CH644636A5 - Legierung auf nickel-eisen-grundlage mit niederer waermeausdehnung. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, dass kritische Mengen an Bor zu Legierungen auf Nickel-Eisen-Grundlage der oben beschriebenen Art zugesetzt werden können, um die Härtempfindlichkeit und die schädliche Mi-kroschrumpfung von Gussstücken zu eliminieren. Gleichzeitig behält die Legierung ihre niederen Wärmeexpansionseigenschaften. Insbesondere wurde gefunden, dass der Zusatz von etwa 0,06 bis 0,25% Bor zu gewissen Typen von Legierungen auf Eisen-Nickel-Grundlage die Bildung eines eutectischen Borids während der Verfestigung begünstigt; und es ist die Gegenwart dieses eutectischen Borids, welche die Giessbarkeit der Legierung verbessert. Legierungen dieser Art zeichnen sich aus durch einen grossen Bereich von flüssig zu fest (liquidus to solidus range) und können gegossen oder heiss verarbeitet werden und in schmiedbarer Form

Der Kohlenstoffgehalt sollte so nieder wie möglich ge-35 halten werden, um keine Carbideinschlüsse in dem weiter unten beschriebenen eutectischen Borid zu bilden. Ausserdem kann die Legierung bis zu 0,1% Zirkon enthalten, welches wünschenswert ist, um die Bildung von Ni3Cb an den Korngrenzen (grain boundaries) der Legierung zu verhin-40 dem. Bis zu 0,1 % seltene Erden können zugesetzt werden, welche als Spülmittel wirken, um schädliche Sulfidbildungen und die Bildung nadeiförmiger Phasen zu verhindern, während bis zu 1 % Hafnium zugesetzt werden kann, welches als Carbidbildner wirkt und den Temperaturbereich von der 45 Verflüssigung bis zur Verfestigung erweitert. Bekanntlich sind oft kleine Mengen Tantal mit im Handel erhältlichem Columbium vereinigt. Üblicherweise treten diese kleinen Tantalmengen in Mengen bis zu etwa 3% des Gesamtgehaltes an Columbium und Tantal auf. In der vorliegenden Be-50 Schreibung und den Ansprüchen bedeutet daher der Ausdruck «Columbium» reines Columbium, sofern dieses erhältlich ist, oder Columbium plus eine gewisse Menge an Tantal. Eine gewisse Menge des Columbiumgehaltes kann jedoch durch reines Tantal im Verhältnis von zwei Teilen 55 Tantal zu einem Teil Columbium ersetzt sein.

Wie aus der folgenden Beschreibung ersichtlich ist, weisen Legierungen mit den oben genannten Bereichen der Zusammensetzung niedere Wärmeexpansionscharakteristika auf und sind frei von Kerbempflndlichkeit, was sie beson-60 ders geeignet macht für die Verwendung als Legierung für Gussstücke, welche zur Verwendung innerhalb eines weiten Temperaturbereiches vorgesehen sind.

Die Eigenschaften der neuen und verbesserten Legierung 65 gemäss der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt, welche die Analyse von fünf verschiedenen Schmelzgängen mit variierenden Mengen an Borzusätzen zeigen:

3

Tabellen

644636

Schmelze Nr. Analyse (Ziel) (Prozent)

C

B

Ni

Co

Cb

Ti

Al

Fe

Dl-939

0,03

0,005

38,2

15,3

3,0

1,7

0,8

Rest

Dl-940

0,03

0,050

38,2

15,3

3,0

1,7

0,8

Rest

Dl-979

0,02

0,100

38,2

15,3

3,0

1,7

0,8

Rest

Dl-1032

0,02

0,160

38,2

15,3

3,0

1,7

0,8

Rest

Dl-1287

0,02

0,300

. 38,2

15,3

3,0

1,7

0,8

Rest

Die Schmelze Nr. Dl-939 ist eine Standard-Legierung bekannter Art, ähnlich wie sie in der oben genannten US-PS 3 157 495 beschrieben ist. Eine Legierung dieser Art zeichnet sich durch eine Mikrostruktur aus, welche keine eutectische Boridphase aufweist und grosse Mengen an Porosität enthält, welche zu einer schlechten Ermüdungsbruch-Lebens-dauer führt. Alle Schmelzen der oben stehenden Tabelle II

wurden in Formen gegossen, um Teststäbe zu ergeben. Diese Stäbe wurden sodann wärmebehandelt und zu Stäben von 15 6,50 mm (0,250 Inch) Durchmesser bearbeitet, welche sodann auf Ermüdungsbruch getestet wurden. Die Resultate dieser Tests sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt:

Tabelle III

Schmelze Nr. Bor** (Gew. %) Ermüdungsbruch (649°C/6327 kg/cm2)

Lebenszeit Ausdehnung Flächenreduktion

(Stunden) (Prozent) (%)

Dl-939 0,0052 0,2 2,0 9,2

Dl-940 0,050 0,7 1,3 ' 6,9

Dl-979 0,094 66,2 3,9 6,7

Dl-1032 0,256 138,5 8,0 9,7

Dl-1032* 0,156 172,2 8,2 11,2

* Kombination von glattem Zugstab und gekerbtem Zugstab.

** Tatsächliche Gewichtsprozente im Gegensatz zu den Zielwerten der Tabelle II.

Wie aus der vorstehenden Tabelle III ersichtlich ist, weist die bekannte Standard-Legierung Dl-939, welche nur 0,0052% Bor enthält, eine Ermüdungsbruch-Lebensdauer von nur 0,2 Stunden bei (649 "C/6327 kg/cm2) mit einer 2%igen Elongation und 9,2% Flächenreduktion auf. Weitere Zusätze von Bor bis zu 0,05% (Schmelze Dl-940) sind nur wenig wirksam auf die Ermüdungsbruch-Lebensdauer, welche nur auf 0,7 Stunden bei 1,3% Elongation und 6,9% Flächenreduktion erhöht wird. Bei der Schmelze Dl-979 mit einem Borzusatz von 0,094% ist die Ermüdungsbruch-Lebensdauer unter denselben Bedingungen sehr stark erhöht, nämlich auf 66,2 Stunden bei 3,9% Elongation und 6,7% Flächenreduktion. Borzusätze von 0,156% (Schmelze Dl-1032) erzielen mehr als eine Verdoppelung der Ermüdungsbruch-Lebensdauer auf 138,5 Stunden bei 8% Elongation und 9,7% Flächenreduktion. Die Schmelze Dl-1032* ist dieselbe wie die soeben beschriebene mit der Ausnahme, dass der Teststab eine Kombination von glattem Zugstab und gekerbtem Zugstab war. Hier war die Ermüdungsbruch-Le-bensdauer weiter erhöht.

Wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich ist, weisen Mikrofotografien der Legierung der Schmelze D-I032, welche 0,16% Bor enthält, grosse Mengen an eutectischem Borid und Freiheit von schädlicher Mikroschrumpfung auf. Die

Legierung weist einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 281,46 • 10~6 K"1 (5,7 x 10-6 Inch/ 40 Inch/°F) bei Zimmertemperatur bis 423 °C auf. Es wird angenommen, dass die verbesserte Giessbarkeit der erfindungs-gemässen Legierung auf der Bildung von eutectischem Borid während der Verfestigung beruht.

Die Ermüdungsbruch-Eigenschaften der Schmelze Dl-45 1287 (Tabelle II), welche 0,3% Bor enthält, wurden nicht bestimmt; hingegen zeigen Mikrofotografien dieser Legierung dieselbe grosse Menge an eutectischem Borid. Es wird angenommen, das Borzusätze einiges über 0,3% das Volumen des inneren dendrischen Eutecticums übermässig erhöhen, so was zu grossen Bruchwegen führt, welche die physikalischen Eigenschaften der Legierung beeinträchtigen könnten.

Der Unterschied in den Verfestigungseigenschaften dieser Legierung im Vergleich mit bekannten Legierungen ist aus den Kurven der Fig. 2A und 2B ersichtlich. Die obere 55 Kurve (Fig. 2A) entspricht einer üblichen bekannten Nickel-Eisen-Legierung, welche 0,005% Bor enthält (Schmelze Dl-939), während die Kurve der Fig. 2B der Schmelze Dl-1032 entspricht, welche 0,16% Bor enthält. Es ist zu beachten, dass die Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung einen 60 breiteren Bereich von flüssigem zu festem Zustand aufweist.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. 644636

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Legierung, welche sich zum Einsatz bei hohen Temperaturen eignet und eine niedere Wärmeausdehnung und Freiheit von Kerbempfindlichkeit und schädlicher Mikro-schrumpfung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 16% Nickel, mindestens 10% Kobalt, mindestens 0,06% Bor und ferner Eisen enthält.
2. 2. Legierung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem bis zu 5% Columbium, und/ oder bis zu 3% Tantal, und/oder bis zu 2,5% Titan, und/ oder bis zu 0,1 % Kohlenstoff und/oder bis zu 2% Aluminium enthält.
3. 3. Legierung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickel in einer Menge von 30 bis 50%, Kobalt in einer Menge von 10 bis 20%, Columbium in einer Menge von 2 bis 4%, Titan in einer Menge von 1 bis 2%, Aluminium in einer Menge von 0,25 bis 1 %, Kohlenstoff in einer Menge von 0,015 bis 0,045% und Bor in einer Menge von 0,06 bis 0,30% zugegen ist, wobei der Rest im wesentlichen vollständig aus Eisen besteht.
4. 4. Legierung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus etwa 38% Nickel, 15% Kobalt, 3% Columbium, 1,7% Titan, 0,8% Aluminium, 0,02% Kohlenstoff, 0,16% Bor und dem Rest Eisen besteht.
5. 5. Legierung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eutectisches Borid enthält.
6. 6. Legierung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 2,61 x 10~a cm/cm/°C bei Zimmertemperatur bis zu 427 °C aufweist.

   verwendet werden, sofern eine geeignete Wärmebehandlung für die schmiedbare Form zur Verfügung steht.

   Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im s Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen

   Fig. 1A und 1B Mikrofotografien in einer Vergrösserung von 50 x und 400 x, welche die Bildung eines eutectischen Borids in der erfindungsgemässen Legierung und io Fig. 2A und 2B unterschiedliche Einflüsse der Temperatur, welche die Wirkung der Änderung des Börgehaltesin der Legierung auf die Verfestigungstemperatur zeigen, darstellen.

   Die erfindungsgemässe Legierung weist die folgenden all-i5 gemeinen und bevorzugten Bereiche der Zusammensetzung auf:

   Tabelle I

   allgemein bevorzugt

   Nickel mindestens 16%

   10-50%

   Kobalt mindestens 10%

   10-20%

   Columbium

   0-5%

   2-4%

   Tantal

   0-3%

   0-1%

   Titan

   0-2,5%

   1-2%

   Aluminium

   0-2%

   0,25-1%

   Bor mindestens 0,06%

   0,06-0,30%

   Kohlenstoff

   0-0,1%

   0,015-0,045%

   Eisen

   Rest

   Rest

   Es wurden bereits Eisen-Nickel-Legierungen entwickelt, welche äusserst niedere Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche sie befähigen, innerhalb weiter Temperaturbereiche verwendet zu werden, ohne die Festigkeit zu verlieren und ohne eine wesentliche Veränderung der Elastizität zu erleiden. Beispiele derartiger Legierungen sind in den US-PS 3 157 495 und 4 006 011 beschrieben und enthalten bestimmte Mengen an Kobalt, Columbium und Titan. Sie werden für Anwendungen, wie z.B. Raketenantriebsteile und dergleichen eingesetzt, welche eine hervorragende Festigkeit gegen thermische Ermüdung aufweisen müssen. Eine Schwierigkeit mit Legierungen dieser Art besteht jedoch in ihrer Härtempfindlichkeit und ihrer ernstlichen Mikro-schrumpfung beim Abkühlen aus dem geschmolzenen Zustand. Als Resultat davon wurden sie nicht in gegossener Form verwendet.