Iiobalt-Chrom-Eisen-Legierung. Die Erfindung bezieht sich auf eine Le gierung mit kleinem Wärmeausdehnungs- koeffizienten, welche in der Hauptsache Ko balt, Chrom und Eisen enthält. Die Legie rung ist auch sehr korrosionsbeständig und weist gute Giess- und Schmiedbarkeit auf.
Das bisher als die Legierung mit dem kleinsten Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannte Invar, welches aus 64% Eisen und 36 % Nickel besteht und dessen kleinster, linearer Wärmeausdehnungskoeffizient in angelassenem Zustande zirka 7.,2 X 10-6 be trägt, weist bei Temperaturschwankungen doch noch ziemlich grosse Längenänderungen auf. Zudem weist das Invar den Nachteil auf, dass es sehr schwer zu schmieden ist und keine guten mechanischen Eigenschaften be sitzt.
Gemäss .der vorliegenden Erfindung können die erwähnten Nachteile vermieden werden, und es können Legierungen erhal ten werden, welche in angelassenem Zu stande ,einen linearen Ausdehnungskoeffi- zienten zwischen dem negativen Wert - 3,0 X 10-b und dem positiven Wert + 10 X l0-6 besitzen. Die Legierungen sind leicht schmiedbar und weisen hervorragende me chanische Eigenschaften auf. Eine Legie rung gemäss dieser Erfindung kann durch Mischen der drei Elemente Kobalt, Chrom und Eisen in einer prozentualen Zusammen setzung von zirka 25 bis<B>90%</B> Kobalt, zirka 1 bis 25 % Chrom und dem Rest aus Eisen, erhalten werden.
Der oben erwähnte Kobalt gehalt kann teilweise bis zu 35 % durch Nik- kel ersetzt werden, so -dass eine billigere Le gierung erhalten wird, deren Eigenschaften nicht viel schlechter sind. Vorzugsweise be steht die Legierung aus 45 bis 65% Kobalt. 4 bis 15 % Chrom und dem Rest Eisen.
Wenn .der Legierung ein anderes Ele ment zugeführt wird, so nimmt der Wärme ausdehnungskoeffizient im allgemeinen zu. aber es kann eine geeignete Menge eines an dern Elementes zugefügt werden, so- dass der Koeffizient nicht verändert wird. Es kann daher nicht nur ein.- Ausdehnungskoeffizient gleich dem Nullwert (nach dem Anlassen der Legierung), .sondern es können Legie rungen mit jedem beliebigen Ausdehnungs koeffizienten erzeugt werden.
Beim Mischen der oben erwähnten Me talle sollte,.um das beste Resultat zu erhal ten, vorteilhaft jedes Element so rein als möglich und in. einem nicht oxydierten Zu stand sein, um nicht Unreinheiten einzufüh ren. Das geschmolzene Metall kann in einen Tiegel von passender Form gegossen werden. Es kann jedoch auch zu Ingots gegossen und sodann bei Raum- oder höherer Tem peratur durch Schmieden oder Walzen in ge wünschte Farm gebracht werden. Wenn nötig, können die, wie oben beschrieben, er haltenen Gussstücke oder geschmiedeten Stücke der nachstehend beschriebenen Be handlung unterworfen werden.
Die Legierung wird längere Zeit auf eine hohe Temperatur, zum Beispiel 1100 , er hitzt und dann sehr langsam auf Raumtem peratur abgekühlt. Wenn es jedoch er wünscht ist, eine Legierung mit sehr gerin gem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der bei Raumtemperatur nur kleine Längenände rungen bedingt (eventuell auch negative Werte desselben) zu erhalten, wird die Le gierung nach dem Erhitzen auf die- hohe Temperatur abgeschreckt, oder einer mecha nischen Bearbeitung, zum Beispiel durch Walzen oder Schmieden bei Raumtempera tur unterzogen.
Die Legierung kann. auch beiden Behandlungen unterworfen werden. Wenn eine Legierung, die irgend einer der .drei oben beschriebenen Behandlungsarten unterworfen wurde, auf zirka 100 bis 500 erhitzt und dann sehr langsam, zum Beispiel im Verlaufe von zwei bis .drei Monaten, auf Raumtemperatur abgekühlt wird, so wird nicht nur .der Ausdehnungskoeffizient .der erhaltenen Legierung sehr klein, sondern auch die mit der Zeit sich einstellende Län genänderung wird verhältnismässig sehr klein.
Durch zweckmässige Regulierung der Reiztemperatur oder der Kühlgeschwindig keit während- den oben erwähnten Behand lungen kann eine Legierung, -deren Wärme ausdehnungskoeffizient den Nullwert er reicht, erhalten werden.
In der beiliegenden Zeichnung zeigt die Ordinate in Fig. 1 die Wärmeausdehnungs- koeffizienten von Invar und von beispiels weisen Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung in Funktion der Erwärmung; Fig. 2 zeigt in einer Kurve den Gewichts verlust einer Legierung gemäss Erfindung und von Invar durch Korrosion in Funktion der Zeit in Tagen.
Die Kurve A in Fig. 1 stellt den Wert des linearen Wärmeausdehnungskoeffizien- ten von angelassenem Invar, bestehend aus 64% Eisen und 36 % Nickel in Funktion der Temperatur in Grad Celsius dar, wäh rend ,die Kurven B und C den linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten je einer Legierung gemäss vorliegender Erfindung in Funktion .der Temperatur illustrieren.
Dabei enthält die eine Legierung (Kurve B) ge mäss der vorliegenden Erfindung<B>36,5%</B> Ei sen, 54% Kobalt und<B>9,5%</B> Chrom, die an dere Legierung (Kurve C) gemäss der vor liegenden Erfindung dagegen<B>37,5%</B> Eisen, 53,5 % Kobalt und 9 % Chrom; beide Legie rungen in angelassenem Zustande. Wie aus diesen Kurven ersichtlich ist, beträgt der kleinste bisher bekannte Ausdehnungskoeffi zient des Invar zirka 1,2 X 10-6, während .die Legierungen gemäss der vorliegenden Er findung bei Raumtemperatur einen Wert gleich Null oder einen negativen Wert für den Ausdehnungskoeffizienten ergeben. Die Kurve D stellt das Resultat dar, das erhal ten wird, wenn die Legierung gemäss Kurve B bei Raumtemperatur gewalzt wird.
Aus dieser Kurve ist sofort verständlich, dass durch mechanische Bearbeitung bei Raum temperatur der -#Värmeausdehnungskoeffi- zient verkleinert werden kann.
Die Korrosionsbeständigkeit der vorlie genden Legierung ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt, welche .das Resultat eines Korro- sionsversuches in einer Salzlösung (1/1o Mol. NaCl in einem Liter Wasser gelöst) zeigt. Die Gewichtsverminderung in Gramm pro Kubikzentimeter des Versuchsstückes ist auf der Ordinate, die Zahl .der Tage, während welcher .dasselbe in die Lösung eingetaucht war, auf der Abszisse eingetragen. Die Kurve E stellt das Resultat des Korrosionsver suches an Invar, bestehend aus 64% Eisen und<B>36%</B> Nickel, dar.
Es ist leicht ersicht lich, dass hier im Lauf der Zeit eine bedeu tende Gewichtsverminderung eingetreten ist. Anderseits zeigt eine Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung, bestehend aus 36,5 % Eisen, 54% Kobalt und 9,5% Chrom nach Ablauf gleich vieler Tage auch nicht die geringste Gewichtsverminderung, wie sich aus .dem Verlauf der Linie F ergibt. Es kann auch keine Änderung der Oberflächen- besehaffenheit beobachtet werden.
Die Härte der vorliegenden Legierung beträgt zirka 165 Brinell Einheiten, während diejenige von Invar nur zirka 140 Einheiten beträgt.
Obwohl die Legierung gemäss der vorlie genden Erfindung ohne weitere Zusätze her gestellt werden kann, können kleine Beträge von Mangan, Titan, Vanadium, Aluminium, Magnesium, Silizium, Bor als Zusätze zu den oben erwähnten Hauptelementen bei gefügt werden, um die Legierung zu ent- oxydieren und zu entschwefeln, zum Zwecke, einen reinen Ingot zu erhalten. Durch Zu- fiigen einer kleinen Menge von Kohlenstoff, Wolfram, Molybdän oder Kupfer zur Legie rung, können die mechanischen Eigenschaf ten verbessert werden.
Die Legierung gemäss der Erfindung ist leicht schmiedbar und weist nicht nur eine gute Bearbeitbarkeit innerhalb weiter Tem peraturgrenzen auf, sondern sie besitzt auch hervorragende mechanische Eigenschaften und, wie erwähnt, eine sehr hohe Korro- sionsbeständigkeit. Die Legierung kann da her in allen Gebieten, wo geringe Wärme ausdehnung, hervorragende mechanische Ei genschaften und Korrosionsbeständigkeit ge fordert wird, verwendet werden.
Beispielsweise kann die beschriebene Le gierung für Uhren, Thermostaten, Entfer nungsmesser und andere wissenschaftliche Instrumente, sowie für Längenmasse und Draht- und Blechlehren usw. verwendet wer den.
Iiobalt-chromium-iron alloy. The invention relates to an alloy with a low coefficient of thermal expansion, which mainly contains cobalt, chromium and iron. The alloy is also very corrosion-resistant and has good castability and forgeability.
The Invar, known so far as the alloy with the lowest coefficient of thermal expansion, which consists of 64% iron and 36% nickel and whose smallest, linear thermal expansion coefficient in the tempered state is about 7., 2 X 10-6, is still quite large with temperature fluctuations Changes in length. In addition, the Invar has the disadvantage that it is very difficult to forge and does not have good mechanical properties.
According to the present invention, the disadvantages mentioned can be avoided, and alloys can be obtained which, in the tempered state, have a linear expansion coefficient between the negative value −3.0 × 10-b and the positive value + 10 × Own l0-6. The alloys are easy to forge and have excellent mechanical properties. An alloy according to this invention can be obtained by mixing the three elements cobalt, chromium and iron in a percentage composition of approx. 25 to 90% cobalt, approx. 1 to 25% chromium and the remainder of iron will.
Up to 35% of the above-mentioned cobalt content can be replaced by nickel, so that a cheaper alloy is obtained, the properties of which are not much worse. Preferably the alloy consists of 45 to 65% cobalt. 4 to 15% chromium and the remainder iron.
If another element is added to the alloy, the coefficient of thermal expansion generally increases. but an appropriate amount of another element may be added so that the coefficient is not changed. Not only can a coefficient of expansion equal to zero (after the alloy has been tempered), but alloys with any expansion coefficient can be produced.
When mixing the above-mentioned metals, in order to obtain the best result, each element should advantageously be as pure as possible and in a non-oxidized state so as not to introduce impurities. The molten metal can be placed in a crucible of suitable size Mold to be poured. However, it can also be cast into ingots and then brought into the desired farm by forging or rolling at room temperature or higher. If necessary, the castings or forged pieces obtained as described above can be subjected to the treatment described below.
The alloy is heated to a high temperature, for example 1100, for a long time and then cooled very slowly to room temperature. However, if it is desired to obtain an alloy with a very low coefficient of thermal expansion, which causes only small changes in length at room temperature (possibly also negative values of the same), the alloy is quenched after heating to the high temperature, or a mecha niche processing, for example by rolling or forging at room temperature.
The alloy can. also be subjected to both treatments. If an alloy that has been subjected to any of the three types of treatment described above is heated to around 100 to 500 and then cooled very slowly, for example over the course of two to three months, to room temperature, not only the coefficient of expansion becomes The alloy obtained is very small, but the change in length that occurs over time is relatively very small.
By appropriate regulation of the stimulation temperature or the cooling speed during the treatments mentioned above, an alloy can be obtained whose thermal expansion coefficient reaches zero.
In the accompanying drawing, the ordinate in FIG. 1 shows the thermal expansion coefficients of Invar and of, for example, alloys according to the present invention as a function of heating; Fig. 2 shows a curve of the weight loss of an alloy according to the invention and of Invar due to corrosion as a function of time in days.
Curve A in Fig. 1 represents the value of the linear thermal expansion coefficient of tempered Invar, consisting of 64% iron and 36% nickel, as a function of the temperature in degrees Celsius, while curves B and C each represent the linear thermal expansion coefficient Illustrate alloy according to the present invention as a function of temperature.
One alloy (curve B) according to the present invention contains <B> 36.5% </B> iron, 54% cobalt and <B> 9.5% </B> chromium, the other alloy ( Curve C) according to the present invention on the other hand 37.5% iron, 53.5% cobalt and 9% chromium; both alloys in a tempered condition. As can be seen from these curves, the smallest known expansion coefficient of the Invar is approximately 1.2 X 10-6, while the alloys according to the present invention give a value equal to zero or a negative value for the expansion coefficient at room temperature. Curve D represents the result that is obtained when the alloy according to curve B is rolled at room temperature.
From this curve it is immediately understandable that the - # thermal expansion coefficient can be reduced by mechanical processing at room temperature.
The corrosion resistance of the present alloy is shown, for example, in FIG. 2, which shows the result of a corrosion test in a salt solution (1/10 mol. NaCl dissolved in one liter of water). The weight reduction in grams per cubic centimeter of the test piece is shown on the ordinate, the number of days during which it was immersed in the solution on the abscissa. Curve E shows the result of the corrosion test on Invar, consisting of 64% iron and <B> 36% </B> nickel.
It is easy to see that there has been a significant reduction in weight over time. On the other hand, an alloy according to the present invention, consisting of 36.5% iron, 54% cobalt and 9.5% chromium, does not show the slightest reduction in weight after the same number of days, as can be seen from the curve of line F. No change in the surface structure can be observed either.
The hardness of the present alloy is approximately 165 Brinell units, while that of Invar is only approximately 140 units.
Although the alloy according to the present invention can be produced without further additives, small amounts of manganese, titanium, vanadium, aluminum, magnesium, silicon, boron can be added as additives to the main elements mentioned above in order to form the alloy. oxidize and desulfurize, for the purpose of obtaining a pure ingot. By adding a small amount of carbon, tungsten, molybdenum or copper to the alloy, the mechanical properties can be improved.
The alloy according to the invention is easily forgeable and not only has good machinability within wide temperature limits, but it also has excellent mechanical properties and, as mentioned, very high corrosion resistance. The alloy can therefore be used in all areas where low thermal expansion, excellent mechanical properties and corrosion resistance are required.
For example, the alloy described can be used for watches, thermostats, distance meters and other scientific instruments, as well as for linear measurements and wire and sheet metal gauges, etc.