DE1239107B

DE1239107B - Iron-nickel-cobalt-based alloy with an elastic modulus that is essentially independent of temperature when hardened

Info

Publication number: DE1239107B
Application number: DEJ24605A
Authority: DE
Inventors: Herbert Louis Eiselstein; James Kermit Bell
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1962-10-22
Filing date: 1963-10-21
Publication date: 1967-04-20

Description

Legierung auf Eisen-Nickel-Kobalt-Basis mit einem im ausgehäfteten Zustand von der Temperatur im wesentlichen unabhängigen Elastizitätsmodul Die Erfindung bezieht sich auf eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, die außerdem Niob und/oder Tantal enthalten muß und im ausgehärteten Zustand einen über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen konstanten Elastizitätsmodul besitzt.Iron-nickel-cobalt-based alloy with a reinforced State of elastic modulus essentially independent of temperature The invention refers to an iron-nickel-cobalt alloy that also contains niobium and / or Must contain tantalum and in the hardened state over a wide temperature range has a substantially constant modulus of elasticity.

Das Verhalten vieler Gegenstände, beispielsweise von Federn und Vibrationselementen, über einen großen Temperaturbereich ist deutlich vom Temperaturkoeffizienten abhängig. Zur Kennzeichnung der aus der Thermoelastizität und der Wärmedehnung resultierenden Einflüsse dient der sogenannte thermoelastische Koeffizient (TEC). Dieser thermoelastische Koeffizient entspricht der Summe aus dem Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls und der linearen Wärmeausdehnung. Soll ein schwingendes Element eine konstante Resonanzfrequenz oder eine Feder eine konstante Durchbiegung je Belastungseinheit über einen bestimmten Temperaturbereich besitzen, dann muß der thermoelastische Koeffizient für diesen Temperaturbereich Null sein.The behavior of many objects, for example springs and vibration elements, over a large temperature range is clearly dependent on the temperature coefficient. To identify those resulting from thermoelasticity and thermal expansion The so-called thermoelastic coefficient (TEC) is used for influences. This thermoelastic Coefficient corresponds to the sum of the temperature coefficient of the modulus of elasticity and linear thermal expansion. Should a vibrating element have a constant resonance frequency or a spring has a constant deflection per load unit over a certain one Have temperature range, then the thermoelastic coefficient for this Temperature range must be zero.

Es sind bereits Legierungen bekannt, bei denen der thermoelastische Koeffizient in einem Bereich von Raumtemperatur bis etwa 157° C im wesentlichen konstant bleibt. Bei höheren Temperaturen sind diese Legierungen jedoch nicht mehr verwendbar. Aus der britischen Patentschrift 364 696 ist auch eine Legierung mit konstantem Ausdehnungskoeffizienten bekannt, die 23 bis 53 % Nickel, weniger als 34 % Kobalt, weniger als 2% Titan und 46 bis 70% Eisen enthält.Alloys are already known in which the thermoelastic Coefficient in a range from room temperature to about 157 ° C essentially remains constant. At higher temperatures, however, these alloys are no longer usable. From British patent specification 364 696 there is also an alloy with constant expansion coefficient known, which is 23 to 53% nickel, less than Contains 34% cobalt, less than 2% titanium and 46 to 70% iron.

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine aushärtbare Legierung mit bis zu 500° C konstantem thermoelastischem Koeffizienten und hoher Zugfestigkeit zu schaden, deren thermoelastischer Koeffizient von der Zusammensetzung bestimmt wird.In contrast, the object on which the invention is based is an age-hardenable alloy with a constant thermoelastic coefficient of up to 500 ° C and high tensile strength, whose thermoelastic coefficient is different from the Composition is determined.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aushärtbare Legierung mit mindestens 16% Nickel, mindestens 12,5 % Kobalt, mindestens einem der Elemente Niob und Tantal in Gehalten von 0 bis 6% Niob und 0 bis 12% Tantal, 0,5 bis 1,5% Titan, je 0 bis 1% Silizium, Mangan und Aluminium, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 0 bis 0,1% Kalzium, Rest mindestens 31% Eisen, wobei die Gehalte an Nickel und Kobalt der Gleichung 1,235 Ni -f- Co = 55,8 bis 66,8 und die Gehalte in Niob und Tantal der Gleichung Nb -f- 0,5 Ta = 2,4 bis 6 genügen. Der Tantalgehalt beträgt 1 bis 20 0/0, vorzugsweise 5 bis 15 % des Gesamtgehaltes an Niob und Tantal. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Legierung auch die üblichen B egleitelemente in ihre Eigenschaften nicht beeinträchtigenden Mengen wie bis 1% Kupfer, bis 0,05 % Schwefel und bis 0,05 0/0 Phosphor enthalten. Chrom, Molybdän und Wolfram beeinträchtigen die thermoplastischen Eigenschaften der Legierung, so daß der Höchstgehalt jedes dieser Elemente unter 1% liegen muß. Bei der erfindungsgemäßen Legierung beträgt der Höchstgehalt an Nickel 44% und der Höchstgehalt an Kobalt 470/0. Titan und Aluminium steigern die Aushärtbarkeit und die Festigkeit der Legierung, so daß der Titangehalt 0,5 bis 1% und der Aluminiumgehalt 0 bis 1%, vorzugsweise 0,25 bis 0,751/o betragen sollen.This problem is solved by an age-hardenable alloy with at least 16% nickel, at least 12.5% cobalt, at least one of the elements niobium and tantalum in contents of 0 to 6% niobium and 0 to 12% tantalum, 0.5 to 1.5% titanium, each 0 to 1% silicon, manganese and aluminum, 0 to 0.2% carbon, 0 to 0.1% calcium, remainder at least 31% iron, the nickel and cobalt contents of the equation 1.235 Ni -f- Co = 55.8 to 66.8 and the contents in niobium and tantalum of the equation Nb -f- 0.5 Ta = 2.4 to 6 are sufficient. The tantalum content is 1 to 20%, preferably 5 to 15% of the total content of niobium and tantalum. In addition, the inventive Alloy also does not impair the properties of the usual accompanying elements Contain amounts such as up to 1% copper, up to 0.05% sulfur and up to 0.05% phosphorus. Chromium, molybdenum and tungsten impair the thermoplastic properties of the alloy, so that the maximum content of each of these elements must be less than 1%. In the alloy according to the invention, the maximum content of nickel is 44% and Maximum cobalt content 470/0. Titanium and aluminum increase the hardenability and the strength of the alloy, so that the titanium content is 0.5 to 1% and the aluminum content 0 to 1%, preferably 0.25 to 0.751 / o should be.

Vor der Kaltverformung oder Bearbeitung der erfindungsgemäßen Legierung findet ein Glühen bei 760 bis 1150° C je nach Abmessung des Werkstückes statt. Daraufhin werden diese Werkstücke rasch abgeschreckt und bei 595 bis 705° C ausgehärtet.Before the cold working or machining of the alloy according to the invention annealing takes place at 760 to 1150 ° C depending on the dimensions of the workpiece. Thereupon these workpieces are quickly quenched and hardened at 595 to 705 ° C.

Um der Legierung einen über einen weiteren Temperaturbereich konstanten thermoelastischen Koeffizienten zu verleihen, ist es vorteilhaft, das Aushärten bei 590 bis 705° C während einer Dauer von 4 bis 24 Stunden durchzuführen. Im ausgehärteten Zustand besitzt diese Legierung eine hohe Festigkeit und einen bis mindestens 315°C im wesentlichen konstanten thermoelastischen Koeffizienten. Die thermoelastischen Koeffizienten von geglühten und ausgehärteten Legierungen nach der Erfindung bewegen sich in einem Bereich von etwa -90. 10-6/IC bis etwa 225 - 10-6/°C. Um eine Legierung mit negativem thermoelastischem Koeffizienten zu erzeugen, muß der Gleichgewichtsindex, d. h. der Wert (1,235 Ni -I- Co) in dein Bereich von 55,8 bis 66,8, verhältnismäßig hoch liegen, während. Legierungen mit einem positiven thermoelastischen Koeffizienten niedrigere Gleichgewichtsindizes aufweisen müssen.To give the alloy a constant over a wider temperature range To give thermoelastic coefficients, it is advantageous to harden to be carried out at 590 to 705 ° C for a period of 4 to 24 hours. Im hardened State this alloy has a high strength and one to at least 315 ° C essentially constant thermoelastic coefficient. the thermoelastic coefficients of annealed and hardened alloys of the invention are in a range of about -90. 10-6 / IC up to about 225 - 10-6 / ° C. To produce an alloy with a negative thermoelastic coefficient, must be the equilibrium index, i.e. H. the value (1.235 Ni -I- Co) in the range of 55.8 to 66.8, are relatively high, while. Alloys with a positive thermoelastic coefficients must have lower equilibrium indices.

Die Erfindung gestattet es, durch Wahl der Zusammensetzung und Wärmebehandlung eine Legierung zu erzeugen, die im ausgehärteten Zustand einen vorbestimmten thermoelastischen Koeffizienten aufweist. Wird der Gleichgewichtsindex der Legierung von 55,8 auf 66,8 erhöht, dann ändert sich der thermoelastische Koeffizient der geglühten und ausgehärteten Legierung entsprechend von etwa 225-10-6/IC bis etwa -90-10-6/'C innerhalb etwa ±36-1Q 6/' C entsprechend der Gleichung TEC = 29,3 (63,5 - X) - 10-6/o C In dieser Gleichung stellt X den Gleichgewichtsindex dar. Bei einer genaueren Einstellung des thermoelasti.schen Koeffizienten muß darauf geachtet werden, daß ein erhöhter Titangehalt dazu neigt, den thermoelastischen Koeffizienten geringfügig in positive Richtung zu verschieben, und daß ein Aushärten bei einer Temperatur nahe der oberen Grenze von 7051 C einen thermoelastischen Koeffizienten ergibt, der positiver ist als ein durch Aushärten bei niedrigerer Temperatur bestimmter Koeffizient. Die Kaltverformung der ausgehärteten Legierungen führt je nach der Kaltverfestigung zu einem mehr negativen Koeffizienten und zu einer geringen Erhöhung der Abknicktemperatur. Um den Einfluß der Kaltverformung auszugleichen, kann die Aushärttemperatur gesteigert oder zwischen der Kaltverformung und dem Aushärten eine einstündige Wärmebehandlung bei 815 bis 870° C mit raschem Abkühlen vorgenommen werden.The invention makes it possible, through the selection of the composition and heat treatment, to produce an alloy which, in the hardened state, has a predetermined thermoelastic coefficient. If the equilibrium index of the alloy is increased from 55.8 to 66.8, then the thermoelastic coefficient of the annealed and hardened alloy changes accordingly from about 225-10-6 / IC to about -90-10-6 / 'C within about ± 36-1Q 6 / 'C according to the equation TEC = 29.3 (63.5 - X) - 10-6 / o C In this equation, X represents the equilibrium index. Care must be taken when setting the thermoelastic coefficient more precisely that an increased titanium content tends to shift the thermoelastic coefficient slightly in the positive direction, and that curing at a temperature near the upper limit of 7051 C gives a thermoelastic coefficient which is more positive than a coefficient determined by curing at a lower temperature . The cold deformation of the hardened alloys leads, depending on the work hardening, to a more negative coefficient and to a slight increase in the kinking temperature. In order to compensate for the influence of cold forming, the curing temperature can be increased or a one-hour heat treatment at 815 to 870 ° C. with rapid cooling can be carried out between cold forming and curing.

Wenn eine Legierung nach der Erfindung mit einer etwa 45%igen Querschnittsabnahme kaltverformt und anschließend bei etwa 650° C ausgehärtet werden muß, dann soll ihr Kobaltgehalt vorzugsweise 12,5 bis 28 0io und der Gleichgewichtsindex 57 bis 65,5 betragen. Dabei kann der genaue Gleichgewichtsindex für den geforderten thermoelastischen Koeffizienten aus der Beziehung TEC = 20,9 (61,2 - X) -10-6/o C errechnet werden. Bei einer Legierung, die nach der Kaltverformung mit einer Querschnittsabnahme von etwa 45% und dem Aushärten einen thermoelastischen Koeffizienten aufweist, der bis mindestens 385° C nicht größer ist als 90 - 10-E/° C, muß der Kobaltgehalt der Legierung 12,5 bis 28 % betragen und der Gleichgewichtsindex im Bereich von 60,4 bis 65,5 liegen. Der Nickelgehalt einer solchen Legierung muß mindestens 26,2% betragen.If an alloy according to the invention with an approximately 45% reduction in cross-section cold-formed and then hardened at about 650 ° C, then should their cobalt content is preferably 12.5 to 28 0io and the equilibrium index 57 to 65.5. The exact equilibrium index for the required thermoelastic Coefficients can be calculated from the relationship TEC = 20.9 (61.2 - X) -10-6 / o C. In the case of an alloy which, after cold working, has a reduction in cross-section of about 45% and curing has a thermoelastic coefficient that is up to at least 385 ° C is not greater than 90 - 10-E / ° C, the cobalt content of the alloy must 12.5 to 28% and the equilibrium index in the range of 60.4 to 65.5 lie. The nickel content of such an alloy must be at least 26.2%.

Wenn dagegen eine Legierung ohne Kaltverformung im ausgehärteten Zustand einen thermoelastischen Koeffizienten von beispielsweise höchstens 90 - 10-6/°C aufweisen soll, dann muß der Gleichgewichtsindex im Bereich von 60,4 bis 66,8 liegen. Soll der thermoelastische Koeffizient jedoch etwa Null sein, d. h. nicht größer als 36 - 10-6/° C, dann muß der Gleichgewichtsindex im Bereich von 62,2 bis 64,8 liegen. Liegt der Gleichgewichtsindex bei 60,4 bis 66,8, dann beträgt die Abknicktemperatur der Legierung mindestens 385° C.If, on the other hand, an alloy without cold deformation in the hardened state a thermoelastic coefficient of, for example, at most 90-10-6 / ° C should have, then the equilibrium index must be in the range of 60.4 to 66.8. However, if the thermoelastic coefficient is to be about zero; H. not bigger than 36-10-6 / ° C, then the equilibrium index must be in the range from 62.2 to 64.8 lie. If the equilibrium index is 60.4 to 66.8, then the kink temperature is of the alloy at least 385 ° C.

Legierungen mit höherem, im Bereich von 90 -10-6-° C bis 225 - 1.0-61° C liegenden thermoelastischem Koeffizienten erhält man durch Einstellen des Gleichgewichtsindex auf 55,8 bis 60,4. Derartige Legierungen sind brauchbar für Zwecke, bei denen die Steifigkeit mit der Temperatur zunehmen oder die Thermoelastizität anderer Teile kompensiert werden soll.Alloys with higher, in the range of 90 -10-6- ° C to 225 - 1.0-61 ° The thermoelastic coefficient lying at C is obtained by adjusting the equilibrium index to 55.8 to 60.4. Such alloys are useful for purposes where the Rigidity increase with temperature or the thermoelasticity of other parts should be compensated.

Eine bevorzugte Legierung nach der Erfindung enthält mindestens 16 % Nickel und mindestens 24 0/0 Kobalt. Sie hat einen Gleichgewichtsindex von 62,2 bis 64,8. Diese Legierung besitzt im geglühten und ausgehärteten Zustand einen thermoelastischen Koeffizienten von etwa Null und eine Abknicktemperatur, die über 480° C liegt.A preferred alloy according to the invention contains at least 16 % Nickel and at least 24% cobalt. It has an equilibrium index of 62.2 to 64.8. This alloy is thermoelastic in the annealed and hardened state Coefficients of around zero and a kink temperature that is above 480 ° C.

Die Legierung nach der Erfindung besitzt im ausgehärteten Zustand bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von mindestens 88 kg/mm- und eine Zeitstandfestigkeit von mindestens 10 Stunden bei einer Zugbelastung von 63 kg/mm° und 480' C. Höhere Zugfestigkeiten und höhere Zeitstandfestigkeiten lassen sich durch ein Einstellen des Niob- und/oder Tantalgehaltes nach der Gleichung (Nb -I- 0,50i0 Ta) = 3 bis 6% erreichen. Eine noch höhere Zugfestigkeit ergibt sich, wenn (Nb -I-- 0,5 Ta) = 4,5 bis 6,00/9 beträgt.The alloy according to the invention has in the hardened state a tensile strength of at least 88 kg / mm and a creep rupture strength at room temperature of at least 10 hours with a tensile load of 63 kg / mm ° and 480 ° C. Higher Tensile strengths and higher creep strengths can be adjusted by setting the niobium and / or tantalum content according to the equation (Nb -I- 0.50i0 Ta) = 3 to Reach 6%. An even higher tensile strength results if (Nb -I-- 0.5 Ta) = 4.5 to 6.00 / 9.

Nachstehende Zahlentafel enthält zehn Legierungen nach der Erfindung und veranschaulicht auch die Zusammensetzung von zwei Legierungen A und B, von denen man bisher annahm, daß ihr Elastizitätsmodul bereits über einen unerwartet großen Temperaturbereich konstant sei. Zahlentafel Legierung Zusammensetzung in Gewichtsprozent Ni I Co I Fe 1) Nb + Ta s) I Ti I A1 I C I Cr 1 20,0 33,4 Rest f 4,7 0,8 0,6 0,02 - 2 33,6 14,7 Rest 3,3 0,7 0,6 0,01 - 3 25,7 25,5 Rest 4,8 0,7 0,7 0,02 - 4 34,0 14,8 Rest 5,1 0,7 0,6 0,02 - 5 33,4 17,3 Rest 5,2 1 5 0,6 0,02 6 [ 20,7 35,1 Rest 5,1 0,7 0,6 0,01 (Fußnoten am Schluß der Tabelle.) (Fortsetzung) . Legierung Zusammensetzung in Gewichtsprozent - Ni Co Fe 1) Nb -h Ta 2) I Ti I Al I C I Cr 7 25,6 30,1 Rest 5,0 0,6 0,6 I 0,02 - 8 33,2 22,1 Rest 2,7 1,5 0,6 0,02 - 9 16,2 42,6 Rest 4,6 0,6 0,3 0,02 - 10 36,3 18,2 Rest 2,6 1,5 0,5 0,02 - 11 36,1 18,2 Rest 5,2 0,5 0,6 0,01 - 12 39,1 14,9 Rest 5,3 0,7 0,6 0,01 - 13 39,0 15,2 Rest 3,3 0,7 0,6 0,02 - 14 32,9 22,1 Rest 5,3 0,5 0,6 0,01 - 15 20,4 40,1 Rest 5,2 0,7 0,5 0,02 - 16 33,1 24,8 Rest 3,3 0,7 0,6 0,02 - 17 33,2 25,2 Rest 5,2 0,7 0,6 0,01 - 18 25,3 35,4 Rest 5,1 0,7 0,6 0,01 - 19 36,1 22,2 Rest 5,4 1,4 0,6 0,01 - A Rest - 6,8 1,0 2,5 0,8 0,05 15,1 B 42,5 - Rest - 2,4 0,4 0,02 5,0 1) Der Rest der Legierungen 1 bis 19 schließt 0,5% Silizium, 0,4% Mangan, 0,03 % Kupfer und 0,03 bis 0,13 % Schwefel ein. 2) In sämtlichen Legierungen beträgt der Tantalgehalt etwa 5 bis 15% des Gesamtgehaltes an Niob und Tantal. In der Zeichnung ist der Elastizitätsmodul der Legierungen Nr. 11, A und B dargestellt. Man sieht, daß der Elastizitätsmodul der Legierung 11 im Gegensatz zu den Legierungen A und B praktisch konstant und die geringfügige Abweichung über den Temperaturbereich Raumtemperatur bis 425° C gleichmäßig bleibt.The table below contains ten alloys according to the invention and also illustrates the composition of two alloys A and B, of which it was previously assumed that their modulus of elasticity was already constant over an unexpectedly large temperature range. Number board Alloy composition in percent by weight Ni I Co I Fe 1) Nb + Ta s) I Ti I A1 ICI Cr 1 20.0 33.4 remainder f 4.7 0.8 0.6 0.02 - 2 33.6 14.7 remainder 3.3 0.7 0.6 0.01 - 3 25.7 25.5 remainder 4.8 0.7 0.7 0.02 - 4 34.0 14.8 remainder 5.1 0.7 0.6 0.02 - 5 33.4 17.3 remainder 5.2 1 5 0.6 0.02 6 [20.7 35.1 remainder 5.1 0.7 0.6 0.01 (Footnotes at the end of the table.) (Continuation) . Alloy composition in percent by weight - Ni Co Fe 1) Nb -h Ta 2) I Ti I Al ICI Cr 7 25.6 30.1 remainder 5.0 0.6 0.6 I 0.02 - 8 33.2 22.1 remainder 2.7 1.5 0.6 0.02 - 9 16.2 42.6 remainder 4.6 0.6 0.3 0.02 - 10 36.3 18.2 remainder 2.6 1.5 0.5 0.02 - 11 36.1 18.2 remainder 5.2 0.5 0.6 0.01 - 12 39.1 14.9 remainder 5.3 0.7 0.6 0.01 - 13 39.0 15.2 remainder 3.3 0.7 0.6 0.02 - 14 32.9 22.1 remainder 5.3 0.5 0.6 0.01 - 15 20.4 40.1 remainder 5.2 0.7 0.5 0.02 - 16 33.1 24.8 remainder 3.3 0.7 0.6 0.02 - 17 33.2 25.2 remainder 5.2 0.7 0.6 0.01 - 18 25.3 35.4 remainder 5.1 0.7 0.6 0.01 - 19 36.1 22.2 remainder 5.4 1.4 0.6 0.01 - A remainder - 6.8 1.0 2.5 0.8 0.05 15.1 B 42.5 - balance - 2.4 0.4 0.02 5.0 1) The remainder of alloys 1 to 19 include 0.5% silicon, 0.4% manganese, 0.03% copper and 0.03 to 0.13% sulfur a. 2) In all alloys the tantalum content is about 5 to 15% of the total content of niobium and tantalum. In the drawing, the modulus of elasticity of alloys No. 11, A and B is shown. It can be seen that the modulus of elasticity of alloy 11, in contrast to alloys A and B, is practically constant and the slight deviation remains uniform over the temperature range from room temperature to 425 ° C.

Die thermoelastischen Koeffizienten und die Abknicktemperatur der in der Zahlentafel verzeichneten Legierungen wurden durch Messung der Resonanzfrequenzen einer querschwingenden Probe ermittelt. Die in der Zahlentafel veranschaulichten Werte sind bei der niedrigsten Temperatur von 27° C ermittelt worden. Die thermoelastischen Koeffizienten der Legierungen nach der Erfindung ändern sich bei niedrigen Temperaturen nicht wesentlich. So wurde z. B. der thermoelastische Koeffizient der Legierung Nr. 13 über ein Temperaturgebiet von -73° bis -440° C bestimmt und mit 40 - 10-07° C ermittelt.The thermoelastic coefficients and the kink temperature of the The alloys listed in the table of numbers were determined by measuring the resonance frequencies of a transversely oscillating sample. Those illustrated in the number table Values have been determined at the lowest temperature of 27 ° C. The thermoelastic Coefficients of the alloys according to the invention change at low temperatures not essential. So was z. B. the thermoelastic coefficient of the alloy No. 13 determined over a temperature range from -73 ° to -440 ° C and with 40 - 10-07 ° C determined.

Claims

Claims: 1. Iron-nickel-cobalt-based alloy, which is im cured state has a modulus of elasticity that is essentially independent of temperature has, consisting of 16 to 441 / o nickel, 12.5 to 471 / o cobalt, with the proviso, that the nickel and cobalt contents have the relationship 1.235 Ni -I-Co = 55.8 to 66.8 meet, 0.5 to 1.5% titanium, each 0 to 1% silicon, manganese and aluminum, 0 to 0.2% carbon, 0 to 0.1% calcium, 0 to 6% niobium, and 0 to 12% tantalum, individually or together, however, either niobium or tantalum must be present and theirs Contents must satisfy the relationship Nb -I- 0.5 Ta = 2.4 to 6, the remainder at least 31% iron as well as accompanying elements of up to 1% copper due to the smelting, up to to 0.05% sulfur, up to 0.05% phosphorus and each up to less than 1% chromium, molybdenum and tungsten.

2. Alloy according to claim 1, with the proviso that in the presence of tantalum and mob, the tantalum content is 1 to 20% of the total tantalum content and mob amounts. Documents considered: British Patent No. 364 696.