DE1240671B

DE1240671B - Die Verwendung einer Legierung auf Kobaltbasis zur Herstellung von gegen Waermeschock bestaendigen Gegenstaenden

Info

Publication number: DE1240671B
Application number: DEU11218A
Authority: DE
Inventors: Robert Daniel Mc Quillan; William Mark Thomas; Elmer Lee Frey
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1963-11-21
Filing date: 1964-11-21
Publication date: 1967-05-18
Also published as: BE656083A; US3314784A; GB1085904A

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 40 b -19/04

Nummer: 1240 671

Aktenzeichen: U11218 VI a/40 b

1 240 671 Anmeldetag: 21.November 1964

Auslegetag: 18. Mai 1967

Die Erfindung betrifft die Verwendung von bestimmten Kobaltlegierungen zur Herstellung von Gegenständen, die gegen Wärmeschock beständig sind und außerdem eine hohe Festigkeit, Duktilität, Oxydationsbeständigkeit und eine gute Gießfähigkeit haben.

Es ist schon eine gegen Wärmeschock beständige Legierung auf Kobaltbasis bekannt, die unter der Bezeichnung »PA-I« im Handel erhältlich ist. Diese Legierung besteht aus 21,0 % Chrom, 10,0 % Wolfram, 9,0% Tantal, 0,9% Kohlenstoff, 0,25% Zirkon, bis zu 0,2% Bor, bis zu 1,0% Eisen, etwa 0,2% Silicium, Rest Kobalt und zufällige Verunreinigungen. Die Legierung »PA-I« genügt nicht in allen Fällen den hohen Anforderungen, welche an Legierungen gestellt werden, die gegen Wärmeschock beständig sein sollen.

Es sind ferner schon Legierungen bekannt, die aus 40 bis 90% Kobalt, 6 bis 40% Chrom, 6 bis 30% Wolfram und/oder Molybdän, 0 bis 20% Nickel, 0,01 bis 2%, vorzugsweise weniger als 0,6% Kohlenstoff, und gegebenenfalls bis zu 6% Silicium, Kupfer, Mangan, Aluminium, Titan, Vanadin, Zirkon, Tantal, Beryllium, Bor, Eisen, einzeln oder zu mehreren, bestehen. Aus diesen Legierungen sollen künstliche Kauwerkzeuge und andere im Inneren des menschlichen oder tierischen Körpers zu verwendende Gegenstände hergestellt werden. Der Werkstoff ist unangreifbar durch Körpersäfte, besonders Speichel und Chemikalien. Uber die Beständigkeit dieser Legierungen gegen Wärmeschock war nichts bekannt.

Es wurde nun gefunden, daß man gegen Wärmeschock beständige Gegenstände herstellen kann, wenn man hierzu eine Legierung auf Kobaltbasis verwendet, die im wesentlichen aus 20 bis 35% Chrom, 5 bis 20% Wolfram, 3 bis 5,5% Tantal, 0,7 bis 1,3% Kohlenstoff, Rest Kobalt und zufällige Verunreigungen, besteht. Hierbei soll der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram zwischen 35 und 47,5 % liegen, der Gehalt an Wolfram mehr als das Doppelte des Gehaltes an Tantal betragen, der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram das 8- bis 12fache des Gehaltes an Tantal betragen und das Tantal in einer geringeren Menge vorliegen als jeder der anderen metallischen Legierungsbestandteile.

Aus den genannten Legierungen lassen sich Teile von Triebwerken oder Maschinen, z. B. Schaufeln von Gasturbinen, herstellen, die besonders hohen Beanspruchungen durch Hitze, Zug, Druck, Verschleiß, Erosion u. dgl. ausgesetzt sind. Außer durch eine hohe Beständigkeit gegen Wärmeschoek zeichnen sieh Die Verwendung einer Legierung auf
Kobaltbasis zur Herstellung von gegen
Wärmeschock beständigen Gegenständen

Anmelder:

Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Robert Daniel Mc Quillan, Kokomo, Ind.;

William Mark Thomas, Monroe, N. C;

Eimer Lee Frey,

Kokomo, Ind. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. November 1963
(325 338)

Gegenstände aus diesen Legierungen durch eine hohe Zugfestigkeit, auch bei Dauerbeanspruchung, eine gute Duktilität, Oxydationsbeständigkeit und eine gute Gießfähigkeit aus.

Besonders bewährt haben sich Legierungen der erwähnten Zusammensetzung, die einen Kohlenstoffgehalt von 0,75 bis 1,2% haben. Ausgezeichnet geeignet sind Legierungen, bei welchen der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram das IOfaehe des Gehaltes an Tantal beträgt.

Gute Legierungen sind solche, die im wesentlichen aus 25 bis 30% Chrom, 9,9 bis 15 % Wolfram, 3,5 bis 4,6% Tantal, 0,8 bis 1,1% Kohlenstoff, Rest Kobalt und zufällige Verunreinigungen, bestehen, wobei der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram 40 bis 45% beträgt. Unter diesen haben sich die in der nachstehenden Tabelle genannten Legierungen sehr gut bewährt:

709 580/217

3 4

Tabelle 1

	1	2	3	4	5	6	7
Chrom, %	30	30	30	25	25	25	30
Wolfram, %	10	10	10	15	15	15	15
Tantal, %	3,5	4,6	4,0	3,9	4,6	4,1	4,1
Kohlenstoff, %	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,8	U
Kobalt und zufällige Verunreinigungen	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sollen nur geringe Mengen an Verunreinigungen enthalten. Die nachstehend genannten Elemente sollen in nicht mehr als den angegebenen Mengen vorhanden sein: Nickel 4%, Molybdän 0,5%, Eisen 2,5%, Silicium 0,5 ⁰A,» Niob 1,0%, Mangan 0,5%, Vanadin 0,5 %> wobei die Gesamtmenge dieser Elemente 5,5 % nicht übersteigen soll.

Ferner soll der Gehalt an Schwefel unter 0,02 %> an Magnesium unter 0,01% ^an Zirkonium unter 0,01%, an Stickstoff unter 0,05%, an Bor unter 0,01% ^un<i ^an Titan unter 0,08% liegen, wobei die Gesamtmenge dieser Elemente 0,15 % nicht übersteigen soll. Die Gegenwart größerer Mengen dieser Elemente verringert die Beständigkeit gegen Verformung und Bruch durch Wärmeschock. Der gewünschte niedrige Gehalt kann erreicht werden durch Vermeiden des Einlegierens von Desoxydatinsmitteln bei der Herstellung der Legierung, durch Verwendung solcher

Schmelztiegel, Formen und anderer mit der geschmolzenen Legierung in Berührung kommender Stoffe, welche die Legierung nicht verunreinigen, und durch Anwendung geeigneter Schmelz- und Gießverfahren.

Die üblichen gegen hohe Temperaturen beständigen Legierungen auf Kobaltbasis enthalten in der Regel gewisse Mengen von Titan, Bor, Zirkon, Aluminium, Magnesium oder Stickstoff einzeln oder zu mehreren. Um den Gehalt an diesen Stoffen zu regeln, muß die

ao Legierung unter einer schützenden Atmosphäre von Argon oder im Vakuum geschmolzen und vergossen werden. Bei der Prüfung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen wurde überraschenderweise gefunden, daß man das Schmelzen und Gießen am besten in Gegenwart von Luft, ohne eine schützende Atmosphäre, durchführen kann. Etwa vorhandene Mengen von Titan, Zirkon, Magnesium, Aluminium und Stickstoff werden hierbei aus der Legierung praktisch vollständig entfernt.

Zur Prüfung wurden die in der Tabelle 2 erwähnten Legierungen hergestellt. Die Legierungen 1 bis 12 entsprechen der Erfindung. Bei der für Vergleichszwecke hergestellten Legierung 13 handelt es sich um die bekannte unter der Bezeichnung »PA-I« im Handel erhältliche Legierung.

Tabelle 2

Legie		Gewichtsprozent		Cr+W
rung	Cr	W	Ta	C	Cr+W	Ta
1	30,37	9,97	3,50	0,87	40,34	11,50
2	29,99	9,98	4,62	0,80	39,87	8,63
3	30,04	10,00	4,04	0,89	40,04	9,91
4	25,19	15,02	3,90	0,89	40,21	10,30
5	25,17	15,28	4,55	0,85	40,45	8,89
6	25,35	14,75	4,12	0,81	40,10	9,73
7	30,06	14,81	4,10	1,06	44,87	10,94
8	30,37	9,97	3,50	1,18	40,34	11,50
9	29,99	9,88	4,62	1,18	39,87	8,63
10	25,31	9,65	3,87	1,04	34,96	9,03
11	30,04	5,33	3,82	0,90	35,37	9,26
12	29,99	9,88	4,62	0,99	39,86	8,63
13	21,00	10,00	9,00	0,90	31,00	3,44

Außer den angegebenen Bestandteilen enthielt die zugesetzt und wiederum mit Titan desoxydiert. Dann

Legierung 13 noch 0,25% Zirkon. 60 erhitzte man auf 1540°C und goß unter Luft in

Fast alle Legierungen wurden unter Luft in einem Formen. Bei jeder Schmelze wurden etwa 13 bis 23 kg

Induktionsofen in Tiegeln aus Magnesiumoxyd und Legierung erhalten.

Aluminiumoxyd erschmolzen. In die Tiegel wurden Abweichend hiervon wurde die Legierung 21 im zunächst Kobalt, Wolfram, Chrom und Kohlenstoff Vakuum erschmolzen und vergossen,
eingebracht, worauf die Temperatur auf 1480°C 65 Bei der mikroskopischen Untersuchung der ergebracht wurde. Die Schmelze wurde mit den üblichen, schmolzenen Legierungen wurden verschiedene Struk-Calcium und Silicium enthaltenden Mitteln desoxy- türen festgestellt. Diese sind in der nachstehenden diert. Nach dem Desoxydieren wurde das Tantal Tabelle 3 wiedergegeben.

Claims

I Tabelle 3 GruppeLegierungMikrobestandteileAI, 2, 3, 4,Kontinuierliches Netzwerk von5, 6,7Carbiden des Typs MeC mit wenig oder keinem TaC; einheit liche StrukturDrSQ Q 1Π 8, y, ±υReich an TaC, Carbide des Typs M7C3 ebenfalls vorhandenC11Reich an kugelförmigem TaC, zu sammen mit Carbiden des Typs M6CD12Reich an kugelförmigem TaC5 zu sammen mit Carbiden des Typs M6C und M7C3E13Zirkonnitride und nadeiförmige Tantalcarbide sowie Bildung von kompaktem M6C Die Tabelle zeigt, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen eine Struktur nach den Gruppen A, B, C oder D haben. Die bekannte Legierung hat eine Struktur nach der Gruppe E. Aus allen Legierungen wurden Prüfkörper in der Form von Schaufeln von Gasturbinen gegossen. Diese Prüfkörper wurden anschließend ohne weitere Nachbehandlung und ohne Tempern untersucht. Die nachstehende Tabelle 4 zeigt das Verhalten einiger Prüfkörper bei Raumtemperatur. Tabelle 4 LegierungBruchfestigkeitkg/cm2Streckgrenzekg/cm2Dehnung%Querschnittsabnahme%3910065101,51,55945077002,02,07102908973070701,50,8101015011875073502,33,113945070002,0 Die Tabelle zeigt, daß bei Raumtemperatur die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen der bekannten etwa gleichwertig sind. Die nachstehende Tabelle 5 zeigt die Deformation einiger Prüfkörper nach 500 Wärmeschocks und ihr Verhalten bei 10900C unter einer Zugspannung von 560 kg/cm2. Die Deformation bei wiederholtem Wärmeschock wurde nach einem bekannten Verfahren gemessen. Hierzu wurden je acht flügeiförmige Prüfkörper auf einer Nabe befestigt, die mit 1725 Umdrehungen je Minute rotierte. Die Nabe mit den Prüfkörpern wanderte zwischen einem auf 1150° C erhitzten Ofen, wo sie jeweils 60 Sekunden lang verblieb, und einer Abschreckkammer, wo sie 90 Sekunden lang mit 400 ml Wasser besprüht wurde. Nach fünfhundert solcher Zyklen wurde die Abweichung von der ursprünglichen Form in einer Entfernung von 45 mm von der Nabe gemessen. Tabelle 5 LegierungDeformationmmLebensdauerStundenDehnung %Querschnittsabnahme/010,27514,522,038,020,27515,220,047,030,27540,20033,55,05,150,20027,18,05,660,20017,413,517,670,07511,38,910,381,42513,415,120,091,42511,811,820,9100,92540,97,67,9111,42528,56,410,2121,575133,750 Die Tabelle zeigt, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bei wiederholtem Wärmeschock sich viel weniger deformieren als die bekannte Legierung. Sie zeigt ferner, daß die Prüfkörper aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bei hoher Temperatur und unter starker Zugspannung sich sehr gut verhalten. Die nachstehende Tabelle 6 zeigt die Eigenschaften einiger Prüfkörper bei verschiedenen hohen Temperaturen. Tabelle 6 LegierungTemperaturBruchfestigkeitStreckgrenzebei 0,2%bleibenderDehnungDehnungQuerschnitts-abnahme0Ckg/cm2kg/cm2%%3925448024501418310402660133023303109018209803650592552503080612510403150175014225109022101260223313925350027601013104021001750171310901610147020 Auch diese Tabelle zeigt die Überlegenheit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bei hohen Temperaturen. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können nicht nur gegossen, sondern auch gut geschmiedet werden. DienachstehendeTabelle 7 zeigt die Härte einiger Schmiedestücke im Vergleich zu der Härte gegossener Körper. Tabelle 7 LegierungHärtgegossene, Rcgeschmiedet2 636 4449 49 Patentansprüche:

1. Die Verwendung einer Legierung auf Kobaltbasis, die im wesentlichen aus 20 bis 35 °/oChrom,