DE102020132909A1

DE102020132909A1 - Nickellegierung

Info

Publication number: DE102020132909A1
Application number: DE102020132909.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Behrens
Original assignee: VDM Metals International GmbH
Current assignee: VDM Metals International GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Nickellegierung, mit (in Gew.-%)

Description

Die Erfindung betrifft eine aushärtbare Nickellegierung.
Die Legierung Nicrofer 4320 Ti (Alloy 925) ist ein ausscheidungshärtbarer Werkstoff. In der Off-Shore-Industrie wird die Legierung Alloy 925 bei Komponenten und Bauteilen wie Completion Tools, Packern, Hangern, Ventilen und Flanschen eingesetzt, bei denen aus konstruktiven Gründen sowie zur Gewichtsersparnis hohe Festigkeiten, Streckgrenzen und Härten der Werkstoffe gewünscht sind.
Alloy 925 ist nach Alloy 718 die wichtigste aushärtbare Legierung im Bereich der Öl- und Gasindustrie. Die Legierung Alloy 925 kombiniert eine hohe Festigkeit mit der erforderlichen Beständigkeit in Sauergasmedien gegen durch Chloride ausgelöste Spannungsrisskorrosion und durch Schwefelwasserstoff oder Polythionsäuren ausgelöste Sulfid induzierte Spannungsrisskorrosion. Für die Beständigkeit gegen die Sulfid induzierten Formen der Korrosion ist der hohe Nickelgehalt von 43 % beim Alloy 925 wesentlich verantwortlich. Alloy 925 wird verwendet, wenn die Festigkeitsanforderungen an die Bauteile etwas weniger hoch sind als bei der Legierung Alloy 718.
Die Anforderungen an die Mindeststreckgrenze für Alloy 925 liegen in typischen Kundenspezifikationen bei 110 Ksi (758 MPa) im Vergleich zu 120 Ksi (827 MPa) beim Alloy 718. Dafür bietet der Alloy 925 eine etwas bessere Beständigkeit gegenüber Lochfrasskorrosion als Alloy 718. Alloy 925 enthält in seiner NickelChrom-Eisen-Matrix zusätzlich die Elemente Mo, Cu, Ti und Al.
Die EP 0 136 998 A1 betrifft eine Nickelknetlegierung sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung derselben. Die Legierung beinhaltet folgende Zusammensetzung:

C max. 0,1 %

Si max. 1 %

Mn max. 1,5 %

Ni 36,5 - 46,0 %

Cr 18,5 - 26,0 %

Mo 1,0 - 4,0 %

Cu 1,0 - 4,0 %

Ti 1,35 - 2,60 %

Rest im Wesentlichen Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Die Legierung kann des Weiteren Al in Gehalten bis 0,7 % sowie Nb/Ta in Gehalten 0,3 - 1,2 % enthalten.
Der EP 0 052 941 ist ein Röhrenmaterial für Sauergasanwendungen zu entnehmen, die folgende Zusammensetzung aufweist: 38 - 46 % Nickel, 19,5 - 23,5 % Chrom, bis 1,5 % Aluminium, 0,9 - 3 % Titan, 2,5 - 3,5 % Molybdän, 1,5 - 3 % Kupfer, bis 3,5 % Niob, nicht mehr als 0,15 % Kohlenstoff, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Die DE 693 20 600 T2 offenbart eine Legierung folgender Zusammensetzung:

Ni 42 - 49 %

Mo 3,8 - 5 %

Cr 19,5 - 22,5 %

Cu 1,0 - 1,5 %

C < 0,02 %

Ti 1,5- 2,5 %

AI 0,5 - 1 %

Mn < 0,1 %

Si < 0,1 %

s < 0,01 %

P < 0,02 %

gegebenenfalls W und/oder Nb bis max. 0,5 %

Rest Eisen und Verunreinigungen.
Durch die FR 1363417 ist eine Nickellegierung folgender Zusammensetzung bekannt geworden: > 0 - 0,15 % Kohlenstoff, > 0 - 1 % Mangan, > 0 - 1 % Silizium, 10 - 22 % Chrom, 25 - 60 % Nickel, > 0 - 6 % Molybdän, 0,5 - 7,5 % Niob, 1,5 - 5 % Titan, > 0 - 2 % Aluminium, 0,001 - 0,02 % Bor, Rest Eisen und Verunreinigungen.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine aushärtbare Nickellegierung dahingehend zu ertüchtigen, dass sie eine höhere Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Sauergasanwendungen und anderen korrosiven Medien, die zum Beispiel Halogenide enthalten, aufweist.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine Nickellegierung mit (in Gew.-%):

Ni	41,0-44 %
Cr	19,5 - 22,0 %
Cu	> 1,5 - < 2,0 %
Mo	> 4 - < 5,5 %
Ti	1,9 - 2,4 %
AI	< 0,3 %
Nb	< 0,3 %
C	< 0,01 %
Mn	< 0,7 %
Si	> 0 - 0,2 %
N	max. 0,01 %
S	max. 0,01 %
Co	max. 0,1 %
B	0,001 - 0,006 %
Mg	0,001 - 0,03 %
Ta	max. 0,005 %
Ca	max. 0,005 %
Fe	Rest und verfahrensbedingte Verunreinigungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindungsgegenstand ist bevorzugt einsetzbar als Werkstoff für Bauteile in der Petrochemischen und der Erdöl- sowie Gasindustrie.
Die gegenüber dem Stand der Technik gegebenen Vorteile werden wie folgt begründet:

Im Vergleich zu den im Öl- und Gasbereich verwendeten diversen Legierungen mit Niobgehalten im Prozentbereich von 0,5% bis etwa 5 % (Alloy 718) lässt sich für die vorgeschlagene Legierung bei einem Nickelgehalt um 43 % ein Vorteil in der fehlenden Erstarrungsseigerung durch die Niob angereicherte Laves-Phase und der hierdurch entfallenden Notwendigkeit für ausgedehnte Homogenisierungsglühungen im Gusszustand erwarten.

Eine Erhöhung des Molybdängehaltes wirkt sich generell positiv auf die Korrosionsbeständigkeit gegen Pitting in chloridhaltigen Medien aus, zu denen Seewasser oder auch die typischen Sauergasmedien zählen, die neben der chemischen Belastung durch Schwefelwasserstoff, Polythionsäure hohe Chloridgehalte enthalten. Neben der verbesserten Korrosionsbeständigkeit gegen Pitting ist auch eine Verbesserung der Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion anzunehmen. Zudem sind durch die erhöhten Molybdängehalte durch die Mischkristallverfestigung auch höhere Streckgrenzen zu erwarten.
In Tabelle 1 ist ein erfindungsgemäßes Beispiel angegeben.
Im Labor ergaben sich durch die Erhöhung des Molybdängehalts von 3 Gew.-% der Standardlegierung auf 4,8 % eine Streckgrenze R_p0,2 von 120 Ksi/827 MPa.
Die Rockwellhärte lag hierbei bei 38 HRC. Im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy-V bei -60°C wurde die Mindestanforderung typischer Spezifikationen der Öl- und Gasindustrie von 47 Joule um etwa 30 % überschritten.
Des Weiteren wird eine Nickellegierung vorgeschlagen, die mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei der Werkstoff Lösungsglühtemperaturen zwischen 1.000 und 1.060°C ausgesetzt wird.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Legierung mindestens einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei der Werkstoff in einem ersten Schritt Aushärtungstemperaturen zwischen 720 und 740°C und in einem weiteren Schritt Temperaturen zwischen 610 und 650°C bei einer Gesamtglühzeit von mind. 1 h und max. 20 h ausgesetzt wird.
Eine weitere Möglichkeit eine Aushärtung des Werkstoffs herbeizuführen ist, ihn kalt zu verfestigen und anschließend im Temperaturbereich zwischen 720 und 740°C wärmezubehandeln, wobei in einem weiteren Schritt bei Temperaturen zwischen 610 und 650°C der Werkstoff geglüht wird, dies bei einer Gesamtglühzeit von min. 1 h und max. 20 h.

Alternativ besteht die Möglichkeit, den Werkstoff unmittelbar ohne Lösungsglühung im Temperaturbereich zwischen 720 und 740°C auszuhärten sowie in einem weiteren Schritt im Temperaturbereich zwischen 610 und 650°C zu glühen, wobei eine Gesamtglühzeit von mindestens einer Stunde und maximal 20 Stunden gegeben sein soll. Tabelle 1

Legierungselemente (Gew.-%)	Alloy 925 mit Mo Var. 4	LB250174
C	0,002	0,004
S	0,002	> 0,004
N	0,001	0,006
Cr	20,00	> 20,32
Ni	42,8	> 43,34
Mn	0,5	0,47
Si	0-0,08	0,01
Mo	4,80	> 4,83
Ta	0,002
Nb	0,25	0,32
Cu	1,7	1,58
Co	0,08	0,01
Al	0,25	0,26
Ti	2,3	2,44
Mg	0,005 - 0,020	> 0,006
Ca	max. 0,002	0,001
Ce	nein
B	0,002 - 0,004	0,003
Fe	Rest	Rest (26,34)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0136998 A1 [0005]
EP 0052941 [0007]
DE 69320600 T2 [0008]
FR 1363417 [0009]

Claims

Nickellegierung, mit (in Gew.-%) Ni 41,0 - 44 % Cr 19,5 - 22,0 % Cu > 1,5 - < 2,0 % Mo > 4 - < 5,5 % Ti 1,9 - 2,4 % AI < 0,3 % Nb < 0,3 % C < 0,01 % Mn < 0,7 % Si > 0 - 0,2 % N max. 0,01 % S max. 0,01 % Co max. 0,1 % B 0,001 - 0,006 % Mg 0,001 - 0,03 % Ta max. 0,005 % Ca max. 0,005 % Fe Rest und verfahrensbedingte Verunreinigungen.
Nickellegierung nach Anspruch 1 mit (in Gew.-%) Ni 42 - < 43 % Cr 19,5 - < 22 % Cu > 1,5 - < 1,9 % Mo > 4,3 - < 5,0 % Ti 1,9 - 2,4 % Al > 0 - < 0,3 % Nb > 0 - < 0,3 % C > 0 - < 0,005 %

Mn > 0 - < 0,7 % Si > 0 - < 0,1 % N max. 0,005 % S max. 0,005 % Co max. 0,09 % B 0,001 - 0,005 % Mg 0,002 - 0,03 % Ta max. 0,004 % Ca max. 0,004 % Fe Rest und verfahrensbedingte Verunreinigungen.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, mit (in Gew.-%) Ni 42 - < 43 % Cr 19,5 - < 22 % Cu > 1,5 - < 1,9 % Mo > 4,3 - < 5,0 % Ti > 1,9 - 2,4 % Al 0,05 - < 0,3 % Nb 0,05 - < 0,3 % C 0,001 - < 0,005 % Mn 0,05 - < 0,7 % Si 0,001 - < 0,1 % N max. 0,005 % S max. 0,005 % Co max. 0,09 % B 0,001 - 0,005 % Mg 0,002 - 0,03 % Ta max. 0,004 % Ca max. 0,004 % Fe Rest und verfahrensbedingte Verunreinigungen.
Nickellegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Streckgrenze R_p0,2 > 110 ksi, insbesondere > 115 ksi.
Nickellegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Rockwell C-Härte > 30 HRC, insbesondere > 38 HRC.
Verwendung der Nickellegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff für Bauteile in der petrochemischen und der Erdöl- sowie Gasindustrie und in halogenidhaltigen Umgebungen, insbesondere Seewasser.