DE1027882B

DE1027882B - Use of a nickel-silicon-tantalum alloy for acid-resistant devices

Info

Publication number: DE1027882B
Application number: DEE9493A
Authority: DE
Inventors: William Oakley Binder; Claude Rothwell Bishop
Original assignee: Electric Furnace Products Co Ltd
Current assignee: Linde Canada Inc
Priority date: 1953-09-08
Filing date: 1954-09-02
Publication date: 1958-04-10

Description

Verwendung einer Nickel -Silizium -Tantal-Legierung für säurewiderstandsfähige Geräte Die Erfindung betrifft die Verwendung von Legierungen auf Nickelgrundlage insbesondere verbesserten Nickel-Silizium-Tantal-Legierungen zur Herstellung von gegen Schwefelsäurekorrosion beständigen Geräten.Use of a nickel-silicon-tantalum alloy for acid-resistant Apparatus This invention relates to the use of nickel-based alloys in particular, improved nickel-silicon-tantalum alloys for the production of devices resistant to sulfuric acid corrosion.

Nickel-Silizium-Legierungen werden bereits in großem Maße für die Herstellung von Geräten in der chemischen Industrie wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber der Korrosion durch die in der Industrie häufig verwendete Schwefelsäure benötigt. Solche z. B. etwa 8,5 bis 100/1. Silizium enthaltende Legierungen widerstehen dem Angriff durch konzentrierte Schwefelsäure bei Temperaturen bis zu deren Siedepunkt. Die Nickel-Silizium-Legierungen besitzen eine größere Duktilität und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperatursprüngen als Eisen-Silizium-Legierungen, die wegen ihrer Resistenz gegenüber Schwefelsäure ebenfalls verwendet «erden. Aus diesem Grund sind sie für die Verwendung bei schwereren Betriebsbedingungen besonders geeignet. Beide Materialarten werden nur in Form von Gußstücken hergestellt.Nickel-silicon alloys are already widely used for the Manufacture of equipment in the chemical industry because of their resilience against the corrosion caused by sulfuric acid, which is often used in industry needed. Such z. B. about 8.5 to 100/1. Resist silicon containing alloys attack by concentrated sulfuric acid at temperatures up to its boiling point. The nickel-silicon alloys have a greater ductility and a higher one Resistance to sudden changes in temperature as iron-silicon alloys, which are also used because of their resistance to sulfuric acid. the end for this reason they are particularly suitable for use in heavier operating conditions suitable. Both types of material are only produced in the form of castings.

Obwohl die Duktilität der Nickel-Silizium-Legierungen größer ist als die der Eisen-Silizium-Legierungen, ist eine weitere Verbesserung der Duktilität erwünscht. Versuche, durch Verringerung des Siliziumgehaltes die Duktilität zu verbessern, sind nur zusammen mit einem unerwünschten Verlust an Korrosionswiderstandsfähigkeit erfolgreich gewesen. Es besteht daher nach wie vor ein Bedürfnis nach verbesserten Nickel-Silizium-Legierungen, die eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion durch Schwefelsäure und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden durch mechanische Erschütterungen aufweisen.Although the ductility of the nickel-silicon alloys is greater than that of the iron-silicon alloys, is a further improvement in ductility he wishes. Attempts to improve ductility by reducing the silicon content, are only along with an undesirable loss of corrosion resistance been successful. There is therefore still a need for improved ones Nickel-silicon alloys that have good resistance to corrosion due to sulfuric acid and improved resistance to damage due to mechanical vibrations.

Der Hauptzweck der Erfindung ist, dieses Bedürfnis zu befriedigen.The main purpose of the invention is to meet this need.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch erfüllt, daß man eine Nickellegierung, die aus 4 bis 10 °/o Silizium, 2 bis 25 °/o Tantal, bis zu 3 °/o Aluminium, bis zu 4 °/o Kupfer, bis zu 15 °/o Eisen, Rest Nickel und den dazugehörigen Verunreinigungen besteht, verwendet, um Metallteile, die dem Einfluß von Schwefelsäure und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, herzustellen. Ein Teil des Tantals, nämlich bis zur Hälfte der angegebenen Menge, kann hierbei auch durch Niob ersetzt werden, z. B. kann man an Stelle von 10 °1a Tantal auch 5 °/o Tantal und 511j, Niob verwenden. Die Summe des Tantal- und Niob-Anteils soll 25 °/o nicht überschreiten. Ein vorzugsweise angewendeter Bereich ist: 5 bis 9 % Silizium, 5 bis 15 °% Tantal bzw. Tantal und Niob, bis zu 3 °/o Aluminium, bis zu 4 °/o Kupfer, nicht mehr als 10 °/o Eisen, Rest Nickel und dazugehörige Verunreinigungen.According to the invention, this object is achieved in that a nickel alloy, those of 4 to 10% silicon, 2 to 25% tantalum, up to 3% aluminum, up to 4% copper, up to 15% iron, the remainder nickel and the associated impurities consists, used to make metal parts that are exposed to the influence of sulfuric acid and mechanical Are exposed to stresses. Part of the tantalum, namely up to half of the specified amount can also be replaced by niobium, e.g. B. Instead of 10 ° 1a tantalum, 5% tantalum and 511j, niobium can also be used. The sum of the tantalum and niobium components should not exceed 25%. One preferably The range used is: 5 to 9% silicon, 5 to 15% tantalum or tantalum and Niobium, up to 3 ° / o aluminum, up to 4 ° / o copper, not more than 10 ° / o iron, Remainder nickel and associated impurities.

An sich sind bereits Silizium und Tantal enthaltende Nickellegierungen ähnlicher Zusammensetzung bekannt. Diese Legierungen wurden aber ausschließlich für Werkstücke, die besonders hohen Temperaturen unterworfen waren, verwendet, z. B. für Auslaßventile in Verbrennungsmotoren oder Schaufeln in Verbrennungsturbinen. Es ist daher überraschend, daß Legierungen der angegebenen Zusammensetzung eine besonders hohe Schwefelsäurekorrosionsbeständigkeit gepaart mit hoher Stoßunempfindlichkeit besitzen. Die besonders günstigen Eigenschaften solcher Legierungen für den neuen Verwendungszweck waren daher nicht vorauszusehen.Nickel alloys already contain silicon and tantalum similar composition known. These alloys were exclusive used for workpieces that were subjected to particularly high temperatures, e.g. B. for exhaust valves in internal combustion engines or blades in combustion turbines. It is therefore surprising that alloys of the specified composition Particularly high resistance to sulfuric acid corrosion paired with high impact resistance own. The particularly favorable properties of such alloys for the new The intended use could therefore not be foreseen.

Um die gewünschte Kombination an Eigenschaften bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung zu erhalten, werden die Silizium- und Tantalanteile miteinander ausgeglichen. Wenn daher der Siliziumanteil auf der unteren Seite des Konzentrationsbereiches liegt, soll der Tantalanteil auf der höheren Seite des Bereiches liegen. Wenn dagegen der Siliziumanteil auf der höheren Seite des Bereiches liegt, wird im allgemeinen weniger Tantal benötigt. Eisen ist sowohl für die mechanischen Eigenschaften als auch für die Korrosionswiderstandsfähigkeit der Legierung recht schädlich und es empfiehlt sich, seinen Anteil merklich unter 10 °/o zu halten. Wenn möglich, soll seine Menge unter 3 °/o gehalten werden.In order to achieve the desired combination of properties in the case of the invention To obtain the alloy to be used, the silicon and tantalum components are combined balanced. Therefore, if the silicon content is on the lower side of the concentration range the tantalum content should be on the higher side of the range. If against it the silicon content is on the higher side of the range will generally be less tantalum needed. Iron is important for both mechanical properties as well also quite detrimental to the corrosion resistance of the alloy and it it is advisable to keep its proportion well below 10%. If possible, should its quantity must be kept below 3 ° / o.

Die mechanischen Prüfungen und die Korrosionsuntersuchungen der neuen Legierungen zeigen deren verbesserte Elastizität und ihre ausgezeichnete Korrosionswiderstandsfähigkeit. Die mechanischen Prüfungen wurden an zylindrischen, durch Sandguß hergestellten Stäben mit 3,05 cm Durchmesser und einer Länge von 40,6 cm durchgeführt. Die Stäbe waren unbearbeitet, jedoch wurden Sand und Gußgrat mit einer Handfeile und Schmirgelpapier entfernt. Die Meßlänge betrug 30,5 cm und die Bruchbelastung sowie die Durchbiegung wurden in kg bzw. in cm bestimmt. Die Korrosionsversuche wurden an etwa 9,5 mm dicken Scheiben mit Durchmesser von 2,54 cm, die aus solchen gebrochenen Stäben hergestellt worden waren, vorgenommen. Als korrodierende Mittel wurden kochende 77°/oige Schwefelsäure bzw. kochende 55°oige Schwefelsäure verwendet, und die Probescheiben wurden diesen Lösungen während drei aufeinanderfolgenden 48-Stunden-Perioden ausgesetzt.The mechanical tests and the corrosion tests of the new Alloys show their improved elasticity and their excellent corrosion resistance. The mechanical tests were carried out on cylindrical sand castings Rods with a diameter of 3.05 cm and a length of 16 cm were carried out. The bars were unedited, however were Sand and cast burr with a hand file and sandpaper removed. The measuring length was 30.5 cm and the breaking load and the deflection were determined in kg and in cm. The corrosion tests were on approximately 9.5 mm thick disks with a diameter of 2.54 cm, made from such broken rods were made. As a corrosive agent boiling 77% sulfuric acid or boiling 55% sulfuric acid were used, and the sample disks were exposed to these solutions for three consecutive 48 hour periods exposed.

Typische Resultate, wie sie bei solchen Untersuchungen erhalten wurden, sind in der folgenden Tabelle angegeben. In der Tabelle werden die Korrosionszahlen in mm Abätzung je Monat für die dritte 48-Stunden-Periode der Untersuchungen angegeben. Die Werte in der Tabelle zeigen, daß bei den üblichen Nickel-Silizium-Legierungen, d. h. bei den letzten drei Legierungen in der Tabelle, eine Verringerung des Siliziumanteils von 10 auf 70/, zu einer verringerten Korrosionswiderstandsfähigkeit in der 77°/oigen Säure führt. Bei den Legierungen gemäß der Erfindung, die Tantal bzw. Tantal und Niob enthalten, wird jedoch im wesentlichen eine Zunahme der Zähigkeit und Korrosionswiderstandsfähigkeit bei den Legierungen mit 7 und 8 °/o Silizium erhalten, die so stark ist, daß in beiden Fällen diese Legierungen mit geringerem Siliziumanteil bei weitem den üblichen 10 °/a Silizium enthaltenden Legierungen Überlegen sind. Die Zahlen zeigen auch, daß im allgemeinen für eine gute Korrosionswiderstandsfähigkeit gegenüber der 55°/Qigen Säure mehr Tantal nötig ist als gegenüber der 770/@igen Säure.Typical results obtained in such investigations are given in the following table. The table shows the corrosion figures in mm of etching per month for the third 48-hour period of the investigations. The values in the table show that with the usual nickel-silicon alloys, ie with the last three alloys in the table, a reduction in the silicon content from 10 to 70 % leads to a reduced corrosion resistance in the 77% acid. In the case of the alloys according to the invention which contain tantalum or tantalum and niobium, however, an increase in toughness and corrosion resistance is essentially obtained in the case of the alloys with 7 and 8% silicon, which is so strong that these alloys in both cases with a lower silicon content are by far superior to the usual 10% / a silicon-containing alloys. The figures also show that, in general, more tantalum is required for good corrosion resistance to 55% acid than to 770% acid.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können in einem Induktionsofen erschmolzen werden, wobei man reines, vorzugsweise elektrolytisches Nickel, technisch reines Silizium und Tantal bzw. Tantal und Niob geeigneter Herkunft verwendet, z. B. die technisch reinen Metalle oder Nickel-Tantal-Legierungen bzw. Tantal-Niob-Legierungen oder Eisen-Niob- bzw. Tantal-Eisen-Niob-Legierungen. Wegen des schädlichen Einflusses des Eisens ist es jedoch vorzuziehen, die Verwendung großer Mengen von eisenhaltigen Vorlegierungen zu vermeiden. Gegebenenfalls kann das Tantal auch in Form von Tantalmetallspänen oder -schrott zugefügt werden. Bei der Herstellung der in der Tabelle angegebenen Legierungen wurde ungefähr 0,5 °/a Mangan als Desoxydierungsmittel hinzugefügt.The alloys to be used according to the invention can be used in an induction furnace be melted, pure, preferably electrolytic nickel, technically pure silicon and tantalum or tantalum and niobium of suitable origin are used, e.g. B. the technically pure metals or nickel-tantalum alloys or tantalum-niobium alloys or iron-niobium or tantalum-iron-niobium alloys. Because of the harmful influence of iron, however, it is preferable to use large amounts of ferrous Avoid master alloys. The tantalum can optionally also be in the form of tantalum metal chips or scrap are added. When making the specified in the table Alloys were added about 0.5% / a manganese as a deoxidizer.

Claims

PATEN TA15PRUC11: Use of an alloy of 4 to 10% silicon, 2 to 25l) /, tantalum, 0 to 30i, aluminum, 0 to 40 /, copper, 0 to 15%, preferably less than 3%, Iron, the remainder nickel, with tantalum replacing up to one half with niobium, but without the sum of tantalum and niobium exceeding -'150 / ", for the manufacture of devices resistant to sulfuric acid. Considered 'publications British Patent No. 580 686, 616 614; C, Götze, Nickel Alloys, Patent Collection, Part 1, 1943, pp. 488 and 491.