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Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern aus Karbiden schwer schmelzbarer
Metalle oder Metalloide, wie z. B. Wolfram Es sind Verfahren zur Herstellung von
Wolframkarbidkörpern bekannt, bei denen Wolfram- oder Molybdänsäureanhydrid oder
-oxyd mit Kohlepulver gemischt und im Kohlerohrwiderstandsofen bis zum Schmelzen
erhitzt wird, wobei ein Vergießen außerhalb des Ofens aber nicht stattfindet. Es
ist ferner bekannt, ein graphithaltiges Wolframkarbid durch Verschmelzen mit Molybdänoxyd
in ein graphitfreies Karbid zu verwandeln und dieses im Ofen zu vergießen. Die Verwendung
von Pyrometern und von Prüfkörpern, die eine andere Zusammensetzung als der Einsatz
haben, lediglich zur Temperaturbestimmung, ist ebenfalls bekannt. Den Gegenstand
der Erfindung bildet dagegen ein Verfahren zur Herstellung von Gußstücken aus Wolfram-
usw. Karbiden, bei dem durch Anwendung eines Prüfkörpers von gleicher Zusammensetzung
wie der Einsatz der richtige Zeitpunkt des Vergießens, der von dem Grade der Karburierung
der Schmelze abhängig ist, festgestellt werden kann, sowie eine Einrichtung zur
Ausführung des Verfahrens.
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In dem Patent 516656 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung
von Wolframkarbid- und äquivalenten bzw. analogen Formkörpern beschrieben, welches
von reinem, hochreduziertem Wolfram- usw. Metall ausgeht, welches, mit einer geeigneten,
vorausbestimmbaren Menge fein gepulverten Kohlenstoffes gemengt, gegebenenfalls
auch ohne Kohlenzusatz verwendet wird in der Weise, daß aus dem Gemenge bzw. aus
dem Wolfram- usw. Pulver allein ein Preßling gebildet wird, der in ein als Schmelzform
dienendes Kohlerohr bzw. Graphitrohr eingebracht und mit diesem in einen elektrischen
Kohlerohrofen bzw. Graphitofen mit Kohle-bzw. Graphitklemmen eingeführt wird, um
in diesem bei Temperaturen, wie sie bisher nicht zur Anwendung gebracht wurden (vorzugsweise
2700 bis 3500° C), niedergeschmolzen und erforderlichenfalls vergossen zu
werden.
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Das Hauptpatent sieht auch bereits den Fall vor, daß das Vergießen
des Schmelzgutes außerhalb des elektrischen Kohle- oder Graphitrohrofens erfolgt.
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Das Hauptpatent enthält ferner bereits die überaus wichtige und wertvolle
Erkenntnis, daß mit zunehmender Kohlenstoffaufnahme des Schmelzflusses der Schmelzpunkt
mehr und mehr erniedrigt wind und der Schmelzfluß allmählich in einen Zustand hochgradiger
Überhitzung übergeht, welcher die Überleitung des Schmelzflusses in außerhalb des
Ofens liegende Formen wesentlich erleichtert
und eine gute Ausfüllung
der Gießformen gewährleistet.
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Das Hauptpatent erkennt ferner, daß der Schmelz- und Gießprozeß so
geleitet werden kann, daß die letzte Kohlenstoffaufnahme des Schmelzgutes erst in
der außerhalb des Ofens liegenden Gießform aus Graphit oder Kohle erfolgt, wobei
eine nochmalige Herabsetzung des Schmelzgutes, verbunden mit Überhitzung des Schmelzflusses,
erfolgt, das Gußstiick länger flüssig bleibt, die Form besser ausfüllt und durch
Volumenzunahme, welche durch die fortschreitende Karbonisierung bedingt ist, ein
außerordentlich dichtes, blasenfreies Gefüge erhält. Von diesen Erkenntnissen ausgehend,
hat Erfinderin einen neuen, den praktischen Bedürfnissen besser Rechnung tragenden
Ofen konstruiert, der für die Ausübung des Verfahrens im großen vorzüglich geeignet
ist, wie gleich die ersten Versuche ergaben.
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Waren die oben gestreiften Erkenntnisse richtig, so mußte es möglich
sein, das im Kohle- bzw. Graphitrohrofen niedergeschmolzene Schmelzgut auch in eine
an beliebiger Stelle des Raumes angeordnete, mit dem eigentlichen Ofen in keinerlei
funktionellem oder konstruktivem Zusammenhang stehende Gießform zu vergießen.
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Fig. i stellt ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Ofens dar,
welcher nicht nur gestattet, das Schmelzgut außerhalb des Ofens zu vergießen, sondern
auch eine beliebige Anzahl von Schmelzungen in einer einzigen Ofenhitze ermöglicht,
was bislang noch mit keinem einzigen Verfahren und mit keiner einzigen Einrichtung
sich durchführen ließ. Außerdem gestatten das neue Verfahren und die neue Einrichtung
eine genaue optische Kontrolle des Schmelzprozesses ünd die richtige Wahl des Gießzeitpunktes
bzw. der Unterbrechung der Schmelzung. Der Hauptvorzug der neuen Einrichtung liegt
in ihrer unübertrefflichen Einfachheit, bequemen Zugänglichkeit und Überwachbarkeit.
Der Ofenraum wird gebildet durch das an beiden Enden offene Widerstandsrohr i aus
Kohle bzw. vorzugsweise Graphit. An den beiden Enden derselben sitzen kräftige Stromzuführungsklemmen
2 aus Kohle oder besser aus Graphit. 3 sind die Stromzufiihrungskabel, von denen
entweder ein einziges oder mehrere vorhanden sein können, q. die oder das Stromableitungskabel.
Das Ganze ruht in einem Eisenblechkasten 5 mit abnehmbarem Deckel 6 und einer Entleerungsklappe
7 am Boden, die sich in einem untergestellten Behälter 8 öffnet. Der Innenraum des
Kastens 5 ist mit einer geeigneten schwer brennbaren oder unverbrennbaren, schlechtleitenden
und lockeren Masse, z. B. Kryptol, so weit gefüllt, daß das Widerstandsrohr i gut
davon bedeckt ist. An das eine offene Ende des Widerstandsrohrs i ist ein Gasrohr
9 angeschlossen, durch welches während des Schmelzvorganges Wasserstoff oder ein
anderes indifferentes oder als Atmosphäre für den Schmelzvorgang geeignetes Gas
(z. B. Ammoniak) eingeleitet wird.
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Der Schmelztiegel besteht lediglich aus einer Graphitstange io von
etwas kleinerem Durchmesser, als die lichte Weite des Widerstandsrohres i beträgt.
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Die obere Seite dieser Graphitstange ist etwas abgeflacht und gegen
das aus dem Ofen herausragende Ende zu keilförmig nach unter verjüngt, um das im
Ofen befindliche Ende, das die Schmelzform i i enthält, besser beobachten zu können.
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Das Verfahren gestaltet sich nun folgendermaßen: Eine oder eine beliebige
Anzahl von Graphitstangen io erhalten in die Schmelzform i i eine Charge des Schmelzgutes
eingestampft oder eingepreßt. Das Schmelzgut besteht entweder aus reinem Wolframpulver
oder aus Wolframpulver mit einer bestimmten Menge von Kohlenstoff gemischt, wie
im Hauptpatent beschrieben. Zuletzt wird noch eine lose Pastille aus der gleichen
Masse wie das Schmelzgut geformt (z. B. unter einer Presse) und oben auf die ausgefüllte
Schmelzform gelegt.
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Inzwischen wird das Widerstandsrohr durch Einschalten des Stromes
in wenigen Minuten auf helle Weißglut erhitzt und der Wasserstoffstrom durch Rohr
9 angestellt.
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Sodann wird die erste Graphitstange io in das Rohr i bis in die gezeichnete
Lage eingeführt und mit Hilfe des optischen Pyrometers 13 die erforderliche Schmelztemperatur
(je nach Zusammensetzung des Schmelzgutes in der Regel a7oo bis 3500° C) einreguliert.
Als optische Pyrometer eignen sich am besten das Interferenzphotometer bzw. Pyrometer
von L u m m e r oder das optische Pyrometer von H o, 1 b o r n-K u r 1-baum.
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Sodann wird durch Beobachtung der Kontrollpastille 12- mittels des
optischen Pyrometers 13 festgestellt, wann das Niederschmelzen des Schmelzflusses
beginnt, was etwa nach z bis 3 Minuten der Fall ist. Man beläßt dann den Schmelzfluß
noch während eines empirisch vorausbestimmten Zeitraumes, z. B. während
30 Sekunden, im Ofen, worauf die Graphitstange (welche an ihrem freien Ende
mit Asbesthandschuhen noch bequem angefaßt werden kann) rasch herausgezogen und
in eine außerhalb des Ofens vorbereitete Gießform entleert wird.
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Hierauf wird die nächste Graphitstange mit Charge in den Ofen verbracht
usw.
Je nach Größe und Form des Widerstandsrohres i lassen sich
auch gleichzeitig mehrere Graphitstangen io in den Ofen einführen. Vorzuziehen ist
aber wegen der besseren Bewachung des Schmelzflusses das Arbeiten mit jeweils nur
einer Schmelzform.
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Die Wartezeit bzw. Schmelzdauer vom Beginn des Niederschmelzens der
Kontrollpastille 1a bis zum Herausziehen der Schmelzform io, ii aus dem Ofen richtet
sich sowohl nach der ursprünglichen Zusammensetzung des Schmelzgutes wie nach der
Menge und der beabsichtigten Kohlenstoffaufnahme desselben. Es lassen sich hierbei
je nach Wahl der Verhältnisse Gußkörper mit den verschiedensten gewünschten Kohlenstoffgehalten
und mit der verschiedensten Kristallstruktur, vom absolut feinkörnigen (Perlitstru.ktur)
bis zum grobkristallinischen, faserigen oder muschelförmig brechenden Produkt erzielen.
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Das Verfahren und die beschriebene Einrichtung lassen sich auch zum
Niederschmelzen und darauffolgendem Vergießen anderer Ausgangsprodukte, wie sie
bisher schon zur Herstellung von Wolfram- und ähnlichen Karbiden benutzt wurden,
verwenden. Z. B. kann die Charge aus Wolframsäureanhydrid oder -oxyd oder aus einer
Mischung desselben mit fein gepulvertem Kohlenstoff oder aus einem der beiden Wolframkarbide
bestehen. Das Wolframsäureanhydrid oder -oxyd wird in diesem Falle durch den glühenden
Wasserstoffstrom reduziert und durch Kohlenstoffaufnahme aus der Schmelzform und
aus der teilweisen Kohlenstoffatmosphäre im Innern des Widerstandsrohres (der Kohlenstoff
verdampft von den Wandungen des Widerstandsrohres) in Wolframkarbid verwandelt.
Bei den Versuchen wurde ferner die für die richtige Durchführung des Verfahrens
sehr wichtige Wahrnehmung gemacht, daß der Schmelzfluß, wenn er zu lange im Ofen
verbleibt, durch übermäßige Kohlenstoffaufnahme in ein sehr schwer schmelzbares
Karbid bzw. in eine sehr kohlenstoffreiche Legierung übergeht, welche sich nicht
mehr vergießen läßt bzw. die Gießform nicht mehr ausfüllt. Die Einhaltung der obenerwähnten,
empirisch vorausbestimmten Schmelzzeit, welche einen absolut dünnflüssigen Schmelzfluß
liefert, welcher selbst nach Herausnahme aus dem Ofen noch dünnflüssig bleibt bzw.
infolge Schmelzpunktherabsetzung und damit zusammenhängender Überhitzung noch dünnflüssiger
wird, ist also ein wichtiges Kriterium der Erfindung.
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Aus der bereits in dem Hauptpatent niedergelegten Erkenntnis, wonach
das Schmelzgut durch zunehmende Kohlenstoffaufnahme allmählich in einen Zustand
hochgradiger Erhitzung übergeführt und immer dünnflüssiger wird, und aus der weiteren
Erkenntnis, daß bei übermäßiger Kohlenstoffaufnahme das gebilideteProdukt wieder
sehr schwer schmelzbar und zähflüssig wird, folgt ferner, daß das hier beschriebene
Verfahren und die beschriebene Einrichtung sich besonders zum Niederschmelzen größerer
Mengen von Schmelzgut eignen und aus diesem Grunde für eine industrielle Verwendung
ganz besonders prädestiniert erscheinen. Denn die Kohlenstoffaufnahme des Schmelzgutes
erfolgt durch die Oberfläche desselben, welche mit der zweiten Potenz der linearen
Abmessungen wächst, während die Kohlenstoffaufnahme selbst in der dritten Potenz
der linearen Abmessungen wachsen muß. Die Warte-oder Schmelzzeit, d. h. die für
die richtige Kohlenstoffaufnahme erforderliche Zeit, gerechnet von der Beobachtung
des Niederschmelzens der Kontrollpastille 1a bis zur Herausnahme der Schmelzform
io aus dem Ofen, wird also bei größeren Schmelzflüssen immer größer, und zwar im
Verhältnis der dritten zur zweiten Potenz der linearen Abmessungen der Schmelzform
ii. Bei dreifacher Kantenlänge der Schmelzform i i wird also beispielsweise die
Wartezeit für die Kohlenstoffaufnahme und das dadurch bedingte Dünnflüssigwerden
im Verhältnis 27, also dreimal größer. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, bei
Herstellung iln großen die Kohlenstoffaufnahme auf das genaueste abzustufen und
dadurch ein stets gleichmäßiges Produkt von genau vorausbestimmter Zusammensetzung
oder von gewollter Kristallstruktur zu erhalten.
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Die Ersetzung eines verbrauchten Widerstandsrohres läßt sich bei einem
Ofen nach Fig. i sehr rasch und leicht bewerkstelligen. Man hat nur nötig, die Bodenklappe
7 zu öffnen, worauf die das Widerstandsrohr einhüllende Kryptolmasse in den untergestellten
Kasten 8 fällt. Nun wird Rohr i einfach herausgezogen und durch ein neues ersetzt,
worauf man den Deckel 6 öffnet und die im Kasten 8 aufbewahrte Kryptolmasse wieder
über das neue Rohr i schüttet, bis es ganz von der Masse zugedeckt ist. Hierauf
stellt man Behälter 8 wieder unter den Ofen, und der Prozeß kann von neuem beginnen.
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Mit der beschriebenen Einrichtung und dem oben gekennzeichneten Verfahren
lassen sich alle möglichen Karbide von Schwermetallen sowie alle möglichen Kohlenstofflegierungen
von solchen außerhalb des Ofens gießen, und es wird dabei stets ein sauberer, dichter
Guß von beliebiger, vorausbestimmbarer Kristallstruktur oder, falls erwünscht, von
perlitartigem Feingefüge erzielt.
Als Ausgangsmaterial kann sowohl
reines S.chwermetallpulver (Wolfram, Molybdän, Titan, Uran, Chrom, Vanadium usw.)
wie auch ein Gemisch von reinem Schwermetallpulver mit pulverisiertem Kohlenstoff
oder Karbiden oder letztere allein Verwendung finden.
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Da das Niederschmelzen im reduzierenden Wasserstoffstrom erfolgt,
kann aber der Prozeß auch so durchgeführt werden, daß von einem Oxyd oder Metallsäureanhydrid
ausgegangen wird, welches in ein und demselben Arbeitsprozesse zuerst reduziert
und sodann durch Kohlenstoffaufnahme in ein Karbid verwandelt wird.
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Das Metall kann hierbei auch ganz. oder teilweise durch Elemente,
welche ebenfalls sehr harte Karbide bilden, z. B. Silizium, Bor usw., ersetzt werden.
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Sodann können dem Schmelzfluß auch Kontaktmetalle oder andere Kontaktsubstanzen
zugesetzt werden, welche regulierend auf die Kohlenstoffaufnahme wirken oder dem
fertigen Produkt bestimmte mechanische Eigenschaften, z. B. größere Duktiktät, feineres
Gefüge usw., oder auch gewisse physikalische Eigenschaften verleihen sollen oder
zum Zwecke der Bildung von Legierungen verschiedener Karbide.
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Zur Herstellung großer Gußstücke kann man auch die Schmelzform io
nach Fig. 2 ausführen.
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Dieselbe enthält einen nach außerhalb des Ofens führenden Gießkanal
14-i5, der mit etwas Gefälle versehen ist und den niedergeschmolzenen Schmelzfluß
ii nach dem Trichter 16 einer außerhalb des Ofens befindlichen Gießform 17 überleitet,
die zweckmäßigerweise aus Graphit oder Kohlenstoff besteht und die Form 18 für das
gewünschte Gußstück enthält. Bei Verwendung einer Schmelzform nach Fig. 2 kann auch
ein Abstechverfahren zur Anwendung gelangen: Gießkanal 16 wird hierzu während einer
empirisch vorausbestimmten Zeit nach dem Niederschmelzen der Kontrollpastille verschlossen
gehalten und dann .durch irgendein Abstechverfahren geöffnet. Die außerhalb des
Ofens liegende Form kann außerdem zuerst angewärmt und sodann nach Bedarf, entweder
zeitweise oder dauernd, noch gekühlt werden, z. B. um die Bildung einer bestimmten
Kristallform oder .allgemein Gefügeform zu erreichen.