DE1232754B

DE1232754B - Verwendung einer gegen Saeuren, wie Schwefelsaeure, bestaendigen Nickel-Silizium-Legierung

Info

Publication number: DE1232754B
Application number: DEJ25826A
Authority: DE
Inventors: Dennis William Wakeman; Frank Grenville Haynes; King S Heath; Keith Juxon Williams; Thomas Ernest Evans; William Barker
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1963-05-21
Filing date: 1964-05-13
Publication date: 1967-01-19
Also published as: ES300039A1; BE648214A; CH433773A; SE307017B; DK105499C; NL6405637A; GB1018101A; US3311470A

Description

DEUTSCHES JfflW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 40 b-19/00

Nummer: 1232 754

Aktenzeichen: J 25826 VI a/40 b

1232 754 Anmeldetag: 13.Mai 1964

Auslegetag: 19. Januar 1967

Nickel-Silizium-Legierungen, beispielsweise mit 8 bis 10% Silizium, 3,85 bis 4,25% Kupfer, Rest Nickel, die auch noch andere Elemente enthalten können, besitzen eine gute Beständigkeit gegen den Angriif durch heiße schwefelsäurehaltige Lösungen. Dabei bildet sich auf der Oberfläche dieser Legierungen ein passivierend wirkender Silikatfilm. Es ist bekannt, daß der Korrosionswiderstand mit dem Siliziumgehalt wächst, dafür aber die Duktilität abfällt. Der Duktilitätsabfall rührt hauptsächlich von der Bildung spröder Silizide her, die bei Uberschreiten der Löslichkeit des Siliziums in .Nickel auftreten.

Binäre Nickel-Silizium-Legierungen, die 8 bis 11% Silizium enthalten, besitzen selbst bei langsamer Abkühlung ein Mikrogefüge mit einer massiven α-Phase (nickelreiche feste Lösung) und einem Eutektikum von a- und y-Phasen, wobei die y-Phase der Formel NisSi2 entspricht. Eine /J-Phase der Zusammensetzung NisSi kann ebenfalls vorhanden sein, und die Untersuchungen der Erfinder haben erwiesen, daß im Hinblick auf eine optimale Korrosionsbeständigkeit das Mikrogefüge vollständig aus der /J-Phase bestehen sollte. Diese Phase findet sich jedoch in binären Legierungen nur selten, da sie im Gegensatz zur bisherigen Auffassung als Ergebnis einer bei 1040 C ablaufenden peritektoiden Reaktion gebildet wird. Offenbar ist beim üblichen Gießen die Abkühlungsgeschwindigkeit so groß, daß diese peritektoide Reaktion unterdrückt und das obenerwähnte metastabile a-y-Eutektikum bestehen bleibt.

Aus der britischen Patentschrift 580 686 ist auch bereits eine Nickel-Silizium-Legierung mit 1,25 bis 12% Silizium, 0,20 bis 6,0% Titan und/oder Kupfer, bis 4% Molybdän und/oder Wolfram, Rest Nickel bekannt. Diese Legierung ist bei Temperaturen über 600^: C warmfest und kann sowohl im gegossenen als auch im warmverformten Zustand gegebenenfalls nach einer Wärmebehandlung verwendet werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand jedoch darin, eine säurebeständige Nickel-Silizium-Legierung mit einer ausreichenden Duktilität zu schaffen. Die Erfindung beruht dabei auf der überraschenden Feststellung, daß der Zusatz von Titan zu den eingangs erwähnten bekannten Nickel-Silizium-Legierungen die Bildung der /J-Phase im Gußgefüge erleichtert. Der Titanzusatz erhöht die Temperatur der peritektoiden Reaktion, so daß bei Legierungen mit 2% Titan oder mehr die peritektoide Reaktion völlig entfällt und sich die /J-Phase direkt bei der Erstarrung aus der Schmelze bildet. Darüber hinaus wird durch das Titan im passivierend wirken-Verwendung einer gegen Säuren,
wie Schwefelsäure, beständigen
Nickel-Silizium-Legierung

Anmelder:

International Nickel Limited, London
Vertreter:

Di .-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

Dennis William Wakeman, Moseley, Birmingham; Frank Grenville Haynes,

King's Heath, Birmingham;

Keith Juxon Williams, Hall Green, Birmingham;

Thomas Ernest Evans, Solihull;

William Barker,

Handsworth, Birmingham (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 21. Mai 1963 (20 204)

den Silikatfilm an der Oberfläche die Korrosionsbeständigkeit erhöht.

Ausgehend von den vorerwähnten Feststellungen wird nun erfindungsgemäß die Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung, bestehend aus 7 bis 16% Silizium, 1 bis 5% Titan, 0 bis 5% Kupfer, 0 bis 5% Molybdän, 0 bis 5% Wolfram, bei einem Gesamtgehalt an Kupfer, Molybdän und Wolfram von höchstens 10%, Rest einschließlich Verunreinigungen Nickel für den eingangs erwähnten Verwendungszweck vorgeschlagen.

Legierungen mit unter 7% Silizium sind in jedem Falle duktil, doch liegt ihre Korrosionsbeständigkeit weit unterhalb derjenigen von Legierungen mit höherem Siliziumgehalt. Bei Legierungen mit 7 bis 8% Silizium ist die Korrosionsbeständigkeit, obgleich höher als bei binären Legierungen, die keine /J-Phase enthalten, nicht so gut wie bei Legierungen mit 8% übersteigendem Siliziumgehalt.

Darüber hinaus wurde festgestellt, daß bei 8 bis 11% Silizium das Titan die Duktilität verbessert, bei einer Erhöhung des Siliziumgehaltes bis 12% die

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Legierungen jedoch wegen des Auftretens der primären ;<-Phase zur Versprödung neigen. Demzufolge enthält die vorgeschlagene Legierung vorzugsweise 8 bis 11% Silizium.

Der Titangehalt beträgt 1 bis 5%, vorzugsweise 2 bis 3,5%. Dabei soll erfindungsgemäß ein hoher Anteil der /)-Phase, d. h. der intermetallischen Verbindung NisSi des binären Systems Nickel—Silizium gebildet werden. Diese ß-Phase bildet sich ohne Titan jedoch nicht direkt aus der Schmelze. Darüber hinaus sind Titan- und Silizium in dieser Phase im wesentlichen austauschbar, wobei der für die Bildung der /j-Phase erforderliche Mindesttitangehalt 1%) beträgt.

Sofern die Legierung ein nur aus der /J-Phase bestehendes Gefüge besitzen soll, muß ihre Zusammensetzung der Beziehung (Atomprozent Si)+(Atomprozent Ti) = 23% bzw. näherungsweise (Gewichtsprozent Si) — 0,5 (Gewichtsprozent Ti) = 11,75 genügen. Ubersteigt der vorerwähnte Ausdruck den Wert von 11,75, dann tritt die spröde y-Phase auf,und die Legierung versprödet in dem Maße, wie der vorerwähnte Wert ansteigt. Liegt der Wert der Gleichung wesentlich unter 11,75, treten andere Phasen, insbesondere die weniger korrosionsbeständige u-Phase auf, und die Legierung wird mit abnehmendem Wert zunehmend korrosionsanfälliger. Der obige Wert sollte daher in bezug auf eine gute Korrosionsbeständigkeit und Duktilität 9,5 bis 12,5, vorzugsweise 11 und 12 betragen.

Die Korrosionsbeständigkeit der vorgeschlagenen Legierung ist gegen konzentrierte Schwefelsäure anders als gegen verdünnte Schwefelsäure. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich eine optimale Korrosionsbeständigkeit gegen heiße verdünnte Schwefelsäure ergibt, wenn die Legierung 0,5% oder mehr Kupfer enthält. Die Duktilität sinkt jedoch mit steigendem Kupfergehalt. Insofern erstreckt sich in der bevorzugten Ausführung der Erfindung der Kupfergehalt von 1 bis 2%.

Einige Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß gestaltete Legierungen nebst Angaben über ihre Widerstandsfähigkeit in siedender Schwefelsäure verschiedener Konzentration sind in Tafel I angegeben. In allen dort enthaltenen Legierungen beträgt der Rest, abgesehen von Verunreinigungen, Nickel.

Tafel I

		Sollzusammensetzung		Legierung		(%)
Nr.
Si	Ti	Cu	Mo	W
1	10	2
2	9,5	2,5
3	10	3
4	10,5	2
5	10,5	3
6	11	2
7	10,5	2,25
8	10	1	3
9	10	2	3
10	10	5	3
11	10	3	1
12	10	3	3
13	10	3		3
14	10	3			3

Korrosionsgeschwindigkeit
(mg/dm- · Tag)
bei einer HiSQrKonzentration von

250/0	75%	90°'
2080	45	68
675	13	50
430	4	25
273	23	32
317	0	25
190	4	18
240	6	15
50	140
45	23
170	250
45	7	14
60	3	20
1200	4	11
1900	2	8

Zum Vergleich wurde eine Legierung X mit Nenngehalten von 87% Nickel, 10% Silizium und 3% Kupfer in siedender, verdünnter 25- und 75%iger Schwefelsäure sowie in 90%iger Schwefelsäure bei 250 C untersucht. Zum Vergleich wurden außerdem die erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 8, 9 und 10 in 90%iger Schwefelsäure bei 250⁰C geprüft. Die Ergebnisse sind in Tafel II angegeben.

Tafel II

Legierung Nr.	Korrosionsgeschwindigkeit (mg/dm² · Tag) bei einer HsSQrKonzentration von
25%	75%	90%
X	200	150	>700
8	50	140	167
9	45	23	6
10	170	250	305

Die Duktilität der Legierungen kann durch eine Wärmebehandlung erhöht werden, die in Erwärmung auf 1000 bis IlOO⁰C für die Dauer von 4 bis 24 Stunden besteht.

Die Duktilität — ausgedrückt in % Dehnung — der Legierungen Nr. 1 bis 9 und 11 bis 14, die nach einer derartigen Wärmebehandlung und in manchen Fällen auch nach dem Gießen erhalten wird, ist in Tafel III angegeben. In dieser Tafel bedeutet »gegossen«, daß sich die Legierung in dem Zustand befindet, der beispielsweise beim Gießen entsteht, aber auch auf andere Weise entstanden sein kann.

Auch die Duktilität der Legierung X in »gegossenem« Zustand ist in Tafel III enthalten.

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Tafel III
Legierung Nr.	Behandlung und Zustand	Dehnung %
1	über 16 Stunden erwärmt auf 1050°C	19,1

Claims

232 5FortsetzungLegierung Nr.IJCildJiUlU.!lg UIlU ZjUaLoIlUDehnung (%)2über 16 Stunden erwärmt auf 1050° C19,13über 16 Stunden erwärmt auf 1050'C16,94über 16 Stunden erwärmt12,4auf 10503C5über 16 Stunden erwärmt aul IUjU l_4,5elOüber 16 Stunden erwärmtauf 1050°C"7Iüber 16 Stunden erwärmt auf 10503 C1fi 11U,1oöbei IlUU C stranggepreutΛ 4,5Qygegossen9über 16 Stunden erwärmt auf IlOO0C13,011über 16 Stunden erwärmt auf 1050° C16,911gegossen5,612gegossen1,1üVipr 1 f\ Stnnrlf^n erwärmt auf 1050° C4 513gegossen4 513über 16 Stunden erwärmt auf 1050 °C3,414gegossen3,414über 16 Stunden erwärmt auf 1050° C4,5Xgegossen1,0 25 35 754 Patentansprüche:

1. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung, bestehend aus 7 bis 16% Silizium, 1 bis 5% Titan, 0 bis 5% Kupfer, 0 bis 5% Molybdän, 0 bis 5% Wolfram, bei einem Gesamtgehalt an Kupfer, Molybdän und Wolfram von höchstens 10%, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, als Werkstoff für Gegenstände, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren, wie Schwefelsäure, besitzen müssen.

2. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 7 bis 12% Silizium enthält und der Gleichung (% Si) + 0,5 · (% Ti) = 9,5 bis 12,5 genügt, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung nach den Ansprüchen 1 und 2, die jedoch 1 bis 2% Kupfer enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 8 bis 11% Silizium, 2 bis 3,5% Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung nach Anspruch 4, deren Silizium- und Titangehalt der Gleichung (% Si) + 0,5 (% Ti) = 11 bis 12% genügt, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer Nickel-Silizium-Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, die 4 bis 24 Stunden bei 1050 bis 1150°C geglüht worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Werkstoffe und Korrosion«, 7 (1956), S. 447.