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Verschleißfeste Nickel-Chrom-Legierung Die Erfindung betrifft Nickel-Chrom-Legierungen,
die sich für Anwendungszwecke eignen, bei denen Verschleißwiderstand erforderlich
ist.
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Besondere Verschleiß- und Abriebfestigkeit ist bei Maschinenteilen
erforderlich, die der ständigen schleifenden Wirkung anderer bewegter Teile ausgesetzt
sind, z. B. bei Ventilsitzen von Verbrennungskraftmaschinen. Wegen der erforderlichen
Verschleißfestigkeit bei vielen solchen Anwendungszwecken wurden Legierungen entwickelt,
die speziell diese Eigenschaft aufweisen. Diese Legierungen sind bekannt für ihre
hohe Härte bis etwa 650°C und für ihre hohe Zugfestigkeit. Die verschleißfesten
Legierungen - meistens Kobaltlegierungen - werden hauptsächlich in Form von Gußstücken
oder durch Schweißen aufgetragenen Hartmetallauflagen verwendet.
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Die bekannten Legierungen dieser Art weisen jedoch den Nachteil hoher
Kosten, geringer Schlagbiegezähigkeit und eines hohen Gehaltes an wertvollen Metallen
auf. In Tabelle 1 sind die Zusammensetzungen typischer handelsüblicher verschleißfester
Kobalt- und Nickellegierungen angegeben..
| Tabelle 1 |
| Bestandteile Legierung A Legierung B |
| % |
| °/o |
| Chrom . . . . . . . . . . . . 30,5 29 |
| Wolfram ....... ... 12,5 15 |
| Kohlenstoff ....... 2,5 2,4 |
| Silicium . . . . . . . . . . . 0,4 0,6 |
| Mangan .......... 0,7 0,2 |
| Bor .............. 0,1 - |
| Kobalt . . . . . . . . . . . . Rest 10 |
| Nickel . . . . . . . . . . . . 2 Rest |
| Eisen . . . . . . . . . . . . . maximal 3,0 maximal 7,0 |
Nickellegierungen werden trotz ihrer . geringeren Kosten nicht so weitgehend verwendet
wie Kobaltlegierungen, da die bisher bekannten Nickellegierungen nicht die Härte
der Kobaltlegierungen aufweisen. Die Kobaltlegierung (vgl. Tabelle 1, Legierung
A) hat eine Rockwell-C-Härte von 51 bis 53, während der entsprechende Wert für die
Nickellegierung (Legierung B) nur bei 42 bis 44 liegt. Es sei bemerkt, daß die Härte
eines Werkstoffs im allgemeinen mit seinem Verschleißwiderstand in Beziehung gebracht
wird. In der Figur ist die Härte mehrerer Legierungen einschließlich der Legierungen
A und B in Abhängigkeit von der Temperatur graphisch dargestellt. Die Kurven lassen
die überlegenen Härteeigenschaften der Kobaltlegierung erkennen. Da Nickellegierungen
gewöhnlich billiger sind und weniger wertvolle Metalle enthalten als Kobaltlegierungen,
ist man eifrig um die Entwicklung neuer verschleißfester Nickellegierungen bemüht.
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Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Nickel-Chrom-Legierung,
die - hohe Festigkeit und Härte sowohl bei Raumtemperatur als auch erhöhter Temperatur,
einen niedrigeren Gehalt an teuren und wertvollen Metallen als die bisherigen handelsüblichen
Legierungen, gute Schlagbiegezähigkeit, Korrosions-und Oxydationsbeständigkeit sowie
thermische Stabilität aufweist und in Form von Gußstücken und durch Schweißen aufgebrachten
Hartmetallauflagen verwendet werden kann. Die verschleißfeste Nickel-Chrom-Legierung
gemäß der Erfindung eignet sich besonders als Werkstoff zur Herstellung von Ventilsitzen
für Verbrennungskraftmaschinen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine verschleißfeste Nickel-Chrom-Legierung,
bestehend aus 25 bis 30 Gewichtsprozent Chrom, 8 bis 12 Gewichtsprozent
Kobalt,
0 bis 1,5 Gewichtsprozent Silicium, 0 bis 2,0 Gewichtsprozent Mangan, 0,8 bis 1,6
Gewichtsprozent Kohlenstoff, 10 bis 15 Gewichtsprozent Eisen, 5 bis 12 Gewichtsprozent
Wolfram, mehr als 5 bis weniger als 12 Gewichtsprozent Molybdän, Rest mindestens
20 °/o Nickel.
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Bevorzugte Zusammensetzungen sind die Legierungen 1 und 2, die in
Tabelle 2 angegeben sind.
| Tabelle 2 |
| Bestandteile Legierung 1 Legierung 2 |
| °/o |
| °/o |
| Chrom ............ 28 26 |
| Wolfram .......... 10 10 |
| Eisen ............. 12,5 12,5 |
| Kohlenstoff ....... 1,6 1,4 |
| Kobalt............ 10 10 |
| Molybdän . . . . . . . . . 5,3 10 |
| Silicium . . . . . . . . . . . 0,6 0,7 |
| Mangan .......... 0,4 0,2 |
| Nickel............ Rest Rest |
Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen und der bekannten handelsüblichen
Kobaltlegierung (Legierung A) sind in Tabelle 3 aufgeführt.
| Tabelle 3 |
| Mechanische Eigenschaften Legierung |
| 1 I 2 I A |
| Zugfestigkeit, kg/mm2. . 45,1 63,3 38,7 |
| Härte |
| Rockwell C-Härte |
| bei 21'C . . . . . . . . . 45 52 53 |
| Brinellhärte bei 427°C - 425 410 |
| Brinellhärte bei 538°C - 420 395 |
| Brinellhärte bei 649°C - 385 385 |
| Brinellhärte bei 760°C - 315 330 |
| Schlagbiegezähigkeit*, |
| mkg/cm2 . . . . . . . . . . . 0,4 bis 0,7 0,3 bis 0,4 |
| *) Ermittelt an einem ungekerbten Prüfstab (nach C h a r p
y) |
| mit den Abmessungen 1 - 1 - 5,5 cm. |
In der Figur sind die Brinellhärtewerte der neuen Legierung 2 in Abhängigkeit von
der Temperatur mit den entsprechenden Werten der bekannten handelsüblichen Legierungen
A und B graphisch verglichen. Es ist ersichtlich, daß die Nickellegierung gemäß
der Erfindung bei Raumtemperatur nahezu die gleiche Härte wie die bekannte Kobaltlegierung
A und bis etwa 650°C die gleichen Härteeigenschaften wie die Kobaltlegierung aufweist.
Zwischen 260 und 593'C ist die Härte der Nickellegierung gemäß der Erfindung sogar
etwas besser.
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Der Chromgehalt in der Legierung gemäß der Erfindung trägt zur Oxydationsbeständigkeit,
Festigkeit und Härte sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen
bei. Wolfram, Molybdän, Eisen und Kobalt erhöhen zusammen mit Chrom die Festigkeit
und Härte der Legierung und zwar hauptsächlich durch Bildung von Karbiden sowohl
der Typen M23C6 als auch M"C, wobei M Atome von Chrom, Kobalt, Molybdän, Wolfram
und Eisen bedeutet.
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Zu den Hartkarbidbestandteilen ist festzustellen, daß der Kohlenstoffgehalt
nicht stark von 0,8 bis 1,6"/, abweichen sollte. Kohlenstoff ist zwar wesentlich
in der Legierung, jedoch enthielten viele bekannte Legierungen höhere Kohlenstoffgehalte,
die für die Legierung gemäß der Erfindung nicht von Vorteil sein würden. In der
kritischen Zusammensetzung dieser Legierung würde ein Kohlenstoffgehalt von wesentlich
mehr als etwa 1,601, zur Folge haben, daß die Hartkarbidbestandteile im Feingefüge
vom Typ M23Cs und M6C zum Karbidtyp M7C3 übergehen. Zwar erhöht der Karbidtyp MIC3
den Verschleißwiderstand, jedoch verursacht seine Anwesenheit Versprödung der Legierung
und damit eine Verschlechterung der Schlagbiegezähigkeit. Ferner verändern höhere
Kohlenstoffgehalte den Charakter der Matrix der festen Lösung der Legierung und
bewirken eine Schwächung und Verschlechterung der Duktilität der Legierung.
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Mangan und Silicium können in der bevorzugten Zusammensetzung in geringeren
Mengen anwesend sein, die jedoch 2 bzw. 1,501, nicht übersteigen sollten.
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Es ist festzustellen, daß von den beiden bevorzugten Zusammensetzungen
(Tabelle 2) die Legierung 2 eine höhere Härte hat als die Legierung 1. Dies ist
auf den höheren Gehalt an Molybdän, das ein besonders wirksamer Härter ist, in der
Legierung 2 zurückzuführen.
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Die Nickel-Chrom-Legierung gemäß der Erfindung kann nach den üblichen
metallurgischen Verfahren hergestellt und in gegossener Form oder als Hartmetallauflage,
die durch Schweißen mit einem aus der Legierung hergestellten Schweißstab aufgetragen
wird, verwendet werden.
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Die Legierung gemäß der Erfindung kann für alle Zwecke, bei denen
Verschleiß- und Abriebfestigkeit erforderlich sind, verwendet werden und eignet
sich besonders als Werkstoff; zur Herstellung von Ventilsitzen für Verbrennungsmotoren.
Bei hoher Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit in Verbindung mit hoher Härte
bei hohen Temperaturen und guter Schlagbiegezähigkeit eignet sich die Legierung
für Dauerbetrieb als Ventilsitzringe, die der heißen, korrodierenden Atmosphäre,
wie sie in Verbrennungsmotoren vorhanden ist, ausgesetzt sind.
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Eine weitere wertvolle Eigenschaft der Legierung gemäß der Erfindung
ist die hohe thermische Stabilität. Aus der Legierung hergestellte Teile vermögen
längerer Einwirkung hoher Temperaturen ohne Änderung der Abmessungen oder Beeinträchtigung
der fehlerlosen Oberfläche zu widerstehen. Um diese Eigenschaft der Legierung zu
veranschaulichen, wurden Gußstücke der Zusammensetzung der Legierung 2 20 Stunden
einer Temperatur von 982°C ausgesetzt. Ebenfalls geprüft wurden gleiche Gußstücke,
die aus einer bekannten handelsüblichen Nickellegierung entsprechend Legierung B
hergestellt waren. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Die thermische Stabilität der Legierung gemäß der Erfindung wird auf die Größe und
Verteilung der Karbide im Feingefüge zurückgeführt.
| Tabelle 4 |
| Änderung der Maße und Rockwell-C-Härte nach 20stündiger Einwirkung
einer Temperatur von 982°C. |
| Maße Rockwell-C-Härte |
| Legierung Erhitzen Erhitzen Vor Nach Änderung Vor Nach |
| Erhitzen Erhitzen Änderung |
| mm mm mm |
| I |
| Gußstück aus Legierung 2 . . . . . . . . . . . . . 41,364 41,377
-f-0,013 51 bis 52 51 bis 52 0 |
| Gußstück aus Legierung B . . . . . . . . . . . . . |
| 41,351 41,377 -f-0,026 |
| 42 bis 43 45 bis 46 -f-3 |