DE1194154B - Verwendung einer Nickel-Kupfer-Legierung bei Nassdampfbeanspruchung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche KI.: 40 b -19/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

M 45062 VI a/40 b
21. April 1960
3. Juni 1965

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Nickel-Kupfer-Legierung aus 2,75 bis 12,1% Chrom, 0,5 bis 4,5% Silizium, 0,02 bis 0,75 % Kohlenstoff, 0 bis 1,5 °/₀ Mangan, 0 bis 10% Eisen und 0 bis 4% Molybdän, wobei der Rest aus Nickel und Kupfer einschließlich der üblichen Verunreinigungen besteht und das Verhältnis von Nickel zu Kupfer zwischen 1,5 und 2,5 liegt.

Naßdampf wirkt bei hohen Drücken und Temperaturen, beispielsweise bei Drücken von 40 bis 100 kg/cm² und Temperaturen von 200 bis 600° C, auf die mit ihm in Berührung kommenden Teile in starkem Maße korrodierend und erodierend. So neigen die Sitze und Durchlässe von Dampfventilen zu rascher Erosion. Besonders bei Sicherheitsventilen, die in kurzen Intervallen nur zum Teil geöffnet werden, um kleine Mengen von Dampf unter hohem Druck durchzulassen, treten Beanspruchungen dieser Art in erheblichem Maße auf. Legierungen zur Verwendung unter Bedingungen, bei denen Erosionen durch Dampf auftreten, müssen nicht nur widerstandsfähig gegen Dampferosion sein, sondern auch hohen Widerstand gegen Fressen mit hoher Festigkeit und Härte verbinden.

Es sind bereits Nickellegierungen bekannt, die aus 67 % Nickel, 33 % Kupfer, 2 bis 8 % Chrom und 5 bis 15% Ferrosilizium bestehen und bei denen das Verhältnis von Eisen zu Silizium etwa 1: 1 beträgt. Die herkömmlichen Nickellegierungen enthalten auch in gewissen Grenzen Spuren von Kohlenstoff, da sie vielfach in Kohlenstofftiegeln erschmolzen werden. Derartige Legierungen werden zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet.

Demgegenüber wurde nun festgestellt, daß sich eine Nickel-Kupfer-Legierung der eingangs genannten Zusammensetzung besonders gut zur Herstellung von Gegenständen eignet, die wie Hochdruckdampfventile oder Teile davon, z. B. Ventilsitze, Federn, Durchgänge, Dichtungsringe sowie Düsen, Pumpenkolben, Flügelräder od. dgl., im gegossenen oder geschmiedeten Zustand bei guten Festigkeitseigenschaften beständig gegen Erosion durch Naßdampf und gegebenenfalls gegen Fressen sein müssen. Dabei kann die in vorstehender Weise verwendete Nickel-Kupfer-Legierung auch noch Verunreinigungen oder andere Elemente in geringen Mengen enthalten, die im allgemeinen nur gelegentlich vorkommen, beispielsweise desoxydierend und reinigend wirkende Elemente. So können diese Legierungen, ohne daß ihre Eigenschaften dadurch beeinträchtigt werden, Schwefel, Phosphor, Bor, Magnesium und Titan enthalten, und zwar in einer Gesamtmenge, die 0,2 % nicht übersteigt.

Verwendung einer Nickel-Kupfer-Legierung
bei Naßdampfbeanspruchung

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:

John Trimble Eash, County of Union, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. April 1959 (808 015)

Wesentlich ist, daß die Legierungen stets Silizium, Chrom, Kupfer und Nickel in den angegebenen Mengen enthalten. Insbesondere wenn der Siliziumgehalt der Legierung geringer ist als 0,5 ⁰J₀, ist die Legierung schwer zu vergießen und die Zähigkeit des Materials im Gußzustand zu gering, während, wenn der Siliziumgehalt 4,5% übersteigt, die Legierung gegen Warmrisse anfällig wird. In Legierungen, die vor allem hohen Widerstand gegen Fressen haben sollen, muß der Siliziumgehalt mindestens 2 % betragen. Wenn der Chromgehalt der Legierung niedriger ist als 2,75 ⁰J₀, dann nimmt der Widerstand der Legierung gegen Dampf korrosion ab, und wenn er 12,1 % übersteigt, so hat das keinen Einfluß mehr auf ihre Eigenschaften. Die Legierung ist dann aber wesentlich schwieriger zu vergießen. Kupfer und Nickel verleihen der Legierung im allgemeinen einen hohen Korrosionswiderstand, und deshalb müssen diese Elemente in den angegebenen Mengen in der Legierung vorhanden sein. Vorzugsweise soll der Nickelgehalt der Legierung zwischen 40 und 65 % und der Kupfergehalt zwischen 20 und 35 % liegen. Auch der Kohlenstoffgehalt der Legierung ist von Bedeutung: Wenn er weniger als 0,02% beträgt,

509 578/320

dann treten bei der Herstellung der Legierung Schwierigkeiten auf, während bei über 0,75% Kohlenstoff ein übermäßiger Anteil an freien Karbiden entsteht, der die Zähigkeit der Legierung beeinträchtigt. In auf wirtschaftliche Weise hergestellten Legierungen nach der Erfindung soll der Gehalt an Eisen und Mangan, und zwar an jedem dieser Elemente, üblicherweise mindestens 0,2% betragen. Durch das Mangan wird die Vergießbarkeit der Legierung gefördert, und deshalb ist es ein wünschenswerter Bestandteil der Legierung. Eisen neigt, wenn es in beachtlicher Menge, beispielsweise mit einem Anteil von 2 %, auftritt, dazu, die Korngröße des Gefüges zu verringern und den Widerstand der Legierung gegen das Eindringen von Dampf zu erhöhen. Molybdän verbessert den Widerstand der Legierung gegen Fressen bei Anwesenheit von Dampf und ist deswegen ebenfalls ein wünschenswerter Bestandteil der Legierung.

Die Legierung kann einer Ausscheidungshärtung unterzogen werden.

Eine brauchbare Wärmebehandlung besteht in ^: einem 1- bis lOstündigen Erhitzen der Legierung in einem Temperaturbereich von 565 bis 620⁰C. Gußstücke können für eine nachfolgende Bearbeitung weich gemacht werden, und zwar durch eine Behänd- as lung, die aus einem Erhitzen auf eine Temperatur von 840 bis 900⁰C und nachfolgendem Abschrecken in öl oder Wasser besteht. Um bei der Abschreckung das Entstehen von Rissen auszuschließen oder auf ein Mindestmaß zu reduzieren, kann es vorteilhaft sein, die Legierung aus dem Temperaturbereich von 840 bis 900⁰C zunächst auf eine Temperatur von nicht über 650⁰C abzukühlen und dann abzuschrecken. Im ausgehärteten Zustand weisen die Legierungen im allgemeinen folgende mechanische Eigenschaften auf:

Streckgrenze (0,5 %) ... 35 bis 70 kg/mm²

Zugfestigkeit 52 bis 92 kg/mm²

Brinellhärte 150 bis 340

Silizium (7o)	Art der Behandlung	Zerreiß festigkeit (kg/mm2)	Dehnung (7o)
1	Gußzustand Wärmebehandlung	36,6 68,9	3 16 '
1,5	Gußzustand Wärmebehandlung	42,8 73,7	4 12
2	Gußzustand Wärmebehandlung	51,3 79,5	5 8
2,5	Gußzustand Wärmebehandlung	73,0 83,7	7 7
3	Gußzustand Wärmebehandlung	85,8 88,0	7 4

40

Die günstigste Vereinigung von mechanischen Eigenschaften mit einem hohen Widerstand gegen Dampferosion weisen Legierungen auf, die 1 bis 3,0 % Silizium, 4 bis 7% Chrom, 0,05 bis 0,25% Kohlenstoff, 0,5 bis 1 % Mangan, 1 bis 3 % Eisen, 0 bis 1 % Molybdän und im Rest Nickel und Kupfer in Anteilen von 56 bis 62% Nickel und 27 bis 32% Kupfer enthalten. Das Verhältnis von Nickel zu Kupfer beträgt in diesen Legierungen also 2:1.

Diese bevorzugten Legierungen, die einen verhältnismäßig niedrigen Siliziumgehalt aufweisen, sprechen in überraschend guter Weise auf eine Aushärtungsbehandlung an, durch die sowohl die Zerreißfestigkeit als auch die Dehnung der Legierung verbessert werden.

Um diese Wirkung aufzuzeigen, wurde eine Reihe von Legierungen hergestellt, deren Siliziumgehalt von 1 bis 3% variierte und die 6% Chrom, 2,2% Eisen, 0,06% Kohlenstoff, 0,6% Mangan und 0,1 % Magnesram enthielten, wobei der Rest aus Nickel und Kupfer im Verhältnis 2: 1 bestand. Aus diesen Legierungen hergestellte Gußstücke wurden auf Zerreißfestigkeit untersucht, und zwar sowohl im Gußzustand als auch nach einer Wärmebehandlung, die in einem 1 stündigen Erhitzen auf 870° C, Abkühlen auf 650°C, Abschlecken in öl und 4stündigem Altern bei 595°C bestand. Die Ergebnisse waren folgende:

Erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen, deren Siliziumgehalt 3% nicht übersteigt und bei denen der Kohlenstoffgehalt 0,2 bis 0,6% beträgt, sind schmiedbar. Um die Eigenschaften der Legierungen nach dem Schmieden zu veranschaulichen, wurde eine Legierung mit 5,7% Chrom, 2,8% Silizium, 0,51 °/o Kohlenstoff, 60,5% Nickel, 28,8% Kupfer, 2% Eisen und 0,6% Mangan in einem Induktionsofen geschmolzen, mit Magnesium desoxydiert und zu Blöcken vergossen. Die Blöcke wurden bei einer Temperatur von 1040⁰C geschmiedet. Nach dem Glühen bei 900⁰C und Abschrecken in Öl besaß eines der Schmiedestücke eine Härte von 217 Brinell, eine Zerreißfestigkeit von 82,6 kg/mm² und eine Dehnung von 32,5 %. Ein anderes in der gleichen Weise wärmebehandeltes und anschließend bei 595° C 2 Stunden lang gealtertes Gußstück hatte eine Härte von 324 Brinell, eine Zerreißfestigkeit von 118,4 kg/mm² und eine Dehnung von 13,5%.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können in Öfen geschmolzen werden, wie sie für das Schmelzen von Nickel und Legierungen auf Nickelbasis üblich sind, z. B. in einem Induktionsofen oder einem direkt oder indirekt beheizten Lichtbogenofen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Legierungen vor dem Gießen durchgreifend zu desoxydieren.

Die Erfindung sei an zwei Beispielen erläutert.

Beispiel I

In einem mit einem Magnesitfutter ausgestatteten Induktionsofen wurde eine Anzahl von Schmelzen mit wechselndem Chromgehalt hergestellt. Nachdem jede der Schmelzen fertig und auf Gießtemperatur gebracht war, wurde sie mit etwa 0,1 % Magnesium desoxydiert und zu Gußstücken vergossen, von denen drei aus Ventilfedersitzen zum Einbau in Dampfsicherheitsventile bestanden. Die Gußstücke wurden bei 870⁰C geglüht, auf 650° C abgekühlt, in Öl abgeschreckt und bei 595°C 4 Stunden lang gealtert. Die gegossenen Ventilfedersitze bestanden aus folgenden Legierungen:

Legie rung Nr.	7oSi	7oCr	7oFe	7oC	7oMn	7oNi	7„Cu
1	3,66	2,87	2,2	0,05	0,6	61,4	29,3
5	2,51	5,96	2,2	0,05	0,6	59,4	28,3
8	3,63	8,55	2,2	0,05	0,6	56,7	27,0

Nach der Wärmebehandlung besaßen die gegossenen Ventilfedersitze eine Brinellhärte von 321, 262 und 319. Die Ventilfedersitze wurden in Dampf Sicherheitsventile eingebaut. Die mit den ersten beiden Gußstücken ausgestatteten Ventile benutzte man in einem Dampfwerk bei einem Dampfdruck von 85 kg/cm². Die Ventile hielten etwa 8 Monate, wogegen Ventilfedersitze aus dem vordem verwendeten Material (eine 14%ige Chrom-Eisen-Legierung) nur eine maximale Lebensdauer von 3 Monaten aufwiesen. Ventilfedersitze, die aus einer Legierung mit 55 % Kobalt, 30 % Chrom und 5 % Wolfram bestanden, zeigten in dieser Anlage ebenfalls unbefriedigende Eigenschaften. Das dritte Ventil wurde in ein Dampfwerk eingebaut, das mit einem Dampfdruck von 56 kg/cm² arbeitete. Der Dampf dieser Anlage enthielt einen gewissen Anteil an Chlorwasserstoffgas. Die hier eingesetzten Ventile hielten mehr als 4 Monate, wohingegen Ventile aus einer 14%igen Chrom-Eisen-Legierung eine maximale Lebensdauer von nur 3 Wochen hatten.

Beispiel II

Um den Widerstand der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen gegen Dampferosion zu prüfen, wurde eine Reihe von Gußstücken in Form von Scheiben hergestellt und diese Scheiben einer Wärmebehandlung unterzogen, die aus einem 1 stündigen Erhitzen auf 87O⁰C, einem Abkühlen auf 65O⁰C, Abschrecken und Altern bei 595° C 4 Stunden lang bestand. Jede der Scheiben wurde in der Weise geprüft, daß man auf ihre Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit einen Hochdruckdampfstrahl auftreffen ließ. Die Eindringtiefe und der Gewichtsverlust jeder der Scheiben wurde nach einer 400stündigen Behandlung der vorstehend beschriebenen Art festgestellt. Die Zusammensetzung der Gußstücke und die Ergebnisse der Versuche sind den Zahlentafeln I und II zu entnehmen.

Zahlentafel I

Zahlentafel II
Eigenschaften der Gußstücke

Zusammensetzung der Gußstücke

Legie	1YoCr	°/oSi	%Mo	VoCo	VoNi	VoC
rung Nr.	2,87	3,66		29,3	61,4	0,05
1	5,86	0,96	—	29,1	61,1	0,05
2	6,32	1,84	—	28,4	59,7	0,10
3	5,77	1,46	3,01	27,5	57,7	0,10
4	5,96	2,51	—	28,3	59,4	0,05
5	6,29	2,44	1	27,0	56,7	0,23
6	8,6	3,64	—	27,3	57,4	0,05
7	8,55	3,63	0,85	27	56,7	0,05
8	12,05	2,02	—	26,7	55,7	0,05
9	11,69	3,61	—	26,4	55,3	0,05
10	11,76	4,49	—	26	54	0,05
11	11,85	4,25	0,92	26	54,7	0,05
12	11,48	2,63	3,01	25,8	53,6	0,05
13	11,66	3,81	2,80	25,4	53,3	0,05
14	11,52	3,53	2,99	25,17	53,32	0,06
15	11,03	3,61	2,71	24,3	50,7	0,05
16	11,18	3,46	2,61	24,2	50,5	0,26
17

40

45

55

60

Legierung	Eindringtiefe	Gewichtsverlust	Brinellhärte
Nr.	(mm)	(g)
1	0,075	0,017	321
2	0,15	0,0065	—
3	0,05	0,0100	228
4	0,032	0,0250	228
5	0,05	0,0140	262
6	0,062	0,0071	—
7	0,075	0,0170	319
8	0,075	0,0120	302
9	0,10	0,0200	207
10	0,10	0,0150	293
11	0,082	0,0250	340
12	0,14	0,0160	321
13	0,075	0,0061	255
14	0,125	0,0150	282
15	0,035	0,0150	286
16	0,115	0,0100	277
17	0,038	0,0170	286

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Nickel-Kupfer-Legierung aus 2,75 bis 12,1 % Chrom, 0,5 bis 4,5% Silizium, 0,02 bis 0,75% Kohlenstoff, 0 bis 1,5% Mangan, 0 bis 10% Eisen, 0 bis 4% Molybdän, Rest Nickel und Kupfer, wobei

ist, zur Herstellung von Gegenständen, die wie Hochdruckdampfventile oder Teile davon, z. B. Ventilsitze, Federn, Durchgänge, Dichtungsringe sowie Düsen, Pumpenkolben, Flügelräder od. dgl., im gegossenen oder geschmiedeten Zustand bei guten Festigkeitseigenschaften beständig gegen die Erosion durch Naßdampf und gegebenenfalls gegen Fressen sein müssen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, deren Nickelgehalt 40 bis 65 % und deren Kupfergehalt 20 bis 35% beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens 0,2% Mangan und mindestens 0,2 % Eisen für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Siliziumgehalt 0,5 bis 3% und deren Kohlenstoffgehalt 0,2 bis 0,6% beträgt, für durch Schmieden herzustellende Gegenstände nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit Gehalten von 56 bis 62% Nickel, 27 bis 32% Kupfer, 4 bis 7% Chrom, 1 bis 3% Silizium, 1 bis 3% Eisen, 0,5 bis 1%

7 8

Mangan, O bis 1% Molybdän, 0,05 bis 0,25% In Betracht gezogene Druckschriften:

Kohlenstoff für den Zweck nach Anspruch 1. Französische Patentschrift Nr. 470 659;

6. Verwendung einer Legierung mit einer USA.-Patentschrift Nr. 1163 813;

Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 Metals Hardbooth, 1948 Edition, S. 1026;

bis 5, die nach dem Gießen oder Schmieden auf 5 V. Tafel, Lehrbuch der Metallhüttenkunde, Bd. III,

840 bis 900⁰C erhitzt und dann nach Abschrecken 2. Auflage (1954), S. 131 bis 133;

1 bis 10 Stunden lang zwischen 565 und 62O⁰C A. H. F. Goederitz, Metallguß, II.Teil

geglüht wurde, für den Zweck nach Anspruch 1. (1955), S. 610.

509 578/320 5.65 © Bundesdruckerei Berlin