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Verwendung einer Nickellegierung als Werkstoff für aus Blechen geschweißte,
warmfeste Teile Hitzebeständige und kriechfeste Legierungen auf Basis Nickel-Chrom
und Nickel-Eisen-Chrom, die Titan und Aluminium für eine Ausscheidungsphase vom
Typ Ni3 (Ti, Al) sowie Molybdän, Kobalt, Bor, Zirkonium, Kohlenstoff, Mangan und
Silizium enthalten, sind bekannt. Es ist weiterhin bekannt, durch spezifische Zusätze
von Bor und Zirkonium oder durch spezielle, vom Gehalt an Kohlenstoff und Kobalt
abhängige Wärmebehandlungsmaßnahmen die Zeitstandfestigkeit und Zugfestigkeit dieser
Legierungstypen zu erhöhen. Wie sich die Änderung der Zusammensetzung dieser Legierungen
innerhalb der bekannten Grenzen auf die Bildsamkeit im Bereich höherer Temperaturen,
d. h. insbesondere im Bereich von 700 bis 850° C auswirkt, war für die herkömmlichen
Legierungen bislang nicht bekannt. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei den meisten
Legierungen dieser Art die Bildsamkeit mit zunehmender Temperatur abnimmt, und zwar
bis zu einem Minimum, das in einem Temperaturbereich von 700 bis 850° C liegt.
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Während die Legierungen in Form loser und dünner Bleche einer Dicke
von nicht mehr als 3,5 mm unter mäßigen Anforderungen geschweißt werden können,
nimmt die Bildsamkeit der Schweißverbindungen im genannten Temperaturbereich in
noch größerem Umfang ab, wobei die Dehnung bei hohen Temperaturen unter das zulässige
Minimum von 5 bis 7% fällt. Um den Abfall der Bildsamkeit zu unterbinden, hat man
im Anschluß an das Schweißen Wärmebehandlungen bei hohen Temperaturen für erforderlich
gehalten. Bei der Herstellung von durch Schweißen zu verbindenden Teilen treten
besondere Schwierigkeiten auf, wenn die Legierungen als Bleche vorliegen und daraus
Teile, wie Düsen für Flugzeug-Gasturbinen, hergestellt werden müssen, weil die Teile
bei den hohen Temperaturen, bei denen sie wärmebehandelt werden müssen, zum Bruch
oder Verziehen neigen. Darüber hinaus ist es häufig unmöglich, an das Schweißen
eine Wärmebehandlung anzuschließen, wenn die Teile im Betrieb, d. h. im eingebauten
Zustand ausgebessert werden müssen, und zwar unter Bedingungen, bei denen im erforderlichen
Umfang die Wärmebehandlung erleichternde Einrichtungen nicht zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf die Verwendung einer warm- und
kriechfesten Legierung der eingangs genannten Art, die ihre Festigkeit und Bildsamkeit
nach einem Verschweißen weitgehend behält, und zwar sowohl beim Schweißen mit oder
ohne nachträgliche Wärmebehandlung. Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, daß den
Legierungen auf Basis Nickel-Chrom oder Nickel-Eisen-Chrom, die etwa 20% Chrom enthalten,
kritische Mengen der Elemente Kohlenstoff, Titan, Aluminium, Molybdän, Bor und Zirkonium
zugesetzt werden, wobei zwischen dem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium und dem
Verhältnis dieser Metalle zueinander eine bestimmte Beziehung besteht.
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Die nach der Erfindung als Werkstoffe für aus Blechen geschweißte
Teile, die langfristig einem Temperaturbereich von 700 bis 850° C ausgesetzt sind
oder diesen Temperaturbereich langsam durchlaufen, verwendbaren Legierungen bestehen
aus 15 bis 25%, vorzugsweise 17 bis 20% Chrom, bis 45% Eisen, 0,04 bis 0,15% Kohlenstoff,
0,7 bis 2,5% Titan, 0,7 bis 1,5% Aluminium, 3 bis 6% Molybdän, bis 1 % Kobalt,
0,001 bis 0,009'% Bor, 0,01
bis 0,1% Zirkonium, bis 0,5 % Silizium
und bis 0,5% Mangan, Rest mindestens 35% Nickel und 0,5% nicht übersteigende Verunreinigungen.
Der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium soll 2 bis 3,50/9 ausmachen, das Verhältnis
von Titan zu Aluminium 0,5 bis 4% betragen und das Verhältnis Titan zu Aluminium
so auf das Verhältnis Titan zu Aluminium eingestellt sein, daß sich die Legierung
in dem Bereich A B-C-D der F i g. 1 befindet.
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Es wurde gefunden, daß sich innerhalb dieser Grenzen beim Schweißen
der Legierungen oder wenn die Legierungen 1000 Stunden lang Betriebstemperaturen
von 600 bis 800° C ausgesetzt werden, nur ein geringer Anteil oder überhaupt keine
Sigma-Phase bildet. Der genaue Anteil eines jeden der zugesetzten Elemente ist von
größter Bedeutung für die Legierungen, die als Werkstoffe für- aus Blechen geschweißte
Teile befriedigende Eigenschaften aufweisen sollen.
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Für ein genügendes Maß an Bildsamkeit soll der Kohlenstoffgehalt der
Legierung mindestens 0,04% ausmachen. Bei Kohlenstoffgehalten von mehr als 0,15
% entstehen beim Verformen der Legierung Jedoch freie Karbide, die die Zeitstandfestigkeit
bei höhheren Temperaturen beeinträchtigen und das Walzen der Legierungen zu Blechen
sowie die Formgebung der Bleche zu Fertigteilen erschweren. Wenn die Legierungen
Temperaturen über 600° C zu lange ausgesetzt werden, dann führt das auch bei Kohlenstoffgehalten
von weniger als 0,15% zu Karbidausscheidungen. Bei Kohlenstoffgehalten der Legierung
von mehr als 0,081/o neigen diese Karbide dazu, an den Korngrenzen auszuscheiden,
und zwar in einer Art, die die Legierungen nach etwa 500 Stunden hart zu machen
beginnt. Diese Erscheinung ist bei Temperaturen unterhalb 700° C besonders ausgeprägt.
Für Teile, die diesen Temperaturen sehr lange Zeit unterliegen, sind daher Kohlenstoffgehalte
von etwa 0,05 bis 0,08% vorzuziehen. Zur Herstellung von Teilen, die nur eine kurze
Zeit erhitzt werden und für deren Herstellung eine möglichst große Bildsamkeit verlangt
wird, können Legierungen mit Kohlenstoffgehalten bis zu 0,12% verwendet werden.
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Zur Erzielung der angestrebten Eigenschaften ist sowohl der Gesamtgehalt
der Legierungen an Titan und Aluminium als auch das Verhältnis von Titan zu Aluminium
wichtig. Mit der Zunahme des Gehaltes an Titan und Aluminium nimmt die Festigkeit
der Legierung zu, wobei gleichzeitig ihre Dehnung abnimmt, und zwar sowohl bei Raumtemperatur
als auch bei höheren Temperaturen. Wenn die Summe Titan -I- Aluminium unter 2 0/0
liegt, dann ist die Festigkeit der Legierung unzureichend, während eine Legierung,
deren Titan-Aluminium-Gehalt in Abhängigkeit vom Titan-Aluminium-Verhältnis über
der Linie A-B der F i g. 1 liegt, bei höheren Temperaturen und insbesondere nach
dem Schweißen eine sehr geringe Bildsamkeit aufweist. Legierungen, deren Titan-Aluminium-Gehalte
über der Linie A-B, aber unter dem Wert von 3,5 % liegen, besitzen bei hohen Temperaturen
nach dem Schweißen eine zu geringe Bildsamkeit. Bei Titan-Aluminium-Gehalten über
3,5% fällt ihre Bildsamkeit bei Raumtemperatur rasch in einem solchen Maß ab, daß
die Verarbeitung der Legierung zu Blechen praktisch unmöglich ist. Wenn ein Höchstmaß
an Bildsamkeit verlangt wird und die Festigkeit der Legierung von geringerer Bedeutung
ist, dann sind die Legierungen innerhalb des Bereiches E-F-C-D vorteilhaft. Beste
Festigkeits- und Bildsamkeitswerte werden im Bereich A-B-F-E bei Gehalten an Titan
und Aluminium unter 3 % erzielt, während, wenn höchste Festigkeitswerte verlangt
werden, und es nicht auf höchste Dehnungswerte ankommt, Legierungen des Bereiches
A-B-F-E mit einem Titan-Aluminium-Gehalt über 3 % besonders brauchbar sind. Durch
die Steigerung des Verhältnisses von Titan zu Aluminium bei Titan-Aluminium-Gehalten
bis zu 4% wird die Bildsamkeit bei hohen Temperaturen erhöht. Das zeigen die Kurven
der graphischen Darstellung der F i g. 2.
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Die mit A, B und C bezeichneten Kurven veranschaulichen den
Verlauf der Bruchdehnung bei 750° C, und zwar an Legierungen, die folgende Grundzusammensetzung
besaßen: 20% Cr, 0,11% C, 0,003% B, 0,05% Zr, 3% Mo, < 0,5 % Si, < 0,5 % Mangan,
Rest Nickel, und unterschiedliche Gehalte an Titan und Aluminium aufwiesen.
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Die Kurven A, B und C beziehen sich auf Aluminiumgehalte von
1, 1,5 und 21/o. Eine Erhöhung des Titan-Aluminium-Gehaltes über 4% bewirkt einen
scharfen Abfall der Bildsamkeit bei Raumtemperatur, die sich auch auf die Verarbeitbarkeit
der Legierung auswirkt. Die Kurven A, B und C veranschaulichen auch den Abfall
der Dehnung bei hoher Temperatur, die auftritt, wenn der Gesamtgehalt an Titan und
Aluminium erhöht wird. Durch die Erhöhung des Eisengehaltes der Legierung innerhalb
der Spanne bis 45% wird auch die Bildsamkeit bei hohen Temperaturen erhöht. Diese
Wirkung erkennt man, wenn man die Kurve B der F i g. 2 der Zeichnung mit der Kurve
D vergleicht, die die Änderung der Dehnung bei 750° C von Legierungen zeigt, die
bei dem angegebenen Titan-Aluminium-Gehalt der Legierung 1,5% Aluminium, 18'%. Chrom,
0,11% Kohlenstoff, 37% Nickel, 3% Molybdän, 0,0031/o Bor, 0,05% Zirkonium, <
0,5 %Silizium, <0,5110 Mangan, Rest Eisen enthielten.
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Diese Kurve zeigt auch, daß die Bildsamkeit der Eisen enthaltenden
Legierungen mit zunehmendem Titan-Aluminium-Gehalt abnimmt, und zwar in gleicher
Weise, wie das bei den im wesentlichen eisenfreien Legierungen der Kurve B der Fall
ist. Die vier Kurven A bis D beziehen sich sämtlich auf wärmebehandelte
Legierungen, die 8 Minuten bei 1100° C erhitzt, in Luft abgekühlt und schließlich
4 Stunden lang bei 750° C gealtert wurden. Den Einfluß, den ein wechselnder Gesamtgehalt
an Titan und Aluminium und ein wechselndes Verhältnis von Titan zu Aluminium auf
die Dehnung der Legierung bei Raumtemperatur haben, zeigen die Werte in Zahlentafel
1. Sie wurden aus Zerreißversuchen ermittelt, die bei Raumtemperatur an Probestäben
folgender Grundlegierung vorgenommen wurden: 0,08 % C,18 % Cr, 5 % Mo, 37 % Ni,
0,003 % B, 0;05%Zr, Rest (abgesehen vom Gesamtgehalt Titan und Aluminium) im wesentlichen
Eisen.
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Die Probestäbe wurden vor dem Versuch einer Wärmebehandlung unterzogen,
die in einem '/2stündigen Erhitzen auf 1150° C, Abkühlung an Luft, 16stündigen Erhitzen
auf 850° C und erneuter Abkühlung an Luft bestand.
| Zahlentafel 1 |
| olo Ti olo Al o/o Ti + A1 Ti : A1 Dehnung |
| (°/o) |
| 1,3 0,99 2,29 1,35 26 |
| 2,25 0,47 2,72 4,78 17 |
| 1,3 1,57 2,87 0,82 23 |
| 3,1 0,24 3,34 , 12,9 2 |
| 3,0 0,68 3,68 4,4 0,5 |
| 3,15 1,02 4,17 3,09 0,4 |
| 3,2 1,55 4,75 2,07 0,4 |
Der Ersatz des Nickels durch Eisen führt jedoch zu einem Abfall der Zugfestigkeit
und Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen und Legierungen mit einem niedrigen
Gehalt an Eisen, beispielsweise von 0 bis 5'% werden deshalb dann bevorzugt, wenn
höchste Festigkeitswerte verlangt werden. Legierungen mit etwa 30 bis 401/o Eisen
werden andererseits bevorzugt, wenn größte Bildsamkeit bei hohen Temperaturen gefordert
wird und die Zugfestigkeit und Zeitstandfestigkeit von geringerer Bedeutung ist.
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Der Gehalt der Legierungen an Nickel sollte nicht unter 35 0/0 liegen,
da bei längerer Beanspruchung im Temperaturbereich von 650 bis 850° C sonst eine
merkliche Versprödung eintritt.
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Molybdän verbessert die Zeitstandfestigkeit der Legierung bei hohen
Temperaturen. Deshalb sollten in dieser Weise beanspruchte Legierungen mindestens
3 % Molybdän enthalten. Andererseits sollte der Molybdängehalt der Legierungen nicht
mehr als 6 % betragen, da bei höheren Molybdängehalten der Widerstand der Legierung
gegen Korrosion erheblich beeinträchtigt wird und ein Verschmieden der Teile meist
nicht mehr möglich ist. Molybdängehalte von 3 bis 6 % ergänzen die Wirkung des Gesamtgehaltes
an Titan und Aluminium in bezug auf die Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen.
Bei einem gegebenen Gehalt an Titan und Aluminium wird durch den Molybdängehalt
der Legierung deren Warmfestigkeit erhöht. Der Abfall an Festigkeit, der sich bei
einer Verringerung des Gesamtgehaltet an Titan und Aluminium von einem bestimmten
Wert ab ergibt, kann dadurch ausgeglichen werden, daß jeweils 0,1% Aluminium und
Titan durch 0,5% Molybdän ersetzt wird.
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Das Molybdän kann in der Legierung ganz oder teilweise durch gleiche
Atomprozente Wolfram ersetzt werden.
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überraschenderweise wurde gefunden, daß sehr geringe Mengen an Bor
die Dehnung der Legierung bei hohen Temperaturen verbessern und ein Borgehalt von
0,001 bis 0,0091/o in der Legierung wesentlich ist, wenn Schweißverbindungen hergestellt
werden sollen, die eine hohe Warmfestigkeit aufweisen und sich auch gut warm verformen
lassen müssen. Mit Borgehalten unter 0,001% ist die Bildsamkeit der Legierung nach
dem Schweißen gering und auch die Bruchfestigkeit. Wenn andererseits der Borgehalt
über 0,009% steigt, dann neigen die geschweißten Legierungen zum Bruch, insbesondere
bei Querschnitten über 17 mm. Vorzugsweise soll der Borgehalt 0,004% nicht überschreiten
und- 0,0030/0 betragen. Der Einfluß, den das Bor auf die Bildsamkeit der Schweißverbindungen
bei Temperaturen zwischen 600 und 800° C ausübt, ergibt sich aus Zahlentafel 2,
und zwar für Legierungen, die (ohne Berücksichtigung des Bors) folgende Zusammensetzung
hatten: 0,05% C, 20% Cr, 5% Mo, 2,6% Ti -I- Al (Ti: Al = 1,5), 0,02°/o Zr, Rest
Nickel.
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Es wurden Zerreißversuche an Blechproben einer Dicke von 1,2 mm vorgenommen,
die im Argon-Lichtbogen frei stumpfgeschweißt wurden.
| Zahlentafel 2 |
| Temperatur Dehnung (O/o) |
| (° C) |
| < 0,001% Bor I 0,002% Bor |
| 600 26 34 |
| 700 13 33 |
| 800 24 29 |
Zirkonium erhöht die Zeitstandfestigkeit der Legierung, die deshalb 0,01 bis 0,1%,
vorzugsweise 0,05 % Zirkonium enthält. Wenn die Legierung mehr als 0,1% Zirkonium
enthält, dann neigt sie nach dem Schweißen zum Bruch.
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Die Legierungen können in bekannter Weise geschmolzen werden. An Luft
geschmolzene Nickel-Chrom-Legierungen werden im allgemeinen mit Calcium oder Magnesium
desoxydiert. Wenn in dieser Weise mit den Legierungen nach der Erfindung verfahren
wird, insbesondere mit Legierungen, die weniger als 5% Eisen enthalten, dann muß
Sorge dafür getragen werden, daß in der fertigen Legierung sowenig Calcium und Magnesium
wie möglich zurückbleibt, vornehmlich nicht mehr als 0,005 %, da beim Schweißen
dicker Bleche oder im eingespannten Zustand sonst Brüche auftreten und die Bildsamkeit
der geschweißten Teile bei hohen Temperaturen beeinträchtigt wird.
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Um ein Optimum der Legierungseigenschaften zu erzielen, ist es wesentlich,
daß die Legierungen einer Aushärtungsbehandlung unterzogen werden, die in einer
Lösungserhitzung mit anschließendem Anlassen bei niedrigerer Temperatur besteht.
Vornehmlich besteht diese Behandlung in einer Erhitzung der Legierung auf 1020 bis
1150° C mit anschließender Abkühlung an Luft und Anlassen bei 650 bis 850° C. Für
dünne Bleche, d. h. solche von 4,3 mm Dicke, beträgt die Dauer der ersten Behandlung
vorzugsweise 2 bis 30 Minuten und die der zweiten 2 bis 16 Stunden. Dickere Bleche
müssen in der ersten Behandlungsstufe längere Zeit verbleiben, d. h. etwa 2 bis
8 Stunden. Alle Angaben, die diese Beschreibung bezüglich der Eigenschaften der
Legierungen enthält, beziehen sich auf Proben, die einer in vorstehender Weise durchgeführten
Aushärtung unterzogen wurden.
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Wenn die Legierungen geschweißt werden sollen, dann soll vor dem Schweißen
ein Lösungsglühen stattfinden. Ein Anlasen vor dem Schweißen ist aber nicht notwendig.
Nach dem Schweißen ist durchweg keine weitere Lösungsbehandlung notwendig. Wenn
jedoch ein Maximum, an Zeitstandfestigkeit erreicht werden soll, ist es vorteilhaft,
nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung durchzuführen, die in einem 2- bis 16stündigen
Erhitzen auf 650 bis 900° C besteht, vorzugsweise in einer Erhitzung im oberen Temperaturbereich.
Ein
besonderer Vorzug der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen ist, daß ihre
große Bildsamkeit sowohl im geschweißten als auch im urgeschweißten Zustand im Temperaturbereich
von 700 bis 900° C nicht merklich geringer ist als bei niedrigeren Temperaturen.
Das erkennt man beim Vergleich der Versuchsergebnisse, die an Legierungen erzielt
wurden, deren Zusammensetzung in Zahlentafel 3 aufgeführt ist.
| Zahlentafel 3 |
| Legierung Nr. |
| 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 |
| 0/0 C . . . . . . . . . . . 0,05 0,1 0,1 0,11 0,05 0,08 |
| 0/0 Cr . . . . . . . . . . 20,1 18,2 17,95 17,7 20 19,6 |
| % Ti . . . . . . . . . . . 1,03 1,33 2,46 1,57 2,32 2,44 |
| % A1 . . . . . . . . . . 1,13 1,31 1,03 1,83 1,48 1,49 |
| % Mo . . . . . . . . . . 4,93 5,16 3,1 5,2 - - |
| % Ni . . . . . . . . . . Rest 37,6 36,4 37,3 Rest Rest |
| % B ........... 0,003 0,0025 0,005 0,003 0,007 0,008 |
| 0/0 Zr . . . . . . . . . . 0,02 0,035 0,05 0,05 0,065 0,04 |
| % Fe . . . . . . . . . . 0,37 Rest Rest Rest 0,46 0,68 |
| % Co . . . . . . . . . . 0,7 - 0,1 0,1 0,89 17,2 |
| % Si . . . . . . . . . . . 0,29 0,29 - 0,43 0,56 0,84 |
| % Mn . . . . . . . . . . 0,03 0,05 - 0,18 0,05 0,06 |
| % Ti -I- Al ..... 2,16 2,69 3,49 3,40 3,8 3,93 |
| Ti : Al ....... 0,91 1,01 2,38 0,835 1,57 1,64 |
Proben einer jeden dieser Legierungen wurden in Form eines Bleches von 1,2 min Dicke
lösungsgeglüht, und zwar die Proben der Legierungen 1, 3, 4, 5 und 6 8 Minuten lang
bei 1150° C und der Legierung Nr. 2 20 Minuten lang jeweils bei 1020° C. Dann wurden
die Proben in einem Argon-Lichtbogen ohne Zusatzwerkstoff geschweißt und schließ-]ich
4 Stunden lang bei 750° C angelassen.
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Aus Zahlentafel 4 ergibt sich die Zugfestigkeit und Dehnung der im
Argon-Lichtbogen ureingespannt geschweißten Proben. Bei der bei 750° C durchgeführten
Prüfung befand sich die Schweißstelle in der Mitte der Meßlänge.
| Zahlentafel 4 |
| Eigenschaften bei 7500 C Legierung Nr. |
| 1 I 2 I 3 4 I 5 I 6 |
| Zugfestigkeit (kg/mm2) . . . . . . . . . . 37 36 33 32 41 41 |
| Dehnung (%) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 19 14
1,5 1,3 4,6 |
Die Änderung der Dehnung in Abhängigkeit von der Temperatur ist für die Legierungen
1, 2, 5 und 6 in F i g. 3 der Zeichnung dargestellt. Man erkennt, daß sich im Temperaturbereich
von 700 bis 900° C ein deutlich ausgeprägtes Tief befindet, das durch die ungünstigen
Eigenschaften der Legierung im geschweißten Zustand zu erklären ist. Die erfindungsgemäß
zu verwendenden Legierungen 1 und 2 weisen hier jedoch nur einen sehr geringen Abfall
an Dehnung auf.
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Wie man aus F i g. 4 erkennt, ergeben sich ähnliche Unterschiede in
den Dehnungs-Temperatur-Kurven der Legierungen im urgeschweißten Zustand, obgleich
der Zähigkeitsabfall der Legierungen 5 und 6, der mit der Temperatur zunimmt, nicht
so groß ist wie bei den geschweißten Legierungen.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind nicht nur für
Bleche, sondern auch für geschmiedete Teile brauchbar. Man kann sie für die Herstellung
von durch Schweißen erzeugten Gegenständen verwenden, so z. B. für aus Blechen zusammengebauten
Teilen, die durch das Anschweißen von geschmiedeten Elementen versteift werden müssen
Die Erzeugnisse, die aus den Legierungen hergestellt werden können, umfassen auch
Anlagen, in denen mit Heißdampf bei Temperaturen von 600 bis 700° C gearbeitet wird.
Legierungen, die einen großen Anteil, beispielsweise mehr als 300/m Eisen enthalten,
sind in reduzierenden Atmosphären, die Kohlenstoff und Schwefel enthalten, korrosionsbeständig
und deshalb zur Verwendung in chemischen Anlagen, in denen sie einer solchen Beanspruchung
ausgesetzt sind, brauchbar.