DE1235597B - Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung als Werkstoff fuer Gussstuecke mit hoher Zeitstandfestigkeit bei 980íµ - Google Patents

Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung als Werkstoff fuer Gussstuecke mit hoher Zeitstandfestigkeit bei 980íµ

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DE1235597B
DE1235597B DE1957M0035742 DEM0035742A DE1235597B DE 1235597 B DE1235597 B DE 1235597B DE 1957M0035742 DE1957M0035742 DE 1957M0035742 DE M0035742 A DEM0035742 A DE M0035742A DE 1235597 B DE1235597 B DE 1235597B
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David Richard Wood
John Fleeming Gregg
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
IntCl.:
Deutsche Kl: 40 b -19/04
Nummer: . 1235 597
Aktenzeichen: M 35742 VI a/40 b
Anmeldetag: 28. Oktober 1957
Auslegetag: 2. März 1967
Hochwarmfeste Legierungen müssen neben einer hohen Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen auch eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen. Hierfür haben sich Nickel- bzw. Niclcel-Kobalt-Legierungen bewährt, die außerdem noch Chrom sowie die eine nickelhaltige Ausscheidungsphase bildenden Elemente Aluminium und Titan enthalten.
Aus der britischen Patentschrift 733 489 ist bereits eine Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung der vorerwähnten Art bekannt, die 4 bis 12 °/ö Chrom, 10 bis 55 % Kobalt, 0,5 bis 8 % Titan, 0,3 bis 8 % Aluminium, 0 bis 15ö/0 Molybdän, 0 bis 0,5% Kohlenstoff, 0,001 bis 0,01 % Bor, 0,001 bis 0,2 % Zirkonium, Rest Nickel enthält. Darüber hinaus kann diese Legierung auch noch bis 5°/o Wolfram, bis l°/0 Mangan, bis 1,5 % Silizium und bis 1% Niob und/oder Tantal enthalten. Die bekannte Legierung ist als Werkstoff für Gasturbinenschaufeln geeignet und besitzt bei 870° C und einer Belastung von 14 kg/mm2 im geglühten und ausgehärteten Zustand eine Standzeit von maximal 441 Stunden.
Des weiteren ist aus der USA.-Patentschrift 2 570193 eine Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit ähnlicher Zusammensetzung bekannt, die sich unter anderem auch als Werkstoff für gegossene Gasturbinenschaufeln bei Temperaturen von 815° C und hoher Zeitstandfestigkeit eignet.
Ähnliche vvarmfeste Legierungen sind auch aus der britischen Patentschrift 737 178 und der französischen Patentschrift 1 083 251 bekannt, doch besitzen auch diese Legierungen bei 870° C übersteigenden Temperaturen keine ausreichende Zeitstandfestigkeit mehr.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine hochwarmfeste Gußlegierung der eingangs gekennzeichneten Art zu schaffen, die auch bei 980° C unter einer Belastung von 11 kg/mm2 noch eine gute Zeitstandfestigkeit sowie bei Raumtemperatur eine gute Zugfestigkeit und Dehnung besitzt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird im Rahmen der bekannten Legierungen, die Verwendung einer Nickel-CIirom-Kobalt-Legierung mit 7,5 bis 15% Chrom, 15 bis 25% Kobalt, 7 bis 9,0 %Titan + Aluminium bei einem Verhältnis Titan zu Aluminium von 0,6 bis 1,4, 0,05 bis 0,5 % Kohlenstoff, 0 bis 0,8 % Silizium, 0 bis 1% Mangan, 0 bis 5% Eisen, 0 bis 15% Molybdän, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, als Werkstoffzum Herstellen von Gußstücken vorgeschlagen, die, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, bei 980° C unter einer Belastung von 11 kg/mm2 eine Standzeit von mindestens 20 Stunden besitzen.
Die Erfindung beruht dabei auf der Feststellung,
Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung als Werkstoff für Gußstücke mit hoher Zeitstandfestigkeit bei 980° C .
Anmelder: . International Nickel Limited, London
Vertreter:
' Dr.-Ing. G. Eichenberg ' und DipL-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,
Düsseldorf, Cecilienallee 76
Als Erfinder benannt:
David Richard Wood,
John Fleeming Gregg,
King's Heath, Birmingham (Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 29. Oktober 1956 (32 864)
daß sich eine gute Zeitstandfestigkeit bei 980° C und mehr nur erreichen läßt, wenn der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium sich in den vorerwähnten Grenzen bewegt und dabei gleichzeitig auch das genannte Verhältnis von Titan zu Aluminium eingehalten wird. Die hohe Festigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen bei 980° C ist von der Anwesenheit von Bor und Zirkonium nicht unbedingt abhängig, wenngleich Bor zu einer nicht unwesentlichen Festigkeitssteigerung führt und das Optimum des Gesamtgehaltes an Titan und Aluminium mit steigendem Borgehalt zu höheren Werfen verschiebt.
Der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium sollte bei Legierungen mit noch 0,005 bis 0,1 % Bor von bis 10,5 % betragen. In jedem Falle aber muß das Verhältnis von Titan zu Aluminium bei 0,6 bis 1,4 liegen. Vorzugsweise enthalten die Legierungen jedoch 9,5 bis 11,5% Chrom.
Versuche haben ergeben, daß sich bei den borhaltigen Legierungen in an sich bekannter Weise vor der Borzugabe eine gründliche Desoxydation beispielsweise mit Kalzium empfiehlt, so daß die erfindungsgemäßen Legierungen auch geringe Mengen an Kalzium enthalten können.
Der Chromgehalt der Legierungen beträgt vorzugsweise 9,5 bis 11,5%, während der Kobaltgehalt 15 bis % und der Molybdängehalt bei 4 bis 7 % oder noch besser bei 4,5 bis 6,0% liegt. Der Kohlenstoffgehalt
709 517/434
3 4
liegt bei 0,1 bis 0,25 %. Darüber hinaus kann die Le- von 1560° C gebracht. Die Schmelze wurde zunächst
gierung auch noch bis 5°/0Eisen, 0,2 % Zirkonium, mit Silizium und Mangan und dann mit Kalzium in
0,8% Silizium, 1,0 % Mangan, 5°/0 Wolfram sowie Form von 30°/0igem Kalzium-Silizium desoxydiert.
bis 3 % Niob und/oder Tantal enthalten. Auf diese Weise wurden etwa 0,03 % Kalzium in die
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von 5 Legierung eingeführt. Die Badoberfläche wurde nach
einigen Versuchsbeispielen des näheren erläutert. Die vollständiger Desoxydation völlig entschlackt und das
an den einzelnen Versuchslegierungen ermittelten Zeit- Bor als Mangan-Bor-Legierung mit 20% Bor auf die
Standfestigkeiten beziehen sich jeweils auf eine Ver- Badoberfläche gebracht. Die Schmelze wurde nach
suchstemperatur von 980° C und eine Belastung von Auflösung der Borlegierung sofort vergossen.
11 kg/mm2. Da sich die sehr geringen Borgehalte in io Bei den nachfolgend aufgeführten Legierungsbei-
den erfindungsgemäßen Legierungen mit den üblichen spielen besteht der Legierungsrest stets aus Nickel,
chemischen Analysenverfahren nur sehr schwer fest- . . .
stellen lassen, ist bei den nachfolgend aufgeführten Beispiel
Analysen davon ausgegangen worden, daß nach einer Zur Erläuterung der Wirkung unterschiedlicher
gründlichen Desoxydation, beispielsweise mit Kalzium, 15 Gesamtgehalte an Titan und Aluminium bei borfreien
die sich ergebenden Borverluste stets gleich sind. Legierungen nach der Erfindung mit im wesentlichen
Insoweit entsprechen die in den Beispielen angege- konstantem Verhältnis von Titan zu Aluminium wird
benen Borgehalte den der Schmelze zugesetzten Bor- in Zahlentafel 1 eine Legierung Nr. 2 mit einer Le-
mengen, wobei das Bor in der nachfolgend beschrie- gierung 1, deren Gesamtgehalt an Titan und Alu-
benen Weise zugesetzt wurde. 20 minium zu niedrig ist, und einer Legierung 3 mit zu
5 kg der Legierung wurden in einem basischen Hoch- hohem Gesamtgehalt an Aluminium und Titan ver-
frequenzofen eingeschmolzen und auf eine Temperatur glichen.
Zahlentafel 1
Legie Zusammensetzung in %
rung C Si Mn Cr Co Fe Mo Ti Al Ti+Al Ti/Al
1 0,21 0,73 0,33 9,40 20,0 1,47 5,20 3,08 3,79 6,87 0,8
2 0,22 0,68 0,35 10,2 19,7 1,36 5,10 3,86 4,10 7,96 0,9
3 0,20 0,78 0,38 9,70 19,7 1,64 5,25 4,42 5,07 9,49 0,9
Zahlentafel 2
Legie
rung 		Zeitstandfes
Standzeit
Stunden 		»tigkeit bei 11 kg/mm2, 980° C
Zeitbruchdehnung
7» 		Zugfestigkeit
bei Raumtemperatur
kg/mm2 		Dehnung
4}/f
%
1
2
3		 21,15
37,36
1,1		 3,7 2,9
5,6
2,1 1,3		 82,2
92,3
48,5		 6,8
4,5
Beispiel II
Die Bedeutung des Verhältnisses von Titan zu Aluminium bei im wesentlichen gleichbleibendem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium wird nachfolgend an
Hand einer Legierung 4 mit zu niedrigem Titan-Aluminium-Verhältnis und einer Legierung Nr. 7 mit zu 45 hohem Titan-Aluminium-Verhältnis sowie mit je 0,01 % Bor veranschaulicht.
Zahlentafel 3
Legierung Zusammensetzung in 0/
C Si Mn Cr Co Fe Mo Ti Al Ti+Al Ti/Al B
4 0,20 0,78 0,43 10,2 20,4 1,56 5,05 2,30 6,40 8,70 0,4 0,01
5 0,20 0,50 0,36 10,6 21,2 1,09 5,22 3,75 5,10 8,85 0,7 0,01
6 0,23 0,73 0,43 10,0 20,1 1,47 5,15 5,11 3,77 8,88 1,4 0,01
7 0,21 0,68 0,35 10,3 20,7 1,52 5,19 6,50 2,15 8,65 3,0 0,01
Zahlentafel 4
Legierung Zeitstandfestigkeit
Standzeit
Stunden 		bei 11 kg/mm2, 980° C
Zeitbruchdehnung
%		 Zugfestigkeit
bei Raumtemperatur
kg/mm2 		Dehnung
4} 7
7o
4
5
6
7		 87
82
14		 16
118
27
18		 4,1
7,5 5,4
5,5
11,4 10,4		 80,0
84,4
95,2		 3,4
4,5
6,7
Beispiel III
Der Einfluß des Gesamtgehaltes an Titan und Aluminium auf Legierungen mit 0,01 % Bor und etwa
gleichbleibendem Titan-Aluminium-Verhältnis wird an Hand der Legierungen 8 bis 10 erläutert, wobei die Legierung 10 einen zu hohen Gesamtgehalt an Titan und Aluminium besitzt.
Zahlentafel 5
Legierung C j Si Mn Cr Zusammensetzung in
Co j Fe | Mo 		%
Ti 		Al Ti+Al Ti/Al B
8
9
10		 0,22
0,23
0,21		 0,50
0,45
0,78		 0,42
0,40
0,44		 10,6
10,3
10,2		 21,3
21,1
21,0		 1,41
1,45
1,78		 5,06
4,95
5,06		 3,18
3,60
4,90		 4,30
4,85
6,05		 7,48
8,45
10,95		 0,7
0,7
0,8		 0,01
0,01
0,01
Zablentafel 6
Zeitstandfestigkeit bei 11 kg/mm2, 980° C Zugfestigkeit Dehnung
Legierung Standzeit Zeitbruchdehnung bei Raumtemperatur
Stunden /0 kg/mm2 %
8 55 52 5,3 5,5 89,4 7,9
9 122 113 5,7 7,2
10 35 23 3,4 2,8 46,6 1,1
An der Legierung 9 erweist sich insbesondere die wesentlich höhere Zeitstandfestigkeit der vorgeschlagenen Legierungen im Vergleich zu den beispielsweise aus der britischen Patentschrift 733 489 bekannten Legierungen. Diese besitzen bei einer Versuchstemperatur von 870° C unter einer Belastung von 14 kg/mm2 eine Standzeit von nur 321 bzw. 340 Stunden (vgl. Tabelle 2, Legierung 3 und 4), während die Legierung 9 bei denselben Versuchsbedingungen Encorctisch eine Standzeit von etwa 3000 Stunden besitzt.
Ebenso ergibt die Berechnung mittels des Larson-Miller-Parameters (vgl. »American Society for Metals«, »Metals Handbook«, 1961, Bd. 1, S. 472, insbesondere F i g. 9 und rechte Spalte) für die vorerwähnten Versuchsbedingungen eine Standzeit von 3220 Stunden. Andererseits beträgt die Standzeit der bekannten Legierung bei den Versuchsbedingungen der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, d. h. bei 980° C und einer Belastung von 11 kg/mm2, im Durchschnitt nur 2 Stunden bei Höchstwerten von 5 Stunden, während, wie sich aus Zahlentafel 6 ergibt, die Standzeit der Legierung 9 bei 122 bzw. 113 Stunden liegt.
Beispiel IV
Die Wirkung steigender Borgehalte bei Legierungen mit im wesentlichen gleichbleibendem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium und gleichbleibendem Titan-Aluminium-Verhältnis ergibt sich aus einem Vergleich der Legierungen 2 und 5 (Zahlentafeln 1, 3) mit den Legierungen 11 und 12.
Zahlentafel 7
Legierung C I Si I Mn Cr Zusammense
Co I Fe 		tzung in
Mo 		%
Ti I Al 		Ti+Al Ti/Al B
11
12		 0,19
0,20		 0,64
0,60		 0,23
0,41		 10,1
10,1		 20,6 I 1,54
20,2 1,59		 4,95
4,49		 3,90
3,77		 5,05
5,10		 8,95
8,87		 0,8
0,7		 0,05
0,1
Zahlentafel 8
Legie
rung 		Zeitstandfestigkeit be
Standzeit
Stunden 		ä 11 kg/mm2, 980° C
Zeitbruchdehnung
%
11
12		 77 81
89 90		 5.4 3,2
5.5 5,0
55
Beispiel V
Die Wirkung unterschiedlicher Gesamtgehalte an Titan und Aluminium bei gleichbleibendem Titan-Aluminium-Verhältnis auf Legierungen mit 0,1 °/0 Bor ergibt sich aus einem Vergleich der Legierungen 12 mit den Legierungen 13 und 14.
Zahlentafel 9
Legierung Zusammensetzung in %
C Si Mn Cr Co Fe Mo Ti Al Ti+Al Ti/Al B
13 0,22 0,62 0,42 10,2 20,0 1,47 5,20 3,22 4,28 7,50 0,8 0,1
14 0,20 0,73 0,46 10,3 19,9 1,80 4,41 4,85 5,75 10,60 0,8 0,1

Claims (7)

Zahlentafel 10 LegierungZeitstandfestigkeit beStandzeitStundenill kg/mm2, 980° CZeitbruchdehnung%13 1435 31 24 36,6 3,4 3,9 2,3 Beispiel VI Der Einfluß einer Desoxydation der Legierung mit Kalzium ergibt sich an Hand der Legierungen 15 und 16, wobei Legierung 15 nicht mit Kalzium desoxydiert wurde. Zahlentafel LegierungZusammensetzung in01/0CSiMnCrCoFeMoTiAITi+AlTi/AlB150,200,580,4210,020,01,515,044,234,889,110,960,01160,200,480,4310,221,41,445,053,785,309,080,70,01 Zahlentafel LegierungZeitstandfestigkeit beStandzeitStunden:i 11 kg/mm2, 980° CZeitbruchdehnung%Zugfestigkeitbei Raumtemperaturkg/mm2Dehnung%15 1648 66 149 1202,8 2,7 7,0 7,183,2 91,06,8 7,9 Die Gießeigenschaften der Legierungen, d. h. ihr Formfüllungsvermögen, sind außerordentlich gut. Dies ist bei Legierungen mit hohem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium insofern sehr überraschend, als sich unter im übrigen gleichen Bedingungen die Vergießbarkeit mit steigendem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium beträchtlich verschlechtert. Patentansprüche: 3S
1. Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung, bestehend aus 7,5 bis 15 % Chrom, 15 bis 25% Kobalt, 7 bis 9,0 % Titan + Aluminium bei einem Titan-Aluminium-Verhältnis von 0,6 bis 1,4, 0,05 bis 0,5 % Kohlenstoff, 0 bis 0,8 % Silizium, 0 bis 1% Mangan, 0 bis 5% Eisen, 0 bis 15% Molybdän, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel, als Werkstoff zum Herstellen von Gußstücken, die, wie Turbinenschaufeln, bei Temperaturen von 980° C unter einer Belastung von 11 kg/mm2 eine Standzeit von mindestens 20 Stunden besitzen.
2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die noch 0,005 bis 0,1 % Bor sowie einen Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 7 bis 10,5 % enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 und 2, deren Chromgehalt jedoch 9,5 bis 11,5 % beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 2, die jedoch 8,0 bis 9,5 % Titan + Aluminium, 15,0 bis 25% Kobalt, 0,1 bis 0,25 % Kohlenstoff, 0 bis 5,0 % Eisen, 0 bis 0,2 % Zirkonium, 0 bis 0,8 % Silizium, 0 bis 1,0 % Mangan und 4,0 bis 7,0% Molybdän enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, die jedoch noch bis 5% Wolfram enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
6. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, die jedoch noch bis 3 % Niob und/oder Tantal enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 2 bis 6, die unmittelbar vor der Borzugabe mit Kalzium desoxydiert worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 083 251;
britische Patentschriften Nr. 733 489, 737 178;
USA.-Patentschrift Nr. 2 570 193.
709 517/434 2.67 © Bundesdruckerei Berlin
DE1957M0035742 1956-10-29 1957-10-28 Verwendung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung als Werkstoff fuer Gussstuecke mit hoher Zeitstandfestigkeit bei 980íµ Pending DE1235597B (de)

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