DE102020132910A1 - Hardenable nickel alloy - Google Patents
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Abstract
Aushärtbare Nickellegierung mit (in Gew.-%):Hardenable nickel alloy with (in % by weight):
Description
Die Erfindung betrifft eine aushärtbare Nickellegierung.The invention relates to a hardenable nickel alloy.
Die Legierung Nicrofer 4320 Ti (Alloy 925) ist ein ausscheidungshärtbarer Werkstoff. In der Offshoreindustrie wird die Legierung Alloy 925 bei Komponenten und Bauteilen wie Completion Tools, Packern, Hangern, Ventilen und Flanschen eingesetzt, bei denen aus konstruktiven Gründen und zur Gewichtsersparnis hohe Festigkeiten, Streckgrenzen und Härten der Werkstoffe gewünscht sind. Die Legierung Alloy 925 kombiniert eine hohe Festigkeit mit der erforderlichen Beständigkeit in „Sauergas“-Medien gegen durch Chloride ausgelöste Spannungsrisskorrosion und durch Schwefelwasserstoff oder Polythionsäuren ausgelöste sulfidinduzierte Spannungsrisskorrosion. Für die Beständigkeit gegen die sulfidinduzierten Formen der Korrosion ist der hohe Nickelgehalt von ca. 43 % beim Alloy 925 wesentlich verantwortlich.Alloy Nicrofer 4320 Ti (Alloy 925) is a precipitation hardenable material. In the offshore industry, Alloy 925 is used for components and parts such as completion tools, packers, hangers, valves and flanges where high strength, yield strength and hardening of the materials are required for design reasons and to save weight. Alloy 925 alloy combines high strength with the required resistance in "sour gas" media to chloride induced stress corrosion cracking and sulfide induced stress corrosion cracking induced by hydrogen sulfide or polythionic acids. The high nickel content of approx. 43% in Alloy 925 is largely responsible for the resistance to sulfide-induced forms of corrosion.
Der 925 Alloy wird verwendet, wenn die Festigkeitsanforderungen an die Bauteile etwas weniger hoch sind als bei der Legierung Alloy 718. Die Anforderungen an die Mindest-Streckgrenze für den 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 und Spannungsrisskorrosion in Sauergasmedien als Alloy 718. Der Alloy 925 enthält in seiner Nickel-Chrom-Eisen-Matrix zusätzlich die Elemente Molybdän, Kupfer, Titan und Aluminium. Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung ist eine Modifikation von Alloy 825 - Nicrofer 4221 durch den Zusatz von Titan.925 Alloy is used when component strength requirements are slightly less stringent than Alloy 718 alloy. Minimum yield strength requirements for Alloy 925 are 110 ksi (758 MPa) compared to 120 ksi in typical customer specifications (827 MPa) for Alloy 718. On the other hand, Alloy 925 offers slightly better resistance to pitting corrosion and stress corrosion cracking in acid gas media than Alloy 718. Alloy 925 also contains the elements molybdenum, copper, titanium and aluminum in its nickel-chromium-iron matrix . The chemical composition of this alloy is a modification of Alloy 825 - Nicrofer 4221 with the addition of titanium.
Bei dickwandigen Rohren, großen Schmiedeteilen, Flanschen und Stangen aus Nickelbasislegierungen lassen sich die angestrebten Festigkeiten mit der erforderlichen homogenen Verteilung über den Querschnitt solcher Komponenten nicht mehr durch Kaltverfestigung erreichen. Durch den Zusatz von Aluminium, Titan und/oder Niob als Legierungselemente und eine geeignete Wärmebehandlung härtet der Alloy 925 aus. Die Festigkeitssteigerung wird dabei durch die Bildung intermetallischer Phasen in dem austenitischen Gefüge erreicht.In the case of thick-walled pipes, large forged parts, flanges and rods made from nickel-based alloys, the desired strengths with the necessary homogeneous distribution over the cross-section of such components can no longer be achieved by strain hardening. Alloy 925 hardens through the addition of aluminium, titanium and/or niobium as alloying elements and suitable heat treatment. The increase in strength is achieved through the formation of intermetallic phases in the austenitic structure.
Der Nicrofer 4320 Ti/ Alloy 925 erhält seine Festigkeit im Wesentlichen durch die Ausscheidung der γ'-Phase Ni3(Ti/Al). Der Zusammenhang zwischen der Streckgrenze und dem Titangehalt ist für den Alloy 925 in
In
Dieses ist zum Beispiel in der
Beschrieben wird ein Rohr für saure Ölquellen, hergestellt aus einer Legierung bestehend aus 38 bis 46 % Nickel, 19,5 bis 23,5 % Chrom, bis zu 1,5 % Aluminium, 0,9 bis 3 % Titan, 2,5 bis 3,5 % Molybdän, 1,5 bis 3 % Kupfer, bis zu 3,5 % Niob, wobei der Aluminium- plus Titangehalt mindestens 1 %, jedoch nicht mehr als 3,25 % beträgt, wenn Niob in Mengen von 1,5 % oder mehr enthalten ist, und mindestens 1,3 %, jedoch nicht mehr als 3,25 % beträgt, wenn Niob nicht oder in Mengen von weniger als 1,5 % enthalten ist, nicht mehr als 0,15 % Kohlenstoff, bis zu 0,005 % Bor, bis zu 1 % Mangan, bis zu 0,5 % Silizium und bis zu 2 % Kobalt, wobei der Rest, abgesehen von Verunreinigungen, Eisen ist, und die Legierung sich im ausgehärteten Zustand befindet.A tube for acid oil wells is described, made from an alloy consisting of 38 to 46% nickel, 19.5 to 23.5% chromium, up to 1.5% aluminum, 0.9 to 3% titanium, 2.5 to 3.5% molybdenum, 1.5 to 3% copper, up to 3.5% niobium, the aluminum plus titanium content being at least 1% but not more than 3.25% when niobium is in amounts of 1.5 % or more, and is at least 1.3% but not more than 3.25% when niobium is absent or in amounts less than 1.5%, not more than 0.15% carbon, up to 0.005% boron, up to 1% manganese, up to 0.5% silicon and up to 2% cobalt, the remainder being iron, apart from impurities, and the alloy is in the age hardened state.
Ebenfalls beschrieben wird ein Verfahren zum Vergüten einer derartigen Legierung, wobei die Legierung durch Erwärmen im Temperaturbereich von 621 bis 732 °C über einen Zeitraum von bis zu 24 h ausgehärtet wird, wobei, wenn gewünscht, anschließend zusätzliches ein Erwärmen bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt. Also described is a method of tempering such an alloy, wherein the alloy is hardened by heating in the temperature range of 621 to 732°C for a period of up to 24 hours, with additional subsequent heating at a lower temperature, if desired.
Die Größe und Verteilung der ausgeschiedenen γ'-Phase zur Aushärtung des Werkstoffs hängt von den Wärmebehandlungsbedingungen ab. Die ausgeschiedene γ'-Phase ist metastabil und wandelt sich bei einer nicht korrekt durchgeführten Wärmebehandlung in die stabile η-Phase (Ni3Ti/Al) um, welche durch ihr sprödes Verhalten schädlich z.B. für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes ist. Dies ist in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die an sich bekannte Legierung Alloy 925 zu optimieren, so dass sie auch für andersartige Anwendungen geeignet ist.The object of the invention is to optimize the Alloy 925 alloy, which is known per se, so that it is also suitable for other types of applications.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickellegierung mit (in Gew.-%):
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the subject of the invention can be found in the associated dependent claims.
Die Legierung kann optional noch folgende Elemente enthalten:
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.Furthermore, a nickel alloy is proposed which is subjected to at least one heat treatment, the material being subjected to solution annealing temperatures between 1,000 and 1,060°C.
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.In addition, the alloy according to the invention can be subjected to at least one heat treatment, with the material being hardened at temperatures between 720 and 740° C. in a first step and temperatures between 610 and 650° C. in a further step with a total annealing time of at least 1 hour and a maximum of 20 hours h is suspended.
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.Another way to harden the material is to work harden it and then heat treat it in the temperature range between 720 and 740°C, with the material being annealed in a further step at temperatures between 610 and 650°C, with a total annealing time of
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.Alternatively, there is the option of hardening the material directly without solution annealing in the temperature range between 720 and 740°C and then annealing it in a temperature range between 610 and 650°C in a further step, with a total annealing time of at least one hour and a maximum of 20 hours.
Der Erfindungsgegenstand ist bevorzugt einsetzbar als Werkstoff für Bauteile in der Petrochemischen und der Erdöl- sowie Gasindustrie sowie in halogenidhaltigen korrosiven Umgebungen, insbesondere Seewasser.The subject matter of the invention can preferably be used as a material for components in the petrochemical and oil and gas industries and in corrosive environments containing halides, in particular seawater.
Im Vergleich zu den im Öl und Gas Bereich verwendeten Legierungen mit Niobgehalten im Prozentbereich von 0,5% bis etwa 5% lässt zudem für die vorgeschlagene Legierung bei einem Nickelgehalt von 43 Gew % und der Begrenzung des Niobgehaltes auf unter 0,4 Gew % Vorteile durch das Fehlen einer Lavesphase in der Erstarrung erkennen. Diese unerwünschte Seigerungsphase ist durch hohe Elementgehalte von Niob und Molybdän gekennzeichnet. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit für ausgedehnte Homogenisierungsglühungen der vorgeschlagenen neuen Legierung, die beispielsweise für die Legierung Alloy 718 mit ihrem hohen Gehalt an Niob typisch sind.Compared to the alloys used in the oil and gas sector with niobium contents in the percentage range of 0.5% to about 5%, the proposed alloy also has advantages with a nickel content of 43% by weight and the limitation of the niobium content to less than 0.4% by weight recognized by the absence of a Laves phase in the solidification. This undesired segregation phase is characterized by high element contents of niobium and molybdenum. This eliminates the need for extensive homogenization anneals of the proposed new alloy, which are typical, for example, of Alloy 718 with its high niobium content.
Es konnte im Laborversuch (s. Tabelle 1) durch Laborschmelzen gezeigt werden, dass durch eine Erhöhung des für die gammaprime Ausscheidung wesentlichen Titangehaltes und eine angepasste Wärmebehandlungen zur Vermeidung der unerwünschten Eta-Phase die angestrebten erhöhten Streckgrenzen erreicht werden können. Tabelle 1
Diese unerwünschten spröden Phasen, wie Eta- und Sigma-Phasen, sind daher zwingend durch geeignete Lösungsglühtemperaturen und Zeiten zu beseitigen (siehe Tabelle 2).It is therefore essential to eliminate these undesirable brittle phases, such as eta and sigma phases, by using suitable solution annealing temperatures and times (see Table 2).
In Tabelle 2 sind die Wärmebehandlungsparameter einerseits der erfindungsgemäßen Legierung und andererseits des eingangs beschriebenen Standes der Technik angegeben.Table 2 shows the heat treatment parameters of the alloy according to the invention on the one hand and of the prior art described at the outset on the other hand.
Wärmebehandlungen am GusszustandAs-cast heat treatments
Homogenisierungsglühung
Wärmebehandlungen am umgeformten WerkstoffHeat treatments on the formed material
Lösungsglühung und AushärtungSolution annealing and hardening
Tabelle 2
Die Streckgrenzen liegen für Titangehalte oberhalb der für den ursprünglichen A925 definierten Grenzen für den Bereich zwischen 2,5 und 3,5% Titan zwischen 115 und 130ksi. (792MPa und 896MPa).The yield strengths are for titanium grades above the limits defined for the original A925 for the range between 2.5 and 3.5% titanium between 115 and 130ksi. (792MPa and 896MPa).
Die Rockwell C Härten wurden hierbei zwischen 38 und 40 HRC gemessen (s.
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- 2020-12-10 DE DE102020132910.5A patent/DE102020132910A1/en not_active Withdrawn
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