Legierung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturlegierung die neue Kriech- und Bruchiasteigenschaften bei hohen Temperaturen im Bereich von 1095 OC und darüber aufweist und deren Verwendung zur Herstellung von Erzeugnissen.
Es bestand dauernd ein Bedarf für Legierungen mit hoher Kriechfestikeit. Die Gebiete der Bauteile für Hochtemperaturöfen, wie Strahlungsröhren und Wellen oder Walzen, Gasturbinen, RStrahltriebwerke, Schmelztiegel, Brennkraftmaschinen und Abgasturbolader sind nur einige der Anwendungsgebiete solcher Materialien. Bisher wurden verschiedene Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen und Anwendungsgebieten vorgeschlagen, jedoch haben alle diese Legierungen im allgemeinen einige Nachteile.
Eine Legierung, die erfolgreich bei vielfältigen Anwendungsgespielen verwendet wurde, bei denen Widerstandsfähigkeit gegenüber hoher Belastung und Kriechen wesentlich war, insbesondere in Verbindung mit Korrosionsfesigkeit in Sauerstoff, ist in der US-Patentschrift 2 540 107 beschrieben und beansprucht und befindet sich unter dem Warenzeichen 22H im Handel. Die breite Zusammensetzung der 2HH -Legierung liegt bei 40--60 /e Nickel, 6,5 0/o Wolfram, 22-34 0/0 Chrom und 0,35 bis 0,75 0/o Kohlenstoff, wobei der Rest im wesentlichen Eisen ist.
Es wurde nun gefunden, dass eine Legierung die diese Bestandteile enthält jedoch engere Bereiche der Nickel-, Wolfram- und Chromgehalte aufweist, vorteilhafte Kriech- und Bruchlasteigenschaften bei hohen Temperaturen im Bereich von 1095 OC und darüber besitzt, wenn sie ausserdem eine bestimmte Mindestmenge an Mangan und einen bestimmten Kobaitgehalt aufweist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung mit neuen Kriech- und Bruchlasteigenschaften bei hohen Temperaturen im Bereich von 1095 OC und darüber, die 0,35 bis 0,75 O/o Kohlenstoff, 40 bis 55 0/0 Nickel, 22 bis 33 /o Chrom, 4 bis 6 o/o Wolfram und ferner Eisen enthält, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ausserdem mindestens 0,2 O/o Mangan und 1 bis 6,5 O/o Kobalt enthält.
Die erfindungsgemässe Legierung kann zusätzlich bis zu 2 o/o Silicium enthalten, wobei im allgemeinen der Rest auf 100 Gew.-0/o aus Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht. Eine besonders bevorzugte erfindungsgemässe Legierung der oben beschriebenen Art enthält 0,450/0 Kohlenstoff, 1,25 /0 Mangan, 0,75 0/o Silicium, 48 0/o Nickel, 27 0/0 Chrom, 5 0/0 Wolfram und 3 O/o Kobalt.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemässen Legierung zur Herstellung von aus ihr bestehenden hochtemperaturbeständigen Metallguss Stücken. Es können beispielsweise hochtemperaturbeständige Gussteile eines Ofens aus der erfindungsgemässen Legierung hergestellt werden.
Die erfindungsgemässe Legierung ist der 22iH - Legierung bei den Kriechgrenzspannungswerten bei etwa 1095 "C und beim Anwachsen der Bruchlastzeit bei Temperaturen oberhalb 1150 0C merklich überlegen.
Zum Beispiel liegt bei etwa 1095 "C die Kriechgrenzspannung bzw. Dauerstandfestigkeit (1 /0 Längen änderung in 10 000 Stunden) für die 22H-Legierung bei etwa 73,8 kg/cm2 (1 050 psi), während sie für die erfindungsgemässe Legierung bei etwa 112,5 kg/cm2 (1 600 psi) liegt. Bei etwa 1150 OC versagte bzw. brach das Probestück aus der 22H-Legierung unter einer Last von etwa 49,2kg/cm2 (700psi) nach 1 200 Stunden, während die erfindungsgemässe Legierung über 3 080 Stunden geprüft wurde und noch in Takt blieb, als der Test abgebrochen wurde. Die Dauerstandfestigkeit bei etwa 1040 OC (1900 "F) zur Erzeugung einer 1 0/obigen.
Längenänderung in 10 000 Stunden liegt für die 22H Legierung bei 84,4 kg/cm2 (1 200 psi) und für die erfindungsgemässe Legierung bei 140,6 kg/cm2 (2000 psi). Auf diese Weise kann die vorliegende Legierung einen einzigartigen Ausgleich von Belastungswiderstand zu Längenänderung bei erhöhten Temperaturen aufweisen.
Eigenschaften, die bei Materialien für diesen Zweck wichtig sind, sind Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation und Stabilität der Form unter Last. Während die Temperaturen ansteigen, neigen die Metalle dazu, leichter zu verbrennen bzw. auszuglühen und auch eine grössere plastische Deformation oder Kriechen über einen Zeitraum aufzuweisen. Viele Metalle, die bei hohen Temperaturen ganz fest oder beständig sein können, können selbst leicht korrodierenden oder oxydierenden Atmosphären bei solchen Temperaturen nicht ausgesetzt werden, ohne dass sie schnell verbraucht sind, während andere Zusammensetzungen, die gegenüber Ausglühen widerstandsfähig sind, keine Festigkeit aufweisen.
Die Korrosion von Legieren in heissen Gasen ist selbstverständlich abhängig von der Atmosphäre ebenso wie von der Legierung. Das Verhalten von Metallen, die konstant auf hoher Temperatur gehalten werden, ist kennzeichnenderweise ein fortschreitendes Wegschmelzen der Oberfläche bei einer praktisch konstanten Geschwindigkeit, die in Zentimeter Einbrand pro Jahr gemessen wird.
Das Verhalten von Probemetallen unter konstanter Beanspruchung unter der Elastizitätsgrenze bei hoher Temperatur ist durch drei Phasen der Deformation gekennzeichnet, nämlich:
1. Eine Periode der inneren Spannungsverteilung, die in einer relativ kurzen Zeit stattfindet und durch eine anfänglich hohe und abnehmende Deformatiosgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Diese Phase besteht aus elastischem und plastischem Fliessen.
2. Eine Periode konstanter Deformaffonsgeschwin digkeit, die über lange Zeiträume andauert. Dieses Phänomen ist in der Metallurgie als Kriechen bekannt, und es wird gewöhnlich durch eine Längenänderung pro Stunde unter einer gegebenen Spannung gemessen, obwohl es das gleiche Kennzeichen anderer Deformationen ist. Es wird im folgenden vorgezogen, Probestücke beim Biegen, anstatt unter direkter Spannung zu vergleichen, und das Kriechen durch Winkelausschläge pro Stunde auszudrücken.
3. Eine zum Schluss steigende Deformationsgeschwindigkeit, die zu einer Einschnürung und zum Bruch führt.
Die Deformationsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit in der Phase 2 ist ein geeignetes Mass der Festigkeit oder Formbeständigkeit des Materials unter Last und Temperatur. Es ist üblich, die zulässige Einheitsbeanspruchung für ein besonderes Metall bei einer besonders hohen Temperatur auf der Basis des bei dieser Temperatur als zulässig betrachteten Kriechens auszuwählen. Die Zeit bis zum Erreichen des Kriechens und zum Durchlaufen der verschiedenen Phasen bis zum Kriechen ist wichtig, und sie wird durch das Material, die Temperatur und Belastung oder Einheitsbeanspruchung beeinflusst.
Die erfindungsgemässe Legierung hat eine hohe mechanische Festigkeit, sie weist geringes Kriechen auf und ebenso eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen im Gusszustand ohne Wärmebehandlung, Altershärtung oder irgendeine dergleichen Behandlungen. Das Material kann jedoch weiterhin bearbeitet und behandelt werden, wenn es erwünscht ist.
Die erfindungsgemässe Legierung ist in dieser Hinsicht anderen bekannten Legierungen bei niedrigeren Temperaturen gleich oder überlegen, ihre relativen Vorteile und ihre Überlegenheit kommt jedoch bei höheren Temperaturen auffallend zum Ausdruck, für die sie besonders geeignet ist, z. B. bei Temperaturen von etwa 1260 "C (2300 F). Sie ist eine Sickellegierung, die als wesentliche Legierungsbestandteile Chrom, Wolfram, Kobalt und Kohlenstoff enthält, wobei der Rest im wesentlichen Eisen zusammen mit den gesteuerten Mengen an Mangan und Silicium und den gewöhnlichen Verunreinigungen in üblichen Mengen ist. Es wurde festgestellt, dass Kobaltzusätze, die bisher als schädlich betrachtet wurden, in dem erfindungsgemässen engen Bereich tatsächlich nützlich sind.
Insbesondere grössere Mengen von Kobalt verursachen eine Versprödung der Legierung beim Kühlen von hohen Temperaturen, während geringere Mengen die Korrosionsfestigkeit reduzieren, ohne dass -sie irgendeine bedeutsame Verbesserung auf anderen Gebieten beeinflussen.
Die erfindungsgemässe Legierung würde in einer bevorzugten Ausführungsform die folgende Zusammensetzung aufweisen: Kohlenstoff 0,45 Mangan 1,25 Silicium 0,75 Nickel 48,0 Chrom 27,0 Wolfram 5,0 Koblat 3,0 Eisen - Rest mit üblichen Verunreinigungen.
Die Einzigartigkeit der erfindungsgemässen Legierung kann vielleicht am besten anhand der folgenden Versuchsdaten verständlich gemacht werden, wobei die erfindungsgemässe Legierung mit der 22H-Legierung verglichen wird: Tabelle I
Bruchspannungswerte
Temperatur Spannung Kriechge geschwindig.
22H 1150 C 49,2 kg/cm2 0,0024 0/0/St 1 270 Std.
(2100 0F) (700psi) bis zum
Bruch
Erfin- 1150 C 49,2kg/cm2 0,0003 /o/St. 3 080 Std.
dungs- (2100 F) (700 psi) Kein Bruch, gem. Versuch ab-
Legie- gebrochen rung Tabelle II
Zusammensetzung Legierung C Mn Si Ni Cr W Co
22H 0,57 1,23 1,08 48,9 26,1 6,16 - erfih- 0,60 0,38 1,07 51,0 25,7 6,10 2 dungsgem.
Legierung
Es wurden Versuchsreihen gefahren, um die Wirkung der verschiedenen Kobaltkonzentrationen zu prüfen, während der Rest der Legierung praktisch konstantgehalten wurde. Die Ergebnisse sind nachfolgend aufgeführt und in der Zeichnung dargestellt: Tabelle III Co Temperatur Kragarmlast Radians/Std.
(US-Einheiten) - 1205 C (2200 0F) 500 0,000100 2,4 1205 C (2200 F) 500 0,000044
4,5 1205 C (2200 F) 500 0,000050
5,8 1205 0C (2200 0F) 500 0,000056
2,0 1205 C (2200 0F) 500 0,000050
Werte der Tabelle III nach Standard-Cantilever Craep-Test ASTM E-139 (Prüfverfahren, bei dem ein Ausleger belastet wird).
PATENTANSPRUCH 1
Legierung mit neuen Kriech- und Bruchlasteigen schaften bei hohen Temperaturen im Bereich von
1095 C und darüber, die 0,35 bis 0,75 O/o Kohlenstoff,
40 bis 55 O/o Nickel, 22 bis 33 O/o Chrom, 4 bis 6 O/o Wolfram und ferner Eisen enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem mindestens 0,2 O/o Mangan und 1 bis 6,5 O/o Kobalt enthält.
UNTERANSPRÜCHE
1. Legierung nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass sie zusätzlich bis zu 2 /0 Silicium enthält.
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