DD231225A3 - Verwendung einer warmverformbaren aushaertbaren nickellegierung fuer warmverschleissbestaendige warmarbeitswerkzeuge - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer warmverformbaren aushaertbaren Nickellegierung fuer im Temperaturbereich von 650 bis 850C hochbelastbare Warmarbeitswerkzeuge in der metallurgischen und metallverarbeitenden Industrie. Es ist das Ziel der Erfindung gegenueber den bekannten technologischen Loesungen eine fuer warmverformbare aushaertbare Nickellegierungen erhoehte Warmverschleissbestaendigkeit der Warmarbeitswerkzeuge und dabei eine im Vergleich zu den CoCrW-Guss- oder Auftragsschweisslegierungen (Stellite) bessere Zaehig- und Temperaturwechselbestaendigkeit zu erreichen. Erfindungsgemaess wurde dies dadurch geloest, dass zu einer in der Zusammensetzung fixierten Nickellegierung mit Gehalten an W u. Mo 15 Gew.-% zur Gewaehrleistung der Warmverformbarkeit Rhenium von 0,05 bis 0,50 Gew.-% zulegiert wird. Ausgehaertet wird eine Haerte 450 HV garantiert. Kennzeichnende Anwendungen sind Schmiedesaettel, Warmscherenmesser und Warmarbeitswerkzeuge fuer Strangpressen.
Description
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine warmverformbare, aushärtbare Nickellegierung für die Herstellung von warmverschleißbeständigen Warmarbeitswerkzeugen zu schaffen. Dabei soll die Härte der modifizierten Nickellegierung mindestens 450HV betragen.
Erfindungsgemäß wurde dies dadurch gelöst, daß für die Herstellung der Warmarbeitswerkzeuge Nickellegierungen folgender Zusammensetzung verwendet werden:
55bis65Gew.-%Ni
12bis25Gew.-%Cr
5bis15Gew.-%W
0bis15Gew.-%Co
3bis10Gew.-%Mo
1,5bis5Gew.-%Ti
0bis5Gew.-%Nb
1 bis 3,5 Gew.-% Al
0,15bis0,5Gew.-%V
0 bis 0,5 Gew.-% Si
0,10 bis 0,5 Gew.-% Mn
0,8 bis 0,20 Gew.-% C
0,001 bis 0,020 Gew.-% Mg
0,001 bis 0,020 Gew.-% Ce
0,001 bis 0,015 Gew.-% B
0,01 +(6,5x N)Gew.-%Zr
sowie legierungsbedingte Verunreinigungen. Dabei werden zur Gewährleistung der Warmverformbarkeit der Werkzeuge mit Gehalten von (W + Mo) S 15 Gew.-% und einer Härte von ä 450 HV 0,05 bis 0,50 Gew.-% Rhenium zulegiert. Die Erhöhung der Anwendungstemperatur, der Härte und Warmfestigkeit sowie Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung durch Wolfram + Molybdängehalte über 15 Gew.-% erklärt sich aus der Eigenschaft dieser mischkristallverfestigenden Legierungselemente in Abstimmung mit dem Kobaltgehalt, die Kohärenz zwischen Ni3 (Ti,AI)-Ausscheidung und Matrix zu verbessern, die Stabilität der intermetallischen y'-Phase durch den Einbau von Wolframatomen und gleichzeitig den Anteil an M6C-Carbiden zu erhöhen. Durch Modifizierung der NiCrCoWMoTiAIV-Legierung mit Rhenium von 0,05 bis 0,5 Gew.-% ist es bei gleichzeitiger Anwendung von Nickel-Magnesium, Ferro-Bor, Zer-Mischmetall und Zirkon gelungen, die Warmverformbarkeit dieses Legierungstyps selbst bei Gehalten von (W + Mo) S15 Gew.-%zu gewährleisten. Es wurde eine Verfeinerung der MikroStruktur und eine Verringerung des Steigerungsverhaltens von Wolfram und Molybdän nachgewiesen, wodurch außer einer günstigeren Warmverformbarkeit auch die der Kohärenz zwischen der intermetallischen Ausscheidungsphase (γ' und der Matrix (γ) verbessert werden konnte. Die Minimierung der Warmrißanfälligkeit und die Erweiterung der Warmverformbarkeit im Zusammenhang mit erhöhten Wolfram-, Molybdän-, Titan- und Aluminiumgehalten wird dadurch erreicht, daß infolge einer wesentlich verfeinerten MikroStruktur und der Vergrößerung des Korngrenzvolumens der schädigende Einfluß der nicht völlig vermeidbaren Verunreinigungen wie z. B. Pb, Sb, Bi, Te usw. verringert wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In Tabelle 1 ist die chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen aufgeführt. Die Aufbauschmelzen wurden in einem Mittelfrequenz-Induktionsofen durchgeführt und die Abschmelzstäbe steigend abgegossen. Während die Schmelzen A und B ohne Zulegieren im Elektronenstrahl-Mehrkammerofen umgeschmolzen wurden, erfolgte das Zulegieren von Titan, Aluminium und Rhenium zu Anteilen über 70% im Elektronenstrahl-Mehrkammerofen bei der Legierung C. Nach der Blockbearbeitung erfolgte die Warmverformung durch Freiformschmieden im Schmiedetemperaturbereich von 1180 bis 1 050°C. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Härteprüfungen HV10 nach dem Aushärten bei 750,800 und 850°C in Abhängigkeit von der Aushärtezeit bis 100 bzw. 1 000 Stunden dargestellt.
| Legierung | Ni | — | Cr | W | Co | Mo | Ti | Nb | Al |
| A | 64,14 | — | 19,40 | 5,48 | — | 3,70 | 2,37 | — | 1,43 |
| B | 62,33 | 0,35 | 18,10 | 8,65 | — | 3,30 | 2,45 | — | 1,32 |
| C | 58,76 | 17,22 | 12,21 | — | 3,78 | 2,46 | — | 1,75 | |
| Fortsetzung Tabelle 1 Legierung V | Si | Mn | Fe | C | Zr | Re | |||
| A | 0,30 | 0,35 | 1,50 | 0,10 | — | 0,121 | |||
| B | 0,28 | 0,25 | 2,45 | 0,13 | 0,0026 | — | |||
| C | 0,44 | 0,40 | 3,28 | 0,20 | 0,032 | 0,183 |
Aushärteverhalten der lösungsgeglühten (1160°C/4 h/Luft), Legierungen
| Legie rung | Aushärte- temperatur°C | Härte HV ί 0 in Abhängigkeit von der Haltezeit 0 2 8 16(24) | 340 341 343 | 350 348 345 | 355 350 340 | 48 | 100 | 500 | lOOOStd. |
| A | 750 800 850 | 325 325 325 | 355 358 360 | 365 366 362 | 372 370 360 | 360 352 332 | 362 345 324 | — | — |
| B | 750 800 850 " | 340 340 340 | 468 460 462 | 483 490 482 | (510) (510) (490) | 378 373 354 | 382 368 342 | — | — |
| C | 750 800 850 | 382 382 382 | 521 519 492 | 532 523 490 | 540 520 470 | 544 510 450 |
Claims (1)
- Erfindungsanspruch:Verwendung einer warmverformbaren aushärtbaren Nickellegierung für warmverschleißbeständige Warmarbeitswerkzeuge im Bereich von 650 bis 8500C, gekennzeichnet dadurch, daß die Legierung die Zusammensetzung 55bis65Gew.-%Ni
12 bis 25 Gew.-% Cr5bis15Gew.-%WObis 15Gew.-%Co3bis10Gew.-%Mo
1,5bis5Gew.-%Ti
0bis5Gew.-%Nb
1 bis 3,5 Gew.-% Al
0,15bis0,5Gew.-%V
0 bis 0,5 Gew.-% Si
0,10bis0,5Gew.-%Mn
0,08 bis 0,20 Gew.-% C
0,001 bis 0,020 Gew.-% Mg
0,001 bis 0,020 Gew.-% Ce
0,001 bis0,015Gew.-%B
0,01 + (6,5xN)Gew.-%Zrsowie legierungsbedingte Verunreinigungen besitzt und daß zur Gewährleistung der Warmverformbarkeit der Werkzeuge mit Gehalten an (W + Mo) § 15 Gew.-% und einer Härte von S 450 HV ein Zulegieren von 0,05 bis 0,50 Gew.-% Rhenium erfolgt.Anwendungsgebiet der ErfindungDie Erfindung betrifft die Verwendung einer warmverformbaren aushärtbaren Nickellegierung für hochbelastete Warmarbeitswerkzeuge in der metallurgischen und metallverarbeitenden Industrie. Kennzeichnende Anwendungen sind Schmiedesättel, z. B. in Schmiedemaschinen, Warmscherenmesser für Blockwalzstraßen und Stranggußanlagen sowie Warmarbeitswerkzeuge für Strangpressen.Charakteristik der bekannten technischen LösungenDie Erfahrungen bei der Warmverformung aushärtbarer hochwarmfester Nickellegierungen für den Gasturbinenbau führten zu Versuchen, diese Werkstoffe selbst zu Warmarbeitswerkzeugen zu verarbeiten. Gegenüber den bekannten Warmarbeitsstählen beschränkt sich die Anwendung auf Grund der Warmfestigkeitseigenschaften sowie infolge des für Nickellegierungen ungünstigen Verhältnisses der Werktstoffkosten auf den Einsatz für solche Warmarbeitswerkzeuge, bei denen infolge hoher Temperaturbeanspruchung die herkömmlichen Werkzeuge trotz Panzerung z. B. mit auftragsgeschweißten Steinten rasch ausfallen und zu unwirtschaftlichem Stillstand und Reparaturen führen. Bekannt sind Schmiedesättel und Warmscherenmesser aus Nimoloy alloy PK 37 (NiCr20Co18Ti) sowie Rene 41 bzw. ATS 321 W Vakumelt (NiCrI9CoMo). Diese Werkstoffe gehen wie fast alle hochwarmfesten Nickellegierungen von der Tatsache aus, daß ein Nickelmischkristall durch Zulegieren von Aluminium über die Ausscheidung der kubischen γ'-Phase (N13AI, Typ LI2) ausgehärtet werden kann. Das Aluminium wird in technischen hochwarmfesten Legierungen auf Ni-Basis weitgehend oder teilweise durch Titan und/oder Niob ersetzt ohne die Struktur der Ausscheidungen zu ändern. Für dieTemperaturabhängigkeit der mechanischen Kennwerte ist der Anteil, dieTeilchengröße und die Verteilung der γ'-Phase maßgebend. Neben der mit der γ'-Ausscheidung verbundenen Einstellung der Warmfestigkeitseigenschaften haben noch mischkristallverfestigende Legierungselemente sowie Ausscheidungen von Karbiden, Nitriden und Carbonitriden einen mehr oder weniger großen Einfluß auf das Warmfestigkeitsverhalten, die Härte, Duktilität und Zähigkeit. Eine hohe Abriebsbeständigkeit bei Hochtemperaturanwendung wird durch die Carbidart, -menge und -verteilung gemeinsam mit den γ-Ausscheidungen erreicht. Gegenüber den spröden, jedoch härteren CoCrW-Guß bzw. Auftragsschweißlegierungen (Steinte), sind die sogenannten aushärtbaren Nickelknetlegierurigen duktiler und zäher. Sie weisen ein gutes Temperaturwechselverhalten und eine sehr hohe thermische Stabilität auf. Für die thermische Stabilität nach dem Altern ist die Einhaltung der Elektronenvakanz (Nv-Zahl) von 2.23 bis 2.31 bedeutend. Bekannt ist auch die mischkristallverfestigende Wirkung erhöhter Wolfram- und Molybdänzusätze einschließlich ihres Einflusses auf die Ausscheidungshärtung infolge der Verschiebung des Härtemaximums in Richtung höherer Auslagerungstemperaturen. Wolfram wirkt dabei nicht nur als mischkristallverfestigendes Element, da etwa die Hälfte der in der Legierung vorhandenen Wolframatome in diey'-Phase eingebaut sind. Wolframgehalte über 8Gew.-% steigern zunehmend die Härte, wobei diese selbst nach dem Aushärten bis 8500C erhalten bleibt. Wolfram- und Molybdänzusätze verzögern die Diffusion von Titan und Chrom in NiCr20TiAI-Legierungen und vergrößern die Energie der Diffusionsaktivierung bei 700 bis 1 0000C. Während sich Wolfram in NiCrTiAI-Legierungen, vorwiegend in den Dendritenachsen konzentriert, bevorzugt Molybdän die Korngrenzen. Dementsprechend steigern Wolfram und Molybdän unterschiedlich die Festigkeit. Zunehmende Wolframgehalte in aushärtbaren NiCr20TiAI-Legierungen verschlechtern bedeutend die Warmverformbarkeit. Das Warmverformungsvermögen und die Heißrißanfälligkeit behindern nach dem derzeitigen Stand die Herstellung eines harten, (ä 450HV) dabei jedoch zähen und thermoschockbeständigen hochwarmfesten schmiedbaren Warmarbeitswerkzeuges auf NiCrCoWMoTi(Nb)AI-8asis. Chromgehalte über 12% dienen zur Verbesserung der Zunderbeständigkeit.Ziel der ErfindungZiel der Erfindung ist es, einen Werkstoff zur Herstellung eines warmverformbaren hochbeanspruchbaren Warmarbeitswerkzeuges anzugeben, um die Werkzeugkosten zu minimieren und dadurch die Materialökonomie zu verbessern.
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1983
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