VERFAHREN ZUR OBERFLÄCHENREINIGUNG METALLISCHER WERKSTÜCKE

Beschreibung

Gebiet der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitungstechnik und betrifft insbesondere Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke. Die erfindungsgemässe Technologie kann bei der Produktion und Bearbeitung von komplexlegierten Blöcken sowie metallischen Werkstücken verschiedener Konfiguration vorteilhaft eingesetzt werden, an die erhöhte Anforderungen inbezug auf die Oberflächengüte, die Reinheit, das Gefüge und die Eigenschaften der oberflächlichen Mikroschicht ohne Änderung der Eigenschaften der gesamten Masse metallischer Werkstücke gestellt werden, was in der Metallurgie, Chemie, Energetik, Atomindustrie und anderen Zweigen mit intensiven Technologien von besonderer Wichtigkeit ist.

Zugrundeliegender Stand der Technik

[0002] Gegenwärtig ist die Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke ein sehr arbeits- und energieaufwendiger Vorgang, der den Anforderungen und Wünschen der Verbraucher hinsichtlich der Reinigungsgüte der Oberfläche in manchen Fällen nicht im vollen Maße genügt.

[0003] Traditionelle mechanische Verfahren beispielsweise mit Hilfe von Schrotstrahltrommeln, mit Schleifmitteln, Schmirgel, durch Schleifen sind wenig wirksam und führen zur Entstehung lokaler Oberflächenfehler der Werkstücke , wodurch deren Betriebsdauer stark herabgesetzt wird.

[0004] Das Schruppen von Blöcken, die beispielsweise in Lichtbogenstrahlschmelzöfen erschmolzen worden sind, auf Werkzeugmaschinen ist einerseits mit grossen Metallverlusten (bis zu 15 bis 20%), einem grossen Zeit-und Energieaufwand verbunden und in einer Reihe von Fällen, beispielsweise bei der Oberflächenreinigung von besonders komplexlegierten Blöcken, sogar trotz Einsatz von Diamantmeisseln unmöglich.

[0005] Es ist ein Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke durch die Einwirkung einer sich bewegenden Lichtbogenentladung im Vakuum mit einem nicht zu grossen Unterdruck von I00 bis 500 N/m² auf die zu reinigende Oberfläche (SU, A, 952388), bekannt.

[0006] Gemäss dem Verfahren werden ein Rohr, dessen zu reinigende Innenfläche für die Zusammenwirkung mit der technologischen Phase vorbereitet wird, und eine Stange gegenseitig verlagert, durch die eine Vakuumlichtbogenentladung zur Verdampfung der Bereiche erzeugt wird, die von den vorgegebenen physikalisch-mechanischen Daten abweichen.

[0007] Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Oberfläche metallischer Werkstücke mit komplizierter Konfiguration, wie Stutzen, Übergangsstücke in Bogenform und andere Werkstücke nicht gereinigt werden kann, weil eine direkte fortschreitende gegenseitige Bewegung der Oberfläche des als Katode dienenden zu reinigenden Werkstücks relativ zu der als Anode wirkenden Stange unmöglich ist. Ausserdem ist eine lokale Oberflächenerosion infolge der Schwankungen der Lichtbogenkennwerte nicht ausgeschlossen.

[0008] Weitgehend bekannt ist die elektrolytische Reinigung der Werkstückoberflache. Bei dieser Reinigungsart wird das metallische Werkstück in ein flüssiges Medium, den Elektrolyt, eingetaucht und an das als Katode dienende Werkstück und eine zusätzliche Anode, die ebenfalls in den Elektrolyt getaucht ist, ein elektrischer Strom angelegt, der im flüssigen Medium fliesst, wobei das Werkstück im Elektrolytbad ortsfest fixiert wird.

[0009] Obwohl der Elektrolyt bei der elektrolytischen Reinigung der Werkstückoberfläche in die schwerzugänglichen Stellen der Werkstücke komplizierter Konfiguration mit verschiedener Oberflächenkrümmung einfliessen kann, weist das elektrolytische Verfahren folgende Nachteile auf: Unmöglichkeit einer Reinigung beim.Vorhandensein von nichtstromleitenden Filmen an der Oberfläche des metallischen Werkstücks, eine durch ziemlich langsame Übergangsprozesse im Elektrolytbad streng begrenzte Bearbeitungsgeschwindigkeit und folglich eine geringe Produktionsleistung. Ausserdem muß der Wechselstrom im Energieversorgungsnetz der Betriebe in Gleichstrom umgewandelt werden, wodurch zusätzliche Verluste entstehen. Der Prozess der elektrolytischen Reinigung selbst ist sehr energieaufwendig und hat einen Wirkungsgrad von weniger als 1%; weil die elektrolyschen Verfahren einen höheren spezifischen Energieverbrauch pro Produkteinheit sogar im Vergleich zu den mechanischen Reinigungsverfahren haben.

[0010] Weitgehend bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zur thermochemischen Reinigung von Werkstücken in Salz-und Alkalischmelzen. Es sei bemerkt, dass die thermochemische Reinigung nicht nur in flüssigen, sondern auch in gasförmigen Medien durchgeführt werden kann.

[0011] Der Nachteil der thermochemischen Behandlung metallischer Werkstücke besteht darin, dass bei der Oberflächenbehandlung der kostspieligen Komplexstahlsorten in Salz- und Alkalischmelzen, dazu noch mit einer Erhitzung auf Hunderte von Grad, die Oberflächenschicht des Werkstücks bis zu 15 bis 80µm chemisch geändert wird und Legierungselemente wie Ti, Mo, Mg u.a. ausgetragen werden. Dadurch wird der weitere Einsatz metallischer Werkstücke infolge Verschlechterung ihrer Korrosionseigenschaften praktisch unmöglich gemacht. Ausserdem hat die thermochemische Reinigung in Salzschmelzen ein beschränktes Wirkungspektrum und wenn ein Werkstück mit Stoffen verschmutzt ist, die ungleichartige chemische Eigenschaften besitzen, muß es in verschiedenen Salzen gereinigt werden. Es ist ebenfalls zu bemerken, dass dieses Verfahren nur für die Entfernung von Verschmutzungen ausgelegt ist, während beim Betrieb metallischer Werkstücke diese mit dem Arbeitskörper des technologischen Mediums in Reaktion treten und komplizierte eutektische Strukturen bilden.

[0012] Deswegen ist die Reinigung von Verschmutzungen in einer Salzschmelze unbefriedigend, und die Oberfläche des metallischen Werkstücks ist hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der Geometrie inhomogen, wodurch ihre Korrosionsfestigkeit stark beeinträchtigt wird, und das Werkstück ohne Nachbehandlung beispielsweise durch elektrochemisches Beizen, Passivieren und Spülen nicht eingesetzt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

[0013] Die Erfindung bezweckt, die obengenannten Nachteile der bekannten Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke zu beseitigen.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zurgunde, ein Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke mit komplexlegierten Strukturen in einem bestimmten Temperaturbereich durch eine kombinierte Einwirkung des Temperaturfaktors und eines flüssigen Hochreaktionsmediums des Reinigungsmittels auf die verschmutzte Oberfläche zu schaffen.

[0015] Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke durch das Eintauchen dieser Werkstücke in ein Arbeitsmittel, das sich im Schmelzzustand befindet, erfindungsgemäss als Arbeitsmittel eine Schmelze aus Oxiden der Metalle eingesetzt wird, die eine höhere Affinität zum Sauerstoff als zum Werkstoff des zu reinigenden Werkstücks aufweist.

[0016] Es ist vorteilhaft, das als Metalloxidschmelze eine Elektroschlacke mit einer Temperatur der Schmelze von 950 bis 1250°C eingesetzt wird.

[0017] Es ist zweckmässig, eine Elektroschlacke zu verwenden, die aus folgenden Komponenten, in Massepro- _zent, besteht: Ca0 - 45%; Al₂O₃ - 55%

[0018] Durch eine solche Durchführung des Verfahrens wird die Leistung, d.h. die Reinigungsgeschwindigkeit erhöht, der Energieaufwand pro Einheit der zu reinigenden Oberfläche metallischer Werkstücke herabgesetzt, die unproduktiven Verluste des Grundmetalls des Werkstücks unter gleichzeitiger Entfernung der Verschmutzungen und Verhinderung des Auswaschens der Legierungselemente aus der Oberflächenschicht des Werkstücks verringert, wodurch seine Korrosionsfestigkeit erhöht wird und die Oberfläche solche Eigenschaften erhält, die den weiteren Einsatz des Werkstücks mit einer maximal langen Betriebszeit ermöglichen.

[0019] Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht im folgenden. Beim Eintauchen des metallischen Werkstücks in eine Elektroschlacke kann neben seiner Reinigung von den Verschmutzungen unter deren Absorption und Austragen mit dem Elektroschlackenmedium die Mikrooberfläche des Metalls des zu behandelnden metallischen Werkstücks raffiniert werden. Als Raffinationsmedium dient dabei das Schlackenbad. Die Metallrafination findet an der Metall-Schlackenbad-Trennungsfläche statt. Durch Variieren der Zusammensetzung der verwendet Schlacke kann eine selektive Metallraffination durchgeführt werden, die auf die Entfernung der vor- herrschenden Beimengung gerichtet ist.

[0020] Wie aus den nachstehenden Durchführungsbeispielen ersichtlich ist, stehen die nach dem Legierungsgrad zu reinigendenmetallischen Werstücke und deren lagerungs- und betriebsbedingte vorwiegende Verschmutzungsfilme mitTemperaturen, deren untere Grenze bei 950°C und die obere Grenze bei 1250°C liegt in gegenseitiger Beziehung . bedingt durch

[0021] Die untere Grenze von 950°C ist die wirtschaft- liche Unvertretbarkeit des Einsatz des erfindungsgemässen Verfahrens als eines im Vergleich zur Reinigung der Massenartikel beispielsweise in Salzschmelzen kostenaufwendigeren Verfahrens.

[0022] Die obere Grenze von 1250°C ist durch die Reinigungsaufgabe selbst bedingt, weil in Kombination mit der Reaktionsfähigkeit der Elektroschlacke bei komplexlegierten metallischen Werkstücken eine Oberflächenabschmelzung des Grundmetalls des Werkstücks zustandekommt.

[0023] Deswegen wird die Oberfläche metallischer Werkstücke nach dem erfindungsgemassen Verfahren nicht so sehr mittels einer erhöhten Temperatur, die ein Kennzeichnungsmerkmal ist, als aufkosten einer auf einem bestimmten Temperaturniveau hergestellten Schlacke gereinigt, deren Zusammensetzung eine höhere Affinität zum Sauerstoff, d.h., eine grössere Fähigkeit zur Wechselwirkung mit den vom metallischen Werkstück zu entfernenden Filmen aufweist. Ausgehend davon wurde für legierte Massenwerkstücke eine aus 45 Massenprozent Ca0 und 55 Massenprozent A1₂0₃ bestehende Schlacke vorgeschlagen, die besonders günstig hinsichtlich des Temperaturbereichs, des Reinigungsvermögens, der Technologie und der Unschädlichkeit für den Bedienungsmann ist.

[0024] Bei der Elektroschlackereinigung der Oberfläche metallischer Werkstücke wird deren Mikrooberfläche durch einen Ausgleich ihrer physikalischen und chemischen Inhomogenität veredelt, wodurch im Ergebnis die Betriebsdaten des zu behandelnden Werkstücks und vor allem die mechanische und die Korrosionsfestigkeit verbessert wird.

[0025] Durch das Elektroschlackemedium wird bei der Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke eine Bildung von eutektischen Strukturen unter Verschmutzung des Werkstückwerkstoffs verhindert.

[0026] Durch die Realisierung der obenbeschriebenen physikalisch-chemischen Prozesse, die der Erfindung zugrundegelegt sind, wird beispielsweise die Leistung bei der Reinigung von Stahlblöcken, die in einem Elektroschmelzbetrieb mittlerer, Kapazität erzeugt werden, um ca.2,2fache im Vergleich zum Schruppen der Blöcke auf Werkzeugsmaschinen erhöht und der Energieverbrauch unter Berücksichtigung der Transportkosten um 18% herabgesetzt, wobei die Standzeit der Werkstücke beim Betrieb in Reaktionsmedien um das 1,6fache verlängert wird.

Die bevorzugte Durchführungsvariante der Erfindung

[0027] In einem ausgefütterten Behälter wird ein am meisten verbreitetes Schlackenbad aus 45 Masseprozent Ca0 und 55 Masseprozent A1₂0₃ mit einem hohen Reaktionsvermögen und einer grossen Dünnflüssigkeit hergestellt und auf eine Temperatur von 950° bis 1250°C, beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens, erhitzt.

[0028] Das zu reinigende metallische Werkstück beispielsweise Gußstücke, die den Giesskästen eine halbe Stunde nach dem Abguss im Elektrostahlschmelzbetrieb entnommen worden sind, werden mit einem Bandförderer in die Reinigungsabteilung transportiert, wo sie in das Elektroschlackenbad getaucht und in Drehung versetzt werden, um eine gleichmässige Reinigung der gesamten Blockoberfläche durchzuführen. Die Drehgeschwindigkeit, die Verweildauer und die Temperatur im Elektroschlackenbad sind die Funktion der Charakteristiken der zu reinigenden Schicht, der Oberflächengrösse und der physikalisch-chemischen Eigenschaften des metallischen Werkstücks.

[0029] Dann werden die Werkstücke aus dem Elektroschlackenbad herausgenommen und zum folgenden technologischen Vorgang beispielsweise zur plastischen Verformung übergeben.

[0030] Die Zusammensetzung der Elektroschlacke wird bei der Änderung der Serie und des Kompliziertheitsgrades der Legierung der Stahlblöcke, die gemäss dem Produk- tionspramm erschmolzen werden, geändert.

[0031] Die Durchführung des Verfahrens zur Elektroschlackereinigung metallischer Werkstücke ist mit keinerlei praktischen Schwierigkeiten verbunden, weil das Verhalten der flüssigen Schlackenbäder verschiedener Zusammen- _' setzung in metallurgischen Betrieben bekannt ist; die Werkstoffe, u.zw. Ca0 und A1₂0₃, sind leicht erhältlich und die Wechselstromquellen, Förder- und Drehvorrichtungen können herangezogen bzw. aus den vorhandenen Mitteln der Betriebe, Maschinen- und Traktorenstationen, Reparaturabteilungen und anderer Werke gebaut werden, wo dieses Verfahren realisiert wird.

[0032] Nachstehend sind konkrete Durchführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens angeführt.

Beispiel 1

[0033] In einem mit Feuerfeststeinen ausgekleideten Behälter wurde mit Hilfe von Kohlegraphitelektroden, an die ein elektrischer Strom mit Industriefrequenz von einer 100-kVA-Speisequelle angelegt wurde, eine Schlacke aus 45% Ca0 und 55% A1₂0₃ geschmolzen und auf eine Temperatur von 980 bis 1000°C erhitzt, die mit einem Thermoelement mit Metallmantel gemessen wurde.

[0034] Gereinigt wurden Werkstücke mit einer Oberfläche von 0,064 m², die vom Herstellerwerk geliefert wurden und glasartige Filme hatten, die im Ergebnis der technologiebedingten Schmierung beim Ziehen in einer Menge bis zu 160 g/1 m² Oberfläche entstanden waren. Die Menge an Oxidfilmen war kleiner als 1 g/1 m² Oberfläche.

[0035] Mit dem Halter der Fördervorrichtung wurden die zu reinigenden Werkstücke beim Erreichen einer Elektroschlacketemperatur von 980 bis 1000°C in das Schmelzbad eingetaucht und mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 0,8 m/s herausgenommen. Die gesamte Verweildauer des Werkstücks in der Elektroschlacke betrug 2,5 bis 3,0 s. Während der Eintauchzeit wurde bei der 1-Bad-Ausführung der Anlage zur Elektroschlackereinigung, d.h. bei der Zusammenlegung der Schlackenherstellungszone und der technologischen Reinigungszone, die Stromquelle aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.

[0036] Die Laboruntersuchungen mit Hilfe der röntengrafischen und der chemischen Analyse sowie durch Wägeverfahren haben eine vollständige Abwesenheit der Oxiäspuren und eine Reduzierung der glasartigen Schmierreste um das 32fache nachgewiesen.

[0037] Die Standzeit der Werkstücke beim Betrieb in einem aggressiven Medium beim Verbraucher stieg um das 1,6fache im Vergleich zur Reinigung in elektrolyschen Bädern. Der Energieaufwand ist um das 4fache bei einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage um das 28fache und der Leistung um das 7fache gesunken, wodurch die Stärke des Bedienungspersonals um das 3-fache verringert werde konnte.

Beispiel 2

[0038] Die im Beispiel 1 aufgeführten Operationen wurden an metallischen Werkstücken mit einer Oberfläche von 0,086 m² durchgeführt, die vom Verbraucher nach einem halbjährigen Einsatz mit einer Transport- und Lagerfrist von 20 Tagen geliefert wurden und Oxidfilme in einer Menge von 240 g/1 m² Oberfläche besassen. Die Menge an Verschmutzungen anderer Ärt, wie Kesselstein, betrug bis zu 60 g/1 m² Oberflache.

[0039] Die Laboruntersuchungen durch die röntgenografische und chemische Analyse sowie durch Wägeverfahren haben gezeigt, dass die Oberflächengüte, die den Anforderungen an die Prophylaxe und den Einsatz der Werkstücke in einer energetischen Anlage des Kunden vollständig genügt, bei der Reinigung in der flüssigen Elektroschlacke mit einer Temperatur von 1150 bis 1180°C und einer Transportgeschwindigkeit der Werkstücke von 0,5 bis 0,6 m/s und einer Verweildauer in der flüssigen Elektroschlacke von 5 bis 6 s erzielt wurde.

[0040] Die Betriebsdauerprüfungen haben eine 1,4fache Verlängerung der Betriebszeit der durch das Elektroschlackeverfahren prophylaktisch gereinigten Werkstücke im Vergleich zu neuen Werkstücken gezeigt.

Beispiel 3

[0041] Die zu reinigenden metallischen Werkstücke mit komplizierter Legierungszusammensetzung, die nach traditionellen Verfahren nacheinander während 34 Stunden mit einem Diamantwerkzeug geschruppt wurden, wurden auf eine Transportvorrichtung in Karusselform aufgehängt.

[0042] Die Werkstückoberfläche betrug 0,12 m und hatte kombinierte Verschmutzun^gsfilme thermochemischer und chemisch-physikalischer Herkunft mit einer Gesamtmasse bis zu 280 g/1 m² Oberfläche. Eine befriedigende Reinigungsgüte wurde bei einer Temperatur der Elektroschlacke mit Zusätzen von Fluorverbindungen von nicht unter 1240 bis 1250°C, einer Reinigungsdauer von 50 bis 55 s und einer Transportgeschwindigkeit des zu reinigenden metallischen Werkstücks von 0,1 bis 0,2 m/s erzielt. Die Temperatur des Schmelzbades wurde durch die Umschaltung der Spannungsstufen der Stromquelle der Anlage zur Elektroschlackereinigung und die Verweildauer im Elektroschlackenbad durch die Einstellung der Drehzykluszahl des Karussels geregelt.

[0043] Ausgehend von den angeführten Beispielen sind folgende Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke im Vergleich zu den bekannten Verfahren zu nennen:

ein neutrales Arbeitsmedium;

universale Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens;

die Möglichkeit, Werkstücke von verschiedenartigen Verschmutzungen ohne Änderung oder Kombination mehrerer Reinigungstechnologien zu reinigen;

die Möglichkeit, komplexlegierte höchsttemperaturbeständige metallische Werstücke zu reinigen, die in aggressiven Medien eingesetzt werden;

hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit als Folge eines schnellen Ablaufs des Reinigungsvorganges;

[0044] Elektroschlackeumschmelzen der Mikrooberfläche der Werkstücke ohne Änderung ihrer ganzen Masse, wodurch die zu reinigende Oberfläche, die technologiebedingt als Kontaktfläche dient, bis zum Betriebszustand regeneriert wird;

energetische Wirksamkeit des Verfahrens;

einfache Durchführung des Verfahrens.

[0045] Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke besteht die Möglichkeit, den Prozess in Abhängigkeit vom Kompliziertheitsgrad der Legierungszusammensetzung, der physikalisch-chemischen Eigenschaften, von der Grösse und dem Verschmutzungsgrad durch Ändern der Charakteristiken wie Zusammensetzung, Temperatur und Regerationsintervalle der Elektroschlacke, Verweildauer in der Elektroschlacke, Transportgeschwindigkeit und Anfangstemperatur des zu reinigenden Werkstücks wirksam zu steuern.

Industrielle Anwendbarkeit

[0046] Das erfindungsgemässe Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke kann beim Bau von chemischen und energetischen Anlagen, bei der Herstellung von komplexlegierten Werkstücken in verschiedenen Maschinenbauzweigen, in der metallurgischen Industrie Anwendung finden.

[0047] Es ist zweckmässig, das erfindungsgemässe Verfahren bei der Reinigung komplexlegierter metallischer Werkstücke, insbesondere unmittelbar nach dem Giessen einzusetzen, wenn sie fast die ganze akkumulierte Wärme enthalten, die am Elektroschlackeumschmelzprozess beteiligt wird.

[0048] Es kann besonders vorteilhaft in den Fällen eingesetzt werden, wenn die Arbeitsfläche der Werkstücke mit aggressiven Medien kontaktiert.

[0049] Auf diese Weise kann das erfindungsgemässe Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke in allen Zweigen der Wissenschaft und Technik zur Anwendung kommen, wo an die Werkstücke, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit und der Beschaffenheit der Kontaktflächen gestellt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Oberflächenreinigung metallischer Werkstücke durch das Eintauchen dieser Werkstücke in ein Arbeitsmittel, das sich im Schmelzzustand befindet, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmittel eine Schmelze aus Oxiden von Metalleneingesetzt wird, die eine höhere Affinität zum Sauerstoff als -zum Werkstoff des zu reinigenden Werkstücks aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das als Metalloxidschmelze Elektroschlacke mit einer Temperatur der Schmelze von 950 bis 1250°C eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroschlacke aus folgenden Komponenten, in Masseprozent, besteht: Ca0 - 45%, A1₂0₃ - 55%.