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Vetwefidung eine; Knbalt=Chtöm=Wölfraxii-Legierifüg füf hei hohen
Tefnperaturen zeitstandfeste und kerbsehlageähe Gegenstände Die Erfindung betrifft
die Verwendung "von Guß-oder Knetlegierungen auf Köbaltbasis als Werkstöff für Gegenstände,
die bei Temperaturen von 650 bis 1000°C hohe Zeitstandfestigkeit und Dehnung
sowie eine Kerbsehlagzähigkeit von mindestens 1235 mkg/em2 haben müssen.
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Im Verlauf der auf die Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrades
von Düsenantrieben und Gasturbinen gerichteten Forschung wurden Motorenbauformen
entwickelt, die bei Temperaturen arbeiten, denen die zur Zeit bekannten Legierungen
nicht aneht gewachsen sind. Man bemüht sich daher sehr stärk um die Entwicklung
von Legierungetl, die den mit diesen hohen Temperaturen verbundenen Beanspruchungen
widerstehen können. Ferner sollen Legierungen nicht nur überragende Warmfestigkeit
aufweisen, sondern sich auch nach bekannten Verfahren zu Konstruktionsteilen verarbeiten
lassen.
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In einigen Fällen kann die Legierung in ]Form von Gußstücken gebraucht
werden, während sie für andere Verwendungszwecke fähig sein muß, zu Blechen und
Bändern warmverformt zu werden oder durch Kaltverformung oder spanlose Bearbeitung
weiterverarbeitet zu werden. Außerdem müssen die aus diesen Legierungen hergestellten
Teile gute Oxydationsbeständigkeit, Schlagzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit
aufweisen.
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Zwar wurden bereits mehrere Legierungen für den Einsatz bei hoher
Temperatur unter den genannten Bedingungen vorgeschlagen, jedoch hatte keine von
ihnen die erforderliche Kombination von hoher Festigkeit; hoher Warmfestigkeit und
guter Verarbeitbarkeit.
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Kobaltlegierungen mit weiten Gehaltsgrenzen_ von Kobalt und Chrom,
die Wolfram oder Molydän sowie Nickel und geringe Mengen Kohlenstoff ent= halten;
und in denen übliche Legierungskomponenten in geringen Mengen anwesend sein können,
wurden bereits bei normaler Temperatur für Zwecke eingesetzt, bei denen es auf hohe
Korrosionsbeständigkeit, nicht aber auf Hoehtemperatureigenschaften ankommt.
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Es sind auch pulverförmige Aufschweißlegierungen bekannt; die als
Hauptbestandteile Kobalt; Chrom, Wolfram und/oder Molybdän sowie Kohlenstoff, Bor,
Nickel und/oder Eisen enthalten: Die Legierungen lassen sich jedoch nicht warmverformen,
sondern werden aufgeschweißt: Im Gegensatz zu den Legie= rungen der Erfindung enthalten
sie mehr als 0;25 °/D Kohlenstoff und zeigen eine_ Austauschbarkeit der Elemente
Molybdän und Wolram. Für Werkstücke, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, hat
man Legierungen aus Kobalt, Nickel, Chrom, Molybdän oder Wölfram, Eisen, sowie Titan,
Tantel, Niöb, ,- r lio ium# die ganz oder teilweise ,r- durch tor ersetzt sind,
verwendet. Im Gegensatz zu den Legierungen der Erfindung sind in diesen Legierungen
die Elemente Wolfram und Molybdän austauschbar, der Eisengehalt kann Werte bis .zu
30 % erreichen und es werden relativ höhe Bongehalte von 0,1 bis 3 °/o bevorzugt.
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Eine andere bekannte, hauptsächlich aus Kobalt, Kohlenstoff, Bor,
Chrom und Wolfram bestehende Legierung kann bis zu 0,4'0/" Kohlenstoff und Bor in
Mengen von etwa 0,4 °/ß enthalten.
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Die bekannten Legierungen, welche zum Teil sehr weite Gehaltsgrenzen
umfassen, genügen bei hoher Temperatur nicht allen Anforderungen, die hinsichtlich
der Zeitstandfestigkeit und kerbschlagzähigkeit an Ilochtemperaturwerkstof% gestellt
werden und werden auch zum großen Teil nur bei niedriger Temperatur
verwendet.
Es war auf Grund dieses Standes der Technik nicht zu erwarten, daß gemäß der Erfindung
Legierungen erhalten werden, die bei hohen Temperaturen hohe Zeitstandfestigkeit,
Dehnung und hohe Kerbschlagzähigkeit besitzen, wenn ganz bestimmte enge Gehaltsgrenzen
der Legierungsbestandteile eingehalten werden.
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Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Legierung aus 19
bis 22°/o Chrom, 11,5 bis 13,5 °/o Wolfram, 0 bis 3 °/o Molybdän, 0 bis
10/, Eisen, 0 bis 10/, Nickel, 0,05 bis 0,160/, Kohlenstoff, 0,005
bis 0,03 °/o Bor, 0 bis 0,04 °/o Stickstoff, 0 bis 10/0
Mangan, 0 bis
10/0 Silicium, Rest Kobalt als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen,
die bei Temperaturen von 650 bis 1000°C hohe Zeitstandfestigkeit und Dehnung sowie
eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 125 mkg/cm2 haben müssen.
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Diese Legierungen haben bessere Zeitstandfestigkeit und Dehnung als
die bisher bekannten Legierungen sowie bessere Verformbarkeit und Kerbschlagzähigkeit.
Auf Grund dieser Eigenschaften lassen sich die Legierungen für die verschiedensten
Zwecke bei Temperaturen verwenden, die höher sind als die Grenztemperaturen der
zur Zeit bekannten Legierungen dieser Art und bis zu 980°C betragen können.
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Ferner lassen sich die Legierungen gemäß der Erfindung durch Gießen
oder Schmieden weiterverarbeiten und zur Erhöhung ihrer Härte kaltverformen.
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Chrom und Wolfram verbessern beide die Warmfestigkeit der Legierung
und verleihen ihr in erhöhtem Maße die Fähigkeit, einer Formänderung unter starker
Belastung zu widerstehen. Wolfram kann durch Molybdän in Mengen bis zu 3 Gewichtsprozent
Molybdän ergänzt werden. Durch Zusatz von Molybdän wird die Zeitstandfestigkeit
bei hoher Temperatur auf Kosten der Verformbarkeit bei Raumtemperatur erhöht. Daher
wird der Molybdängehalt auf 3 °/o begrenzt.
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Durch Anwesenheit von Nickel würde zwar die Zähigkeit bei tieferen
Temperaturen erhöht werden, jedoch eine Verringerung der Warmfestigkeit bewirkt.
Für den Einsatz bei hohen Temperaturen darf der Nickelgehalt nicht über 1 °/o liegen.
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Kohlenstoff und Bor sind notwendige Zusätze zur Erzielung von Verformbarkeit
und Festigkeit in Gegenständen, die aus dieser Legierung bestehen. Durch Zusatz
von Bor wird die Festigkeit der Legierung zwar stark erhöht, jedoch beeinträchtigt
#or die Oxydationsbeständigkeit; der gewünschte Borgehalt hängt daher von der Temperatur
ab, bei der die Legierung verwendet werden soll. Der Borgehalt ist von großer Wichtigkeit
und muß daher sorgfältig eingestellt werden. Während höhere Kohlenstoffgehalte zweckmäßig
sind, wenn die Legierung gegossen werden soll, ist sowohl der Kohlenstoff- als auch
der Borgehalt zu senken, wenn sie gewalzt werden soll.
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Die Warmfestigkeit der Kobaltlegierungen wird durch die Anwesenheit
einer aus Carbiden des Typs MeC bestehenden ausgeschiedenen Phase weiter erhöht,
wobei »M« die Carbidbildner Kobalt, Chrom, Wolfram und Molybdän bedeutet. Von besonderer
Wichtigkeit sind die Diffusionsgeschwindigkeiten des Chroms und Kohlenstoffs in
der kobaltreichen Grundmasse. Wenn diese Elemente in der Lage sind, schnell durch
die Grundmasse zu diffundieren, bilden sich die Carbide leicht und wachsen schnell,
wobei eine Ausscheidungshärtung eintritt. Überschreiten jedoch diese Carbide in
ihrer Größe und Konzentration einen Grenzwert, erhöhen sie nicht mehr die Festigkeit
der Legierung. Daher wird durch Begrenzung der Diffusion des Kohlenstoffs und Chroms
die Wachstumsgeschwindigkeit der Carbide gesenkt und ihre Größe in Grenzen gehalten
mit dem gewünschten Ergebnis, daß die Legierung maximale Festigkeit aus der ausgeschiedenen
Phase erhält. Wolfram, Chrom und Nickel steuern wirksam die Diffusion des Kohlenstoffs
und die Bildung von Carbiden.
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Mangan und Silicium können in Mengen bis zu je 1 Gewichtsprozent anwesend
sein. Diese Elemente sind als Verunreinigungen in den Legierungsbestandteilen zu
finden und diesen als Desoxydationsmittel.
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Eisen trägt nicht zur Warmfestigkeit bei und ist bei der bevorzugten
Zusammensetzung der Legierung auf Mengen von maximal 10/0 zu beschränken.
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Die Stickstoffmenge in der Legierung ist von kritischer Bedeutung.
Bisher wurde angenommen, daß Stickstoff in Legierungen dieser Art wichtig sei, jedoch
wurde festgestellt, daß er sich auf Kobaltlegierungen nachteilig auswirkt. Aus Tabelle
1 ist der Einfluß von Stickstoff auf eine Kobaltlegierung dieses Typs deutlich zu
erkennen.
| Tabelle 1 |
| Einfluß des Stickstoffgehaltes auf die Zeitstandfestig- |
| keit einer Kobaltlegierung bei 927°C und einer |
| Belastung von 14 kg/rnm2 |
| Stickstoffgehalt Standzeit Dehnung |
| Gewichtsprozent Stunden °/o |
| 0,03 94,7 16 |
| 0,06 30,5 18 |
| 0,07 21,7 14 |
| 0,08 22,0 5 |
| 0,09 18,4 17 |
Zur Erzielung maximaler Festigkeit der Legierung muß daher der Stickstoffgehalt
unter 0,04 Gewichtsprozent gehalten werden.
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Die Legierung kann nach den üblichen Verfahren, z. B. durch induktive
Erhitzung, erschmolzen werden, jedoch muß dies unter einem schützenden Inertgas,
wie Argon, geschehen. Die Abschirmung des geschmolzenen Metalls durch ein Inertgas
verhindert eine Verunreinigung durch Luftstickstoff. Die Legierung kann im gegossenen
Zustand verwendet werden.
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Die Legierung läßt sich auch durch Warm- oder Kaltverformung zu Konstruktionsteilen
verarbeiten. Wenn Blöcke zum Schmieden erforderlich sind, wird vorzugsweise unter
Vakuum geschmolzen. Dadurch, daß der Kohlenstoffgehalt maximal 0,16 Gewichtsprozent
und der Borgehalt maximal 0,03 Gewichtsprozent beträgt, kann die Legierung nach
bekannten Verfahren mechanisch zu Drähten, Stangen, Platten, Barren, Blechen, Bändern,
Rohren und Schmiedestücken weiterverarbeitet werden. Diese Erzeugnisse haben sämtlich
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Die Legierung kann
auch zu Blechen gewalzt werden. In Tabelle 2 sind typische Werte der Zeitstandfertigkeit
für Bleche der folgenden gewichtsmäßigen Zusammensetzung aufgeführt: 200/, Chrom,
12,511/0 Wolfram,
0,15010
Kohlenstoff, 0,0280/, Bor,
0,010/, Stickstoff,
Rest praktisch ausschließlich Kobalt.
| Tabelle 2 |
| Zeitstandfestigkeit für Bleche von 2,8 mm Dicke |
| Temperatur Belastung Standzeit Dehnung |
| °C |
| kg/mm2 Stunden |
| °/o |
| 927 10,5 216,7 18 |
| 927 9,1 397,3 29 |
| 982 7,0 75,2 25 |
| 982 5,6 294,4 23 |
In einem weiteren Versuch wurde eine Legierung mit der gewichtsmäßigen Zusammensetzung:
20°/o Chrom, 12,5 % Wolfram, 0,06 °/o Kohlenstoff, 0,005 0/0 Bor, 0,48 °/o Silicium,
0,48 °/o Mangan, Rest praktisch ausschließlich Kobalt zu Blechen verarbeitet, deren
Werte der Zeitstandfestigkeit in Tabelle 3 aufgeführt sind.
| Tabelle 3 |
| Zeitstandfestigkeit für Bleche von 1 mm Dicke |
| Temperatur Belastung Standzeit Dehnung |
| °C |
| kg/mm' |
| Stunden |
| °/o |
| 816 21,0 59,6 43 |
| 871 16,8 47,3 73 |
| 927 10,5 93,8 77 |
| 982 7,0 49,3 - 38 |
Die in den Tabellen 2 und 3 genannten Werte lassen das gute Zeitstandverhalten der
Legierungen gemäß der Erfindung erkennen. Diese ausgezeichneten Eigenschaften sind
auf die genaue Beachtung der angegebenen Zusammensetzungen zurückzuführen. Die Bestandteile
müssen in den hier angegebenen Anteilen vorhanden sein, wenn höchste Werte erzielt
werden sollen. Von besonderer Wichtigkeit sind der niedrige Stickstoffgehalt der
Legierungen und die sorgfältige Einstellung des Borgehalts.
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Als Knetlegierung ist die Legierung so duktil, daß sie kaltverarbeitet
werden kann. Als Folge der Kaltverformung nimmt die Härte der Legierung erheblich
zu, wie aus Tabelle 4 ersichtlich. Die Härte kann weiter erhöht werden, indem die
kaltverformte Legierung Wärmebehandlungen unterworfen wird. Die Erhöhung der Härte
kann durch Vergüten bei Temperaturen von nur 650°C erzielt werden. Die Anwendung
einer Ausscheidungshärtung bei verhältnismäßig niedriger Temperatur ist besonders
wichtig, da die niedrigen Temperaturen minimales Verwerfen der Fertigteile gewährleisten.
| Tabelle 4 |
| Härte von Blechen |
| Blech- Härte nach dem Härte nach der |
| dicke Kaltwalzgrad Kaltwalzen Ausscheidungs- |
| härtung |
| mm °/o Rockwell C Rockweh C |
| 0,9 20 46 52 |
| 1,6 20 49 53,5 |
| 1,5 25 51 55,5 |
Infolge der einzigartigen Eigenschaften in der kaltverarbeiteten Form ist die Legierung
besonders vorteilhaft für Verwendungszwecken, bei denen hohe Härte zur Erzielung
von Verschleiß- und Abriebfestigkeit erforderlich ist. Die Legierungen gemäß der
Erfindung weisen ferner gute Zugfestigkeitswerte auf, wobei jedoch ihre Duktilität
für die verschiedensten Verwendungszwecke noch genügend hoch ist. Tabelle 5 veranschaulicht
die hervorragende Beziehung zwischen Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung bei
einer Legierung der gleichen Zusammensetzung wie in der Einleitung zu Tabelle 3
angegeben.
| Tabelle 5 |
| Festigkeitswerte für Bleche von 1 mm Dicke |
| Temperatur Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung |
| kg/mm2 |
| kg/mm' |
| °/o |
| Raumtemperatur 114,8 57,7 37* |
| 650 83,6 37,6 20 |
| 760 67,7 36,6 24 |
| 871 37,3 27,8 45 |
| *) An Stäben gemessen. |
Für viele Verwendungszwecke ist hohe Kerbschlagzähigkeit erforderlich. In Tabelle
6 sind die nach der Charpy-Probe mit V-Kerb ermittelten Werte der Kerbschlagzähigkeit
(umgerechnet in mkg/cm2) aufgeführt; die Prüfstäbe aus der Kobaltlegierung hatten
folgende gewichtsmäßige Zusammensetzung: 20°/o Chrom,
12,5 °/o Wolfram, 0,16
°/o Kohlenstoff, 0,005 °/o Bor, 0,48 °/o Silicium, 0,72 °/o Mangan, Rest praktisch
ausschließlich Kobalt. Die Legierung wurde im geglühten Zustand nach einer 30 Minuten
bei 1163'C durchgeführten Wärmebehandlung mit anschließender schneller Luftkühlung
geprüft.
| Tabelle 6 |
| Kerbschlagzähigkeitswerte |
| Temperatur Durchschnittliche Werte |
| ° C mkg/cm2 |
| Raumtemperatur 12,5 |
| 650 17,9 |
| 732 17,4 |
| 816 16,6 |
| 871 16,7 |
| 927 15,7 |