DE10123566C1 - Nickel-based austenitic alloy used as a valve material for diesel engines of ships contains alloying additions of carbon, chromium, aluminum and zirconium - Google Patents
Nickel-based austenitic alloy used as a valve material for diesel engines of ships contains alloying additions of carbon, chromium, aluminum and zirconiumInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine austentische warmfeste Nickel-Basis-Legierung.The invention relates to an austenitic heat-resistant nickel-based alloy.
Das Institute of Marine Engineers mit den Proceedings "Diesel Engine Combustion Chamber Materials for Heavy Fuel Operation" 1990, vermittelt eine Zusammenfassung bezüglich der seit etwa zehn Jahren durchgeführten intensiven Forschungs- und Enwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Ventilwerkstoffe.The Institute of Marine Engineers with the Proceedings "Diesel Engine Combustion Chamber Materials for Heavy Fuel Operation "1990 a summary of what has been done for about ten years intensive research and development work in the field of Valve materials.
Etabliert hat sich danach für diese Anwendung hauptsächlich Alloy 80A mit (in Masse-%) 0,08% C, 19,5% Cr, 75% Ni, 1,4% Al sowie 2,4% Ti.Alloy 80A with (in Mass%) 0.08% C, 19.5% Cr, 75% Ni, 1.4% Al and 2.4% Ti.
Vereinzelt wurde auch Alloy 81 mit (in Masse-%) 0,05% C, 30% Cr, 66% Ni, 0,9% Al sowie 1,8% Ti genutzt.Alloy 81 was also isolated with (in mass%) 0.05% C, 30% Cr, 66% Ni, 0.9% Al and 1.8% Ti used.
Fallweise werden diese Legierungen als Ventilgrundmaterialien eingesetzt,
wobei die Ventilsitzpartie zusätzlich mit einem abriebfesten Material
beschichtet wird, wie es beispielsweise in der EP 0521821 B1 beschrieben ist.
Diese Druckschrift gibt die chemische Zusammensetzung (in Masse-%) für das
Grundmaterial wie folgt an:
0,04-0,10% C
≦ 1,0% Si
≦ 0,2% Cu
≦ 1,0% Fe
≦ 1,9% Mn
18,0-21,0% Cr
1,8-2,7% Ti
1,0-1,8% Al
≦ 2% Co
≦ 0,3% Mo, B, Zr,
Rest Nickel.Occasionally, these alloys are used as valve base materials, the valve seat part being additionally coated with an abrasion-resistant material, as described, for example, in EP 0521821 B1. This publication specifies the chemical composition (in mass%) for the base material as follows:
0.04-0.10% C
≦ 1.0% Si
≦ 0.2% Cu
≦ 1.0% Fe
≦ 1.9% Mn
18.0-21.0% Cr
1.8-2.7% Ti
1.0-1.8% Al
≦ 2% Co
≦ 0.3% Mo, B, Zr,
Rest of nickel.
Ferner ist eine Variante dieser Legierung unter anderem auch mit 29-31% Cr angeführt.Furthermore, a variant of this alloy is also with 29-31% Cr cited.
Bei den gegenwärtigen Einsatztemperaturen von unter 750°C zeichnet sich Alloy 80A durch eine höhere Lebensdauer in LCF-Versuchen und eine bessere Abriebfestigkeit aus, während Alloy 81 wegen seiner besseren Heißkorrosionsbeständigkeit unter den Bedingungen, wie sie zum Beispiel im Schiffsdieselmotor anzutreffen sind, geprüft wurde. Jede dieser Legierungen hat also ihre besonderen Vorteile, keine jedoch erfüllt sämtliche Anforderungen an die mechanischen und korrosiven Eigenschaften. Die Abhilfe mit einer zusätzlichen Beschichtung bringt weitere unerwünschte Fertigungs- und Materialkosten mit sich. Unter Kostengesichtspunkten ungünstig ist auch der pulvermetallugische Fertigungsweg. Derartige Kosten sollen möglichst vermieden werden.At the current operating temperatures of below 750 ° C stands out Alloy 80A due to a longer service life in LCF tests and a better one Abrasion resistance, while Alloy 81 because of its better Hot corrosion resistance under the conditions, such as in Marine diesel engine can be found, has been checked. Any of these alloys So has its special advantages, but none meets all requirements the mechanical and corrosive properties. The remedy with a additional coating brings more undesirable manufacturing and Material costs with it. From a cost point of view, that is also unfavorable powder metallurgical production route. Such costs should be as possible be avoided.
Hierauf bezieht sich die US 6,139,660 A welche eine Legierung folgender
Zusammensetzung (in Masse-%) für Ein- und Auslaßventile von Dieselmotoren
beschreibt:
≦ 0,1% C
≦ 1,0% Si
≦ 01% Mn
≧ 25-≦32,2% Cr
≦ 3% Ti
≧ 1-≦ 2% Al
Rest Ni.
This relates to US Pat. No. 6,139,660 A, which describes an alloy of the following composition (in% by mass) for intake and exhaust valves of diesel engines:
≦ 0.1% C
≦ 1.0% Si
≦ 01% Mn
≧ 25- ≦ 32.2% Cr
≦ 3% Ti
≧ 1- ≦ 2% Al
Rest Ni.
Aber auch diese Legierung bringt keine ausreichende Heißkorrosionbeständigkeit mit sich.But this alloy also does not bring sufficient Resistance to hot corrosion.
Hinzu kommt, daß zukünftig leistungsfähigere Motoren, wie Schiffsdieselmotoren, bei Temperaturen bis etwa 850°C arbeiten, was auch an den Ventilwerkstoff höhere Anforderungen stellt, zumal die Lebensdauer erhalten bleiben soll und auch keine zusätzlichen Wartungsarbeiten erwünscht sind.In addition, more powerful engines such as Marine diesel engines, work at temperatures up to about 850 ° C, which also the valve material places higher demands, especially as the service life should be preserved and no additional maintenance work is desired are.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bis zu Temperaturen von 850°C heißkorrosionsbeständigen Werkstoff mit mechanischen Eigenschaften, welche denen von Alloy 80A nicht nachstehen, bereit zu stellen.The invention has for its object one up to temperatures of 850 ° C hot corrosion resistant material with mechanical properties, which are not inferior to those of Alloy 80A.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine austenitische warmfeste Nickel-Basis-
Legierung, mit (in Masse-%)
0,03-0,1% C
max. 0,005% S
max. 0,05% N
25-35% Cr
max. 0,2 Mn
max. 0,1% Si
max. 0,2% Mo
2-3% Ti
0,02-1,1% Nb
max. 0,1% Cu
max. 1% Fe
max. 0,008% P
0,9-1,3% Al
max. 0,01% Mg
0,02-0,1% Zr
max. 0,2% Co,
wobei die Summe aus Al + Ti + Nb ≧ 3,5% ist,
Rest Ni sowie herstellungsbedingte Beimengungen.This task is solved by an austenitic heat-resistant nickel-based alloy, with (in mass%)
0.03-0.1% C
Max. 0.005% S
Max. 0.05% N
25-35% Cr
Max. 0.2 mn
Max. 0.1% Si
Max. 0.2% Mo
2-3% Ti
0.02-1.1% Nb
Max. 0.1% Cu
Max. 1% Fe
Max. 0.008% P
0.9-1.3% Al
Max. 0.01% Mg
0.02-0.1% Zr
Max. 0.2% Co,
where the sum of Al + Ti + Nb ≧ 3.5%,
Rest of Ni as well as manufacturing-related additives.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen bis zu 850°C heißkorrosionsbeständigen Nickel-Basis-Legierung sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous further developments of the invention up to 850 ° C. hot corrosion-resistant nickel-based alloy are the associated See subclaims.
Derartige heißkorrosionsbeständige Werkstoffe erreichen mechanische Eigenschaften, welche denen von Alloy 80A nicht nachstehen. Insofern ist der erfindungsgemäße Werkstoff als Ventilwerkstoff allgemein einsetzbar und im Speziellen für zukünftige Generationen von Schiffsdieselmotoren im Temperaturbereich bis max. 850°C verwendbar.Such hot corrosion resistant materials reach mechanical Properties that are not inferior to those of Alloy 80A. To that extent Material according to the invention can be used generally as a valve material and in Especially for future generations of marine diesel engines in the Temperature range up to max. Can be used at 850 ° C.
Aus der Literatur geht hervor, daß besonders korrosive Motorbedingungen
simuliert werden können, durch eine SO2 haltige Atmosphäre und eine Asche
folgender Zusammensetzung (in Masse-%):
40% V2O3 + 10% NaVO3 + 20% Na2SO4 + 15% CaSO4 + 15% NiSO4.The literature shows that particularly corrosive engine conditions can be simulated through an SO 2 -containing atmosphere and an ash of the following composition (in mass%):
40% V2O3 + 10% NaVO3 + 20% Na2SO4 + 15% CaSO4 + 15% NiSO4.
Die erfindungsgemäße Nickel-Basis-Legierung hat hervorragende Eigenschaften bezüglich Heißkorrosionsbeständigkeit bis zu 850°C, wenn die Nickel-Basis- Legierung etwa 30 Masse-% Chrom und max. 0,1 Masse-% Kohlenstoff aufweist, die sich aber von den bisher eingesetzten Legierungen durch Zusätze reaktiver Elemente, wie Yttrium, Hafnium und Zirkon unterscheidet, welche die Heißkorrosionsbeständigkeit unter Bedingungen, wie sie zum Beispiel im Schiffsmotor anzutreffen sind, erst gewährleisten. Ihre Zugabe muß in einem engen Bereich erfolgen, da ansonsten der positive Effekt andernfalls ins Gegenteil umgekehrt wird und zu innerer Oxidation führt. Wie die unten angeführten Beispiele zeigen, hat sich die Eingrenzung der Summe von Yttrium, Hafnium, Zirkon und 10 × Bor auf 0,03-0,1 Masse-% bewährt. Zur Erhöhung der Warmstreckgrenze wird zusätzlich zu Aluminium und Titan Niob eingesetzt. Um den Anforderungen zu entsprechen, muß die Summe dieser Elemente ≧ 3,5 Masse-% sein.The nickel-based alloy according to the invention has excellent properties with regard to hot corrosion resistance up to 850 ° C if the nickel-based Alloy about 30 mass% chromium and max. 0.1 mass% carbon has, but which differs from the previously used alloys by additives reactive elements, such as yttrium, hafnium and zircon, which distinguishes the Hot corrosion resistance under conditions such as those in Ensure that the ship's engine can be found. Your encore must be in one narrow range, otherwise the positive effect otherwise ins The opposite is reversed and leads to internal oxidation. Like the one below examples show, has the narrowing of the sum of yttrium, Proven hafnium, zircon and 10 × boron to 0.03-0.1 mass%. To increase The hot stretch limit is used in addition to aluminum and titanium niobium. To meet the requirements, the sum of these elements ≧ 3.5 Mass%.
Tabelle 1 zeigt beispielhaft die chemischen Zusammensetzungen zweier
erfindungsgemäßer Beispiele E1 und E2. Zum besseren Vergleich sind zwei
typische Analysen der handelsüblichen Legierungen Alloy 80A und Alloy 81
aufgeführt. Diese wurden in 10 kg schweren Blöcken im
Vakuuminduktionsofen erschmolzen, warmgewalzt und bei 1180°C für 2
Stunden in Luft lösungsgeglüht mit anschließender Wasserabschreckung. Weil
die Werkstoffe im ausgehärteten Zustand eingesetzt werden, wurde eine zwei
stufige Anlassglühung angeschlossen:
6 Stunden bei 850°C mit Luftabkühlung gefolgt von
4 Stunden bei 700°C mit Luftabkühlung.Table 1 shows an example of the chemical compositions of two examples E1 and E2 according to the invention. For a better comparison, two typical analyzes of the commercially available alloys Alloy 80A and Alloy 81 are listed. These were melted in 10 kg blocks in a vacuum induction furnace, hot-rolled and solution-annealed in air at 1180 ° C. for 2 hours with subsequent water quenching. Because the materials are used in the hardened state, a two-stage annealing was connected:
6 hours at 850 ° C with air cooling followed by
4 hours at 700 ° C with air cooling.
Da ein erfindungsgemäßes Ziel mit Alloy 80A vergleichbare Warmfestigkeiten bei Einsatztemperatur war, wurden Zugfestigkeit und Streckgrenze bei 600°C und 800°C gemessen. Tabelle 2 zeigt, daß bei 600°C E1 Alloy 80A vergleichbar und E2 sogar noch fester ist. Bei 800°C sind die 3 Legierungen vergleichbar. Since a target according to the invention with Alloy 80A comparable heat resistance at operating temperature, tensile strength and yield point were at 600 ° C and 800 ° C measured. Table 2 shows that at 600 ° C E1 Alloy 80A comparable and E2 is even firmer. The three alloys are at 800 ° C comparable.
Zur Prüfung des Hochtemperaturkorrosionsverhaltens wurden ausgehärtete Proben in eine Asche der Zusammensetzung (in Masse-%) 40% V2O3 + 10% NaVO3 + 20% Na2SO4 + 15% CaSO4 + 15% NiSO4 gestellt. Cured were used to test the high-temperature corrosion behavior Samples in an ash of composition (in% by mass) 40% V2O3 + 10% NaVO3 + 20% Na2SO4 + 15% CaSO4 + 15% NiSO4.
Der Ofenraum wurde mit 0,2%-iger SO2 geflutet. Diese Versuche wurden bei 750°C und 850°C durchgeführt, und nach 20 Stunden sowie nach 100 Stunden wurden im Lichtmikroskop der innere und äußere Korrosionsangriff bestimmt. Als Referenzlegierung wurde Alloy 81 geprüft. Bei 750°C wurden sowohl bei Alloy 81 als auch bei E1 und E2 keine inneren Korrosionsangriffe oder äußeren Schalen gefunden, die dicker als 0,05 mm waren, bei 850°C liegen alle Werte unter 0,08 mm, wohingegen bei Alloy 80A ein innerer Korrosionsangriff von etwa 0,15 mm gefunden wurde. Diese Versuche belegen, dass das Korrosionsverhalten der erfindungsgemäßen Legierungen E1 und E2 mit dem von Alloy 81 vergleichbar ist.The furnace chamber was flooded with 0.2% SO 2 . These tests were carried out at 750 ° C and 850 ° C, and after 20 hours and after 100 hours the internal and external corrosion attack were determined under the light microscope. Alloy 81 was tested as a reference alloy. At 750 ° C, no inner corrosion attacks or outer shells that were thicker than 0.05 mm were found for Alloy 81 or E1 and E2, at 850 ° C all values are less than 0.08 mm, whereas Alloy 80A internal corrosion attack of about 0.15 mm was found. These tests prove that the corrosion behavior of alloys E1 and E2 according to the invention is comparable to that of Alloy 81.
Obwohl der Einfluss der verschiedenen Elemente auf Korrosionsverhalten und Warmfestigkeit häufig gegenläufig ist, konnten mit den Legierungen E1 und E2 Zusammensetzungen gefunden werden, welche die gestellten Anforderungen an das Hochtemperaturkorrosionsverhalten und die Warmfestigkeit bei Temperaturen im Bereich zwischen 600°C und 850°C gleichzeitig erfüllen. Erklärbar ist die gute Korrosionsbeständigkeit durch die Zugabe der reaktiven Elemente, insbesondere Hafnium und Zirkon, ohne dabei ein Optimum von (Y + Hf + Zr) von max. 0,08 Masse-% zu überschreiten. Höhere Gehalte verstärken den in das Material hinein gerichteten Korrosionsangriff. Die Limitierungen des Kohlenstoffgehalts auf 0,05 Masse-% und die von Mangan auf 0,2 Masse-% tragen zusätzlich zur Korrosionsbeständigkeit bei. Für die Warmfestigkeit hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn Aluminium, Titan und Niob zugegeben werden, wobei ihr Summengehalt oberhalb von 3,5 Masse-% liegen soll. Diese Warmfestigkeiten machen eine Beschichtung der Sitzpartie überflüssig, wodurch Fertigungskosten eingespart werden können.Although the influence of the various elements on corrosion behavior and Heat resistance is often opposed to that of alloys E1 and E2 Compositions are found that meet the requirements the high temperature corrosion behavior and the heat resistance Meet temperatures in the range between 600 ° C and 850 ° C at the same time. The good corrosion resistance can be explained by the addition of the reactive Elements, especially hafnium and zircon, without doing an optimum of (Y + Hf + Zr) of max. Exceed 0.08 mass%. Higher levels intensify the corrosion attack directed into the material. The Limitations of the carbon content to 0.05 mass% and those of manganese to 0.2 mass% also contribute to corrosion resistance. For the Heat resistance has proven to be particularly favorable if aluminum, Titanium and niobium are added, their total content above 3.5 Mass% should be. This heat resistance makes a coating of the Seat section unnecessary, which can save manufacturing costs.
Im Folgenden wird auf die Wirkungsweise der zugegebenen Elemente
eingegangen:
The mode of operation of the added elements is discussed below:
- - Kohlenstoff und Bor bilden Karbide bzw. Boride und tragen damit zur Stabilisierung der Korngrenzen und zur Langzeitfestigkeit bei, bieten aber Angriffspunkte für die Korrosion, weshalb die Summe von C + 10 × B 0,08 Masse-% nicht überschreiten soll. So erstreckt sich beispielsweise der innere Korrosionsangriff der in Tabelle 3 wiedergegebenen Legierungszusammensetzung G1 bei 750°C auf 0,17 mm nach 100 Stunden und nach derselben Zeit bei 850°C sogar auf 0,45 mm.- Carbon and boron form carbides and borides and thus contribute Stabilization of grain boundaries and long-term strength, but offer Attack points for corrosion, which is why the sum of C + 10 × B 0.08 Mass% should not exceed. For example, the internal corrosion attack shown in Table 3 Alloy composition G1 at 750 ° C to 0.17 mm after 100 Hours and after the same time at 850 ° C even to 0.45 mm.
- - Zirkon dagegen bildet Karbosulfide, welche sich positiv auf die Langzeitfestigkeit auswirken und durch die Bindung von Schwefel auch zur Heißkorrosionsbeständigkeit beitragen und soll deshalb zwischen 0,02 und 0,1 Masse-% liegen. - Zircon, on the other hand, forms carbosulfides, which have a positive effect on the Long-term strength impact and also by binding sulfur Hot corrosion resistance contribute and should therefore be between 0.02 and 0.1% by mass.
- - Yttrium und Hafnium werden häufig zur Verbesserung der Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit beigegeben, beeinflussen aber offenbar innerhalb gewisser Grenzen auch die Beständigkeit in Vanadiumasche und SO2-Atmosphäre positiv. Diese Elemente sollen genutzt werden, aber ihre Summe plus Zirkon darf 0,08 Masse-% nicht überschreiten. Dies wird belegt durch die Legierung G2 in Tabelle 3, welche nach 100 Stunden bis zu 0,18 mm inneren Korrosionsangriff zeigt.- Yttrium and hafnium are often added to improve the high-temperature oxidation resistance, but apparently, within certain limits, also have a positive effect on the resistance in vanadium ash and SO 2 atmosphere. These elements should be used, but their sum plus zircon must not exceed 0.08% by mass. This is evidenced by the alloy G2 in Table 3, which shows up to 0.18 mm internal corrosion attack after 100 hours.
- - Aluminium und Titan wirken sich durch Bildung von γ'- und in Verbindung mit Niob von γ"-Phasen positiv auf die Warmfestigkeit aus. Die Summe dieser drei Elemente soll über 3,5 Masse-% liegen. Bei G2 ist dies beispielsweise nicht der Fall, was zur Folge hat, dass die Streckgrenze bei 800°C nur 458 MPa erreicht.- Aluminum and titanium act through the formation of γ'- and in combination with niobium from γ "phases positively on the heat resistance. The sum of these three elements should be over 3.5% by mass. With G2 this is for example not the case, which means that the yield point at 800 ° C only reached 458 MPa.
Die Legierung kann mit den üblichen Methoden eines Schmelzbetriebes hergestellt werden, wobei vorteilhafterweise eine Vakuumbehandlung vorzusehen ist. Die Umformbarkeit für die Herstellung von Stangen zur Weiterfertigung als Schiffsventile ist gegeben.The alloy can be made using the usual methods of smelting are produced, advantageously a vacuum treatment is to be provided. The formability for the production of bars for Manufacturing as ship valves is given.
Claims (7)
0,03-0,1% C
max. 0,005% S
max. 0,05% N
25-35% Cr
max. 0,2% Mn
max. 0,1% Si
max. 0,2% Mo
2-3% Ti
0,02-1,1% Nb
max. 0,1% Cu
max. 1% Fe
max. 0,008% P
0,9-1, 3% Al
max. 0,01% Mg
0,02-0,1 Zr
max. 0,2% Co
wobei die Summe aus Al + Ti + Nb ≧ 3,5% ist,
Rest Ni sowie herstellungsbedingte Beimengungen.1. Austenitic heat-resistant nickel-based alloy with (in mass%)
0.03-0.1% C
Max. 0.005% S
Max. 0.05% N
25-35% Cr
Max. 0.2% Mn
Max. 0.1% Si
Max. 0.2% Mo
2-3% Ti
0.02-1.1% Nb
Max. 0.1% Cu
Max. 1% Fe
Max. 0.008% P
0.9-1.3% Al
Max. 0.01% Mg
0.02-0.1 Zr
Max. 0.2% Co
where the sum of Al + Ti + Nb ≧ 3.5%,
Rest of Ni as well as manufacturing-related additives.
0,03-0,08% C
max. 0,005% S
max. 0,01% N
28-31% Cr
max. 0,1% Mn
max. 0,1% Si
max. 0,1% Mo
2-3% Ti,
0,02-1,1% Nb
max. 0,1% Cu
max. 0,5% Fe
max. 0,006% P
0,9-1, 3% Al
max. 0,01% Mg
0,02-0,1% Zr
max. 0,1% Co,
wobei die Summe aus Al + Ti + Nb ≧ 3,5% ist,
Rest Ni sowie herstellungsbedingte Beimengungen2. Alloy according to claim 1 with (in mass%)
0.03-0.08% C
Max. 0.005% S
Max. 0.01% N
28-31% Cr
Max. 0.1% Mn
Max. 0.1% Si
Max. 0.1% Mo
2-3% Ti,
0.02-1.1% Nb
Max. 0.1% Cu
Max. 0.5% Fe
Max. 0.006% P
0.9-1.3% Al
Max. 0.01% Mg
0.02-0.1% Zr
Max. 0.1% Co,
where the sum of Al + Ti + Nb ≧ 3.5%,
Rest of Ni as well as manufacturing-related additives
0,001-0,005% B
0,01-0,04% Hf
0,01-0,04% Y3. Alloy according to claim 1 or 2, characterized by additives (in mass%) of
0.001-0.005% B
0.01-0.04% Hf
0.01-0.04% Y
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