CS206791A3 - Alloy resistant to oxidation and corrosion for constructive parts working in medium temperature range based on {fei3al} - Google Patents

Description

součásti pro střední teplotní rozsah na bázi dotovanéhoaluminidu železa Fe^Al

Oblast techniky

Slitiny pro střední teplotní rozsah pro tepelné stro-je, na bázi intermetalických sloučenin, které se hodí prousměrněné tuhnutí, nahrazují nerezavějící oceli, částečnědoplňují konvenční superslitiny na bázi niklu nebo nahra-zují jiné intermetalické sloučeniny.

Vynález se týká dalšího vývoje a zlepšení slitin nabázi intermetalické sloučeniny typu aluminidu železa Fe^Als dalšími přísadami, které zlepšují mechanické vlastnosti,zejména pevnost, tažnost a roztažnost. V užším smyslu se týká vynález slitiny odolné protioxydaci a korozi pro střední teplotní rozmezí, na bázi do-tovaného aluminidu železa Fe^Al.

Dosavadní stav techniky

Intermetalické sloučeniny a z nich odvozené sloučeni-ny získávají v poslední době stále větší význam jako ná-hradní materiály v oblasti středních a vyšších teplot.Všeobecně známé jsou aluminidy niklu a aluminidy titanu,které částečně doplňují případně nahrazují klasické super-slitiny na bázi niklu.

Delší dobu jsou známé různé aluminidy železa předevšímjako ochranné vrstvy proti oxydaci a okujím na konstrukč-ních součástech ze železa a oceli. Tyto intermetalickésloučeniny, vytvářené stříkáním hliníku na tělesa z ocelia následujícím žíháním, se však z důvodu své poměrně znač-né křehkosti neuvažovaly jako konstrukční materiály. V po-slední době však byly blíže zkoumány především slitiny bo- 2 haté na železo, ležící svým-složením v blízkosti fázeFe^Al, a to jejich vhodnost jako materiálu pro teplotnírozmezí od okolní teploty až asi do 600 °C. Rovněž jižbylo navrženo zlepšit jejich vlastnosti přidáváním dalšíchlegovacích prvků. Takové materiály by mohly úspěšně sou-těžit s klasickými ocelemi odolnými proti korozi v teplot-ním rozmezí kolem asi 500 °C. Stav techniky je dokumento-ván následující literaturou: - H. Thonye, "Effects of DO^ transitions on the yieldbehaviour of Fe-Al Alloys", Metals and ceramics divi-sion, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge,

Tennessee 37831, Mat. Res. Soc. Symp. proč. Vol 39, 1985 Materials Research Society, a - S.K. Ehlers and M.G. Mandiratta, "Tensile behaviour ofpolycrystalline Fe-31 at.% Al Alloy", Systems ResearchLaboratories lne., Dayton, OH 45440, TMS Annual MeetingFebruary 1982, The Journal of Minerals, Metals andMaterials Society.

Známé slitiny na bázi Fe^Al však ještě nevyhovujív plném rozsahu technickým požadavkům a jeví se tedy po-třeba jejich dalšího vývoje.

Podstata vynálezu Účelem vynálezu je vytvořit poměrně levnou slitinus vysokou odolností proti oxydaci a korozi ve střednímteplotním rozmezí 300 °C až 700 °C a současně s dostateč-nou pevností za tepla a dostatečnou houževnatostí přiokolní teplotě a v dolním teplotním rozmezí, která by sedala snadno odlévat a hodila se pro usměrněné ztuhnutí.Slitina má v podstatě sestávat z poměrně vysokotavitelnéintermetalické sloučeniny s dalšími přísadami.

Tuto úlohu řeší slitina, která má podle vynálezu ná-sledující složení: 3 AI = 24 . až' 28 at Nb = 0,1 až 2 at Cr = 0,1 až 10 at B = 0,1 až 1 at Si s 0,1 až 2 at Fe = zbytek Přehled, obrázků na výkresech

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s následující-mi příklady provedení, doloženými výkresy, kde značí obr. 1 graf závislosti přísady boru na tvrdost podle2

Vickerse HV (kg/mm ) některých slitin na bázi intermeta-lické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al při okolní teplo-tě, obr. 2 graf vlivu přísady boru na poměrné prodloužení v z n při přetržení O (%) některých slitin na bázi intermetalic- ké sloučeniny aluminidu železa Fe^Al při okolní teplotě, obr. 3 graf vlivu přísady křemíku na tvrdost podle Vicker-2 se HV (kg/mm ) některých slitin na bázi intermetalické sloučeniny aluminidu železa při okolní teplotě, obr. 4 graf vlivu přísady niobu na tvrdost podle Vickerse2 HV (kg/mm, ) několika slitin na bázi intermetalické slou-čeniny aluminidu železa Fe^Al při okolní teplotě, obr. 5graf vlivu přísady niobu na poměrné prodloužení při pře-tržení tf (%) některých slitin na bázi intermetalickésloučeniny aluminidu hliníku Fe,Al při okolní teplotěa obr. 6 grafické znázornění meze kluzu ? 0,2 (MPa) v zá-vislosti na teplotě pro skupinu slitin na bázi intermeta-lické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al.

Obr. 1 ukazuje grafické znázornění vlivu přísadyboru na tvrdost podle Vickerse několika slitin na báziintermetalické sloučeniny Fe^Al při okolní teplotě. 4

Byly zkoumány následu-jící základní slitiny: Křivka 1: Al = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.%

Fe = zbytek Přísada boru se pohybovala mezi 0,1 at.% a nejvýše 3 at.% na úkor železa. Křivka 2

Al = 28 at. % Nb = 1 at. % Cr = 5 at. % Si = 2 at. % Fe = zbytek Přísada boru se pohybovala mezi 0,1 at.%,až nejvýše 4 at.% na úkor železa. Při malých přísadách boru byl zjištěn nejprve nepa-trný úbytek pevnosti podle Vickerse, z čehož se dalo usu-zovat na jistou duktilitu. Při přísadách boru asi nad 1,5 at.% se tvrdost opět zvyšovala, což lze přisoudit vy-lučování tvrdých boridů.

Obr. 2 ukazuje na grafu vliv přísady boru na poměrnéprodloužení při přetržení (%) některých slitin na báziintermetalické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al při okol-ní teplotě.

Byly zkoumány tyto základní slitiny: Křivka 3: Al = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.%

Fe - zbytek Přísada boru se pohybovala mezi 0,1 at.% a nejvýše 3 at.% na úkor železa. 5 Křivka 4: , Al = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.%

Si = 2 at.%

Fe = zbytek Přísada boru se pohybovala mezi 0,1 at.% a nejvýše 4 at.% na úkor obsahu železa. Při přidání boru bylo nejprve zpozorováno zvětšová-ní poměrného prodloužení při přetržení, přičemž asi při2 at.% nastalo maximum. Při dalším zvyšování přídavkuboru se poměrné prodloužení při přetržení opět zmenšova-lo v důsledku zkřehnutí srážením boridů.

Na obr. 3 je graficky znázorněn vliv přísady křemí-ku na tvrdost podle Vickerse HV (kg/mm ) některých sli-tin na bázi intermetalické sloučeniny aluminidu železaFe^Al při teplotě okolí.

Byly zkoumány následující základní slitiny: 5: Al = 28 at.% Nb = 1 at.% Cr = 5 at.% Fe = zbytek Přísada křemíku se pohybovala mezi 0,5 at.% a nejvý- še 2 at.% na úkor železa. Křivka 6: Al = 28 at.% Nb = 1 at.% Cr = 5 at.% B = 0,1 at.% Fe = zbytek - Přísada křemíku se pohybovala v rozmezí od 0,5 at.%nejvýše do 2 at.% na úkor obsahu železa. Křivka ·7 :

Al = 2 8 at.% Nb = 1 at. % Cr = 5 at.% B = 1 at. % Fe = zb ytek Přísada křemíku se pohybovala mezi 0,5 at.% a nejvýše 2 at.% na úkor železa. Přísada křemíku měla za následek vzrůst tvrdosti po-dle Vickerse ve všech slitinách. Přitom bylo zjištěno, žeúbytek tvrdosti, vyvolaný přísadou boru v množství asi1 at.%, byl víc než vyrovnán přidáním křemíku.

Obr. 4 je grafické znázornění vlivu přidání niobu na2 tvrdost podle Vickerse HV (kg/mm ) několika slitin na bá-zi intermetalické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al přiokolní teplotě.

Byly zkoumány následující základní slitiny: Křivka 8: Al = 28 at.%

Cr = 5 at.%

Fe = zbytek

Množství přidaného niobu se pohybovalo mezi 0,5 at.%a nejvýše 2 at.% na úkor obsahu železa. Křivka 9: Al = 28 at.% Cr = 5 at.% Si = 2 at.% Fe = zbytek Přídavek niobu se pohyboval mezi 0,6 at.% a nejvýše2 at.% na úkor obsahu železa. Až do obsahu niobu asi 1 at.% se tvrdost podle Vickerse v nepatrné míře zvyšovala, při množství asi 1 at.% na-byla opět původní hodnoty slitin prostých niobu nebo jipřekročila.

Obr. 5 ukazuje graficky vliv přísady niobu na poměr-né prodloužení při přetržení Γ (%) některých slitin nabázi intermetalické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al přiokolní teplotě.

Byly zkoumány tyto základní slitiny: Křivka 10: Al = 28 at.%

Cr = 5 at.%

Fe = zbytek Přísada niobu se pohybovala mezi 0,5 at.% a nejvýše λ

I

I £ 2 at.% na úkor obsahu železa. Křivka 11: Al = 28 at Cr = 5 at Si = 2 at fe fe

Fe = zbytek Přísada niobu se pohybovala mezi 0,5 at.% a nejvýše 2 at.% na úkor obsahu železa.

Poměrné prodloužení při přetržení vzorku slitiny po-dle křivky 10 mělo při obsahu niobu asi 1 at.% vyjádřenémaximum a při vyšších obsazích opět klesalo. Takové chová-ní nebylo pozorováno u slitiny s obsahem křemíku podlekřivky 11. Mimoto měly hodnoty poměrného prodloužení připřetržení vzorku slitiny podle křivky 11 podstatně nižšíhodnoty než slitiny podle křivky 10.

Obr. 6 je grafické znázornění meze průtažnosti š , o 0,2 (MPa) v závislosti na teplotě T ( C) pro skupinu slitinna bázi intermetalické sloučeniny aluminidu železa Fe^Al.Pro srovnání je uvedena mez skluzu pro čistý aluminid že-leza Fe^Al s obsahem hliníku 25 at.%. Tím lze přehlédnoutcelkový vliv dalších legovacích prvků.

Křivka 12: 25 at.% Al, zbytek Fe Křivka 13: 28 at.% Al, 1 at.% Nb, 5 at. % Cr, 1 at.% B, zbytek Fe Křivka 14: 28 at.% Al, 1 at.% Nb, 5 at. % Cr, 1 at.% B, 2 at.% Si, zbytek Fe - 8 - Křivka 15: 28 at. % AI, 1 at. % Nb, 2 at. % Cr, zbytek Fe Křivka 16: 28 at. % AI, 2 at. % Nb, 4 at. % Cr, zbytek Fe * Křivka 17: 28 at. % AI, 2 at. % Nb, 4 at. % Cr, 0,2 at .% B, 2 at. % Si, zbytek Fe. Všechny křivky dokládají podobné chování materiálu. Až do teploty asi 400 °C klesá mez kluzu nejprve rychlea potom pomaleji asi na 50 % hodnoty při okolní teplotě. Při ní má tato mez minimum a stoupá pak až do teploty asi550 °C poměrně strmě asi na 65 % hodnoty při okolní teplo-tě. Takové chování je typické pro intermetalické sloučeni-ny typu Fe^Al. Po tomto maximu klesá mez kluzu strmě nanižší hodnoty. Nejvyšší hodnoty meze kluzu byly pozorová-ny u slitin dotovaných niobem a chromém. Příklad 1 V obloukové peci byla tavena v argonu jako ochrannémplynu slitina tohoto složení: AI = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.%

Fe = zbytek

Jako výchozí materiály sloužily jednotlivé prvky o či-stotě 99,99 %. Slitina byla odlita na odlitek o průměruasi 60 mm a výšce asi 80 mm. Odlitek byl znovu roztavenv ochranném plynu a nechal se rovněž pod ochranným plynemztuhnout na tyčky o průměru asi 8 mm a délce asi 80 mm.

Tyčky byly bez následujícího tepelného zpracování pří-mo vytvarovány na zkušební vzorky pro tlakové krátkodobézkoušky. Získané mechanické hodnoty byly měřeny v závislo-sti na zkušební teplotě.

Další zlepšení mechanických vlastností vhodným tepel-ným zpracováním leží v rámci možností. Rovněž existujemožnost jejich zlepšení usměrněným tuhnutím, ke kterémuse slitina výtečně hodí. 9 Příklad 2 * ,

Analogicky podle příkladu 1 byla v argonové atmosféřeroztavena následující slitina: AI = 28 at Nb = 1 at Cr = 5 at B = 0,1 at Si = 2 at

Fe = zbytek

Roztavená slitina byla analogicky jako v příkladě 1odlita, v argonové atmosféře znovu roztavena a nuceně ztuh-la ve formě tyček. Rozměry tyček odpovídaly příkladu 1.

Tyčky byly bez jakéhokoliv dalšího tepelného zpracování vy-tvarovány přímo na zkušební vzorky pro tlakové zkoušky.

Dosažené hodnoty mechanických vlastností v závislosti nazkušební teplotě odpovídaly přibližně hodnotám podle pří-kladu 1. Tyto hodnoty mohou být zlepšeny tepelným zpraco-váním. Příklad3

Naprosto stejně jako v příkladě 1 byla v argonové at-mosféře tavena tato slitina: AI = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.% B = 1 at.% »

Si = 2 at.%

Fe = zbytek

Tavenina byla analogicky k příkladu 1 odlita, podargonovou atmosférou znovu roztavena a odlita na hranolyčtvercového průřezu, které měly rozměr 8 mm x 8 mm x 100 mm. Z těchto hranolů byly vyrobeny zkušební vzorky pro zkouškytlaku, tvrdosti a rázové zkoušky. Mechanické vlastnostiodpovídaly přibližně vlastnostem předchozích slitin. Tepel-ným zpracováním se hodnoty dále zlepšily. 10 Příklad 4 V atmosféře argonu byla roztavena tato slitina: AI = 28 at.%

Nb = 1 at.%

Cr = 5 at.%

Fe = zbytek

Postupovalo se zcela stejně jako v příkladě 1. Příklad 5 V argonu byla roztavena následující slitina: AI = 28 at Nb = 0,5 at Cr = 6 . at B = 0,5 at Si = 1,5 at

Fe = zbytek

Postup byl stejný jako v příkladě 1. P ř í k 1 a d 6 V argonové atmosféře byla roztavena tato slitina AI = 28 at Nb = 1,5 at Cr = 3 at B = 0,7 at Si = 1 at

Fe = zbytek

Způsob odpovídal postupu podle příkladu 1. - 11 - Příklad 7

Byla roztavena tato slitina: AI = 26 at. % Nb = 2 at.% Cr = 1 at. % B = 1 at.% Si = 0,5 at. % Fe = zbytek

Postupovalo se stejně jako v příkladě 1. Příklad 8 V argonové atmosféře byla v indukční peci roztavenanásledující slitina: AI = 24 at. % Nb = 1 at. % Cr = 10 at.% B = 0,5 at. % Si = 2 at.%

Fe = zbytek

Postupovalo se stejně jako v příkladě 1. Příklad 9 V atmosféře argonu byla roztavena tato slitina: AI = 28 at. % Nb = 0,8 at. % Cr = 5 at. % B = 0,8 at. % Si = 1 at. %

Postup byl stejný jako v příkladě 1.

Fe = zbytek 12 Očinek jednotlivých prvků Přidáním chrómu se zvyšuje odolnost slitiny protioxydaci. Vliv na mechanické vlastnosti, tedy pevnost,duktilitu, houževnatost a tvrdost za tepla je různý po-dle toho,jaké ještě existují další slitinové přísadya k jakému typu patří krystalická struktura. Ve spojenís niobem se jeví při určitém množství dalších přídavnýchdotovacích prvků příznivý účinek chrómu na chování sli-tiny. Přísady převyšující 10 at.% chrómu naproti obecnězhoršují mechanické vlastnosti.

Prvek niob zvyšuje v určitém množství tvrdost a pev-nost slitiny. Roztažnost, tzn. poměrné prodloužení připřetržení, má v určitých slitinách při přidání 1 at.% Nbmaximum.

Legování borem má obecně za cíl zvýšení duktility.Nicméně se zdá, že jeho účinek je výhodný pouze v přítom-nosti určitých jiných prvků. Při nízkých obsazích boruse tvrdost mírně zmenšuje a při obsahu nad 2 at.% opětstoupá. Při velmi vysokém obsahu boru to lze pravděpo-dobně odůvodnit tvorbou tvrdých boridů. Poměrné prodlou-žení při přetržení probíhá pro určité slitiny při obsahuboru 2 at.% charakteristickým maximem, takže přidání bo-ru nad asi 2 at.% nemá smysl. Většinou stačí maximálně1 at.% boru. Křemík zlepšuje slévatelnost a působí příznivě naodolnost proti oxydaci. Prakticky ve všech slitinách vy-volává zvýšení tvrdosti a kompenzuje úbytek pevnosti,vyvolaný přísadou boru.

Vynález ovšem není omezen pouze na uvedené příklady.

Zcela obecně má slitina odolná proti oxydaci a koro-zi pro strojní součásti pro střední teplotní rozsah, vy-tvořená na bázi aluminidu železa Fe^Al, toto složení: AI = 24 až 28 at.%, Nb = 0,1 až 2 at.%, Cr = 0,1 až 10 at.%,B = 0,1 až 1 at.%, Si = 0,1 až 2 at.%, zbytek železo.

Claims (4)

1. PAT /Ψ loGf- - 77 Ό & Γ

   8 z i z ε o

   1. Slitina odolná proti oxydaci a korozi pro konstrukčnísoučásti pro střední teplotní rozsah na bázi dotované-ho aluminidu železa Fe^Al, vyznačuj ícíse tím, že má složení AI = 24 až 28 at. % Nb = 0,1 až 5 at.% Cr = 0,1 až 5 at.% B = 0,1 až 1 at. % Si = 0,1 v az 2 at.% Fe = zbytek
2. 2. Slitina podle nároku 1, vyznačující setím, že má složení AI = 28 at. % Nb = . 1 at. % Cr = 5 at. % B = 0,1 at. % Si = 2 at. % Fe = zbytek
3. 3. Slitina podle nároku 1, vyznačující setím, že má složení AI = 28 at.% Nb = 1 at.% Cr = 5 at.% B = 0,1 at.% Si = 2 at.% Fe = zbytek 14 4 Slitina podle nároku 1, v y z n tím, že má složení AI = 28 at.% Nb = 1 at.% Cr = 5 at. % B = 1 at. % Si = 2 at.% Fe = zbytek 5 Slitina podle nároku 1, v y z n tím, že má složení AI = 28 at. % Nb = 2 at. % Cr = 4 at. % B = 0, 2 at.% Si = 2 at.% Fe = zbytek Slitina podle nároku 1, vyznačujícítím, že má složení AI = 26 at.% Nb = 0,5 at.% Cr = 6 at. % B = 0,5 at.% Si = 1,5 at. % Fe = zbytek Slitina podle nároku 1, vyznačujícítím, že má složení AI = 26 at.% Nb = 1,5 at.% Cr = 3 at.% B = 0,7 at.% Si = 1 at.% Fe = zbytek 15 Slitina tím, podle nároku 1, že má složení v y z n a č u j í c í s e AI = 26 at. % Nb = 2 at. % Cr = 1 at.% B = 1 at. % Si = 0, 5 at.% Fe = zbytek Slitina podle nároku 1, v y z n a č u j í c í s e tím, že má složení AI = 24 at.% Nb = 1 at. % Cr = 10 at. % B = 0,5 at.% Si = 2 at.% Fe = zbytek
4. 10. Slitina podle nároku 1, vyznačující setím, že má složení AI = 24 at. % Nb = 0,8 at. % Cr = 5 at.% B = 0,8 at. % Si = 1 at.% Fe = zbytek I? ύ';*