisen, Nickel, Kupfer, Titan und Kohlenstoff umfaßt, oder kann Nickel oder Kupfer und übliche Nebenmaterialien sein.The coating metal preferably comprises iron or an iron-carbon alloy, but may also comprise an alloy of two or more elements selected from the group comprising iron, nickel, copper, titanium and carbon, or may be nickel or copper and common minor materials.
Das Beschichtungsmetall kann Stickstoff umfassen, z. B. bis zu etwa 0,1% Stickstoff.The coating metal may comprise nitrogen, e.g. up to about 0.1% nitrogen.
Wenn die Beschichtung Eisen ist, dann ist es, weil Eisen einen höheren Schmelzpunkt als das technische Eisenmetall besitzt, zu dem es zugesetzt werden soll, was die Benetzbarkeit hemmen würde, bevorzugt, eine geeignete Menge von wenigstens einem legierungbildenden Element, wie etwa Kohlenstoff, Nickel, Kupfer oder Titan, zum Eisen zuzusetzen, um eine Legierung mit einem Schmelzpunkt zu erzeugen, die zur Betriebstemperatur des Eisenmetalls paßt. Mit "passen" meinen wir, daß der Schmelzpunkt der Beschichtung und besagte Betriebstemperatur vorzugsweise innerhalb von 20-30ºC voneinander liegen.If the coating is iron, then because iron has a higher melting point than the engineering ferrous metal to which it is to be added, which would inhibit wettability, it is preferred to add an appropriate amount of at least one alloying element, such as carbon, nickel, copper or titanium, to the iron to produce an alloy having a melting point that matches the operating temperature of the ferrous metal. By "match" we mean that the melting point of the coating and said operating temperature are preferably within 20-30°C of each other.
Der Begriff "Betriebstemperatur" ist hierin als die Temperatur des technischen Eisenmetalls definiert, bei dem die beschichteten Carbidteilchen zugesetzt werden.The term "operating temperature" is defined herein as the temperature of the engineering ferrous metal at which the coated carbide particles are added.
Die Eisenbeschichtung kann bis zu 3,5% Kohlenstoff enthalten.The iron coating can contain up to 3.5% carbon.
Wenn die Legierungscarbidteilchen mit Eisen oder mit einer Eisenlegierung mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt als demjenigen des technischen Eisenmetalls, zu dem sie zugesetzt werden, beschichtet werden, können die beschichteten Legierungscarbidteilchen zum technischen Eisenmetall zugesetzt werden, und man kann sie darin ausreichend lange verweilen lassen, damit der Kohlenstoff aus dem technischen Eisenmetall in die Beschichtung diffundiert, und so eine Zusammensetzung erzeugen, die einen Schmelzpunkt besitzt, der zur Betriebstemperatur vom technischen Eisenmetall paßt.When the alloy carbide particles are coated with iron or with an iron alloy having a lower carbon content than that of the engineering ferrous metal to which they are added, the coated alloy carbide particles can be added to the engineering ferrous metal and allowed to dwell therein for a sufficient time to allow the carbon from the engineering ferrous metal to diffuse into the coating, thus producing a composition having a melting point that matches the operating temperature of the engineering ferrous metal.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Carbidteilchen eine passende Dichte besitzen, wie oben beschrieben, wenn die Teilchen im geschmolzenen technischen Eisenmetall für eine Verweilzeit belassen werden, die lang genug ist, damit Kohlenstoff in die Beschichtung diffundieren kann, um zu bewirken, daß die Schmelzpunkte passen.It is particularly preferred that the carbide particles have a suitable density, as described above, when the particles are left in the molten engineering ferrous metal for a residence time long enough to allow carbon to diffuse into the coating to cause the melting points to match.
Falls gewünscht, kann die Zusammensetzung des Beschichtungsmetalls so sein, daß ein Schmelzpunkt bereitgestellt wird, der mehr als 30ºC unterhalb der Betriebstemperatur des technischen Eisenmetalls liegt, zu dem die beschichteten Teilchen zugesetzt werden. Die beschichteten Legierungscarbidteilchen können zum flüssigen technischen Eisenmetall entweder im Schmelzofen oder in einer Pfanne, in die das Metall aus dem Schmelzofen gegossen worden ist, oder im Metallstrom, der aus dem Schmelzofen in die Pfanne gegossen wird, oder im Metallstrom, der aus der Pfanne in eine Form gegossen wird, zugegeben werden.If desired, the composition of the coating metal may be such as to provide a melting point which is more than 30°C below the operating temperature of the engineering ferrous metal to which the coated particles are added. The coated alloy carbide particles may be added to the liquid engineering ferrous metal either in the furnace or in a ladle into which the metal has been poured from the furnace, or in the metal stream poured from the furnace into the ladle, or in the metal stream poured from the ladle into a mold.
Es ist bevorzugt, die beschichteten Legierungscarbidteilchen im Schmelzofen zuzugeben, um die Verweilzeit der Legierungscarbidteilchen im Eisenmetall vor dem Einsetzen der Verfestigung zu maximieren.It is preferred to add the coated alloy carbide particles in the melting furnace to maximize the residence time of the alloy carbide particles in the ferrous metal before the onset of solidification.
Es ist insbesondere bevorzugt, daß der Schmelzofen ein Induktionsofen ist, da ein Induktionsofen für ein gutes Rühren der Schmelze sorgt.It is particularly preferred that the melting furnace is an induction furnace, since an induction furnace ensures good stirring of the melt.
Wir haben festgestellt, daß das Titan des Carbids oxidiert, um Titanoxid zu bilden, das mit Silicium aus der Ofenauskleidung reagieren kann, um eine harte Kruste auf der Metalloberfläche zu bilden, welche die Carbidteilchen einfangen und deren Verteilung im geschmolzenen Metall verringern kann.We have found that the titanium in the carbide oxidizes to form titanium oxide, which can react with silicon from the furnace lining to form a hard crust on the metal surface that can trap the carbide particles and reduce their dispersion in the molten metal.
Die beschichteten Legierungscarbidteilchen können zur Schmelze des technischen Eisenmetalls in der Form eines Pulvers zugesetzt werden, das Pulverteilchen mit einer Teilchengröße von bis zu 2 mm und vorzugsweise etwa 500 Mikrometer (Mikrons) umfaßt und Legierungscarbidteilchen mit einer Teilchengröße von bis zu 10 Mikrometern (Mikrons) und vorzugsweise im Bereich 1-5 Mikrometern (Mikrons) und bevorzugter 2-5 Mikrometern (Mikrons) enthält.The coated alloy carbide particles may be added to the melt of the engineering ferrous metal in the form of a powder comprising powder particles having a particle size of up to 2 mm and preferably about 500 micrometers (microns) and containing alloy carbide particles having a particle size of up to 10 micrometers (microns) and preferably in the range 1-5 micrometers (microns) and more preferably 2-5 micrometers (microns).
Die Pulverteilchen können umfassen:The powder particles may include:
25% - Beschichtungsmetall25% - Coating metal
30% - Ti30% - T
35% - W35% - W
Rest - Kohlenstoff (einschließlich bis zu 3,5% freier Kohlenstoff) und übliche NebenbestandteileBalance - Carbon (including up to 3.5% free carbon) and usual minor components
Das Beschichtungsmetall kann Eisen wie etwa Alpha-Eisen umfassen und kann vollständig oder im wesentlichen vollständig Alpha-Eisen umfassen und bis zu 3,5% freien Kohlenstoff.The coating metal may comprise iron such as alpha iron and may comprise entirely or substantially entirely alpha iron and up to 3.5% free carbon.
Ein derartiges Beschichtungsmetall hat einen Schmelzpunkt von etwa 1.520ºC und das Pulver ist damit für die Zugabe zu technischem Eisenmetall mit einer Betriebstemperatur von etwa 1.500ºC oder darüber geeignet.Such a coating metal has a melting point of about 1,520ºC and the powder is therefore suitable for addition to engineering ferrous metal with an operating temperature of about 1,500ºC or above.
Alternativ kann das Beschichtungsmetall eine Legierung aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff umfassen.Alternatively, the coating metal may comprise an alloy of iron, nickel and carbon.
In diesem Fall können das Pulver und die Legierungscarbidteilchen dieselbe Größe aufweisen, wie oben erwähnt, und die Pulverteilchen können umfassen:In this case, the powder and the alloy carbide particles may have the same size as mentioned above, and the powder particles may comprise:
27% - Beschichtungsmetall27% - Coating metal
30% - Ti30% - T
35% - W35% - W
Rest - Kohlenstoff (einschließlich bis zu 0,5% freier Kohlenstoff) und übliche NebenbestandteileBalance - Carbon (including up to 0.5% free carbon) and usual minor components
Das Beschichtungsmaterial kann eine Legierung aus Eisen, Nickel und Kohlenstoff umfassen:The coating material may comprise an alloy of iron, nickel and carbon:
59% - Nickel59% - Nickel
41% - Eisen und bis zu 0,5% freier Kohlenstoff und übliche Nebenbestandteile41% - iron and up to 0.5% free carbon and usual minor components
Ein derartiges Beschichtungsmetall hat einen Schmelzpunkt von etwa 1.420ºC und ist insbesondere geeignet für die Zugabe zu technischen Eisenmetallen mit einer Betriebstemperatur von unterhalb etwa 1.500ºC.Such a coating metal has a melting point of about 1,420ºC and is particularly suitable for addition to technical ferrous metals with an operating temperature of below about 1,500ºC.
Wenn Pulver mit einer Alpha-Eisenmatrix zu Metall mit solch einer relativ niedrigen Betriebstemperatur zugegeben wird, stellt man fest, daß das Pulver bei der Temperatur der Schmelze nicht genügend zusammenbrechen kann, um die beste Verteilung der Legierungscarbidteilchen in der Schmelze zu erreichen. Bei derartigen technischen Eisenmetallzusammensetzungen ist es nicht möglich, die Temperatur der Schmelze zu erhöhen, weil das Eisen dazu neigt, als ein Ergebnis von Überhitzung, die die Bildung von Graphit hemmt, ein "weißes" Eisen zu werden. Weißes Eisen ist ungeeignet zur Verwendung als ein Walzenmaterial.When powder with an alpha iron matrix is added to metal with such a relatively low operating temperature, it is found that the powder cannot break down sufficiently at the temperature of the melt to achieve the best distribution of the alloy carbide particles in the melt. With such engineering ferrous metal compositions, it is not possible to increase the temperature of the melt because the iron tends to become a "white" iron as a result of overheating which inhibits the formation of graphite. White iron is unsuitable for use as a roll material.
Falls gewünscht, kann das Beschichtungsmetall eine Legierung aus entweder Eisen, Nickel und Kupfer oder Eisen und Kupfer, in jedem Falle mit oder ohne Kohlenstoff, sein, um einen niedrigeren Schmelzpunkt zu liefern.If desired, the coating metal may be an alloy of either iron, nickel and copper or iron and copper, in each case with or without carbon, to provide a lower melting point.
Wenn das Beschichtungsmetall beträchtliche Mengen Kohlenstoff enthält, z. B. 2-3,5%, ist festgestellt worden, daß das Produkt, zu dem das Pulver zugegeben worden ist, weicher ist als erwartet, weil mehr Graphit im Metall transformiert wird. Man glaubt, daß dies auf dem freien Kohlenstoff in den relativ feinen Pulverteilchen beruht, der als ein Impfmaterial wirkt. Demgemäß wird der Kohlenstoffgehalt des Pulvers vorzugsweise auf weniger als etwa 0,5% verringert, um den Erweichungseffekt zu minimieren.When the coating metal contains significant amounts of carbon, e.g. 2-3.5%, it has been found that the product to which the powder has been added is softer than expected because more graphite is transformed in the metal. This is believed to be due to the free carbon in the relatively fine powder particles acting as an inoculant. Accordingly, the carbon content of the powder is preferably reduced to less than about 0.5% to minimize the softening effect.
Wenn das Produkt jedoch eine Walze ist, die in einer Anwendung verwendet wird; bei der Oberflächenausbrüche aufgrund von Zyklen umgekehrter thermischer Belastung wahrscheinlich sind, kann es wünschenswert sein, die Graphitmenge im Produkt zu erhöhen, weil Graphit eine bessere thermische Widerstandsfähigkeit und damit Widerstandsfähigkeit gegenüber Oberflächenausbrüchen liefert.However, if the product is a roll used in an application where surface chipping due to cycles of reverse thermal stress is likely, it may be desirable to increase the amount of graphite in the product, because graphite provides better thermal resistance and therefore resistance to surface chipping.
Wenn das Beschichtungsmetall Nickel enthält, kann ein ähnlicher Erweichungseffekt selbst dann auftreten, wenn das Beschichtungsmetall relativ wenig Kohlenstoff aufweist, z. B. 0,5%. Dieser Erweichungseffekt kann durch Einstellen der chemischen Zusammensetzung des technischen Eisenmetalls überwunden oder verringert werden.If the plating metal contains nickel, a similar softening effect can occur even if the plating metal has relatively low carbon, e.g. 0.5%. This softening effect can be overcome or reduced by adjusting the chemical composition of the engineering ferrous metal.
Alternativ können die beschichteten Legierungscarbidteilchen während eines Elektroschlacke-Umschmelzprozesses zugegeben werden.Alternatively, the coated alloy carbide particles can be added during an electroslag remelting process.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellen wir ein technisches Eisenmetallprodukt gemäß Anspruch 22 zur Verfügung.According to a second aspect of the present invention we provide an engineered ferrous metal product according to claim 22.
Die Mikrostruktur kann Matrix und Carbid umfassen, die aus Phasentransformation des technischen Eisenmetalls resultieren; wobei besagtes Carbid hierin, wie zuvor erwähnt, als "Transformationscarbid" bezeichnet wird.The microstructure may comprise matrix and carbide resulting from phase transformation of the engineering ferrous metal; said carbide is referred to herein as "transformation carbide", as previously mentioned.
Die diskreten Legierungscarbidteilchen besitzen vorzugsweise eine höhere Härte als das in der Mikrostruktur vorhandene Transformationscarbid.The discrete alloy carbide particles preferably have a higher hardness than the transformation carbide present in the microstructure.
Die diskreten Legierungscarbidteilchen können die Härte des technischen Eisenmetalls aufgrund des Gesetzes der Mischungen erhöhen und/oder die Phasentransformation des technischen Eisenmetalls kann durch das Vorhandensein der diskreten Legierungscarbidteilchen modifiziert und verstärkt werden.The discrete alloy carbide particles can increase the hardness of the engineering ferrous metal due to the law of mixtures and/or the phase transformation of the engineering ferrous metal can be modified and enhanced by the presence of the discrete alloy carbide particles.
Die diskreten Legierungscarbidteilchen können in der Matrix und/oder dem Transformationscarbid verteilt sein.The discrete alloy carbide particles may be distributed in the matrix and/or the transformation carbide.
Die diskreten Legierungscarbidteilchen können in der Mikrostruktur gleichförmig verteilt sein.The discrete alloy carbide particles can be uniformly distributed in the microstructure.
Für sowohl den ersten als auch den zweiten Aspekt der Erfindung gilt:The following applies to both the first and second aspects of the invention:
Die Legierungscarbidteilchen können eine Härte von etwa 3.000 vpn besitzen.The alloy carbide particles can have a hardness of about 3,000 vpn.
Das Legierungscarbid ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die Chrom-, Molybdän-, Titan-, Wolfram-, Niob-, Vanadium- oder Mischcarbide derselben umfaßt, wie etwa Cr&sub7;C&sub3;, (CrMo)&sub7;C&sub3; oder gemischte Carbonitride.The alloy carbide is preferably selected from the group comprising chromium, molybdenum, titanium, tungsten, niobium, vanadium or mixed carbides thereof, such as Cr₇C₃, (CrMo)₇C₃ or mixed carbonitrides.
Das Carbid kann z. B. ein gemischtes Wolframtitancarbid der Art (TiW)C sein, bei dem das Verhältnis von Titan zu Wolfram gewichtsbezogen bei etwa 1 : 1 liegt.The carbide can be, for example, a mixed tungsten titanium carbide of the type (TiW)C, in which the ratio of titanium to tungsten is approximately 1:1 by weight.
Das Legierungscarbid kann Ti und W im Verhältnisbereich:The alloy carbide can contain Ti and W in the ratio range:
1 : 1 bis 1 : 1,171 : 1 to 1 : 1.17
umfassen.include.
Das Legierungscarbid kann Stickstoff enthalten, z. B. bis zu etwa 0,1% Stickstoff. Das Legierungscarbid umfaßt vorzugsweise:The alloy carbide may contain nitrogen, e.g. up to about 0.1% nitrogen. The alloy carbide preferably comprises:
42% - Ti42% - T
49% - W49% - W
9% - C und übliche Rückstände9% - C and usual residues
Das Legierungscarbid kann bis zu 0,1% Stickstoff enthalten.The alloy carbide can contain up to 0.1% nitrogen.
Die Legierungscarbidteilchen haben einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, verglichen mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von technischen Eisenmetallen. Demgemäß würde, wenn relativ große Legierungscarbidteilchen in den technischen Eisenmetallen vorhanden wären, dies zu hohen Spannungen beim Abkühlen führen, was Dislokationen für die Form bewirken und zu thermischer Ermüdung führen würde.The alloy carbide particles have a very low thermal expansion coefficient compared to the thermal expansion coefficient of engineering ferrous metals. Accordingly, if relatively large alloy carbide particles were present in the engineering ferrous metals, this would lead to high stresses during cooling, causing dislocations for the shape and leading to thermal fatigue.
Die Legierungscarbidteilchen besitzen vorzugsweise eine maximale Abmessung von bis zu 10 Mikrons und vorzugsweise 1-5 Mikrorls und bevorzugter 2-5 Mikrons.The alloy carbide particles preferably have a maximum dimension of up to 10 microns, and preferably 1-5 microns, and more preferably 2-5 microns.
Die zugesetzte Menge an Legierungscarbidteilchen ist derart, daß bis zu 20 Vol.-% Legierungscarbidteilchen im festen Metall erreicht werden. Im allgemeinen kann der Legierungscarbid-Gehalt im Bereich von 0,1 bis 20 Vol.-% liegen und kann im Bereich von 1 bis 20% und bevorzugter 3 bis 10% liegen, wenn für einen Härtungseffekt, beruhend auf dem Gesetz der Mischungen, gesorgt ist. Der Legierungscarbid-Gehalt kann jedoch niedriger sein, z. B. runter von etwa 1% bis etwa 0,5% oder 0,1% oder weniger, wenn für einen Härtungseffekt, beruhend auf einer Modifikation der Transformation der Mikrostruktur, gesorgt ist.The amount of alloy carbide particles added is such that up to 20 vol.% alloy carbide particles in the solid metal is achieved. In general, the alloy carbide content may be in the range of 0.1 to 20 vol.% and may be in the range of 1 to 20% and more preferably 3 to 10% if a hardening effect based on the law of mixtures is provided. However, the alloy carbide content may be lower, e.g. down from about 1% to about 0.5% or 0.1% or less if a hardening effect based on a modification of the transformation of the microstructure is provided.
Das technische Eisenmetall hat vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt, der im Bereich von 0,3 bis 3,8% liegt.The technical ferrous metal preferably has a carbon content in the range of 0.3 to 3.8%.
Die technischen Eisenmetalle können Chrom enthalten und können einen Chromgehalt aufweisen, der höher ist als oder gleich 1%.The technical ferrous metals may contain chromium and may have a chromium content greater than or equal to 1%.
Das technische Eisenmetall kann Stickstoff enthalten, z. B. bis zu 0,1 % Stickstoff.The technical iron metal may contain nitrogen, e.g. up to 0.1% nitrogen.
Wenn das Beschichtungsmetall und/oder das Legierungscarbid und/oder das technische Eisenmetall Stickstoff enthält, wird erwogen, daß Titancarbonitride in der Mikrostruktur des technischen Eisenmetalls ausgefällt sein können. Der Gesamtstickstoffgehalt aller Komponenten kann auf etwa 0,1% Stickstoff beschränkt werden.If the coating metal and/or the alloy carbide and/or the engineering ferrous metal contains nitrogen, it is considered that titanium carbonitrides may be precipitated in the microstructure of the engineering ferrous metal. The total nitrogen content of all components may be limited to about 0.1% nitrogen.
Das technische Eisenmetall kann eine Zusammensetzung aufweisen, die in einen der folgenden Bereiche fällt: Undefinierter Hartguß wie etwa: Chromeisen wie etwa: Hochlegierungsstähle wie etwa: Werkzeugstähle wie etwa: The engineering ferrous metal may have a composition that falls within any of the following ranges: Undefined chilled cast iron such as: Chromium iron such as: High alloy steels such as: Tool steels such as:
oder or
Derartiger Stahl kann für die Fertiggerüste eines Warmbandstahlwalzwerkes verwendet werden. Mittellegierungsstähle wie etwa: Niedriglegierungsstähle wie etwa: S. G.-Eisen wie etwa: Such steel can be used for the finishing stands of a hot strip steel rolling mill. Medium alloy steels such as: Low alloy steels such as: SG irons such as:
In allen Fällen umfassen Eisen und übliche Nebenbestandteile den Rest.In all cases, iron and common minor components make up the remainder.
Stickstoff kann bis zu 0,1% ebenfalls vorhanden sein, wenn angemessen.Nitrogen may also be present up to 0.1% if appropriate.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellen wir eine Walzwerkwalze mit wenigstens einem äußeren Teil zur Verfügung, der ein technisches Eisenmetall gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung oder ein technisches Eisenmetall, das gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist, umfaßt.According to a third aspect of the invention we provide a rolling mill roll having at least an outer part comprising an engineering ferrous metal according to the second aspect of the invention or an engineering ferrous metal manufactured according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Herstellung einer Walzwerkwalze zur Verfügung, bei dem ein Metall, das gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt ist, oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, gegossen wird, um wenigstens ein äußeres Teil der Walzwerkwalze herzustellen.According to a fourth aspect of the invention we provide a method of making a rolling mill roll comprising casting a metal made according to the first aspect of the invention or according to the second aspect of the invention to make at least an outer part of the rolling mill roll.
In einer ersten Alternative kann die Walzwerkwalze eine Verbundwalzwerkwalze von der Art sein, die einen Kern und einen äußeren Mantel aufweist, mit fakultativ wenigstens einer Zwischenschicht, wobei der Mantel besagtes äußeres Teil umfaßt.In a first alternative, the mill roll may be a composite mill roll of the type having a core and an outer shell, optionally with at least one intermediate layer, the shell comprising said outer part.
Die Legierungscarbidteilchen können in ein geschmolzenes technisches Eisenmetall eingebracht werden, aus dem der Mantel hergestellt werden soll, und anschließend kann das technische Eisenmetall mit den Legierungscarbidteilchen darin in eine Form gegossen werden.The alloy carbide particles can be introduced into a molten engineering ferrous metal from which the shell is to be made, and then the engineering ferrous metal with the alloy carbide particles therein can be cast into a mold.
Die Carbidteilchen können in die Form unter einer Schutzatmosphäre aus Inertgas, wie etwa Argon, oder unter einem Vakuum eingebracht werden.The carbide particles can be introduced into the mold under a protective atmosphere of inert gas, such as argon, or under a vacuum.
Die Verbundwalze kann durch Schleuderguß hergestellt werden.The composite roller can be manufactured by centrifugal casting.
In einer zweiten Alternative kann eine Walze hergestellt werden, indem ein Elektroschlacke- Umschmelzverfahren an einer selbstverzehrenden Elektrode durchgeführt wird, die einen Innenkörper umfaßt, der mit einer äußeren Plattierung versehen ist, die ein hohles Element umfaßt, das besagte beschichtete Legierungscarbidteilchen enthält.In a second alternative, a roll may be manufactured by performing an electroslag remelting process on a consumable electrode comprising an inner body provided with an outer cladding comprising a hollow member containing said coated alloy carbide particles.
Der Innenkörper kann röhrenförmig oder massiv sein.The inner body can be tubular or solid.
Das hohle Element kann eine Hülse oder eine Mehrzahl von diskreten hohlen Elementen wie etwa Röhren umfassen.The hollow member may comprise a sleeve or a plurality of discrete hollow members such as tubes.
Das Material innerhalb des oder jedes hohlen Elementes kann auch (einen) Pulverlegierungsbestandteil(e) umfassen.The material within the or each hollow member may also comprise powder alloy component(s).
Das Pulver des Legierungselementes kann eine Meshgröße von weniger als 3 mm besitzen, kann aber eine Meshgröße von bis zu 5 mm besitzen und kann im Bereich 2-5 mm liegen. Jedes hohle Element oder jede hohle Hülse kann Stahl umfassen, wie etwa milden Stahl oder rostfreien Stahl.The alloying element powder may have a mesh size of less than 3 mm, but may have a mesh size of up to 5 mm and may be in the range 2-5 mm. Any hollow element or sleeve may comprise steel, such as mild steel or stainless steel.
Wenn die Plattierung diskrete Elemente umfaßt, kann wenigstens eines der Elemente eine von den anderen Elementen unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.When the plating comprises discrete elements, at least one of the elements may have a different composition from the other elements.
Der Innenkörper kann eine konstante Zusammensetzung über seinen gesamten Querschnitt hinweg aufweisen oder er kann eine variierende Zusammensetzung über wenigstens einen Teil seines Querschnittes aufweisen.The inner body may have a constant composition over its entire cross-section or it may have a varying composition over at least a portion of its cross-section.
Die Tropfen aus geschmolzenem beschichteten Legierungscarbid oder aus geschmolzenem beschichteten Legierungscarbid und Legierungsbestandteil aus den hohlen Elementen werden aufgrund ihrer Raum- und Temperaturnähe zur Formwand relativ schnell an oder nahe der Formwand fest werden, wodurch der Bereich des aufgeschmolzenen Gußteils nahe der Formwand eine relativ hohe und gleichförmige Verteilung von Legierungscarbid oder Carbid und Legierungsbestandteil aufweist. Wenn die Legierungscarbidteilchen nicht vollständig schmelzen, werden sie natürlich in der Schmelze nahe der Formwand eingefangen, wenn diese relativ schnell fest wird.The droplets of molten coated alloy carbide or molten coated alloy carbide and alloy component from the hollow elements will solidify relatively quickly on or near the mold wall due to their proximity in space and temperature to the mold wall, whereby the area of the molten casting near the mold wall has a relatively high and uniform distribution of alloy carbide or carbide and alloy component. If the alloy carbide particles do not melt completely, they will naturally be trapped in the melt near the mold wall as it solidifies relatively quickly.
In oder nahe dem Zentrum des Gußblockes kann eine relativ geringe gleichförmige Verteilung von Legierungscarbidteilchen oder Carbidteilchen und Legierungsbestandteil vorliegen.There may be a relatively small uniform distribution of alloy carbide particles or carbide particles and alloy constituent in or near the center of the ingot.
Der Schmelzpunkt des Legierungsbestandteils und/oder der Legierungscarbide kann höher sein als der Schmelzpunkt der Schlacke und des inneren Teils der selbstverzehrenden Elektrode.The melting point of the alloying component and/or alloy carbides may be higher than the melting point of the slag and the inner part of the consumable electrode.
Der äußere Teil des Gußblockes kann durch einen Dispersionshärtungseffekt der Legierungscarbide gehärtet werden.The outer part of the cast ingot can be hardened by a dispersion hardening effect of the alloy carbides.
Alternativ kann der äußere Teil des gewalzten Gußblockes zusätzlich oder alternativ durch einen sekundären Härtungswärmebehandlungsprozeß gehärtet werden.Alternatively, the outer part of the rolled ingot may be additionally or alternatively hardened by a secondary hardening heat treatment process.
Der Elektroschlacke-Umschmelzprozeß kann durchgeführt werden, um eine Walze zu liefern, die einen inneren Teil mit einer ersten Zusammensetzung und einen Oberflächenteil mit einer zweiten Zusammensetzung, die verschieden ist von der ersten Zusammensetzung, umfaßt und wobei das Metall der Walze zwischen dem inneren Teil und dem Oberflächenteil eine Zusammensetzung aufweist, die sich von der ersten Zusammensetzung zur zweiten Zusammensetzung ohne Diskontinuität ändert. Dies kann erreicht werden durch Abstimmen der Spannung und des Stromes und der Schlackezusammensetzung des Elektroschlacke- Umschmelzprozesses, so daß das geschmolzene Bad relativ flach ist.The electroslag remelting process can be carried out to provide a roll comprising an inner portion having a first composition and a surface portion having a second composition different from the first composition, and the metal of the roll between the inner portion and the surface portion having a composition that changes from the first composition to the second composition without discontinuity. This can be achieved by matching the voltage and current and the slag composition of the electroslag remelting process so that the molten pool is relatively flat.
Statt dessen oder zusätzlich kann die Abkühlrate der Form eingestellt werden ebenso wie die Bewegungsrate der Form.Instead or in addition, the cooling rate of the mold can be adjusted as well as the movement rate of the mold.
Alternativ kann der Elektroschlacke-Umschmelzprozeß durchgeführt werden, um eine Walze mit im wesentlichen gleichförmiger Zusammensetzung über den gesamten Querschnitt der Walze zu liefern.Alternatively, the electroslag remelting process may be performed to provide a roll with substantially uniform composition across the entire cross-section of the roll.
Mit "Elektroschlacke-Umschmelzen" (ESU) meinen wir ein Verfahren, bei dem eine selbstverzehrende Elektrode unterhalb einer elektrisch leitfähigen Schlacke in einer sich · bewegenden Form geschmolzen wird, von deren unterem Ende ein kontinuierlich gegossener Gußblock austritt; die Elektrode wird durch Wärmeübergang aus der Schlacke erhitzt und die Schlacke wird durch elektrische Leitung von der Elektrode durch die Schlacke zu einer Gegenelektrode, die vom Gußblock geliefert wird, erhitzt.By "electroslag remelting" (ESR) we mean a process in which a consumable electrode is melted beneath an electrically conductive slag in a moving mold from the lower end of which a continuously poured ingot emerges; the electrode is heated by heat transfer from the slag and the slag is heated by electrical conduction from the electrode through the slag to a counter electrode supplied by the ingot.
In dritten und vierten Alternativen kann die Walze eine Verbundwalze sein, hergestellt durch ESU-Plattierung oder Sprühplattierung. Bei ESU-Plattierung wird eine Welle unter Verwendung des Elektroschlacke-Umschmelzprozesses plattiert, entweder unter Verwendung einer Drahtzufuhr als dem Ausgangsmaterial oder einer hohlen Elektrode. Im ersteren Fall können die beschichteten Teilchen durch eine Pulverzuführung in den geschmolzenen Pool eingebracht werden. Im letzeren Fall kann entweder eine Pulverzuführung verwendet werden oder können die beschichteten Teilchen vorzugsweise in die hohle Elektrode während des primären Schmelz- und Gußvorganges in einer ähnlichen Weise zur oben beschriebenen Herstellung des Mantelmetalls eingebracht werden.In third and fourth alternatives, the roll may be a composite roll made by ESR plating or spray plating. In ESR plating, a shaft is plated using the electroslag remelting process, using either a wire feed as the starting material or a hollow electrode. In the former case, the coated particles may be introduced into the molten pool by a powder feeder. In the latter case, either a powder feeder may be used or the coated particles may preferably be introduced into the hollow electrode during the primary melting and casting process in a similar manner to the preparation of the shell metal described above.
Bei Sprühplattierung können die beschichteten Teilchen in eine sprühabgeschiedene Schicht einbezogen werden. Es ist möglich, eine sprühabgeschiedene Schicht, die durch die beschichteten Carbidteilchen gehärtet ist, mit ausreichender Tiefe herzustellen, um die volle Betriebslebensdauer einer Walzwerkwalze bereitzustellen.In spray plating, the coated particles can be incorporated into a spray deposited layer. It is possible to produce a spray deposited layer hardened by the coated carbide particles with sufficient depth to provide the full service life of a mill roll.
In einer fünften Alternative kann eine Walze durch Monoblockstatikguß hergestellt werden, bei dem eine Walze einfach dadurch hergestellt wird, daß eine stationäre Form mit einem einzigen technischen Eisenmetall gefüllt wird.In a fifth alternative, a roll can be manufactured by monobloc static casting, where a roll is manufactured simply by filling a stationary mold with a single engineering ferrous metal.
In einer sechsten Alternative kann eine Walze mit einem Doppelgußstatikverfahren hergestellt werden, bei dem eine Walze dadurch hergestellt wird, daß zunächst eine Form teilweise bis zum oberen Ende eines Zylinderteils der Walze mit einem technischen Eisenmetall einer gewünschten Zusammensetzung für einen Außenmantelteil der Walze gefüllt wird, hergestellt mit dem Verfahren des ersten Aspektes der Erfindung, oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die versehen ist mit Carbidteilchen, und wenn ein äußerer Teil des Mantelmetalls sich verfestigt hat, wird ein Metall einer gewünschten Kernzusammensetzung in den Boden der Form zugeführt, um das erste Metall zu verdünnen, bis eine vorbestimmte Metallmenge von einem Überlauf zwischen den Enden und im allgemeinen etwa bis zur Hälfte verdrängt worden ist, ein oberer Wellenzapfenteil der Form, der Überfluß wird dann geschlossen und das Füllen der Form mit dem zweiten Teil wird abgeschlossen.In a sixth alternative, a roll may be manufactured by a double cast static process in which a roll is manufactured by first filling a mold partially to the top of a cylinder portion of the roll with an engineering ferrous metal of a desired composition for an outer shell portion of the roll, manufactured by the method of the first aspect of the invention, or according to the second aspect of the invention, provided with carbide particles, and when an outer portion of the shell metal has solidified, a metal of a desired core composition is fed into the bottom of the mold to dilute the first metal until a predetermined amount of metal has been displaced from a spillway between the ends and generally about halfway, an upper journal portion of the mold, the spillway is then closed and the filling of the mold with the second portion is completed.
In einer siebten Alternative wird eine Walze dadurch hergestellt, daß ein Metallgußblock, hergestellt gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, gegossen und der Gußblock anschließend geschmiedet wird, um eine geschmiedete Walze zu liefern, gefolgt von einer Wärmebehandlung der geschmiedeten Walze.In a seventh alternative, a roll is manufactured by casting a metal ingot manufactured according to the first aspect of the invention, or according to the second aspect of the invention, and then forging the ingot to provide a forged roll, followed by heat treating the forged roll.
Eine Walze gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt eine Marktanforderung, die bisher nicht befriedigend erfüllt worden ist, indem eine Walze mit höherer Bruchzähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Oberflächenausbruch sowie mit verbesserter Abnutzungsbständigkeit zur Verfügung gestellt wird.A roll according to the present invention meets a market need that has not been satisfactorily met heretofore by providing a roll with higher fracture toughness and resistance to surface chipping as well as improved wear resistance.
Eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Walze ist zur Verwendung in den Fertiggerüsten von Warm- und Kaltbandwalzwerken gedacht. Sie kann für Vorgerüste in Warmbandwalzwerken und für andere Flachwalzzwecke verwendet werden.A roll embodying the present invention is intended for use in the finishing stands of hot and cold strip rolling mills. It can be used for roughing stands in hot strip rolling mills and for other flat rolling purposes.
Insbesondere ist eine Walze mit besagtem äußeren Teil, hergestellt aus den oben aufgelisteten technischen Eisenmetallen, zur Verwendung in den spezifizierten entsprechenden Anwendungen gedacht:In particular, a roller with said outer part made of the above-listed technical ferrous metals is intended for use in the specified corresponding applications:
Undefinierter Hartguß Alle Gerüste in WarmbandwalzwerkenUndefined chilled cast iron All stands in hot strip rolling mills
Chromeisen Vorgerüst in WarmbandwalzwerkenChromium iron roughing stand in hot strip rolling mills
Chromeisen KaltbandwalzwerkeChromium iron cold strip rolling mills
Legierungsstahl WarmbandwalzwerkeAlloy steel hot strip rolling mills
Werkzeugstahl Fertiggerüste in Kalt- oder WarmbandwalzwerkenTool steel finishing stands in cold or hot strip rolling mills
Der Kern kann schuppenförmiges, kompaktes/vermizuläres oder noduläres Gußeisen, Stahl oder anderes geeignetes Material sein.The core may be flaky, compact/vermicular or nodular cast iron, steel or other suitable material.
Durch Bereitstellen von Teilchen, die eine Dichte aufweisen, die zu derjenigen des technischen Eisenmetalls paßt, in das sie eingebracht werden, wird Segregation als ein Ergebnis des Schleudergusses vermieden.By providing particles having a density matching that of the engineering ferrous metal into which they are incorporated, segregation as a result of centrifugal casting is avoided.
Das Schleuderverfahren neigt dazu, weniger dichte Teilchen zur Bohrung des Mantels hin zu segregieren. Legierungscarbidteilchen in einer Dichte, die zum Stammetall paßt, führen dazu, daß Legierungscarbidteilchen gleichmäßig über den gesamten Schnitt des Mantels verteilt und nicht zur Bohrung hin zentrifugiert werden.The spinning process tends to segregate less dense particles toward the bore of the shell. Alloy carbide particles at a density that matches the parent metal result in alloy carbide particles being evenly distributed throughout the cut of the shell and not centrifuged toward the bore.
Technische Eisenmetalle, die mit einem Verfahren hergestellt sind, das den ersten Aspekt der Erfindung verkörpert, oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, können mit Nutzen in anderen Schleudergußverfahren eingesetzt werden, z. B. zur Herstellung von Linern von Dieselmotoren und Röhren wie etwa für Gas oder Öl oder anderen Schleudergußartikeln, wie etwa hohlen Hülsen zur Verwendung in Strahlmühlen und anderen Abschnitten.Engineering ferrous metals produced by a process embodying the first aspect of the invention, or according to the second aspect of the invention, may be used with benefit in other centrifugal casting processes, for example for the manufacture of liners of diesel engines and pipes such as for gas or oil, or other centrifugal cast articles such as hollow sleeves for use in jet mills and other sections.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Herstellung eines Schleudergußproduktes zur Verfügung, bei dem ein Metall, hergestellt gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, in eine Schleudergußform gegossen und ein Schleudergußverfahren daran durchgeführt wird.According to a fifth aspect of the invention we provide a method of making a centrifugally cast product comprising pouring a metal made according to the first aspect of the invention or according to the second aspect of the invention into a centrifugal casting mold and performing a centrifugal casting process thereon.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Produkte beschränkt, die durch Schleuder- oder Zentrifugalguß hergestellt sind. Die Erfindung kann auf einen weiten Bereich von technischen Eisenmetallen für viele Zwecke angewendet werden.However, the invention is not limited to products made by centrifugal or spin casting. The invention can be applied to a wide range of engineering ferrous metals for many purposes.
Die technischen Eisenmetalle können in herkömmliche Gußblockformen gegossen und anschließend zu Komponenten geschmiedet werden, z. B. Walzwerkwalzen.The engineering ferrous metals can be cast into conventional ingot molds and subsequently forged into components, e.g. rolling mill rolls.
Walzen, die auf diese Weise hergestellt sind, würden typischerweise zu einer Martensit- oder Bainit-Struktur gehärtet werden und würden beim Kaltwalzen von Stahl verwendet werden. Für diese Anwendungen ist eine gleichförmige Struktur erforderlich, um dem kaltgewälzten Produkt ein gleichförmiges Finish zu verleihen.Rolls made in this manner would typically be hardened to a martensite or bainite structure and would be used in cold rolling steel. For these applications, a uniform structure is required to give the cold rolled product a uniform finish.
Es ist überraschend, daß die Carbidteilchen gleichförmig über die gesamte Matrix hinweg und innerhalb des Transformationscarbids der Mikrostruktur verteilt sind, weil man erwartet hätte, daß bei der Verfestigung die sich verfestigende Phase die Legierungscarbidteilchen vor die Grenzfläche des sich verfestigenden flüssigen Metalls schieben würde, so daß man erwarten würde, daß die Legierungscarbidteilchen an den Korngrenzen segregiert würden.It is surprising that the carbide particles are uniformly distributed throughout the matrix and within the transformation carbide microstructure because one would have expected that during solidification the solidifying phase would push the alloy carbide particles in front of the interface of the solidifying liquid metal, so one would expect the alloy carbide particles to be segregated at the grain boundaries.
Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:An example of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 eine Mikrofotografie ist, die einen inneren Bereich eines Mantels zeigt, der die Erfindung verkörpert, bei einer Vergrößerung von 500,Fig. 1 is a photomicrograph showing an interior portion of a jacket embodying the invention at a magnification of 500,
Fig. 2 eine Vergrößerung eines Teils von Fig. 1 ist, bei einer Vergrößerung von 1.500,Fig. 2 is an enlargement of a portion of Fig. 1, at a magnification of 1,500,
Fig. 3 und 4 ähnlich zu den Fig. 2 und 3 sind, aber von einem Mittelbereich des Mantels,Fig. 3 and 4 are similar to Fig. 2 and 3, but from a central region of the shell,
Fig. 5 und 6 ähnlich sind zu den Fig. 1 und 2, aber von einem äußeren Bereich des Mantels,Fig. 5 and 6 are similar to Fig. 1 and 2, but from an outer region of the mantle,
Fig. 7 eine Mikrofotografie eines Mantels einer Walze derselben Basiszusammensetzung ist, die aber nicht die Erfindung verkörpert, bei einer Vergrößerung von x500,Fig. 7 is a photomicrograph of a shell of a roller of the same basic composition but not embodying the invention, at a magnification of x500,
Fig. 8 eine Mikrofotografie eines geschmiedeten Teststückes bei einer Vergrößerung von x400 ist.Fig. 8 is a photomicrograph of a forged test piece at a magnification of x400.
Fig. 9 eine Mikrofotografie ist, die eine Probe eines zweiten Beispieles der Erfindung zeigt, bei einer Vergrößerung von x300,Fig. 9 is a photomicrograph showing a sample of a second example of the invention at a magnification of x300,
Fig. 10 eine Rasterelektronenmikrofotografie ist, die eine Probe eines dritten Beispieles der Erfindung zeigt, bei einer Vergrößerung von x350,Fig. 10 is a scanning electron micrograph showing a sample of a third example of the invention, at a magnification of x350,
Fig. 11 eine Rasterelektronenmikrofotografie ist, die eine Probe des dritten Beispiels der Erfindung zeigt, bei einer Vergrößerung von x3.000,Fig. 11 is a scanning electron micrograph showing a sample of the third example of the invention, at a magnification of x3,000,
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Schleudergußanlage ist, die in den Beispielen I-III verwendet wird,Fig. 12 is a schematic representation of a centrifugal casting plant used in Examples I-III,
Fig. 13 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform ist, die einen Elektroschlacke-Umschmelzapparat zeigt, wenn in Gebrauch bei einem Verfahren, das die vorliegende Erfindung verkörpert, undFig. 13 is a schematic side view of another embodiment showing an electroslag remelting apparatus when in use in a process embodying the present invention, and
Fig. 14 ein Querschnitt durch eine selbstverzehrende Elektrode zur Verwendung im Apparat von Fig. 13 ist.Fig. 14 is a cross-section through a consumable electrode for use in the apparatus of Fig. 13.
In einem ersten Beispiel wurde eine technische Eisenmetallschmelze, die ein undefiniertes Hartgußeisen mit der folgenden Zusammensetzung umfaßte, in herkömmliche Art und Weise in einem Induktionsofen hergestellt.In a first example, a technical ferrous metal melt comprising an undefined chilled cast iron with the following composition was prepared in a conventional manner in an induction furnace.
Kohlenstoff 3,3%Carbon 3.3%
Silicium 0,85%Silicon 0.85%
Mangan 0,50%Manganese 0.50%
Nickel 2,3%Nickel 2.3%
Chrom 1,1%Chromium 1.1%
Molybdän 0,1%Molybdenum 0.1%
Schwefel 0,050%Sulphur 0.050%
Phosphor 0,060%Phosphorus 0.060%
Eisen und übliche Nebenbestandteile RestIron and usual minor components Rest
Nachdem das Eisen auf Betriebstemperatur gebracht worden war, d. h. ungefähr 1.500ºC, wurde ein Pulver, das Legierungscarbidteilchen umfaßte, die von einer Eisenbeschichtung mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,00% umhüllt waren, zur Schmelze im Schmelzofen in einer Menge zugegeben, die 10 Gew.-% entsprach. Die Pulverteilchen besaßen eine Teilchengröße von bis zu 500 Mikrons und umfaßten:After the iron had been brought to operating temperature, i.e. approximately 1500ºC, a powder comprising alloy carbide particles coated with an iron coating having a carbon content of 3.00% was added to the melt in the furnace in an amount equal to 10% by weight. The powder particles had a particle size of up to 500 microns and comprised:
25% - Alpha-Eisen25% - Alpha Iron
30% - Ti30% - T
35% - W35% - W
Rest - C (wovon 3% freier Kohlenstoff waren) und übliche NebenbestandteileRest - C (of which 3% was free carbon) and usual minor components
Die Legierungscarbidteilchen besaßen eine mittlere Teilchengröße von bis zu 10 Mikrons und umfaßten eine feste Lösung von 30% Ti- und 35% W-Carbiden und hatten eine Dichte von etwa 7, um mit derjenigen des Eisens zusammenzupassen.The alloy carbide particles had a mean particle size of up to 10 microns and comprising a solid solution of 30% Ti and 35% W carbides and had a density of about 7 to match that of iron.
Die obengenannte Betriebstemperatur ist höher als die übliche Temperatur, auf die Metall der obigen Zusammensetzung vor dem Abstich erhitzt wird, weil das Beschichtungsmetall des Pulvers eine Schmelztemperatur von etwa 1.520ºC besitzt und es wünschenswert ist, daß das Metall so heiß wie möglich ist. Eine Temperatur von mehr als etwa 1.500ºC ist nicht möglich wegen der Neigung, das undefinierte Hartgußeisen zu "weißen".The above operating temperature is higher than the usual temperature to which metal of the above composition is heated prior to tapping because the coating metal of the powder has a melting temperature of about 1520ºC and it is desirable that the metal be as hot as possible. A temperature higher than about 1500ºC is not possible because of the tendency to "whiten" the undefined chilled iron.
Die Schmelze läßt man dann für etwa 15 min im Ofen verbleiben, um seine Betriebstemperatur von ungefähr 1.500ºC anzunehmen. Das geschmolzene Metall wurde anschließend in eine Pfanne gegossen, und dann in der Pfanne vom Schmelzofen in eine herkömmliche Schleudergußanlage, die in Fig. 1 dargestellt ist, überführt, in der das Metall aus der Pfanne in die Schleudergußanlage gegossen wurde, um einen Mantel 5 des oben beschriebenen Metalles in herkömmlicher Art und Weise zu bilden. Um eine Verbundwalzwerkwalze herzustellen, würde anschließend Metall geeigneter Zusammensetzung, wie etwa noduläres Gußeisen, gegossen werden, um einen Kern C zu bilden. Das vorliegende Beispiel beschäftigte sich jedoch mit der Bereitstellung eines Mantels, d. h. eines röhrenförmigen Produktes, und so wurde das Kernmetall nicht gegossen.The melt is then allowed to remain in the furnace for about 15 minutes to reach its operating temperature of about 1500°C. The molten metal was then poured into a ladle and then transferred in the ladle from the furnace to a conventional centrifugal casting plant shown in Figure 1 where the metal from the ladle was poured into the centrifugal casting plant to form a shell 5 of the metal described above in a conventional manner. To produce a composite mill roll, metal of suitable composition, such as nodular cast iron, would then be cast to form a core C. However, the present example was concerned with providing a shell, i.e. a tubular product, and so the core metal was not cast.
Die Verweilzeit des Metalls im Ofen nach der Zugabe der Carbidteilchen betrug etwa 15 min. um das Erreichen der Temperatur zu ermöglichen, und die Verweilzeit in der Pfanne vor dem Gießen in die Schleudergußanlage betrug etwa 15 min. Somit verstrichen im vorliegenden Beispiel etwa 30 min nach der Zugabe der Carbidteilchen und vor dem Gießen. Falls gewünscht, könnte die Verweilzeit länger sein, z. B. 1 Stunde oder 1,5 Stunden oder mehr, oder könnte kürzer sein.The residence time of the metal in the furnace after the addition of the carbide particles was about 15 minutes to allow the temperature to reach, and the residence time in the ladle before the Pouring into the centrifugal casting machine was about 15 minutes. Thus, in the present example, about 30 minutes elapsed after the addition of the carbide particles and before pouring. If desired, the residence time could be longer, e.g. 1 hour or 1.5 hours or more, or could be shorter.
Nachdem der Mantel sich verfestigt hat, wurden Proben aus Bereichen benachbart zu den inneren, mittleren und äußeren Teilen des Mantels genommen, und geeignete Proben wurden in herkömmlicher Art und Weise präpariert, um die Mikrofotografien zu erhalten, die in den Fig. 1-6 dargestellt sind.After the mantle had solidified, samples were taken from areas adjacent to the inner, middle and outer parts of the mantle and appropriate samples were prepared in a conventional manner to obtain the photomicrographs shown in Figs. 1-6.
Aus diesen Mikrofotografien wird man sehen, daß die zugegebenen Carbidteilchen auf einem makroskopischen Maßstab relativ gleichförmig über die gesamte Dicke des Mantels verteilt sind. Es ist insbesondere anzumerken, daß die Carbidteilchen an Korngrenzen nicht segregiert sind, sondern relativ gleichförmig über die ganze Mikrostruktur verteilt sind, unabhängig von den Phasen, die als ein Ergebnis von Phasentransformation während der Verfestigung und Abkühlung vorhanden sind. Aus Fig. 7 ist auch zu sehen, daß die Mikrostruktur von derselben Art ist wie in einem Vergleichsbasismaterial derselben Zusammensetzung, aber ohne Legierungscarbidteilchen-Zugabe.From these micrographs it will be seen that the added carbide particles are relatively uniformly distributed on a macroscopic scale throughout the thickness of the shell. It is particularly noted that the carbide particles are not segregated at grain boundaries but are relatively uniformly distributed throughout the microstructure, regardless of the phases present as a result of phase transformation during solidification and cooling. It can also be seen from Fig. 7 that the microstructure is of the same type as in a control base material of the same composition but without alloy carbide particle addition.
Eine chemische Analyse einer Stichprobe von mehreren Stellen wurde durchgeführt, die zeigt, daß nur etwa die Hälfte des zugegebenen Carbids aufgenommen worden war, um 5 Gew.-% des Carbids zu ergeben. Mit Extra-Carbid meinen wir diskrete Carbidteilchen zusätzlich zu dem Carbid, das natürlicherweise als ein Ergebnis einer Phasenveränderung beim Abkühlen vorliegt.Chemical analysis of a sample from several locations was performed which shows that only about half of the added carbide had been taken up to yield 5% by weight of carbide. By extra carbide we mean discrete carbide particles in addition to the carbide that is naturally present as a result of a phase change upon cooling.
Aus einer Edax(Energiedispersive Röntgen)-Analyse ergab sich ein Verhältnis von Ti : W im Carbid von etwa 4 : 1, dies aber auf einer Atom-%-Basis, und auf einer entsprechenden Gew.- %-Basis ergibt dies:An Edax (energy dispersive X-ray) analysis showed a ratio of Ti:W in the carbide of about 4:1, but this is on an atomic % basis, and on a corresponding wt % basis this gives:
Ti : W zu 1 : 1Ti : W to 1 : 1
Die Doppelnatur der Carbide mit einem dunklen Kern legt nahe, daß der äußere Teil des Carbids W-reich und der innere Ti-reich ist.The dual nature of the carbides with a dark core suggests that the outer part of the carbide is W-rich and the inner part is Ti-rich.
Wie oben erwähnt, ist die Legierungscarbiddispersion gleichförmig über den gesamten Probenquerschnitt und hat eine "Flächenfraktion" von etwa 5%, was einer "Volumenfraktion" von 5% entspricht. Obgleich es einige Anzeichen der Clusterbildung der Teilchen gibt, gibt es nur einige wenige Teilchen in jedem Cluster und die Clusterbildung ist unabhängig von der Anordnung der Teilchen im technischen Eisenmetall.As mentioned above, the alloy carbide dispersion is uniform over the entire sample cross-section and has an "area fraction" of about 5%, which corresponds to a "volume fraction" of 5%. Although there is some evidence of clustering of the particles, there are only a few particles in each cluster and the clustering is independent of the arrangement of the particles in the engineering ferrous metal.
Insbesondere gab es kein Anzeichen, daß Legierungscarbidteilchen vor der Verfestigungsgrenzschicht verschoben worden waren, d. h. die Legierungscarbidteilchenverteilung war unabhängig von der zugrundeliegenden Mikrostruktur.In particular, there was no indication that alloy carbide particles had been displaced in front of the solidification boundary layer, i.e. the alloy carbide particle distribution was independent of the underlying microstructure.
Die Carbidteilchengröße lag im Bereich 2-S Mikrons.The carbide particle size was in the range of 2-S microns.
Die Härte der Probe wurde getestet und zu VHN&sub3;&sub0; 810 bestimmt, und die Härte einer Probe, die aus der Vergleichswalze geschnitten worden war, wurde zu VHN&sub3;&sub0; 650 bestimmt.The hardness of the sample was tested and found to be VHN₃₀ 810, and the hardness of a sample cut from the control roll was found to be VHN₃₀ 650.
Diese Erhöhung der Härte um etwa 160 ist etwas größer als aus dem Gesetz der Mischungen erwartet würde. Man glaubt, daß dies auf einem Härtungseffekt durch kleine Teilchengröße (Orowan-Härtung) beruht.This increase in hardness of about 160 is slightly greater than would be expected from the law of mixtures. It is believed that this is due to a hardening effect due to small particle size (Orowan hardening).
Eine Verbundwalze, die einen Mantel, der aus undefiniertem Hartgußeisen hergestellt ist, und einen Kern aus nodulärem Gußeisen umfaßt, wurde mit einer Schleudergußtechnik hergestellt, die ähnlich zu derjenigen von Beispiel I ist, mit der Ausnahme, daß in diesem Falle eine fertige Walze hergestellt wurde, indem der Kern C aus nodulärem Gußeisen nach der Fertigstellung der Mantelbildungsstufe gegossen wurde.A composite roll comprising a shell made of undefined chilled cast iron and a core of nodular cast iron was manufactured using a centrifugal casting technique similar to that of Example I, except that in this case a finished roll was manufactured by casting the nodular cast iron core C after completion of the shell forming step.
In diesem Beispiel hatte das Mantelmetall die folgende Zusammensetzung:In this example, the shell metal had the following composition:
T. C. - 3,40T.C. - 3.40
Silicium - 0,85Silicon - 0.85
Magnesium - 0,51Magnesium - 0.51
Nickel - 4,13Nickel - 4.13
Chrom - 1,63Chromium - 1.63
Molybdän - 0,46Molybdenum - 0.46
Schwefel - 0,13Sulfur - 0.13
Phosphor - 0,35Phosphorus - 0.35
Kupfer - 0,06Copper - 0.06
Blei - 0,0013Lead - 0.0013
Vanadium - 0,021Vanadium - 0.021
Titan - 0,175Titanium - 0.175
Eisen und übliche Nebenbestandteile - RestIron and usual minor components - rest
Dieses Metall wurde wieder in einem Induktionsofen hergestellt und das Metall im Induktionsofen wurde über den Schmelzpunkt des Metalls auf die normale Betriebstemperatur erhitzt, die z. B. ungefähr 200ºC über der Liquidus-Temperatur liegt. Im vorliegenden Beispiel betrug die Liquidus-Temperatur 1.215ºC und die Betriebstemperatur betrug 1.460ºC.This metal was again produced in an induction furnace and the metal in the induction furnace was heated above the melting point of the metal to the normal operating temperature, which is, for example, approximately 200ºC above the liquidus temperature. In the present example, the liquidus temperature was 1,215ºC and the operating temperature was 1,460ºC.
Der Induktionsofen wurde mit einer Abdeckung versehen und Argon wurde in das Innere der Abdeckung zugeführt, kann aber auch in die Schmelze injiziert werden. Die Induktionsspule wurde abgeschaltet. Das Pulver aus beschichteten Legierungscarbidteilchen wurde anschließend in die Schmelze durch Einblasen durch eine Lanze mit Argon oder in irgendeiner anderen gewünschten Art und Weise injiziert. Falls gewünscht, kann, anstelle von Argon, jedes andere Inertgas verwendet werden, oder der geschlossene Raum oberhalb der Schmelze im Induktionsofen kann mit einem Vakuum verbunden werden und Teilchen können auf jede gewünschte Art und Weise zugegeben werden, z. B. durch Schwerkraftzuführung, insbesondere wenn das Vakuum bereitgestellt wird. Die Induktionsspule wurde anschließend angeschaltet, so daß die Schmelze gemischt wurde. Andere Techniken zur Vermeidung von Oxidation können verwendet werden, wie etwa die Verwendung eines Flußmittels oder die Zugabe des beschichteten Legierungscarbidpulvers als ein Kerndraht, obgleich das Flußmittel die Dispersion von Teilchen in der Schmelze hemmen könnte und ein Kerndraht teuer wäre.The induction furnace was covered and argon was fed into the interior of the cover, but can also be injected into the melt. The induction coil was turned off. The powder of coated alloy carbide particles was then injected into the melt by blowing through a lance with argon or in any other desired manner. If desired, any other inert gas can be used instead of argon, or the enclosed space above the melt in the induction furnace can be connected to a vacuum and particles can be added in any desired manner, e.g. by gravity feed, especially if the vacuum is provided. The induction coil was then turned on so that the melt was mixed. Other techniques to prevent oxidation can be used, such as using a flux or adding the coated alloy carbide powder as a core wire, although the flux may inhibit the dispersion of particles in the melt and a core wire would be expensive.
Das Pulver aus beschichteten Legierungscarbidteilchen umfaßt:The powder of coated alloy carbide particles comprises:
27% - Beschichtungsmetall27% - Coating metal
30% - Ti30% - T
35% - W35% - W
Rest - Kohlenstoff (einschließlich 0,5% freier Kohlenstoff) und übliche Nebenbestandteile).Balance - carbon (including 0.5% free carbon) and usual minor components).
Das Beschichtungsmetall umfaßte 59% Ni und 41% Eisen (einschließlich bis zu 0,5% freier Kohlenstoff und übliche Nebenbestandteile).The coating metal comprised 59% Ni and 41% iron (including up to 0.5% free carbon and common minor components).
Nach einer geeigneten Verweilzeit, wie oben erwähnt, wurde das Metall in eine Pfanne gegossen, wo es bei einer Temperatur verblieb, die der Liquidus-Temperatur plus etwa 170- 180ºC entspricht, und anschließend wurde das Metall in die Form der Schleudergußanlage gegossen, in der die Temperatur die Liquidus-Temperatur plus etwa 80-110ºC war. Die genaue Temperatur hängt ab von der Größe, wobei die kleineren Formen heißer und die größeren kälter sind.After a suitable dwell time as mentioned above, the metal was poured into a ladle where it remained at a temperature corresponding to the liquidus temperature plus about 170-180ºC and then the metal was poured into the mold of the centrifugal casting machine poured at a temperature of the liquidus temperature plus about 80-110ºC. The exact temperature depends on the size, with the smaller molds being hotter and the larger ones colder.
Nachdem die Walze sich verfestigt hat, wurden ähnliche Proben genommen wie in Beispiel I, und Fig. 9 ist eine optische D. I. C.(Differentialinterferenzkontrast)-Mikrofotografie bei x300 Vergrößerung, ungeätzt, einer Probe, die aus der Mitte des Mantels entnommen worden war, und zeigt eine Matrix mit Graphitschuppen und kleinen, gleichförmig und zufällig verteilten Legierungscarbidteilchen. Die Mikrostruktur war ähnlich zu derjenigen von Beispiel I, wobei die legierungsbeschichteten Teilchen über die gesamte Matrix und das Transformationscarbid verteilt waren.After the roll had solidified, similar samples were taken as in Example I, and Figure 9 is an optical D.I.C. (differential interference contrast) photomicrograph at x300 magnification, unetched, of a sample taken from the center of the shell, showing a matrix with graphite flakes and small, uniformly and randomly distributed alloy carbide particles. The microstructure was similar to that of Example I, with the alloy coated particles distributed throughout the matrix and transformation carbide.
Ein U. T. S. (Zerreißbeanspruchungs)-Test wurde an einer anderen Probe aus dem Mantel durchgeführt, und dieser zeigte, daß die Probe eine U. T. S. (Zerreißbeanspruchungsgrenze) von 600-700 MPa hatte. Ein undefiniertes Hartgußeisen derselben Zusammensetzung, aber ohne die Legierungscarbidteilchen, hat eine U. T. S. (Zerreißbeänspruchungsgrenze) von 385-493 MPa.A U.T.S. (tensile stress) test was performed on another sample from the shell and showed that the sample had a U.T.S. (tensile stress limit) of 600-700 MPa. An undefined chilled iron of the same composition but without the alloy carbide particles has a U.T.S. (tensile stress limit) of 385-493 MPa.
Eine Verbundwalze, die einen Mantel aus Eisen mit hohem Chromgehalt und einen Kern aus nodulärem Gußeisen umfaßte, wurde mit der Schleudergußtechnik von Beispiel II unter Verwendung einer Argon-Atmosphäre hergestellt.A composite roll comprising a high chromium iron shell and a nodular cast iron core was manufactured by the centrifugal casting technique of Example II using an argon atmosphere.
Das Mantelmetall hatte die folgende Zusammensetzung:The shell metal had the following composition:
T. C. - 2,95T.C. - 2.95
Si - 1,63Si-1.63
S - 0,035S-0.035
P - 0,040P-0.040
Mn - 0,95Mn-0.95
Ni - 0,77Ni - 0.77
Cr - 17,28Cr - 17.28
Mo - 2,08Mon - 2.08
Ca - 0,93Approx - 0.93
Pb - 0,0081.Pb-0.0081.
V - 0,031V-0.031
Fe und übliche Rückstände - RestFe and usual residues - Rest
Das pulverbeschichtete Legierungscarbid war wie in Beispiel I beschrieben. Das Pulver wurde zum Metall in Mengen zugegeben, die 10 Gew.-% entsprechen. 5 Gew.-% waren im festen Metall vorhanden.The powder coated alloy carbide was as described in Example I. The powder was added to the metal in amounts equal to 10 wt%. 5 wt% was present in the solid metal.
Das Metall hat eine Liquidus-Temperatur von 1.255ºC und wurde auf eine Betriebstemperatur von 1.560ºC erhitzt. Die Temperaturen in der Pfanne und in der Schleudergußanlage wurden in ähnlicher Weise wie in Beispiel II zur Liquidus-Temperatur in Bezug gesetzt, wobei die Temperatur bei Zugabe zur Schleudergußanlage 1.345ºC betrug. Nach der Verfestigung der Walze wurden Proben wie in Beispiel II genommen.The metal has a liquidus temperature of 1255ºC and was heated to an operating temperature of 1560ºC. The temperatures in the ladle and in the centrifuge were related to the liquidus temperature in a similar manner as in Example II, with the temperature at addition to the centrifuge being 1345ºC. After the roll had solidified, samples were taken as in Example II.
Fig. 10 ist ein Rasterelektronenmikroskopie-Mikrofotografie bei x350 Vergrößerung einer Probe, die aus der Mitte des Mantels entnommen worden ist. Fig. 11 ist eine ähnliche Mikrofotografie, aber bei x3.000 Vergrößerung. Man wird sehen, daß die diskreten zugegebenen Legierungscarbidteilchen zufällig und gleichförmig verteilt sind und in sowohl der Matrix als auch im Transformationscarbid vorhanden sind. Das Carbid hat sich weitgehend in dunkle eckige titanreiche Teilchen einer Größe von etwa 1-10 Mikron und rötliche, gerundete wolframreiche Teilchen einer Größe von im allgemeinen weniger als etwa 5 Mikron getrennt. Edax(Energiedispersive Röntgen)-Analyse zeigte, daß die wolframreichen Teilchen auch hohe Gehalte an Molybdän enthalten, während das Metall selbst niedrige Gehalte an Titan und Wolfram in Lösung enthält, sowohl in der Matrix als auch im Transformationscarbid. Dies weist auf die Lösung der Legierungscarbidteilchen aus (TiW)C in der Schmelze oder wenigstens ihren wolframreichen äußeren Schichten, gefolgt von ihrer Wiederausfällung nach Verfestigung, hin.Fig. 10 is a scanning electron micrograph at x350 magnification of a sample taken from the center of the shell. Fig. 11 is a similar micrograph but at x3,000 magnification. It will be seen that the discrete added alloy carbide particles are randomly and uniformly distributed and are present in both the matrix and the transformation carbide. The carbide has largely separated into dark angular titanium-rich particles of about 1-10 microns in size and reddish, rounded tungsten-rich particles generally less than about 5 microns in size. Edax (energy dispersive X-ray) analysis showed that the tungsten-rich particles also contain high levels of molybdenum, while the metal itself contains low levels of titanium and tungsten in solution, both in the matrix and in the transformation carbide. This indicates the dissolution of the (TiW)C alloy carbide particles in the melt or at least their tungsten-rich outer layers, followed by their reprecipitation after solidification.
Ein U. T. S. (Zerreißbeanspruchungs)-Test wurde an einer ähnlichen Probe aus dem Mantel durchgeführt, und dieser zeigte, daß die Probe eine U. T. S. (Zerreißbeanspruchungsgrenze) von 800-850 MPa hatte. Ein Eisen mit hohem Chromgehalt derselben Zusammensetzung, aber ohne die Legierungscarbidzugabe, hat eine U. T. S. (Zerreißbeanspruchungsgrenze) von 740- 830 MPa.A U.T.S. (tensile stress) test was carried out on a similar sample from the shell and this showed that the sample had a U.T.S. (tensile stress limit) of 800-850 MPa. A high chromium iron of the same composition but without the alloying carbide addition has a U.T.S. (tensile stress limit) of 740-830 MPa.
Eine technische Eisenmetallschmelze mit der folgenden Zusammensetzung wurde in herkömmlicher Art und Weise hergestellt. A technical ferrous metal melt with the following composition was prepared in a conventional manner.
Nachdem der Stahl auf Abstichtemperatur gebracht worden war, wurden Carbidteilchen derselben Art, wie hierin zuvor im Zusammenhang mit dem ersten Beispiel beschrieben, zur Schmelze im Schmelzofen in einer Menge zugegeben, die 10 Gew.-% entsprach.After the steel had been brought to tapping temperature, carbide particles of the same type as described hereinbefore in connection with the first example were added to the melt in the melting furnace in an amount corresponding to 10 wt.%.
Das Metall wurde anschließend wie zuvor im Ofen belassen, um seine Abstichtemperatur anzunehmen, und anschließend wurde ein Gußblock gegossen.The metal was then left in the furnace as before to reach its tapping temperature, and then an ingot was cast.
Nach dem üblichen abgeschropften Gießabschnittende war der Gußblock 5¹/&sub2;" im Durchmesser und 6¹/&sub2;' lang und wog 20 kg.After the usual skimmed end of the casting, the ingot was 5¹/₂" in diameter and 6¹/₂' long and weighed 20 kg.
Dieser Gußblock wurde anschließend in einer offenen Gesenkschmiede stufengeschmiedet, um eine runde Stange in drei Abstufungen wie folgt auszuformen:This cast block was then step forged in an open die forge to form a round bar in three stages as follows:
2 : 1-4¹/&sub2;' Durchmesser2 : 1-4¹/₂' diameter
4 : 1-3¹/&sub2;' Durchmesser4 : 1-3¹/₂' diameter
10 : 1-2¹/&sub2;' Durchmesser10 : 1-2¹/₂' diameter
Das resultierende Schmiedestück wurde wärmebehandelt, um eine herkömmliche Schmiedewalzenwärmebehandlung zu simulieren. Mikrofotografien wurden bei einer Vergrößerung von x400 an unterschiedlichen Positionen und an Quer- und Längsschnitten genommen. Diese zeigten, daß das Schmiedestück eine im wesentlichen gleichförmige durchgängige Mikrostruktur aufwies. Fig. 8 ist ein Beispiel einer dieser Mikrofotografien, die entlang eines Längsschnittes aufgenommen wurden.The resulting forging was heat treated to simulate a conventional forging roll heat treatment. Photomicrographs were taken at a magnification of x400 at different positions and at cross and longitudinal sections. These showed that the forging had a substantially uniform continuous microstructure. Fig. 8 is an example of one of these photomicrographs taken along a longitudinal section.
Aus diesen Mikrofotografien ist zu sehen, daß die grundlegende Matrixstruktur martensitisch war und daß die zugegebenen Carbidteilchen wieder relativ gleichförmig über das gesamte Schmiedestück verteilt sind. Wieder wurde festgestellt, daß etwa die Hälfte des zugegebenen Carbids rückgewonnen worden war, um 5 Gew.-% des Extra-Carbids zu ergeben.From these photomicrographs it can be seen that the basic matrix structure was martensitic and that the added carbide particles are again relatively uniformly distributed throughout the forging. Again it was found that about half of the added carbide had been recovered to give 5 wt% of the extra carbide.
Nunmehr Bezug nehmend auf die Fig. 13 und 14 wird eine weitere Ausführungsform veranschaulicht. Ein Elektroschlacke-Umschmelzapparat ist in Fig. 13 dargestellt und ist von im wesentlichen herkömmlicher Art, die eine zylindrische, wassergekühlte Form 10 umfaßt, die vertikal nach oben oder unten bewegbar ist. Ein Elektrodenhalter 11 hält, z. B. indem er daran angeschweißt ist, das obere Ende einer selbstverzehrenden Elektrode 12. Am Anfang wird das untere Ende der selbstverzehrenden Elektrode in geschmolzene Schlacke 30 getaucht, die zwischen einer Bodenplatte 13 und der Wand der Form 10 enthalten ist. Elektrischer Strom wird anschließend hindurchgeleitet, um zu bewirken, daß das untere Ende der Elektrode schmilzt, und wenn die Tröpfchen aus Metall vom unteren Ende der Elektrode 12 herabfallen, gehen sie durch die Schlacke hindurch und werden aufgereinigt und anschließend verfestigt, um einen Gußblock 14 zu bilden.Referring now to Figures 13 and 14, a further embodiment is illustrated. An electroslag remelting apparatus is shown in Figure 13 and is of substantially conventional type comprising a cylindrical, water-cooled mold 10 which is movable vertically up or down. An electrode holder 11 holds, e.g. by being welded thereto, the upper end of a consumable electrode 12. Initially, the lower end of the consumable electrode is immersed in molten slag 30 contained between a bottom plate 13 and the wall of the mold 10. Electric current is then passed therethrough to cause the lower end of the electrode to melt and as droplets of metal fall from the lower end of the electrode 12, they pass through the slag and are purified and then solidified to form an ingot 14.
Der Basisvorgang des Elektroschlacke-Umschmelzprozesses ist vollständig konventionell, ebenso wie die Anlage, und eine weitere Diskussion ist daher nicht erforderlich.The basic operation of the electroslag remelting process is completely conventional, as is the equipment, and further discussion is therefore not necessary.
Die selbstverzehrende Elektrode 12 umfaßt einen Innenkörper 120, an dessen äußere Oberfläche 121 eine hohle Plattierung 122 geschweißt ist, die eine Mehrzahl diskreter röhrenförmiger Elemente 123 in der Form von Röhren 124 umfaßt, die Pulver 125 enthalten.The consumable electrode 12 comprises an inner body 120 to whose outer surface 121 is welded a hollow cladding 122 comprising a plurality of discrete tubular elements 123 in the form of tubes 124 containing powder 125.
Der Innenkörper 120 ist aus Niedriglegierungsstahl, Gußeisen oder mildem Stahl hergestellt, wie etwa Stahl mit 0,2% Kohlenstoff.The inner body 120 is made of low alloy steel, cast iron or mild steel, such as steel with 0.2% carbon.
Die Röhren 124 sind im vorliegenden Beispiel aus mildem Stahl hergestellt, aber können aus rostfreiem Stahl hergestellt sein, und, falls gewünscht, können die Röhren aus Hochlegierungsstahl oder Gußeisen oder tatsächlich in jedem Material geeigneter Zusammensetzung hergestellt sein, wie etwaThe tubes 124 are made of mild steel in the present example, but may be made of stainless steel, and if desired, the tubes may be made of high alloy steel or cast iron, or indeed any material of suitable composition, such as
Kohlenstoff 0,5%-3%Carbon 0.5%-3%
Aluminium 0,0%-1%Aluminum 0.0%-1%
Molybdän 0,5%-5%Molybdenum 0.5%-5%
Vanadium 0,0%-12%Vanadium 0.0%-12%
Chrom 0,5%-15%Chromium 0.5%-15%
Wolfram 0,0%-8%Tungsten 0.0%-8%
Silicium 0,0%-3%Silicon 0.0%-3%
Titan 0,0%-8%Titanium 0.0%-8%
Nickel 0,0%-5%Nickel 0.0%-5%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Vorzugsweise haben die Röhren eine Zusammensetzung, die im Bereich liegt:Preferably, the tubes have a composition in the range:
Kohlenstoff 0,5%-3%Carbon 0.5%-3%
Aluminium 0,0%-0,1%Aluminum 0.0%-0.1%
Molybdän 0,5%-5,0%Molybdenum 0.5%-5.0%
Vanadium 0,1%-12%Vanadium 0.1%-12%
Chrom 0,5%-15%Chromium 0.5%-15%
Wolfram 0,1%-8%Tungsten 0.1%-8%
Silicium 0,0%-3%Silicon 0.0%-3%
Titan 0,1%-8%Titanium 0.1%-8%
Nickel 0,1%-5%Nickel 0.1%-5%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Die Röhre kann die folgende Zusammensetzung aufweisen:The tube can have the following composition:
Kohlenstoff 1%Carbon 1%
Molybdän 2,5%Molybdenum 2.5%
Vanadium 0,7%Vanadium 0.7%
Chrom 14%Chromium 14%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Der Innenkörper kann einen Niedriglegierungsstahl umfassen, der umfassen kann:The inner body may comprise a low alloy steel which may comprise:
Kohlenstoff 0,4%Carbon 0.4%
Chrom 1%Chromium 1%
Stickstoff bis zu 0,1%Nitrogen up to 0.1%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Falls gewünscht, können die Röhren anderes relativ hohes Legierungsmetall umfassen, wie etwa:If desired, the tubes may comprise other relatively high alloy metals, such as:
Kohlenstoff 3%Carbon 3%
Molybdän 5%Molybdenum 5%
Vanadium 8%Vanadium 8%
Nickel 2%Nickel 2%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Kohlenstoff 1%Carbon 1%
Vanadium 12%Vanadium 12%
Eisen und übliche Rückstände RestIron and usual residues
Kohlenstoff 2%Carbon 2%
Wolfram 5%Tungsten 5%
Titan 5%Titanium 5%
Eisen und übliche Rückstände RestIron and usual residues
Kohlenstoff 3%Carbon 3%
Silicium 2%Silicon 2%
Eisen und übliche Rückstände RestIron and usual residues
Falls gewünscht, kann der Innenkörper anderes relativ niedriges Legierungsmetall umfassen, wie etwa:If desired, the inner body may comprise other relatively low alloy metal, such as:
Kohlenstoff 0,2%Carbon 0.2%
Chrom 0,5Chromium 0.5
oderor
Kohlenstoff 3%Carbon 3%
Silicium 2%Silicon 2%
oder reines Gußeisen oder milden Stahl.or pure cast iron or mild steel.
Die Röhren können jedoch ausschließlich vorgesehen sein, um das Pulver 125 zu halten, könnten somit aus Metall derselben Zusammensetzung wie der Innenkörper bestehen oder könnten tatsächlich aus geeignetem nicht-metallischen Material hergestellt sein, wie etwa Siliciumdioxid mit einem solchen Schmelzpunkt, daß es im Bad mit einer gewünschten Geschwindigkeit schmilzt, um den Legierungszusatz freizusetzen. Die oben beschriebenen Materialien sind auf eine hohle Plattierung jeder geeigneten Konfiguration anwendbar. Im vorliegenden Beispiel haben die Röhren die folgende Zusammensetzung:However, the tubes may be intended solely to hold the powder 125, thus could be made of metal of the same composition as the inner body, or could actually be made of suitable non-metallic material, such as silicon dioxide having a melting point such that it melts in the bath at a desired rate to release the alloying additive. The materials described above are applicable to a hollow plating of any suitable configuration. In the present example, the tubes have the following composition:
Kohlenstoff 0,2%Carbon 0.2%
Eisen und übliche Rückstände Rest.Iron and usual residues.
Das Pulver umfaßt eine Mischung aus beschichteten Legierungscarbidteilchen, wie hierin zuvor im Zusammenhang mit Beispiel I beschrieben, (aber können jede der anderen beschichteten Legierungscarbidteilchen sein, die hierin zuvor beschrieben sind) und Teilchen aus einem Legierungsbestandteil oder -bestandteilen. Das Pulver kann z. B. umfassen: Kohlenstoff bis zu 10% (mit 5% als Graphit)The powder comprises a mixture of coated alloy carbide particles as previously described in connection with Example I (but may be any of the other coated alloy carbide particles previously described) and particles of an alloy constituent or constituents. The powder may comprise, for example: Carbon up to 10% (with 5% as graphite)
Wolfram 35-40%Tungsten 35-40%
Titan 30-40%Titanium 30-40%
Eisen, Carbid undIron, carbide and
übliche Rückstände Rest.usual residues rest.
Ein Teil des Kohlenstoffs ist mit dem Wolfram und dem Titan als intermetallische Verbindung kombiniert, aber das Wolfram und Titan sind als eine feste Lösung kombiniert und ein Teil des vorhandenen Kohlenstoffs liegt als freies Graphit vor.Some of the carbon is combined with the tungsten and titanium as an intermetallic compound, but the tungsten and titanium are combined as a solid solution and some of the carbon present is present as free graphite.
Im vorliegenden Beispiel hat die Pulvermischung die folgende Zusammensetzung:In this example, the powder mixture has the following composition:
Chrom 2Chrome 2
Wolfram 40Tungsten 40
Titan 40Titanium 40
Molybdän 1Molybdenum 1
Vanadium 1Vanadium 1
Kohlenstoff 6%Carbon 6%
Eisen, Carbid undIron, carbide and
übliche Rückstände Rest.usual residues rest.
Alternativ hat die Pulvermischung die folgende Zusammensetzung:Alternatively, the powder mixture has the following composition:
Chrom 2Chrome 2
Wolfram 35Tungsten 35
Titan 30Titanium 30
Molybdän 1Molybdenum 1
Vanadium 1Vanadium 1
Kohlenstoff 6%Carbon 6%
Eisen, Carbid undIron, carbide and
übliche Rückstände Rest.usual residues rest.
Im allgemeinen können ein oder mehrere der Legierungselemente in der Pulvermischung vorliegen, entweder als Elemente oder kombiniert mit Kohlenstoff als intermetallische Verbindung oder Legierung.In general, one or more of the alloying elements may be present in the powder mixture, either as elements or combined with carbon as an intermetallic compound or alloy.
Kohlenstoffcarbon
Molybdänmolybdenum
Chromchrome
Wolframtungsten
Titantitanium
VanadiumVanadium
Niobniobium
Falls gewünscht, kann das Pulver aus einer pulverisierten Legierung irgendeiner der Zusammensetzungen oder des Bereichs von Zusammensetzungen hergestellt sein, die als geeignet für die obengenannten Röhren beschrieben sind, oder können hergestellt sein aus Legierung anderer Zusammensetzungen oder aus Bestandteilen, die solche Zusammensetzungen liefern.If desired, the powder may be made from a powdered alloy of any of the compositions or range of compositions described as suitable for the above-mentioned tubes, or may be made from alloys of other compositions or from ingredients providing such compositions.
Die zugesetzte Menge an Carbidteilchen ist derart, daß bis zu 1-20 Vol.-% Carbidteilchen im Oberflächenteil erreicht werden.The amount of carbide particles added is such that up to 1-20 vol.% of carbide particles are achieved in the surface part.
Die Röhren 124 im vorliegenden Beispiel sind 16 mm OD (Außendurchmesser), 13 mm ID (Innendurchmesser), können aber im Bereich von 6 mm ID (Innendurchmesser) bis 28 mm ID mit angemessenem (Außendurchmesser) OD liegen.The tubes 124 in this example are 16 mm OD (outside diameter), 13 mm ID (inside diameter), but can range from 6 mm ID (inside diameter) to 28 mm ID with appropriate OD (outside diameter).
Die Röhren sind in Intervallen entlang ihrer Länge mit Verengungen versehen, um diskrete Mengen an Carbidpulver an Positionen entlang der Länge der Röhren zu halten, solche Verengungen können z. B. alle 10 mm vorgesehen sein.The tubes are provided with constrictions at intervals along their length to hold discrete amounts of carbide powder at positions along the length of the tubes, such constrictions may be provided e.g. every 10 mm.
Im vorliegenden Beispiel werden die Verengungen so bereitgestellt, daß die Röhren umgefalzt werden, um ihre Bohrung zu schließen oder im wesentlichen zu schließen, aber solche Verengungen können natürlich auf jede andere gewünschte Weise bereitgestellt werden.In the present example, the constrictions are provided by folding the tubes over to close or substantially close their bores, but such constrictions may of course be provided in any other desired manner.
Im vorliegenden Beispiel sind die Röhren 124 am Innenkörper 120 so befestigt, daß sie sich · in Längsrichtung desselben parallel zur Längsachse des Innenkörpers erstrecken, aber, falls gewünscht, kann eine einzelne Röhre oder Röhren spiralförmig um den Innenkörper gewickelt werden oder können sich eine oder mehrere Röhren um den Umfang des Körpers erstrecken, so daß sie in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Längsachse des Innenkörpers ist, so lange die Röhren die richtige Größe haben, um die richtige Menge Pulver zur Freisetzung in die Schmelze in der Längsposition des Körpers zu halten.In the present example, the tubes 124 are attached to the inner body 120 so that they extend longitudinally thereof parallel to the longitudinal axis of the inner body, but, if desired, a single tube or tubes may be spirally wrapped around the inner body or one or more tubes may extend around the circumference of the body so that they lie in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the inner body, so long as the tubes are the correct size to hold the correct amount of powder for release into the melt in the longitudinal position of the body.
Weiter alternativ können eine oder mehrere Röhren so angeordnet werden, daß sie sich um den Innenkörper in einer Ebene oder entsprechenden Ebene erstrecken, die zur Längsachse des Innenkörpers mit weniger als einem rechten Winkel geneigt ist.Further alternatively, one or more tubes may be arranged to extend around the inner body in a plane or corresponding plane inclined to the longitudinal axis of the inner body at less than a right angle.
Obgleich in diesem Falle die Plattierung in Form diskreter Elemente vorliegt, die durch die Röhren 124 bereitgestellt werden, die Pulver 125 enthalten, kann die Plattierung, falls gewünscht, eine hohle Hülse umfassen, z. B. eine Hülse, die innere und äußere, im allgemeinen zylindrische Wände umfaßt, untereinander verbunden durch im allgemeinen ringförmig ausgeformte Wände, wobei der Zwischenraum zwischen den Wänden Pulver enthält, wie hierin zuvor beschrieben, und die Hülse z. B. durch Schweißen oder mittels Schiebepassung auf dem Innenkörper befestigt ist. In diesem Fall ist die hohle Hülse mit Verengungen in ihrer Wand an geeigneten Positionen entlang der Länge der Hülse versehen, um das Pulver in diskrete Mengen zur sequentiellen Freisetzung in den Schmelzepool, wenn die Hülse und der Innenkörper geschmolzen werden, zu unterteilen.Although in this case the plating is in the form of discrete elements provided by the tubes 124 containing powder 125, if desired the plating may comprise a hollow sleeve, e.g. a sleeve comprising inner and outer generally cylindrical walls interconnected by generally annular shaped walls, the space between the walls containing powder as described hereinbefore, and the sleeve secured to the inner body, e.g. by welding or by a slide fit. In this case the hollow sleeve is provided with constrictions in its wall at appropriate positions along the length of the sleeve to divide the powder into discrete amounts for sequential release into the melt pool when the sleeve and inner body are melted.
Im vorliegenden Beispiel sind der Schmelzpunkt einer Legierung, der die Carbide zugesetzt sind, z. B. feste Wolfram-Titan-Lösung, die wenigstens teilweise im Schmelzbad schmelzen kann, und der Legierungscarbide höher als der Schmelzpunkt der Schlacke 30 und des Innenkörpers 120 der selbstverzehrenden Elektrode 12. Der Schmelzpunkt des Plattierungs- RöhrenlHülsen-Metalls der Röhren und/oder jedes Legierungsbestandteils kann 40ºC unterhalb des Schmelzpunktes des inneren Teils 20 und 60ºC oberhalb des Schmelzpunktes · der Schlacke 30 liegen. Der Schmelzpunkt der Röhren 22 beträgt im vorliegenden Beispiel 1.530ºC.In the present example, the melting point of an alloy to which the carbides are added, e.g., solid tungsten-titanium solution capable of at least partially melting in the molten bath, and the alloy carbides are higher than the melting point of the slag 30 and the inner body 120 of the consumable electrode 12. The melting point of the cladding tube/sleeve metal of the tubes and/or any alloying constituent may be 40°C below the melting point of the inner part 20 and 60°C above the melting point of the slag 30. The melting point of the tubes 22 in the present example is 1530°C.
Der innere Teil kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der im Bereich 1.160ºC bis 1.600ºC liegt, und die Plattierung kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der im Bereich 1.160ºC bis 1.600ºC liegt.The inner portion may have a melting point ranging from 1,160ºC to 1,600ºC and the cladding may have a melting point ranging from 1,160ºC to 1,600ºC.
Der Schmelzpunkt der inneren und äußeren Teile kann um 20ºC bis 60ºC differieren. Die Schlacke kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der sich von dem niedrigeren Schmelzpunkt des inneren Teils und der Plattierung um 20ºC bis 60ºC unterscheidet.The melting point of the inner and outer parts may differ by 20ºC to 60ºC. The slag may have a melting point that differs from the lower melting point of the inner part and the cladding by 20ºC to 60ºC.
Die Form wird mit Wasser auf eine Temperatur gekühlt, die im Bereich von 15ºC bis 65ºC liegt, und der geschmolzene Metallpool 31 hat eine Temperatur, die im Bereich 1.400ºC bis 1.600ºC liegt, möglicherweise im Bereich 1.160ºC bis 1.600ºC.The mold is cooled with water to a temperature ranging from 15ºC to 65ºC and the molten metal pool 31 has a temperature ranging from 1400ºC to 1600ºC, possibly from 1160ºC to 1600ºC.
Die Spannung und der Strom, die im Elektroschlacke-Umschmelzprozeß eingesetzt werden, werden so eingestellt, daß eine relative hohe Spannung und ein relativ niedriger Strom oder umgekehrt vorliegen, und zusätzlich wird die Zusammensetzung der Schlacke so eingestellt, daß eine relativ viskose Schlacke bereitgestellt wird. Als ein Ergebnis wird Turbulenz in der Schlacke und dem Schmelzepool minimiert, so daß ein gewünschter Zusammensetzungsgradient erreicht wird.The voltage and current used in the electroslag remelting process are adjusted to provide a relatively high voltage and a relatively low current or vice versa and in addition the composition of the slag is adjusted to provide a relatively viscous slag. As a result, turbulence in the slag and melt pool is minimized so that a desired composition gradient is achieved.
Zusätzlich werden die Spannung und der Strom, die eingesetzt werden, so eingestellt, daß der Boden des Schmelzepools relativ flach ist.In addition, the voltage and current used are adjusted so that the bottom of the melt pool is relatively flat.
Die Metalltröpfchen, die die Plattierung der Elektrode verlassen, einschließlich dem Inhalt derselben, sind dichter als die Metalltröpfchen, die den Innenkörper der Elektrode verlassen, wenn sie höher legiert sind. Dies führt dazu, daß die Tröpfchen aus der Plattierung der Elektrode nach unten benachbart zur Wand der Form fallen, und es besteht, weil der Boden des Schmelzepools relativ flach ist, eine relativ geringe Neigung für diese Tröpfchen, zur Mitte des Schmelzepools zu laufen, bevor sie sich als ein Ergebnis ihrer räumlichen und Temperaturnähe zur Formwand verfestigt haben.The metal droplets leaving the electrode plating, including the contents thereof, are denser than the metal droplets leaving the inner body of the electrode when they are more highly alloyed. This results in the droplets from the electrode plating falling downwards adjacent to the wall of the mold and, because the bottom of the melt pool is relatively flat, there is relatively little tendency for these droplets to run to the center of the melt pool before they have solidified as a result of their spatial and temperature proximity to the mold wall.
Die Zusammensetzung der Schlacke wird so eingestellt, daß die Ionen-Kapazität der Schlacke verringert wird, indem das Gleichgewicht des Siliciums, Calciums und Aluminiums in der Schlacke so eingestellt wird, daß die Neigung zu elektromagnetischem Rühren verringert wird, ebenso wie die Zusammensetzung der Schlacke so eingestellt wird, daß eine relativ höhere Viskosität bereitgestellt wird.The composition of the slag is adjusted to reduce the ionic capacity of the slag by adjusting the balance of silicon, calcium and aluminum in the slag to reduce the tendency toward electromagnetic stirring, as well as adjusting the composition of the slag to provide a relatively higher viscosity.
Typischerweise hat die Schlacke die folgende Zusammensetzung: 33¹/&sub3;% CaO, 33¹/&sub3;% CaF&sub2;, 33¹/&sub3;% Al&sub2;O&sub3;.Typically the slag has the following composition: 33¹/₃% CaO, 33¹/₃% CaF₂, 33¹/₃% Al₂O₃.
Die Schlacke kann jedoch eine Zusammensetzung von 20% CaO, 80% CaF&sub2;, 0% Al&sub2;O&sub3; besitzen.However, the slag may have a composition of 20% CaO, 80% CaF₂, 0% Al₂O₃.
Die Abkühlrate, die durch die Wasserkühlung für die Form bereitgestellt wird, kann eingestellt werden, indem die Rohtemperatur der Form so eingestellt wird, daß sie im Bereich 15ºC bis 65ºC liegt. Zusätzlich kann die Bewegungsrate der Form ebenfalls eingestellt werden.The cooling rate provided by the water cooling to the mold can be adjusted by setting the mold raw temperature to be in the range of 15ºC to 65ºC. In addition, the mold movement rate can also be adjusted.
Typischerweise hat die Elektrode einen Durchmesser, der etwa 0,9% des Durchmessers des Formhohlraumes ist.Typically, the electrode has a diameter that is about 0.9% of the diameter of the mold cavity.
Die Elektrode ist so angeordnet, daß ungefähr 20 Gew.-% der Elektrode Plattierung umfaßt und der Rest vom Innenkörper eingenommen wird. Dieses Verhältnis kann im Bereich 1% bis 40% liegen.The electrode is arranged so that approximately 20% by weight of the electrode comprises plating and the remainder is occupied by the inner body. This ratio can range from 1% to 40%.
Obgleich oben der Schmelzpunkt der Plattierung so beschrieben worden ist, daß er niedriger ist als der Schmelzpunkt des Metalls des Innenkörpers, kann dies, falls gewünscht, umgedreht werden.Although the melting point of the plating has been described above as being lower than the melting point of the metal of the inner body, this can be reversed if desired.
Wenn die Elektrode 12 schmilzt, sind Tröpfchen aus flüssigem Metall Festteilchen des Metallcarbids, das nicht schmilzt, aus den Röhren 124 und Pulver 125 und fallen im allgemeinen senkrecht nach unten, und wegen der relativ engen räumlichen und Temperaturnähe zur Wand der Form 110 verfestigen sich die Teilchen relativ schnell, an oder benachbart zur Formwand, und die Carbidteilchen werden durch die sich verfestigende Schmelze benachbart zur Formwand eingefangen, so daß das Metall an der Oberfläche des Gußblockes 14 eine relativ hohe gleichförmige Verteilung von Legierung und Legierungscarbiden aufweist sowie eine Matrixzusammensetzung, die im wesentlichen ähnlich zu der Zusammensetzung des Metalls der Röhren 124 ist.As the electrode 12 melts, droplets of liquid metal are solid particles of the non-melting metal carbide from the tubes 124 and powder 125 and fall generally vertically downward, and because of the relatively close spatial and temperature proximity to the wall of the mold 110, the particles solidify relatively quickly at or adjacent to the mold wall, and the carbide particles are trapped by the solidifying melt adjacent the mold wall so that the metal at the surface of the ingot 14 has a relatively high uniform distribution of alloy and alloy carbides and a matrix composition substantially similar to the composition of the metal of the tubes 124.
Die Metalltröpfchen, die von der Mitte des Bodens des inneren Teils herabfallen, fallen vertikal nach unten, und somit hat das Metall, das sich in der Mitte des Gußblockes verfestigt, eine Zusammensetzung, die im wesentlichen ähnlich zu der Zusammensetzung des inneren Teils der Elektrode ist.The metal droplets falling from the center of the bottom of the inner part fall vertically downwards, and thus the metal solidified in the center of the ingot has a composition substantially similar to the composition of the inner part of the electrode.
Dies wird erleichtert, wenn das Metall aus der Plattierung eine größere Dichte aufweist, als das Metall aus dem inneren Körper, weil dies bewirkt, daß die Tröpfchen benachbart zur Formwand zusammen nach unten fallen und durch die hierin zuvor erwähnten Vorkehrungen, um Mischung zu vermeiden, ergeben sich niedrige Schlackeviskosität, geringes elektromagnetisches Rühren der Schlacke und eine relativ flache Schmelzepoolbasis.This is facilitated when the metal from the plating has a greater density than the metal from the inner body, because this causes the droplets to be adjacent to the mold wall together and the precautions mentioned hereinbefore to avoid mixing result in low slag viscosity, low electromagnetic stirring of the slag and a relatively flat melt pool base.
Zwischen diesen zwei Extremen besteht eine begrenzte Mischung des Materials aus den zwei Regionen, so daß eine Veränderung der Zusammensetzung zwischen den zwei Extremen ohne Diskontinuität stattfindet. Demgemäß besitzt der Gußblock einen relativ gleichförmigen Übergangsbereich zwischen dem inneren Teil und dem Oberflächenteil. Der Gußblock, und damit jedes resultierende Produkt, wie etwa eine Walze, wie hierin zuvor beschrieben, besitzt einen elastischen Modul, der in direktem Verhältnis zur Menge der Verteilung der/des Legierung/Legierungscarbids über den gesamten Querschnitt des Gußblockes ansteigt.Between these two extremes there is a limited mixing of the material from the two regions so that there is a change in composition between the two extremes without discontinuity. Accordingly, the ingot has a relatively uniform transition region between the interior portion and the surface portion. The ingot, and hence any resulting product such as a roll as described hereinbefore, has an elastic modulus which increases in direct proportion to the amount of distribution of the alloy/alloy carbide throughout the cross-section of the ingot.
Im vorliegenden Beispiel ist die Zusammensetzung an der Oberfläche des Gußblockes:In this example, the composition on the surface of the cast block is:
Kohlenstoff 0,5%Carbon 0.5%
Molybdän 0,2%Molybdenum 0.2%
Vanadium 0,9%Vanadium 0.9%
Wolfram 1,2%Tungsten 1.2%
Chrom 0,5%Chromium 0.5%
Titan 0,15%Titanium 0.15%
Eisen, Carbid undIron, carbide and
übliche Rückstände Rest.usual residues rest.
Die Zusammensetzung in der Mitte des Gußblockes ist:The composition in the middle of the cast block is:
Kohlenstoff 0,5%Carbon 0.5%
Molybdän 0,1%Molybdenum 0.1%
Wolfram 0,3Tungsten 0.3
Titan 0,03%Titanium 0.03%
Vanadium 0,2%Vanadium 0.2%
Chrom 0,5%Chromium 0.5%
Eisen, Carbid undIron, carbide and
übliche Rückstände Rest.usual residues rest.
Man glaubt, daß die Variation in der Zusammensetzung ihren Grund in der relativ höheren Diffusion von Chrom und Kohlenstoff hat, verglichen mit der relativ niedrigeren Diffusion und dem dichteren Wolfram und Titan.The variation in composition is believed to be due to the relatively higher diffusion of chromium and carbon, compared to the relatively lower diffusion and denser tungsten and titanium.
Der Zusammensetzungsgradient übersteigt nicht 40% pro 100 mm in der radialen Richtung und diese Bedingung trifft auf jede Position entlang der Längserstreckung der Walze zu.The composition gradient does not exceed 40% per 100 mm in the radial direction and this condition applies to any position along the longitudinal extension of the roll.
In diesem Beispiel können der Elektroschlacke-Umschmelzapparat und das Betriebsverfahren, die im Zusammenhang mit Beispiel V beschrieben sind, ebenfalls verwendet werden, wobei aber die Betriebsbedingungen so modifiziert werden, daß sie darauf abzielen, eine Walze mit gleichförmiger Zusammensetzung bereitzustellen, z. B. die Spannung und der Strom, die eingesetzt werden, so eingestellt werden, daß der Boden des Schmelzepools relativ tief ist. Im allgemeinen wurden herkömmliche Betriebsbedingungen und Schlackezusammensetzungen verwendet.In this example, the electroslag remelting apparatus and operating procedure described in connection with Example V can also be used, but the operating conditions are modified to aim at providing a roll of uniform composition, e.g., the voltage and current used are adjusted so that the bottom of the melt pool is relatively deep. In general, conventional operating conditions and slag compositions were used.
Eine Elektrode, die einen inneren Teil umfaßt, mit einer äußeren Plattierung mit röhrenförmiger Konfiguration, beide hergestellt aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, wurde so hergestellt, daß der Raum dazwischen Legierungscarbidpulver enthielt, wie beschrieben im Zusammenhang mit Beispiel V. Die Mengen wurden für eine Zielzugabe von 1 Gew.-% berechnet.An electrode comprising an inner portion with an outer cladding of tubular configuration, both made of low carbon steel, was prepared such that the space therebetween contained alloy carbide powder as described in connection with Example V. The amounts were calculated for a target addition of 1 wt.%.
Ein herkömmlicher Elektroschlacke-Umschmelzprozeß wurde durchgeführt.A conventional electroslag remelting process was carried out.
Härtetests wurden an der Umschmelzwalze durchgeführt und dies zeigte, daß über den Großteil des Querschnittes der Walze eine Härte von um Hv 250 erreicht wurde.Hardness tests were carried out on the remelting roll and this showed that a hardness of around Hv 250 was achieved over the majority of the cross-section of the roll.
Dies liegt beträchtlich oberhalb derjenigen, die aufgrund des Gesetzes der Mischungen erwartet wurde, wo für eine 1% Zugabe von Carbid (Hv ungefähr 3000) zu einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (Hv ungefähr 180) ein Wert um Hv 210 erwartet wird.This is considerably higher than that expected from the law of mixtures, where for a 1% addition of carbide (Hv approximately 3000) to a low carbon steel (Hv approximately 180) a value of around Hv 210 is expected.
Eine Untersuchung der Mikrostruktur zeigte eine gute gleichförmige und statistische Dispersion von zugesetzten Carbidteilchen mit einem Volumen, das sich 1 Gew.-% annähert.Microstructure examination showed a good uniform and statistical dispersion of added carbide particles with a volume approaching 1 wt.%.
EDAX(Energiedispersive Röntgen)-Analyse einzelner Carbidteilchen zeigt ein starkes Vorhandensein von Titan mit nur Spuren von Wolfram. Dies legt nahe, daß eine Lösung von Wolfram aus den Teilchen in der Schmelze stattgefunden hat. Dies würde die Pearlittransformationskühlung verzögern, was die Entwicklung einer bainitischen Struktur ermöglicht, und somit eine größere Härte aufgrund der Modifikation der Phasentransformationen auf diese Weise ergibt.EDAX (Energy Dispersive X-ray) analysis of individual carbide particles shows a strong presence of titanium with only traces of tungsten. This suggests that dissolution of tungsten from the particles in the melt has occurred. This would retard pearlite transformation cooling, allowing the development of a bainitic structure, thus giving greater hardness due to modification of the phase transformations in this way.
Überdies wird erwogen, da der Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt dieses Beispiels etwa 0,1% Stickstoff enthielt, daß wenigstens ein Teil dieses Stickstoffs Titan-Carbonitridteilchen gebildet hat und daß daher wenigstens ein Teil der obengenannten Carbidteilchen solche Titan-Carbonitridteilchen umfassen, die auch Wolfram enthalten können.Moreover, since the low carbon steel of this example contained about 0.1% nitrogen, it is contemplated that at least a portion of this nitrogen formed titanium carbonitride particles and therefore at least a portion of the above-mentioned carbide particles comprise such titanium carbonitride particles, which may also contain tungsten.
Sofern nicht anders angegeben, sind Zusammensetzungen hierin in Gew.-% ausgedrückt.Unless otherwise stated, compositions herein are expressed in weight percent.
Bezugnahmen auf Teilchengröße beziehen sich auf die größten Abmessungen des größten Teilchens, sofern nicht anders beschrieben.References to particle size refer to the largest dimensions of the largest particle, unless otherwise specified.
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