DE1231907B - Use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy for objects with high impact strength - Google Patents
Use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy for objects with high impact strengthInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. CL:Int. CL:
C22cC22c
Deutsche Kl.: 40 b -19/04 German class: 40 b - 19/04
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Auslegetag:Number:
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Display day:
1231907
J21225VI a/40b
29. Januar 1962
5. Januar 19671231907
J21225VI a / 40b
January 29, 1962
5th January 1967
Durch die deutsche Auslegeschrift 1 217 627 ist die Verwendung einer gekneteten und gealterten Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit 10 bis 20% Kobalt, 11 bis 16% Chrom, 1,5 bis 7% Molybdän, 0,1 bis 0,2 % Kohlenstoff, 0,01 bis 0,1 % Zirkonium, 0,005 bis 0,05 % Bor, 6,3 bis 14,2% (Al + Ti) im Verhältnis 0,7 < Ti: Al < 1,0, Rest Nickel mit der Maßgabe vorgeschlagen worden, daß der Gesamtgehalt der Legierung an Aluminium plus Titan auf den Chrom- und den Molybdängehalt der Legierung gemäß folgender Beziehung abgestimmt ist:The German Auslegeschrift 1 217 627 specifies the use of a kneaded and aged nickel-chromium-cobalt alloy with 10 to 20% cobalt, 11 to 16% chromium, 1.5 to 7% molybdenum, 0.1 to 0.2% carbon, 0.01 to 0.1% zirconium, 0.005 up to 0.05% boron, 6.3 to 14.2% (Al + Ti) in the ratio 0.7 <Ti: Al <1.0, the remainder nickel, with the proviso that the total content of the Alloy of aluminum plus titanium according to the chromium and molybdenum content of the alloy the following relationship is coordinated:
(%Mo) - [0,15 (%Cr) - 2,7] - 0,9 (%Cr) + 23,5(% Mo) - [0.15 (% Cr) - 2.7] - 0.9 (% Cr) + 23.5
< (%A1) + (»/„TO<(% A1) + (»/" TO
< (0I0Mo) - [0,15 - (%Cr) - 2,7] - 0,9 (%Cr) + 25,6.< ( 0 I 0 Mo) - [0.15 - (% Cr) - 2.7] - 0.9 (% Cr) + 25.6.
Diese Legierungen eignen sich besonders für Zwecke, bei denen eine Lebensdauer im Zeitstandversuch bei 1000° C und 11 kg/mm2 Belastung von mindestens 50 Stunden erforderlich ist.These alloys are particularly suitable for purposes in which a service life in the creep test at 1000 ° C and 11 kg / mm 2 load of at least 50 hours is required.
Aus der britischen Patentschrift 814 029 ist bereits eine warmfeste und korrosionsbeständige Legierung mit 7,5 bis 15% Chrom, 5 bis 40% Kobalt, 7 bis 10,5 % Titan plus 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 % Kohlenstoff, 0 bis 15% Molybdän, 0 bis 0,8% Silizium, 0 bis 1% Mangan, 0 bis 10% Eisen, 0 bis 0,2% Zirkonium, Rest Nickel bekannt, die als Werkstoff zum Herstellen von Gußstücken geeignet ist. Des weiteren ist aus der britischen Patentschrift 733 489 eine ähnliche Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung bekannt, die aushärtbar ist und deren Gesamtgehalt an Aluminium und Titan im Hinblick auf eine gute Schmiedbarkeit bei Abwesenheit von Molybdän 8% nicht übersteigen darf. Bei einem Molybdängehalt von beispielsweise 5% darf der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan dagegen 7% nicht übersteigen.British patent specification 814 029 already discloses a heat-resistant and corrosion-resistant alloy with 7.5 to 15% chromium, 5 to 40% cobalt, 7 to 10.5% titanium plus aluminum at a ratio of Titanium to aluminum from 0.6 to 1.4, 0.005 to 0.1% boron, 0.05 to 0.5% carbon, 0 to 15% molybdenum, 0 to 0.8% silicon, 0 to 1% manganese, 0 to 10% iron, 0 to 0.2% zirconium, remainder nickel known, which is suitable as a material for the production of castings. Furthermore is from the British patent specification 733 489 a similar nickel-chromium-cobalt alloy known which is hardenable and whose Total aluminum and titanium content for good forgeability in the absence of Molybdenum must not exceed 8%. With a molybdenum content of 5%, for example, the In contrast, the total aluminum and titanium content does not exceed 7%.
Aus der britischen Patentschrift 715 140 ist schließlich noch eine bei hohen Temperaturen korrosionsbeständige und eine gute Zeitstandfestigkeit besitzende Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung bekannt, die aus 10 bis 25% Chrom, 1,8 bis 4,0% Titan, 0,5 bis 4% Aluminium, 0 bis 25% Kobalt, 0 bis 10% Eisen und 0,03 bis 0,15% Kohlenstoff je nach Kobaltgehalt, Rest Nickel besteht. Diese bekannte Legierung kann auch noch bis 1% Silizium, bis 2% Kupfer, bis 10% Molybdän, bis 10% Wolfram, bis 5% Niob und/oder Tantal und/oder Vanadin, bis 0,3 % Zirkonium und bis 0,05% Bor enthalten.Finally, from British patent specification 715 140, another is corrosion-resistant at high temperatures and nickel-chromium-cobalt alloy, which has good creep rupture strength, are known from 10 to 25% chromium, 1.8 to 4.0% titanium, 0.5 to 4% aluminum, 0 to 25% cobalt, 0 to 10% iron and 0.03 to 0.15% carbon depending on the cobalt content, the remainder being nickel. This known alloy can also up to 1% silicon, up to 2% copper, up to 10% molybdenum, up to 10% tungsten, up to 5% niobium and / or Contains tantalum and / or vanadium, up to 0.3% zirconium and up to 0.05% boron.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die Legierung nach der Hauptpatent-Verwendung
einer gekneteten und gealterten
Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung für Gegenstände mit hoher KerbschlagzähigkeitThe object on which the invention is based now consists in the alloy according to the main patent use of a kneaded and aged
Nickel-chromium-cobalt alloy for objects with high impact strength
Zusatz zur Anmeldung: M 45708 VI a/40 b —
Auslegeschrift 1217 627Addition to registration: M 45708 VI a / 40 b -
Interpretation document 1217 627
Anmelder:Applicant:
International Nickel Limited, LondonInternational Nickel Limited, London
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. G. EichenbergDr.-Ing. G. Eichenberg
und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. H. Sauerland, patent attorneys,
Düsseldorf, Cecilienallee 76Düsseldorf, Cecilienallee 76
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Ernest James Bradbury, Solihull, WarwickshireErnest James Bradbury, Solihull, Warwickshire
(Großbritannien)(Great Britain)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Großbritannien vom 30. Januar 1961 (3533)Great Britain January 30, 1961 (3533)
anmeldung weiterhin zu verbessern und insbesondere ihre Kerbschlagzähigkeit ohne Beeinträchtigung der Zeitstandfestigkeit zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird dazu der Kohlenstoffgehalt der Legierung auf unter 0,1%, vorzugsweise auf unter 0,08 oder 0,05% verringert. Kohlenstofffreie Legierungen lassen sich praktisch nicht erzeugen, so daß der Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,005 bis 0,01 % liegen sollte.registration continues to improve and in particular its notched impact strength without impairing the To increase creep rupture strength. According to the invention, the carbon content of the alloy is below 0.1%, preferably below 0.08 or 0.05%. Carbon-free alloys can be practically do not produce, so that the carbon content should be in the range of 0.005 to 0.01%.
Es wurde festgestellt, daß durch die Verringerung des Kohlenstoffgehaltes die Kerbschlagzähigkeit der Legierungen nach der Hauptpatentanmeldung bei hohen Temperaturen ohne Beeinträchtigung der Zeitstandfestigkeit im Temperaturbereich von 900 bis 1000°C erheblich erhöht werden kann. Dies war insofern überraschend, als man auf Grund früherer Versuche mit Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen der Auffassung war, daß im Hinblick auf eine angemessene Zeitstandfestigkeit und Verformbarkeit bei hohen Temperaturen ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,1 % erforderlich ist.It was found that by reducing the carbon content, the impact strength of the Alloys according to the main patent application at high temperatures without impairing the creep strength can be increased considerably in the temperature range from 900 to 1000 ° C. This was so Surprisingly, when based on previous experiments with nickel-chromium-cobalt alloys the It was believed that in view of adequate creep rupture strength and deformability at high Temperatures a carbon content of at least 0.1% is required.
So nahmen die Standzeit und die Dehnung bei einer Versuchsreihe mit einer bekannten Legierung, die 18,7% Chrom, 16,0% Kobalt, 2,6% Titan, 1,3%So the service life and the elongation decreased in a series of tests with a known alloy, the 18.7% chromium, 16.0% cobalt, 2.6% titanium, 1.3%
609 750/351609 750/351
Aluminium, 0,003 % Bor und 0,05 % Zirkonium enthielt, dann ab, wenn der Kohlenstoffgehalt entsprechend den Werten der Tabelle I verringert wurde. Alle Legierungen wurden vor dem Zeitstandversuch einem 8stündigen Lösungsglühen bei 10800C mit nachfolgender Luftabkühlung und 16stündigem Aushärten bei 7000C unterzogen. Die Versuche wurden unter einer Belastung von 33 kg/mm2 bei 750° C durchgeführt.Aluminum, 0.003% boron and 0.05% zirconium, when the carbon content was reduced according to the values in Table I. Before the creep test, all alloys were subjected to an 8-hour solution heat treatment at 1080 ° C. with subsequent air cooling and 16-hour hardening at 700 ° C. The tests were carried out under a load of 33 kg / mm 2 at 750 ° C.
%Carbon content
%
StundenService life
hours
%strain
%
0,09
0,030.15
0.09
0.03
132
35222
132
35
4,2
1,94.6
4.2
1.9
Die Kerbschlagzähigkeit bei hohen Temperaturen ist von erheblicher Bedeutung, wenn die Legierungen zur Herstellung von Rotorschaufeln für Gasturbinen verwendet werden sollen. Dabei besteht die Gefahr, daß die Schaufel mit dem Turbinengehäuse oder mit Fremdkörpern, die das Gehäuse durchqueren, in Berührung kommt. Eine erhöhte Kerbschlagzähigkeit ist deshalb sehr vorteilhaft.Notched impact strength at high temperatures is of considerable concern when using the alloys to be used for the manufacture of rotor blades for gas turbines. There is a risk that the blade with the turbine housing or with foreign bodies passing through the housing in Touch comes. An increased notched impact strength is therefore very advantageous.
Die Legierungen nach der Erfindung enthalten vorzugsweise 14,2 bis 15,8% Chrom, 14 bis 20% Kobalt,
3,5 bis 5,5% Molybdän, 3 bis 4,6% Titan und 4 bis 5,4% Aluminium, wobei die Summe des Titan- und
Aluminiumgehaltes zwischen 7,75 und 9,5 % liegt und das Titan-Aluminium-Verhältnis 0,7:1 bis 1:1 beträgt,
0,01 bis 0,2% Zirkonium, 0,005 bis 0,05% Bor, Rest Nickel einschließlich Verunreinigungen. Die als
Verunreinigungen vorliegenden Gehalte an Silizium, Mangan und Eisen sollten so gering wie möglich sein.
Zweckmäßigerweise sollte sowohl der Silizium- als auch der Mangangehalt 0,5% nicht überschreiten und
der Eisengehalt höchstens 1% betragen.
S Vorteilhafterweise besteht die erfmdungsgemäße Legierung aus 0,005 bis 0,1 % Kohlenstoff, 14,2 bis
15,8% Chrom, 14 bis 16% Kobalt. 3,5 bis 4,5% Molybdän, 3 bis 4,1% Titan und von 4 bis 5,1%
Aluminium, wobei die Summe des Titan- und desThe alloys according to the invention preferably contain 14.2 to 15.8% chromium, 14 to 20% cobalt, 3.5 to 5.5% molybdenum, 3 to 4.6% titanium and 4 to 5.4% aluminum, with the sum of the titanium and aluminum content is between 7.75 and 9.5% and the titanium-aluminum ratio is 0.7: 1 to 1: 1, 0.01 to 0.2% zirconium, 0.005 to 0.05 % Boron, the remainder nickel including impurities. The contents of silicon, manganese and iron present as impurities should be as low as possible. Appropriately, both the silicon and the manganese content should not exceed 0.5% and the iron content should not exceed 1%.
The alloy according to the invention advantageously consists of 0.005 to 0.1% carbon, 14.2 to 15.8% chromium, 14 to 16% cobalt. 3.5 to 4.5% molybdenum, 3 to 4.1% titanium and from 4 to 5.1% aluminum, the sum of the titanium and the
ίο Aluminiumgehaltes zwischen 8,2% und 8,7% liegt und das Titan-Aluminium-Verhältnis 0,7:1 bis 1:1 beträgt, 0,01 bis 0,1% Zirkonium, 0,005 bis 0,02% Bor, Rest Nickel einschließlich Verunreinigungen.ίο the aluminum content is between 8.2% and 8.7% and the titanium-aluminum ratio 0.7: 1 to 1: 1 0.01 to 0.1% zirconium, 0.005 to 0.02% boron, the remainder nickel including impurities.
Vorzugsweise werden die Legierungen im Hochvakuum, beispielsweise bei ungfähr 10~3Torr, geschmolzen und gegebenenfalls auch vergossen.The alloys are preferably melted in a high vacuum, for example at approximately 10 -3 Torr, and, if necessary, also cast.
Unabhängig davon, ob die Legierungen vakuumerschmolzen sind oder nicht, ist es vorteilhaft, sie einer Vakuumfeinung zu unterziehen, indem sie in geschmolzenem Zustand mindestens 5 Minuten lang unter Vakuum gehalten werden. Eine brauchbare Vakuumfeinung besteht darin, daß die Schmelze bei 15000C unter einem Druck von höchstens 2 · 10-1 Torr 90 Minuten lang gehalten wird.Regardless of whether the alloys are vacuum melted or not, it is advantageous to vacuum refine them by keeping them in the molten state under vacuum for at least 5 minutes. A useful Vakuumfeinung is that the melt at 1500 0 C under a pressure of not more than 2 x 10- 1 Torr is maintained for 90 minutes.
Die Legierungen sind insbesondere zur Verwendung in geschmiedetem Zustand brauchbar.The alloys are particularly useful for as-wrought use.
Die verbesserte Kerbschlagzähigkeit einer erfindungsgemäßen Legierung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt im Vergleich zu ähnlichen Legierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt werden an nachstehender Untersuchung gezeigt.The improved impact strength of a low carbon alloy according to the invention Compared to similar high carbon alloys, the following Investigation shown.
Es wurden zwei Legierungen der in nachfolgender Tabelle II angegebenen Zusammensetzung hergestellt. Der Rest besteht jeweils aus Eisen und Verunreinigungen. Two alloys with the composition given in Table II below were produced. The rest consists of iron and impurities.
Nr.alloy
No.
21
2
0,140.06
0.14
14,713.9
14.7
14,715.2
14.7
3,453.7
3.45
3,933.9
3.93
4,985.15
4.98
0,0350.03
0.035
0,0160.019
0.016
Von beiden Legierungen wurden aus geschmiedeten Stangen Proben hergestellt, die bei 12000C geglüht, in Luft abgekühlt, erneut 6 Stunden bei 10500C geglüht und anschließend wiederum in Luft abgekühlt wurden. Die LegierungNr. 1 besaß bei 900° C eine Kerb-Schlagzähigkeit (Charpy-V-Probe) von 0,76 mkg/cm2 vergleichsweise zu einem Wert von 0,56 mkg/cm2 für die Legierung Nr. 2. Bei einem Zeitstandversuch bei 980° C unter einer Belastung von 11 kg/mm2 trat der Bruch bei der Legierung Nr. 1 nach 186 Stunden ein, und die Dehnung betrug 6%. Demgegenüber besaß die Legierung Nr. 2 eine Standzeit von 161 Stunden und eine Dehnung von 9 %.Samples of both alloys were produced from forged bars, which were annealed at 1200 ° C., cooled in air, annealed again for 6 hours at 1050 ° C. and then again cooled in air. The alloy no. 1 had a notched impact strength (Charpy V sample) of 0.76 mkg / cm 2 at 900 ° C., compared to a value of 0.56 mkg / cm 2 for alloy no. 2. In a creep test at 980 ° C under a load of 11 kg / mm 2 , Alloy No. 1 broke after 186 hours, and the elongation was 6%. In contrast, alloy No. 2 had a service life of 161 hours and an elongation of 9%.
Bei anderer Wärmebehandlung lassen sich noch bessere Werte erreichen. Dementsprechend wurden Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzung in der nachfolgenden Tabelle III angegeben ist. Der Rest besteht jeweils aus Eisen und Verunreinigungen.Even better values can be achieved with other heat treatments. Accordingly, were Alloys produced, the composition of which is given in Table III below. Of the The rest consists of iron and impurities.
Nr.alloy
No.
Die Legierungen sind paarweise miteinander zu vergleichen, z. B. Nr. 3 mit Nr. 4 usw. Die Legierungen mit ungerader Nummer entsprechen der Erfindung, während die Legierungen mit gerader Nummer der deutschen Auslegeschrift 1 217 627 entsprechen. Die nach der Wärmebehandlung erhaltenen Werte sind in der nachfolgenden Tabelle IV angeführt.The alloys are to be compared with one another in pairs, e.g. B. No. 3 with No. 4 etc. The alloys with an odd number correspond to the invention, while the alloys with an even number correspond to the German Auslegeschrift 1 217 627 correspond. The values obtained after the heat treatment are in listed in Table IV below.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß bei Legierungen mit erfindungsgemäß unterhalb 0,1 °/0 liegendem Kohlenstoffgehalt die Kerbschlagzähigkeit noch weiter erhöht werden kann, wenn der Kobaltgehalt auf über 20 % heraufgesetzt wird. Dabei wird jedoch gleichzeitig die Standzeit herabgesetzt, so daß der Kobaltgehalt 25% nicht überschreiten darf.It has further been found that in the alloys of the notched impact strength can be increased still further according to the invention is below 0.1 ° / 0 lying carbon content, when the cobalt content is increased to over 20% with. At the same time, however, the service life is reduced so that the cobalt content must not exceed 25%.
Der Einfluß eines erhöhten Kobaltgehaltes auf die Kerbschlagzähigkeit und die Standzeit ergeben sich aus der folgenden Tabelle V, die sich auf wärmebehandelte Legierungen mit (abgesehen von Kobalt) folgenden Zusammensetzungen bezieht:The influence of an increased cobalt content on the notched impact strength and the service life result from the following Table V, which relates to heat-treated alloys with (apart from cobalt) refers to the following compositions:
0,05% C, 15% Cr, 4% Mo, 3,8% Ti, 4,7% Al, 0,05% Zr, 0,01% B, Rest Nickel einschließlich d5 Verunreinigungen.0.05% C, 15% Cr, 4% Mo, 3.8% Ti, 4.7% Al, 0.05% Zr, 0.01% B, balance nickel including d5 impurities.
4545
Claims (5)
/0/ 0
/O/O
/0/ 0
/0/ 0
/0/ 0
/0/ 0
/0/ 0
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/0/ 0
Britische Patentschriften Nr. 715 140, 733 489,
029.Considered publications:
British Patent Nos. 715 140, 733 489,
029.
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