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Niob-Wolfram-Legierung
Die Erfindung bezieht sich auf in der Praxis herstellbare, oxydationsbeständige Niob-Wolfram-Legierun- gen mit ausserordentlich hoher Kriechgrenze und guter Dehnbarkeit bzw. Zähigkeit bei niederer Temperatur.
Die hohe Schmelztemperatur des metallischen Elementes Niob hat in jüngster Zeit dieses Element zu einer häufig gewählten Grundlage bei der Entwicklung von Legierungen gemacht. Viele dieser neu entwickelten Niobbasislegierungen sind jedoch sehr spröde und lassen die Festigkeit und Dehnbarkeit vermissen, die für die praktische Erzeugung und für die Verwendung als hochtemperaturbeständige Gegenstände notwendig sind, wenn auch die Oxydationsbeständigkeit dem metallischen Niob gegenüber bedeutend verbessert worden ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine in der Praxis leicht herstellbare Legierung auf Niobbasis mit bei Temperaturen von etwa 1205 C guter Oxydationsbeständigkeit und Festigkeit zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Niob-Wolfram-Legierung mit einem kleineren Anteil an Kohlenstoff vor und ist durch einen Gehalt von 5 bis 25 Gew.-% Wolfram, 0, 5-3 Gew.-% Zirkonium und/oder Hafnium, 0, 01-0, 30 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Niob sowie durch ein Atomverhältnis von Zirkonium und/oder Hafnium zu Kohlenstoff von 0, 5-3, 0 gekennzeichnet.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Zirkonium-und/oder Hafhium- gehalt der Legierung 0, 5-2, 0 Gew.-%, der Wolframgehalt 20 Gew.-%, wobei das Atomverhältnis von Hafnium bzw. Zirkonium zu Kohlenstoff bei 0, 5-1, 5 liegt.
Die angeschlossene Zeichnung enthält eine graphische Darstellung der Kriechgeschwindigkeiten von Legierungen, die sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass nicht nur eine Erhöhung der Festigkeit und Dehnbarkeit in Niobbasislegierungen, die Zirkonium und Kohlenstoff enthalten, herbeigeführt werden kann, sondern dass auch eine unerwartet bedeutsame Beziehung zwischen den Elementen Zirkonium oder Hafnium und Kohlenstoff bei Zirkonium- oder Hafniumzusätzen von bis zu 3 Gew.-% besteht.
Es liegen zwei Hauptfaktoren vor, die zu der bedeutsamen Verbesserung der Festigkeit von Legierungen auf Niobbasis beitragen. Der eine dieser Faktoren ist die Regelung der Atomverhältnisse der karbidbildenden Elemente und des Kohlenstoffes, die zur Erzielung der Dispersionsverfestigung, also zur Stabilitätserhöhung verwendet werden. Es wurde gefunden, dass diese Regelung über ausgeprägte enge Zusammensetzungsbereiche erfolgen muss, um optimale Werte hinsichtlich der Dehnbarkeit und der Dispersionsverfestigung in Gegenwart von Zirkoniumkarbid oder Hafniumkarbid zu erzielen. Bei einem Atomverhältnis von Zirkonium und/oder Hafnium zu Kohlenstoff von weniger als 0, 5 ist zu viel freier Kohlenstoff verfügbar und die Dehnbarkeit der Legierung wird drastisch beeinflusst.
Ist anderseits das Atomverhältnis grösser als 3, dann ist zuviel freies Hafnium oder Zirkonium verfügbar, was auf die Festigkeit der Legierung ähnliche nachteilige Wirkungen hat.
Der zweite Faktor ist die Beschaffenheit der primär vorhandenenen festen Lösung beim Zulegieren eines oder mehrerer Zusätze. Da die Kriechgeschwindigkeit bei erhöhter Temperatur durch die Geschwindigkeit der Verschiebung bzw. des Verlagerungsanstieges rund um die Korngrenzen bzw. an Sperrkörpern, wie z. B. an dispergierten Karbiden beeinflusst wird, welche Geschwindigkeit ihrerseits durch die Geschwindigkeit der Leerstellendiffusion kontrolliert wird, wäre die am meisten kriechbeständige Legierung jene, in welcher die Atombeweglichkeit (Leerstellenbeweglichkeit) in der Grundmasse (Matrix) ein Minimum ist.
Da die Geschwindigkeit der Atombeweglichkeit in Metallen mit zunehmendem Schmelzpunkt abnimmt, wurde gefunden, dass Wolfram ein einzigartiger, besonders geeigneter Legierungszusatz ist, weil der Schmelzpunkt um 9, 7 C je Atomprozent des zugefügten Wolframs erhöht wird.
Wie vorstehend ausgeführt, muss der Gehalt und das Atomverhältnis von Hafnium oder Zirkonium und von Kohlenstoff entsprechend eingestellt werden, vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa 0, 5-1, 5. In der folgenden Tabelle 1 sind die Werte für eine Legierung auf Niobbasis mit 20 Gew.-% Wolfram angegeben, die die Elemente Zirkonium und Kohlenstoff in wechselnden Mengen enthält, wodurch man innerhalb eines verhältnismässig engen Zusammensetzungsbereiches eine ausgeprägte Variation
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sowohl bei der Kriechgeschwindigkeit als auch bei der Dauer der Beanspruchung bis zum Bruch erzielt. Die Versuche wurden im Vakuum bei mindestens 5 x 10-4 mm Hg ausgeführt, wobei sich alle Legierungen im warmbearbeiteten (geschmiedeten) Zustande befanden.
Tabelle 1
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<tb>
<tb> Wirkung <SEP> des <SEP> Zr/C-Atomverhältnisses <SEP> auf <SEP> eine <SEP> Nb-Basislegierung <SEP> mit <SEP> 20% <SEP> W
<tb> Legierungszusätze <SEP> Dauer <SEP>
<tb> I <SEP> (Gew.-%) <SEP> -Z <SEP> C-At <SEP> biszumBruch <SEP> I <SEP> KriechgeVersuch <SEP> Zr/C-Atom- <SEP> (1093 <SEP> C/ <SEP> schwindigkeit
<tb> verhältnis <SEP> 2461 <SEP> kg/cm2) <SEP> (% <SEP> je <SEP> h)
<tb> c <SEP> Zr <SEP> h <SEP>
<tb> AS <SEP> 21 <SEP> 0, <SEP> 01-0 <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP>
<tb> 22 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 6, <SEP> 6 <SEP> 8 <SEP> 0, <SEP> 52 <SEP>
<tb> 25 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 2, <SEP> 2 <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 26 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 35 <SEP> 140 <SEP> 0, <SEP> 020 <SEP>
<tb> 27 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 67 <SEP> 210 <SEP> 0,
<SEP> 015 <SEP>
<tb> 28 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 34 <SEP> 83 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP>
<tb> 23 <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 13, <SEP> 3 <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP>
<tb> 29 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 7 <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 22 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 1, <SEP> 35 <SEP> 790 <SEP> 0, <SEP> 0034 <SEP>
<tb> 31 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 67 <SEP> 1100 <SEP> 0, <SEP> 0024 <SEP>
<tb> 32 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> 77 <SEP> 0, <SEP> 055 <SEP>
<tb> 24 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 13, <SEP> 3 <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP>
<tb> 65 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 2, <SEP> 7 <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 11 <SEP>
<tb>
Die Beispiele AS 26,27, 30 und 31,
die innerhalb des bevorzugten Bereiches des Zr-/C-Atomverhältnisses der vorliegenden Erfindung liegen, zeigen klar den unerwarteten Anstieg der Beanspruchungsdauer bis zum Bruch bei hoher Temperatur und der Abnahme der Kriechgeschwindigkeit gegenüber gleichartigen Legierungen ausserhalb des Bereiches dieser Erfindung. Ähnliche Legierungen AS 25,28, 29,32, und 65 zeigen eine Verbesserung gegenüber der Kriechgeschwindigkeit von Legierungen ausserhalb des Erfindungsbereiches, obgleich die Kombination von erhöhter Dauer bis zum Bruch und Kriechgeschwindigkeit nicht so bedeutend ist wie im bevorzugten Bereich.
Aus Tabelle 1 ist leicht zu erkennen, dass zur Erzielung einer guten Beanspruchungsdauer bis zum Bruch und einer guten Kriechgeschwindigkeit in Fällen, wo der beabsichtigte Gebrauch solche Eigenschaften verlangt, dass Zr/C-Atomverhältnis innerhalb des bevorzugten kritischen Bereiches von etwa 0, 5-1, 5 gehalten werden muss.
Wenn die Dehnbarkeit bei Raumtemperatur ein Problem darstellt, dann soll genügend viel Zirkonium vorhanden sein, damit es sich nicht nur mit dem zugesetzten Kohlenstoff verbinden kann, sondern auch
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gleich zwischen Kriechverhalten und Dehnbarkeit bei niederer Temperatur bei einem Zirkoniumgehalt von 1-2% und einem Zr/C-Atomverhältnis von etwas mehr als 1, 0 erreicht wird.
Der bevorzugte Gehalt an Zirkonium liegt bei der erfindungsgemässen Legierung zwischen 0, 5 und 2, 0 Gew.-%, doch beträgt der maximal zulässige Gehalt an Zirkonium etwa 3 Gew.-% ; oberhalb dieser Konzentration würde eine aus zwei Phasen bestehende Legierung entstehen, die aber vom Standpunkt der praktischen Erzeugungsmöglichkeit aus unerwünscht ist.
Obwohl der Legierungszusatz von Wolfram mit 20 Gew.-% bevorzugt wird, erweist sich auch eine höhere Konzentration bis zu 25 Gew.-% als brauchbar, wodurch man eine etwas festere Legierung erzielt, wenngleich sie eine merklich niedrigere Dehnbarkeit besitzt.
In den folgenden Tabellen 2 und 3 sind einige der besonders bevorzugten Formen der Legierungen und deren ungewöhnliche, für besonders erhöhte Temperaturbeanspruchung geltenden Eigenschaften hinsichtlich Bruch- und Zugfestigkeit zusammengefasst.
Tabelle 2
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<tb>
<tb> Bruchfestigkeit <SEP> (kg/cm2) <SEP> nach <SEP> 100 <SEP> :' <SEP> Beanspruchung
<tb> Beispiel
<tb> j <SEP> 1093 C <SEP> 1 <SEP> 1205 C <SEP>
<tb> AS <SEP> 26 <SEP> 2531 <SEP> 1547
<tb> 27 <SEP> 2601 <SEP> 1687
<tb> 30 <SEP> 3024. <SEP> 2180 <SEP>
<tb> 31 <SEP> 3305
<tb>
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<tb>
<tb> Zusammensetzung <SEP> in <SEP> Gew.-% <SEP> (Rest <SEP> Nb) <SEP> Zugfestigkeit <SEP> (kg/cm2
<tb> Beispiel <SEP> Zr/C <SEP> bei <SEP> 1205 <SEP> C)
<tb> W <SEP> Zr <SEP> C
<tb> AS <SEP> 66 <SEP> 20 <SEP> 2,0 <SEP> 0,2 <SEP> 1,35 <SEP> 5147
<tb> 30 <SEP> 20 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP> 1, <SEP> 35 <SEP> 4725 <SEP>
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Niob-Wolfram-Legierung mit einem kleinen Anteil an Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, dass sie 5-25 Gew.-% Wolfram, 0,5-3 Gew.-% Zirkonium und/oder Hafnium und 0, 01-0, 30 Gew.-% Kohlenstoff, wobei das Atomverhältnis von Zirkonium und/oder Hafnium zu Kohlenstoff von 0, 5 bis 3, 0 beträgt, Rest Niob enthält.