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Nickel-Chrom-Kobalt-Titan-Aluminiumle gierungen
Es sind hitzebeständige und dauerstandsfeste Legierungen auf der Basis Nickel-Chrom und NickelChrom-Eisen bekannt, welche Titan und Aluminium zwecks Bildung einer ausscheidungsfähigen Phase der Art Ni/ (Ti, Al) und auch Molybdän enthalten. Bei den meisten Legierungen dieser Art wurde jedoch festgestellt, dass deren Dehnbarkeit mit steigender Temperatur und im allgemeinen bis zu einem Mini- mum bei Temperaturen zwischen 700 und 8500C abnimmt. Während diese Legierungen als dünnes Blech, das nicht mehr als 3 1/2 mm dick ist, geschweisst werden kann, nimmt die Dehnbarkeit der geschweissten Verbindungen in diesem Temperaturbereich in einem sogar grösseren Ausmass ab und ihre Dehnung kann im Warmzerreissversuch unter das erforderliche Minimum von 5 oder 71o fallen.
Um diesen Verlust an Dehnbarkeit zu überwinden, ist es bisher notwendig gewesen, nach dem Schweissen Wärmebehandlungen bei hoher Temperatur vorzunehmen. Die Schwierigkeit in der Herstellung von Schweissverbindungen ist aber insbesondere dann gegeben, wenn die Legierungen in Blechform vorliegen und zur Herstellung von Bestandteilen, wie Düsenrohre für Flugzeuggasturbinen, verwendet werden, weil bei den für die Wärmebehandlung erforderlichen hohen Temperaturen diese Teile zum Knicken oder Verziehen neigen. Überdies ist es oft schwierig oder unmöglich, nach dem Schweissen eine Wärmebehandlung vorzunehmen, wenn die Bestandteile im Verkehr unter Bedingungen repariert werden sollen, wo Einrichtungen für die Wärmebehandlung im grossen Massstab nicht verfügbar sind.
In dickeren Querschnitten und unter meist schwierigeren Bedingungen und Temperaturen, wie solche beim Sigma-Schweissverfahren (mit einer durch Argon geschützten-verbrauchbaren Elektrode) vorhanden sind, hat sich das Schweissen bisher als völlig undurchführbar erwiesen.
Gegenstand der Erfindung sind hitzebeständige und dauerstandsfeste Legierungen mit verbesserter Schweissbarkeit, welche ihre Festigkeit und Dehnbarkeit nach dem Schweissen durch eine einfache Wärmebehandlung oder selbst ohne eine solche nach dem Schweissen weitgehend beibehalten.
Üblicherweise werden Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen an der Luft geschmolzen und die Schmelze durch Zugabe von Magnesium oder/und Kalzium desoxydiert, so dass geringe Mengen dieser Elemente z. B. 0, 008-0, 012% nach ihrem Erstarren in der Legierung verbleiben.
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass sogar diese geringen Mengen von Kalzium und Magnesium eine besondere Wirkung hervorrufen, welche sowohl das Rissigwerden des geschweissten Metalles als auch dessen Sprödigkeit verursachen, wenn die Legierungen geschweisst werden. Gemäss einem Merkmal der Erfindung soll die Gesamtmenge'dieser Elemente unter 0, 005%, vorzugsweise unter 0, 004% oder sogar unter 0, 003go betragen.
Um die Kalzium-und Magnesiumgehalte auf dieser sehr geringen Höhe zu halten, sollen die verwendeten Rohstoffe und insbesondere die Schrottart sorgfältig ausgewählt werden. Anderseits ist die Gegenwart von geringen Mengen von Kalzium oder Magnesium oder beiden notwendig, um die Bildung eines Oxydfilms auf den Gussblöcken und auf dem zu schweissenden Metall zu verhindern und demzufolge ungesunde Schweissungen zu vermeiden. Es ist jedoch meist unvermeidlich, dass solche geringe Mengen von etwa 0,0005 bis 0, 001% durch die Rohstoffe in die Legierung eingebracht werden, so dass im allgemeinen eine Zugabe dieser Elemente nicht erforderlich ist. Sollen jedoch Zugaben von Kalzium oder Magnesium während des Schmelzens erwünscht sein, können diese als Kalziumsilizid oder Nickel-Magnesium zugesetzt werden.
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Um zu gewährleisten, dass die Legierungen in dicken Querschnitten schweissbar sind und auch eine hohe Festigkeit und Dehnbarkeit sowohl im Körper als auch in der Schweisszone bei hohen Temperaturen besitzen, müssen die Gehalte der andern Legierungsbildner innerhalb enger Grenzen beachtet werden.
Die erfindungsgemässen Legierungen enthalten zusätzlich zu den oben genannten Kalzium-oder/und Magnesiummengen 18-22% Chrom, 10-20% Kobalt, 3-5, 5% Molybdän, 0, 04-0, 1% Kohlenstoff, 2 bis
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enthalten, ohne dass diese Elemente irgend einen besonderen Einfluss auf die Eigenschaften der Legierungen ausüben.
Der Kohlenstoffgehalt der Legierungen soll so gering als möglich sein, um ihre optimale Dauerstandsfestigkeit zu gewährleisten. Anderseits ist eine geringe Menge an Kohlenstoff wesentlich, um die Dehnbarkeit der Schweissungen zu gewährleisten. In der Praxis kann ein befriedigender Kompromiss zwischen diesen gegenteiligen Erfordernissen durch einen Kohlenstoffgehalt von 0, 05 bis 0, 08ale gefunden werden.
Kobalt härtet die Grundmasse der Legierungen und erhöht deren Dauerstandsfestigkeit bei hohen Temperaturen. Zur Erzielung einer optimalen Dehnbarkeit soll der Kobaltgehalt 15% nicht übersteigen, weil über 20% desselben deren Oxydationsbeständigkeit zum Abfallen neigt.
Die wesentlich verfestigenden Zusätze zur Legierung sind Titan und Aluminium.
Die verfestigende Wirkung dieser Elemente steigt mit fortschreitenden Zusätzen, jedoch wird die Dehnung der Legierungen bei hohen Temperaturen im gleichen Sinne vermindert, wobei die Verluste an Dehnbarkeit in der Schweisszone wesentlich bedeutender sind als im Legierungskörper. Der Gesamtgehalt dieser Elemente soll daher auf den engen Bereich von 2,75 bis 3, 5% beschränkt werden und soll insbesondere 3, 1% nicht übersteigen. Ausserdem muss das Ti/Al-Verhältnis zwischen 1, 75 und 2, 8 liegen. Eine Erhöhung des Ti/Al-Verhältnisses bei einem gegebenen Gehalt an Ti+Al bewirkt eine Erhöhung der Dehn- barkeit. Ist dieses Verhältnis zu niedrig, ist die Dehnbarkeit unzulänglich ; ist es zu hoch, bildet sich eine spröde Phase.
Bor und Zirkon begünstigen die Dauerstandsfestigkeit und Dehnbarkeit der Legierungen bei hohen Temperaturen. Der zulässige Bereich der Borgehalte ist jedoch äusserst eng, weil überraschenderweise gefunden wurde, dass der Borgehalt sehr gering sein muss, wenn'die Legierungen schweissbar sein sollen.
Übersteigt somit der Borgehalt 0, 004%, dann neigen die Legierungen beim Schweissen insbesondere dicker Querschnitte, das sind jene, welche grösser als ungefähr 5 mm sind, zum Reissen. Um zu gewährleisten, dass der Höchstgehalt an Bor 0, 0040/0 nicht übersteigt, soll dafür gesorgt werden, dass das Futter des für das Schmelzen der Legierungen verwendeten Ofens frei von Bor ist. Die gewünschte Zugabe wird dann vorzugsweise in Form einer Legierung vorgenommen, die einen geringen Anteil an Bor besitzt ; z. B. als eine 4% Bor und 96% Nickel-enthaltende Legierung, die ein meist quantitatives Einbringen des Bors ermöglichst.
Wenn mehr als 0, 1% Zirkon anwesend ist, ist es meist unmöglich, die Legierungen zu schweissen, ohne dass sie aufreissen ; sogar bei geringeren Querschnitten als 5 mm.
Molybdän trägt im besonderen zu den gewünschten Eigenschaften der Legierungen bei, weil bei'seiner Abwesenheit die Legierungen beim Schweissen dicker Querschnitte aufreissen, selbst wenn sie Kalzium,
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wenn eine Srumpfschweissung zwischen zwei 16 mm dicken Platten im Sigmaverfahren hergestellt wird.
Anderseits können in molybdänfreien Legierungen bei Abwesenheit von Bor oder Zirkon viel höhere Gehalte an Kalzium und Magnesium, insbesondere 0, 0021o zugelassen werden, ohne dass ein Reissen in ähnli- chen Schweissungen erfolgt ; die Festigkeit dieser Legierungen ist jedoch niedriger, als wenn Bor und Zirkon anwesend sind.
Abgesehen davon, dass eine bessere Schweissbarkeit bei Anwesenheit von Bor und Zirkon gegeben ist, erhöht das Molybdän die Festigkeit der Legierungen, gemessen an ihrer Lebensdauer, auf einen Wert, der anderseits nur durch eine Erhöhung des Titan- und Aluminiumgehaltes erreicht wird; bei dem aber ein bemerkenswerter Verlust an Dehnbarkeit bei hohen Temperaturen eintritt.
Um diesen Vorteil zu erzielen, müssen mindestens 3% Molybdän anwesend sein. Weil aber erhöhte Molybdänmengen den Korrosionswiderstand der Legierungen vermindern, sollen diese 5, 5% nicht übersteigen. So wurde festgestellt, dass der optimale Gehalt zwischen 4,0 und 4, 5% gelegen ist. Das Molybdän kann ganz oder teilweise durch gleiche Atomprozente Wolfram ersetzt werden.
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Unter praktischen Bedingungen ist Silizium, Mangan und Eisen im allgemeinen als Verunreinigung anwesend, weil diese Elemente nicht absichtlich der Schmelze zugesetzt werden. Zur Erzielung der besten Schweisseigenschaften ist der Siliziumgehalt vorzugsweise mit unter 0"Wo begrenzt.
Die Legierungen sollen möglichst frei von Spuren anderer Elemente sein, weil diese die Dehnbarkeit bei hohen Temperaturen vermindern würden ; um diese Elemente zu entfernen und die grösstmögliche Reinheit der Legierungen zu gewährleisten, sollen diese im Vakuum geschmolzen und vorzugsweiseauchim Vakuum vergossen werden. Um die grösste Festigkeit und Dehnbarkeit der mit den Legierungen vorgenommenen Schweissungen zu erzielen, sollen die Legierungen im vollständig geschmolzenen Zustand einige Zeit im Vakuum gehalten werden. Die Haltezeit beträgt vorzugsweise mindestens 10 min, insbesondere 10 - 30 min, bei mindestens 15000C und einem Druck unter 0,5 mm Hg. S.
Zur Erzielung der besten Eigenschaften der Legierungen müssen sie durch ein Lösungsglühen bei 1050 bis 1150 C und darauffolgende Luftabkuhlung wärmebehandelf werden. Die Dauer des Erhitzens hängt von der Querschnittsform ab und kann 2 - 30 min für Querschnitte bis zu 5 mm und 2 - 8 h für dickere Querschnitte betragen. Diese Behandlung soll von einem Auslagern bei 650 - 8500C durch 2 - 16 h gefolgt sein. Wenn die Legierungen geschweisst werden, soll das Lösungsglülçen vor dem Schweissen durchgeführt werden ; ein Auslagern vor dem Schweissen ist nicht erforderlich. Nach dem Schweissen ist eine weitere Wärmebehandlung im allgemeinen nicht notwendig.
Wenn aber eine maximale Festigkeit gefordert wird, kann es wünschenswert sein, nach dem Schweissen ein Auslagern vorzunehmen, das in einem Erhitzen bei 650 - 9000C durch 2 - 16 h besteht ; vorzugsweise im höheren Teil dieses Temperaturbereiches.
Als Beispiel wurden vier Legierungen mit den in Zahlentafel I ersichtlichen Zusammensetzungen (in Gew.-%) hergestellt. Die Legierung Nr. 1 entspricht der Erfindung, während die Legierungen Nr. 2,3 und 4 ausserhalb derselben liegen.
Zahlentafel I
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<tb>
<tb> Legierung <SEP> Nr.
<tb>
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP>
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP>
<tb> Cr <SEP> 19,1 <SEP> 18,6 <SEP> 18,8 <SEP> 18,7
<tb> Co <SEP> 13, <SEP> 9 <SEP> 11, <SEP> 1 <SEP> 11, <SEP> 2 <SEP> 10, <SEP> 7 <SEP>
<tb> Mo <SEP> 5,0 <SEP> 5,02 <SEP> 5,03 <SEP> 4,62
<tb> Ti <SEP> 2, <SEP> 13 <SEP> 2,0 <SEP> 2, <SEP> 14 <SEP> 2,05
<tb> Al <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 0,77 <SEP> 1,08 <SEP> 0,95
<tb> Si <SEP> < 0, <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP> 0, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP>
<tb> Mn <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> < 0, <SEP> 03 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> < 0, <SEP> 02 <SEP>
<tb> B <SEP> 0,003 <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 001 <SEP> < 0, <SEP> 001 <SEP> < 0, <SEP> 001
<tb> Zr <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> < 0, <SEP> 02 <SEP>
<tb> Fe <SEP> Spur <SEP> 0, <SEP> 28 <SEP> 0,25 <SEP> 0, <SEP> 17 <SEP>
<tb> Ca <SEP> < <SEP> 0,
<SEP> 002 <SEP> < 0, <SEP> 002 <SEP> 0,002 <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 002
<tb> Mg <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 002 <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 002 <SEP> 0,002 <SEP> < <SEP> 0, <SEP> 002
<tb> Ni <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
Alle vier Legierungen wurden aus reinen Rohmaterialien ohne Schrottzugabe hergestellt. Die Legierung Nr. 1 wurde im Vakuum erschmolzen, im geschmolzenen Zustand durch 40 min bei einem Druck von 0,001 mm Hg. S. und bei einer Mindesttemperatur von 15000C gehalten und dann im Vakuum vergossen. Die Legierungen Nr. 2,3 und 4 wurden an der Luft erschmolzen, hierauf in den Vakuumofen gebracht, dort im geschmolzenen Zustand bei 1520 - 15800C und einem Druck von 0, 3 mm Hg.
S. durch 30 min gehalten und dann an der Luft vergossen.
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dingungen wieder geprüft, wobei die Last quer zur Schweissstelle angeordnet wurde. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Zahlentafel H aufgeführt.
Zahlentafel II
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<tb>
<tb> Legierung <SEP>
<tb> ungesNr. <SEP> Lebensdauer <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Dehnung <SEP> in% <SEP> Lebensdauer <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Dehnung <SEP> in <SEP> %
<tb> Bruch <SEP> in <SEP> Stunden <SEP> Bruch <SEP> in <SEP> Stunden
<tb> 1 <SEP> 220 <SEP> 4, <SEP> 1 <SEP> 198 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 177 <SEP> 3,9 <SEP> 36 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 122 <SEP> 4, <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 203 <SEP> 4, <SEP> 1 <SEP> 35 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Die Ergebnisse der Festigkeitsversuche an gleichen ungeschweissten und geschweissten Proben bei 750 C, bei denen die Last wieder quer zur Schweissstelle angeordnet war, sind in der Zahlentafel III aufgeführt.
Zahlentafel III
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<tb>
<tb> Legierung <SEP> Ungeschweisste <SEP> Proben <SEP> Geschweisste <SEP> Proben
<tb> Nr. <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Streckgrenze <SEP> Dehnung <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Streckgrenze <SEP> Dehnung
<tb> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> % <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> in'%
<tb> 1 <SEP> 72, <SEP> 3 <SEP> 53, <SEP> 5 <SEP> 11 <SEP> 75, <SEP> 5 <SEP> 51, <SEP> 9 <SEP> 9
<tb> 2 <SEP> 72, <SEP> 3'"56. <SEP> 6 <SEP> 9 <SEP> 61, <SEP> 2 <SEP> 45, <SEP> 5 <SEP> 5
<tb> 3 <SEP> 70,6 <SEP> 56,6 <SEP> 10 <SEP> 66,0 <SEP> 55,0 <SEP> 4
<tb> 4 <SEP> 58, <SEP> 1 <SEP> 39, <SEP> 3 <SEP> 17 <SEP> 67,6 <SEP> 51,9 <SEP> 5
<tb>
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