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Verfahren zur Herstellung feuerbeständiger, in der Hauptsache austenitischer, bearbeitbarer Legierungen von grosser Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen
Bisher hat man für Einsatzteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, beispielsweise Teile in Gasturbinen, hauptsächlich austenitische Chrom-Nickel-oder Chrom-Kobaltlegierungen, die eine Grundmasse mit hoher Festigkeit in der Wärme aufweisen, verwendet. Diese Eigenschaft ist in dem Material, das bisher die höchste Festigkeit bei hohen Temperaturen aufgewiesen hat, noch weiter durch Zusätze von karbidbildenden Metallen wie Nb, Ti, Ta, W, V u. a. m. verbessert worden. Die Menge dieser Metalle ist im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt der Legierung bemessen worden, so dass man durch Erhitzen, z.
B. durch Ausscheidungshärtung, eine feinverteilte Ausscheidung von Karbiden in der austenitischen Grundmasse erhalten hat.
Diese Erhöhung der Festigkeit in der Wärme, welche durch die Karbide verursacht wird, ist dadurch bedingt, dass diese die Übergangsfläche der austenitischen Kristalle blockieren, wodurch ein Deformieren des Materials erschwert wird. Eme Erhöhung der Karbidmenge bringt daher auch die Erhöhung der Festigkeit (Kriechgrenze) der Legierung bei einer gewissen Temperatur mit sich.
Die verbessernde Einwirkung der Karbide ist jedoch begrenzt, teils deswegen, weil ein allzu grosser Zusatz der karbidbildenden Legierungsmetaile den teilweisen Verlust des austenitischen Charakters der Legierung herbeiführen kann, teils weil die Karbide gewöhnlich bei hohen Temperaturen in der Grundmasse etwas löslich sind. Hiedurch kann sich ihr
Ausmass im Laufe der Verwendung des Stahles herabmindern, was wiederum eine verschlechterte
Festigkeit herbeiführt. Diese kann auch dadurch herabgesetzt werden, dass die Karbide auf Grund von Diffusion sich in Form von grösseren Ein- heiten ansammeln. Die Möglichkeit, Stahl mit grosser Festigkeit in der Wärme durch Ver- wendung einer Ausscheidung von nur Karbiden in der austenitischen Grundmasse herzustellen, ist daher begrenzt.
Auf dieselbe Art wie mit den Karbiden kann man die Festigkeit des Stahles auch durch eine feinverteilte Ausscheidung anderer nicht- metallischer Teichen erhöhen. Insbesondere tritt dieser Effekt bei Anwendung von Oxyden ein, da diese der Grundmasse der Legierung in einer feiner verteilten Form in viel grösserer Anzahl als bei Anwendung von Karbiden zugesetzt werden konnen. Hiezu kommt noch, dass die Oxyde bei den Anwendungstemperaturen des Stahles in der Grundmasse nicht löslich sind. Durch den Zusatz von feinverteilten Oxyden kann daher eine sehr wesentliche Erhöhung der Festigkeit des Stahles bei hoher Temperatur erzielt werden.
Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, dass Stahl mit bisher unerreichter Festigkeit bei hohen Temperaturen erzielt werden kann, wenn er gleichzeitig Karbide und Oxyde in feinverteilter Form enthält.
Dieser Effekt wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man der Grundmasse der Legierung Karbide bzw. karbidbildende Metalle und Oxyde zusetzt. Insbesonders kommen als Karbide bzw. karbidbildende Metalle Ta, Ti, Nb, W, V, Zr, Hf und Mo und als Oxyde die der Metalle Li, Be, Mg, Ca, Cu, Sr, Zr, Ba, Ce, Th in Frage.
Der Zusatz der Oxyde kann gleichzeitig oder vor oder nach dem Karbid-oder Metallzusatz erfolgen.
Die Menge der Zusatzstoffe richtet sich nach der Zusammensetzung der Legierung. Im all- gemeinen soll aber nur soviel Karbid bzw. karbid- bildendes Metall zugesetzt werden, dass die
Gesamtmenge an Karbid in der Legierung
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Der Zusatz der Stoff ? kann erfolgen, wenn die Legierung sich in schmelzflüssigem Zustand befindet oder sie können auch auf pulvermetallurgischem Wege beigemischt werden, wenn die Legierung in Form von Sintermetall hergestellt wird.
Bei dem schmelzmetallurgischen Verfahren können die Oxydteilchen in ausgeschiedener Form in der Grundmasse auch dadurch erhalten werden, dass die zur Erzielung eines Gehaltes von mindestens C2% Metall-Oxyden in der Legierung erforderlichen Grundstoffe der Schmelze in stöchiometrischem gegenseitigen Verhältnis zugesetzt werden.
Praktisch arbeitet man zur Bildung von Oxyden in der Schmelze derart, dass man dieser eine
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ausreichende Sauerstoffmenge zuführt und dann ein stark oxydbildendes Metall zusetzt. Die Zuführung von Sauerstoff kann in verschiedener Weise erfolgen, beispielsweise durch Anwendung einer sauerstoffreichen Schlacke, durch Einblasen von Sauerstoff oder dadurch, dass man der die Schmelze umgebenden Atmosphäre erhöhten Druck gibt. Man kann auch die verschiedenen Verfahren miteinander kombinieren.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, durch Zusatz von Ta, Nb, Ti, W, V oder Mo in entsprechenden Mengen den Kohlenstoffgehalt des Stahles in Form von Karbiden zu binden und gleichzeitig vorher oder nachher dem Stahl Sauerstoff und Mg, Ca, Zr, Ce usw. in Mengen beizugeben, die zur Erzielung eines Gehaltes von mindestens 02% Metall-Oxyden in der Legierung ausreichen.
Ausführungsbeispiele : l. Man setzt einer Legierungsmasse aus 5000 Nickel, 13% Chrom, 0'250/0 Kohlenstoff, 1-5% Silizium, Rest Eisen, 1% Titan und oxo fein verteiltes Thoriumoxyd zu, während die Legierung sich in schmelzflüssigem Zustand befindet und verteilt die Zusätze gleichmässig in der Schmelze.
2.26 Teile Chrompulver werden mit 3 Teilen feingepulvertem Tantalkarbid, einem Teil Ceroxyd und 70 Teilen Kobalt zusammengesintert und die Masse dann zwecks Beseitigung von
Poren einer Schmiedebearbeitung unterzogen.
3.35 Teile Nickel, 30 Teile Kobalt und 33 Teile
Eisen werden mit 0-20 Teilen Kohlenstoff und 1. 4 Teilen Niob zusammengeschmolzen, alsdann
0-25 Teile Calzium zugesetzt und die zur voll- ständigen Überführung des Calziums in Oxyd notwendige Sauerstoffmenge eingeführt.
4. Man setzt zu einer Legierungsmasse aus 30%, Nickel und 20fro Chrom, 1-5% Silizium,
Rest Eisen, 0-20% fein verteiltes Zirkonoxyd und 0'700 fein, verteiltes Tantalkarbid während die Legierung sich in schmelzflüssigem Zustand befindet, und verteilt die Zusätze gleichmässig in der Schmelze.
Sämtliche Angaben beziehen sich auf Gewichts- teile.
Man hat bereits vorgeschlagen, austenitischen
Legierungen bis zu 5% Zirkonoxyd zuzusetzen.
Dieser Zusatz erfolgt zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Legierungen. Ab- gesehen davon, dass es sich bei dem bekannten
Verfahren um einen anderen technischen Zweck handelt, unterscheidet sich die Erfindung diesem gegenüber dadurch, dass die gemäss der Erfindung erhaltenen Legierungen ungelöste und fein ver- teilte Karbide und Oxyde nebeneinander in beträchtlicher und in voraus bestimmbarer Menge enthalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung feuerbeständiger, in der Hauptsache austenitischer, bearbeitbarer Legierungen von grosser Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass Legierungen, bestehend aus 0'05-0. 5% Kohlenstoff, 0#20-2#5% Silizium, 0#20-1#5% Mangan, 7-80'\) Nickel, 11. 5-30% Chrom, je maximal 10% Wolfram, Molybdän, Vanadin in fester Lösung, Rest Eisen, wobei Nickel ganz oder teilweise gegen Kobalt ausgetauscht sein kann, sowohl Metallkarbide oder karbidbildende Metalle als auch Metall-Oxyde zugesetzt werden.