Verfahren zur Herstellung von Titanstahl.- Ein Verfahren zur Herstellung eines koh- lenstofffreien Titanstahls, welches darin be steht, dass kohlenstoffhaltiges Eisen unter einer Schlackendecke von Kalk und Titan- eisenstein gefrischt wird und dem Bäde nach Beendigung des Frischens soviel Aluminium zugeführt wird, als zur Reduktion der im Enderzeugnis erforderlichen Menge Titan aus der Schlackendecke notwendig erscheint; ist bereits bekannt geworden.
Dieses be kannte Verfahren erfordert einen ziemlich hohen Aufwand an Aluminium, weil dessen reduzierende Wirkung sich neben der beab sichtigten Reduktion von Titansäure nicht auf die noch in der Schlacke vorhandenen Eisen- und Manganoxyde beschränkt, .son= dern auch auf die Kieselsäure erstreckt.
Es wurde nun durch Versuche gefunden, dass eine kieselsäurearme Schlacke, enthal- tend etwa 70 % Ti0-, und etwa. 30ö Ca0 bei einer Temperatur von 1450 bis<B>1500'</B> C ge nügend dünnflüssig ist, um mit- ihrer Hilfe ein Stahlschmelzverfahren im Siemens-Mar- tinofen durchzuführen,
und dass bei dieser hohen Konzentration von Titansäure auch ohne Verwendung von Aluminium die zur Bildung von Titanstahl erforderlichen Men gen von Titan in das Stahlbad eintreten.
Eine so zusammengesetzte Schlacke. er hält man, wenn man ein gewöhnliches Stahl bad im Siemens-Maxtinofen oder Elektroofen mit einer entsprechenden; am besten briket tierten Mischung- von Titaneisenstein und Kalk frischt, sobald zwischen dem Stahlbad und der Schlacke ein Gleichgewichtszustand eingetreten ist.
Es wurde ferner beobachtet; dass in einem Stahlbad die. Affinität von Titan zu Stick stoff; Schwefel, Sauerstoff und Kohlenstoff grösser ist, als diejenige der sonstigen Legie-. rungsbestandteile zu den vier genannten Me- talloiden, was zur Folge hat, dass bei Zu- legierung von Titan zu einem Stahlbade stets zuerst die entsprechenden Titanverbindungen gebildet werden,
ehe Titan als Eisentitanid oder als freier Legierungsbestandteil im Stahl äuftreten'kann.
Es folgt aber auch aus diesen Affinitäts- verhältnissen, dass nach der Absättigung von Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff durch Titan nur noch Titankarbide im Stahl vorhanden sein können, wenn das Verhältnis von Titan zu Kohlenstoff mindestens dem jenigen der Formel TiC entspricht. Bei einem geringeren Titangehalt bleiben neben Titan karbiden noch Eisenkarbide @m Stahl be stehen, durch deren gleichzeitige Anwesen heit dann die Eigenschaften des Stahls be einflusst werden.
Das Verfahren gemäss vorliegender Er findung ist dadurch gekennzeichnet, dass -las Stahlbad mit einer kieselsäurearmen, etwa <B>70A</B> Ti0= und etwa<B>30%</B> CaO enthaltenden Schlacke behandelt wird und der Titangehalt des Bades durch Reduktion von TiO2 aus dieser Schlacke so hoch gebracht wird, dass nach Absättigung von Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff des Bades durch Titan der Kohlenstoff des Stahls entsprechend der For mel TiC gebunden ist:
Die Affinität von Silizium und Phosphor zu Titan in einer Eisenschmelze ist nach den bisherigen Forschungsergebnissen so ge ring, da-ss das Bestehen von Verbindungen zwischen diesen Körpern noch nicht hat n ac U, gewiesen werden können. Dagegen hat die praktische Beobachtung gelehrt,
dass bei Anwesenheit von Silizium und noch mehr bei Anwesenheit von Aluminium in der Schmelze die Löslichkeit von Titancarbiden im Stahl stark herabgesetzt wird.
Aus diesen Forschungsergebnissen er wächst nun die Möglichkeit im praktischen Stahlwerksbetriebe eine Reihe von bisher nicht bekannten Stählen herzustellen, in denen Titankarbide an die Stelle der Eisen- karbide treten.
Die Eigenschaften der Kohlenstoffstähle und der Titanstähle werden massgebend be einflusst durch das verschiedene Verhalten der Eisenkarbide und der Titankarbide in Eisenlegierungen. Beide Karbide sind in ge- wissem Grade in Eisen löslich, wobei das Mass ihrer Löslichkeit von den sonstigen Le gierungsbestandteilen abhängt.
Der hervorstechendste Unterschied in ihrem Verhalten besteht in der bei Kohlen stoffstählen bekannten Perlitbildung, die beim Titanstahl nicht auftritt. Jeder lang sam abgekühlte Kohlenstoffstahl besteht des halb mindestens aus zwei chemisch und physikalisch erheblich voneinander verschie denen Bestandteilen, dem Ferrit und Zemen- tit, während der Titanstahl in diesem Sinne ein einheitlicher Stoff ist,
der lediglich aus Eisen besteht, welches gewisse Mengen von Titankarbiden in Lösung hält, entsprechend der Lösung des Eisenkarbides in Eisen beim gehärteten Kohlenstoffstahl.
Die physikalischen Eigenschaften des langsam erkalteten Titanstahls entsprechen deshalb weitgehend denjenigen des gehärteten Kohlenstoffstahls, zum Beispiel ist die Lage der Elastizitätsgrenze bei 80 bis 90 % der Festigkeit. Langsam erkalteter Titänstahl kann durch .eine Glühung nicht weich ge macht werden, aber er kann gehärtet wer den, wenn. sein Gehalt an Titankarbiden grösser ist als der natürlichen Löslichkeit der Titankarbide in Eisen entspricht.
Seine Härtetemperatur liegt bei zirka<B>1000'</B> C und es ist bemerkenswert, dass ein bei .dieser Tem peratur in Wasser schroff abgeschreckter Titanstahl beim Zerreissversuch - ausser einer erheblichen Erhöhung der Festigkeit noch eine Dehnung von etwa<B>10%</B> aufweist.
Als besondere Eigenschaften .der Titan stähle können noch hervorgehoben werden, hoher Widerstand gegen Verschleiss und Kor rosion, beruhend auf ihrem einheitlichen Ge füge, Unempfindlichkeit gegen Altern und hohe Kerbschlagfestigkeit bei tiefen Tem peraturen infolge Fehlens von in Eisen lös lichen Oxyden.
Aus dem gleichen Grunde besteht eine bemerkenswerte Seigerungs- freiheit, die unterstützt wird durch Bindung des ganzen Stickstoff- und Schwefelgehaltes in hoch schmelzenden Titanverbindungen und Ausscheiden der etwa überschüssigen Titan- karbide in feinster Verteilung in noch flüs sigem Metall, die als frühzeitig auftretende Impfkeime auf die Bildung eines äusserst feinkörnigen Gefüges hinwirken.
Besonders hervorzuheben ist noch .die ge- ringe Neigung zur Bildung von Lunkern bei Titanstählen aller Art.
Als Titanstähle können vorteilhaft die nachbenannten Handelsstahlsorten hergestellt werden:
EMI0003.0009
% <SEP> Gehalt <SEP> an <SEP> C <SEP> Ti <SEP> Sonderbestandteile
<tb> Härtbare <SEP> Stähle <SEP> <B>0,3</B> <SEP> und <SEP> mehr <SEP> 1,5 <SEP> und <SEP> mehr <SEP> alle <SEP> stahlveredelnden
<tb> Metalle
<tb> P-Gehalt <SEP> weniger
<tb> Baustähle <SEP> 0,1- <SEP> 0,2 <SEP> 0,5 <SEP> -1 <SEP> als <SEP> 0,05
<tb> Korrosionsfeste <SEP> -Stähle <SEP> unter <SEP> 0,1 <SEP> zirka <SEP> 0,5 <SEP> 0,5-1 <SEP> % <SEP> P
<tb> Stähle <SEP> für <SEP> Tiefziehbleche <SEP> unter <SEP> 0,1 <SEP> zirka <SEP> 0,5 <SEP> zirka <SEP> 0,3 <SEP> % <SEP> Si
<tb> zirka <SEP> 0,
1 <SEP> % <SEP> Al <SEP> '
<tb> Stähle <SEP> für <SEP> Transformatoren- <SEP> zirka <SEP> 4 <SEP> % <SEP> Si <SEP> und
<tb> bleche <SEP> unter <SEP> 0,1 <SEP> zirka <SEP> 0,5 <SEP> zirka <SEP> 0,1-0,5 <SEP> % <SEP> Al Bei allen diesen Stählen bedeutet über einstimmend die Bindung von Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff an Titan eine starke Erhöhung der Qualität.
Bei den härtbaren Stählen ist beachtens wert, die Erhöhung der Verschleissfestigkeit und eine die Kohlenstoffstähle weit über treffende Temperaturwiderstandsfähigkeit, ehe ein erhebliches Nachlassender Härteein tritt.
Durch Zusatz von' Titan kann die Festigkeit der Baustähle bis zu etwa 90 kg (bei zirka 80 kg Elastizitätsgrenze) ge steigert werden. Weitere Festigkeitsstei gerungen können durch bekannte Legierungs metalle erreicht werden, ohne dass die Bil dung von harten Sonderkarbiden eintreten kann, da der Kohlenstoff so gut wie voll ständig an Titan gebunden ist.
Den korrosionsfesten .Stählen kann ein Gehalt von 0,5 bis 1 % Phosphor gegeben werden, ohne dass Kaltbruch eintritt, weil die kornverfeinernde Wirkung der Titankarbide die entgegengesetzte Wirkung der Eisen- phosphide übertrifft.
Stähle für Tiefziehbleche können durch Zusatz von Titan besonders weich gemacht werden; wenn durch einen angemessenen Ge halt von Silizium. und Aluminium. bewirkt wird, dass die Lösungsfähigkeit des Eisens für Titankarbide entsprechend herabgesetzt wird.
In noch stärkerem Masse wird diese Wirkung nutzbar gemacht, um bei Trans- formatorenblechen die Hysteresis weitgehend herabzudrücken. Es bedarf kaum der Her vorhebung, dass sich aus allen diesen Gründen der Titanstahl vorzüglich zur Herstellung grosser Schmiedestücke und von hochwer tigem Stahlgguss eignet.
Die Einführung von Titan in Eisenlegie rungen ist schon seit vielen Jahren versucht worden. Der Erfolg ist aber stets unbefrie digend gewesen, weil sich bei Überdeckung der Eisenbäder mit ogydischen oder an Kie selsäure reichen Schlacken unvermeidlich ein ganz regelloser Abbrand an Titan ergab, der in Grenzen von 50 bis 100% auftrat und abgesehen von der Wirtschaftlichkeit, die Herstellung von Stählen mit genau bestimm- barem Gehalt an Titan unmöglich machte.
Die Begrenzung des Abbrandes auf ein geringes Mass und damit die geregelte und wirtschaftliche Herstellung von Titanstahl wird aber möglich, wenn man, wie vorste hend beschrieben, die Eisenbäder mit einer kieselsäurearmen Schlacke überdeckt, die im wesentlichen aus Titansäure und- Kalk be steht.
In praktischen Stahlwerkbetrieben gibt es_ verschiedene Wege, um- zu diesem Ziele zu gelangen- Man kann in einem Martinofen oder Elek troofen die Frischarbeit lediglich unter Ver wendung von an Kieselsäure armem Titan eisenstein und Kalk durchführen.
Dann wird, besonders wenn der Einsatz einen höheren Mangangehalt besass;-und die Erzmenge zum Bäd so abgestimmt war, dass mit der Erzie lung des gewünschten Gehaltes an Kohlen stoff auch die Eisenoxyde der Schlacke ver braucht waren; , durch die im Ofen herr schende hohe. Temperatur schon eine Reduk tion der Titansäure aus der Schlacke ein setzen.
Diese Wirkung kann durch Aufgabe von Petrolkoks oder: dergleichen auf diese Schlacke erhöht werden, oder man kann von vornherein dem schlackenbildenden Gemisch von- Titaneisenstein und Kalk Kohlenstoff zusetzen;. oder aus. diesen drei Bestandteilen Briketts bilden.
Manr kann aber auch dös Frischverfahren in einem Martinofen oder einem Konverter wie. üblich ganz oder, teilweise durchführen, ohne die Desogydation vorzunehmen, trennt dann durclh- Abstechen oder Entleeren des Konverters das Bad von der oxydischen Schlacke und unterwirft es einer, Nachbe handlung in einem Elektroofen:
in-,dem . eine Schlacke- aus Titaneisenstein und Kalk, aus der. die, Eisenoaydä durch Reduktion ent- ferut. werden, flüssig gehalten wurde.
Auch in. diesem- Falle kann- durch- Re- duktion- der- Titansäüre aus der Sclilacke Titan:
in> das Bäd übergeführt werden- Von besonderer Wichtikkeit ist die Eiä.- fülirung= von Titan nach dem vorgeschrie benen Verfähren-für die - Verarbeitung phos- phorhaltig-Ar, Röhmaterialien. In der Besse- merbirne, im sauren Siemens-Märtinofen oder mit sauren.
Steinen ausgekleideten Elek troöfen kann bekanntlich. nur= Eisen mit einem: minimalen Gehalt an- Phosphor- verarbeitet werden, weil die gleichzeitige Anwesenheit von Phosphor und: Kohlenstoff im Eisen ein g ro 'bo s- Korn hervorruft - und derartiges.-Mh;, terial die Eigenschaft der Kaltbrüchigkeit be sitzt:
Es wurde nun gefunden, dass dieser Übel stand verschwindet,- wenn man phosplkor- haltigen-Eisenbädern einen Gehalt an Titan karbiden gibt. Es wurde festgestellt, dass ein genügender Gehalt von Titan bezw. Titan karbid die ungünstige Wirkung des Phos phors aufhebt und es gestattet, Stähle her zustellen, die Kohlenstoff? Titan. und Phos phor enthalten, die trotz des Phosphorgehal tes hochwertig sind und ganz spezifische Ei genschaften haben.
Eine- wissenschaftliche Erklärung für diese Tatsache scheint in folgendem gefunden werden zu können.
Titan besitzt bekanntlich eine ,sehr hohe Verbindungsaffinität'zu Kohlenstoff.-Es ist deshalb wahrscheinlich, dass bei- ausreichen dem Gehalt an Titan gegenüber Kohlenstoff zuzüglich SehwefeLund Stickstoff-sämtlieher imf Eisen vorhandener Kohlenstoff als .Titan karbid von der Formel TiC gebunden ist.
Nun besitzen- Titankarbide nur eine mässige Löslichkeit.- in Eisen. Die über die jeweilige Löslichkeitsgrenze hinaus: vorhan denen Titankarbide- müssen deshalb infolge ihrer: hohen Schmelztemperatür relativ früh zeitig @ ausgeschieden- werden.
Es ist anzu nehmen, dass diese feinen Kristalle, die bei bestimmten- Temperaturen in Massen auf tretent,- gleichmässig- im erstarrenden Stahl verteilte Kristallisationsanfangspunkte bi1- den:
, und die Irrsache zur Entstehung eines feinen-Kornes bedingen.- Die erste in-erhebf liclx- tieferer Temperatur erstarrenden Eisen- phosphide haben gun nicht mehr die Mög lichkeit, in zusammenhängenden grösseren Kristallen zu\ erstarren und, so -,die Bildung eines. groben@Kornes zu bewirken.
Die Bindung des Kohlenstöffes an Titan erhöht- auch die Löslichkeit der Eisenphos- phide im Ferrit> in erheblichem Masse. Es kommt so eine auf anderem Wege-nicht er reichbare Einheitlichkeit der Legierung eines phosphorhaltigen. Stahls zustande..
Es ist wahrscheinlich; dass. dieses die Irr- saeher für. die Tatsache.- sind,. däss_ derartige Stähle trotz des Phosphorgehaltes ein sehr feines Gefüge haben.
Derartige Stähle mit zum Beispiel 0,5 bis 1 % Phosphor sind sehr widerstandsfähig gegen Korrosion. Ihr Widerstand gegen die Rostbildung ist wegen des hohen Phosphor gehaltes erheblich grösser als derjenige nor maler Baustähle. Ihr Titangehalt verbürgt eine hohe Verschleissfestigkeit.
Auf dieser Unterlage aufgebaute Stähle sind zum Beispiel Baustähle mit 0,1 bis 0,2% C, 0,5 bis 1 % Ti, 0;o5 bis<B>0,5%</B> P und korrosionsfeste Stähle mit 0,1 bis 0,2% C, 0,5 bis 1 % Ti, 0,5 bis 1 % P. Bei beiden Stahlsorten liegt die Elastizitäts- grenze bei etwa 75 % der Festigkeit, was ein Beweis dafür ist, dass bei ihnen der Ferrit durch in Lösung befindliche Legie rungsbestandteile in beträchtlichem Masse ge härtet worden ist unter Erhaltung einer Deh nung von 25 bis 30%.
Ein besonderer Vor teil der Erfindung liegt darin, dass das Ver fahren, wie es eingangs beschrieben ist, es ermöglicht, aus phosphorhaltigem Roh- material in Öfen mit saurer Schlackenfüh rung und saurem Steinmaterial hochwertige Stahlsorten herzustellen.
Beiden Stahlsorten können bekannte stahlveredelnde Zusätze, beispielsweise zur Erzielung einer weiteren Erhöhung der Fe stigkeit oder anderer besonderer Eigenschaf ten ,gegeben werden.