DE1165878B - Die Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung fuer thermisch beanspruchte Bauteile - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: C 22 c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 40 b-39/36

M 39450 VI a/40 b
30. Oktober 1958
19. März 1964

Die Oberflächentemperatur von Flugzeugteilen kann bei sehr schnellem Flug durch die Atmosphäre in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und Flughöhe beträchtlich ansteigen. Legierungen für Flugzeugteile müssen daher auch bei hohen Temperaturen die üblichen Flugbeanspruchungen aushalten und eine 0,1% Dehngrenze von mindestens 31,5 kg/mm² im gesamten Bereich bis herauf zur Arbeitstemperatur haben.

Weiterhin müssen Legierungen für Flugzeugteile ίο einen möglichst niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, um zusätzliche Beanspruchungen durch Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Bereichen der Teile zu vermeiden. Wird der Ausdehnungskoeffizient der für Flugzeugteile meist verwendeten Aluminiumlegierungen und Stähle verringert, dann nimmt ihre Festigkeit ab. Bestimmte Nickel-Eisen-Legierungen haben zwar bis zu Temperaturen von etwa 500⁰C geringere Ausdehnungskoeffizienten als die vorstehenden Werkstoffe, jedoch ist ihre Festigkeit nicht ausreichend. Die Festigkeit kann zwar durch Zugabe von Titan erhöht werden, jedoch steigt dabei der mittlere Ausdehnungskoeffizient an, so daß der Temperaturbereich, in dem die Nickel-Eisen-Legierungen verwendet werden können, eingeengt ist.

Von Legierungen zur Herstellung von Flugzeugteilen wird weiterhin gefordert, daß sie zu Blechen großer Abmessungen gut zu verarbeiten sind. Außerdem muß die Legierung so beschaffen sein, daß die Teile sich in einfacher Weise durch Kaltverarbeitung und Verschweißen herstellen lassen und die geforderten physikalischen und mechanischen Eigenschaften bei einer Warmbehandlung mit geringem Aufwand erreicht werden. Bis heute ist keine Legierung bekannt, die alle diese Anforderungen erfüllt.

Die Erfindung schlägt nun vor, als Werkstoff für durch kinetische Erwärmung beanspruchte Teile, vornehmlich für Flugzeugbleche, die von hoher Festigkeit bei allen Gebrauchstemperaturen sein müssen, dabei einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollen und auch in großen Abmessungen unter guter Warm- und Kaltverformbarkeit herzustellen sind, eine vorwiegend austenitisch erstarrende Eisen-Nickel-Legierung zu verwenden, die folgende Zusammensetzung aufweist:

Nickel 22 bis 36%

Kobalt 5 bis 30%

Titan 1,25 bis 1,75%

Kupfer bis 2%

Kohlenstoff 0,05%

Rest Eisen und Verunreinigungen

Die Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung
für thermisch beanspruchte Bauteile

Anmelder:

The International Nickel Company (Mond)
Limited, London

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:
Arthur William Franklin,
John Brian Barber, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 1. November 1957
(Nr. 34184)

Als Verunreinigungen kommen hauptsächlich Mangan, Silizium, Molybdän und Niob vor. Ihre Konzentrationen, insbesondere die des die Wärmeausdehnung steigernden Mangans, sollen möglichst niedrig gehalten werden.

Ferritische Nickel-Titan-Eisen-Legierungen, die 1 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 11 ·?/ο Titan enthalten, sind als Werkstoff für Dauermagnete bekannt. Sie sind jedoch mit Werkstoffen für durch kinetische Erwärmung mechanisch hoch beanspruchte Flugzeugteile nicht vergleichbar.

Vorzugsweise soll der Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäßen Legierung unter 0,03% ^UQd das Verhältnis von Nickel zu Eisen zwischen 0,5 und 0,65% liegen.

Da die Eigenschaften der Legierung sehr stark vom Titangehalt abhängen, der in fester Lösung in der Legierung vorliegt und nicht vom Kohlenstoff abgebunden ist, soll ein 0,03 % übersteigender Kohlenstoffgehalt durch eine zusätzliche Titanzugabe im Umfang etwa des vierfachen Kohlenstoffüberschusses unschädlich gemacht werden.

In F i g. 1 der Zeichnung sind für eine erfindungsgemäße Legierung mit 29% Nickel und 17% Kobalt

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in Abhängigkeit vom Titangehalt die Änderung des mittleren Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 25 bis 300⁰C (Kurve A), die Änderung der 0,1 % Dehngrenze bei Raumtemperatur (Kurve B) und bei 300° C (Kurve C) dargestellt. Danach hat der mittlere Ausdehnungskoeffizient bei 1,5% Titan ein ausgeprägtes Minimum, und die Dehnungswerte sind in dem der Erfindung entsprechenden Bereich des Titangehaltes ausreichend hoch.

Es wurde weiter gefunden, daß das Minimum des mittleren Ausdehnungskoeffizienten auch vom Kobaltgehalt der Legierungen bestimmt wird und mit dem Temperaturbereich ansteigt, über den der Mittelwert bestimmt wurde. Diese Abhängigkeit ist in F i g. 2 der Zeichnung dargestellt. Es zeigt sich, daß ein aus einer erfindungsgemäßen Legierung bestehender Teil mit zunehmender oberer Grenze seiner Arbeitstemperatur ansteigende Kobaltgehalte aufweisen soll. Die Erfindung schlägt dementsprechend auch noch vor, für den fraglichen Verwendungszweck den Kobaltgehalt der Legierungen entsprechend dem Feld A-B-C-D-A nach Fig. 3 der Zeichnung einzustellen, so daß die Legierungen bei Gebrauchstemperaturen von mehr als 25⁰C und bis zu 500° C nachstehende Kobaltgehalte aufweisen:

Bei Prüftemperaturen von 300 und 500°C wurden folgende Eigenschaften festgestellt:

5	300° C 500° C	0,1 "/0 Dehngrenze (kg/mm2)	Zugfestigkeit (kg/mm8)
65.7 60.3	91,0 82,6

bis zu 100° C 5 bis 8% Co,

bis zu 200 ⁰C 6 bis 9% Co,

bis zu 300°C 11 bis 16% Co,

bis zu 400⁰C 15 bis 20% Co,

bis zu 500° C 16 bis 26% Co.

Hohe Festigkeiten werden bei den erfindungsgemäßen Legierungen durch eine Aushärtungsbehandlung erzielt, die, wie üblich, aus einem Lösungsglühen (bei etwa 800° C), einem Abkühlen und einem Auslagern oberhalb der Raumtemperatur bestehen kann. Große aus Blech hergestellte Teile können jedoch einer Lösungsglühung nicht ohne starkes Verwerfen unterzogen werden. Ein bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung besteht nun darin, daß sie ihre wertvollen Eigenschaften auch durch ein Aushärten ohne vorheriges Lösungsglühen erlangt.

Die Eigenschaften werden noch gesteigert, wenn das warm gewalzte Blech vor dem Aushärten kalt gewalzt wird. Das ist von Bedeutung, weil dünne Bleche vorzugsweise durch Kaltwalzen hergestellt und auch viele Bauteile durch Kaltbearbeitungsverfahren gefertigt werden.

Das Schweißen der erfindungsgemäßen Legierungen ist sowohl mittels Gas- als auch mit Lichtbogenschweißung möglich.

Die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung seien nachstehend an einem Beispiel beschrieben:

Die Legierung hat die Zusammensetzung: 0,02% Kohlenstoff, 0,61% Silizium, 0,28% Mangan, 1,43% Titan, 27,6% Nickel und 25,6% Kobalt. Sie wurde durch Warmwalzen zu einem Blech von 6 mm Dicke verformt, das Blech eine Viertelstunde lang bei 800 ⁰C geglüht, dann an Luft abgekühlt, anschließend 24 Stunden lang bei 600° C geglüht und danach an Luft abgekühlt. Bei Raumtemperatur ergaben sich folgende Eigenschaften:

Beim Zeitstandversuch über 500 Stunden zeigte die Legierung mit 55,1 kg/mm² Belastung und 300°C Prüftemperatur eine Kriechdehnung von 0,2% und bei 500°C Prüftemperatur und einer Belastung von 50,4 kg/mm² eine Kriechdehnung von 0,4%.

Für den mittleren Ausdehnungskoeffizienten wurden folgende Werte ermittelt:

Ausdehnungskoeffizient
je°C

25 bis 200°C 8,01 · K)-"

25 bis 300°C 7,67· 10"«

25 bis 400°C 7,29 · 10""

25 bis 500°C 7,49 · 10""

Die 6 mm starken, warm gewalzten und durch 24stündiges Glühen bei 600° C ausgehärteten Bleche wiesen folgende Eigenschaften auf:

Raumtemperatur
300°C
500° C

0,1 °/o Dehngrenze
(kg/mm²)

93,0
76,6
71,0

Zugfestigkeit
(kg/mm²)

110,0
95,2

0,1% Dehngrenze (kg/mm2)	Zugfestigkeit (kg/mm2)
81,1	103,1

Um die technologische Wirkung von Kaltbearbeitungen darzulegen, sei folgendes erwähnt: Die 20 Minuten lang bei 950⁰C geglühte Legierung zeigte eine Härte von 177HB (Brinell). Nach einem nachfolgenden Kaltwalzen stieg die Härte an auf 235, 245 bzw. 255 HB bei Dickenabnahmen von 15, 35 bzw. 52%· Das 1,625 mm starke Blech, das auf eine Enddicke von 50% der Anfangsdicke gewalzt war, ergab beim Tiefziehversuch nach E r i c h s ο η noch eine gute Kaltverformbarkeit.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Die Verwendung einer vorwiegend austenitisch erstarrenden Eisen-Nickel-Legierung der Zusammensetzung:

Nickel 22 bis 36%

Kobalt 5 bis 30%

Titan 1,25 bis 1,75%

Kupfer bis 2%

Kohlenstoff ... 0,05%

Rest Eisen und Verunreinigungen

als Werkstoff für durch kinetische Erwärmung beanspruchte Teile, vornehmlich für Flugzeugbleche, die von hoher Festigkeit bei allen Gebrauchstemperaturen sein müssen, dabei einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen sollen und auch in großen Abmessungen unter guter Warm-

und Kaltverformbarkeit des Werkstoffs herzustellen sind.

2. Die Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1, jedoch mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,03 %, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Die Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei denen das Verhältnis von Nickel zu Eisen 0,5 bis 0,65 beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Die Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1 für den Zweck nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß der Kobaltgehalt der Legierungen bei Gebrauchstemperaturen über 25⁰C in dem Feld A-B-C-D-A •der F i g. 3 der Zeichnung liegt.

5. Die Verwendung von Legierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1, für den Zweck nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Legierungen bei Gebrauchstemperaturen von mehr als 25°C und bis zu 500⁰C nachstehende Kobaltgehalte aufweisen:

bis zu 100⁰C 5 bis 8°/₀Co, bis zu 200°C 6 bis 9°/₀Co, ο bis zu 300° C 11 bis 16% Co,

bis zu 400° C 15 bis. 20°/₀ Co, bis zu 500° C 16 bis 26% Co.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 764 375.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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