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Nickel-Chrom-Eisen-Legierung Es ist bekannt, daß titanhaltige Nickel-Chrom-Legierungen
mit oder ohne Aluminium ausgezeichnete Dauerstandfestigkeitseigenschaften aufweisen,
die auf einer ausscheidungsfähigen Ni, -(Ti, Al)-Phase, d. h. einer Phase mit wechselnden
Mengen an Titan und Aluminium, beruhen, in der Aluminium sogar fehlen kann. Zur
Bildung einer solchen Phase muß natürlich eine hinreichende Menge an freiem Titan
vorhanden sein, wobei die zur Bindung des Kohlenstoffs erforderliche Titanmenge
unberücksichtigt bleiben muß.
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Nickel ist teuer. Der Bedarf übersteigt die Liefermengen, und die
den Legierungen durch hohe Ni-Gehalte, z. B. 75 °/o, erteilte Festigkeit wird nicht
immer verlangt. Bei Gasturbinen z. B. sind Haltbarkeit und Betriebssicherheit bei
Temperaturen von 600 bis 700°C wertvoller als eine hohe Dauerstandfestigkeit bei
höheren Temperaturen, z. B. bei 750°C.
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Aus diesen Gründen ist es erwünscht, Nickel in den Legierungen teilweise
durch Eisen zu ersetzen. Es ist allerdings bekannt, daß Ni-Cr-Fe-Legierungen mit
hohem Gehalt an Eisen, z. B. 30 bis 600/" schwer schmiedbar sind, weil sie
der Bruchgefahr unterliegen. Turbinen-und andere Teile, für die die in Frage stehenden
Legierungen benötigt werden, müssen aber durch Schmieden oder eine andere Warmverarbeitung
hergestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung,
daß Ni-Cr-Legierungen mit verhältnismäßig hohem Eisengehalt schmiedbar sind und
diesen Legierungen durch eine Wärmebehandlung eine ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit
bei Temperaturen bis zu 750°C erteilt werden kann, wenn sie kritische Mengen an
Molybdän und Bor enthalten. Darüber hinaus besitzen diese Legierungen eine unerwartet
gute Verformbarkeit in dem Gesamttemperaturintervall von Zimmertemperatur bis 750°C.
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Bei Nickel-Chrom-Gußlegierungen ist die gleichzeitige Anwesenheit
von Molybdän und Bor bekannt und auch bei Legierungen dieser Art mit 8 bis 12 °/o
Eisen. Es mußte aber erwartet werden, daß bei einer Steigerung des Eisengehaltes
auf z. B. 25 °/o oder mehr, d. h. beim Ersatz eines wesentlichen Teiles des Nickels
durch Eisen, die Warmverformung der Legierung viel schwieriger würde. Überraschenderweise
wurde aber festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen gut warmverformbar
sind.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen enthalten: 25 bis 50 % Nickel, 8
bis 25 °/o Chrom, bis zu 0,2 °/o Kohlenstoff, 1,5 bis 6°/o freies Titan, 0,1 bis
4°/o Aluminium, 5 bis 70/, Molybdän, 0,03 bis 0,150/0 Bor, 0 bis 0,20/, Zirkonium,
0 bis 3 °/o Mangan, 0 bis 1 % Silizium, 0 bis 5 °/o Kupfer, 0 bis
10/, Vanadin, 0 bis 5 °/o Kobalt, Rest neben Verunreinigungen Eisen, mit
der Maßgabe, daß der Eisengehalt mindestens 20 °/o beträgt.
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In diesen Legierungen ist das Nickel in üblicher Weise der Träger
des austenitischen Zustandes. Es verleiht den Legierungen gute Eigenschaften bei
hohen Temperaturen, die mit steigendem Nickelanteil noch verbessert werden. Unter
Berücksichtigung dieser Umstände beträgt der Nickelgehalt vorteilhaft 34 bis 45
°/o, z. B. 40 "/o. Chrom. wird zur Erhöhung - der Oxydationsfestigkeit legiert,
vorzugsweise in Mengen von 12 bis 16 °/o. Der Kohlenstoffgehalt sollte so niedrig
als möglich sein und der Titangehalt so hoch, daß 1,5 °/o freies Titan in der Legierung
verbleiben, nachdem der vierfache Kohlenstoffgehalt von dem Gesamtgehalt an Titan
abgezogen ist. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an freiem Titan 2 bis 3 °/ö. Aluminium
wird des öfteren in titanhaltige Legierungen zusammen mit dem Titan eingeführt.
Bei den erfindungsgemäßen Legierungen beträgt der Aluminiumgehalt normalerweise
bis zu 0,75 °/a. Wenn der Titangehalt niedrig ist, kann der Aluminiumgehalt bis
zu 4 °/o steigen. Es ist aber nicht erwünscht, daß die Legierungen gleichzeitig
einen hohen Titan- und Aluminiumgehalt aufweisen.
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Molybdän ist ein sehr wichtiger Bestandteil der Legierung. Es verbessert
die Verformbarkeit und verhindert dadurch die Rissebildung beim Schmieden. Molybdän
erhöht aber auch die Festigkeit der Legierung und macht daher ihre Verarbeitung
schwierig. Um Rissebildungen zu vermeiden und eine gute Festigkeit bei hohen Temperaturen
trotz des verhältnismäßig niedrigen Nickelgehaltes zu erzielen, muß die Legierung
5 °/o oder mehr Molybdän enthalten. Wenn aber der Molybdängehalt 7 °/o übersteigt,
wird die Legierung so hart, daß sie mit
normalen Warmverarbeitungsmaschinen
kaum. noch verarbeitbar ist. Die guten Dauerstandfestigkeitseigenschaften der Legierungen
rühren in hohem Maße von der gleichzeitigen Anwesenheit von Molybdän und Bor her
und werden nicht erreicht, wenn der Borgehalt unter 0,03 0/0 liegt. Liegt er dagegen
über 0,15 0/0, wird die Legierung wieder sehr schwer schmiedbar.
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Zirkonium ist in der Legierung erwünscht, weil es deren Dauerstandfestigkeit
erhöht. Vorzugsweise liegt der Zirkoniumgehalt zwischen 0,01 und 0,10/0. Mangan,
Silizium und Kupfer können in den vorstehend angegebenen Mengen zugelassen werden.
Vorzugsweise beträgt aber der Mangangehalt nicht über 1,0 0/0, der Siliziumgehalt
nicht über 0,5 0/0 und der Kupfergehalt nicht über 3 0/0.
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Vanadin ist ein unerwünschtes Element, weil es die Oxydationsfestigkeit
verringert.
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Kobalt wird oft als Verunreinigung des Nickels eingebracht. Es ist
teuer und knapp und ist in den erfindungsgemäßen Legierungen nicht erforderlich.
Es kann aber trotzdem nicht nur als Verunreinigung vorhanden sein, sondern in Mengen
bis zu 5 0/0 auf Kosten des Nickels.
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Von den üblichen Verunreinigungen sollen die Legierungen Schwefel
und Phosphor so wenig als möglich enthalten. In größeren Mengen ist Calcium eine
unerwünschte Verunreinigung. Spuren können aber eine günstige Wirkung ausüben. Die
Wärmebehandlung zur Erzielung der guten Hitzebeständigkeit besteht aus einer Lösungserhitzung
mit anschließender Alterungsbehandlung bei einer niedrigeren Temperatur. Zur Herstellung
einer geringen Kerbempfindlichkeit kann die Lösungserhitzung zwischen 1090 und 1175°C
mit anschließender schneller Abkühlung durchgeführt werden und die Alterungsbehandlung
zwischen 590 und 815°C erfolgen. Es kann auch eine Doppelalterungsbehandlung Anwendung
finden, z. B. durch aufeinanderfolgende Erhitzungen bei 700 und 650°C. Falls erwünscht,
kann zwischen der Hochtemperatur-Lösungsbehandlung und der Alterungsbehandlung eine
Zwischen- oder Voralterungsbehandlung eingeschaltet werden, die in einer Erhitzung
zwischen 815 und 950°C besteht.
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Wenn für die Teile, die aus den erfindungsgemäßen Legierungen hergestellt
werden, die Festigkeit bei Raumtemperatur.wichtiger als eine Warmfestigkeit bei
hohen Temperaturen ist, dann kann die Legierung ohne irgendwelche Lösungserhitzung
ausschließlich durch Erhitzen auf z. B. 760°C nach der Bearbeitung gealtert werden.
Diese Behandlung kann z. B. bei warm- oder kaltbearbeiteten Blechen oder Bändern
vor ihrer Überführung in das Enderzeugnis Anwendung finden.
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Nachstehende Ergebnisse von Vergleichsversuchen zeigen die Bedeutung
des Bors und des Molybdäns in der Legierung. Die Versuche wurden mit . Legierungen
folgender Zusammensetzungen durchgeführt:
| Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34,40/0
31,50/0 32,5 0/0 31,40% |
| Chrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14,10/0
16,4-/, 15,40/, 16,00/, |
| Titan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,470/0
2,480/, 2,390/0 2,330/0 |
| Molybdän . . . . . . . . . . . . . . . ....... 5,70/, 2,80/,
0,00/, 0,330/0 |
| Bor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . > 0,07
0/0 > 0,07 0/0 > 0,07 0/0 Spuren |
| Aluminium ..................... 0,140/0 0,210/0 0,240/0 0,130/0 |
| Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,050/, 0,060/, 0110/0 0,050/0 |
| Mangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,5-/, 0,50/, 0,5-1, 0,10/0 |
| Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,110/0
0,130/, 0,180/, 0,150/0 |
| Kupfer ........................ 0,040/0 0;040/0 0,070/0 0,050/0 |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,0070/, 0,0080/, 0,0090/, 0,007./0 |
| Eisen .......................... Rest Rest Rest Rest |
Bei den Legierungen 1 bis 3 wurden 0,10/0 Bor zugesetzt. Man sieht, daß die Legierung
1 den erfindungsgemäßen Legierungen entspricht. Bei den Legierungen 2 bis 4 ist
der Molybdängehalt zu niedrig und bei der Legierung 4 auch der Borgehalt. Aus diesen
Legierungen hergestellte Versuchsproben wurden wärmebehandelt. Zu diesem Zweck wurden
sie während 2 Stunden auf 1120°C erhitzt, in Öl abgeschreckt, dann zunächst während
20 Stunden bei 705°C und schließlich während 20 Stunden bei 650°C gealtert. Nach
dieser Behandlung wurden die Legierungen dem Dauerstandversuch bei einer Beanspruchung
von 31,5 kg/mm2 bei 732°C unterworfen, und zwar mit folgenden Ergebnissen: .
| Haltbarkeit |
| Legierung bis zum Bruch Dehnung in Ufo |
| in Stunden |
| 1 249 19,0 |
| 2 163 14,0 |
| 3 35 10,5 |
| 4 149 9;0 |
Die Legierungen besitzen ausgezeichnete Eigenschaften bei Raumtemperatur, wie sich
aus folgenden Werten ergibt, die mit einer Versuchsprobe aus der Legierung 1 ermittelt
wurden, die in der gleichen Weise wie die dem Dauerstandversuch unterworfenen Proben
wärmebehandelt worden war.
| Proportionalitätsgrenze....... 32,34 kg/mm2 |
| 0;010/0 Dehngrenze .. . . .. . . . . 47,81 kg/mm2 |
| 0,2 0/0 Streckgrenze . . . . . . . . . . 82,26 kg/mm2 |
| Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 123,04 kg/mm2 |
| Dehnung ................... 21,40/0 |
| Einschnürung . . . . . . . . . . . . . . . 34,80/0 |
Die Beeinflussung der Hochtemperatureigenschaften der Legierungen durch Molybdän
in Mengen von 5 bis 7 0/0 bei Abwesenheit von Bor geht aus den nachstehenden Zusammenstellungen
hervor, die auch den Einfluß des Zirkoniums zeigen:
| 5 6 7 8 |
| Nickel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42,20/,
42,00/, 42,40/, 42,50/, |
| Chrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13,20/, 13,00/, 13,30/, 12,7-/o |
| Titan . . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2,360/0 2,410/0 2,510/0 2,470/0 |
| Molybdän . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,10/0
6,050/0 6,230/, 6,23-/, |
| Bor ........................... - 0,10/0 - 010/0 |
| Aluminium . . . . . . : . . . . . . . . . . . . . .
0,330/, 0,330/, 0,410/0 0,220/, |
| Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,040/0
0,050/, 0,040/, 0,05 0/0 |
| Mangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,090/, 0,440/, 0,090/0 0,140/, |
| Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,140/,
0,15010 0,170/, 0,200/0 |
| Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,030/0 0,030/0 0,030/0 0,030/, |
| Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,0070/0 0,0070/, 0,0070/0 0,0070/, |
| Zirkonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - -
0,030/0 0,030/0 |
| Eisen .......................... Rest I Rest Rest Rest |
Aus diesen Legierungen hergestellte Versuchsproben wurden während 2 Stunden einer
Lösungserhitzung bei 1120°C unterworfen, in Öl abgeschreckt und während 16 Stunden
bei 705°C gealtert. Sie wurden dann bei einer Beanspruchung von 56 kg/mm2 bei 650°C
geprüft, wobei folgende Ergebnisse ermittelt wurden:
| Haltbarkeit |
| Legierung bis zum Bruch Dehnung in 0,1, |
| in Stunden |
| 5 62,5 4,5 |
| 6 119,0 4,5 |
| 7 8,3 9,5 |
| 8 178,2 4,5 |
Diese Ergebnisse zeigen, daß die beiden borfreien Legierungen 5 und 7 eine geringere
Haltbarkeit als die entsprechenden borhaltigen Legierungen aufweisen und die Anwesenheit
von Zirkonium in der Legierung 7 die Abwesenheit von Bor nicht hat ausgleichen können.
Die durch die gleichzeitige Anwesenheit von Bor und Zirkonium erzielte weitere Verbesserung
geht klar aus den für die Legierung 8 erhaltenen Ergebnissen hervor.