Verfahren zur Herstellung von Stählen mit niedrigem Gehalt an nichtmetallischen oxydischen Einschlüssen Den üblichen bekannten Verfahren zur Herstel lung von Stählen hohen Reinheitsgrades und damit niedrigen Gehaltes an oxydischen Verunreinigungen haftet eine grosse Unsicherheit an, die immer wieder zu Ausfällen in der Produktion führt.
Diese Ausfälle treten auch dann ein, wenn neben der üblichen Des oxydation mit Mangan und Silizium oder der zusätz lichen Verwendung von Sonderdesoxydationsmitteln die allgemein als günstig angesehenen Schmelzbedin gungen, wie ausreichender Kochvorgang und hohe Stahltemperatur, eingehalten werden. Auch die Ver wendung von Sonderdesoxydationsmitteln, die leicht abscheidbare Reaktionsprodukte ergeben sollen, stellt bisher keine betriebssichere Arbeitsweise dar. Zur Erzielung eines hohen Reinheitsgrades sind auch Verfahren bekannt, welche eine bestimmte Art des Zusetzens der Desoxydationslegierungen, z.
B. irn vorgeschmolzenen Zustand in ein sauerstoffreiches Bad, vorschreiben, um eine rasche Abscheidung der Reaktionsprodukte zu erreichen. Darüber hinaus wird durch alle genannten Massnahmen die Unsicherheit nicht beseitigt, die durch die Sauerstoffaufnahme des flüssigen Stahles und durch Reaktionen mit dem feuerfesten Steinmaterial beim Giessen gegeben ist, sofern man nicht die Vakuum-Schmelz- und -Giess verfahren anwendet, die jedoch nur für Sonderzwecke wirtschaftlich Verwendung finden können.
Besonders grosse Schwierigkeiten treten dann auf, wenn es sich um die Erzeugung von Feinkomstählen oder alterungssicheren Stählen handelt, welche einen Zusatz von Aluminium als Sonderdesoxydations- mittel verlangen.
Das immer wieder beobachtete Auf treten grösserer Mengen tonerdereicher Einschlüsse und die schlechte Vergiessbarkeit des aluminium- desoxydierten Stahles hat zu der Arbeitsregel ge führt, den Aluminiumzusatz so gering wie möglich zu halten und Restgehalte an metallischem Alumi- nium im Stahl von mehr als etwa 0,02% möglichst zu vermeiden.
Umfangreiche Untersuchungen haben gegenüber dem bisherigen Stand der Technik gezeigt, dass gerade das Aluminium als Legierungselement ein ausser ordentlich wirksames Mittel ist, um Stähle , hohen Reinheitsgrades betriebssicher herzustellen. Ab weichend von der bisher üblichen Erzeugungsart durch Zusatz von Mangan, Silizium und geringen Mengen Aluminium ist es dabei notwendig, Alumi niumgehalte im Stahl von 0,05 bis 0,5 0/0, vorzugs- weise jedoch 0,07 bis 0,25 % Al,
zu legieren. Die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Legierungsgehalte an Aluminium im Stahl stehen in keinem Zusam menhang mit den Aluminiumgehalten, die zur Er zielung bestimmter Eigenschaften, z. B. der Nitrier- fähigkeit, der verbesserten Zunderbeständigkeit oder besonderer elektrischer oder magnetischer Eigen schaften, dienen.
Die Erzielung eines Stahles hohen Reinheits- grades durch Legieren mit Aluminium im angege benen Ausmass beruht auf folgenden Erkenntnissen: Die weitgehende Abscheidung von oxydischen Re aktionsprodukten bei der Desoxydation des Stahles ist an eine niedrige Viskosität und damit an eine ausreichend hohe Stahltemperatur gebunden. Hält man diese Bedingungen ein, so weist der flüssige Stahl einen weit höheren Gasgehalt, besonders an Sauerstoff, auf als bei Schmelzen, die mit niedriger Temperatur fertiggemacht werden.
Bei der üblichen Desoxydation mit Silizium und Mangan sowie Alu- miniumzusätzen zur vollständigen Desoxydation er folgt nur eine relativ geringe Erniedrigung des Ge haltes an gelösten Gasen, besonders an Sauerstoff. Nach dem bisherigen Stand der Technik genügt in diesem Fall ein Restaluminiumgehalt bis etwa 0,020/m, um optimale Werte der Desoxydation sicher zustellen.
Wird eine solche Schmelze vergossen, so scheiden sich bei der Abkühlung und beim Erstarren so grosse Mengen an Oxyden im festen Zustand ab, dass die Verwendbarkeit des Stahles beeinträchtigt oder gar in Frage gestellt ist. Der bisher übliche Restgehalt an Aluminium im Stahl gewährt auch keinen Schutz vor den Angriffen der Luftoxydation beim Giessen. Weiterhin wird der Angriff der feuerfesten Bau stoffe der Giessgrube durch den verhältnismässig hohen Sauerstoffgehalt des Stahles gefördert.
Die bei der Abkühlung sich bildenden Oxyde bestehen vornehmlich aus Fe0- und MnO-reichen Oxyd gemischen, welche zusammen mit dem im Stahl ent haltenen Mangan in bekannter Weise eine stark korrodierende Wirkung auf das feuerfeste Stein material ausüben und damit den Schlackengehalt des Stahles weiter erhöhen. Es kann somit als Folge der geschilderten Vorgänge bei diesen Stählen, auch wenn die Abscheidung der primär gebildeten Reak tionsprodukte nach der Desoxydation im Ofen oder in der Pfanne durch Einhalten einer hohen Stahl temperatur weitgehend gelingt, eine starke Ver schlechterung des Reinheitsgrades eintreten.
Wird jedoch der Stahl nach dem Verfahren gemäss der Erfindung mit Aluminium im angegebenen Ausmass legiert, so kann auch bei hoher Stahlend- temperatur der Gasgehalt, besonders an Sauerstoff, im flüssigen Stahl auf ausserordentlich niedrige Werte gesenkt werden.
Die im Augenblick des Alu miniumzusatzes entstehenden tonerdereichen Ein schlüsse lassen sich jedoch bei ausreichend hoher Stahltemperatur, wie in zahlreichen Untersuchungen bei der Entwicklung dieses Verfahrens nachgewiesen werden konnte, entgegen den bisherigen Anschauun gen innerhalb wenigerMinuten bis auf Restgehalteweit unter 0,01"/o" also praktisch vollständig abscheiden.
Durch den niedrigen Sauerstoffgehalt im flüssigen Stahl ist eine nennenswerte Umsetzung mit den feuerfesten Baustoffen der Giessgrube nicht mehr möglich. Infolge des hohen Aluminiumgehaltes können sich im Stahl nur mehr geringe Mengen ton erdereicher und praktisch Fe0- und MnO-freier Einschlüsse bilden, die sich gegenüber den feuer festen Baustoffen der Giessgrube neutral verhalten. Auch durch die unvermeidbare Luftoxydation des Giessstrahles tritt keine Erhöhung des gelösten Sauer stoffgehaltes im Stahl ein, weil dieser an der Ober fläche des flüssigen Stahles sofort durch das im Überschuss anwesende Aluminium abgebunden wird.
Dies gilt auch für die Reaktionsprodukte des Man gans mit den feuerfesten Baustoffen, weil das ent stehende Manganoxydul mit dem Aluminium des Stahles unter Bildung von Tonerde umgesetzt wird, welche eine Schutzschicht auf dem feuerfesten Werk- Stoff bildet und damit weitere Reaktionen verhindert. Die zu diesem Zeitpunkt entstehenden Oxyde steigen, wie Untersuchungen ergeben haben, im Gussblock praktisch vollständig auf und gehen in den Block schaum über. Bei der nachfolgenden Abkühlung des Stahles und Erstarrung in der Kokille können sich aus der sauerstoffarmen Schmelze nurmehr äusserst geringe Mengen an Einschlüssen abscheiden, die praktisch in keinem Fall mehr zu einer merklichen Verschlechterung des Reinheitsgrades und damit zu einer Beanstandung des Stahles führen.
Die beim Verfahren zur Herstellung von Stählen gemäss der Erfindung notwendigen Stahltemperaturen beim Zusetzen des Aluminiums müssen mindestens 150 C über der Liquidustemperatur der entspre chenden Stahlqualität liegen. Als günstigster Be reich hat sich eine Temperatur von 180 bis 200 C über Liquidus erwiesen. Um die notwendigen Alu miniumgehalte von mehr als 0,05 0/m AI sicher in den Stahl zu bringen, bedient man sich zweckmässiger weise des Zusatzes von vorgeschmolzenem Alumi nium, welches man sowohl beim Siemens-Martin- als auch Elektrostahl z. B. während des Ab stechens langsam in den Giessstrahl einfliessen lässt.
Auf diese Weise erzielt man im Gegensatz zur Zu gabe von festem Aluminium in einer der bisher üblichen Formen ein wesentlich höheres Ausbrin gen. Es hat sich gezeigt, dass man so im Durchschnitt ein Ausbringen von 60 bis 800,i0 der zugesetzten Aluminiummenge erreicht. Dieser Satz reicht aus, um die Durchführbarkeit des Verfahrens zu gewähr leisten.
Die günstige Wirkung des nach der Erfindung erzielten hohen Reinheitsgrades des Stahles äussert sich bereits durch dessen einwandfreie Vergiessbar- keit.
<I>Auf</I> iihrungsbeispiele 1. Chrom-Mangan-Einsatzstahl aus dem ba sischen Siemens-Martin-Ofen: a) Desoxydation nach bisheriger Arbeitsweise mit Mangan, Silizium und 0,6 kg AI/t: Abstichtempe- ratur etwa 1680 C.
Restgehalte an Aluminium im Stahl 0,010 bis 0,020%, Schlackengehalt 0,012 bis 0,0181/o. Wertzahl der Stufendrehprobe im Mittel 6 bis 15.
b) nach neuer, erfindungsgemässer Arbeitsweise: Abstichtemperatur 1680 bis 1700 . Zusatz von 1,5 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Aluminium im Stahl 0,090 bis 0,12%. Schlackengehalt im Mit- tel 0,0091/D. Wertzahl der Stufendrehprobe 0 bis 1.
2. Unlegierter Werkzeugstahl aus dem basischen Siemens-Martin-Ofen mit 0,71,!0 C: a) Desoxydation nach bisheriger Arbeitsweise mit Mangan, Silizium und 0,3 kg Aluminium je Tonne. Abstichtemperatur 1620 . Rest-Aluminium- Gehalt im Stahl kleiner als 0,010/0. Gesamtschlacken gehalt 0,010 bis 0,014010.
Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) 150 bis 250; b) nach neuer, erfindungsgemässer Arbeitsweise: Abstichtemperatur im Mittel 1650 . Anlegiert mit 1,2 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Alumi niumgehalt im Stahl 0,09 bis 0,10"/0. Gesamt schlackengehalt im Mittel 0,00711/o. Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) 20 bis 50.
3. Mangan-Werkzeugstahl aus dem basischen Lichtbogenofen (0,8% C, 2,0% Mn): a) nach bisheriger Arbeitsweise desoxydiert mit Silizium und 0,5 kg Aluminium je Tonne, Abstich temperatur im Mittel 1630 .
Aluminiumrestgehalt im Stahl 0,01 bis 0,02%. Reinheitsgrad nach Dier- carten (Oxydeinschlüsse) im Mittel 150 bis 200; b) nach neuer, erfindungsgemässer Arbeitsweise: Abstichtemperatur 1630 . Anlegiert mit 1,2 kg flüssigem Aluminium je Tonne. Aluminiumgehalt im Stahl 0,07 bis 0,110/c.
Reinheitsgrad nach Diergarten (Oxydeinschlüsse) im Mittel 50 bis 80.
Grossversuche im Stahlwerk haben erwiesen, dass die ausserordentlich niedrigen Einschlussmengen im Stahl vollkommen betriebssicher erreichbar sind und sich diese aluminiumlegierten Stähle durch ausser ordentlich hohe Gleichmässigkeit in den technolo gischen Gütewerten auzeichnen. Sie ist darauf zu rückzuführen, dass Kristall- und Blockseigerungen auf ein :Mindestmass zurückgeführt werden. Die beim Erreichen der Liquidustemperatur entstehenden geringen Mengen ausserordentlich feiner, zum Teil submikroskopischer Einschlüsse wirken als Keime kornverfeinernd auf das Primär- und Sekundärgefüge.
Die durch die geschilderte Herstellungsart der aluminiumlegierten Stähle erreichte Verteilungsform der Oxyde und Nitride in der metallischen Grund masse ergibt auch eine absolute Sicherheit gegen über Kornwachstum bei den üblichen Einsatz- und Härtetemperaturen, so dass z. B. die genannten Chrom-Mangan-Einsatzstähle mit einer bisher nicht -ewährleisteten Sicherheit aus der Einsatztempe ratur direkt gehärtet werden können. Sie sind auch bei den längsten in der Praxis zur An wendung kommenden Zementationszeiten vollkom men kornwachstumsicher. Diese Kornwachstum sicherheit bleibt auch bei allen andern Ober flächenhärteverfahren, z.
B. bei der induktiven Oberflächenhärtung oder bei der Brennhärtung, er halten. Wird bei der Bemessung des Aluminium gehaltes im Stahl darauf geachtet, dass der Alumi niumgehalt mindestens das Siebenfache des Stick- Stoffgehaltes beträgt, so kann durch die praktisch quantitative Bindung des Stickstoffes an das Alumi nium auch eine vollkommene Alterungsbeständigkeit erreicht werden. Ein über die Bindung des Stick stoffes hinausgehender Aluminiumgehalt kann not wendig sein, wenn die Ausscheidung von Aluminium- Nitriden in unschädlicher Form bewerkstelligt wer den soll.
In Zusammenhang damit steht die mögliche Erzielung hoher Zähigkeitswerte in den mit Alumi nium legierten Stählen, welche sie für die Anwen dung bei tiefsten. Temperaturen besonders geeignet macht. Der Gehalt an Aluminium im angegebenen Ausmass wirkt ausserdem in bekannter Weise ver bessernd auf die Durchhärtung und Durchvergüt- barkeit.
Die erfindungsgemäss hergestellten aluminium legierten Stähle geben somit erstmals die Möglich keit, die Legierungswirkung des Aluminiums in technisch wirksamem Ausmass voll auszunutzen, ohne die bisher aufgetretenen Nachteile schlechter Vergiessbarkeit und Bildung unzulässig hoher Ein schlussmengen in Kauf nehmen zu müssen.