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Die Erfindung betrifft Eisenlegierungen, die für Zwecke bestimmt sind,
bei denen es auf Verschleißfestigkeit bei mäßig hohen Temperaturen ankommt.
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Die besondere Eigenschaft der Verschleiß- und Abriebfestigkeit ist
bei Maschinen- und Bauteilen erforderlich, die der ständigen Reibungswirkung anderer
beweglicher Teile ausgesetzt sind. Sehr häufig muß für den Betrieb einer Maschine
und ihr genaues Arbeiten der Verschleiß, der die Maße von Maschinenteilen verändert,
minimal sein. Lager, Ventile, Führungen und andere Teile von Dampf- und Gasturbinen,
Energieversorgungsanlagen, Betriebsreaktoren, Kernreaktoren usw. müssen in dieser
Hinsicht zuverlässig sein. Auf Grund der Notwendigkeit der Verschleißfestigkeit
bei vielen der genannten Anwendungszwecke wurden Legierungen entwickelt, die diese
Eigenschaft in besonderem Maße aufweisen.
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Besonders groß ist der Bedarf an verschleißfesten Legierungen für
den Einsatz im sogenannten »Anlaßbereich«, d. h. bei Temperaturen von 425 bis 595'C.
Viele gewöhnliche Werkstoffe auf Eisenbasis haben zwar genügend Härte bei Raumtemperatur,
behalten diese aber nicht in genügendem Maße bei Temperaturen oberhalb von 425°C.
Die sogenannten »Superlegierungen« sind gewöhnlich auf die Verwendung bei Temperaturen
abgestellt, die weit über 595'C liegen, so daß eine Lücke besteht, die nur zum Teil
durch die bei mäßig hoher Temperatur verschleißfesten Legierungen ausgefüllt wird,
von denen viele auf Kobalt basieren oder große Mengen Wolfram, Chrom oder Mangan
enthalten. Diese Legierungen sind gewöhnlich teuer und enthalten hohe Anteile an
strategisch wichtigen Metallen. In Tabelle 1 ist die Zusammensetzung mehrerer bei
mäßig hoher Temperatur verschleißfester Legierungen in Gewichtsprozent angegeben.
| Tabelle 1 |
| Verschleißfeste Legierungen |
| 1 Legierung B 1 Legierung C Legierung D |
| Cr .......... 4 30 22 |
| Fe .......... Rest max. 2,5 Rest |
| C ........... 0,75 2,0 0,53 |
| Si .......... 0,30 max. 0,5 max. 1,0 |
| Co .......... - Rest - |
| Mo .......... - max. 0,8 - |
| V ........... 1 4 - |
| B ........... - 1,2 - |
| W .......... 18 18,5 - |
| Ni .......... - 3,5 4 |
| Mn.......... 0,20 max. 0,25 9 |
| N .......... - - 0,4 |
Legierung B ist eine Eisenlegierung, deren Härte besonders durch Wolfram bedingt
ist. Legierung C ist eine Kobaltlegierung, die bei Temperaturen oberhalb von 816°C
hohe Härte und Verschleißfestigkeit hat. Legierung D ist eine manganreiche Eisenlegierung
von guter Verschleißfestigkeit bei Temperaturen bis zu 870°C.
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Die Härte dieser Legierungen bei hohen Temperaturen ist in der Zeichnung
graphisch dargestellt. Eine weitere Klasse von ausgezeichneten Legierungen (beschrieben
in USA.-Patentschrift 1729 154) bilden verschleißfeste Legierungen, die 13
bis 40 °/o Molybdän oder Wolfram, 5 bis 20°/o Chrom, 14 bis 75 °/a Eisen, 0,5 bis
3 °/o Vanadin, 0,3 bis 2 °/o Silicium, 4 bis 200/0 Nickel oder Kobalt, 0,5 bis 41)/,
Mangan und 0,85 bis 3,5 °/o Kohlenstoff enthalten. Legierungen dieser Zusammensetzung
haben ausgezeichnete Härte bei hohen Temperaturen, eignen sich jedoch aus den nachstehend
dargelegten Gründen nicht für die Zwecke der Erfindung.
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Die vorstehend genannten Legierungen eignen sich - abgesehen von ihren
hohen Kosten und ihrem hohen Gehalt an strategisch wichtigen Metallen -nicht für
einen sehr wichtigen Zweck, nämlich zur Verwendung in Kernreaktoren und ähnlichen
Vorrichtungen, weil sie einen hohen Gehalt an unerwünschten Elementen haben. Als
Folge des Neutronenbeschusses in einem Kernreaktor werden viele Werkstoffe radioaktiv
und sind dann gefährlich bei der Handhabung, Wartung oder Reparatur. Bei der Wahl
von Werkstoffen zur Verwendung in Kernreaktoren werden solche bevorzugt, die überhaupt
nicht radioaktiv werden, deren Radioaktivität schwach ist und die keine Gammastrahlen
aussenden oder die eine kurze Halbwertszeit haben. Die »Halbwertszeit« ist ein Maß
für die Aktivität einer radioaktiven Substanz, und ein Werkstoff von kurzer Halbwertszeit
ist weniger gefährlich als ein Werkstoff, der die gleichen Strahlen abgibt, aber
eine längere Halbwertszeit hat. Die Elemente Nickel, Bor, Wolfram, Kobalt und Mangan
haben eine lange Halbwertszeit und senden gefährliche Strahlen aus, wenn sie dem
NeutronenbeschuB unterworfen werden. Besonders gefährlich ist in dieser Hinsicht
das Element Kobalt. Durch Neutronenbeschuß von Kobalt bildet sich Kobalte°, das
eine induzierte Radioaktivität in Form von energiereichen Gammastrahlen und die
extrem lange Halbwertszeit von 5,3 Jahren aufweist. Hieraus ergibt sich, daß eine
für Atomenergiezwecke geeignete verschleißfeste Legierung nur eine minimale Menge
dieser Elemente und insbesondere nur ein absolutes Minimum an Kobalt enthalten darf.
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Leider sind die Elemente Wolfram, Nickel, Mangan und insbesondere
Kobalt' die allgemein verwendeten Härter für verschleißfeste Legierungen einschließlich
der obengenannten bekannten Legierungen und der in der USA.-Patentschrift 1729154
genannten Legierungen. Da ferner die Tätigkeit eines Kernreaktors auf der Absorption
eines Neutrons durch einen Brennstoffkern unter Zerfall des dann instabilen Kerns
durch Spaltung und unter Wärmeentwicklung beruht, ist es wesentlich, daß die Neutronen
im System für diese Wechselwirkungen zwischen Neutronen und Kern erhalten bleiben.
Werkstoffe, die Neutronen zu absorbieren pflegen, sind allgemein beim Bau von Kernreaktoren
zu vermeiden.
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Das Hauptziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer verschleißfesten
Legierung zur Verwendung bei Temperaturen bis zu 593'C, die sich auf Grund ihrer
Eigenschaften zur Verwendung für Atomenergiezwecke eignet.
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Gegenstand der Erfindung sind Legierungen, die gewichtsmäßig im wesentlichen
folgende Zusammensetzungen haben: 15,5 bis 18,5°/o Chrom, 14,5 bis 17,5°/o Molybdän,
2,8 bis 3,25°/o Kohlenstoff, 0,5 bis 1,501, Silicium, maximal bis zu
1,750/, Nickel, bis zu 100/, Kobalt, maximal bis zu 0, 5 °/o Mangan und 2,00/,
Vanadin, Rest im wesentlichen ausschließlich Eisen und zufällige Verunreinigungen.
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In der Zeichnung ist die Härte dieser als »Legierung A« bezeichneten
Legierung sowie einiger bekannter
Legierungen der beschriebenen
Art in Abhängigkeit von der Temperatur graphisch dargestellt.
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Chrom ist mit 15,5 bis 18,5 °/o in der Legierung anwesend, um sie
korrosions- und oxydationsbeständig bzw. zunderfest zu machen.
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14,5 bis 17,5"/, Molybdän bewirken hauptsächlich hohe Härte und Festigkeit
bei hoher Temperatur. Kohlenstoff ist wichtig für die Bildung von Carbiden und ist
in Mengen von 2,8 bis 3,25 Gewichtsprozent vorhanden.
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Silicium verbessert die Dünnflüssigkeit, Gießbarkeit und Schweißbarkeit
der Legierung. Vorzugsweise wird Silicium in Mengen von 0,50 bis 1,3 Gewichtsprozent
angewendet.
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Verunreinigungen können in den Eisenlegierungen in Mengen bis zu 5
°/o anwesend sein. Nickel und Kobalt sind auf weniger als 1,0 °/o Kobalt und weniger
als 1,75 °/o Nickel zu begrenzen. Mangan ist ein Restelement der üblichen metallurgischen
Prozesse und kann in Mengen bis zu 0,5 °/o anwesend sein, die jedoch so gering wie
möglich zu halten sind. Die Mengen anderer Verunreinigungen, wie Niob, Tantal, Bor,
Mangan, Schwefel, Phosphor, sind so niedrig wie möglich zu halten.
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Die wichtigen Bestandteile der Legierung gemäß der Erfindung, d. h.
Chrom, Molybdän, Kohlenstoff, Silicium und Eisen, haben zufriedenstellende nukleare
Eigenschaften, um für Atomenergiezwecke verwendet werden zu können. Diese Elemente
haben entweder verhältnismäßig kurze Halbwertszeiten oder werden in kleinen, sicheren
Mengen gebraucht. Darüber hinaus haben diese Elemente einen kleinen Wirkungsquerschnitt
für die Absorption von Neutronen. Der in Barn gemessene mikroskopische Einfangquerschnitt
der genannten Elemente für die Absorption von thermischen Neutronen ist folgender:
Chrom 2,9, Molybdän 2,4, Kohlenstoff 0,0045, Silicium 0,13, Eisen 2,4. Die Wirkungsquerschnitte
der obengenannten Elemente mit langer Halbwertszeit sind viel größer: Wolfram 19,
Kobalt 37, Mangan 13, Bor 750, Nickel 4,5.
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Bei Raumtemperatur trägt die Anwesenheit von Vanadin nicht nennenswert
zur Härte bei. Bei Verwendung bei hohen Temperaturen muß die Legierung 2 °/o Vanadin
enthalten.
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Obwohl die üblicherweise verwendeten Härter, wie Wolfram, Kobalt usw.,
in der erfindungsgemäßen Legierung fehlen, hat diese ausgezeichnete Härte und Verschleißfestigkeit
bei hoher Temperatur. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, hat sie (Legierung A) in
dem wichtigen Temperaturbereich von 415 bis 595'C eine höhere Härte als die bekannten
Legierungen B, C und D. Zwar gibt es verschleißfeste Legierungen der gleichen allgemeinen
Härte, z. B. die Legierungen der genannten USA.-Patentschrift, jedoch enthalten
diese zu hohe Kobaltmengen. Es ist eine unerwartete Verbesserung gegenüber bekannten
Legierungen, daß Härten, die höher sind als die der Legierungen B, C und D, ohne
Zusatz von Kobalt oder Wolfram zur Legierung erreicht werden können. Die Härte der
Legierung ohne Zusatz von Wolfram, Kobalt, Mangan oder Nickel ist auf eine hochlegierte
Matrix mit feinem Karbidgefüge zurückzuführen. Da Kobalt in der Legierung fehlt,
kann sie in Kernreaktoren verwendet werden und stellt einen Werkstoll' mit niedrigem
Gehalt an strategisch wichtigen Metallen dar.
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In der bevorzugten Zusammensetzung besteht die Legierung im wesentlichen
aus 17 °/o Chrom, 16 °/o Molybdän, 3 °/o Kohlenstoff, 0,80 °/o Silicium, weniger
als 0,2 °/o Kobalt, 2 °/o Vanadin, Rest im wesentlichen ausschließlich Eisen.
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Als Beispiel für erfindungsgemäße Legierungen wurden die in Tabelle
2 genannten Proben hergestellt, wobei sich die Abweichungen im Vanadingehalt vom
Sollwert innerhalb des herstellungsüblichen Toleranzbereiches bewegen (Gehalt in
°/o).
| Tabelle 2 |
| Legierung Nr. |
| 1 2 3 4 5 |
| I |
| Cr 16,79 16,69 17,14 17,62 17,60 |
| Fe Rest Rest Rest Rest Rest |
| C 2,94 2,75 2,96 2,98 2,78 |
| Si 0,68 0,76 0,86 0,73 0,58 |
| Co <0,2 <0,2 <0,2 ' <0,2 <0,2 |
| Mn 0,22 0,18 0,12 0,10 0,14 |
| V 2,12 1,91 i 2,11 2,07 1,91 |
| Mo 15,94 15,05 16,06 15,56 16,06 |
| P 0,001 ; 0,0041 0,009 0,008 |
| S 0,016 j 0,017 0,017 :; 0,010l - |
| Ni 0,48 - - - 0,45 |
Die durchschnittlichen Eigenschaften der Legierun-;en bei Raumtemperatur sind in
Tabelle 3 genannt.
| Tabelle 3 |
| Mechanische Eigenschaften |
| Zugfestigkeit ........... . . . . . ... 55,47
kg/mmE |
| Dehnung bei 2,54 cm Meßlänge ... 1,0°/o |
| Einschnürung ................... 2,00/, |
Die in Tabelle 3 aufgeführten Proben wurden einer Wärmebehandlung unterworfen, in
der sie 1 Stunde bei 1066°C gehalten, dann mit Luft gekühlt und 1 Stunde bei
191'C angelassen wurden. Diese Wärmebehandlung ist im allgemeinen jedoch
nicht erforderlich, um die Härte der Legierung auszubilden, wie sich aus den Werten
der Tabelle 4 ergibt.
| Tabelle 4 |
| Härte und Schlagfestigkeit nach Wärmebehandlung |
| Schlagfestigkeit |
| Härte, der ungekerbten |
| Warmbehandlung Rockwell C Probe im |
| Charpy-Test, |
| kg/m |
| I. 1 Stunde bei 1066°C, |
| Abkühlen an der Luft, |
| 1 Stunde Anlassen bei |
| 191 ° C ................. 66 bis 68 0,69 bis 0,83 |
| ll. 1 Stunde bei 1066'C, |
| Abkühlen an der Luft, |
| 2 Stunden Anlassen bei |
| 482°C ................. 68 bis 70 0,56 bis 0,97 |
| 111. 1 Stunde bei 1107°C, |
| Abkühlen an der Luft, |
| 1 Stunde Anlassen bei |
| 191 ° C ................. 66 bis 67 0,69 bis 0,97 |
| IV. 1 Stunde bei 1121'C, |
| Abkühlen an der Luft, |
| 1 Stunde Anlassen bei |
| 482°C ................. 65 bis 66 0,69 bis 0,97 |
| Gegossene Probe ohne |
| Warmbehandlung ....... 65 bis 66 0,69 bis 0,97 |
Die Ergebnisse der Prüfungen in Tabelle 4 lassen erkennen, daß
die Härteeigenschaften der Legierung durch die Warmbehandlung nicht nennenswert
beeinflußt werden. Eine aus 1- bis 4stündigem Erhitzen auf 191 bis 593'C bestehende
Wärmebehandlung kann jedoch angewendet werden, um beim Gießen oder Schweißen eingeführte
Spannungen zu beseitigen.
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Die Legierung kann nach den üblichen metallurgischen Verfahren hergestellt
werden. Gewöhnlich wird sie zu Teilen der gewünschten Form gegossen. Die Legierung
kann auch als Schweißstab oder -pulver hergestellt werden.
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Die Legierung hat ausgezeichnete Schweißeigenschaften. In Tabelle
5 sind die Ergebnisse verschiedener Schweißversuche genannt, in denen Schweißraupen
gelegt und Schweißverbindungen hergestellt wurden. Die festgestellten Eigenschaften
wurden nach der Leichtigkeit des Auftrags, der Porigkeit und dem allgemeinen Aussehen
der Schweißauflage bewertet. Die Rockwell-C-Härte der Schweißauflage betrug im Durchschnitt
61 bis 64. Eine der hervorragenden Schweißeigenschaften der Legierung ist die ausgezeichnete
Annahme durch das Grundmaterial während des Schweißens und der Oberflächenhärtung
durch Auftragschweißung. Eine Absonderung von Verbindungen oder Elementen während
des Gießens oder Schweißens findet nicht statt.
| Tabelle 5 |
| Schweißeigenschaften |
| Benetzbarkeit Allgemeine |
| Eigenschaften |
| Legierung A ...... ausgezeichnet sehr gut |
| Legierung B ...... schlecht schlecht |
| Legierung C ...... gut sehr gut |
| Legierung D ...... gut sehr gut |
Die Legierung hat außerdem eine verhältnismäßig hohe Korrosions- und Oxydations-
bzw. Zunderfestigkeit.