DE1252907B - Verfahren zur Waermebehandlung von Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES JMTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 40 d-1/10

Nummer: 1 252 907

Aktenzeichen: W 39517 VI a/40 d

1 252 907 Anmeldetag: 10.Juli 1965

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmebehandlung für Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, die als Hauptlegierungsbestandteile noch Titan, Aluminium, Niob, Molybdän und etwas oder gar kein Eisen enthalten. Legierungen dieser Art sind in einem älteren Vorschlag, der noch nicht zum Stand der Technik gehört, beschrieben und beansprucht. Dabei wurde darauf hingewiesen, daß sie alterungshärtbar sind und vor dem Altern ein Lösungsglühen erforderlich ist, beispielsweise bei 600 bis 850° C, um optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen, insbesondere gute Streckfestigkeiten bei erhöhten Temperaturen bis etwa 600° C Um eine größtmögliche Streckfestigkeit zu erzielen, ist es nach dem älteren Vorschlag erforderlich, die Legierungen nach dem Lösungsglühen in Luft abzukühlen und eine doppelte Aushärtung in der Weise vorzunehmen, daß die Legierungen 2 bis 4 Stunden lang bei 750 bis 850° C geglüht, anschließend in Luft abgekühlt und wiederum 16 bis 40 Stunden lang bei 680 bis 720° C, beispielsweise bei 700° C, geglüht werden. Trotz dieser zweistufigen Wärmebehandlung ergab sich, daß die Streckgrenze geringer war, als sie für verschiedene Verwendungszwecke der Legierungen wünschenswert wäre.

Es wurde nun festgestellt, daß die Streckgrenze bei Temperaturen bis zu 600° C dadurch weiterhin verbessert werden kann, daß bestimmte Legierungen eines engeren Zusammensetzungsbereiches einer Wärmebehandlung unterworfen werden, die im wesentlichen aus einer Voralterung unmittelbar im Anschluß an das Lösungsglühen besteht.

Die für die zuvor beschriebene Wärmebehandlung geeigneten Legierungen enthalten 0,03 bis 0,09% Kohlenstoff, 14 bis 22% Chrom, 10 bis 20% Kobalt, 4 bis 6,5% Molybdän, 4 bis 5,7% Niob, 0 bis 0,3% Tantal, wobei der Gehalt an Niob und Tantal so eingestellt wird, daß die Gleichung

%Nb + 0,5% Ta = 4 bis 5,7

erfüllt ist, 2 bis 3,5% Titan, 0 bis 0,8% Aluminium, wobei der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium mindestens 2,5% beträgt, 0,001 bis 0,01% Bor, 0,01 bis 0,1% Zirkon, Rest, von Verunreinigungen und Desoxydationsmittelresten abgesehen, Nickel. Als Verunreinigungen können hauptsächlich Silizium, Mangan und Eisen in Gehalten von jeweils bis 1% vorliegen. Der Gesamtgehalt an Verunreinigungen und Desoxydationsmittelresten sollte jedoch 2% nicht überschreiten und vorzugsweise so niedrig wie praktisch möglich sein. Insbesondere ist es Verfahren zur Wärmebehandlung von Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen

Anmelder:

Henry Wiggin & Company Limited, London Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte, Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

Carol Henry White, Burley Gate, Herefordshire; William lain Mitchell,

Solihull, Warwickshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 13. Juli 1964 (28 891) -

wünschenswert, den Siliziumgehalt unter 0,3% zu halten.

Die Durchführung einer Voralterung vor der eigentlichen Alterung, die ein- oder zweistufig sein kann, ist an sich bekannt und wurde angewendet, um die Kriechfestigkeit niobfreier Hochtemperaturlegierungen zu verbessern. Der Zweck dieser Art Wärmebehandlung ist es, die schnelle Bildung von Keimen einer Ausscheidungsphase zu erreichen und danach die Alterungstemperatur langsam bis auf eine Temperatur ansteigen zu lassen, bei der die ausgeschiedenen Keime schneller wachsen. Die Legierung wird dann auf der betreffenden hohen Temperatur gehalten, bis die gewünschte Härte erreicht ist. Diese Wärmebehandlung führte zu keinem Anwachsen der Zugfestigkeit, die Kriechfestigkeit wurde jedoch verbessert.

709 679/451

Die Niob enthaltenden Legierungen nach der Erfindung unterscheiden sich in ihrem Verhalten bei der Wärmebehandlung von den niobfreien Legierungen, obgleich sie im übrigen eine ähnliche Zusammensetzung besitzen. Bei den niobfreien Legierungen ist die sich bei der Alterung bildende und die Härte im wesentlichen bedingende Phase die /-Phase, die gewöhnlich aus Ni₃(Ti, Al) und Karbiden besteht. Bei den niobhaltigen Legierungen nach der Erfindung ist die /'-Phase oder eine Modifikation derselben, die jedoch dieselbe Zusammensetzung besitzt und als /'-Phase bekannt ist, nur bei verhältnismäßig geringen Temperaturen bis etwa 700° C stabil. Bei länger andauerndem Glühen oberhalb 700° C geht die /-Phase in die jj-Phase Ni₃(Ti, Nb) über. Diese Phase bildet sich als intrakristalline Ausscheidung, während bei den niobfreien Legierungen diese j;-Phase, sofern sie sich bildet, als Netzwerk an den Korngrenzen ausscheidet. Die intrakristalline Ausscheidung der ψ Phase ist bezüglich der Härtesteigerung und einer hohen Streckfestigkeit bei erhöhten Temperaturen viel weniger bedeutungsvoll als die /-Phase. Um jedoch die Alterung in einer in der Praxis üblichen Zeit durchzuführen, ist es dennoch erforderlich, die Legierungen bei Temperaturen zu glühen, bei denen sich die f;-Phase normalerweise bildet. Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn die Legierung während einer für die Bildung von Keimen der /-Phase ausreichenden Zeit vorgealtert wird, dann bei der Alterung bei einer hohen Temperatur die Ausscheidung insgesamt oder aber zum überwiegenden Teil aus der /-Phase besteht.

Demzufolge umfaßt die Wärmebehandlung nach der Erfindung, der die Legierungen unterworfen werden, ein Lösungsglühen, Kühlen zwecks Stabilisierung der Lösung und anschließendes Glühen bei Temperaturen von 550 bis 700° C zur Erzeugung einer feinen Ausscheidung der /- oder /'-Phase ohne eine nennenswerte Menge der ^-Phase sowie schließlich eine Alterung der Legierung bei einer höheren Temperatur.

Die genaue Dauer und Temperatur des Lösungsglühens ist nicht entscheidend, vorausgesetzt, daß ein Anschmelzen der Legierung vermieden wird. Das Lösungsglühen kann etwa im Temperaturbereich von 900 bis 1200° C während eines Zeitraums von ¹A» bis 8 Stunden erfolgen. Um eine im wesentlichen vollständige Lösung aller ausscheidbaren intermetallischen Phasen zu erreichen, beträgt die Glühtemperatur vorzugsweise mindestens 1050° C, beispielsweise 1100 bis 1150° C Bei niedrigeren Temperaturen erfolgt lediglich eine teilweise Lösung dieser Phasen, doch kann dies auch vorteilhaft sein, wenn man den festigkeitserhöhenden Einfluß einer voraufgegangenen Kaltverformung erhalten will.

Bei der Voralterung darf die Glühtemperatur nicht so hoch sein, daß sich an Stelle der /-Phase Keime der j;-Phase bilden, während, wenn die Glühtemperatur zu niedrig liegt, eine für die Keimbildung der /-Phase zu lange Zeit erforderlich ist. Aus diesem Grund erfolgt die Voralterung bei 550 bis 700° C, wobei die Dauer der Voralterung zwischen 5 Minuten und 16 Stunden liegen sollte; im Fall niedrigerer Temperaturen ist eine längere Glühzeit erforderlich. Die Voralterung findet vorzugsweise bei 630 bis 670° C statt und dauert ¹U bis 8 Stunden, beispielsweise 4 Stunden bei 650° C Nach einer derartigen Voralterung war bei der elektronenmikroskopischen

Untersuchung mittels einer dünnen Trägerfolie gerade noch eine extrem feine Ausscheidung der /-Phase feststellbar.

Der Voralterung schließt sich die eigentliche Alterung an, deren Zweck es ist, das weitere Wachsen der /-Phase an den bei der Voralterung gebildeten Keimen zu erreichen. Die Alterungstemperatur muß deswegen hoch genug sein, um dieses Keimwachstum in einer annehmbaren Zeit durchzuführen, darf

ίο jedoch nicht so hoch sein, daß sich die ^-Phase ausscheidet. Aus diesem Grund beträgt die Alterungstemperatur vorzugsweise 750 bis 850° C. Während die Alterung bei dieser Temperatur in einer Stufe abgeschlossen werden kann, wird das Glühen vorzugsweise nicht so lange fortgesetzt, bis die Endhärte und -festigkeit erreicht sind, weil, wenn die Alterung bei einer niedrigeren Temperatur beendet wird, bei einer zweiten Alterung höhere Härte- und Festigkeitswerte erreicht werden können. Demzufolge werden die Legierungen vorteilhafterweise 2 bis 5 Stunden lang bei 750 bis 850° C, beispielsweise 4 Stunden lang bei 800° C gealtert. Dem schließt sich dann eine zweite Alterung von 4 bis 40 Stunden bei 680 bis 720° C an, beispielsweise 16 Stunden lang bei 700° C.

Nach jeder Behandlungsstufe kann die Legierung entweder in Luft abgekühlt oder in Öl oder Wasser abgeschreckt und anschließend auf die Temperatur der nächsten Behandlungsstufe gebracht oder gegebenenfalls auch direkt in einen Ofen der Temperatur der nächsten Behandlungsstufe gelegt werden. Die Abkühlung zwischen dem Lösungsglühen und der Voralterung sollte nicht langsamer als in Luft erfolgen, weil dies sonst zur Ausscheidung der Tj-Phase führen könnte.

Die Erfindung läßt sich mit besonderem Vorteil bei solchen Legierungen anwenden, die in engeren Gehaltsgrenzen liegen als die obenerwähnten. Diese Legierungen enthalten 0,04 bis 0,09% Kohlenstoff, 18 bis 22 % Chrom, 13 bis 15% Kobalt, 4 bis 6,5% Molybdän, 2,1 bis 2,75% Titan, 0,3 bis 0,8% Aluminium, wobei der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium mindestens 2,5% beträgt, 4,7 bis 5,3 % Niob, 0,001 bis 0,01% Bor und 0,01 bis 0,1% Zirkonium, Rest, von Verunreinigungen abgesehen, Nickel.

Eine solche Legierung wurde in Luft erschmolzen und anschließend in Vakuum raffiniert, d. h., sie wurde im schmelzflüssigen Zustand unter Vakuum erhitzt. Die Analyse dieser Legierung ergab 0,05% Kohlenstoff, 19,9% Chrom, 2,36% Titan, 5,05% Niob, 0,55% Aluminium, 14,3% Kobalt, 4,47% Molybdän, 0,0015% Bor und 0,035% Zirkon, Rest Nickel und Verunreinigungen. Gegossene Blöcke der Legierung wurden zu Knüppeln mit einem Durchmesser von 15,9 mm warmgewalzt. Teilstücke des Knüppels wurden verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen, und aus dem wärmebehandelten Knüppel hergestellte Probestücke wurden im Zug- und Zeitstandversuch bei 575° C untersucht.

Die Wärmebehandlung bestand zunächst aus einem IVi- bis 2stündigen Lösungsglühen bei 1130° C, Abschrecken in Wasser, 4stündigen Altern bei 800° C, Abkühlen in Luft, anschließenden 16stündigen zweiten Altern bei 700° C und wiederum Abkühlen in Luft. Zwischen dem Lösungsglühen und dem Altern wurden die Probestücke verschieden lange Zeiten bei 650° C geglüht und anschließend in Luft abgekühlt. Die dabei ermittelten Versuchsergebnisse sind nachfolgend wiedergegeben.

Claims (6)

ProbestückCrlüti7eitbei 650° Cin Stunden0,10OStreckfestigkeitkg/mm20,2%Streckfestigkeitkgmm2Zugfestigkeitkg/mm2Dehnung VoEinschnürung%Belastungkg/mm2PlastischeDehnung nach100 Stundenu/oί1OÖ,Uon 3ιζζ,υon πIS.o /, /η πα21123 824 32667 00,063284,089,2120J25J3270,90,064286,292,2122,120,72070,90,065486,391,4122,123,62670,90,056487,390,5122,022,92770,90,047886,992,0120,617,12570,90,058886,791,9123,623,62970,90,089081,187,2119,627,93070,90,0210078,884,2112,515,02170,90,03 Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die technologischen Eigenschaften der Legierung infolge der Voralterung gleichmäßiger sind, d. h., der Streubereich ist verringert. Die erfindungsgemäß wärmebehandelten Legierungen sind besonders geeignet für die Herstellung von Rotorschaufeln für Gasturbinen und anderen Gegenständen, die ähnliche Eigenschaften erfordern. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit 0,03 bis 0,09% Kohlenstoff, 14 bis 22% Chrom, 10 bis 20% Kobalt, 4 bis 6,5% Molybdän, 4 bis 5,7% Niob, 0 bis 0,3% Tantal, wobei die Gehalte an Niob und Tantal so eingestellt sind, daß die Gleichung

%Nb + 0,5% Ta = 4 bis 5,7

erfüllt ist, 2 bis 3,5% Titan, 0 bis 0,8% Aluminium, wobei der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium wenigstens 2,5% beträgt, 0,001 bis 0,01% Bor, 0,01 bis 0,1% Zirkon, Rest, von Verunreinigungen und Desoxydationsmittelresten abgesehen, Nickel, dadurchgekennzeichn e t, daß die Legierung lösungsgeglüht und zur Stabilisierung der Lösung abgekühlt sowie anschließend zur Erzeugung einer feinen Ausscheidung der /-Phase oder /'-Phase ohne eine merkliche Menge an ??-Phase bei 550 bis 700° C geglüht und anschließend bei höherer Temperatur gealtert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen bei 1050 bis 1150° C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterung bei einer Temperatur von 750 bis 850° C erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterung abgebrochen wird, ehe die endgültige Härte und Festigkeit erreicht ist, und daß eine weitere Alterung bei einer geringeren Temperatur durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Alterung 2 bis 5 Stunden lang bei 750 bis 850° C und die zweite Alterung 4 bis 40 Stunden lang bei 680 bis 720° C erfolgt.

6. Anwendung des Verfahrens zur Wärmebehandlung nach den Ansprüchen 1 bis 5 auf eine Legierung gemäß Anspruch 1, bestehend aus 0,04 bis 0,09% Kohlenstoff, 18 bis 22% Chrom, 13 bis 15% Kobalt, 4 bis 6,5% Molybdän, 2,1 bis 2,75% Titan, 0,3 bis 0,8% Aluminium, wobei der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium 2,5 % übersteigt, 4,7 bis 5,3 % Niob, 0,001 bis 0,01 % Bor, 0,01 bis 0,1% Zirkon, Rest, von Verunreinigungen abgesehen, Nickel.

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