CH267445A

CH267445A - Alloy.

Info

Publication number: CH267445A
Authority: CH
Inventors: Limited Electric Furna Company
Original assignee: Electric Furnace Prod Co
Priority date: 1946-05-09
Filing date: 1947-05-13
Publication date: 1950-03-31

Description

  

  Alliage.    La présente invention a pour objet un  alliage présentant une grande résistance méca  nique à température élevée.  



  Le développement des machines thermi  ques, notamment des turbines à gaz et des  réacteurs, nécessite de plus en     phis    la fabri  cation d'éléments usinés présentant une  grande résistance mécanique à température  élevée.     Plusieurs    alliages ont été déjà propo  sés à cette fin; leur usage est cependant resté  très limité soit parce que leur travail à chaud  n'est pas possible, soit du fait qu'ils devien  nent fragiles après une     exposition    prolongée  à haute température.

   En effet., une particula  rité des alliages ferreux fortement alliés, qui  rend le problème particulièrement difficile à       résoudre,    est que l'addition de composants  augmentant la résistance mécanique à tempé  rature élevée entraîne une diminution de la  stabilité, qui rend lesdits alliages fragiles à la  suite d'une exposition prolongée à tempéra  ture élevée.  



  Le besoin d'un alliage pouvant être tra  vaillé à chaud, de grande résistance méca  nique à température élevée et possédant une  bonne stabilité auxdites températures, se fait  donc sentir.  



  La présente invention vise à satisfaire ce  besoin et a pour objet un alliage caractérisé  en ce qu'il contient, en poids, de 15 à     251/o     de chrome, de 15 à 25% de nickel, de 10 à.  25% de cobalt, de 7,5 à     151/o    de tungstène,  un métal ayant une forte affinité pour le car-         bone        en        proportion        n'excédant        pas        2%,

          ou     plusieurs de ces métaux en proportion     indi-          viduelle        n'excédant        pas    2     %        et        en        proportion     globale n'excédant pas     31/o,    la teneur de l'al  liage en le ou lesdits métaux étant d'au moins       0,5%,        du        manganèse,

          en        proportion        n'excé-          dant        pas        2%,        du        silicium,        en        proportion     n'excédant pas 10/0, du carbone, en     propor-          tion        n'excédant        pas        10/0,        de        0,05    à     0,25%     d'azote et du fer en proportion d'au moins  15%.  



  Des métaux qui ont une forte affinité pour  le carbone sont notamment le niobium, le tan  tale, le titane et le vanadium. Ils peuvent  être présents dans l'alliage soit isolément, soit  en mélange de deux ou plus de deux. Lorsque  l'alliage contient du titane, la teneur en ce       métal        sera        de        préférence        inférieure    à     1,5%.     



  Si une excellente     forgeabilité    est désirée,  la teneur de l'alliage en carbone doit rester       inférieure    à     0,35%.        La        teneur        en        fer        sera        de          préférence        supérieure    à     20%.        En        général,     l'alliage de l'invention contiendra également  de faibles quantités d'impuretés inévitables.

         L'alliage        peut        contenir        jusqu'à        3,5        %        de     molybdène; ce dernier ne provoque cependant  pas d'amélioration sensible de l'alliage.  



  En se tenant aux données de composition  indiquées ci-dessus, on peut obtenir des  alliages pouvant être aisément forgés, soudés  et usinés et dont la résistance mécanique et  la stabilité à haute température (648  C et  plus) sont excellentes. Des éléments de ma-      chines exécutés en de tels alliages peuvent  travailler sous de fortes contraintes pendant  un temps prolongé à 815  C, ou à des tempé  ratures un peu plus élevées pendant de courtes  périodes et sans contrainte excessive.  



       Pour    déterminer les qualités d'un métal ou  d'un alliage à haute température, on procède  dans les conditions     suivantes    à l'essai de rup  ture. Plusieurs échantillons du     matériel    sont  soumis chacun à un effort de traction diffé  rent déterminé, à une température élevée dé  terminée. Le temps nécessaire pour que la  rupture ait lieu dans ces conditions est relevé.  Les valeurs obtenues sont reportées sur un  graphique, le temps de rupture en abscisses et  la contrainte appliquée en ordonnées, par  exemple. On obtient ainsi, pour le matériel  essayé, une courbe qui, pour -une température  déterminée, donne le temps nécessaire à la  rupture en fonction de la contrainte à la-    quelle le matériel est soumis. Ces courbes sont.

    relevées pour plusieurs températures; elles in  diquent de faon précise les contraintes que  peut supporter le matériel pour une tempéra  ture et un temps donnés quelconques. Ces va  leurs sont particulièrement utiles pour l'éta  blissement de projets, spécialement s'il est à  prévoir que le matériel choisi sera soumis<B>à</B>  des surchauffes et à des surcharges.  



  Le tableau I donne les résultats caracté  ristiques d'essais obtenus avec différents  alliages conformes à l'invention. Dans     cettu,     série d'essais, les échantillons sont à. l'état.  forgé (état 1) ainsi qu'à. l'état forgé, recuit.  une heure à, environ 1259  C et trempé à, l'eau  (état 2). Les échantillons sont. soumis à une  température de 815  C et à. une force de trac  tion de 1400     lig/em=.    Le temps nécessaire à la  rupture de l'échantillon dans ces conditions  est indiqué en heures.  
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    Les valeurs indiquées par ce tableau mon  trent la grande ténacité des alliages conformes  à l'invention à haute température et leur sta  bilité qui leur permet de supporter de fortes  contraintes à température élevée pendant un  temps prolongé.  



  Les alliages conformes à l'invention peu  vent être forgés ou travaillés à chaud d'une  autre manière, sans difficulté, entre 1149 et  871  C. Dans certains cas, l'opération doit être       poursuivie    à une température quelque peu  inférieure à la température de recristallisation  (environ 648  C). Un alliage travaillé dans ces  conditions est dit à l'état  forgé à froid ; un  tel alliage est aisément usiné, il a de bonnes    propriétés pour le pliage et l'emboutissage, à  chaud ou à froid,     dut    fait de sa     grande    ducti  lité.  



  Un autre avantage important des alliages  conformes à l'invention est     qu'il    peuvent être  soudés par les méthodes ordinaires de soudure  comprenant les différents procédés par l'arc  électrique ou     oxyacéty        lénique,    avec métal d'ap  port et par contact. Les soudures obtenues  sont saines, résistantes et ductiles; c'est non  seulement le cas pour les soudures     elles-          mêmes,    mais aussi pour les zones voisines de  la soudure.  



  Pour obtenir les caractéristiques désirées  de ces alliages conformes à l'invention, il est      des plus important que les limites des compo  sitions énoncées précédemment soient bien  observées et que les différents constituants  soient présents dans des proportions exactes.  Par exemple, l'azote est favorable aux pro  priétés de l'alliage aux températures élevées,  s'il est présent dans les limites indiquées, mais  une teneur plus élevée en azote serait nui  sible à l'alliage. De même, si les quantités de  molybdène, tungstène, niobium, tantale, titane,  vanadium et carbone étaient plus élevées que  les valeurs indiquées, les propriétés de l'alliage,  en ce qui concerne son aptitude à se laisser  travailler à chaud et souder, seraient dimi  nuées; les soudures manqueraient notamment  de résistance et de ductilité.

   L'effet nuisible  d'une trop forte proportion en ces éléments,  ne pourrait pas être évité d'une manière satis  faisante par une augmentation de la teneur  de l'alliage en cobalt et en nickel.  



  Au cas où l'alliage est destiné à des appli  cations où la température ne dépasse pas envi  ron 734" C, les valeurs inférieures indiquées  pour la composition peuvent être employées;  par contre, si les températures prévues dépas  sent 7340 C, ce sont les valeurs supérieures  indiquées ou des valeurs proches qui seront  de préférence employées.

   Si l'alliage est des  tiné à être employé dans des applications où  la température ne dépasse pas 648  C, il peut  être employé à, l'état  forgé à froid ; si la  température dépasse 648" C, l'alliage doit être  recuit à une température d'environ 1204 à  <B>1270"</B> C avant, d'être utilisé au mieux de ses       possibilités.       Les aubes, disques et autres parties de tur  bine sont des pièces pour l'établissement     clés-          quelles        l'emploi    d'alliages     conformes    à l'inven  tion est, particulièrement indiqué. Ces pièces  peuvent être coulées ou forgées.

      Malgré que l'on ait insisté plus particu  lièrement sur les propriétés de ces alliages au  point de vue de leur travail à chaud et de  leurs possibilités d'usinage, ils présentent éga  lement des propriétés qui les rendent très in  diqués pour la fabrication de pièces coulées  destinées à supporter des températures élevées.



  Alloy. The present invention relates to an alloy exhibiting high mechanical strength at high temperature.



  The development of thermal machines, in particular gas turbines and reactors, increasingly requires the manufacture of machined elements exhibiting great mechanical resistance at high temperature. Several alloys have already been proposed for this purpose; however, their use has remained very limited, either because they cannot be hot worked or because they become fragile after prolonged exposure to high temperature.

   Indeed., A peculiarity of highly alloyed ferrous alloys, which makes the problem particularly difficult to solve, is that the addition of components increasing the mechanical strength at high temperature leads to a decrease in stability, which makes said alloys fragile at high temperature. following prolonged exposure to high temperature.



  There is therefore a need for an alloy which can be hot-worked, has high mechanical strength at high temperature and has good stability at said temperatures.



  The present invention aims to meet this need and relates to an alloy characterized in that it contains, by weight, from 15 to 251 / o of chromium, from 15 to 25% of nickel, from 10 to. 25% of cobalt, from 7.5 to 151 / o of tungsten, a metal having a strong affinity for carbon in a proportion not exceeding 2%,

          or more of these metals in an individual proportion not exceeding 2% and in an overall proportion not exceeding 31 / o, the content of the alloy of said metal or metals being at least 0.5%, manganese,

          in a proportion not exceeding 2%, of silicon, in a proportion not exceeding 10/0, of carbon, in a proportion not exceeding 10/0, from 0.05 to 0.25% of nitrogen and iron in a proportion of at least 15%.



  Metals which have a strong affinity for carbon include niobium, tan tal, titanium and vanadium. They can be present in the alloy either singly or as a mixture of two or more than two. When the alloy contains titanium, the content of this metal will preferably be less than 1.5%.



  If excellent forgeability is desired, the carbon content of the alloy should be kept below 0.35%. The iron content will preferably be greater than 20%. In general, the alloy of the invention will also contain small amounts of unavoidable impurities.

         The alloy can contain up to 3.5% molybdenum; however, the latter does not cause significant improvement in the alloy.



  By adhering to the composition data given above, alloys can be obtained which can be easily forged, welded and machined and which have excellent mechanical strength and high temperature stability (648 C and above). Machine parts made from such alloys can work under high stress for an extended time at 815 ° C, or at somewhat higher temperatures for short periods and without undue stress.



       To determine the qualities of a metal or of an alloy at high temperature, the fracture test is carried out under the following conditions. Several samples of the material are each subjected to a different determined tensile force at a determined elevated temperature. The time required for rupture to take place under these conditions is noted. The values obtained are plotted on a graph, the breaking time on the abscissa and the stress applied on the ordinate, for example. Thus, for the material tested, a curve is obtained which, for a determined temperature, gives the time necessary for rupture as a function of the stress to which the material is subjected. These curves are.

    readings for several temperatures; they give a precise indication of the stresses that the equipment can withstand for any given temperature and time. These values are particularly useful when setting up projects, especially if it is expected that the chosen material will be subjected to <B> </B> overheating and overloading.



  Table I gives the characteristic results of tests obtained with various alloys in accordance with the invention. In this series of tests, the samples are at. the state. forged (state 1) as well as. state forged, annealed. one hour at, approximately 1259 C and quenched with, water (state 2). The samples are. subjected to a temperature of 815 C and. a tensile force of 1400 lig / em =. The time required for the sample to break under these conditions is indicated in hours.
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    The values indicated by this table show the great toughness of the alloys in accordance with the invention at high temperature and their stability which enables them to withstand high stresses at high temperature for a prolonged time.



  The alloys according to the invention can be forged or hot worked in another way, without difficulty, between 1149 and 871 C. In certain cases, the operation must be continued at a temperature somewhat lower than the temperature of recrystallization (about 648 C). An alloy worked under these conditions is said to be in the cold forged state; such an alloy is easily machined, it has good properties for bending and stamping, hot or cold, due to its high ductility.



  Another important advantage of the alloys in accordance with the invention is that they can be welded by ordinary welding methods comprising the various methods by electric arc or oxyacetylenic arc, with filler metal and by contact. The welds obtained are sound, resistant and ductile; this is not only the case for the welds themselves, but also for the areas adjacent to the weld.



  In order to obtain the desired characteristics of these alloys in accordance with the invention, it is most important that the limits of the compositions set out above are observed and that the various constituents are present in exact proportions. For example, nitrogen favors the properties of the alloy at high temperatures, if it is present within the limits indicated, but a higher nitrogen content would be detrimental to the alloy. Likewise, if the amounts of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, vanadium and carbon were higher than the values indicated, the properties of the alloy, with regard to its ability to be hot worked and welded, would be dimmed; the welds would notably lack strength and ductility.

   The detrimental effect of too high a proportion of these elements could not be satisfactorily avoided by increasing the content of the alloy of cobalt and nickel.



  In case the alloy is intended for applications where the temperature does not exceed about 734 "C, the lower values indicated for the composition can be used; on the other hand, if the expected temperatures exceed 7340 C, they are the higher values indicated or close values which will preferably be used.

   If the alloy is intended for use in applications where the temperature does not exceed 648 C, it can be used in the cold forged condition; if the temperature exceeds 648 "C, the alloy should be annealed at a temperature of approximately 1204 to <B> 1270" </B> C before, to be used to the best of its ability. Blades, disks and other turbine parts are key parts for which the use of alloys according to the invention is particularly suitable. These parts can be cast or forged.

      Although more particular emphasis has been placed on the properties of these alloys from the point of view of their hot working and their machining possibilities, they also exhibit properties which make them very suitable for the manufacture of parts. castings intended to withstand high temperatures.

Claims

CLAIM: Alloy exhibiting great mechanical resistance at high temperature, characterized in that it contains, by weight, from 15 to 25% of chromium, from 15 to 25% of nickel, from 10:

with, 25% cobalt, from 7.5 to 151 / o tungsten, a metal having a strong affinity for carbon in a proportion not exceeding 211 / o, or more of these metals in individual proportion not exceeding not 21 / o and in an overall proportion not exceeding 31 / o, the content of the alloy in said metal or metals being at least 0.5%, manganese, in a proportion not exceeding 20/0, silicon, in a proportion not exceeding 10/0, carbon, in a proportion not exceeding 10/0, from 0.05 to 0,

250/0 nitrogen and iron in a proportion of at least 15%. SUB-CLAIMS 1. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as a metal having a strong affinity for carbon, niobium. 2. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as a metal having a high affinity for carbon, tantalum. 3. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as a metal having a high affinity for carbon, titanium, in a proportion not exceeding 1.5%. 4.

Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metal having a strong affinity for carbon, vana dium. 5. Alloy according to claim, character ized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, niobium and tantalum. 6. Alloy according to claim, character ized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, niobium and titanium, the titanium content not exceeding 1.5%. 7. Alloy according to claim, character ized in that it contains, as metals having. a strong affinity for carbon, niobium and vanadium. 8.

Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, tantalum and titanium, the titanium content not exceeding 1.5%. 9. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, tantalum and vanadium. 10. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, titanium and vanadium, the titanium content not exceeding 1.5%. 11.

Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a strong affinity for carbon, niobium, titanium and vanadium, the titanium content not exceeding 1.51 / o. 12. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, niobium, titanium and tantalum, the titanium content not exceeding 1.5%. 13. Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a high affinity for carbon, niobium, tantalum and vanadium. 14.

Alloy according to claim, characterized in that it contains, as metals having a strong affinity for carbon, titanium, tantalum and vanadium, the titanium content not exceeding 1.51 / o. 15. Alloy according to claim, character ized in that it contains, as az7ant metals a strong affinity for carbon, niobium, titanium, tantalum and (lu vanadium, the titanium content not exceeding 1.5 0/0. 16.

Alloy according to claim, characterized in that it additionally contains molybdenum, in a proportion not exceeding 3.5%. 17. Alloy according to claim, characterized in that it contains at most 0.3511 / o carbon. 18.

Alloy according to claim, characterized in that it contains 2011 / o of chromium, 2011 / o of nickel, 201 / o of cobalt, 3% of molybdenum, 10 to 15% of tungsten, 1% of niobium,

from 0.1 to 0.25% carbon, 1.5% manganese, 0.5% silicon, 0.12% nitrogen, the balance being iron.