DE1217627B

DE1217627B - Use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy

Info

Publication number: DE1217627B
Application number: DEM45708A
Authority: DE
Inventors: John Henry Gittus; Reginald Massey Cook; Kings Heath
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1959-06-23
Filing date: 1960-06-22
Publication date: 1966-05-26

Description

Verwendung einer gekneteten und gealterten Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer gekneteten und gealterten Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung und geht davon aus, daß die Zeitstandfestigkeit von Legierungen auf Basis Nickel-Chrom von der Anwesenheit und dem Gehalt anderer-Legierungsbestandteile abhängt. Im besonderen sind Titan und Aluminium zur Bildung einer ausscheidungsfähigen Phase des Ni, (Ti,Al)-Typus erforderlich. Auch andere härtende Elemente sind gewöhnlich anwesend, wenn die Legierung gute Kriecheigenschaften bei sehr hohen Temperaturen besitzen soll. Im besonderen hat man Kobalt und mitunter auch Molybdän zulegiert, um die Temperaturen zu erhöhen, bei welchen die Legierungen unter einer gegebenen Spannung noch sicher eingesetzt werden können.Use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy The invention relates to the use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy and assumes that the creep strength of alloys based on nickel-chromium depends on the presence and content of other alloy components. In particular are titanium and aluminum to form a precipitable phase of the Ni, (Ti, Al) type necessary. Other hardening elements are also usually present when making the alloy should have good creep properties at very high temperatures. In particular if cobalt and sometimes also molybdenum were added to increase the temperatures, in which the alloys are still used safely under a given tension can be.

Aus der britischen Patentschrift 814 029 ist es bekannt, solche Legierungen mit 7,5 bis 15 °/o Chrom, 5 bis 40 °/o Kobalt, 7 bis 10,5 °/a Titan plus Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 0,6 bis 1,4, mit 0,005 bis 0,1°/o Bor, 0,05 bis 0,50/0 Kohlenstoff, 0 bis 1501" Molybdän, 0 bis 0,80/, Silizium, 0 bis 1°/o Mangan, 0 bis 10°/o Eisen, 0 bis 0,20/, Zirkonium, Rest Nickel, für die Herstellung von Gußstücken zu verwenden, die im Gebrauch hohen Temperaturen unterworfen sind. Legierungen dieser Art müssen sowohl leicht vergießbar als auch im Gußzustand warmfest sein, was bei den bekannten Legierungen durch genaue Einstellung des Titan- und Aluminiumgehaltes erreicht werden soll.From British patent specification 814 029 it is known, such alloys with 7.5 to 15% chromium, 5 to 40% cobalt, 7 to 10.5% titanium plus aluminum with a ratio of titanium to aluminum of 0.6 to 1.4, with 0.005 to 0.1% boron, 0.05 to 0.50 / 0 carbon, 0 to 1501 " molybdenum, 0 to 0.80 /, silicon, 0 to 1 ° / o Manganese, 0 to 10% iron, 0 to 0.20%, zirconium, the balance nickel, to be used for the production of castings which are subjected to high temperatures in use.Alloys of this type must be both easy to cast and in the as-cast state be heat resistant, which is to be achieved in the known alloys by precisely setting the titanium and aluminum content.

Weiterhin sind aus der britischen Patentschrift 733 489 unter die vorstehend genannten Gehaltsgrenzen fallende Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen bekannt, die ausscheidungshärtbar sind und deren Gesamtgehalt an Aluminium und Titan zur Erzielung einer guten Schmiedbarkeit im Falle molybdänfreier Legierungen 8 °/o nicht übersteigen darf. Bei molybdänhaltigen Legierungen mit beispielsweise 5 °/o Molybdän darf der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan im Hinblick auf die Schmiedbarkeit dagegen bei diesen Legierungen 7 °/o nicht übersteigen. Schließlich ist es aus der französischen Patentschrift 55100 auch bekannt, Legierungen der vorgenannten Art im Gußzustand, im verformten und wärmebehandelten Zustand zu verwenden.Furthermore, from British Patent 733 489 under the Nickel-chromium-cobalt alloys falling within the above-mentioned content limits are known, which are precipitation hardenable and their total aluminum and titanium content Achievement of good forgeability in the case of molybdenum-free alloys 8% not may exceed. In the case of alloys containing molybdenum with, for example, 5% molybdenum allowed the total content of aluminum and titanium in terms of forgeability on the other hand, in the case of these alloys, it should not exceed 7%. After all, it's from the French patent 55100 also known, alloys of the aforementioned type to be used in the as-cast, deformed and heat-treated condition.

Ausgehend von den bekannten Legierungen betrifft die Erfindung solche Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, die nach dem Warmformen und Ausscheidungshärten hohen Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt werden und dabei ein optimales Zeitstandverhalten, insbesondere eine hohe Dauerstandfestigkeit, aufweisen. Die Erfindung beruht dabei auf der Feststellung, daß sich . die vorgenannten Eigenschaften nur dann erreichen lassen, wenn im Rahmen der bekannten Gehaltsgrenzen der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan auf den Chrom- und den Molybdängehalt in bestimmter Weise abgestimmt wird. Demnach besteht die Erfindung darin, bei einer Legierung mit 10 bis 20 °/o Kobalt, 11 bis 16 °/o Chrom, 1,5 bis 70/, Molybdän, 0,1 bis 0,20/, Kohlenstoff', 0,01 bis 0,1°/o Zirkonium, 0,005 bis 0,05 °/o Bor, Rest Nickel, den Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 6,3 bis 14,2 °/o bei einem Titan-Aluminium-Verhältnis von 0,7 bis 1,0 die genannten kritischen Elemente so aufeinander abzustimmen, daß die Gleichung (°/o Mo) - [0,15 (°/o Cr) - 2,71 - 0,9 (°/a Cr) -f- 23,5 G (°/o Al) -[- (°/o Ti) < (°/o Mo) . [0,15 ' (°/o Cr) - 2,71 - 0,9 (°/o Cr) -I- 25,6 erfüllt ist und diese Legierung für Zwecke zu verwenden, bei denen eine Lebensdauer im Zeitstandversuch bei 1000°C und 11 kg/mm2 Belastung von mindestens 50 Stunden erforderlich ist. Außerdem können die erfindungsgemäßen Legierungen als Verunreinigungen noch Eisen, Silizium und Mangan in einer 30/, nicht übersteigenden Menge enthalten.Based on the known alloys, the invention relates to those nickel-chromium-cobalt alloys which are exposed to high temperature loads after hot forming and precipitation hardening and which have an optimal creep behavior, in particular a high fatigue strength. The invention is based on the finding that. The aforementioned properties can only be achieved if the total content of aluminum and titanium is matched to the chromium and molybdenum content in a certain way within the known content limits. Accordingly, the invention consists in an alloy with 10 to 20% cobalt, 11 to 16 % chromium, 1.5 to 70 %, molybdenum, 0.1 to 0.20 / "carbon", 0.01 up to 0.1% zirconium, 0.005 to 0.05% boron, the remainder nickel, the total aluminum and titanium content from 6.3 to 14.2% with a titanium-aluminum ratio of 0.7 up to 1.0 to coordinate the mentioned critical elements so that the equation (° / o Mo) - [0.15 (° / o Cr) - 2.71 - 0.9 (° / a Cr) -f- 23 , 5 G (° / o Al) - [- (° / o Ti) <(° / o Mo). [0.15 '(° / o Cr) - 2.71 - 0.9 (° / o Cr) -I- 25.6 is fulfilled and this alloy is to be used for purposes in which a service life in the creep test at 1000 ° C and 11 kg / mm2 load of at least 50 hours is required. In addition, the alloys according to the invention can also contain iron, silicon and manganese as impurities in an amount not exceeding 30%.

Primär sind die Legierungen zur Verwendung im gekneteten Zustand bestimmt; zur Erzielung optimaler Zeitstandfestigkeiten werden die Legierungen vorzugsweise im Hochvakuum zu Blöcken vergossen, z. B. bei einem Druck von 1 Mikron, und dann zu Stangen gepreßt und wärmebehandelt. Eine geeignete Wärmebehandlung zum Härtere der Legierungen ist folgende: 1. Erhitzen während 11/2 Stunden bei 1200°C; 2. Luftabkühlung auf Raumtemperatur; 3. Erhitzen während 16 Stunden auf 1050°C und Luftabkühlung auf Raumtemperatur.The alloys are primarily intended for use in the wrought state; the alloys are preferred to achieve optimum creep strength cast into blocks in a high vacuum, e.g. B. at a pressure of 1 micron, and then pressed into bars and heat treated. A suitable heat treatment to make it harder of the alloys is as follows: 1. heating for 11/2 hours at 1200 ° C; 2. Air cooling to room temperature; 3. Heating to 1050 ° C for 16 hours and air cooling to room temperature.

Bei einer Reihe von Legierungen einer gegebenen Zusammensetzung, abgesehen von deren Gehalten an Titan und Aluminium, fällt die Lebensdauer bis zum Bruch außerhalb des Bereiches der nach den beiden vorstehenden Gleichungen bestimmten Titan- und Aluminiumgehalte steil ab. Die Figur zeigt eine typische Kurve, die dadurch ermittelt wurde, daß die Lebensdauer (in Stunden) bis zum Bruch unter einer Spannung von 11 kg/mm' bei einer Temperatur von 1000'C als Ordinaten und der Titan- und Aluminiumgehalt als Abszissen für eine Reihe von Legierungen in ein Koordinatensystem eingetragen wurden; abgesehen vom Titan und Aluminium war die Zusammensetzung folgende: 0,180/0. Kohlenstoff, 15 °% Kobalt, 15%0 Chrom, 3,50% Molybdän, 0,05%. Zirkonium, 0,020/0 Bor, Rest Nickel. Das Ti-Al-Verhältnis jeder der Legierungen betrug f%82. Die Legierungen wurden im Vakuum bei einem Druck von 1 Mikron geschmolzen, in Blöcke gegossen, in einem Mantel aus weichem Stahl zu Stangen gepreßt und in der vorbeschriebenen Weise wärmebehandelt. Zu den Versuchen dienten Proben jeder Legierung, die aus den wärmebehandelten. Stangen herausgearbeitet waren. Für die verwendete Grundzusammensetzung betragen die durch die Gleichung gegebenen Grenzwerte für den Gesamtgehalt an Aluminium und Titan 10,5 bzw. 8,40/0; es ist ersichtlich, daß die Spitze der Kurve zwischen diesen Werten bei einem Titan und Aluminiumgehalt von, annähernd 9,6 0/0 liegt, während bei Titan- und Aluminiumgehalten, die größer als 10,5 °/0 oder kleiner als 8,40/, sind, die Lebensdauer bis zum Bruch schnell auf sehr niedrige Werte fällt.In the case of a number of alloys of a given composition, apart from their contents of titanium and aluminum, the service life to breakage drops sharply outside the range of the titanium and aluminum contents determined according to the two equations above. The figure shows a typical curve which was determined by taking the life (in hours) to break under a tension of 11 kg / mm 'at a temperature of 1000 ° C as the ordinates and the titanium and aluminum content as the abscissas for a Series of alloys have been entered in a coordinate system; apart from titanium and aluminum, the composition was as follows: 0.180 / 0. Carbon, 15% cobalt, 15% 0 chromium, 3.50% molybdenum, 0.05%. Zirconium, 0.020 / 0 boron, balance nickel. The Ti-Al ratio of each of the alloys was f% 82. The alloys were melted in vacuo at a pressure of 1 micron, cast into ingots, pressed into bars in a mild steel jacket and heat treated as described above. Samples of each alloy obtained from the heat-treated. Rods were carved out. For the basic composition used, the limit values given by the equation for the total content of aluminum and titanium are 10.5 and 8.40 / 0, respectively; it can be seen that the peak of the curve lies between these values at a titanium and aluminum content of approximately 9.6%, while at titanium and aluminum contents greater than 10.5 ° / 0 or less than 8.40 /, are, the service life to break quickly falls to very low values.

Ähnliche Kurven ergeben sich bei anderen Grundzusammensetzungen, wobei die Lage der Spitze sich mit dem Chrom- und Molybdängehalt ändert. Bevorzugt werden Legierungen, deren Titan- und Aluminiumgehalt nicht mehr als 0,5 0/0 von dem Wert abweicht, bei welchem sich eine optimale Lebensdauer ergibt.Similar curves result for other basic compositions, where the position of the tip changes with the chromium and molybdenum content. To be favoured Alloys, the titanium and aluminum content of which does not exceed 0.5% of the value deviates, which results in an optimal service life.

Eine Steigerung des Chromgehaltes im Bereich von 11 bis 16°1o verbessert die Oxydationsfestigkeit der Legierungen; bei Chromgehalten über 15010 beginnt aber der Abfall der Zeitstandfestigkeit.An increase in the chromium content in the range from 11 to 16 ° 10 improves the oxidation resistance of the alloys; at chromium contents above 15010 , however, the creep rupture strength begins to decrease.

Zum Nachweis der Bedeutung der Wechselbeziehung zwischen dem Gesamtgehalt an Titan und: Aluminium und den Gehalten an Molybdän und Chrom wurden eine Reihe von, Legierungen hergestellt, von denen jede enthielt: 0;18°/0 Kohlenstoff', 150/0. Kobalt, 0;050/0 Zirkonium, 0r020/0. Bor, wechselnde Mengen an Titan uncl Aluminium bei konstantem Verhältnis von 0,8.2. und wechselnde Mengen an Chrom und Molybdän. Die Legierungen wurden geschmolzen, gegossen,, stranggepreßt und in der vorbeschriebenen Weise wärmebehandelt; aus den wärmebehandelten Stangen herausgearbeitete Proben wurden zur Er;-mittlung, der Lebensdauer einer Belastung. von 11 kg/mm2 bei 1000'C unterworfen. Die dabei er haltenen Ergebnisse gehen aus den Zahlentafeln 1 und 2 hervor.To demonstrate the importance of the correlation between total titanium and aluminum and molybdenum and chromium contents, a number of 'alloys were made, each containing: 0.18% carbon', 150/0. Cobalt, 0; 050/0 zirconium, 0r020 / 0. Boron, varying amounts of titanium and aluminum with a constant ratio of 0.8.2. and varying amounts of chromium and molybdenum. The alloys were melted, cast, extruded and heat treated as described above; Samples machined from the heat-treated bars were used to determine the life of a load. of 11 kg / mm2 at 1000'C . The results obtained are shown in tables 1 and 2.

Die Legierungen der Zahlentafel 1 liegen im Rahmen der Erfindung, während diejenigen. der' Zahlentafel 2 Gehalte an Titan und Aluminium aufweisen, die nicht in der richtigen; Wechselbeziehung zu ihren Gehalten an Chrom und Molybdän stehen.. Zahlentafel 1 Ti -i- Al Bereich' von Ti+Al Legierung Cr Mo Lebensdauer in. Stunden Nr. 0/0 0/0 , wirklich nach der0Gleichung bei 11 kg/mml und 1006°'C 101 1 12 3,5. 11,0) 11,7 bis 9,6 1,37 2 12 5 9,,0. 10,3- bis 8,2 193 3 12 6r5 9,0. 9,0 bis 6,.9- 67- 4 15 2 10,4 11,2 bis; 9,1 10& 5 15 2 10x5 11,2 bis 9,1. 53-- 6 15 3,5 9;0@ 10;5 bis: 8;,4 1:19 7 1:5 3,5 10,1 10,5 bis 8,4 140 Zahlentafel 2 Legierung ce Mo Ti + M Bereich. von Ti + AL Lebensdauer in. Stunden Nr. 0/0 0/0 wirklich: ; na& der0erleichung bei 11 kg/hima' und, 1000'9C 010 10 8 . 12 2 9,0 i 1:3;O b!-,10;5 12 9 12 5 13,0 1:0.,3 bis. 8,2 17 10' 12 6,5 13,0 9,0, bis; 6;9 18- 11 . 15 2 13;,0: 11,2 bis 9,.1. 3@ 12 15. 3,5 13;0 1.055 bis 8,4 2 13 i 15 5 11,0 9,9 bis 7,8 11 14 15 , 5 13,0 9,9 bis: 7,8; . 5 Eine Änderung der Gehalte an Kohlenstoff, Kobalt, Zirkonium und Bor innerhalb der angegebenen Grenzen hat keinen großen Einfluß auf die Lage des Maximums, desgleichen auch nicht Abänderungen des Ti-Al-Verhältnisses. Eine Erhöhung des Chrom- oder Molybdängehaltes verschiebt die Lage des Maximums zu einem niedrigeren Ti+Al-Verhältnis; der Einfluß des Molybdäns ist allerdings nicht so ausgeprägt wie der des Chroms.The alloys of the number table 1 are within the scope of the invention, while those. the 'number table 2 have contents of titanium and aluminum that are not in the correct; Correlate with their chromium and molybdenum contents .. Number board 1 Ti -i- Al range 'of Ti + Al Alloy Cr Mo life in. Hours No. 0/0 0/0 , really according to the equation at 11 kg / mml and 1006 ° C 101 1 12 3.5. 11.0) 11.7 to 9.6 1.37 2 12 5 9,, 0. 10.3 to 8.2 1 9 3 3 12 6r5 9.0. 9.0 to 6, .9- 67- 4 15 2 10.4 11.2 to; 9.1 10 & 5 15 2 10x5 11.2 to 9.1. 53-- 6 15 3.5 9; 0 @ 10; 5 to: 8;, 4 1:19 7 1: 5 3.5 10.1 10.5 to 8.4 140 Number board 2 Alloy ce Mo Ti + M range. of Ti + AL lifetime in. hours No. 0/0 0/0 really: ; na & the 0 equation at 11 kg / hima 'and, 1000'9C 010 10 8th . 12 2 9.0 i 1: 3; O b! -, 10; 5 12 9 12 5 13.0 1: 0., 3 to. 8.2 17 10 '12 6.5 13.0 9.0, to; 6; 9 18- 11 . 1 5 2 13;, 0: 11.2 to 9, .1. 3 @ 12 15.3.5 13; 0 1.0 5 5 to 8.4 2 13 i 15 5 11.0 9.9 to 7, 8 11 14 15, 5 13.0 9.9 to: 7.8; . 5 A change in the contents of carbon, cobalt, zirconium and boron within the specified limits does not have any great influence on the position of the maximum, and neither does changes in the Ti-Al ratio. An increase in the chromium or molybdenum content shifts the position of the maximum to a lower Ti + Al ratio; however, the influence of molybdenum is not as pronounced as that of chromium.

Die Legierungen sollten kein Vanadin enthalten; die Anwesenheit von Vanadin übt zwar keinen irgendwie nennenswerten Einfluß auf ihre Lebensdauer bis zum Bruch aus, beeinträchtigt aber die Korrosionsbeständigkeit der Legierungen bei hohen Temperaturen erheblich.The alloys should not contain vanadium; the presence of Vanadium does not have any noticeable influence on their lifespan up to breaks, but affects the corrosion resistance of the alloys high temperatures considerably.

Claims

Claim: Use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy with the composition: 10 to 20% cobalt, 11 to 16% chromium, 1.5 to 7% molybdenum, 0.1 to 0.2 ° / o carbon, 0.01 to 0.10 /, zirconium, 0.005 to 0.05 (l /, boron, furthermore 6.3 to 14.2 % (Al + Ti) in the ratio 0.7 <Ti: Al <1.0, remainder nickel, with the proviso that the total aluminum plus titanium content of the alloy is matched to the chromium and molybdenum content of the alloy according to the following relationship: (° / o Mo) - [0.15 (° / o Cr) - 2.7] - 0.9 (° / o Cr) -L- 23.5 <(° / o Al) + ( % Ti) <(° / o Mo). [0.15 - ( ° / o Cr) - 2.7] - 0.9 (° / o Cr) -f- 25.6 for purposes which require a service life in the creep test at 1000 ° C and 11 kg / mm2 load of at least 50 hours References considered British Patent Nos. 733 489, 814 029; French Patent No. 55100 (addendum to No. 982 273).