DE1175889B - Warmfeste Nickellegierung - Google Patents

Warmfeste Nickellegierung

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DE1175889B
DE1175889B DEU6355A DEU0006355A DE1175889B DE 1175889 B DE1175889 B DE 1175889B DE U6355 A DEU6355 A DE U6355A DE U0006355 A DEU0006355 A DE U0006355A DE 1175889 B DE1175889 B DE 1175889B
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DE
Germany
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alloy
nickel
aluminum
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heat
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Pending
Application number
DEU6355A
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English (en)
Inventor
William Harrison Faulkner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

  • Warmfeste Nickellegierung Die Erfindung betrifft warmfeste Nickellegierungen, insbesondere Legierungen, die sich für Zwecke eignen, bei denen sehr gute Bruchdehnungseigenschaften bei hohen Temperaturen erforderlich sind.
  • Der Bedarf an warmfesten Legierungen, die erhöhten Beanspruchungen widerstehen und eine längere Lebensdauer haben, steigt ständig. Dank der Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren zeigen viele handelsübliche Legierungen ein außergewöhnlich gutes Verhalten bei viel höheren Temperaturen als die vor einem Jahrzehnt hergestellten Legierungen. Die heutigen Verbesserungen werden in kleineren Schritten vorgenommen. Beispielsweise wird eine Erhöhung der Wärmebeständigkeit einer Legierung um nur 14 bis 28° C heute von Verbrauchern und Herstellern der in Frage kommenden Legierung als ein großer Erfolg angesehen.
  • Einige warmfeste Legierungen haben ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit, andere haben eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit oder sehr gute Dauerstandsfestigkeit und Bruchdehnung. Ganz allgemein hat jede Legierung eine oder zwei spezielle Eigenschaften, die hervorragend sind, während sie in anderer Hinsicht Mängel aufweist. Diese Situation ist zwar ungünstig, wird jedoch von den meisten Verarbeitern anerkannt, die diese Beschränkungen hinnehmen. Beispielsweise haben gewisse Nickellegierungen die gewünschte Bruchdehnung und Zugfestigkeit, jedoch keine ausreichende Schlagfestigkeit und/oder Duktilität. Andere Legierungen ähnlicher Art haben zwar annehmbare Schlagfestigkeit und Duktilität, erfüllen jedoch nicht die Forderungen von Verarbeitern und Verbrauchern auf dem Gebiet der warmfesten Legierungen in bezug auf Bruchdehnung und Zugfestigkeit.
  • Als Beispiel sei eine Legierung genannt, die 5 bis "01/o Chrom, 5 bis 151/o Molybdän und 4,5 bis 64/o Aluminium, Rest im wesentlichen Nickel, enthält. Die Festigkeit dieser Legierung ist so hoch, daß sie eine Belastung von etwa 3515 kg/cm2 100 Stunden bei 816° C, von 1919 kg/em2 1000 Stunden bei 816° C, von 668 kg/cm2 100 Stunden bei 982° C und von nahezu 352 kg/cm2 1000 Stunden bei 982° C aushält. Jedoch erfüllen die Duktilität und die Stoßfestigkeit dieser Legierung bei Temperaturen bis zu 1038° C nicht einmal die Mindesterfordernisse für gewisse Zwecke, z. B. für Gasturbinenteile. Eine andere Nickellegierung, die 18 bis 221/o Chrom; 8 bis 101/o Molybdän, 2 bis 3% Titan, 0,5 bis 20/0 Aluminium, Rest im wesentlichen Nickel, enthält, hat eine gute Temperaturwechselbeständigkeit und ausreichende Festigkeit für einige Verwendungszwecke, ist jedoch bei Temperaturen bis zu 1038° C völlig ungeeignet, wenn gleichzeitig Duktilität und Schlagfestigkeit gefordert werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Legierung mit höherer Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Dauerstandsfestigkeit als die zur Zeit verwendeten Legierungen und einer solchen Duktilität und Schlagfestigkeit, daß sie für die verschiedensten Zwecke bei Temperaturen oberhalb der zur Zeit erreichbaren Betriebstemperaturen bis zu etwa 1038° C verwendet werden kann. Die Legierung gemäß der Erfindung hat eine hohe Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Sie kann unter scharfen Beanspruchungen verwendet und mit verhältnismäßig niedrigen Kosten hergestellt werden. Ihre Bestandteile sind leicht als Rohstoffe erhältlich.
  • Die vorstehend genannten Eigenschaften weist eine Nickellegierung auf; die aus 10 bis 20 Gewichtsprozent Chrom, 4 bis 74/o Molybdän, 6 bis 8,5% Aluminium, 0,01 bis 0,15% Bor, 0,01 bis 0,500/0 Zirkonium, Rest im wesentlichen Nickel, besteht, Mangan und Silicium können in der Legierung in Mengen bis zu je 1,00% vorliegen. Kohlenstoff kann in Mengen bis zu 0,054/o, Eisen in Mengen bis zu 5,0% vorhanden sein, und die Verunreinigungen Phosphor und Schwefel können in Mengen bis zu 0,030 bzw. 0,015 % vorliegen. Die bevorzugten Bereiche der wesentlichen Bestandteile dieser Legierung sind folgende: Chrom ............... 14 bis 16 % Molybdän ............ 4,25 bis 5,75% Aluminium ........... 6,40 bis 7,1011/o Bor ............. . .... 0,05 bis 0,12% Zirkonium ........... 0,1 bis 0,20"7o Nickel ............... Rest Die bevorzugte Zusammensetzung der Legierung ist 15% Chrom, 5'% Molybdän, 6,711/o Aluminium, 0,07% Bor, 0,10% Zirkonium, Rest Nickel.
  • Es wurde festgestellt, daß die richtige Einstellung des Zirkongehalts die Duktilität und Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessert und Änderungen dieser Eigenschaften sowohl in der gegossenen als auch der geschmiedeten Form auf ein Minimum herabdrückt. In Abwesenheit von Zirkonium oder bei sehr niedrigem Zirkoniumgehalt ist die Legierung verhältnismäßig spröde. Bei höherem Zirkoniumgehalt wird die Legierung jedoch duktiler und kann geschmiedet werden. Zirkonium ist somit in dem vorgeschriebenen Bereich ein wesentlicher Bestandteil der Legierung gemäß der Erfindung.
  • Der Chromgehalt muß im Bereich von 10 bis 20 % gehalten werden und beträgt vorzugsweise 150/0, um das Aluminium in der Verleihung der Oxydationsbeständigkeit zu ergänzen. Chromgehalte über 20% würden die Nickelmenge verringern, die zur Bildung von intermetallischen Nickel- Aluminium-Verbindungen, die hauptsächlich die Warmfestigkeit bedingen, verfügbar sind.
  • Molybdän wird als festigkeitserhöhendes Element zugesetzt, muß jedoch zwischen 4 und 7 und vorzugsweise bei etwa 5% gehalten werden, da durch Molybdängehalte oberhalb dieser Grenzen die Oxydationsbeständigkeit und Duktilität in unerwünschtem Maße gesenkt werden. Molybdän erhöht ferner die Dichte und steigert die Kosten.
  • Eisen kann als Verunreinigung toleriert werden, darf jedoch in der Legierung nicht in Mengen über 5% vorhanden sein, da es nicht zur Festigkeit beiträgt. Oberhalb von 511/o wirkt Eisen als Verdünnungsmittel und verringert die zur Bildung von intermetallischeni Verbindungen verfügbare Nickelmenge.
  • Es wurde festgestellt, daß Kohlenstoff nicht in Mengen über 0,05% vorhanden sein darf, da er die Sprödigkeit bei Raumtemperatur verstärkt und die Warmfestigkeit nicht erhöht.
  • Bor in Mengen über 0,15% verringert die Duktilität bei Raumtemperatur. Als vorteilhaftester Borgehalt ergab sich ein Wert von etwa 0,07%.
  • Aluminium erhöht die Festigkeit von Nickellegierungen durch Bildung einer intermetallischen Verbindung Ni jAl, die über die ganze Legierung verteilt ist. Die Festigkeit der Nickellegierungen nimmt mit höher werdendem Aluminiumgehalt bis zu 7,311/o zu. Bei Aluminiummengen über 7,3% pflegen diese Legierungen an Warmfestigkeit zu verlieren, jedoch behalten sie ihre Festigkeit bei Raumtemperatur.
  • Die Legierung gemäß der Erfindung hat infolge der Kombination der genannten Bestandteile in den angegebenen Bereichen bei Aluminiumgehalten über 6 bis zu 8,511/o eine ausgezeichnete Warmfestigkeit. Dies stellt eine unerwartete Verbesserung gegenüber bekannten Legierungen dar. Die höheren Aluminiumgehalte in Nickellegierungen bringen viele metallurgische Vorteile mit sich. Als Beispiele seien erhöhte Festigkeit, erhöhte Oxydationsbeständigkeit, niedrigere Kosten und niedrigere Dichte genannt.
  • In den Untersuchungen, die zur Erfindung der Legierung für Dauerbeanspruchung zwischen 926 und 1038 C unter hohen Belastungen führte, wurde festgestellt, daß einige gewöhnlich in Nickellegierungen enthaltenen Elemente, z. B. Titan, Niob und Tontal, nicht nur keinen Vorteil für die Legierungen mit sich bringen, sondern in einigen Fällen vielmehr die Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen verschlechtern oder auf andere Weise die Legierung nachteilig beeinflussen.
  • Titan fehlt in der Legierung, da dieses Element die Löslichkeit des Aluminiums in fester Form in der Matrix erhöht und dadurch die Menge der Ni.;AI-Ausscheidung verringert. Die Verringerung des Ni3A1-Gehalts schwächt die Legierung, wie die Ergebnisse einer Reihe von Versuchen mit einer Legierung folgender Zusammensetzung ergaben: 15 °,/c Chrom, 5% Molybdän, 6,6% Aluminium, 0,13% Bor, 0,1% Zirkon, 5 % Eisen, Rest Nickel plus schwankender Titanmengen.
    Zeitstandverhalten
    Ermittelt bei 927° C und 15,5 kg/mm'=
    Titan, % Standzeit, Stunden
    0 127,5
    0,38 19,4
    0,39 30,6
    0,88 46,9
    Ein Gehalt an Niob ist ebenfalls in der Legierung zu vermeiden, und zwar nicht nur wegen der Dichte und hohen Kosten des Niobs, sondern weil es auch die Duktilität bei Raumtemperatur und hoher Temperatur verschlechtert, wie die nachstehenden Ergebnisse von Versuchen mit einer Legierung folgender Zusammensetzung zeigen: 150/c Chrom, 6% Molybdän, 5,9% Aluminium, 0,12% Bor, 0,1% Zirkonium, 511/o Eisen, bis zu 2% Niob, Rest im wesentlichen Nickel.
    Festigkeitswerte bei Raumtemperatur
    Streckgrenze
    geholt Zugfestigkeit (0,2o!o Dehnung Ein
    Dehnung) schE rung
    0/0 kg/mm= kg'mm- 0,/0 0/0
    0 92,8 78,0 6 13
    2 91,4 84,46 3 7
    Zeitstandverhalten
    Ermittelt bei 927° C und 15,5 kg/mm'
    Niobgehalt Standzeit Dehnung Einschnürung
    0 Stunden 0'0 0/0
    0 96,2 19 15
    2 124,9 2 2
    Zwar verbessert Niob leicht die Standzeit, jedoch wurde die Duktilität bis zu einem Punkt verschlechtert, bei dem die Legierung für schwere Beanspruchungen im Temperaturbereich von 816 bis 1038° C praktisch unbrauchbar ist. Ohne Niob ist die Legierung so duktil und geschmeidig, daß sie bei Temperaturen von etwa 1120° C geschmiedet werden kann.
  • Die verbesserte Nickellegierung gemäß der Erfindung kann auf beliebige Weise, z. B. im Lichtbogen oder durch Induktion, geschmolzen werden. Das Schmelzen kann in normaler Atmosphäre erfolgen, jedoch lassen sich zusätzliche Vorteile durch Schmelzen im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre aus Inertgas erzielen. Wärmebehandlungen verbessern die Eigenschaften der Legierung, sind aber für die allgemeine Verwendung der Legierung nicht wesentlich. Die Legierung läßt sich in der Form verwenden, wie sie nach dem Gießen erhalten wird.
  • Die folgenden durchschnittlichen Eigenschaften wurden für geschmiedete Proben der Legierung mit der bevorzugten Zusammensetzung nach halbstündiger Wärmebehandlung bei 1.135° C und Kühlung an der Luft ermittelt:
    Eigenschaften des geschmiedeten Produkts
    Festigkeitswerte bei Raumtemperatur
    Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung Ein-
    (0,217o Dehnung) schnürung
    kg/mm2 kg/mm2 0/0 0/0
    128,9 I 90,4 I 18,5 I 17,5
    Zeitstandverhalten bei 982° C und einer Belastung
    von 11,25 kg/mm2
    Standzeit Dehnung Einschnürung
    Stunden
    °/o
    °/o
    12 I 11,0 I 21,0
    Das Zeitstandverhalten der gegossenen Legierung nach halbstündiger Wärmebehandlung bei 1149° C und Kühlung an der Luft sind besonders hervorstechend. Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung: 1.5 0/a Chrom, 5% Molybdän, 6,71/o Aluminium, 0,07% Bor, 0,1'% Zirkon, Rest Nickel.
    Durchschnittliche Zeitstandfestigkeit
    816° C 982° C
    Standzeit Standzeit Standzeit Standzeit
    100 Stunden 1000 Stunden 100 Stunden 1000 Stunden
    i
    38,7 kg/mm2 32,3 kg/mm21 12,3 kg/mm2 # 8,8 kg/mm2
    Die durchschnittlichen Zugfestigkeitswerte dieser Legierung nach halbstündiger Wärmebehandlung bei 1150° C und anschließender Luftkühlung sind folgende:
    Zugfestigkeitswerte
    Streck-
    Zug- grenze Ein-
    Temperatur festigkeit (0,2 % Dehnung schnürung
    Dehnung)
    ° C kg/mm! kg/mm2 0/0 0/0
    Raum-
    temperatur 87,9 80,0 5 11
    538 85,8 72,0 5 11
    649 81,2 65, 1 5 9
    899 56,0 45,0 5 13
    982 39,2 34,2 8 15
    Die Kerbzähigkeitswerte nach C h a r p y wurden ebenfalls für die Legierung der Erfindung nach Wärmebehandlung (30 Minuten bei 1149° C und Luftkühlung) bestimmt. Die folgenden Ergebnisse stellen den Durchschnitt mehrerer Untersuchungen dar und unterstreichen den hohen Grad der Schlagfestigkeit der Legierung bei Raumtemperatur und hoher Temperatur.
    Prüftemperatur, ° C Schlagfestigkeit, m kg
    Raumtemperatur 1,42
    649 1,19
    816 1,28
    927 1,66
    1038 2,07

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Warmfeste Nickellegierung, bestehend aus 10 bis 20, vorzugsweise 14 bis 16 Gewichtsprozent Chrom, 4 bis 7, vorzugsweise 4,25 bis 5,75 Gewichtsprozent Molybdän, 6 bis 8,5, vorzugsweise 6,40 bis 7,10 Gewichtsprozent Aluminium, 0,01 bis 0,15, vorzugsweise 0,05 bis 0,12 Gewichtsprozent Bor, 0,01 bis 0,50, vorzugsweise 0,01 bis 0,20 Gewichtsprozent Zirkonium, Rest Nickel.
  2. 2. Nickellegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mangan und Silicium in Mengen bis zu je 1%, Kohlenstoff in Mengen bis zu 0,05'%, Eisen bis zu 5% und die Verunreinigungen Phosphor und Schwefel in Mengen bis zu 0,03 bzw. 0,15% enthält.
  3. 3. Nickellegierung nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus 15-% Chrom, 5% Molybdän, 6,7% Aluminium, etwa 0,07% Bor, 0,10% Zirkonium, bis zu 0,01% Kohlenstoff, Rest Nickel. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 749 881; schweizerische Patentschriften Nr. 253 298, 260131; britische Patentschriften Nr. 583 807, 666 401; Nickel-Berichte, Bd. 16 (1958), S.223, 224, 180.
DEU6355A 1958-07-23 1959-07-18 Warmfeste Nickellegierung Pending DE1175889B (de)

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE749881C (de) * 1938-05-31 1944-12-07 Verfahren zum Verbessern der Zunderbestaendigkeit von Legierungen der Systeme Eisen-Chrom, Chrom-Nickel und Eisen-Chrom-Nickel
GB583807A (en) * 1943-06-30 1946-12-31 Harold Ernest Gresham Nickel base alloy
CH253298A (de) * 1943-06-30 1948-02-29 Rolls Royce Nickellegierung.
CH260131A (de) * 1945-05-21 1949-02-28 Gen Electric Nickellegierung.
GB666401A (en) * 1948-06-01 1952-02-13 Rolls Royce Hard wear-resisting nickel-chromium alloys

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