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Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung Die Erfindung bezieht
sich auf die Verwendung titan- und aluminiumhaltiger Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen,
von denen bekannt ist, daß sie sich zur Herstellung hochwarmfester Gegenstände mit
guter Zeitstandfestigkeit eignen. Dabei hat man versucht, die Zeitstandfestigkeit
dieser Legierungen durch ,Änderung ihrer Zusammensetzung zu verbessern .und dadurch
die Verwendung der Legierungen bei höheren Temperaturen zu ermöglichen.
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So sind in der britischen Patentschrift 737 178
Legierungen
mit 4 bis 12 % Chrom, 3,5 bis 8 0/, Titan, 0,9 bis
5 % Aluminium bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 4,5 bis
10 0/" 0 bis 10 %
Kobalt, bis 0,20/, Zirkonium, bis
0,010/, Bor, bis 0,25 0/, Kohlenstoff, bis 10 0/, Eisen, bis
5 0/, Wolfram, bis 5 0/, Molybdän, bis 10/0 Mangan, bis
1,5 0/, Silizium, bis 10/0 Niob oder Tantal, Rest Nickel beschrieben,
die bis 750'C eine hohe Zeitstandfestigkeit besitzen.
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Des weiteren wurden mit der britischen Patentschrift 733 489
Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen mit 4 bis 12 0/, Chrom, 10 bis
55 0/, Kobalt, 0,5 bis 8 "/, Titan, 0,3 bis
8 0/, Aluminium, 0 bis 15 % Molybdän, 0 bis
0,5 0/0 Kohlenstoff, 0,001 bis 0,010/, Bor, 0,01 bis
2 0/0 Zirkonium, Rest Nickel vorgeschlagen, die bereits bis 850'C
und darüber eine gute Zeitstandfestigkeit besitzen.
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Aus der britischen Patentschrift 814 029 sind schließlich Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen
mit 7,5 bis 150/, Chrom, 5 bis 40"/, Kobalt, 7 bis
10,5010 Titan und Aluminium bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von
0,6 bis 1,4, 0,005 bis 0,1 "/, Bor, 0,05 bis
0,5 0/, Kohlenstoff, 0 bis 15 0/, Molybdän, 0 bis 0,80/0
Silizium, 0 bis 10/0 Mangan, 0 bis 100/0 Eisen, 0 bis 0,2
0/0 Zirkonium, Rest Nickel bekannt, die sich bei guter Zeitstandfestigkeit
bis zu Temperaturen von 980'C im gegossenen Zustand unter anderem für Turbinenschaufeln
verwenden lassen. In die vorgenannten Gehaltsgrenzen fallen, abgesehen davon, daß
sie auch kobaltfrei sein können, im wesentlichen auch die aus der australischen
Patentschrift 166 814 bekannten Legierungen, die eine gute Zeitstandfestigkeit
bei 870'C besitzen.
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Aus dem Stande der Technik ergibt sich, daß die Zeitstandfestigkeit
durch eine Erhöhung des Kobaltgehalts verbessert werden kann. So ergibt sich aus
der britischen Patentschrift 733 489, daß eine Legierung mit 20 0/, Kobalt
bei 870'C unter einer Belastung von 14,2 kg/MM2 eine längere Standzeit besitzt
als eine gleiche Legierung mit nur 100/, Kobalt. Darüber hinaus ergibt sich
aus der britischen Patentschrift 814 029, daß bei Betriebstemperaturen von
980'C der Kobaltgehalt vorzugsweise 15 bis 200/0 beträgt. Ausgehend
von dem sich aus vorstehendem ergebenden Stand der Technik bestand die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe darin, den Aufbau der an sich bekannten Legierungen so
zu gestalten, daß sie auch für Zwecke verwendet werden können, die bei
1000'C übersteigenden Temperaturen noch eine gute Zeitstandfestigkeit erfordern.
Derartige Betriebstemperaturen sind heute bei Hochleistungsturbinen durchaus zu
erreichen, doch sind die bekannten Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen den sich aus
einer so hohen Betriebstemperatur ergebenden Belastungen nicht mehr gewachsen. Dabei
betrachtet man eine Standzeit von mindestens 100 Stunden unter einer Belastung
von 11 kg/mm2 bei einer Temperatur von 1020'C als Kriterium für die
Eignung eines Werkstoffs, der Betriebstemperaturen von 1000'C
aushalten soll.
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Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die bekannten Legierungen
dann im Gußzustand eine hohe Standfestigkeit bei einer Temperatur von
1020'C besitzen, wenn die Summe ihres Titan- und Aluminiumgehalts sowohl
auf das Verhältnis von Titan zu Aluminium als auch auf den Gehalt der Legierung
an Chrom und Molybd.än abgestimmt ist.
Ist diese Bedingung erfüllt,
so. hängt die Zeitstandfestigkeit der Legierung in hohem Maße von ihrem Kobaltgehalt
ab, wobei sich entgegen der bisherigen Auffassung bei 5 bis 13 0/()
Kobalt die besten Eigenschaften ergeben, bei höheren Kobaltgehalten jedoch die Zeitstandfestigkeit
bei 1020'C sehr rasch' abnimmt.
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Erfindungsgemäß wird daher die Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobait-Legierung
mit 8 bis 10,9 0/, Chrom, 5 bis 130/, lobilt, 2,5-bis
6,20/, Molybdän, 0,05 bis 0,5 0/, Zirkonium, 0,03 bis
0,3 l)/, Kohlenstoff, 0,005 bis 0.05010 Bor, 6,6 bis
11,501, Aluminium und Titan bei einem Titan-Alumin ium-Verhältnis von 0,2:
1
bis 1,5: 1, Rest Nickel einschließlich Verunreinigungen mit der Maßgabe
vorgeschlagen, daß irn Bereich des Titan- Aluniinium-Verhältnisses 0,7
< < 1,5 der Gesamtgehalt (l)/OAI + O/Ji) und der
Molybdängehalt der Legierung in der Fläche A B C D nach F i
g. 1 liegen und daß irn -Bereich des Titan-Aluminium-Verhältnisses 0,2
< -
< 0,7 die Beziehung
Arfüllt ist und daß f6iner der Chromgehalt und der Molybdängehalt der Legierung
so aufeinander abge-stimmt sind, daß sich Legierungen ergeben, die innerhalb
der Fläche I J KL nach F i g. 2 liegen.
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Die Verunreinigungen, beispielsweise Eisen, Silizium und Mangan, sollen
so niedrig wie möglich liegen und 3 0/0 nicht übersteigen. Zweckmäßigerweise
beträgt der Eisengehalt höchstens 0,5 0/" der Siliziumgehalt höchstens
0,3 0/, und der Mangangehalt höchstens 0,311/0.
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Wird bei -im übrigen unveränderter Zusammen-
setzung und unverändertem
Verhältnis von Titan zu Aluminium der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium auf Kosten
des Nickelgehalts ständig erhöht, dann erhöht sich die Standzeit bei 1020'C
bis
zu einem Maximalwert, fällt jedoch anschließend wieder ab. Bei Legierungen, deren
Molybdärtgehalt im Bereich von 2,5 bis 60/,) ständig gesteigert wurde, zeigte
sich, -daß die maximale Standzeit bei fallenden Werten des Gesamtg#halts (Ti
+ Al) auftritt. Weiterhin w urde festgestellt, daß die besten Standzeiten
e.
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msow b it auch vom -Molybdängehalt abhängen, als sich ei einem
Molybdängehalt zwischen 2,5 und -6,20/, ein Maximum. ergibt und außerhalb
dieser Grenzen ein steiler'Abfall der Standzeit festzustellen ist. Bei den Legierungen
nach der Erfindung sind deshalb der Aluminium- und Titangehalt in der vorerwähnten
Weise auf den Molybdängehalt abgestimmt.
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In Fli i g. 1 der Zeichnung sind als Ordinate der Gesamtge
alt C/Ji + -0/OAI) und als Abszisse der Molybdängehalt aufgetragen. Im Bereich
obengenannter Titan-Aluminium-Verhältnisse soll, wie F i g. 1
zeigt, bei einem
Molybdängehalt von 6,20/, der Gesamtgehalt (Ti+AI) mindestens 8,40/, betragen. Es
wurde festgestellt, daß bei - kleinerem Titan-Alunünium-Verhältnis zwischen
0,2:1 und 0,7:1 außer dem Gesamtgehalt (Ti + Al) und dem Molybdängehalt
auch noch das Titan-Aluminium-Verhältnis als Einflußgröße hinzukommt. Deshalb ist
in diesem unteren Titan-Aluminium-Bereich der Gesamtgehalt (Ti + Al) so einzurichten,
daß sich sein Zahlenwert in dem sich aus der obigen Gleichung ergebenden Bereich
bewegt.
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Der Einfluß einer -Veränderung des Titan-Aluminium-Verhältnisses ist
in F i g. 3 der Zeichnung dargestellt mit dem Titangehalt als Ordinate und
dem Aluminiumgehalt als Abszisse. Die in das Diagramm eingetragenen Punkte gehen
auf eine große Anzahl von Legierungen zurück, von denen jede außer Titan und Aluminium
0,1-00/, Kohlenstoff, 100/0 Chrom. 10 0/, Kobalt, 4 0/, Molybdän, 0,10/,
Zirkon, 0,01
Bor und im Rest außer Verunreinigungen Nickel enthielt. Die neben
-i den Punkten stehenden Zahlen sind die an gegossenen, nicht warmbehandelten stabförmigen
Proben bei einer Belastung von 11 kg/nim2 und 1020'C gemessenen Standzeiten.
Die äußere und die innere Kurve zeigen die Grenzen auf, in denen Standzeiten von
mindestens 10 bzw. 60 Stunden gewährleistet sind. Die Geraden YQ,
UR und TS kennzeichnen die Titan-Alunimlium-Verhältnisse 1,5, 0,7
und
0,2. Die geschlossene Kurve Q B S T U V
Q
offenbart, eine Legierung nach der Erfindung mit einer besonders vorteilhaften
-Zusammensetzung.,Wie man 'sieht, besitzen nahezu alle Legierungen innerhalb der
von dem Linienzug Q R S TU V Q
um andeten Fläche Standzeiten über 100 Stunden, während alle außerhalb
dieser Fläche -liegenden Legierungen mit Titan-Aluminium-Verhältniss en über
1,5 und unter 0,2 sowie Legierungen nuit einem Gesamtgehalt (Ti + Al) außerhalb
der erfindutigsgemäßen Grenzen kürzere Standzeiten aufweisen.
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Bei steigendem Molybdängehalt bewegt sich die Fläche Q
R S T U V mit der höchsten Standzeit -zum
Koordinatenursprung des Diagramms hin> während sie sich bei abnehmendem Molybdängehalt
-vom Koordinatenursprung entfernt.
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Der Einfluß des Molybdängehalts auf das Zeitstandverhalten von Legierungen
mit optimalem Gesamtgehalt (Ti
+ Al) ist für verschiedene Molybdängehalte
in nachfolgender Tafel
1 gezeigt. Die Zeitstandversuche wurden bei einer
Belastung von
11 kg/nini#2, einer Temperatur von
1020'C und einem
Titan-Aluminium-Verhältnis von
1:1 an Legierungen ermittelt, die außer Molybdän
100/, Chrom, 100/0 Kobalt,
0,1 "/, Kohlenstoff, 0,10/, Zirkon,
0,01 "/, Bor und als Rest Nickel enthielten.
| Tafel 1 |
| Legierung Mo Ti + Al Standzeit
Dehnung |
| (O/o) (0/0) (Stunden (0/0) |
| 1 2 11 42 > 4,2 |
| 2 4 10 232 6,7 |
| 3 5 9,5 165 3,0 |
| 4 7 8,5 110 >2,1 |
Die Legierungen 2 und
3 entsprechen der Erfindung, während die Legierungen
1 und 4 Vergleichslegierungen sind.
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Der Chromgehalt der Legierungen beeinflußt sowohl den Aufbau der Legierung,
bei dem sich die besten Standzeiten bei 1020'C ergeben, als auch den Zahlenwert
der Standzeit selbst. Mit steigendem Chromgehalt nimmt der eine optimale Standzeit
bei 1020'C
ergebende Molybdängehalt ab. Deshalb sind erfindungsgemäß
der Chromgehalt und der Molybdängehalt so aufeinander abzustimmen, daß sie in der
Fläche I J K L nach F i g. 2 der Zeichnung liegen, bei der
als Ordinate der Chromgehalt und als Abszisse der Molybdängehalt aufgetragen ist.
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Vorzugsweise soll der Chromgehalt der Legierung mindestens
9 % betragen. Die Legierungen sollen dabei Chrom- und Molybdängehalte aufweisen,
die in der Fläche M N 0 P der F i g. 2 liegen.
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Der Einfluß des Chromgehalts bei Legierungen mit optimalem Gesamtgehalt
(Ti + Al) und Molybdän ist in Tafel 2 gezeigt. Die Versuchsbedingungen und die Zusammensetzung
der Legierungen stimmen, abgesehen vom Chromgehalt, mit den der Tafel
1
zugrunde liegenden Angaben überein.
| Tafel 2 |
| Legie- |
| Cr MO |
| Ti + Al |
| Standzeit Dehnung |
| rung (Oh) (0/0) (O/o) (Stunden) |
| (l/o) |
| 5 15 2 1 93 >4,9 |
| 2 10 4 10 232 6,7 |
| 6 5 8 9 5 160 2,6 |
Die Legierungen
5 und
6 liegen außerhalb der Erfindung. Die Ergebnisse
zeigen, daß die Standzeit sehr steil abfällt, wenn der Chromgehalt zu hoch liegt.
Chromgehalte unter
8 0/, ergeben zwar noch befriedigende Standzeiten, jedoch
ist die Beständigkeit gegen Oxydation und. Sulfidation sehr gering.
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Beim Ersatz von Nickel durch Kobalt ist kein merklicher Einfluß auf
die das beste Zeitstandverhalten bei 1020'C ergebende, hinsichtlich der übrigen
Bestandteile optimale Zusammensetzung festzustellen. Kobalt kann aber die beim Zeitstandversuch
sich ergebenden Zahlenwerte noch steigern. Das ist in dem Diagramm nach F i
g. 4 gezeigt, dessen Abszisse den Kobaltgehalt und dessen Ordinate die in
Stunden gemessene Standzeit bei einer Belastung von 11 kg/mm 2 und
1020'C angeben. Die Legierungen enthielten neben Kobalt 10 0/, Chrom,
4 0/0 Molybdän, 5 0/, Titan, 501, Aluminium, 0,10/, Kohlenstoff,
0,10/, Zirkon, 0,010/, Bor, Rest Nickel neben Verunreinigungen.
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Die Legierungen nach der Erfindung sollen vorzugsweise 9 bis
12 l)/" beispielsweise 9 bis 110/, Kobalt enthalten. Der Kohlenstoffgehalt
der Legierungen beträgt zweckmäßig 0,05 bis 0,25 0/" der Zirkoniumgehalt
höchstens 0,200/, und der Borgehalt nicht mehr als 0,025 0/,.
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Eine Legierung A, die zur Verwendung im Gußzustand besonders
geeignet ist, hatte folgende Zusammensetzung: 10 l)/, Chrom, 10 0/,
Kobalt, 4 0/, Molybdän, 5 0/, Titan, 5 0/0 Aluminium, 0,10/0 Kohlenstoff,
0,10/, Zirkon, 0,010/, Bor und als Rest Nickel einschließlich Verunreinigungen.
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Gegossene Proben dieser Zusamm nsetzung ergaben eine Standzeit von
über 200 Stunden bei einer Belastung von 11 kg/mm2 und einer Dehnung von
5 bis 101)/,). Die an Proben von 1,14 cm Durchmesser ermittelte Schlagzähigkeit
betrug 4,8 mkg/cm2 bei 900'C, während die Kerbschlagzähigkeit nach
C h a r p y bei 900'C 1,25 mkg/cm2 ergab.
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Eine andere sehr vorteilhafte Legierung B hatte folgende Zusammensetzung:
10 0/, Chrom, 10 11/0 Kobalt, 4 0/, Molybdän, 2,5 0/0 Titan,
6,5 bis 7 0/, Aluminium, 0,10/, Kohlenstoff, 0,10/0 Zirkon,
0,010/,
Bor und als Rest Nickel einschließlich Verunreintgungen.
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Proben aus der gegossenen Legierung vorstehender Zusammensetzung besaßen
eine Standzeit von über 170 Stunden und eine Dehnung von 9 0/,) bei
eine#r Belastung von 11 kg/mm2 und 1020'C. Bei 1050'C
und einer
Belastung von 9,4 kg/mm' betrug die Standzeit etwa 100 Stunden und die Dehnung
etwa 10 0/,.
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Die Legierungen nach der Erfindung können an Luft geschmolzen werden.
Vorzugsweise sollten sie jedoch im Vakuum erschmolzen werden. In beiden Fällen empfiehlt
es sich, die Legierungen in geschmolzenem Zustand vor dem Guß einer Vakuumfeinujig
im Hochvakuum zu unterziehen. Zweckmäßig wird die Schmelze dabei mindestens
15 Minuten lang, vorzugsweise 60 Minuten oder mehr, bei einer Temperatur
zwischen 1400 und 1600'C einem Druck von höchstens 100 Mikron, vorzugsweise
von höchstens 5 Mikron, ausgesetzt, wobei die Dauer der Behandlung vom Reinheitsgrad
der Zusätze abhängt.
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Für die Herstellung kleiner Gußstücke, beispi.eigweise von Turbinenläufern
oder von Proben für Zeitstandversuche, empfiehlt es sich, die Legierungen unter
Vakuum zu vergießen. Bei der Herstellung, großer Gußstücke aus einer Schmelze, die
im Vakuu, m,' erzeugt oder gefeint wurde, ergeben sich beim Vpt gießen im Vakuum,
in Schutzgas oder an Luft nur geringe Unterschiede in den Werkstoffeigenschaften.
Alle vorstehend behandelten und in die Diagramme eingetragenen Ergebnisse der Zeitstandversuche
wurden an Proben aus Gußstücken gewonnen, die im Vakuum erschmolzen, dann im Vakuum
mindestens 15 Minuten lang bei 1500'C und bei einem Druck von weniger
als 1 Mikron gefeint und ün Vakuum vergossen wurden.
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Aus den Legierungen gegossene Gegenstände können im Gußzustand bei
hohen Betriebstemperaturen verwendet werden, beispielsweise als Läuferschaufeln.
von Gasturbinen. Durch eine nachfolgende Wärmebehandlung wird eine nennenswerte
Verbesserung der Eigenschaften nicht erzielt.
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Nach einem Lösungsglühen und Altern zeigen die Legierungen auch ini
geschmiedeten Zustand ein gutes Zeitstandverhalten. Im allgemeinen sollte das Lösungsglühen
1 bis 3 Stunden lang im Temperaturbereich von 1150 bis
1250'C vorgenommen werden. Ein Glühen bei diesen Temperaturen, das länger
als 3 Stunden dauert, führt zu übermäßigem Kornwachstum. Eine obere Grenze
der Glühtemperaturen ist durch die Solidus-Temperatur der Legierungen bestimmt.
Bei Legierungen mit einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von etwa
10 0/, findet das Lösungsglühen vorzugsweise bei 1225'C statt. Mit zunehmendem
Gesamtgehalt an Titan und Aluminium steigt die zum Lösen der gesamten primären Gammaphase
erforderliche Temperatur an. Bei einem Gesamtgehalt über 11,5 0/,) ist es
nicht möglich, die gesamte Gammaphase bei einer unter der Solidus-Linie liegenden
Temperatur in Lösung zu bringen. Das hat zur Folge, daß sich das Zeitstandverhalten
der Legierung nach dem Aushärten verschlechtert. Die Zeitstandfestigkeiten werden
nach einem Aushärten auch beeinträchtigt, wenn der (Ti + Al)-Gehalt weniger
als 100/, beträgt, ähnlich wie das bei gegossenen Legierungen der Fall ist.
Vorzugsweise findet das Aushärten durch 1- bis 24stündiges Glühen im Temperaturbereich
von 900 bis 1100'C statt. Die Glühzeit ist mit zunehmender Glühtemperatur
zu erniedrigen und mit
zunehmendem Querschnitt zu erhöhen. Während
des Aushärtens kann die Temperatur im angegebenen Bereich geändert werden. Das Aushärten
kann auch ,so durchgeführt werden, daß man die Legierung von der Temperatur des
Lösungsglühens langsam, vor--zugsweise mit 2 bis 3'C pro Minute, auf 1150
oder 1100'C oder auch darunter abkühlt, beispielsweise in dem Glühofen.
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Die Probe einer geschmiedeten Legierung mit 0,10/, Kohlenstoff,
10 0/, Chrom, 10 % Kobalt, 3,5 "/, Molybdän, 5 0/, Titan,
5 0/0 Aluminium, 0,10/, Zirkon, 0,010/() Bor und als Rest Nickel nebst Verunreinigungen
besaß beispielsweise eine Standzeit von 58 Stunden bei einer Belastung von
11 kg/mrn2 und 1020'C. Sie war einer Warmbehandlung unterzogen worden,
die aus einem 112 Stunde dauernden Lösungsglühen bei 1250'C
bestand, dem ein
6ständiges Aushärten bei 1000'C folgte. Ähnliche Eigenschaften werden erzielt, wenn
.die Legierung nach dem Lösungsglühen im Ofen bis auf beispielsweise 1150'C
oder 1100'C langsam abgekühlt wird.
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Trotz ihrer geringen Chromgehalte weisen die Legierungen nach der
Erfindung eine bemerkenswerte gute Beständigkeit gegen Oxydation bei hohen Tem--peraturen
auf. So ergab sich an einer Probe der Legierung A nach einem 100stündigen
Glühen bei 1000'C an Luft ein Gewichtsverlust von nur 2,04 Miffigramm
je Quadratzentimeter ihrer Oberfläche. Trotzdem empeehlt es sich, bei Gebrauchstemperaturen
über 1000'C und den z. B. in Gasturbinen herrschenden Bedingungen, unter
denen das Material durch Oxydation und Schwefel angegriffen wird, die Gegenstände
mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus Aluminium, zu versehen.