DE2503140A1

DE2503140A1 - Verfahren zur kornverfeinerung von gusstuecken

Info

Publication number: DE2503140A1
Application number: DE19752503140
Authority: DE
Inventors: John Campbell
Original assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Current assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Priority date: 1974-01-26
Filing date: 1975-01-27
Publication date: 1975-07-31
Also published as: FR2258918B3; GB1471761A; FR2258918A1; LU71720A1; NL7500750A

Description

GLAWE, DELFS₁ MOLL & PARTNER PATENTANWÄLTE

■.2503.U0-

OHi-ING. RICHARD GLAWE, MÖNCHEN DIPL.-ING. KLAUS DELFS, HAMBURG DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÖNCHEN D1PL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG

8 MÖNCHEN 26 2HAMBURG13

POSTFACH 37 POSTFACH 2570

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LIEBHERRSTR. 20 CHAUSSEE 58

TEL. (089) 22 65 48 _{TEL (o4o) 41020} „g

TELEX 52 25 05 TELEX 2129 21

MÜNCHEN

A 17

FULMER RESEARCH INSTITUTE LTD.
Stoke Poges / England

Verfahren zur Kornverfeinerung von Gußstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kornverfeinerung von Gußstücken, wie z.B. Gußstücken wieder eingeschmolzener Verbrauchselektroden und Stranggußblocken.

Um mit den heutigen Erfordernissen Schritt zu halten, werden Gußblöcke und Gußteile aller Arten in zunehmend grösseren Formen hergestellt. Jedoch wird weithin richtig eingeschätzt, daß dieser Trend den Nachteil der entsprechend zunehmenden Erstarrungszeiten mit sich bringt, als Ergebnis des zunehmend ungünstigen Volumen/Oberflächenverhältnisses der hergestellten Gußblöcke. Lange Erstarrungszeiten bewir-

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BANK: DRESDNER BANK, HAMBURG, 4 030 448 (BLZ 200 800 00) · POSTSCHECK: HAMBURG 147607-200 · TELEGRAMMlSPECHTZlES

ken eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und der Homogenität "solcher Gußprodukte, da zunehmende makroskopische Ausscheidung, grobe Dendriten-Astgröße (d.h. grobe mikroskopische Ausscheidung), große Korngröße und Schrumpfhöhlen oder Röhren auftreten.

Frühere "Versuche, wenigstens einen Aspekt dieses Problems zu lösen, wurden durch vorheriges Hinzufügen von fremden Kristallationskerne bildenden Mitteln zur Schmelze unternommen. Der Erfolg dieser Bemühungen war jedoch zweifelhaft und selbst, wenn feine Korngrößen erreicht wurden, brachten sie nicht notwendigerweise eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des gegossenen Metalls mit sich. Außerdem verunreinigte das Hinzufügen von solchen Kristallationskerne bildenden Mitteln oft das Gußmaterial entweder chemisch oder durch Bilden einer wuchernden Quelle von Einschließungen. Außerdem mildert die Kornverfeinerung an sich nicht die Probleme, die im Zusammenhang mit den langen Erstarrungszeiten auftreten, die eine notwendige Folge des langen Diffusionsweges sind, der zum Entweichen der Hitze aus dem Innern der großen Gußblöcke benötigt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur besseren Kornverfeinerung von Gußstücken der oben beschriebenen Art durch Hinzufügen von Kristallationskerne bildenden Mitteln, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die Schmelze auf-

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weisen, und deshalb nicht eine Quelle der Verunreinigung darstellen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur besseren Kornverfeinerung von Gußstücken, die durch einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Guß- oder Umschmelzprozeß hergestellt wurden, besteht darin, daß zu einem zu gießenden flüssigen Metall kompakte Festkörperteilchen aus Metall in der Größenordnung von 0,1 bis 150.000 mm hinzugefügt werden, wobei diese Teilchen im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie das flüssige Metall aufweisen und sie im flüssigen Metall so verteilt werden, daß sie als Kristallationskerne bildendes Mittel für die Erstarrung des Metalls wirken, wobei ein Teil der Festkörperteilchen Teile bzw. Bereiche aufweist, die bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleiben.

Das Gesamtgewicht der hinzugefügten Festkörperchen ist üblicherweise bei der Anwendung dieses Verfahrens ein ausreichender Bruchteil der Schmelze, so daß, um die Festkörperchen auf eine hohe Temperatur aufzuwärmen, die Schmelze den größeren Teil ihrer Temperatur durch die nur kurzen Diffusionswege zu den nahegelegenen Teilchen verliert. Damit wird die Erstarrungszeit irgendeines besonderen Gußproduktes stark reduziert, und außerdem tritt eine entsprechende Verfeinerung der Dendriten-Astgröße auf. Damit bewirkt die Verminderung sowohl der Korn- als auch der Dendriten-Astgröße eine Verfeinerung in der Struktur eines Gußproduktes.

Das Verfahren ist besonders geeignet für Gußprozesse, die

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naturgemäß kontinuierlich oder halbkontinuierlich ablaufen, wie z.B. Stranggießen, Verbrauchselektroden-und damit verbundene sekundäre Wiedereinschmelzverfahren, wie z.B. Elektro-Schlackenverfeinerung, Lichtbogenvakuum-Wiedereinschmelzen und bestimmte Arten von Induktions-, Plasma- und Elektronenstrahl-Wiedereinschmelzen. Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses auf Gußprozesse der oben beschriebenen Art angewendeten Verfahrens besteht darin, daß die Gußgeschwindigkeit des Produktes erhöht werden kann zusammen mit einer nachfolgenden höheren Produktionsrate.

Das Verfahren kann beim Metallgießen nach den bekannten kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gußverfahren durchgeführt werden, wobei die kompakten Festkörperchen in der oben beschriebenen Größenordnung verwendet werden. Die kompakten Teilchen werden zusammen mit dem flüssigen Metall der Schmelze hinzugefügt in einem festen Verhältnis von kompakten Teilchen zum flüssigen Metall, das, im Falle des relativ schnellen Wärmetransports zwischen den festen und flüssigen Phasen, zwischen der unterstften Grenze, normalerweise zumindesten 10 Gew.-%, was durch das beinahe vollständige Schmelzen der hinzugefügten Festkörperchen bestimmt wird, und der obersten Grenze liegt, üblicherweise zwischen etwa 20 und 50 Gew.-%, was entweder durch das vollständige Erstarren der Flüssigkeit bestimmt wird, oder, im Falle einer relativ niedrigen Wärme-Transportrate zwischen den Phasen oder durch die Pakkungsdichte der hinzugefügten Festkörperchen bestimmt wird,

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die normalerweise zwischen 50 und 90 Vol.-% liegt, wobei sich der hinzugefügte Körper in seiner Zusammensetzung nur unwe- ' sentlich von der der Flüssigkeit unterscheidet.

Kompakte Festkörperchen können die Form von Kugeln, Würfeln oder Massivzylindern annehmen, wobei solche Formen in bezug auf ein ähnliches Volumen eines Drahtes oder Bandes kompakt sind. Vorzugsweise liegt das Volumen der dem flüssigen Metall zugeführten kompakten Festkörperchen in der Grossenordnung von 40 bis 1000 mm .

Bei bestimmten Schmelz- und Ersarrungsbedingungen wurde gefunden, daß nur ein kleiner Prozentsatz, manchmal etwa oder 2%_f der Teilchen übrig bleiben muß, um als Kristallationskerne bildende Mittel zu wirken. Nichtsdestoweniger wurde bei diesem Verfahren festgestellt, daß sich Gußstücke mit verbesserter Struktur selbst bei einem solch geringen Prozentsatz von hinzugefügten Festkörperchen ergeben, bei dem die Festkörperchen einen Teil aufweisen, der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleiben, und vermutlich wurde dieses Ergebnis deshalb erreicht, weil durch das Schmelzen der Festkörperchen die nutzbringende Wirkung der zusätzlichen Wärmegewinnung erzielt wird. Natürlich liefert das Verfahren auch eine höhere Produktionsrate an gegossenem Metall. In bestimmten Fällen wird es vorgezogen, daß ein größerer Teil der dem flüssigen

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Metall hinzugefügten Festkörperchen einen Teil aufweist _t der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleibt, und in anderen Fällen mag der Anteil bei etwa 10 oder 20% liegen. ■

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu gießende . Metall kann Stahl oder eine Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis sein.

Vorzugsweise werden die dem flüssigen Metall zugefügten kompakten Festkörperchen annähernd gleichmäßig über die Erstarrungsfront verteilt, wobei dies durch elektromagnetisches Rühren der Schmelze erreicht werden kann.

Bei praktisch allen Arten von kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gußprozessen, werden Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um die Oberfläche des flüssigen Metalls vor Oxidationsfeu schützen durch die Verwendung eines Schutzgases, Vakuums, Schutzgas-Plasmas, oder einer Schlacke, oder im Falle von Strangguß stählen, oft durch die Benutzung einer Reduktionsgasflamme und einer dünnen Schlackenbedeckung. Normalerweise

weise ergibt sich kein Problem aus der Oxidation des hinzugefügten Körpers oder aus dem Hineinbringen eines Oxidfilms von der flüssigen Oberfläche in die Schmelze. Die Tendenz, Schlacke in das flüssige Metall zu bringen, wird bei diesem Verfahren, die eine auf dem flüssigen Metall schwimmende

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Schlacken-Oberflächenschicht verwenden, relativ einfach durch Rühren des flüssigen Metallbades durch elektromagnetische oder andere Mittel überwunden werden, um die eingeschlossene Schlacke entweichen zu lassen. Die zum Beispiel durch eine elektromagnetische Rührtechnik hervorgerufene Rotation der Schmelze unterstützt die gleichmäßigere Verteilung der hinzugefügten Festkörperchen. Dies ist vorteilhaft, weil es nicht immer einfach ist, die Teilchen so hinzuzufügen, daß sie gleichmäßig über die ganze Fläche des Schmelzbades des zu gießenden Metalls verteilt werden. Tatsächlich ist es im allgemeinen möglich, die kompakten Festkörperchen nur auf ■;. einer Seite hinzuzufügen. Eine gewisse Wiederverteilung der Körperchen tritt auf, insbesondere wenn die Körperchen ziemlich klein sind, durch natürliche Übertragung und Turbulenz der Flüssigkeit, Jedoch wird die Verteilung von solchen Festkörperchen normalerweise durch die Erzeugung einer erzwungenen Übertragung oder durch Rühren zu einem gewissen Grade verbessert.

Das Verfahren wird anhand des folgenden Beispiels näher " erläutert. Die Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozente.

Beispiel

Ein kornverfeinertes Gußstück aus 18% Chrom und 8% Nickeledelstahl wurde nach dem Elektroschlacken-Wiedereinschmelzungs-

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verfahren erzeugt. Das Elektroschlacken-Wiedereinschmelzungsverfahren ist eine bekannte Technik, in der eine stromführende Elektrode langsam geschmolzen wird in einem Schlackenschmelzbad, das durch den Stromdurchgang zum Gußstück aufgeheizt wird. Das Gußstück wird langsam durch die Tröpfchen des durch die Schlacke fallenden flüssigen Metalls aufgebaut. Die ganze Operation findet in einer wassergekühlten Kupfergußform statt.

Die Elektrode wies einen Durchmesser von 32 mm auf und wurde in einer Gußform mit einem inneren Durchmesser von 75 mm geschmolzen. Das Schlackengemisch, 80% CaFp, 10% CaO und 10% AIpO₇, wurde in einem Graphitschmelztiegel in einem gesonderten Muffelofen geschmolzen. Nach Erreichen einer Temperatur von annähernd 14OO°C wurde der Schmelztiegel umtransportiert und die Schlacke ergoß sich in die Lücke zwischen der Gußform und der Elektrode. Die Lücke zwischen der Bodenplatte und der Elektrode betrug 12 mm. Elektrische Energie wurde sofort in Höhe von annähernd 1200 bis 1300 As bei 20 bis 25 V aufgebracht (Gleichstrom, Elektrode positiv). Nach völligem Einschmelzen der Schlacke wurde zerhacktes, drahtform!ges Rundeisen von 2 mm χ 2 mm mit derselben nominellen Beschaffenheit wie die Elektrode ständig in einem solchen Ausmaß hinzugefügt, daß etwa 25% des sich ergebenden Eingusses aus den hinzugefügten Kompaktkörperchen bestand. Die Schmelze wurde während dieser Zeit durch eine Spulenwindung an der Außenseite der Gußform im Drehsinne gerührt, wobei die Spulenwindung ein konstantes

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Feld von etwa 5OOO A-Windungen/m erzeugte. Es wurde ein Gußblock von 72 mm Durchmesser und 250 mm Höhe erzeugt, der aus gleichgerichteten Körnern statt der üblichen langen Säulenstruktur bestand. Keine Teilchen der eingeschlossenen Schlacke noch andere schädliche Merkmale der MikroStruktur wurden entdeckt. Es wurde beobachtet, daß das elektromagnetische Rühren den zusätzlichen Nutzen bewirkte, daß die Oberfläche des Gußstückes wesentlich verbessert wurde.

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Claims

2503U0 - ίο. Patentansprüche

1. Verfahren zur Kornverfeinerung von Gußstücken, die durch ein kontinuierliches oder halbkontinuierliches Gußoder Wiedereinschmelzverfahren hergestellt wurden, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu gießenden flüssigen Metall kompakte Festkörperchen aus Metall in der Größenordnung von 0,1 Ms 150.000 mm hinzugefügt werden, wobei diese Festkörperchen im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufweisen wie das flüssige Metall und sie im flüssigen Metall als Kristallationskerne bildende Mittel für die Erstarrung des Metalls so verteilt sind, daß ein Teil der Festkörperchen einen Teil aufweist, der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein größerer Teil der dem flüssigen Metall hinzugefügten Festkörperchen einen Teil aufweist, der bis zur Erstarrung des Metalls, einschließlich der Erstarrungszeit, fest bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ke'nnze lehnet, daß das zu gießende Metall ein Stahl, eine Legierung auf Nickelbasis, oder eine Legierung auf Kobaltbasis ist.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennz e ichne t, daß das flüssige Metall durch ein Wiedereinschmelzverfahren einer Verbrauchselektrode erhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall durch ein Elektroschlacken-Verfahren, ein Vakuumlichtbogen-Verfahren oder^in Plasma-Schmelzverfahren erhalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Metall in einem kontinuierlichen Gußverfahren gegossen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der dem flüssigen Metall hinzugefügten kompakten Festkörperchen in der Größenordnung von 40 bis 1000 mm liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakten Festkörperchen annähernd gleichmäßig über die Erstarrungsfront verteilt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakten Festkörperchen annähernd gleichmäßig über die Erstarrungsfront durch ein elektromagnetisches Rühren der Schmelze verteilt werden.

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