DE1291760B

DE1291760B - Verfahren und Vorrichtung zum diskontinuierlichen und kontinuierlichen Vakuum-Schmelzen und -Giessen von Staehlen und stahlaehnlichen Legierungen (Superiegierungen)

Info

Publication number: DE1291760B
Application number: DEST21298A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Helmut; Hentrich; Dipl-Phys Robert; Treppschuh
Original assignee: Stahlwerke Suedwestfalen AG
Current assignee: Krupp Stahl AG
Priority date: 1963-11-08
Filing date: 1963-11-08
Publication date: 1969-04-03
Also published as: GB1041137A; LU46919A1; BE655102A; NL6411567A; US3342250A; AT262352B; CH477555A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des • Verfahrens zur Herstellung gewisser komplex zusammengesetzter Schmelzen und zum Vergießen derselben. Bei diesen Schmelzen handelt es sich vornehmlich um Stähle und stahlähnliche Legierungen (Superlegierungen) mit bestimmte Mindestgehalte überschreitenden Gehalten an leichtflüchtigen Legierungsstoffen, wie Mangan, Aluminium, Kupfer, Blei und Stickstoff. Dabei sollen die aus diesen Schmelzen hergestellten Blöcke sehr guten makroskopischen und mikroskopischen Reinheitsgrad besitzen, möglichst geringe durch Entmischungsvorgänge während des Erstarrens hervorgerufene Seigerungen aufweisen und eine weitgehende Isotropie der mechanischen Eigenschäften besitzen. ·

Die Herstellung solcher Schmelzen geschieht in an sich bekannter Weise innerhalb eines Behandlungsgefäßes oder Ofens mit vorzugsweise wassergekühltem Kupfertiegel oder Keramiktiegel, wobei erfindungsgemäß eine Kombination der an sich bekannten Elektronenstrahlbeheizung im Vakuum und der an sich bekannten Plasmastrahlbeheizung bei beliebigem • Druck zum Einsatz gelangt, und zwar derart, daß die Grundcharge mittels Elektronenstrahlbeheizung in einem Vakuum von kleiner als 0,1 Torr eingeschmolzen und gefeint wird, daran anschließend die leicht flüchtigen Legierungsstoffe, wie Mangan, Aluminium, Kupfer, Blei und Stickstoff unter Plasmastrahlbeheizung der Schmelze zugesetzt werden und die Schmelze nach dem Legieren unter Aufrechterhaltung der Plasmastrahlbeheizung mit einer der Erstarrungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 10 cm/min angepaßten Gießgeschwindigkeit in eine Kokillenanordnung vergossen wird.

Dabei kann erfindungsgemäß, falls es sich bei dem leichtflüchtigen Element um Stickstoff handelt, die Schmelze während der Plasmastrahlbeheizung in an sich bekannter Weise unter überdruck mit Stickstoff legiert werden.

Erfindungsgemäß kann die Plasmastrahlbeheizung auch ganz oder teilweise durch eine Beheizung mittels Ionenstrahlen ersetzt werden oder auch durch eine an sich bekannte Plasma-Elektronenstrahlbeheizung in einem Vakuumbereich von größer als 0,1 Torr.

Ferner kann erfindungsgemäß auch der Badspiegel in der Kokillenanordnung während des Vergießens ebenfalls mit einer Plasmastrahlbeheizung bzw. einer Ionenstrahlbeheizung bzw. einer Plasma-Elektronenstrahlbeheizung geheizt werden, wobei die Heizleistung so geregelt wird, daß der Badspiegel praktisch bis zum Rand flüssig bleibt.

Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren während des Einschmelzens und Feinens aufrechterhaltenen hohen Vakua bei gleichzeitiger Elektronen-Strahlbeheizung erfolgt eine ausgezeichnete Reinigung der Schmelze von nicht metallischen Verunreinigungen, wie Oxiden und Nitriden, sowie eine sehr wirkungsvolle Abscheidung von eingeschlossenen Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Weitere unerwünschte Bestandteile der Schmelze, wie z. B. Kupfer, Schwefel, Blei, treten infolge Verdampfung bzw. Verdampfung ihrer Verbindungen aus der Schmelze in den Vakuumkessel über.

Zu den bevorzugt verdampfenden Schmelzbestand- teilen gehören auch Mangan und Mangansulfid. Nach Beendigung der Feinungsperiode im Hochvakuum liegt eine von den meisten unerwünschten Bestandteilen hervorragend gereinigte Schmelze vor. Durch Zusatz sauberer Legierungsbestandteile wird diese Schmelze in ihrer Zusammensetzung so korrigiert, daß sie der gewünschten Schmelzanalyse entspricht. Kennzeichnend für das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun, daß während dieser Legierungszugabe sowie während des anschließenden Vergießens der Schmelze die Elektronenstrahlbeheizung abgeschaltet, der Druck im Behandlungsgefäß erhöht und eine Plasmastrahlbeheizung eingeschaltet wird. 'Unter den so hergestellten Bedingungen im Behandlungsgefäß erfolgt keine weitere, bezüglich der gewünschten Schmelzenzusammensetzung ins Gewicht fallende Verdampfung von Bestandteilen der Schmelzen mehr, d. h., die Schmelze verändert ihre chemische Zusammensetzung praktisch nicht mehr. Durch die über Plasmastrahlbeheizung zugeführte Energie wird sie jedoch auf konstanter Temperatur gehalten. Mit dieser Temperatur wird sie sodann in eine Kokillenanordnung vergossen, wobei die Gießgeschwindigkeit so reguliert wird, daß sie zu einer Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze in der Kokille von 0,1 bis 10 cm/min führt. Die so hergestellten Gußblöcke erfüllen alle eingangs gestellten Forderungen, d.h., sie haben infolge der Raffination im Hochvakuum äußerst niedrige Gehalte an nicht metallischen Verunreinigungen, sie besitzen infolge der langsamen Erstarrungsgeschwindigkeit eine weitgehende Isotropie der mechanischen Eigenschaften und sind im wesentlichen frei von Seigerungserscheinungen, und sie können hinsichtlich von leichtflüchtigen Legierungsbestandteilen, wie Mangan usw. jeden beliebigen, von der Analysenvorschrift geforderten Gehalt besitzen.

Die dem Fachmann bisher zur Verfugung stehenden Verfahren erlauben es demgegenüber nicht, alle eingangs gestellten Forderungen gleichzeitig zu verwirklichen. Dies soll im folgenden kurz erläutert werden.

Man könnte z. B. mit Vakuuminduktionsöfen arbeiten. Hierbei würde die Charge im Vakuum in keramisch ausgemauerten Tiegeln eingeschmolzen und gefeint; anschließend würde sie unter erhöhtem Druck mit leichtflüchtigen Legierungsbestandteilen versetzt und in Kokillen vergossen. Wegen der ausgeprägten Reaktion der Schmelze mit dem Tiegelmaterial erhält man hierbei nicht denselben guten Reinheitsgrad wie bei Erschmelzung in Metalltiegeln mit Elektronenstrahlbeheizung. Außerdem kann man bei Verwendung der induktiven Beheizung nicht langsam mit einer solchen Gießgeschwindigkeit vergießen, die zu einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 10 cm/ min führt, d. h., die im Vakuum-Induktionsofen vergossenen Blöcke sind nicht im gleichen Maße isotrop und seigerungsfrei wie die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Blöcke. In den mit Lichtbogenheizung arbeitenden sogenannten »skullmelting«-öfen wird zwar mit wassergekühlten Kupfertiegeln gearbeitet, wodurch die oxydkeramischen Einschlüsse zu vermeiden sind. Man muß aber entweder mit selbstverzehrenden Elektroden aus dem Material der Schmelze arbeiten, welche nur mit erheblichem Aufwand herzustellen sind, oder mit nicht selbstverzehrenden Elektroden, z. B. aus Wolfram oder Graphit, welche zu Verunreinigungen der Schmelze führen. Auch hierbei muß im allgemeinen schnell vergossen werden, d. h. mit Gießgeschwindigkeiten, die zu größeren Erstarrungsgeschwindigkeiten als 0,1 bis cm/min führen. Verwendet man Vakuum-Licht-

bogenöfen mit selbstverzehrender Elektrode, so kann man zwar die gewünschten langsamen Erstarrungsgeschwindigkeiten erzielen, muß jedoch die selbstverzehrenden Elektroden in einem separaten Schmelz- und Gießverfahren herstellen, z. B. in einem Vakuum-Induktionsofen. Das heißt,· man muß hierbei denselben Stahl zweimal einschmelzen und zweimal vergießen, um zu dem gewünschten Endprodukt zu kommen. Um dabei den gleichen Reinheitsgrad zu erzielen, wie er bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nötig ist, muß man sogar das erste Einschmelzen und Feinen ebenfalls in einer Vakuumanlage vornehmen. Bei der Verwendung eines Plasmastrahlofens, wie z. B. dem »Piasmarc«-Ofen der Linde Corp. (siehe z. B. Journal of Metals, Dezember 1962, S. 907) gibt es wiederum keine Möglichkeit, im Vakuum zu schmelzen und zu feinen, d. h., hier kann man nicht den gewünschten Reinheitsgrad erzielen. Lediglich ein Schmelzen mit Elektronenstrahlen (siehe z. B. H. G r u b e r, Zeitschrift für Metallkunde, 52, 1961, S. 291 bis 309) läßt sich sowohl im Hochvakuum einschmelzen und feinen (wobei wahlweise Keramiktiegel oder wassergekühlte Kupfertiegel verwendet werden können) als auch unter Beheizung des Badspiegels in der Kokille mit der gewünschten langsamen Gießgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 10 cm/min vergießen. Es lassen sich jedoch in einem solchen Ofen nicht die erwähnten komplexen Legierungen mit beliebigen Gehalten an leichtflüchtigen Legierungselementen, wie z. B. Mangan, Blei und Aluminium, herstellen, da diese Legierungselemente einer erheblichen Verdampfung unterliegen. Das hat zur Folge, daß auch das Elektronenstrahlschmelzen für die Herstellung einer großen Gruppe von komplex zusammengesetzten Schmelzen ausscheidet. Zu dieser Gruppe gehören insbesondere eine Vielzahl von Stählen, die zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften auf gewisse Mindestgehalte an Mangen angewiesen sind. Auch bei Verwendung von Elektronenkanonen mit Druckstufen (siehe z. B. M. v. A r d e η η e, Tabellen z. angew. Physik, Berlin, 1962, Abschnitt 1, 8, 16, 2) reicht die Erhöhung des Arbeitsraumdrucks auf maximal 0,03 Torr nicht aus, um die Herstellung all dieser Stähle zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Verwendung einer Schmelz- und Gießanlage, in welcher Elektronenkanonen und Plasmastrahler nebeneinander eingebaut sind und nacheinander benutzt werden können, ermöglicht ein Verfahren, welches im Gegensatz zu allen anderen erläuterten Verfahren erstmalig die wirtschaftliche Herstellung von Gußblöcken in einem Arbeitsgang erlaubt, welche alle eingangs geforderten Bedingungen erfüllen. Zwar wird in der zitierten Zeitschrift für Metallkunde auf Seite 295, Abschnitt 2, 1. Absatz, gesagt, daß auch Kombinationen mit anderen Beheizungsarten — induktiv und durch den elektrischen Lichtbogen — denkbar sind. Es werden jedoch keine Angaben darüber gemacht, wie solche Kombinationen aussehen sollen und welche Vorteile sich aus ihnen ergeben. Bei einer Kombination mit induktiver Beheizung kann man zwar unter Vakuum einschmelzen und feinen und unter erhöhtem Druck legieren, das langsame Vergießen ist jedoch nur unter Verwendung der Elektronenstrahlbeheizung möglich. Eine Konstanthaltung der Gehalte an leichtflüchtigen Legierungsbestandteilen während des Vergießens ist bei dieser Kombinationsweise nicht möglich. Bei Verwendung einer Beheizung mittels elektrischem Lichtbogen in der Kokillenanordnung kommt es zu Störu'ngen im Gießverlauf, zu einer nicht gleichmäßigen Energieverteilung über den Badspiegel in der Kokillenanordnung und eventuell zu Verunreinigungen der Schmelze durch das Elektrodenmaterial. Demgegenüber gelingt es durch die Verwendung der Plasmastrahlbeheizung während des Vergießens erst-. malig in einwandfreier Weise, die unter Elektronenstrahlbeschuß eingeschmolzene und gefeinte Schmelze mit beliebigen Gehalten an leichtflüchtigen Legierungselementen zu versehen und unter Konstanthaltung der Gehalte an diesen Elementen über den gesamten Gießverlauf hinweg langsam mit einer solchen Gießgeschwindigkeit zu vergießen, die zu einer Erstarrungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 10 cm/min führt.

Bei Vorversuchen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelang es den Erfindern einwandfrei, unter Elektronenstrahlbeheizung eingeschmolzene und gefeinte Stähle bei Normaldruck unter Plasmastrahlbeheizung mit Mangan zu legieren und langsam zu vergießen. Es handelte sich dabei um die Stahlmarken mit den folgenden deutschen Normbezeichnungen:

100 Cr 6 (0,25 bis 0,40% Mn),

100 CrMn 6 (1,00 bis 1,20% Mn),

38 NiCrMoV 7 3 (0,50 bis 0,80% Mn),

X 5 NiCrTi 26 15 (1,0 bis 2,0% Mn),

X 50 CrMnNi 22 9 (7,5 bis 9,0% Mn) u. a.

Die in Klammern angegebenen Mangangehalte, wie sie der jeweiligen Werkstoffvorschrift entsprechen, konnten in allen Fällen eingehalten werden.

Demgegenüber hatten die gleichen Stähle nach dem Umschmelzen im Elektronenstrahlofen folgende maximalen Mangangehalte, die durchwegs unterhalb der unteren Grenze der jeweiligen Vorschrift liegen: 100 Cr 6 nach einmaligem Umschmelzen 0,07 bis 0,017%; 100 CrMn 6 nach einmaligem Umschmelzen 0,16 bis 0,21%; 38 NiCrMoV 7 3 nach einmaligem Umschmelzen 0,08 bis 0,20%; X 5 NiCrTi 26 15 nach einmaligem Umschmelzen 0,60 bis 0,80%. ^nacn zweimaligem Umschmelzen 0,30 bis 0,40%; X 50 CrMnNi 22 9 nach schnellem einmaligem Umschmelzen 4%, nach langsamem einmaligem Umschmelzen 1 %. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt also einen eindeutigen technischen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, wie er sich auch in verschiedenen Veröffentlichungen über elektronenstrahlgeschmolzene Stahllegierungen niederschlägt. Zum Beispiel werden in »Die Technik«, 18, 1963, S. 100 bis 107, folgende im Elektronenstrahl - Mehrkammerofen erhaltene Mangangehalte angegeben: 0,09 bis 0,17% bei 100 Cr 6, 0,25 bis 0,34% bei 100 CrMn 6. In der Veröffentlichung BISRA-MG/A/51/63 (Mai/Juni 1963) berichten W. M. W h i t a k e r und G. H ο y 1 e über das Umschmelzen komplexer Stahllegierungen mit einem Ausgangsgehalt von etwa 1% Mn im Elektronenstrahlofen. Nach einmaligem Umschmelzen in einem mit Rohrstrahlkanonen ausgerüsteten Elektronenstrahlofen erhielten sie 0,04% Mn, nach zweimaligem Umschmelzen in diesem Ofen als 0,01% Mn; nach einmaligem Umschmelzen in einem mit Ringstrahlkanone ausgerüsteten Elektronenstrahlofen erhielten sie 0,54% Mn, nach zweimaligem Umschmelzen in diesem Ofen 0,27% Mn.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes veranschaulicht.

F i g. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Ofen;

F i g. 2 veranschaulicht eine Zwillingsanlage nach der vorliegenden Erfindung;

F i g, 3 veranschaulicht eine kontinuierliche Anlage nach der vorliegenden Erfindung.

Eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ofens ist in F i g. 1 dargestellt. In einem evakuierbaren und mit Schutzgas füllbaren Kessel 1 ist ein wassergekühlter Kupfertiegel 2 angebracht, eine Materialzugabevorrichtung 3 und eine Kokilleneinrichtung 4. Die Beheizung des Schmelzgutes kann wahlweise mit einer Elektronenstrahleranordhung 5 oder mit einer Plasmabrenneranordnung 6 erfolgen. Der die Kokilleneinrichtung 4 enthaltende Kesselteil ist mit V, der den Tiegel 2 enthaltende Kessel teil mit 1" bezeichnet.

Der Ofen arbeitet wie folgt: Der Kessel 1 wird auf hohes Vakuum (von z. B. 10~³ Torr) evakuiert und die Elektronenstrahleranordnung 5 (mit z. B. 2-MW-Leistung) eingeschaltet. Hierbei wird aus der Materialzugabevorrichtung 3 das Abschmelzgut 13 so schnell in den Elektronenstrahl geschoben, daß die frei werdenden Gase gerade noch von den Pumpen beim Arbeitsdruck der Elektronenstrahleranordnung 5 (von z. B. ICT³ Torr) angesaugt werden können. Nach Füllung des Tiegels 2 mit (z. B. 500 kp) Schmelze 12 wird die Leistung der Elektronenstrahleranordnung 5 so weit verringert (etwa auf 500 kW), daß die Schmelze 12 gerade auf einer gewünschten Temperatur (von z. B. 1600³C) bleibt. Es wird kein weiteres Material mehr abgeschmolzen. Statt dessen wird der Druck im Behandlungsraum weiter erniedrigt (z. B. bis zum höchsten mit den Pumpen erreichbaren Vakuum von z.B. 10~⁵Torr). Dabei wird die Schmelze 12 vorzüglich entgast. Sodann wir die Elektronenstrahleranordnung 5 abgeschaltet, das Vakuumventil 21 in der Leitung 22 zu den Pumpen geschlossen, der Kessel 1 über das Ventil 23 mit Schutzgas (z. B. Argon) gefüllt und die Plasmabrenneranordnung 6 mit einer Leistung (von z. B. 500 kW) eingeschaltet, die ausreicht, um die Schmelze 12 weiterhin auf der gewünschten Temperatur (von z. B. 1600⁰C) zu halten. Jetzt werden die noch fehlenden, leichtflüchtigen Legierungsstoffe 43, insbesondere Mangan, aber auch Aluminium, Kupfer, Blei u. ä., über eine weitere Materialzugabevorrichtung 33 zugesetzt. Diese Bestandteile können nun nicht mehr verdampfen. Nachdem sie sich aufgelöst und mit der Schmelze 12 genügend gut vermischt haben, wird der Tiegel 2 unter Aufrechterhaltung der Plasmastrahlheizung langsam in die Kokilleneinrichtung 4 vergossen. Diese Kokilleneinrichtung ist vorzugsweise eine Stranggußkokilleneinrichtung, so daß der Badspiegel 14 immer in der Nähe des Kokillenrandes 15 gehalten werden kann. Das Vergießen kann nun mit beliebig langsamer Geschwindigkeit ähnlich wie bei Vakuumlichtbogenofen mit selbstverzehrender Elektrode oder ebensolchen Elektronenstrahlofen erfolgen. Der Badspiegel 14 kann dabei zusätzlich mit einer Plasmabrenneranordnung 16 beheizt werden. (Mittels dieser weiteren Plasmabrenneranordnung kann man der Oberfläche der in der Kokilleneinrichtung befindlichen Schmelze Energie zuführen, wodurch man die Temperatur der Schmelze im jeweils gerade abgießenden Tiegel auf der gewünschten Höhe halten und auch Strahlungs- und Temperaturverluste im Gesamtsystem herabsetzen kann.)

Eine Schmelze von 500 kp Gewicht kann man ζ. Β langsam innerhalb von 50 Minuten vergießen, entsprechend einer Gießgeschwindigkeit von lOkp/min Bei Stahlschmelzen mit einer angenommenen Wichte von 7,15 kp/dm³ und einem Kokillenquerschnitt von 14 dm² ergibt das eine Erstarrungsgeschwindigkeil von

10

min

7,15

dm³

14 dm²

= 0,1

dm
min

= 1

cm
min

Solche Erstarrungsgeschwindigkeiten führen zu hervorragender Blockstruktur, wie aus der zahlreichen Literatur über Vakuumlichtbogenschmelzen und eigenen Versuchen zur Genüge bekannt ist.

Der große Vorteil der Plasmaheizung während (dei z. B. 50 Minuten) des Vergießens liegt nun darin, daß unter Normaldruck oder leichtem Über- oder Unterdruck, wie er während der Plasmaheizung vorherrscht, keine Veränderung der Schmelzenzusammensetzung infolge Verdampfung einzelner Komponenten mehr erfolgt," wie es z. B. bei Elektronenstrahlbeheizung während des Vergießens· wegen des dabei notwendigen hohen Vakuums unvermeidlich wäre.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 2 dargestellt. Hierbei ist der Kessel in mindestens drei Kesselteile Γ, 1", V" unterteilt, die pneumatisch voneinander zu trennen sind mittels der pneumatischen Absperrorgane 10 und 10 a (welche die Form von Schiebern oder Ventilen haben können). Im Kesselteil Γ ist eine Kokilleneinrichtung 4 untergebracht, die der Einrichtung4 in Fig. 1 entspricht. In bzw. an den Kesselteilen 1" bzw V" sind Tiegel 2 bzw. la, Materialzugabevorrichtungen3 bzw. 3a für Abschmelzgut 13 bzw. 13 a, Materialzugabevorrichtungen 33 bzw. 33 α für leichtflüchtige Legierungsstoffe 43 bzw. 43 a, Elektronenstrahleranordnungen 5 bzw. 5 a, Plasmabrenneranordnungen 6 bzw. 6 a, Vakuumventile 21 bzw. 21a, Leitungen 22 bzw. 22 a zu den Pumpen und Ventile 23 bzw. 23 α für den Gaseinlaß angeordnet, die in ihrem Aufbau den entsprechenden Elementen 2, 3,13, 33, 43, 5, 6, 21, 22, 23 im Kessel 1 der F i g. 1 entsprechen. Die Tiegel 2 und 2a arbeiten nun im Gegentakt. Während z. B. das pneumatische Absperrorgan 10 geschlossen ist, befindet sich der Kesselteil 1" unter Hochvakuum, und es wird mittels Elektronenstrahlen eingeschmolzen und entgast, anschließend der Druck erhöht, auf Plasmaheizung übergegangen und mit den notwendigen leichtflüchtigen Legierungsstoffen 43 legiert. Gleichzeitig wird bei offenem pneumatischem Absperrorgan 10a die fertige Schmelze 12a in Tiegel 2a, warmgehalten durch Plasmaheizung mittels der Plasmabrenneranordnung 6 a, langsam in die Kokilleneinrichtung 4 zu einem Gußblock 14 vergossen. Der Badspiegel in der Kokilleneinrichtung 4 kann dabei mittels einer weiteren Plasmabrenneranordnung 16 zusätzlich beheizt weden. Mittels Druckmeßdosen 11a wird die Gießgeschwindigkeit dabei so überwacht, daß die Schmelze 12a gerade dann völlig ausgeleert ist, wenn die Schmelze 12 in Tiegel 2 fertig legiert und gießbereit ist. In diesem Augenblick wird das pneumatische Absperrorgan 10 geöffnet, und der Gußblock 14 wird aus dem Tiegel 2 mit gleich großer Gießgeschwindigkeit weitergegossen. Man kippt dann den Tiegel 2a zurück, schließt das pneumatische Ab-

sperrorgan 10 α und evakuiert den Kesselteil V" auf Stählen zu verbesserten Eigenschaften führt. Es ist Hochvakuum. Sodann beginnt man mit der Herstel- nämlich bekannt, daß die Löslichkeit für Stickstoff! lung einer neuen Schmelze in Tiegel 2 a, zuerst wieder einerseits mit der Quadratwurzel aus dem Druck durch Einschmelzen und Entgasen mittels Elektronen- zunimmt, zum anderen durch vorherigen sorgfältigen^: Strahlheizung, sodann mittels Legierens leichtflüch- 5 Abbau der Sauerstoffgehalte ebenfalls begünstigt wird, tiger Legierungsstoffe unter Plasmaheizung. Druck- Da man in der Plasmaflamme den Stickstoff außerdem meßdosen 11 unter dem Tiegel 2 dienen in der Zwi- noch atomar bzw. ionisiert anbieten kann, ergeben schenzeit dazu, auch die Gießgeschwindigkeit des sich geradezu ideale Möglichkeiten zur Erhöhung Tiegels 2 der Herstellungszeit der Schmelze 12 a im der Stickstoffgehalte. Diese Möglichkeit, den Stick-Tiegel 2a anzupassen, so daß diese Schmelze 12a i₀ stoffgehalt zu erhöhen, ist auch schon bei einem gerade dann gießbereit ist, wenn der Abguß des Betrieb mit Stickstoffplasma unter annäherndem Tiegels 2 beendet ist. Auf diese Weise kann man durch Atmosphärendruck möglich. Die dabei zu erreichen-Gegentaktbetrieb von mindestens zwei relativ kleinen den Stickstoffgehalte in der Schmelze liegen höher als Schmelztiegeln 2 und 2 α im Rahmen der Auslegung der bei Betrieb mit anderen Plasmagasen. Sinngemäß Kokilleneinrichtung 4 beliebig große Gußblöcke 14 i₅ wird durch einen Betrieb mit Stickstoffplasma auch gießen. Dies hat den außerordentlichen Vorteil, daß das Zulegieren von Stickstoff mittels stickstoffhaltiger man bei einem Ofen, der etwa für maximal 20 Mp Ferrolegierungen (Ferrochrom, Ferromangan) erleichschwere Gußblöcke 14 ausgelegt ist und dabei nur tert.

einen Inhalt der Tiegel 2 bzw. 2 a von z. B. je 500 kp Eine weitere interessante Ausführungsform der Er-

hat, mit annähernd gleicher Wirtschaftlichkeit Guß- 20 findung entsteht, wenn man zwischen Tiegel 2, 2 a blöcke von 500 kp Gewicht bis hinauf zu solchen von und Kokilleneinrichtung 4 eine Rinne oder ein Zwi-20 Mp Gewicht herstellen kann. Außerdem kann man schengefäß anbringt bzw. ein System von Rinnen einen Auftrag von z. B. 100 Mp einer Stahlmarke A oder Zwischengefäßen. Diese Rinnen oder Zwischenin z. B. 1 Mp schweren Gußblöcken mit gleicher Wirt- gefäße können keramisch ausgekleidet oder aber schaftlichkeit herstellen wie z. B. einen Auftrag von 25 auch z. B. als wassergekühlte Kupferrinnen (bzw. nur 1,5 Mp einer Stahlmarke B in 500 kp schweren Kupfergefäße) ausgebildet sein. Gußblöcken. Man muß im ersten Fall eben 100 Fül- Mit Hilfe einer Rinne oder eines Rinnensystems

Jungen des Tiegels 2 und 100 Füllungen des Tiegels 2 α kann man verschiedene Vorteile erzielen. So kann von je 500 kp erschmelzen und zu insgesamt 100 Guß- man z.B. den oder die Schmelztiegel 2, 2 a und die blöcken 14 von je 1000 kp Gewicht vergießen. Im 30 Kokilleneinrichtung in separaten Vakuumkesseln zweiten Fall stellt man nur insgesamt drei Tiegel- unterbringen, wobei diese separaten Kessel mittels füllungen von je 500 kp her und vergießt diese zu kurzer Rohrstücke, durch welche Rinnen laufen, in drei Gußblöcken 14 von je 500 kp. Verbindung stehen. Die Kesselteile 1' und 1" in

Die angegebenen Zahlenbeispiele dienen nur zur F i g. 1 und 1', 1" und Γ" in F i g. 2 könnten also Veranschaulichung und können beliebig durch andere 35 als völlig getrennte Kessel nebeneinanderstehen und Werte ersetzt werden. Auch ist es dem Fachmann ohne brauchten nicht in der in F i g. 1 und 2 skizzierten weiteres ersichtlich, daß man das Prinzip des Gegen- kompakten Bauweise ineinander verschachtelt zu taktbetriebs der Tiegel 2 und 2 cauch auf einen Ofen werden. Eine weitere Möglichkeit, die die Verwenmit mehr als zwei, z. B. mit drei oder mehr Tiegeln dung von Rinnen mit sich bringt, liegt darin, daß man ausdehnen kann. Wenn z. B. die Gießzeit eines Tiegels 40 ohne großen Aufwand mehrere Kokilleneinrichtungen zu kurz ist, um in dieser Zeit die Schmelze im zweiten vorsehen und nach Bedarf in die eine oder andere Tiegel herzustellen, kann man einen dritten Tiegel Kokilleneinrichtung abgießen kann. So kann man hinzu nehmen. Man hätte dann bei z. B. 50 Minuten beispielsweise mehrere Stranggußkokillen mit ver-Gießzeit eines Tiegels 100 Minuten Schmelzzeit pro schiedenen Durchmessern vorsehen und diese je nach Tiegel zur Verfügung anstatt nur 50 Minuten bei Zwei- 45 Schaltung der Rinnen wahlweise benutzen. Man tiegelbetrieb. kann aber auch z. B. zwei oder mehrere Strangguß-

Eingroßer Vorteil einer Anlage nach Fig. 2 liegt kokillen gleichen Querschnitts vorsehen und diese darin, daß man den Kessel teil 1' nicht unbedingt va- gleichzeitig gießen, wenn man Verteilerrinnen oder kuumdicht ausbilden muß. Man kann vielmehr das Verteilergefäße für die Schmelze vorsieht. Ein solches System etwa bei Atmosphärendruck arbeiten lassen 50 Vergießen in mehrere Kokillen gleichzeitig hat den und kann so als Kokilleneinrichtung 4 eine Strang- Vorteil, daß man Gußblöcke kleinen Querschnitts mit gußanlage gewöhnlicher Bauart vorsehen, bei der die etwa der gleichen Erstarrungsgeschwindigkeit (cm/ Blöcke nach unten an Luft austreten und mittels min) vergießen kann wie Gußblöcke großen Quer-Trenneinrichtungen in geeignete Längen unterteilt Schnitts, ohne dabei die Ausleergeschwindigkeit werden können. Die Notwendigkeit des Ausschleusens 55 (= Gießgeschwindigkeit) der Schmelztiegel (kp/min) von Blöcken aus der geschlossenen Apparatur ent- verringern zu müssen. Bei dem oben angeführten fällt dann. Auch wenn man keine vollkontinuierliche Beispiel einer Gießgeschwindigkeit von 10 kp/min Stranggußanlage vorsieht, sondern etwa nur 2 m lange und einem Kokillenquerschnitt von 14 dm² bleibt Blöcke gießt, wird die Entnahme dieser Blöcke durch die Erstarrungsgeschwindigkeit von 1 cm/min also den Fortfall von Kokillenschleusen erheblich verein- 60 auch erhalten, wenn man gleichzeitig in zwei Kokillen facht. von je 7 dm² Querschnitt vier Kokillen von je 3,5 dm²

Eine weitere Möglichkeit, die eine Anlage nach Querschnitt usw. vergießt.

F i g. 1 oder 2 bietet, ist, mit Plasmabeheizung unter Wenn die Energiebilanz es erfordert, kann man einem gegenüber dem Atmosphärendruck wesentlich auch die Schmelze in den Rinnen mittels einer Plasmaerhöhten Druck zu arbeiten. Nimmt man dabei 65 brenneranordnung zusätzlich beheizen. Stickstoff als Plasmagas und als Kesselfüllung, so Auch die Verwendung von Zwischengefäßen neben kann man in ganz besonders vorteilhafter Weise ein oder an Stelle der Rinnen kann interessant sein. So Zulegieren von Stickstoff erreichen, welches bei vielen könnte man z.B. die Schmelze nach Fertigstellung

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ίο

im Tiegel 2, 2 α zunächst in ein Zwischengefäß abgießen. Dieses Abgießen kann schnell erfolgen (z. B. innerhalb von 1 Minute). Danach steht der Schmelztiegel bereits wieder zur Herstellung der nächsten Schmelze zur Verfügung. Das langsame Vergießen erfolgt dann aus dem Zwischengefäß in die Kokilleneinrichtung 4, wobei die Schmelze im Zwischengefäß mittels einer weiteren Plasmaheizung auf Temperatur gehalten wird. Bei einer Anlage gemäß F i g. 2 wären

wird, wenn an Stelle der Plasmastrahlheizung, wie sie z. B. in dem erwähnten »Plasmarc«-Ofen Verwendung findet und bei der ein quasineutrales thermisches Plasma benutzt wird, das erfindungsgemäße Verfahren mit einer anderen Korpuskularstrahlheizung ausgeübt wird, die einen Betrieb bei Drücken von mehr als 100 Millitorr ermöglicht. Mehrere solche Heizungsarten sind dem Fachmann bekannt. Eine derartige Heizungsart bedient sich z. B. der

entsprechend zwei Zwischengefäße mit Plasma- _ϊ0 sogenannten Plasmaelektronenkanone. Hierbei wird

heizung vorzusehen, die den beiden Schmelztiegeln 2, la zugeordnet sind. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß man für die Herstellung der Einzelschmelze in den Schmelztiegeln2, 2a eine

z. B. innerhalb eines Drahtkäfigs auf geeignete Weise — etwa durch eine Hochfrequenzgasentladung — ein quasineutrales Plasma erzeugt. Durch geeignete elektromagnetische Felder werden diesem Plasma

größere Zeitspanne zur Verfugung hat als ohne i₅ Elektronen entzogen und auf das zu beheizende Zwischengefäße. Diese Zeitspanne wird fast ver- Objekt fokussiert. Da eine solche Anordnung im doppelt, da die

Schmelztiegel statt vorher z. B. 50 Minuten jetzt nur mehr z. B. 1 Minute mit dem Gießen zu tun haben.

Gegensatz zu den in Elektronenstrahlern üblicher Bauart verwendeten hohen Beschleunigungsspannungen (die in der Größenordnung von einigen 10 kV

Schließlich läßt sich durch Anbringen eines oder 20 liegen) nur sehr niedrige Beschleunigungsspannungen

(in der Größenordnung von einigen 10 V) benötigt, erlaubt sie ähnlich wie die Plasmastrahler einen Betrieb bei Drücken von über 100 Millitorr (eventuell sogar bis herauf zu annähernd Atmosphärendruck). Eine andere derartige Heizung bedient sich positiver oder negativer Ionenstrahlen, um mit ihnen das zu beheizende Objekt zu beschießen. Ionenquellen hoher Stromdichte sind bekannt und wurden unter anderem speziell für Teilchenbeschleunigeranlagen, wie z. B.

Auch solche Ionenquellen arbeiten gut bei Drücken von über 100 Millitorr. Ähnlich wie bei der Plasmaelektronenkanone geht man auch bei Ionenquellen

mehrerer Zwischengefäße zwischen Tiegel 2 und Kokilleneinrichtung 4 in einer Anlage gemäß F i g. 1 ein vollkontinuierliches Verfahren verwirklichen. In ■ F i g. 3 ist eine Anordnung skizziert, die ein solches vollkontinuierliches Arbeiten erlaubt. Sie enthält an

Stelle des kippbaren Schmelztiegelns 2 einen stationären Tiegel 2 b, der mittels ElektronenstrahleranordnungSfc beheizt wird und in welchem das Einschmelzen des mittels der Materialzugabevorrichtung 3 zugeführten Abschmelzgutes 13 kontinuier-30 Zyklotrons, entwickelt (siehe z. B. K öl lath, »Teillich erfolgt. Durch eine überlaufrinne 50 läuft die chenbeschleuniger«, Verlag Vieweg, 1955, S. 124 f.). Schmelze kontinuierlich in ein Zwischengefäß 51, wo
sie bei hohem Vakuum mittels der Elektronenstrahleranordnung 5 c beheizt wird. Durch eine überlaufrinne 52 läuft die Schmelze sodann in ein zweites 35 zweckmäßig von einem quasineutralen Plasma aus, Zwischengefäß 53, wo unter Plasmabeheizung mittels dem man durch geeignete elektromagnetische Felder >der Plasmabrenneranordnung 6 b die kontinuierliche die Ionen entzieht und auf das zu beheizende Objekt Zugabe von leichtflüchtigen Legierungsstoffen 43 fokussiert.

mittels der Materialzugabevorrichtung 33 erfolgt. Aus Auch eine ihre Energie aus einer chemischen Vereiner überlaufrinne 54 läuft die fertige Schmelze 40 brennung beziehende Flamme könnte prinzipiell den kontinuierlich in eine Kokilleneinrichtung 4, der eine Plasmastrahl ersetzen. Hierbei besteht nur die Gefahr, weitere Plasmabrenneranordnung 16 zugeordnet ist. daß die Reaktionsgase eine für die Schmelze schäd-Was in einer Anlage gemäß Fig. 1 ■ oder 2 zeitlich liehe Zusammensetzung haben, insbesondere aus nacheinander im gleichen Tiegel 2 bzw. 2 a erfolgt — Wasser und Kohlenmonoxyd bestehen und die bereits nämlich: Einschmelzen mittels Elektronenstrahlen 45 bewirkte Wasserstoff- und Sauerstoffentfernung rückhoher Leistung bei dem höchsten noch zulässigen gängig machen. Von Ausnahmefällen abgesehen, wo Druck, Entgasen bei Elektronenstrahlheizung und
niedrigstem erreichbarem Druck, Legieren, Warmhalten und Gießen unter Plasmabeheizung bei annähernd Atmosphärendruck — geschieht in einer 50
Anlage gemäß F i g. 3 zeitlich nebeneinander, aber
räumlich getrennt im Tiegel 2 b und den Zwischenbehältern 51 und 53. Um in den Kesselteilen la, Ib, Ic unterschiedlich hohe Drücke aufrechterhalten zu
können, sind diese pneumatisch voneinander getrennt. 55 schleunigungsspannung in der Größenordnung von Die einzige Verbindung zwischen den Teilbehältern einigen 10 kV bedient und zu ihrem Betrieb eines stellen die Überlaufrinnen 50 und 52 dar. Wegen
des Druckunterschiedes zwischen Kesselteil 1 b und 1 c
ist die Rinne 52 als geschlossenes Rohr auszubilden,

das so anzubringen ist, daß die Badspiegelhöhen- 60 über 100 Millitorr arbeiten. Die sich auf Stickstoff differenz zwischen den Schmelzen in Zwischenbehälter als Plasmagas beziehenden Anwendungsfälle sind 51 und 53 mindestens p/s beträgt (p = Druckdifferenz selbstverständlich nur bei Heizung mittels Stickstoffzwischen Kesselteil Ib und Ic, s = spezifisches Ge- plasma oder Stickstoffionenstrahlen gut zu verwirkwicht der Schmelze). Wegen des Druckunterschieds liehen, bei Verwendung der Plasmaelektronenstrahlin den Kesselteilen la und 16 haben beide eine 65 heizung dagegen nur unvollkommen. Die Vorteile eigene Gasabsaugeleitung 22 und 22 a. hinsichtlich des Zusatzes leichtflüchtiger Legierungs-

Abschließend sei hier noch bemerkt, daß es als elemente bleiben dagegen voll und ganz auch bei der durchaus im Sinne der Erfindung liegend angesehen Plasmaelektronenstrahlheizung bestehen.

man eine derartige Reaktion wünscht, kommen Verbrennungsflammen also nicht für das Verfahren in Frage.

Der Einfachheit halber wurde in obiger Beschreibung nur zwischen Elektronenstrahlheizung und Plasmastrahlheizung unterschieden. Dabei wurde unter Elektronenstrahlheizung immer eine Heizung mittels Elektronenkanonen verstanden, die sich einer Behohen Vakuums bedarf. Unter Plasmastrahlheizung sind dagegen sinngemäß alle Heizungssysteme mittels Korpuskularstrahlen zu verstehen, die bei Drücken

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum diskontinuierlichen und kontinuierlichen Herstellen und Gießen von Stahlschmelzen und ähnlichen komplex zusammengesetzten Schmelzen, wie Superlegierungsschmelzen, in einem Behandlungsgefäß mit vorzugsweise wassergekühltem Kupfertiegel oder Keramiktiegel, gekennzeichnet durch die Kombination der an sich bekannten Elektronenstrahlbeheizung im Vakuum mit der an sich bekannten Plasma-Strahlbeheizung bei beliebigem Druck, wobei die Grundcharge mittels Elektronenstrahlbeheizung in einem Vakuum von kleiner als 0,1 Torr eingeschmolzen und gefeint wird, daran anschließend die leichtflüchtigen Legierungsstoffe, wie Mangan, Aluminium, Kupfer und Blei, unter Plasmastrahlbeheizung der Schmelze zugesetzt werden und die Schmelze nach dem Legieren unter Aufrechterhaltung der Plasmastrahlbeheizung mit einer der Erstarrungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 10 cm/ min angepaßten Gießgeschwindigkeit in eine Kokilleneinrichtung vergossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze während der Plasmastrahlbeheizung unter überdruck mit Stickstoff legiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlbeheizung ganz oder teilweise durch eine Beheizung mittels Ionenstrahlen ersetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlbeheizung ganz oder teilweise durch eine Plasma-Elektronenstrahlbeheizung in einem Vakuumbereich von größer als 0,1 Torr ersetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Badspiegel in der Kokilleneinrichtung während des Vergießens ebenfalls mit einer Plasmastrahlbeheizung bzw. einer Ionenstrahlbeheizung bzw. einer Plasma-Elektronenstrahlbeheizung geheizt wird, wobei die Heizleistung so geregelt wird, daß der Badspiegel praktisch bis zum Rand flüssig bleibt.

' 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, Wobei ein Behändlungsgefäß, in diesem ein vorzugsweise wassergekühlter Kupfertiegel oder ein Keramiktiegel sowie eine unter Vakuum arbeitende Elektronenstrahlbeheizung, Zuführungseinrichtung für Legierungsbestandteile und eine Kokillenanordnung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine unter beliebigem Druck arbeitende Plasmastrahlbeheizung vorhanden ist sowie Steuerorgane, die die Einstellung einer beliebig langsamen, konstanten Ausleergeschwindigkeit des Tiegels ermöglichen, sowie Steuervorrichtungen, die die Energiezufuhr zur Plasmastrahlbeheizung während des Vergießens in der Weise regeln, daß die Schmelzoberfiäche in der Kokilleneinrichtung während des gesamten Gießvorgangs auf annähernd konstanter Temperatur gehalten und dabei praktisch bis zum Rand flüssig gehalten wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgefäß in einen die Kokilleneinrichtung (4) enthaltenden Kesselteil (Γ) und einen den Tiegel (2) enthaltenden Kesselteil (1") aufgeteilt ist, wobei die beiden Kessel teile (I" und 1') voneinander durch ein pneumatisches Absperrorgan abtrennbar sind, damit der Kesselteil (1') während des Schmelzens im Kesselteil (1") unter Atmosphärendruck stehen kann.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, wobei ein Behandlungs-. gefäß, in diesem vorzugsweise wassergekühlte Kupfertiegel oder Keramiktiegel sowie unter Vakuum arbeitende Elektronenstrahleranordnungen, Materialzugabevorrichtungen für Legierungsstoffe und eine Kokilleneinrichtung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen abgeschlossenen vakuumdichten Kesselteil (1 a) mit einem Tiegel (2) zum Schmelzen, einer überlaufrinne (50), einer Materialzugabevorrichtung (3) für Grundmaterial, einer Gasabsaugeleitung (22) und einer Elektronenstrahleranordnung (5 b) enthält sowie einen zweiten vakuumdichten Kesselteil (1 b) mit einem ersten Zwischengefäß (51), einer zweiten überlaufrinne (52), einer zweiten Gasabsaugeleitung (22 α) und einer zweiten Elektronenstrahleranordnung (5 c) und einen dritten abgeschlossenen nicht notwendig vakuumdichten Kesselteil (1 c) mit einem zweiten Zwischengefäß (53), einer Materialzugabevorrichtung (33) für Legierungsstoffe (43), einer Plasmabrenneranordnung (6b) zur Plasmastrahlbeheizung des zweiten Zwischengefäßes und eine Kokilleneinrichtung (4).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen vierten Kesselteil (eventuell auch weitere Kesselteile) mit Zwischengefäß, überlaufrinne und Plasmabrenneroder Elektronenstrahleranordnung zur Ausübung mindestens eines weiteren Verfahrensschrittes enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zwillings- oder Mehrfachanlage ausgebildet ist, indem mindestens zwei Tiegel (2, 2 a) vorgesehen sind, wobei zwischen den einzelnen Kesselteilen (1', 1", 1'"), die die Kokilleneinrichtung (4) bzw. je einen der Tiegel (2, la) enthalten, pneumatische Absperrorgane (10/ 10 a) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokilleneinrichtung als Stranggußanlage ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 11 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kokilleneinrichtung eine Plasmabrenneranordnung (16) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Tiegel (2, 2 a) und Kokilleneinrichtung (4) mindestens ein zusätzliches Zwischengefäß in Form eines Durchlaufgefäßes oder einer Rinne angebracht ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokilleneinrichtung mehrere Kokillen bzw. Stranggußkokillen enthält, die mittels des zusätzlichen Zwischengefäßes gleichzeitig oder wahlweise beschickt werden können.

15. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Tiegel ein kippbarer oder sonstwie entleerbarer Zwischenbehälter zugeordnet ist, in welchen die fertige Schmelze aus dem Tiegel abgegossen wird und aus welchem die Schmelze anschließend in die Kokilleneinrichtung vergossen wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß den zusätzlichen Zwischengefäßen bzw. Zwischenbehältern eine Plasmabrenneranordnung zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 16 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabrenneranordnung bzw. mindestens eine der Plasmabrenneranordnungen durch eine Ionenstrahl-Beheizungsvorrichtung ersetzt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 16 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahleranordnung bzw. mindestens eine der Plasmabrenneranordnungen durch eine spezielle Elektronenstrahleranordnung (z. B. eine Plasma-Elektronenstrahleranordnung) ersetzt wird, welche einen Betrieb bei Drücken von mehr als 100 MiHitorr eventuell bis herauf zu annähernd Atmosphärendruck gestattet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen