NO143465B - Fremgangsmaate ved elektrotermisk fremstilling av legeringer inneholdende titankarbid - Google Patents

Description

t

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for elektrotermisk fremstilling av legeringer inneholdende titankarbid, mer spesielt legeringer basert på jern, kobolt eller nikkel og som inneholder minst 0,6 vekt-% titankarbid.

Britisk patent nr. 1.339.420 beskriver en smelteteknikk for fremstilling av legeringer inneholdende titankarbid i en matrise basert på et eller flere metaller valgt fra gruppen bestående av jern, nikkel og kobolt. De legeringer som fremstilles ved nevnte fremgangsmåter er alterna-tiver til de typer legeringer som kan fremstilles ved såkalt pulvermetallurgiske fremgangsmåter som er kommersielt til-gjengelige under navnet Ferro-TiC. Disse legeringer er godt egnet for maskindeler som krever høy sliteresistens og for forskjellige redskaper, f.eks. slik som stanseverktøy, trekke-verktøy og flere andre typer. Bortsett fra Ferro-TiC, så opptrer titankarbid også i hardmetaller som på samme måte som Ferro-TiC fremstilles ved en pulvermetallurgisk teknikk.

Som nevnt i ovennevnte patent vil en pulvermetallurgisk fremgangsmåte av den type som brukes for fremstilling av Ferro-TiC ha visse begrensninger og ulemper som kan unngås ved

å bruke en smelteteknikk. En hensikt ved ovennevnte beskrivelse i nevnte patent var å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av materialer av Ferro-TiC-typen idet man brukte en smelteteknikk.

De fremgangsmåter som er beskrevet i ovennevnte

patent innbefatter en kombinasjon av titankarbid i pulverform med et smeltet bindemetall eller matrisemetall. Imidlertid vil titankarbidets lave tetthet i forhold til matrisemetallets tetthet skape problemer slik at titankorn har en tendens til å bevege seg opp mot overflaten av det smeltede metall og der danne dendritiske aggregater under metallets størkning.

Det er videre vanskelig å få en tilstrekkelig og ønskelig fukting av titankarbidkornene av matrisemetallet.

For å unngå dette problem er det foreslått å danne

et lag av titankarbidpulver i en digel eller lignende kar og plassere matrisemetallet i form av små klumper eller granulater på toppen av pulverlaget, og så smelte matrisemetallet ved induksjon eller på andre måter i vakuum, slik at metallet

infiltrerer pulverlaget. Titankarbidpulveret bl'ir deretter fordelt i det smeltede matrisemetallet ved røring.

Ifølge et annet forslag blir titankarbidet tilsatt som en ingrediens i en tilsetningslegering. Denne tilsetningslegeringen blir fremstilt ved pulvermetallurgi ved sintring i vakuum. I et tilfelle blir tilsetningslegeringen tilsatt i luft til matriselegeringen i granulær form. I et annet tilfelle bruker man en elektro-slagg-gjensmeltnings-prosess hvor den elektrode som skal forbrukes, fremstilles av matriselegeringen som så smeltes ned sammen med en eller flere staver av tilsetningslegeringen. Sistnevnte fremgangsmåte gir en relativt god legering med gode egenskaper, men på grunn av at man først må fremstille tilsetningslegeringen så blir fremgangsmåten relativt kostbar.

Foreliggende oppfinnelse er basert på det prinsipp

at man har en smelte som innenfor praktiske begrensninger, er fri for et av elementene i titankarbid, dvs. enten fritt for elementært titan eller fritt for elementært karbon, og så bringe det andre av disse elementer sammen med smeiten umiddel-bart før denne størkner, slik at titankarbidet dannes på et så sent trinn som mulig. Hvis størkningen skjer i for lang tid etter at man har bragt titanet og karbonet sammen, så vil titankarbidkornene i den ferdige legeringen bli for store. Det er således et forhold mellom (a) den tid som går mellom det tidspunkt når man bringer titanet og karbonet sammen og legeringens størkning, og (b) størrelsen på titankarbidkornene. Hvis tiden er tilstrekkelig kort, vil man i vesentlig grad redusere risikoen for at man får for sterk vekst av titankarbidkornene.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte ved elektrotermisk fremstilling av legeringer inneholdende minst 0,6 vekt-% titankarbid i en grunnmasse av et eller flere av metallene i gruppen jern-nikkel-kobolt som hovedlegeringselement, og denne fremgangsmåte er kjenne-tegnet ved at titan og karbon sammenføres i en smelte av grunnmassen og at smeiten bringes til å størkne så kort tid etter sammenføringen at titankarbidkornenes middelkornstør-relse ikke vil overskride 8 ym, fortrinnsvis ikke overstige 6 ym og hensiktsmessig ikke overstige 4 ym, og at maskimalt 4% av antall titankarbidkorn er større enn 20 ym i den ferdige legeringen før eventuell etterfølgende plastisk bearbeiding, idet den titanholdige smelte dannes ved kontinuerlig elektrotermisk smelting av et stav- eller stangformet, vesentlig karbonfritt elektrodeelement inneholdende titan, karbon tilsettes kontinuerlig til den dannede smelte og en støpeblokk dannes kontinuerlig av smeiten ved fortløpende størkning av denne.

På denne måten vil man på et hvert tidspunkt bare ha

en relativt liten del av materialet i smeltet tilstand, noe som betyr at tidsrommet fra da man bringer titanet og karbonet sammen til det tidspunkt når det størkner, lett kan gjøres kort slik at titankarbidkornene ikke blir for store og slik

at man unngår uønskede titankarbidaggregater.

Titankarbidrike legeringer og deres anvendelse er

mer detaljert beskrevet i britisk patent nr. 1.339.420, og foreliggende oppfinnelse angår fremstillingen av titanholdige , legeringer med et titankarbidinnhold fra 0,6 til 35 vekt-%, fortrinnsvis fra 1,3 til 15 vekt-% titankarbid.

For at oppfinnelsen lettere skal forstås vil man i

det etterfølgende henvise til de vedlagte tegninger.

Fig. 1 viser skjematisk delvis i snitt, en anordning

for gjennomføring av foreliggende fremgangsmåte hvor man bruker to nedsmeltningselektroder, en som er titanrik og i alt vesentlig fri for karbon, mens den annen er karbonrik og i alt vesentlig fri for titan.

Fig. 2 er et forstørret lengdesnitt . langs linjen

II-II på fig. 1 av de nevnte elektroder.

Fig. 3 er et snitt tilsvarende det på fig. 2, som

viser et annet arrangement av elektrodene.

Fig. 4 viser skjematisk delvis i loddrett snitt, en anordning for gjennomføring av foreliggende fremgangsmåte hvor man bare bruker en elektrode og separat tilfører karbon i elementær form.

I den anordning som er vist på fig. 1 er elektrodene

10 og 11 plassert over en bunnplate 12 som bærer en kontinuerlig oppadveksende støpeblokk 13, hvis øvre del er plassert i en vannavkjølt form 14, og hvor det er dannet en dam 15 av smeltet metall som er dekket av et slaggbad 16. De nedre ender av elektrodene 10 og 11 går ned gjennom det flytende slagget og kontinuerlig smeltes ned under påvirkning av den motstandsvarme som dannes i slaggbadet 16. Den strøm som utvikler denne motstandsvarme tilføres elektrodene 10 og 11 igjennom de ledende blokker 17 og 18 enten fra en strømkilde 19, og i dette tilfelle er elektrodene forbundet i serier, eller fra en strømkilde 20 og i dette tilfelle vil elektrodene være forbundet i parallell til en pol på strømkilden 20, mens den andre pol er forbundet med bunnplaten 12, slik at strømblokken 13 gjør den .elektriske kretsen fullstendig.

I begge tilfeller vil det smeltede materialet fra hver av elektrodene separat falle, igjennom slaggbadet 16 og ned i dammen 15, som størkner nedenfra med en hastighet som tilsvarer den som nylig smeltet materiale tilføres fra elektrodene gjennom slaggbadet. De dråper som faller fra en elektrode kommer således ikke i kontakt med de dråper som faller fra den annen elektrode under passasjen gjennom slaggbadet, og blandingen skjer bare i dammen 15.

Som vist på fig. 1 og 2 vil elektrodene 10 og 11 praktisk talt være like med hensyn til form og dimensjon,

og de er i alt vesentlig halvsirkulære i tverrsnitt og plassert i en liten avstand fra hverandre.

Elektrode 10 er fremstilt av et materiale som har et titaninnhold som er bestemt av det forønskede innhold av titankarbid i den ferdige støpeblokken 13, men som er praktisk talt fri for karbon, dvs. at karboninnholdet må være så lavt som praktisk mulig, under hensyntagen til omkostninger og utbytte.

Elektrode 11 er i alt vesentlig titanfri, men inneholder karbon i en mengde som tilsvarer det forønskede karboninnhold i den ferdige støpeblokken. De andre komponentene i elektrodene 10 og 11 bestemmes av sammensetningen på binde-, metallet i den ferdige støpeblokken 13 hvori titankarbidkornene er innleiret.

Sammensetningen på typiske elektroder 10 og 11 og på den ferdige støpeblokken 13 er angitt i den nedenforstående tabell hvor de angitte prosenter er pr. vekt.

I de tre kolonner i tabell 1 som angår sammensetning-

en på støpeblokken ved endene og midt mellom endene,.er hver prosentsats et aritmetisk middel mellom de tall som ble oppnådd ved tre steder på et tverrsnitt av blokken, nemlig på et punkt nær omkretsen som under blokkens fremstilling var på samme side som elektrode 10 (så langt til høyre som mulig på fig. 1), et punkt nær omkretsen diametralt, motsatt det førstnevnte punkt, og et punkt midt i støpeblokken.

Figurene for de tre stedene varierer noe, men forskjellene er, relativt liten, og bevegelsene i metallbadet 15 og slaggbadet 16 gir en i alt vesentlig jevn fordeling av de forskjellige legeringsbestanddelene.

En undersøkelse av støpeblokker med en diameter på

120 mm fremstilt ved den anordning som er vist på fig. 1,

viste at den midlere størrelse på titankarbidkornene var under 10 ym. Den midlere verdi over en serie på tre støpeblokker fremstilt fra elektroder hvis sammensetning er angitt i tabell 1, var 8 ym og en av disse støpeblokker hadde, en midlere kornstørrelse på ca. 4 ym. I sistnevnte støpeblokk

var ikke mer enn 2% av titankarbidkornene større enn 15 <y>m i middel. I den blokk som hadde de største titankarbidkornene, var mindre enn 4% av kornene mer enn 20 ym i størrelse. Prøving av alle støpeblokker ble gjort før en plastisk bearbeiding eller annen behandling av blokkene.

Størrelsen på titankarbidkornene i støpeblokker fremstilt ved den anordning som er angitt på fig. 1, kan til en viss grad reguleres ved å regulere strømstyrken på den strøm som tilføres gjennom elektrodene, hastigheten ved hvilken elektrodene smeltes ned, avkjølingen av formen, samt andre parametere som påvirker den tid som går mellom det tidspunkt når man bringer karbonet og titanet sammen og når smeiten størkner. For at den midlere størrelse på de dannede karbidkornene ikke skal overstige en maksimal verdi så bør tiden være 10 minutter eller mindre. I den fremgangsmåte

som er vist på fig. 1 vil størkningstiden være betydelig kortere, dvs. normalt mellom to og fire minutter. Alt avhengig av legeringens anvendelse, kan en størketid på mer enn 10 minutter også resultere i en akseptabel kornstørrelse og korn-fordeling.

Det karboninnhold som er angitt i tabell 1 er det totale karboninnhold, dette betyr at en del av det angitte karboninnhold er den karbonmengde som er kombinert med titanet i titankarbid. Det angitte titaninnhold på ca. 2,5 vekt-% tilsvarer et titankarbidinnhold på ca. 3,1 vekt-%.

Når man bruker foreliggende oppfinnelse i et apparat av den type som er vist på fig. 1, vil den øvre grense for titankarbidinnholdet i støpeblokken i praksis reguleres ved at den karbonholdige elektroden 11 ikke kan ha mer enn et be-grenset innhold av karbon hvis den skal ha tilstrekkelig mekanisk styrke. Et karboninnhold på mer enn 5-6% er neppe realistisk hvis man har en elektrode fremstilt av svampjern, noe som i praksis betyr at det totale karboninnhold i den ferdige støpeblokken normalt ikke vil være mer.enn. 2,5-3 vekt-%, ettersom den karbonholdige elektroden bidrar til ca. halv-parten av støpeblokkens totale vekt.

For å øke det totale karboninnhold i støpeblokken,

dvs. å øke titankarbidinnholdet, kan man bruke mer enn to

elektroder som begge har samme tverrsnittsareal, og bare en elektrode inneholdende titan, mens de to andre har et maksimalt innhold av karbon. De karbonholdige elektroder vil selvsagt da bidra med en betydelig større del av støpeblokkens vekt enn den titanholdige elektroden. Et eksempel på et slikt elektrodearrangement er vist på fig. 3. I dette tilfelle vil alle fire elektroder praktisk talt ha samme form, og man har en titanholdig elektrode 10A og tre karbonholdige elektroder 11A.

Fig. 4 viser en annen anordning for gjennomføring

av foreliggende oppfinnelse. Denne anordning skiller seg fra den som er vist på fig. 1 i alt vesentlig ved at man bare har en elektrode, dvs. en titanholdig i alt vesentlig karbonfri elektrode 21, mens karbonet 22 tilføres fra rør 23 som er båret av støpeblokkformen 14B. Denne anordning innbefatter en bunnplate 12B som bærer den kontinuerlige oppavdoksende støpeblokken 13B plassert i en vannavkjølt form 14B. Den smeltede øvre del av støpeblokken 13B danner et metallbad 15B dekket av et slaggbad 16B. Elektrode 21 er via en forbind-else 24 forbundet med en pol på en strømkilde 20B, mens den annen pol er forbundet med bunnplaten 12B. Karbontilførsels-rørene 23 går igjennom slaggbadet 16B til metallbadet 15B, og karbonet 22 som kan være i form av pulvere eller staver i rørene 23, tilføres kontinuerlig metallbadet 15B etter hvert som rørene smelter ned og overflaten på metallbadet 15B stiger.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved elektrotermisk fremstilling av legeringer inneholdende minst 0,6 vekt-% titankarbid i en grunnmasse av et eller flere av metallene i gruppen jern-nikkel-kobolt som hovedlegeringselement, karakterisert ved at titan og karbon sammenføres i en smelte (15,15B) av grunnmassen og at smeiten bringes til å størkne så kort tid etter sammenføringen at titankarbidkornenes middelkorn-størrelse ikke vil overskride 8 ym, fortrinnsvis ikke overstige 6 ym og hensiktsmessig ikke overstige 4 ym, og at maksimalt 4% av antall titankarbidkorn er større enn 20 ym i den ferdige legeringen før eventuell etterfølgende plastisk bearbeiding, idet den titanholdige smelte (15,15B) dannes ved kontinuerlig elektrotermisk smelting av et stav- eller stangformet, vesentlig karbonfritt elektrodeelement (10,21) inneholdende titan, karbon (22) tilsettes kontinuerlig til den dannede smelte og en støpeblokk (13,13B) dannes kontinuerlig av smeiten (15,15B) ved fortløpende størkning av denne.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at karbonet tilføres ved kontinuerlig smelting av ett eller flere stav- eller stangformige elementer (11,23) som inneholder karbon, samtidig med smeltingen av det titanholdige elektrodeelement (10,21).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at de stav- eller stangformede elementer (11,23) anvendes som elektrodeelementer, hvilke er elektrisk parallell-koblede med det titanholdige elektrodeelement (10,21).