DD231225A3 - USE OF A WARM-FORMABLE ESTABLISHABLE NICKEL ALLOY FOR HOT-BRAKE-RESISTANT HOT-WORKING TOOLS - Google Patents

USE OF A WARM-FORMABLE ESTABLISHABLE NICKEL ALLOY FOR HOT-BRAKE-RESISTANT HOT-WORKING TOOLS Download PDF

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DD231225A3 DD82246656A DD24665682A DD231225A3 DD 231225 A3 DD231225 A3 DD 231225A3 DD 82246656 A DD82246656 A DD 82246656A DD 24665682 A DD24665682 A DD 24665682A DD 231225 A3 DD231225 A3 DD 231225A3
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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.The invention relates to the use of a heat-deformable aushaertbaren nickel alloy for in the temperature range of 650 to 850C heavy-duty hot working tools in the metallurgical and metalworking industry. It is the object of the invention over the known technological solutions to increase the heat wear resistance of the hot working tools increased for thermoformable austenitizable nickel alloys and thereby to achieve better toughness and thermal shock resistance in comparison with the CoCrW cast or surfacing alloys (Stellite). According to the invention, this was achieved by adding to a nickel alloy fixed in the composition with contents of W u. Mo 15 wt .-% to guarantee the heat ductility rhenium from 0.05 to 0.50 wt .-% is alloyed. A Haerte 450 HV is guaranteed. Characteristic applications are forges, hot shear knives and hot working tools for extrusion presses.

Description

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to provide a thermoformable, hardenable nickel alloy for the production of hot wear resistant hot work tools. The hardness of the modified nickel alloy should be at least 450HV.

Erfindungsgemäß wurde dies dadurch gelöst, daß für die Herstellung der Warmarbeitswerkzeuge Nickellegierungen folgender Zusammensetzung verwendet werden:According to the invention, this has been achieved by using nickel alloys of the following composition for the production of the hot working tools:

55bis65Gew.-%Ni55bis65Gew .-% Ni

12bis25Gew.-%Cr12bis25Gew .-% Cr

5bis15Gew.-%W5bis15Gew .-% W

0bis15Gew.-%Co0bis15Gew .-% Co

3bis10Gew.-%Mo3bis10Gew .-% Mo

1,5bis5Gew.-%Ti1,5bis5Gew .-% Ti

0bis5Gew.-%Nb0bis5Gew .-% Nb

1 bis 3,5 Gew.-% Al1 to 3.5% by weight of Al

0,15bis0,5Gew.-%V0,15bis0,5Gew .-% V

0 bis 0,5 Gew.-% Si 0 to 0.5% by weight of Si

0,10 bis 0,5 Gew.-% Mn0.10 to 0.5% by weight of Mn

0,8 bis 0,20 Gew.-% C0.8 to 0.20% by weight of C

0,001 bis 0,020 Gew.-% Mg0.001 to 0.020 wt% Mg

0,001 bis 0,020 Gew.-% Ce0.001 to 0.020% by weight of Ce

0,001 bis 0,015 Gew.-% B0.001 to 0.015% by weight B

0,01 +(6,5x N)Gew.-%Zr0.01 + (6.5xN) wt% 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.as well as alloy-related impurities. In this case, in order to ensure the hot workability of the tools with contents of (W + Mo) S 15% by weight and a hardness of 450 HV, 0.05 to 0.50% by weight of rhenium are added. The increase of the application temperature, the hardness and heat resistance as well as resistance to thermal fatigue by tungsten + molybdenum contents over 15 wt .-% is explained by the property of these mixed crystal strengthening alloying elements in agreement with the cobalt content, the coherence between Ni 3 (Ti, Al) -excretion and matrix to improve the stability of the intermetallic y 'phase by the incorporation of tungsten atoms and at the same time the proportion of M 6 C carbides. By modifying the NiCrCoWMoTiAIV alloy with rhenium from 0.05 to 0.5 wt.%, It has been possible, with simultaneous use of nickel magnesium, ferro-boron, zer-mischmetal and zirconium, to determine the hot workability of this alloy type even at levels of ( W + Mo) S15% by weight. A refinement of the microstructure and a reduction in the increase behavior of tungsten and molybdenum has been demonstrated, which, in addition to a more favorable hot workability, could also improve the coherence between the intermetallic precipitation phase (γ ' and the matrix (γ).) Minimization of hot crack susceptibility and expansion the hot workability in connection with increased tungsten, molybdenum, titanium and aluminum contents is achieved in that due to a much more refined microstructure and the increase of the grain boundary volume of the damaging influence of not completely avoidable impurities such as Pb, Sb, Bi, Te, etc. is reduced.

Ausführungsbeispielembodiment

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.The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. Table 1 lists the chemical composition of the alloys tested. The construction melts were carried out in a medium frequency induction furnace and the Abschmelzstäbe poured downhill. While the melts A and B were remelted without alloying in the electron beam multi-chamber furnace, the alloying of titanium, aluminum and rhenium to proportions above 70% in the electron beam multi-chamber furnace at the alloy C. After the block processing, the hot deformation was carried out by Smith forging in the forging temperature range of 1180 up to 1050 ° C. Table 2 shows the hardness test results HV10 after curing at 750.800 and 850 ° C depending on the curing time up to 100 and 1000 hours, respectively.

Tabelle 1:Table 1: Chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen in Gew.-%Chemical composition of the investigated alloys in% by weight

Legierungalloy NiNi —- CrCr WW CoCo MoMo TiTi NbNb Alal AA 64,1464.14 —- 19,4019.40 5,485.48 —- 3,703.70 2,372.37 —- 1,431.43 BB 62,3362.33 0,350.35 18,1018,10 8,658.65 —- 3,303.30 2,452.45 —- 1,321.32 CC 58,7658.76 17,2217.22 12,2112.21 —- 3,783.78 2,462.46 —- 1,751.75 Fortsetzung Tabelle 1 Legierung VContinuation Table 1 Alloy V SiSi MnMn FeFe CC ZrZr Rere AA 0,300.30 0,350.35 1,501.50 0,100.10 —- 0,1210.121 BB 0,280.28 0,250.25 2,452.45 0,130.13 0,00260.0026 —- CC 0,440.44 0,400.40 3,283.28 0,200.20 0,0320.032 0,1830.183

Tabelle 2:Table 2:

Aushärteverhalten der lösungsgeglühten (1160°C/4 h/Luft), LegierungenCuring behavior of solution-annealed (1160 ° C / 4 h / air), alloys

Legie rungAlloying Aushärte- temperatur°CCuring temperature ° C Härte HV ί 0 in Abhängigkeit von der Haltezeit 0 2 8 16(24)Hardness HV ί 0 as a function of holding time 0 2 8 16 (24) 340 341 343340 341 343 350 348 345350 348 345 355 350 340355 350 340 4848 100100 500500 lOOOStd.lOOOStd. AA 750 800 850750 800 850 325 325 325325 325 325 355 358 360355,358,360 365 366 362365 366 362 372 370 360372,370,360 360 352 332360 352 332 362 345 324362 345 324 —- —- BB 750 800 850 "750 800 850 " 340 340 340340 340 340 468 460 462468 460 462 483 490 482483 490 482 (510) (510) (490)(510) (510) (490) 378 373 354378,373,354 382 368 342382 368 342 —- —- CC 750 800 850750 800 850 382 382 382382 382 382 521 519 492521 519 492 532 523 490532 523 490 540 520 470540 520 470 544 510 450544 510 450

Claims (1)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 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.-% CrUse of a thermoformable age-hardenable nickel alloy for heat resistant hot-working tools in the range 650-850 0 C, characterized in that the alloy has the composition 55bis65Gew .-% Ni
12 to 25 wt.% Cr 5bis15Gew.-%W5bis15Gew .-% W Obis 15Gew.-%CoObis 15wt% Co 3bis10Gew.-%Mo
1,5bis5Gew.-%Ti
0bis5Gew.-%Nb
1 bis 3,5 Gew.-% Al
0,15bis0,5Gew.-%V
0 bis 0,5 Gew.-% Si
0,10bis0,5Gew.-%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.-%Zr3bis10Gew .-% Mo
1,5bis5Gew .-% Ti
0bis5Gew .-% Nb
1 to 3.5% by weight of Al
0,15bis0,5Gew .-% V
0 to 0.5% by weight of Si
0,10bis0,5Gew .-% Mn
0.08 to 0.20 wt.% C
0.001 to 0.020 wt% Mg
0.001 to 0.020% by weight of Ce
0.001 to 0.015 wt% B
0.01 + (6.5xN) wt% Zr sowie 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.and alloy-related impurities and that in order to ensure the hot workability of the tools with contents of (W + Mo) § 15 wt .-% and a hardness of S 450 HV is a alloying of 0.05 to 0.50 wt .-% rhenium. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die 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.The invention relates to the use of a thermoformable nickel alloy for highly stressed hot work tools in the metallurgical and metalworking industries. Typical applications are forged saddles, eg. B. in forging machines, hot cutting blades for block rolling mills and continuous casting plants and hot working tools for extrusion. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Die 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.Experiences in the thermoforming of hardenable high temperature nickel alloys for gas turbine construction led to attempts to process these materials themselves into hot working tools. Compared to the known hot working steels, the application is limited due to the heat resistance properties and as a result of the unfavorable for nickel alloys ratio of the material costs on the use of such hot tools, where due to high temperature stress, the conventional tools despite armor z. B. fail with order-welded Steinten quickly and lead to uneconomic shutdown and repairs. Forged saddles and hot shear knives made of Nimoloy alloy PK 37 (NiCr20Co18Ti) as well as Rene 41 or ATS 321 W Vakumelt (NiCrI9CoMo) are known. These materials, like almost all high-temperature nickel alloys, are based on the fact that a nickel mixed crystal can be cured by alloying aluminum via the precipitation of the cubic γ 'phase (N13AI, type LI2). The aluminum is largely or partially replaced by titanium and / or niobium in technical Ni-based refractory alloys without altering the structure of the precipitates. The temperature dependence of the mechanical characteristics is determined by the proportion, the particle size and the distribution of the γ 'phase. In addition to the adjustment of the heat resistance properties associated with the γ'-precipitation, alloying elements that solidify the solid solution as well as precipitates of carbides, nitrides and carbonitrides have a more or less important influence on the heat resistance behavior, hardness, ductility and toughness. High abrasion resistance at high temperature application is achieved by the carbide type, amount and distribution together with the γ precipitates. Compared to the brittle but harder CoCrW cast or surfacing alloys (Steinte), the so-called curable nickel knurled piglets are more ductile and tougher. They have good thermal cycling and very high thermal stability. For thermal stability after aging, compliance with the electron vacancy (Nv number) of 2.23 to 2.31 is significant. Also known is the Mischkristallverestigende effect increased tungsten and molybdenum additions including their influence on the precipitation hardening due to the shift of the maximum hardness in the direction of higher aging temperatures. Tungsten does not only act as a mixed-crystal strengthening element, since about half of the tungsten atoms present in the alloy are incorporated in the y'-phase. Tungsten contents above 8 wt .-% increasingly increase the hardness, which remains even after curing to 850 0 C. Tungsten and molybdenum additions delay the diffusion of titanium and chromium in NiCr20TiAI alloys, and increase the energy of the diffusion activation at 700-1000 0 C. While tungsten, predominantly concentrated in NiCrTiAI alloys in the Dendritenachsen, preferably molybdenum, the grain boundaries. Accordingly, tungsten and molybdenum increase the strength differently. Increasing tungsten contents in curable NiCr20TiAl alloys significantly degrade hot workability. The hot workability and the susceptibility to hot cracking presently hinder the fabrication of a hard (~ 450HV) but tough and thermally shock resistant high temperature forged NiCrCoWMoTi (Nb) Al-8 based hot work tool. Chromium contents above 12% serve to improve the scale resistance. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, einen Werkstoff zur Herstellung eines warmverformbaren hochbeanspruchbaren Warmarbeitswerkzeuges anzugeben, um die Werkzeugkosten zu minimieren und dadurch die Materialökonomie zu verbessern.The aim of the invention is to provide a material for the production of a thermoformable heavy-duty hot working tool in order to minimize tooling costs and thereby improve the material economy.
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