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Niob -Titan - Legierung Die Erfindung bezieht sich auf -Legierungen,
die eine außergewöhnliche Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit besitzen, jedoch
genügend duktil sind, um eine Bearbeitung zu erlauben. Diese Legierungen eignen
sich als Werkstoff für Einrichtungen aller Art, die hohen Temperaturen ausgesetzt
werden, wie Gasturbinen, Hochtemperaturreaktionsgefäße, Anlagen für die Raffination
von Öl und Gesenke für die Metallbearbeitung bei hohen Temperaturen.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen kennzeichnen sich durch einen Gehalt
von 1 bis 30% Titan, insgesamt 1 bis 20% eines oder mehrerer der Elemente Aluminium,
Beryllium, Kohlenstoff, Kobalt, Eisen, Mangan, Molybdän, Nickel, Silicium, Tantal,
Wolfram, Vanadin oder Zirkonium, Rest mehr als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes
Tantal in Mengen bis zu 5 %, wobei die Höchstmenge an Aluminium, Eisen, Mangan oder
Vanadin 10%, an Beryllium, Kobalt, Nickel oder Wolfram 50/a und an Silicium oder
Kohlenstoff 2% beträgt. Vorzugsweise enthalten die Legierungen 5 bis 25% Titan,
0 bis 5% Aluminium, 0 bis 50/a Nickel, 0 bis 5% Eisen, 0 bis 7% Molybdän, Rest mehr
als 60% Niob einschließlich des Begleitelementes Tantal in Mengen bis zu 5 %, wobei
der Gesamtgehalt an Aluminium, Nickel, Eisen und Molybdän mindestens 4% beträgt.
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Die Metallkomponenten können nach den üblichen Methoden zusammengeschmolzen
werden. Beim Abkühlen erstarrt die Legierung unter Bildung eines nicht spröden und
duktilen Gusses. Hierfür kann z. B. ein Lichtbogenofen mit wassergekühltem Kupfertiegel
verwendet werden, in welchem die Beschickung geschmolzen wird und erstarrt. Die
einzelnen, in den Ofen eingegebenen Metalle können jede beliebige Form haben, z.
B. als Pulver, Schrot, Draht, Schwamm usw., vorliegen. Man kann auch, gegebenenfalls
in Kombination, Lichtbogenöfen mit sich verbrauchenden und nicht verbrauchenden
Elektroden oder Öfen mit stetiger Beschickung verwenden. Ferner kann die Schmelzung
durch induktive Beheizung in einem geeigneten Tiegel oder in beliebiger anderer
Weise (z. B. nach der sogenannten »Skull-Technik«) erfolgen. Während des Schmelzens
sollen die Metalle vor dem Zutritt der Atmosphäre geschützt werden, um eine Verunreinigung
mit Sauerstoff oder Stickstoff zu vermeiden. Zu diesem Zweck schmilzt man zweckmäßig
unter inerten Bedingungen, beispielsweise unter einem Inertgas, wie Argon, unter
einer Schutzschlacke oder nach beiden Methoden.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen sind bei Temperaturen, die zumindest
100 bis 500° C über den bei den bekannten Hochtemperaturlegierungen höchstmöglichen
Temperaturen liegen, weitaus oxydationsbeständiger und behalten ihre mechanische
Festigkeit in wesentlich stärkerem Maße als die bekannten Hochtemperaturlegierungen
bei. So verlieren bekannte Hochtemperaturlegierungen bei 1100° C ihre Festigkeit
oder schmelzen, während die erfindungsgemäßen Legierungen bei dieser Temperatur
Drücke von 70,3 kg/mm2 aushalten. Die erfindungsgemäßen Legierungen können bei Erhitzen
auf verhältnismäßig hohe Temperaturen und Abkühlung auf ihrer Oberfläche einen festhaftenden
Metalloxydfilm bilden.
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Beispiel 1 Eine gleichförmige Schmelze, die 23% Ti, 40/a Ni, 3% Al
und 70% Nb enthält, wird hergestellt, indem man die einzelnen Metalle zusammenschmilzt
und die Legierung dann abwechselnd sechsmal erstarren läßt und umschmilzt. Die Schmelzung
wird in einem Lichtbogenschmelzofen mit wassergekühltem Kupfertiegel durchgeführt,
wie er von K r o 11 in »Transactions of the Electrochemical Society«, Bd. 78, 1940,
S. 35 bis 37, beschrieben ist. Ein Teil der Schmelze wird in eine wassergekühlte
zylindrische Kupferform von 99,1 mm Innendurchmesser und 50,8 mm Tiefe gegossen.
Während dieser Arbeitsvorgänge arbeitet man unter Helium, um eine Verunreinigung
der Metalle zu verhindern. Der aus der Form erhaltene Guß wird geschmiedet und zu
einer Düse zum Versprühen von Salzschmelzen, wie MgC12, bei chemischen Verfahren
verarbeitet.
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Die in diesem Beispiel erhaltene Legierung wird auf ihre Oxydationsbeständigkeit
bei hoher Temperatur in folgender Weise geprüft: Eine abgewogene Probe der Legierung
wird (in einem Porzellantiegel, der mit einem Schlitz versehen ist, um einen angemessenen
Zutritt der Luft zu dem
Rohblock zu erlauben) in einen Ofen der
Bauart Globar eingebracht und zumindest 16 Stunden bei 1000° C einem Luftstrom von
57 1/min ausgesetzt. Die Proben werden dann abgekühlt und gewogen; der Oxydationsgrad
entspricht der prozentualen Gewichtszunahme der Probe.
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Die Gewichtszunahme der Legierung unter diesen Bedingungen beträgt
1,5%, die Gewichtszunahme von nichtlegiertem Niob unter den gleichen Bedingungen
200/a.
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Beispiel 2 Eine Legierung, die 20% Ti, 75% NI), 31 / o Al und 2% Co
enthält, wird folgendermaßen hergestellt- Die einzelnen Metallkomponenten werden
in dem Ofen gemäß Beispiel 1 unter Helium zusammengeschmolzen. Unter Aufrechterhaltung
der Heliumatmosphäre wird dann die Legierung sechsmal umgeschmolzen und erstarren
gelassen, wobei man einen homogenen Rohblock erhält. Die Gewichtszunahme bei der
in Beispiel 1 beschriebenen Prüfung beträgt 2,5 0/0.
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Beispiele 3 bis 13 Nach dem Verfahren von Beispiel 2 werden weitere
Legierungen hergestellt. Zusammensetzung und Gewichtszunahme bei der in Beispiel
1 beschriebenen Prüfung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
| Gewichts- |
| Beispiel Zusammensetzung der Legierung zunahme |
| °/o |
| 3 70% Nb, 20% Ti, 10% A1 . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 1,7 |
| 4 80% Nb, 170/0 Ti, 1% W, 0,5 % Be, 1,5 % Ta . . . . . . .
. . . . . . . . 2,0 |
| 5 78 % Nb, 13,5 % Ti, 3 % Al, 2,5 0/a Fe, 3 % Mo . . . . .
. . . . . . . . . 2 |
| 6 70% Nb, 16% Ti, 4% Al, 2% Fe, 5 % Mo, 3 % Be . . . . . .
. . . . 1,8 |
| 7 800% Nb, 150/a Ti, 10/a Si, 4% A1 . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 2,0 |
| 8 65'0/9 Nb, 15 % Ti, 15 % Mo, 5 % Al . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2 |
| 9 90% Nb, 7% Ti, 3% Al . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 2,5 |
| 10 75 0% Nb, 5 % Ti, 15 0/a Zr, 3 % Al, 1% V, 1% Ta . . . .
. . . . . . . . 2,3 |
| 11 80% Nb, 5%Ti, 2,5%Fe, 2,5%Mo,10%Al ...............
2,1 |
| 12 70% Nb, 10% Ti, 8% V, 6% Mo, 60/a Al . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 1,5 |
| 13 70% Nb, 15% Ti, 3,5% Fe, 4,5% Al, 7% Mo . . . . . . . .
. .. . . . 1,9 |
Es werden zwar vorzugsweise Metalle hoher Reinheit verwendet, aber es ist eine ziemliche
Unreinheit zulässig, ohne daß die Qualität merklich leidet. Zur Herstellung der
Legierungen gemäß den Beispielen wurden handelsübliche Metalle verwendet, die weniger
als 1% an gelegentlichen Verunreinigungen enthielten. Das N iob des Handels enthält
aber fast immer Tantal (gewöhnlich in Mengen bis zu 50/0), das schwer festzustellen
und sehr schwierig abzutrennen ist. Das verwendete Niob enthielt somit ohne Zweifel
Tantal, das bei den _lengenangaben als zum Niob gehörig, nicht dagegen als Verunreinigung
gerechnet wurde. Abgesehen von dem Tantal, das im Niob des Handels enthalten ist,
umfaßt die vorliegende Erfindung den Zusatz von Tantal zur Legierung in Mengen bis
zu 20%. Dem Fachmann ist natürlich die Anwesenheit gelegentlicher Verunreinigungen
in den handelsüblichen Metallen und die Gegenwart von Tantal im Niob des Handels
bekannt, und diese Umstände sollten bei Nacharbeitung der Erfindung berücksichtigt
werden.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen haben den Vorteil, eine hohe mechanische
Festigkeit bei hohen Temperaturen zu besitzen, leicht verarbeitbar und korrosionsbeständig
zu sein. Außer diesen vorteilhaften Eigenschaften sind dieLegierungen denGrundmetallen
insofern überlegen, als sie gegen oxydative Einwirkung bei hohen Temperaturen beständig
sind. Diese Eigenschaft fehlt besonders dem metallischen Niob als solchem. Die erfindungsgemäßen
Legierungen eignen sich für die verschiedensten Verwendungszwecke, beispielsweise
für die Herstellung von Anlageteilen, die bei Temperaturen oberhalb 800° C eingesetzt
werden. Die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen für Hochtemperaturanlagen,
wie Teile von Gasturbinen, sei wegen ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften oben
stehend besonders betont, es sei jedoch bemerkt, daß die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen
Legierungen nicht auf den Einsatz bei hohen Temperaturen oder auf irgendeines der
obenerwähnten Werkstücke beschränkt ist.