CH485025A - Process for cleaning treatment of metal alloys with an affinity for oxygen - Google Patents

Process for cleaning treatment of metal alloys with an affinity for oxygen

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CH485025A
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Description

  

  Verfahren     zur    Reinigungsbehandlung von     sauerstoffaffinen    Metallegierungen    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigungs  behandlung von     sauerstoffaffinen    Metallegierungen, ins  besondere von     Titanlegierungen.    Derartige Legierungen  werden auch      reactive        metals     genannt.  



  Es ist bekannt, dass diese     Legierungen    in relativ  grossem Masse mit Sauerstoff, Stickstoff und Wasser  stoff verunreinigt sind. Der Erfindung liegt daher die  Aufgabe zugrunde, die Verunreinigungen aus der Legie  rungsschmelze vor dem Giessen möglichst weitgehend zu  entfernen.

   Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,  dass die Legierung nach dem     Lichtbogenschmelzverfah-          ren    unter     Schutzgasatmosphäre    erschmolzen wird, wobei  sich eine feste Schale aus     schmelzeeigenem    Material an  der Innenwand des gekühlten Schmelzbehälters bildet,  und dass der     erhaltenen    Schmelze in der beim Erschmel  zen gebildeten Schale aus der erstarrten Legierung  anschliessend     Lithium    und/oder Kalzium - in Form  der elementaren Metalle, von Legierungen oder chemi  schen Verbindungen - zugesetzt wird.  



  Unter dem     Lichtbogenschmelzverfahren    in einer  Schale aus     schmelzeeigenem    Material oder dem      Skull-          Melting -Verfahren    versteht man bekanntlich ein  Schmelz- und Giessverfahren, bei dem das zu erschmel  zende Material in einem vorzugsweise wassergekühlten  Metalltiegel erschmolzen wird. Die notwendige Schmelz  energie wird mit Hilfe einer selbstverzehrenden Elektro  de, eines Lichtbogens mit Dauerelektroden oder eines  Plasmalichtbogens erzeugt.  



  An dem gekühlten Tiegel schlägt sich dabei zunächst  eine feste Schicht der zu erschmelzenden Legierung    Skull  genannt - nieder. In dem so mit dem Material  der Schmelze  ausgekleideten  Tiegel befindet sich dann  die flüssige Schmelze. Bei diesem Verfahren, das beson  ders für die Gewinnung von Titan     angewendet    wird,  erfolgt das Erschmelzen der Legierung im allgemeinen    unter einer     Schutzgasatmosphäre    bei einem     Druck    von     1/z     bis 1     atm.    Als Schutzgas dient dabei Argon, Helium oder  ein     Gemisch    beider.  



  Die Anwendung einer     Schutzgasatmosphäre    bedingt,  dass der Tiegel, die Elektroden, sowie die Formen für  das     anschliessende    Giessen in einem geschlossenen gegen  die Umgebung abgedichteten Ofen untergebracht wer  den. Wegen der weiteren Einzelheiten des      Skull-Mel-          ting -Verfahrens    wird auf die Literatur verwiesen, z. B.  auf das Buch      Vacuum        Metallurgy     von     R.F.        Bunshah,     Reinhold     Publishing    Corporation, New York, 1958.  



  Die Wirkung der     Lithium-    und/oder     Kalziumbe-          handlung    kann     vorteilhafterweise    dadurch ergänzt wer  den, dass neben dem     Lithium        und,'oder        Kalzium        Stron-          tium    und/oder Barium zugeführt werden.  



  Da der Dampfdruck des     Lithiums    bei der Tempera  tur der Legierungsschmelze relativ hoch ist - z. B.  beträgt er bei 1650  C etwa 6     atm.    -,ist es nicht ganz       einfach,    das     Lithium    in die Schmelze einzubringen. Es  können dafür verschiedene Verfahren angewendet wer  den. So ist es z. B. möglich, dass während der Behand  lung der Druck in dem Schmelzofen derart erhöht wird,  dass er den Dampfdruck des     Lithiums    bei der Tempera  tur der Schmelze übersteigt.

   Die Zugabe des     Lithiums     und des Kalziums kann dann durch Eintauchen von me  tallisches     Lithium        undioder    Kalzium enthaltenen Kör  pern oder durch Einblasen von     Lithium-        und/oder        Kal-          ziumpulver    mit Hilfe eines Trägergases aus     inertem    Gas  vorgenommen werden.  



  Es kann jedoch auch dampfförmiges     Lithium     und/oder     Kalzium    in die Schmelze eingeblasen werden.  Zu diesem Zweck wird     Lithium    oder Kalzium oder       intermetallische    Verbindungen, die     Lithium    oder Kal  zium enthalten in einem     autoklavenartigen    Behälter,  z. B. mit Hilfe einer Induktionsspuk unter Schutzgas      erhitzt und verdampft. Der Behälter besitzt an seiner  Unterseite düsenartige Öffnungen, die zunächst ver  schlossen sind.

   Der sich mit steigender Temperatur  erhöhende Dampfdruck bewirkt nach Öffnung der Dü  sen, dass verdampftes     Lithium    und/oder Kalzium in  scharfen Strahlen aus den Düsen austritt und in die unter  dem Behälter befindliche Schmelze eindringt. Infolge der  hohen Geschwindigkeit der Dampfstrahlen kann unter  Umständen ohne     Autoklaven    in     Schutzgasatmosphäre     gearbeitet werden, d. h. es ist nicht notwendig über der  Schmelze einen Druck aufrechtzuerhalten, der höher ist  als der Dampfdruck des     Lithiums    oder Kalziums bei der  Temperatur der Schmelze.  



  Eine weitere Möglichkeit besteht darin. bei norma  lem oder, wie beim ersten Verfahren, bei erhöhtem  Druck die Schmelze mit einer Elektrode des Plasma  Lichtbogens zu verbinden und ihr ferner eine     Lithium-          verbindung,    - z. B.     Lithiumchlorid    oder, wenn ein Ein  bringen von Silizium und Aluminium in die     Schmelze     zulässig ist,     Lithium-Aluminiutnsilikat    -     und/oder    Kal  zium in fester Form zuzugeben.  



  Werden die Behandlungen unter hohem Druck  mehrfach hintereinander durchgeführt, so kann die  Reinheit der zu behandelnden Schmelze dadurch weiter  verbessert werden, dass der Gasdruck in dem     Autokla-          ven    zwischen den einzelnen Behandlungen abgesenkt  und vor der nächsten Zugabe wieder aufgebaut wird.  



  Soll auf eine starke Druckerhöhung der     Schutzgasat-          mosphäre    verzichtet werden, so kann die Zugabe des       Lithiums    oder Kalziums durch Eintauchen mindestens  eines porösen Trägerkörpers erfolgen, der zuvor mit       Lithium    und/oder Kalzium beladen worden ist. Dabei  wird     zweckmässigerweise        ein    keramischer Trägerkörper  aus     Kalziumoxydschwamm    verwendet, der durch Bren  nen von Kalk nahe seines Schmelzpunktes hergestellt  wird.  



  Es kann jedoch auch ein metallischer Trägerkörper  mit hohem spezifischen Gewicht, z. B., aus Nickel,  Kobalt,     Molybdän    oder Wolfram verwendet werden. Bei  der Verwendung metallischer Trägerkörper ist darauf zu  achten, dass seine Grundsubstanz mit der zu behandeln  den Schmelze legierungstechnisch verträglich ist, d. h.  ein     Inlösunggehen    des Trägermaterials zulässig ist. Unter  Umständen müssen daher Trägerkörper aus verschiede  nen Metallen verwendet werden, wobei man dann  mindestens einen Teil der     Trägerkörper,    wenn möglich,  aus einem in der Schmelze nicht schmelzbaren Material  wählt.

   Andererseits kann das Trägermaterial auch     be-          wusst    aus einem Stoff bestehen, der als Bestandteil der  endgültigen Legierung vorhanden sein muss. Das Ein  bringen eines solchen Trägerkörpers ist dann gleichzeitig  die Zugabe des betreffenden Bestandteils.  



  Weiterhin ist es möglich, um ein verbessertes Ein  dringen des     Lithiums        und/oder    des Kalziums und eine  gute     Durchmischung    der Schmelze zu erreichen, die  Schmelze während der Behandlung mit Hilfe eines mit  Rührspulen erzeugten, niederfrequenten, mehrphasigen  Wechselstromes zu     rühren.     



  Als Behandlungsgefäss kann z. B. ein wassergekühl  ter Kupfertiegel verwendet werden, der unter Umstän  den mit einer dünnen Schicht aus     Kristall-Kalk    oder       Thoriumoxyd    ausgekleidet sein kann. Unter     Kristall-          Kalk    versteht man bekanntlich (vgl. z.

   B.      Kristall-Kalk-          Kolloquim     vom 7.12.65 der Dynamit Nobel     A.G.,          Feldmühle-Lülsdorf/Deutschland)    aus der     Schmelze    kri  stallisiertes     Kalziumoxyd,    das eine verbesserte Hydrata-         tionsbeständigkeit    besitzt und daher zur     Tiegelausklei-          dung    verwendet werden kann.  



  Schliesslich kann die Behandlung auch so durchge  führt werden, dass die zu behandelnde Legierung selbst  verzehrende Elektroden eines     Lichtbogenofens        bildet,     und dass ein     Lithiumsalz    und oder Kalzium die Oberflä  che der behandelten Legierung bedeckt.  



  Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschrei  bung eines     Ausführungsbeispieles    näher erläutert.  



  Eine Titan-Legierung, der     ä        1,o    Aluminium und je  1 0I0     Molybdän    und     Vanadium        zulegicrt    sind, wird nach  dem      Skull-Melting -"'erfahren    in einer Argon-, He  lium- oder einer Mischatmosphäre beider bei einem  Druck von etwa     1!-,        atm.    erschmolzen. Als     Behandlungs-          gefäss    dient dabei ein doppelwandiger Kupfertiegel, der  mit Wasser gekühlt wird.  



  Um die Kapazität des Behandlungsgefässes besser  auszunutzen, kann dieses in der für das      Skull-Melting -          Verfahren    bekannten  eise mit einer dünnen, kerami  schen Schicht ausgekleidet sein. Da sehr viele kerami  sche Massen von     Lithium    angegriffen werden, wählt man  für die Auskleidung in diesem Fall Kristall-Kalk oder       Thoriumoxyd,    die auf bekannte Weise, z. B. nach dem       Plasma-Spray-Verfahren,    aufgebracht werden kön  nen.

      <I>Behandlung der</I>     Sch iclze   <I>mit</I>     Lithium        und/oder        Kal-          ziuni     Nachdem die Schmelze erschmolzen ist, wird der  Schutzgasdruck in dem Ofen auf über 6     atm.    erhöht, da  die Schmelze eine Temperatur von etwa 1650  C besitzt.  Der Schutzgasdruck ist somit höher als der Dampfdruck  des     Lithiums    und des Kalziums bei dieser Tempera  tur.  



  Die Zugabe des     Lithiums    und des Kalziums kann auf  zwei verschiedene Arten erfolgen. Z. B. wird     pulver-          oder    dampfförmiges     Lithium        und/oder    Kalzium mit  Hilfe einer     Einblasvornchtung    mit einem     Edelgasstrom     als Träger in die Schmelze eingeblasen. Die zweite  Möglichkeit für das Einbringen des     Lithiums    und, oder  Kalziums besteht -darin. dass im Handel erhältliche  Patronen, die mit     Li:hium-    und: oder     Kalziumpulver     gefüllt sind, in die Schmelze eingetaucht werden.  



  Soll gleichzeitig zum     Entsticken    der Schmelze eine       Strontium-    und "oder     Bariumbehandlung    durchgeführt  werden, so werden beim     Einblasverfahren    statt des       Lithiums    ein Gemisch     Lithium!Kalzium/Strontium    bzw.  eine Mischung von allen vier Metallen eingeblasen. Bei  der     Eintauchmcthode    ist es selbstverständlich möglich,  gleichzeitig geeignete Körper, die     Strontium    und/oder       Bariumpulver    enthalten, in die Schmelze einzutau  chen.  



  Die Menge des eingebrachten     Lithiums        und/oder     Kalziums beträgt etwa 0,1-0.2     0!o    des Legierungsge  wichtes. Die Menge des eingebrachten     Strontiums    oder  Bariums ist etwa genauso gross.  



  Wird die Behandlung der Schmelze in der geschilder  ten Weise     vorgenommen.    so     senkt    man den Gasdruck in  dem Ofen zwischen den einzelnen Behandlungen ab und  baut ihn vor der nächsten Zugabe wieder auf.  



  Diese Arbeitsweise     erLibt@ein    Kochen der Schmelze,  wobei die molekularen Gase ausgetrieben werden. Da  durch wird eine verbesserte     Durchspülung    der Schmelze  erzielt, wodurch eine intensivere Vermischung des Li-           thiums    und des Kalziums mit der Schmelze und ein  besseres Austreiben der Gase erreicht wird.  



  Die zweite Art des     Einbringens    hat gegenüber dem  Einblasen den Vorteil, dass dafür keine besonderen  Apparaturen benötigt werden.  



  Während der Behandlung wird die Schmelze durch  ein elektrisches Drehfeld gerührt, welches in bekannter  Weise mit Hilfe eines niederfrequenten,     mehrphasigen          Wechselstromes,    von z. B. 20-30 Hz, erzeugt wird.  



  Eine weitere Methode für das Einbringen des     Li-          thiums    in die Legierungsschmelze besteht darin, dass das       Behandlungsgefäss    und damit die Schmelze mit der  Elektrode eines Plasmalichtbogens verbunden wird. Zu  der Schmelze werden dann ein- oder mehrmals geringe  Mengen von festem     Lithiumchlorid    oder einer anderen       Lithium-Verbindung    bzw. Kalzium zugegeben.  



  Die in die Schmelze einwandernden     Lithium-Ionen     reagieren mit den in der Schmelze enthaltenen Verunrei  nigungen     insbesondere    wiederum mit dem Sauerstoff.  



  Auf diese Weise werden Sauerstoff und in gewissem  Umfang auch Schwefel und Stickstoff im Laufe einer  länger andauernden Behandlung aus der Schmelze in  ausreichendem Umfang     entfernt.     



  Der bei der Temperatur der Schmelze hohe Dampf  druck, besonders des     Lithiums,    bewirkt. dass ein Teil des  eingebrachten     Lithiums    und in geringerem Masse des       Kalziums    in den Dampfraum entweicht; der dadurch  entstandene Verlust an     Lithium    und Kalzium für die  Reinigungsreaktionen kann durch mehrmaliges Zufüh  ren kleiner Mengen von     Lithiumsalzen    und Kalzium zu  der Schmelze ausgeglichen werden.  



  Bei dieser Art der Zugabe ist es nicht unbedingt  erforderlich, den Druck im Ofen auf den erwähnten,  hohen Wert zu bringen, jedoch kann auch bei dieser Me  thode zusätzlich mit hohem Druck gearbeitet werden.  



  Weiterhin kann die Schmelze, wie ebenfalls bereits  beschrieben, während der Behandlung mit Hilfe von       mehrphasigem,    niederfrequenten Wechselstrom gerührt  werden.  



  Wird dem Plasmaofen zusätzlich metallisches     Stron-          tium    oder Barium zugesetzt, so wird der Stickstoffgehalt  der Schmelze unter Bildung der entsprechenden     Nitride     weiter erheblich erniedrigt. Statt des Plasmaofens kann  auch ein     Elektronenstrahlofen    verwendet werden.  



  Weiterhin kann die zu behandelnde, verunreinigte  Legierung auch als selbstverzehrende Elektroden eines  Lichtbogens vorliegen. Von diesen tropft die Legierungs  schmelze dann durch eine Schicht aus     Lithiumsalz          und/oder    Kalzium, die die Oberfläche der gereinigten  Legierung in dem     Behandlungsgefäss    bedecken. Beim       Druchtritt    durch diese Schicht werden die Verunreini  gungen von dem     Lithium    und dem Kalzium gebunden.  



  Bei dem nächsten Verfahren für die Zugabe kann die  Behandlung bei dem für das Erschmelzen der     Titanlegie-          rung    angelegten Druck durchgeführt werden. Bei diesem  Verfahren, bei dem die     Lithiumzugabe    mit Hilfe eines  keramischen oder metallischen Trägerkörpers erfolgt,  wird in dem vorliegenden Fall ein keramischer Träger  körper verwendet.  



  <I>Herstellung und Beladen des keramischen Trägerkörpers</I>  Als geeigneter Trägerkörper im vorliegenden Fall       erweist    sich ein     Kalziumoxvd-Schwammkörper.    Zu sei  ner Herstellung wird, unter Umständen aus     Kristall-Kalk     gewonnenes, körniges     Kalziumoxvd    bestimmter Kör-         nung,    z. B. mit einer Korngrösse von 0,8-1 mm, nach  bekannten Methoden, z. B. durch Sintern von     Presslin-          gen,    denen unter     Umständen    Wachs oder Kampfer als  Treibmittel zugesetzt ist, zu einem Hohlzylinder ge  formt.  



  In die innere     Öffnung    des so entstandenen Hohlzy  linders aus porösem     Kalziumoxyd    wird als Halterung ein  mit Wasser oder Luft gekühltes Kupferrohr eingeführt  und mit dem     Sinterkörper    fest verbunden.  



  Der so vorbereitete Trägerkörper wird nun im  Vakuum in eine     Lithiumschmelze    eingetaucht, die zuvor,  ebenfalls im Vakuum oder unter Schutzgas in einem  Metalltiegel erschmolzen worden ist.  



  Nach dem Eintauchen des Trägerkörpers wird der  Vakuumofen mit Hilfe von Argon oder Helium unter  einen Druck von etwa     #;        _    bis 1     atm.    gesetzt, wodurch       flüssiges        Lithium    in die Poren des Trägerkörpers ein  dringt und dort haften bleibt. Nunmehr wird der  Trägerkörper mit Hilfe seines Haltestabes aus der       Lithiumschmelze    herausgezogen, so dass überschüssiges       Lithium    abtropfen und das im Trägerkörper enthaltene       Lithium    erstarren kann.  



  Der fertig beladene Trägerkörper wird bis zu seiner  Verwendung in Gefässen aufbewahrt, in denen er vor  Luft und Feuchtigkeit geschützt ist. Durch     Wägung    des  Trägerkörpers vor und nach dem Eintauchen in die       Lithiumschmelze    wird die in ihm enthaltene     Lithium-          menge    ermittelt.  



  Als Trägerkörper kann auch ein poröser Körper aus  einem Metall mit hohem spezifischen Gewicht, z. B. aus  Nickel,     Molybdän,    Kobalt oder Wolfram verwendet  werden. Wie schon erwähnt, wird ein metallischer  Trägerkörper danach ausgewählt, ob seine Grundsub  stanz legierungstechnisch für die betreffende Schmelze  zulässig oder sogar erwünscht ist. Weiterhin soll sein  spezifisches Gewicht dasjenige der Schmelze übersteigen,  so dass der Körper ohne besondere Hilfsmittel in der  Schmelze versinkt.  



  Im vorliegenden Fall wird ein Trägerkörper aus  Wolfram benutzt. Zu seiner Herstellung wird in einer  reduzierenden Atmosphäre, z. B. aus Wasserstoff,     frisch     reduziertes     Wolframpulver    gepresst und gesintert. Der  Trägerkörper wird dann unter Schutzgas aussen mit       Lithium    bedeckt und auf eine Temperatur oberhalb des       Lithiumschmelzpunktes,    also auf etwa 200  C, erwärmt.  Das     flüssige        Lithium    diffundiert in den Körper hinein  und haftet nach dem Erkalten in verteilter Form an der       Oberfläche    des Trägerkörpers. Der fertig vorbereitete  Trägerkörper wird in der beschriebenen Weise gela  gert.  



  Eine andere Herstellungsweise für einen metallischen  Trägerkörper, z. B. aus Nickel, besteht darin, dass im  Handel erhältliche     Nickeloxyd-Sinterkörper    in indirekt  beheizten     Muffelöfen    bei etwa 1000     -C    unter Wasser  stoffatmosphäre zu Nickelschwamm reduziert und auf  die für das Beladen eines     oxydischen    Trägerkörpers  beschriebene Weise mit     Lithium    getränkt und gelagert  werden.  



  Es ist auch möglich, das Trägermetall zusammen mit       Lithium    unter einer Schutzflüssigkeit, z. B.     Tetrachlor-          kohlenstoff,    zu mahlen und anschliessend zu pressen.  



       Behandlung   <I>der Schmelze</I>  Um die gewünschte     Lithium-    und/oder     Kalziummen-          ge,    z. B. etwa 0,1 bis 0,2      %o    des Legierungsgewichtes, in      die Schmelze einzubringen, werden in diesem Fall einer  oder mehrere der auf die beschriebene Weise vorbereite  ten und beladenen Trägerkörper mit Hilfe der gekühlten  Kupferrohre oder aufgrund ihrer Schwere in die Schmel  ze eingebracht, wobei sich     Lithium    und Kalzium aus den  Poren der Trägerkörper infolge der hohen Temperatur  lösen und in die Legierungsschmelze übergehen kann.  



  Durch die Ausbildung des Trägerkörpers als poröser  Schwammkörper, an dem     Lithium    und Kalzium nicht  nur an seiner äusseren Oberfläche haften     sondern    auch  die inneren, freien Oberflächen der Poren bedecken,  wird es möglich,     Lithium    und Kalzium sicher in die  Schmelze einzubringen, obwohl der Dampfdruck des       Lithiums    und des Kalziums bei der Temperatur der  Schmelze den auf der Schmelze liegenden Druck von et  wa einer Atmosphäre weit übersteigen.  



  Diese Wirkung beruht darauf, dass die Verdampfung  aus dem Inneren des Trägerkörpers heraus infolge der  Kleinheit der Porenöffnungen stark behindert und  zeitlich verzögert ist. Um das Eindringen des     Lithiums     und Kalziums in die Schmelze zu verbessern und eine  gute     Durchmischung    der Schmelze zu erreichen, kann  diese mit einem mehrphasigen, niederfrequenten Wech  selstrom     gerührt    werden.  



  Sollen zur besseren     Entstickung    der Schmelze neben       Lithium    und Kalzium wiederum     Strontium    und/oder  Barium zugesetzt werden, so können diese Metalle  grundsätzlich ebenfalls mit Hilfe von Trägerkörpern in  die Schmelze eingeführt werden.  



  Die nach den vorstehenden Methoden behandelte  Schmelze wird nach den für Präzisionsguss üblichen  Methoden in Formschalen abgegossen.  



  Wie schon kurz erwähnt, wird die Reinheit der  Legierungsschmelze durch Behandlung verbessert.     Aus-          serdem    lässt sich dadurch weiterhin     ein    besseres Form  füllvermögen beim Giessen, besonders bei auslaufgefähr  deten     Gussstücken,    erreichen. Diese Wirkungen beruhen  darauf, dass durch das     Lithium    sehr reine Metallschmel  zen erzeugt werden können. Weiterhin ist     Lithiumoxyd     als einziges Metalloxyd bei Giesstemperatur flüssig,  wodurch ein Abscheiden aus der Legierungsschmelze  erleichtert wird. Schliesslich bildet sich bekanntlich beim  Abgiessen von Metallschmelzen in eine Form an der  Oberfläche sofort eine dünne Schicht von Metalloxyd.  Dieses ist meistens fest.

   Dadurch ist beim Einfliessen von  Metall in eine Form nicht mehr ein Gleiten flüssig auf  fest     sondern    fest auf fest vorhanden. Der Reibungskoef  fizient liegt dabei bedeutend höher als bei einem Gleiten  flüssig auf fest. Beim     Eingiessen    der Schmelze in eine  Formschale wird zuerst das vorhandene     Lithiummetall     oxydiert, wodurch ein     flüssiger        Lithiumoxyd-Film    die  Oberfläche bedeckt. Dank diesem Umstand tritt beim  Eingiessen von in     Lithium    behandelten Legierungen in  eine Form ein Gleiten von flüssig auf fest auf. Dadurch       wird    das     Formfüllvermögen    verbessert.  



  Um die Anforderungen an die Reinheit und Qualität  der Legierungen zu erfüllen, war es bisher notwendig,  sich der     Vakuum-Metallurgie    zu bedienen. Da bei der  Anwendung des Vakuums erhebliche Schwierigkeiten  bei der Abdichtung des Vakuumbehälters und bei dem  Schutz der Vakuumanlage vor festen, aus der Dampf  phase kondensierenden Verunreinigungen entstehen, ist  das Arbeiten im Vakuum jedoch umständlich und  zeitraubend und bedingt einen hohen technischen und  wirtschaftlichen Aufwand.  



  Die vorliegende Erfindung, durch die eine wirksame       Lithiumbehandlung    ermöglicht wird, zeigt eine Möglich-         keit,    die durch das Arbeiten im Vakuum bedingten  Schwierigkeiten zu vermeiden, ohne dass dafür     Quali-          tätseinbussen    hingenommen werden müssen. Daher ist  die     Lithiumbehandlung    geeignet. die     Vakuum-Metallur-          gie    zumindest weitgehend bei der Herstellung und  Verarbeitung von hochwertigen Legierungen zu erset  zen.



  Process for the cleaning treatment of metal alloys with an affinity for oxygen. The invention relates to a process for the cleaning treatment of metal alloys with an affinity for oxygen, in particular titanium alloys. Such alloys are also called reactive metals.



  It is known that these alloys are contaminated to a relatively large extent with oxygen, nitrogen and hydrogen. The invention is therefore based on the object of removing as much as possible the impurities from the alloy melt prior to casting.

   The invention is characterized in that the alloy is melted according to the arc melting process under a protective gas atmosphere, with a solid shell of the melt's own material being formed on the inner wall of the cooled melting container, and that the resulting melt solidified in the shell formed during melting Alloy then lithium and / or calcium - in the form of elemental metals, alloys or chemical compounds - is added.



  The arc melting process in a shell made from the melt's own material or the skull melting process is known to mean a melting and casting process in which the material to be melted is melted in a preferably water-cooled metal crucible. The necessary melting energy is generated with the help of a self-consuming electrode, an arc with permanent electrodes or a plasma arc.



  A solid layer of the alloy to be melted, called the skull, is initially deposited on the cooled crucible. The liquid melt is then located in the crucible lined with the material of the melt. In this process, which is used in particular for the extraction of titanium, the alloy is generally melted under a protective gas atmosphere at a pressure of 1/2 to 1 atm. Argon, helium or a mixture of both are used as protective gas.



  The use of a protective gas atmosphere requires that the crucible, the electrodes and the molds for the subsequent casting are housed in a closed furnace that is sealed against the environment. For the further details of the skull-melting process, reference is made to the literature, e.g. B. on the book Vacuum Metallurgy by R.F. Bunshah, Reinhold Publishing Corporation, New York, 1958.



  The effect of the lithium and / or calcium treatment can advantageously be supplemented by adding strontium and / or barium in addition to the lithium and 'or calcium.



  Since the vapor pressure of lithium at the tempera ture of the alloy melt is relatively high - z. B. at 1650 C it is about 6 atm. -, it is not very easy to bring the lithium into the melt. Various methods can be used for this. So it is e.g. B. possible that during the treatment, the pressure in the melting furnace is increased such that it exceeds the vapor pressure of the lithium at the tempera ture of the melt.

   The addition of lithium and calcium can then be carried out by immersing metallic lithium and / or calcium-containing bodies or by blowing in lithium and / or calcium powder with the aid of a carrier gas made of inert gas.



  However, lithium and / or calcium vapor can also be blown into the melt. For this purpose, lithium or calcium or intermetallic compounds containing lithium or calcium is contained in an autoclave-like container, e.g. B. heated with the help of an induction spuk under protective gas and evaporated. The container has nozzle-like openings on its underside, which are initially closed ver.

   The vapor pressure, which increases with increasing temperature, causes evaporated lithium and / or calcium to emerge from the nozzles in sharp jets and penetrate into the melt located under the container after the nozzle has opened. As a result of the high speed of the steam jets, it may be possible to work in a protective gas atmosphere without an autoclave. H. it is not necessary to maintain a pressure above the melt which is higher than the vapor pressure of the lithium or calcium at the temperature of the melt.



  Another possibility is that. with normal or, as in the first method, with increased pressure to connect the melt with an electrode of the plasma arc and you also have a lithium connection, - z. B. lithium chloride or, if a bringing in of silicon and aluminum into the melt is permitted, add lithium aluminosilicate and / or calcium in solid form.



  If the treatments are carried out several times in succession under high pressure, the purity of the melt to be treated can be further improved by lowering the gas pressure in the autoclave between the individual treatments and building it up again before the next addition.



  If a strong pressure increase in the protective gas atmosphere is to be dispensed with, the addition of the lithium or calcium can take place by immersing at least one porous carrier body which has previously been loaded with lithium and / or calcium. A ceramic support body made of calcium oxide sponge is expediently used, which is produced by burning lime close to its melting point.



  However, a metallic support body with a high specific weight, e.g. B., made of nickel, cobalt, molybdenum or tungsten can be used. When using metallic carrier bodies, care must be taken that its basic substance is alloy-technically compatible with the melt to be treated, i.e. H. dissolution of the carrier material is permitted. Under certain circumstances, it is therefore necessary to use carrier bodies made of different metals, in which case at least some of the carrier bodies, if possible, are made from a material that cannot be melted.

   On the other hand, the carrier material can also deliberately consist of a substance that must be present as a component of the final alloy. Bringing such a carrier body is then at the same time adding the component in question.



  Furthermore, in order to achieve improved penetration of the lithium and / or calcium and good mixing of the melt, it is possible to stir the melt during the treatment with the aid of a low-frequency, multiphase alternating current generated by stirring coils.



  As a treatment vessel, for. B. a water-cooled ter copper crucible can be used, which can be lined with a thin layer of crystal lime or thorium oxide under circumstances. As is well known, crystal lime is understood (cf.

   B. Kristall-Kalk-Kolloquim of December 7th, 1955 of Dynamit Nobel A.G., Feldmühle-Lülsdorf / Germany) calcium oxide crystallized from the melt, which has improved resistance to hydration and can therefore be used for lining crucibles.



  Finally, the treatment can also be carried out in such a way that the alloy to be treated forms consumable electrodes of an electric arc furnace, and that a lithium salt and / or calcium covers the surface of the treated alloy.



  The invention is explained in more detail in the following description of an exemplary embodiment.



  A titanium alloy to which 1, 0 aluminum and 1010 molybdenum and vanadium each are added is, after skull melting - "'experienced in an argon, helium or a mixed atmosphere of both at a pressure of about 1! A double-walled copper crucible which is cooled with water serves as the treatment vessel.



  In order to better utilize the capacity of the treatment vessel, it can be lined with a thin ceramic layer in the method known for the skull melting process. Since a lot of ceramic cal masses are attacked by lithium, one chooses for the lining in this case crystal lime or thorium oxide, which in a known manner, for. B. by the plasma spray process, can be applied NEN.

      <I> Treatment of the </I> melts <I> with </I> lithium and / or calcium. After the melt has melted, the protective gas pressure in the furnace is increased to over 6 atm. increased, since the melt has a temperature of about 1650 C. The protective gas pressure is thus higher than the vapor pressure of the lithium and calcium at this tempera ture.



  The addition of lithium and calcium can be done in two different ways. For example, lithium and / or calcium in powder or vapor form is blown into the melt with the aid of an injection device with a stream of noble gas as a carrier. The second possibility for the introduction of lithium and / or calcium consists in this. that commercially available cartridges, which are filled with lithium and: or calcium powder, are immersed in the melt.



  If strontium and / or barium treatment is to be carried out at the same time as denitrifying the melt, a mixture of lithium, calcium and strontium or a mixture of all four metals is blown in instead of lithium during the blow-in process Bodies containing strontium and / or barium powder are to be immersed in the melt.



  The amount of lithium and / or calcium introduced is about 0.1-0.2 0! O of the alloy weight. The amount of strontium or barium introduced is about the same.



  The treatment of the melt is carried out in the manner described. in this way the gas pressure in the furnace is lowered between the individual treatments and built up again before the next addition.



  This mode of operation results in a boiling of the melt, whereby the molecular gases are expelled. This results in improved purging of the melt, which results in more intensive mixing of the lithium and calcium with the melt and better expulsion of the gases.



  The second type of introduction has the advantage over blowing in that no special equipment is required.



  During the treatment, the melt is stirred by an electric rotating field, which is generated in a known manner with the help of a low-frequency, multiphase alternating current, from z. B. 20-30 Hz is generated.



  Another method for introducing the lithium into the alloy melt is that the treatment vessel and thus the melt are connected to the electrode of a plasma arc. Small amounts of solid lithium chloride or another lithium compound or calcium are then added to the melt once or several times.



  The lithium ions migrating into the melt react with the impurities contained in the melt, in particular with the oxygen.



  In this way, oxygen and, to a certain extent, sulfur and nitrogen are sufficiently removed from the melt in the course of a prolonged treatment.



  The high vapor pressure at the temperature of the melt, especially the lithium, causes. that part of the lithium introduced and, to a lesser extent, the calcium escapes into the vapor space; the resulting loss of lithium and calcium for the cleaning reactions can be compensated for by repeatedly adding small amounts of lithium salts and calcium to the melt.



  With this type of addition, it is not absolutely necessary to bring the pressure in the oven to the high value mentioned, but this method can also be used with high pressure.



  Furthermore, as already described, the melt can be stirred during the treatment with the aid of multiphase, low-frequency alternating current.



  If metallic strontium or barium is additionally added to the plasma furnace, the nitrogen content of the melt is further reduced considerably with the formation of the corresponding nitrides. Instead of the plasma furnace, an electron beam furnace can also be used.



  Furthermore, the contaminated alloy to be treated can also be present as self-consuming electrodes of an arc. From these, the alloy melt then drips through a layer of lithium salt and / or calcium, which cover the surface of the cleaned alloy in the treatment vessel. When passing through this layer, the impurities are bound by the lithium and the calcium.



  In the next method of addition, the treatment can be carried out at the pressure applied to melt the titanium alloy. In this method, in which the lithium is added with the aid of a ceramic or metallic carrier body, a ceramic carrier body is used in the present case.



  <I> Production and loading of the ceramic carrier body </I> A calcium oxide sponge body has proven to be a suitable carrier body in the present case. For its production, granular calcium oxide of a certain grain size, possibly obtained from crystal lime, e.g. B. with a grain size of 0.8-1 mm, according to known methods, e.g. B. formed into a hollow cylinder by sintering pressed pieces to which wax or camphor is added as a propellant.



  In the inner opening of the resulting Hohlzy cylinder made of porous calcium oxide, a copper tube cooled with water or air is inserted as a holder and firmly connected to the sintered body.



  The carrier body prepared in this way is then immersed in a vacuum in a lithium melt that has previously been melted in a metal crucible, likewise in a vacuum or under protective gas.



  After immersing the carrier body, the vacuum furnace is heated with the aid of argon or helium under a pressure of about #; _ to 1 atm. set, whereby liquid lithium penetrates into the pores of the carrier body and remains there. The carrier body is now pulled out of the lithium melt with the aid of its holding rod, so that excess lithium can drip off and the lithium contained in the carrier body can solidify.



  The fully loaded carrier body is stored in containers in which it is protected from air and moisture until it is used. The amount of lithium it contains is determined by weighing the carrier body before and after immersion in the lithium melt.



  As a support body, a porous body made of a metal with a high specific weight, e.g. B. of nickel, molybdenum, cobalt or tungsten can be used. As already mentioned, a metallic carrier body is selected according to whether its base substance is permissible or even desired in terms of alloy technology for the melt in question. Furthermore, its specific weight should exceed that of the melt, so that the body sinks into the melt without special aids.



  In the present case, a support body made of tungsten is used. For its production is in a reducing atmosphere, for. B. from hydrogen, freshly reduced tungsten powder pressed and sintered. The carrier body is then covered on the outside with lithium under protective gas and heated to a temperature above the lithium melting point, that is to about 200.degree. The liquid lithium diffuses into the body and, after cooling, adheres in a distributed form to the surface of the carrier body. The prepared carrier body is gela Gert in the manner described.



  Another manufacturing method for a metallic support body, e.g. B. made of nickel, consists in that commercially available nickel oxide sintered bodies in indirectly heated muffle furnaces at about 1000 -C under a hydrogen atmosphere are reduced to nickel sponge and soaked and stored in the manner described for loading an oxidic carrier body with lithium.



  It is also possible to place the carrier metal together with lithium under a protective liquid, e.g. B. carbon tetrachloride to grind and then to press.



       Treatment <I> of the melt </I> In order to obtain the desired lithium and / or calcium amount, e.g. B. about 0.1 to 0.2% o of the alloy weight to be introduced into the melt, in this case one or more of the preparatory th and loaded support bodies in the manner described with the help of the cooled copper pipes or due to their gravity in the melt ze introduced, with lithium and calcium dissolving from the pores of the carrier body as a result of the high temperature and can pass into the alloy melt.



  By designing the carrier body as a porous sponge body, to which lithium and calcium not only adhere to its outer surface but also cover the inner, free surfaces of the pores, it is possible to safely introduce lithium and calcium into the melt, despite the vapor pressure of the lithium and the calcium at the temperature of the melt far exceed the pressure on the melt of about one atmosphere.



  This effect is based on the fact that the evaporation from the interior of the carrier body is greatly impeded and delayed in time due to the small size of the pore openings. In order to improve the penetration of lithium and calcium into the melt and to achieve thorough mixing of the melt, it can be stirred with a multiphase, low-frequency alternating current.



  If, in addition to lithium and calcium, strontium and / or barium are to be added to improve denitrification of the melt, these metals can in principle also be introduced into the melt with the aid of carriers.



  The melt treated according to the above methods is poured into molds using the methods customary for precision casting.



  As mentioned briefly, the purity of the alloy melt is improved by treatment. In addition, a better mold filling capacity during casting can be achieved, especially in the case of castings that are at risk of leakage. These effects are based on the fact that very pure metal melts can be generated by the lithium. Furthermore, lithium oxide is the only metal oxide that is liquid at casting temperature, which makes it easier to separate out from the alloy melt. Finally, as is well known, when molten metal is poured into a mold, a thin layer of metal oxide immediately forms on the surface. This is mostly solid.

   As a result, when metal flows into a mold, there is no longer a sliding liquid on solid but solid on solid. The coefficient of friction is significantly higher than when sliding liquid on solid. When the melt is poured into a shell mold, the lithium metal present is first oxidized, whereby a liquid lithium oxide film covers the surface. Thanks to this fact, when alloys treated with lithium are poured into a mold, there is a sliding from liquid to solid. This improves the mold filling capacity.



  In order to meet the requirements for the purity and quality of the alloys, it was previously necessary to use vacuum metallurgy. Since the application of the vacuum creates considerable difficulties in sealing the vacuum container and in protecting the vacuum system from solid impurities condensing from the vapor phase, working in a vacuum is, however, cumbersome and time-consuming and requires a high level of technical and economic effort.



  The present invention, by means of which an effective lithium treatment is made possible, shows a possibility of avoiding the difficulties caused by working in a vacuum without having to accept any loss of quality. Therefore, lithium treatment is suitable. to replace vacuum metallurgy at least largely in the manufacture and processing of high-quality alloys.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Verfahren zur Reinigungsbehandlung von sauerstoff- affinen Metallegierungen, insbesondere Titanlegierun- gen, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach dem Lichtbogenschmelzverfahren unter Schutzgasatmo- sphäre erschmolzen wird, wobei sich eine feste Schale aus schmelzeeigenem Material an der Innenwand des gekühlten Schmelzbehälters bildet, und dass der erhalte nen Schmelze in der beim Erschmelzen gebildeten Schale aus der erstarrten Legierung anschliessend Lithium und/oder Kalzium - in Form der elementaren Metalle, A method for the cleaning treatment of metal alloys with an affinity for oxygen, in particular titanium alloys, characterized in that the alloy is melted by the arc melting process under a protective gas atmosphere, a solid shell of melt-own material forming on the inner wall of the cooled melting container, and get a melt in the shell formed during melting from the solidified alloy, then lithium and / or calcium - in the form of the elementary metals, von Legierungen oder chemischen Verbindungen zugesetzt wird. UNTERANSPRüCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass der Legierungsschmelze neben dem Li- thium und/oder Kalzium Strontium und/oder Barium zugeführt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass während der Lithium- und/oder Kalzium zugabe der Druck in dem Schmelzofen derart erhöht wird, dass er den Dampfdruck des Lithiums und/oder Kalziums bei der Temperatur der Schmelze übersteigt. 3. of alloys or chemical compounds is added. SUBClaims 1. Method according to patent claim, characterized in that the alloy melt is supplied in addition to the lithium and / or calcium, strontium and / or barium. 2. The method according to claim, characterized in that during the addition of lithium and / or calcium, the pressure in the melting furnace is increased such that it exceeds the vapor pressure of the lithium and / or calcium at the temperature of the melt. 3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch ge kennzeichnet. dass die Zugabe des Lithiums und/oder Kalziums durch mindestens einmaliges Eintauchen von metallisches Lithium und /oder Kalzium enthaltenden Körpern vorgenommen wird. 4. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass Lithiumpulver mit Hilfe eines Trä gergases aus inertem Gas in die Schmelze eingeblasen wird. 5. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass dampfförmiges Lithium und/oder Kal zium in die Schmelze eingeblasen wird. 6. Method according to dependent claim 2, characterized in that. that the addition of the lithium and / or calcium is carried out by immersing metallic lithium and / or calcium-containing bodies at least once. 4. The method according to dependent claim 2, characterized in that lithium powder is blown with the help of a carrier gas from inert gas into the melt. 5. The method according to claim, characterized in that vaporous lithium and / or calcium is blown into the melt. 6th Verfahren nach Patentanspruch oder Unteran spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit einer Elektrode eines Plasmalichtbogens verbunden ist und dass ihr ferner eine Lithiumverbindung und;'oder Kalzium in fester Form zugegeben wird. Method according to claim 2, characterized in that the melt is connected to an electrode of a plasma arc and that a lithium compound and; 'or calcium is added in solid form to it. 7. Verfahren nach Unteranspruch '_, ' dadurch ge- kennzeichnet, dass bei mehrmaliger Behandlung der Schmelze mit Lithium und/'oder Kalzium der Gasdruck in dem Autoklaven zwischen den einzelnen Behandlun gen abgesenkt und vor der nächsten Zugabe wieder auf gebaut wird. B. 7. The method according to dependent claim '_,' characterized in that when the melt is repeatedly treated with lithium and / 'or calcium, the gas pressure in the autoclave is lowered between the individual treatments and is built up again before the next addition. B. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zugabe durch Eintauchen mindestens eines lithium- und/oder kalziumhaltigen, porösen Trä gerkörpers erfolgt. 9. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass ein keramischer Trägerkörper aus Kalziumoxyd-Schwamm verwendet wird, der durch Brennen von Kalk nahe seines Schmelzpunktes herge stellt wird. 10. Verfahren nach Unteranspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass ein poröser metallischer Trägerkör per mit hohem spezifischem Gewicht verwendet wird. 11. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schmelze während der Behand lung mit Hilfe eines mit Rührspulen erzeugten, nieder frequenten, mehrphasigen Wechselstromes gerührt wird. 12. Method according to claim, characterized in that the addition takes place by immersing at least one lithium- and / or calcium-containing, porous carrier body. 9. The method according to dependent claim 8, characterized in that a ceramic carrier body made of calcium oxide sponge is used, which is Herge by burning lime near its melting point. 10. The method according to dependent claim 8, characterized in that a porous metallic support body is used by with a high specific weight. 11. The method according to claim, characterized in that the melt is stirred during the treatment with the aid of a low-frequency, multiphase alternating current generated with stirring coils. 12. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass als Behandlungsgefäss ein wasserge kühlter Kupfertiegel verwendet wird. 13. Verfahren nach Unteranspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kupfertiegel mit einer dünnen Schicht aus Kristall-Kalk oder Thoriumoxyd ausgeklei det ist. 14. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die zu behandelnde Legierung selbst verzehrende Elektroden eines Lichtbogen-Ofens bildet, und dass ein Lithiumsalz und/ oder Kalzium die Oberflä che der behandelten Legierung bedeckt. Method according to claim, characterized in that a water-cooled copper crucible is used as the treatment vessel. 13. The method according to dependent claim 12, characterized in that the copper crucible is lined with a thin layer of crystal lime or thorium oxide. 14. The method according to claim, characterized in that the alloy to be treated forms self-consuming electrodes of an arc furnace, and that a lithium salt and / or calcium covers the surface of the treated alloy. <I>Anmerkung des</I> Eidg. <I>Amtes für geistiges Eigentum:</I> Sollten Teile der Beschreibung mit der im Patentanspruch gegebenen Definition der Erfindung nicht in Einklang ste hen, so sei daran erinnert, dass gemäss Art. 51 des Patentgesetzes der Patentanspruch für den sachlichen Geltungsbe reich des Patentes massgebend ist. <I> Note from the </I> Federal <I> Office for Intellectual Property: </I> Should parts of the description not be consistent with the definition of the invention given in the claim, it should be remembered that, according to Art. 51 of the Patent Act, the patent claim is decisive for the material scope of the patent.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0249656A1 (en) * 1986-06-09 1987-12-23 Inland Steel Company Method for suppressing fuming in molten steel

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