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Kobalt-Chrom-Wolfram-Tantal-Legierungen guter Zeitstandfestigkeit
und -Oxydationsbeständigkeit Zusatz zum Patent: 1224 939 Das Hauptpatent 1224 939
betrifft Kobalt-Chrom Wolfram-Tantal-Legierungen guter Zeitstandfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit
für Arbeitstemperaturen bis 1200°C mit einem Gehalt an 16 bis 25 °/o, vorzugsweise
19 bis 23 °/o Chrom, 10,5 bis 12,5 % Wolfram, 7 bis 110/", vorzugsweise 8
bis 10 °/o Tantal, 0,6 bis 10/" vorzugsweise 0,7 bis 0,90/,) Kohlenstoff,
Rest Kobalt einschließlich Verunreinigungen.
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Es hat sich nun erfindungsgemäß gezeigt, daß ein, gewisser Zusatz
an Bor und gegebenenfalls Niob, Mölybdän, Silicium und auch Nickel und/oder Eisen
zu sehr brauchbaren Werkstoffen für die Anwendungszwecke der Legierungen nach dem
Hauptpatent führt. Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich also ebenso wie
die Legierungen nach dem Hauptpatent als Werkstoffe für heißgehende Teile von z.
B. Gasturbinen, Auslaßventilen und Auspuffleitungen von Explosionsmotoren für Wärmeaustauscher
und Auskleidungsmaterial für Retorten und Reaktionsbehälter in der chemischen und
metallurgischen Industrie sowie auch zur Herstellung von temperatur- und korrosionsbeständigen
Rohzen, Blechen, Werkzeugen und Bauteilen, insbesondere auch für Meßgeräte bei hohen
Ansprüchen an die Stabilität der Werkstoffe.
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Die erfindungsgemäße Kobalt-Chrom-Wolfram-Tantal-Legierung mit guter
Zeitstandfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit bei Temperaturen bis 1200'C
mit
16 bis 25 °/o, vorzugsweise 19 bis 23 °/o Chrom, 7,5 bis 12,5 °/o Wolfram, 7 bis
110/" vorzugsweise 8 bis 100/, Tantal, 0,6 bis 10/" vorzugsweise
0,7 bis 0,90/, Kohlenstoff nach Patent 1224 939 sind gekennzeichnet durch einen
zusätzlichen Gehalt an 0;01 bis 0,2°/o Bor und gegebenenfalls bis 3 °/o Niob, bis
3,5 °/o Molybdän, bis 1,5 °/o Silicium sowie bis 5 °/o Nickel und/oder Eisen, Rest
Kobalt einschließlich Verunreinigungen.
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Es ist bereits eine Kobalt-Chrom-Wolfram-Molybdän-Eisen-Legierung
(britische Patentschrift 780 007) für Arbeitstemperaturen bis 900'C bekanntgeworden,
die zusammengesetzt ist aus 15 bis 22 0/, Chrom, 2 bis 60/, Wolfram, 0,2
bis 0,60/() Kohlenstoff, 45 bis 70 °/o Kobalt, 1 bis 6 °/o Tantal oder Niob, 2 bis
6 °/o Molybdän, 0,3 bis 0,6 °/o Silicium, 0,5 bis 1,5 °/o Mangan und bis 0,05
% Bor. Die besten Legierungen aus diesen Bereichen mit günstigsten Zeitstandverhalten
fallen durch ihren hohen Molybdängehalt auf. Es ist andererseits bekannt, daß molybdänhaltige
Legierungen Arbeitstemperaturen über 850°C nicht zulassen. Diese Legierungen können
also nicht im strengen Sinne des Wortes als besonders hoch warmfest und oxydationsbeständig
bezeichnet werden.
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Aus der -französischen Patentschrift 1027 064 ist eine hoch
warmfeste, korrosionsbeständige Legierung mit 1,01 bis 3 °/o Kohlenstoff, bis 2
°/o Silicium, bis 2 °/o Mangan, bis 20 °/o Nickel, 20 bis 70 °/o Kobalt, 10 bis
300/, Chrom, bis 0,5 °/o Bor, bis 100/0 Vanadium, bis 10 °/o Wolfram, bis
10 °/o Molybdän, bis 6 °/o Niob, wobei die Summe von Vanadium -I- Wolfram + Molybdän
-i- Niob 6,7 bis 16°/o betragen soll, sowie bis 2 °/o Titan, bis 10 °/o Tantal,
0,5 bis 25 °/o Eisen bekannt.
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Der Vergleich der Warmfestigkeit, also der Werte für die Zeitstandfestigkeit
bei unterschiedlichen Prüfspannungen und unterschiedlichen Temperaturen von zwei
verschiedenen Werkstoffen, ist bisher auf große Schwierigkeiten gestoßen; es gibt
keine exakte Vergleichsmöglichkeit. Eine Entwicklung geht dahin einen Vergleich
mit Hilfe des »Larson-Miller-Diagramms«, zu erleichtern (s. hierzu »Transactions
of the ASME« Juli 1952, S. 765 bis 775). Hier wird eine Arbeit über die Hochtemperaturbestimmungen
von Bruch- und Kriechspannungen gebracht und ein Diagramm aufgestellt, in welchem
Spannung (in psi) gegen den Parameter der Formel Temperatur - (20 -j- Logarithmus
der. Zeit bis zum Bruch) aufgetragen ist. Dieses Diagramm
gestattet
nun einen Vergleich der Warmfestigkeit oder Zeitstandfestigkeit der erfindungsgemäßen
Legierungen gegenüber den besten Legierungen aus der als nächstkommender Stand der
Technik zu berücksichtigenden französischen Patentschrift 1027 064. Aus dem
Diagramm ergibt sich, daß die Werte für die erfindungsgemäßen Legierungen wesentlich
besser liegen als die für die bekannte Legierung.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Gehalt an den Begleitelementen
der Legierung in bestimmten Grenzen zu halten. Dies gilt z. B. für Mangan,- das
vorzugsweise nicht > 2 % enthalten sein soll, so auch für Stickstoff, Wasserstoff,
Zinn und Blei, deren Gehalt möglichst niederig sein sollen. An Desoxydationsmittel
sollen maximal 0,5 °/o, und zwar in Form von Calcium oder Magnesium enthalten sein.
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Es ergab sich, daß durch Zusatz von Bör zu den Legierungen des Hauptpatents
eine weitere Verbesserung der Warmfestigkeit erreicht wird, ohne daß dies auf Kosten
der Oxydationsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit geht. Bei Borzusätzen in Mengen
über 0,20/, wird die Oxydationsbeständigkeit herabgesetzt und die Versprödung der
Legierungen begünstigt.
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Die Erfindung wird an Hand folgender Beispiele näher erläutert.
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Es wurden jeweils Prüfstäbe 76 mm lang mit einem Durchmesser von 6,4
mm nach dem - Wachsausschmelzverfahren im Hochvakuum abgegossen.
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Beispiel 1 Es wurde eine Legierung erschmolzen mit der Zusammensetzung
250/, Chrom, 100/, Wolfram, 100/,
Tantäl; 0,01"/, Bor, 0,850/,
Kohlenstoff, 0,5 °/o Silicium, 5 °/o Eisen, Rest Kobalt. Die Prüfstäbe zeigten unter
einer Prüfspannung von 86;3 kg/mm2 eine Dehnung von 0,8 °/a. An den oben hergestellten
Prüfstäben wurde die Zeitstandfestigkeit bestimmt. Man erhielt bei einer Prüfspannung
von 12 kg/mm2 bei einer Temperatur von 982°C eine Zeitstandfestigkeit über 7,5 Stunden,
bei einer Prüfspannung von 5,66 kg/ mm2 bei einer Temperatur von 1093'C an Luft
eine solche von 7 Stunden. Eine Verzunderung in strömender Luft bei 1093°C nach
100 Stunden wurde nicht festgestellt, bei 1149'C war nach 24 Stunden eine Oxydation
je Seite und Stunde in einer Tiefe von 0,5 @, feststellbar. Beispiel 2 Aus einer
Legierung mit 22 °/a Chrom, 8 °/o Wolfram, 80/, Tantal, 0,20/, Bor, 0,70/,
Kohlenstoff, 0,20/, Silicium, 10/, Nickel, 10/0 Eisen, 2,50/, Molybdän,
Rest Kobalt wurden Prüfstäbe hergestellt. Unter einer Prüfspannung von 83,4 kg/mm2
betrug die Dehnung 2°/0. Die Zeitstandfestigkeit unter einer Prüfspannung von 14,3
kg/mm2 bei einer Temperatur von 871°C an Luft betrug > 100 Stunden, bei einer Prüfspannung
von 10,6 kg/mm', bei einer Temperatur von 927°C an der Luft > 90 Stunden.