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Warmfeste Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung
Legierungen, aus denen Gegenstände und ihre Teile hergestellt werden, die bei hohen Temperaturen einer länger dauernden Beanspruchung ausgesetzt sind, müssen bekanntlich nicht nur bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig sein und ausreichende mechanische Eigenschaften besitzen, sondern infolgedessen eine Dauerstandfestigkeit aufweisen. Eine gewöhnlich für diesen Zweck verwendete Legierungstype besitzt als Hauptbestandteil Nickel oder Nickel + Kobalt und enthält ausserdem Chrom, Aluminium und Titan, wobei die beiden zuletzt genannten Elemente eine ausscheidbare Phase mit dem Nickel bilden.
Die genaue Zusammensetzung der für einen bestimmten Gegenstand verwendeten Legierung schwankt mit den Bedingungen, unter denen dieser Gegenstand benützt werden soll, und mit den unter diesen Bedingungen erforderlichen Eigenschaften.
In der brit. Patentschrift Nr. 733, 489 sind Legierungen beschrieben, die im Betrieb bei sehr hohen Temperaturen, etwa 8500 C oder mehr, starker Beanspruchung ausgesetzt sind. Diese Legierungen enthalten 4-12 Gew. -0fo Chrom, 10-55 Gew. - (J/0 Kobalt, 0, 5-8 Gew. -0fo Titan, 0, 3-8 Gew. -0fo Aluminium, bis 15 Gew.-0/o
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Rest Nickel und Verunreinigungen, wie Desoxydationsmittel.
Gegenstand der Erfindung sind Legierungen, die brauchbare Spannungs/Bruch-Eigenschaften bei 9800 C haben ; eine Temperatur, die beträchtlich über jener liegt, bei der gegenwärtig bekannte Legierungen eine brauchbare Lebendauer haben. Ausserdem sollen die Legierungen eine gute Zugfestigkeit und Duktilität bei Raumtemperatur aufweisen. Solche Legierungen sind insbesondere für die Herstellung von Turbinenschaufeln durch Giessen mit oder ohne mechanische Bearbeitung bestimmt.
Die Erfindung beruht in erster Linie darauf,
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ähnlich sind, eine grössere Lebensdauer gegen- über Bruch unter Beanspruchung bei 9800 C erreicht wird, wenn deren Gehalte an Titan und Aluminium und das Verhältnis des Titangehaltes zum Aluminiumgehalt innerhalb gewisser enger Grenzen liegen. Dabei wurde festgestellt, dass zur Erzielung brauchbarer Spannungs/BruchEigenschaften bei 980 C die Gusslegierungen weder Bor noch Zirkon zu enthalten brauchen. Das Vorhandensein von Bor ist jedoch vorteilhaft, weil der Borgehalt den optimalen Gehalt an Titan und Aluminium beeinflusst, wobei der Aluminiumgehalt mit dem Borgehalt steigt.
Gemäss der Erfindung beträgt der Gehalt an Titan + Aluminium 7-90/0 in borfreien Legierungen.
Enthält aber die Legierung mindestens
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hältnis von Titan : Aluminium beträgt sowohl in den borfreien wie in den borhaltigen Legierungen 0, 6-1, 4.
Die Legierungen gemäss der Erfindung halten im allgemeinen 20 Stunden oder mehr bis zum Bruch aus, wenn sie unter einer Beanspruchung von 11 kg/mm bei 980 C geprüft werden.
Vorzugsweise wird den Legierungen 0, 005-
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Derartige Legierungen halten im allgemeinen unter den gleichen Prüfbedingungen mindestens 50 Stunden bis zum Bruch aus.
Mit steigendem Borgehalt wächst die Schwierigkeit, die Legierungen ohne Bruch zu schmieden ; dies ist aber bei einer Legierung unwesentlich, die für die Herstellung von Gegenständen durch Giessen verwendet wird.
Vorteilhaft ist eine Desoxydation der Legierungen mit Kalzium unmittelbar vor dem Zusatz von Bor. In dieser Weise behandelte Legierungen haben im allgemeinen einen geringen Restgehalt an Kalzium.
Der Chromgehalt der Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung liegt zwischen 7, 5 und 151/o ; vorzugsweise zwischen 9, 5 und l1, 5 /o.
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wesend, sein Gehalt beträgt jedoch nicht mehr als 151/o ; vorzugsweise 4, 5-6, 00/0. Der Kohlenstoffgehalt sollte 0, 05-0, 5''/o, vorzugsweise 0, 1- O, 2So/0 betragen, Zirkon kann bis zu 0, 2 /o vorhanden sein. Silizium und Mangan sind zwar gewöhnlich vorhanden ; der Siliziumgehalt soll
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aber vorzugsweise nicht mehr als 50/0 betragen.
Ausser den genannten Elementen können die Legierungen bis zu 5% Wolfram und Niobium oder Tantal oder beide in einer Gesamtmenge bis zu 3% enthalten.
Es werden nun einige Beispiele der Legierungen gemäss der Erfindung und ihre Lebensdauer bis zum Bruch unter einer Beanspruchung von 11 kg/mm2 bei 9800 C angeführt. Es ist bekanntlich schwierig, geringe Mengen an Bor durch normale chemische Analysenmethoden genau zu bestimmen. Wird Bor zur Schmelze zugesetzt, tritt im allgemeinen ein bestimmter Verlust an Bor ein ; wird jedoch die Legierung vor seinem Zusatz gründlich desoxydiert, dann sind die Verluste unter gleichen Bedingungen einigermassen gleichmässig. Das ist besonders der Fall, wenn die Desoxydation durch ein wirksames Desoxydationsmittel vollendet wird, wie Kalzium. Die zugesetzte Menge kann somit als ein Mass für das in der gegossenen Legierung verbliebene Bor dienen. Bei diesen Beispielen betreffen die angegebenen Bormengen die zugesetzten Mengen.
Die übliche Methode für den Zusatz von Bor war folgende :
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<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> in <SEP> 0f0 <SEP>
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+AITi/AI
<tb> 1. <SEP> 0, <SEP> 21 <SEP> 0, <SEP> 73 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 9, <SEP> 40 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 1, <SEP> 47 <SEP> 5, <SEP> 20 <SEP> 3, <SEP> 08 <SEP> 3, <SEP> 79 <SEP> 6, <SEP> 87 <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 2. <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP> 0, <SEP> 68 <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 10, <SEP> 2 <SEP> 19, <SEP> 7 <SEP> 1, <SEP> 36 <SEP> 5, <SEP> 10 <SEP> 3, <SEP> 86 <SEP> 4, <SEP> 10 <SEP> 7, <SEP> 96 <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 3. <SEP> 0,20 <SEP> 0,78 <SEP> 0,38 <SEP> 9,70 <SEP> 19,7 <SEP> 1,64 <SEP> 5,25 <SEP> 4,42 <SEP> 5,07 <SEP> 9,49 <SEP> 0,9
<tb>
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EMI2.5
<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spannungs/Bruch- <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Zugversuche
<tb> Nr.
<SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> und <SEP> 980 C <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung, <SEP> Zerreissfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> in <SEP> %
<tb> Stunden <SEP> 01 <SEP> p <SEP> kg/mm2 <SEP> 4 <SEP> Fläche
<tb> 1. <SEP> 21 <SEP> ; <SEP> 15 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP> ;, <SEP> 2, <SEP> 9 <SEP> 82, <SEP> 2 <SEP> 6, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 2. <SEP> 37 <SEP> ; <SEP> 36 <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 92, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3. <SEP> l'1 <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> ; <SEP> 1, <SEP> S <SEP> 48, <SEP> 5 <SEP> - <SEP>
<tb>
Beispiel 2 zeigt die Wirkung der Veränderung des Verhältnisses von Titan : Aluminium, während der Gehalt an Titan + Aluminium im wesentlichen konstantgehalten wurde. Bei der Tabelle 3
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<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> in"/o
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr, <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+AITi./AI <SEP> B
<tb> - <SEP> 4. <SEP> 0,20 <SEP> 0,78 <SEP> 0,43 <SEP> 10,2 <SEP> 20,4 <SEP> 1,56 <SEP> 5,05 <SEP> 2,30 <SEP> 6,40 <SEP> 8,70 <SEP> 0,4 <SEP> 0,01
<tb> 5. <SEP> 0,20 <SEP> 0,50 <SEP> 0,36 <SEP> 10,6 <SEP> 21,2 <SEP> 1,09 <SEP> 5,22 <SEP> 3,75 <SEP> 5,10 <SEP> 8,85 <SEP> 0,7 <SEP> 0,01
<tb> 6. <SEP> 0,23 <SEP> 0,73 <SEP> 0,43 <SEP> 10,0 <SEP> 20,1 <SEP> 1,47 <SEP> 5,15 <SEP> 5,11 <SEP> 3,77 <SEP> 8,88 <SEP> 1,4 <SEP> 0,01
<tb> 7. <SEP> 0,21 <SEP> 0,68 <SEP> 0,35 <SEP> 10,3 <SEP> 20,7 <SEP> 1,52 <SEP> 5,19 <SEP> 6,50 <SEP> 2,15 <SEP> 8,65 <SEP> 3,0 <SEP> 0,01
<tb>
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schem Futter geschmolzen.
Die Temperatur wurde auf 1560 C eingestellt, und die Schmelze wurde zunächst mit Silizium und Mangan und danach mit Kalzium in Form von Kalziumsilizid, das 30 Gew. 3J/0 Kalzium enthielt, desoxydiert, so dass die Menge des zugesetzten Kalziums 0, 03'/o des Gewichtes der Legierung betrug. Nach Abschluss der Desoxydation wurde die Oberfläche von der Schlacke befreit und Bor als Mangan-Bor, das 20 Gew.-/o Bor enthielt, auf die Oberfläche der Schmelze gebracht. Man liess diesen Zusatz sich auflösen und vergoss dann sofort das Metall.
Die Zusammensetzungen der Legierungen ist in der jeweils ersten Tabelle und die Prüfungsergebnisse sind in der nächsten Tabelle angegeben. Der Rest bei jeder der Legierung ist Nickel.
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freien Legierungen, während das Verhältnis von Titan zu Aluminium im wesentlichen konstantgehalten wurde. Die Legierungen Nr. 1 und 2 entsprechen der Erfindung, während in der Legierung Nr. 3 der Gehalt an Al + Ti zu hoch ist.
Legierung Nr. 4 war das Verhältnis zu niedrig, und bei der Legierung Nr. 7 zu hoch. Zu jeder Legierung wurde 0,01% Bor zugesetzt.
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<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spannungs/Bruch-Ergebnisse <SEP> der <SEP> Zugversuche
<tb> Nr. <SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> und <SEP> 980 C <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung, <SEP> Zerreissfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> in <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Stunden <SEP> % <SEP> kg/mm2 <SEP> 4#Fläche
<tb> 4 <SEP> 16 <SEP> 4,1 <SEP> 80,0 <SEP> 3,4
<tb> 5 <SEP> 87 <SEP> ; <SEP> 118 <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> ; <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> 84, <SEP> 4 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 82 <SEP> ; <SEP> 27 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> -
<tb> 7 <SEP> 14 <SEP> ; <SEP> 18 <SEP> 11, <SEP> 4 <SEP> ;
<SEP> 10, <SEP> 4 <SEP> 95, <SEP> 2 <SEP> 6, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
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rung des Gehaltes an Titan + Aluminium in Legierungen, denen zo Bor zugesetzt wurde, wählend das Verhältnis von Titan : Aluminium im Tabelle 5
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<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> in <SEP> *Vo
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+AlTi/Al <SEP> B
<tb> 8. <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP> 0, <SEP> 50 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP> 10, <SEP> 6 <SEP> 21, <SEP> 3 <SEP> 1, <SEP> 41 <SEP> 5, <SEP> 06 <SEP> 3, <SEP> 18 <SEP> 4, <SEP> 30 <SEP> 7, <SEP> 48 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP>
<tb> 9. <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 10, <SEP> 3 <SEP> 21, <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 45 <SEP> 4, <SEP> 95 <SEP> 3, <SEP> 60 <SEP> 4, <SEP> 85 <SEP> 8, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP>
<tb> 10.
<SEP> 0, <SEP> 21 <SEP> 0, <SEP> 78 <SEP> 0, <SEP> 44 <SEP> 10, <SEP> 2 <SEP> 21, <SEP> 0 <SEP> 1, <SEP> 78 <SEP> 5, <SEP> 06 <SEP> 4, <SEP> 90 <SEP> 6, <SEP> 05 <SEP> 10, <SEP> 95 <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP>
<tb>
EMI3.5
EMI3.6
<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spannungs/Bruck- <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Zugversuche
<tb> Nr. <SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm <SEP> und <SEP> 980"C <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung <SEP> Zerreissfähigkeit <SEP> Dehnung <SEP> in"/
<tb> Stunden <SEP> 0/0 <SEP> kg/mm2 <SEP> 4#Fläche
<tb> 8 <SEP> 55 <SEP> ; <SEP> 52 <SEP> 5,8; <SEP> 5,5 <SEP> 89,4 <SEP> 7,9
<tb> 9 <SEP> 122 <SEP> ; <SEP> 113 <SEP> 5, <SEP> 7 <SEP> ; <SEP> 7, <SEP> 2- <SEP>
<tb> 10 <SEP> 35 <SEP> ; <SEP> 23 <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP> ;
<SEP> 2, <SEP> 8 <SEP> 46, <SEP> 6 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
EMI3.7
Borgehaltes bei im wesentlichen konstantgehaltenem Gehalt an Titan + Aluminium und beim im wesentlichen gleichen Verhältnis von Titan : Tabelle 7
EMI3.8
<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> into
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+al <SEP> Ti/Al <SEP> B
<tb> 11. <SEP> 0, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 64 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 10, <SEP> 1 <SEP> 20, <SEP> 6 <SEP> 1, <SEP> 54 <SEP> 4, <SEP> 95 <SEP> 3, <SEP> 90 <SEP> 5, <SEP> 05 <SEP> 8, <SEP> 95 <SEP> 0, <SEP> 8 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb> 12. <SEP> 0,20 <SEP> 0,60 <SEP> 0,41 <SEP> 10,1 <SEP> 20,2 <SEP> 1,59 <SEP> 4,49 <SEP> 3,77 <SEP> 5,10 <SEP> 8,87 <SEP> 0,7 <SEP> 0,1
<tb>
Tabelle 8
EMI3.9
<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spannungs/BruchNr. <SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> ud <SEP> 980 C
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung,
<tb> Stunden <SEP> 0/0
<tb> 11 <SEP> 77 <SEP> ; <SEP> 81 <SEP> 5, <SEP> 4 <SEP> ; <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 12 <SEP> 89 <SEP> ;
<SEP> 90 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> ; <SEP> 5, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
wesentlichen konstantgehalten wurde. Bei der Legierung Nr. 10 war der Gehalt an Titan + Alu- minium zu hoch. Aluminium wurde durch den Vergleich der Legierungen Nr. 2 und 5 mit den Legierungen Nr. 11 und 12 gezeigt.
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Beispiel 5 : Die Wirkung verschiedener Gehalte an Titan + Aluminium bei Einhaltung des Verhältnisses von Titan : Aluminium auf im wesentlichen konstanter Grösse in Legierungen, Tabelle 9
EMI4.1
<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> into
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+AITi/AI <SEP> B
<tb> 13. <SEP> 0,22 <SEP> 0,62 <SEP> 0,42 <SEP> 10,2 <SEP> 20,0 <SEP> 1,47 <SEP> 5,20 <SEP> 3,22 <SEP> 4,28 <SEP> 7,50 <SEP> 0,8 <SEP> 0,1
<tb> 14. <SEP> 0,20 <SEP> 0,73 <SEP> 0,46 <SEP> 10,3 <SEP> 19,9 <SEP> 1,80 <SEP> 4,41 <SEP> 4,85 <SEP> 5,75 <SEP> 10,60 <SEP> 0,8 <SEP> 0,1
<tb>
Tabelle 10
EMI4.2
<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spal1Ilungs/BruchNr. <SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> und <SEP> 9800 <SEP> C <SEP>
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung,
<tb> Stunden <SEP> %
<tb> 13 <SEP> 35 <SEP> ; <SEP> 31 <SEP> 6,6; <SEP> 3,4
<tb> 14 <SEP> 24 <SEP> ; <SEP> 3 <SEP> 3, <SEP> 9 <SEP> ; <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP>
<tb>
Beispiel 6 :
Die Wirkung des Desoxydierens mit Kalzium wird an den Legierungen Nr. 15 und 16 gezeigt. Bei der Herstellung der Legierung Nr. 15 wurde die übliche Methode für den Zusatz von Bor durch Weglassen des Tabelle 11
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<tb>
<tb> Leg.
<tb>
Nr. <SEP> Chemische <SEP> Zusammensetzung <SEP> in"/o
<tb> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> Cr <SEP> Co <SEP> Fe <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Ti+AITi/Al <SEP> B
<tb> 15. <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 58 <SEP> 0, <SEP> 42 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP> 20 <SEP> 1, <SEP> 51 <SEP> 5, <SEP> 04 <SEP> 4, <SEP> 23 <SEP> 4, <SEP> 88 <SEP> 9, <SEP> 11 <SEP> 0, <SEP> 96 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP>
<tb> 16. <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 48 <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP> 10, <SEP> 2 <SEP> 21, <SEP> 4 <SEP> 1, <SEP> 44 <SEP> 5, <SEP> 05 <SEP> 3, <SEP> 78 <SEP> 5, <SEP> 30 <SEP> 9, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP>
<tb>
EMI4.4
EMI4.5
<tb>
<tb> Leg. <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Spannungs/Bruch- <SEP> Ergebnisse <SEP> der <SEP> Zugversuche
<tb> Nr.
<SEP> Versuche <SEP> bei <SEP> 11 <SEP> kg/mm2 <SEP> und <SEP> 9800 <SEP> C <SEP> bei <SEP> Raumtemperatur
<tb> Lebensdauer, <SEP> Bruchdehnung, <SEP> Zerreissfestigkeit <SEP> Dehnung'in <SEP> 0/0 <SEP>
<tb> Stunden <SEP> % <SEP> kg/mm2 <SEP> 4#Fläche
<tb> 15 <SEP> 48 <SEP> ; <SEP> 66 <SEP> 2,8; <SEP> 2,7 <SEP> 83,2 <SEP> 6,8
<tb> 16 <SEP> 149 <SEP> ; <SEP> 120 <SEP> 7, <SEP> 0 <SEP> ; <SEP> 7, <SEP> 1 <SEP> 91, <SEP> 0 <SEP> 7, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
Die Giesseigenschaften der Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung sind sowohl im Hinblick auf die Fliessfähigkeit wie hinsichtlich der Gestaltung einer befriedigenden Formkontur als sehr gut zu bezeichnen.
Dies ist bei Legierungen mit derartig hohen Gehalten an Titan + Aluminium überraschend, da unter gleichen Bedin- gungen im allgemeinen die Meinung herrschte, dass eine Erhöhung der Anteile an diesen Elementen eine ungünstige Wirkung auf die Giesseigenschaften ausübe. denen 0,1% Bor zugesetzt wurde, ist dargestellt durch den Vergleich der Legierung Nr. 12 mit den Legierungen Nr. 13 und 14 wie folgt : Zusatzes von Kalzium geändert, während die Legierung Nr. 16 nach der genormten Methode hergestellt wurde ; d. h. mit Desoxydation durch Kalzium.
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