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Es ist ein Typ von Kobaltlegierungen mit folgender Zusammensetzung
bekannt: 4 bis 30% Chrom, 0 bis 30% Nickel, 35 bis 909/o Kobalt, 0,0005 bis 0,05%
Bor und/oder 0,005 bis 0,59/o Zirkonium, bis zu 0,5% Kohlenstoff, 0 bis 3,09/o Mangan,
0 bis 3,0% Silicium, 0 bis 30% Eisen sowie weiteren möglichen Zusätzen einzeln oder
zu mehreren an Titan, Aluminium, Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal und Vanadium, ebenfalls
in sehr weiten Gehaltsgrenzen. Die bekannten Kobaltlegierungen dieses Legierungstyps
zeichnen sich durch gute Warmfestigkeit, Dauerstandfestigkeit und Duktilität aus
und können auch oxydationsbeständig sein.
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Es ist auch bereits bekannt, Kobaltlegierungen mit einem verhältnismäßig
hohen Chromgehalt für Gegenstände zu verwenden, die hohen Temperaturen in einer
Oxydation und Korrosion bewirkenden Atmosphäre ausgesetzt werden, insbesondere zur
Herstellung von Bauelementen für Gasturbinen. Eine Erhöhung des Chromgehalts von
Kobaltlegierungen über etwa 259/o hat jedoch eine unerwünscht hohe Zunderbildung
zur Folge.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß eine Legierung aus 0,1 bis 0,6%
Kohlenstoff, 27 bis 35%Chrom, 6 bis 8% Wolfram, 9,3 bis 11,59/o Nickel, bis 0,05%
Bor, bis 61/o Eisen, bis 1,0'% Mangan als Verunreinigung, Rest Kobalt einschließlich
der unvermeidbaren Verunreinigungen, wie Phosphor, Schwefel, Silicium u. dgl., sich
nicht nur durch gute Warmfestigkeit und Duktilität bei hohen Temperaturen auszeichnet,
sondern darüber hinaus auch äußerst beständig gegen Korrosion und Oxydation ist
und sich weiterhin auch durch gute Verschweißbarkeit auszeichnet. Dies gilt besonders
für eine Legierung aus 0,17% Kohlenstoff, 31,80% Chrom, 7,69% Wolfram, 9,79/o Nickel,
0,0073% Bor, 0,99% Eisen, Rest Kobalt einschließlich der unvermeidbaren Verunreinigungen,
sowie für eine Legierung aus 0,19'% Kohlenstoff, 27,6% Chrom, 7,5% Wolfram, 9,39/0
Nickel, 0,00699/o Bor, 5,6% Eisen, Rest Kobalt, einschließlich der unvermeidbaren
Verunreinigungen.
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Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Legierung
der vorgenannten Zusammensetzung bzw. der bevorzugten Legierungen als Werkstoff
zur Herstellung von Gegenständen, die hochwarmfest und gleichzeitig beständig gegen
Oxydation und Korrosion durch heiße Verbrennungsgase sein müssen.
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Die Bestandteile der erfindungsgemäß verwendeten Legierung sind sorgfältig
aufeinander abgestimmt. . Abweichungen von den angegebenen Gehaltsgrenzen ergeben
Legierungen, denen eine oder mehrere wesentliche Eigenschaften fehlen. Wird z. B.
der Kohlenstoffgehalt unter den vorgeschriebenen Betrag gesenkt, so führt dies zu
einem unerwünschten Verlust an Festigkeit. Wenn andererseits der Kohlenstoffgehalt
über die angegebene Grenze erhöht wird, so werden die Verschweißbarkeit des Materials
sowie die Bruchdehnung und auch die Oxydationsbeständigkeit erheblich herabgesetzt.
Eine Verringerung i des Chromgehalts unter den angegebenen Betrag führt zu einem
schädlichen Verlust an Oxydationsbeständigkeit, während Erhöhungen des Chromgehalts
über die vorgeschriebene Grenze verminderte Duktilität zur Folge haben und nur eine
sehr geringe Er- i höhung der Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit mit sich bringen,
deren Bedeutung durch den Verlust an Duktilität mehr als aufgehoben wird. Der Gehalt
an Nickel, Wolfram und Eisen scheint für die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit
nicht besonders kritisch zu sein, es ist jedoch auf Grund der mechanischen und physikalischen
Eigenschaften der Legierung zweckmäßig, die angegebenen Grenzen einzuhalten. Gegebenenfalls
zugesetztes Bor verleiht der Legierung Duktilität, bei einem Erhöhen des Borgehalts
über den angegebenen Wert entstehen jedoch leicht schädliche niedrigschmelzende
Phasen in der Legierung. Kobalt trägt bekanntlich zur Beständigkeit gegenüber Sulfidbildung
und Oxydation bei. In den Legierungen sind verschiedene Verunreinigungen enthalten.
Mangan kann in Mengen bis zu etwa 1,00 % geduldet werden, es wird aber in keinem
Fall absichtlich hinzugefügt. Weitere Verunreinigungen, wie Phosphor und Schwefel,
werden jeweils auf höchstens 0,04% gehalten.
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Die Erfindung wird im folgenden von Beispielen näher erläutert.
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Beispiel 1 Eine Legierung wurde hergestellt und chemisch analysiert.
Sie bestand aus 0;17% Kohlenstoff, 31,8% Chrom, 9,7% Nickel, 7,691/o Wolfram, 0,999/o
Eisen, 0,0073% Bor, 0,54% Mangan, etwa 0,01% Phosphor und Schwefel als Verunreinigungen;
Rest im wesentlichen Kobalt. Die Legierung wurde in zylindrische Stäbe von etwa
3 X 12,5 cm gegossen, von denen Proben von einem Durchmesser von 2,5 cm und 1,5
mm Dicke zu Prüfzwecken abgeschnitten wurden. Diese Proben wurden mit einer bekannten
Legierung verglichen, die aus 0,23% Kohlenstoff, 25,5%.Chrom, 10,5% Nickel, 6,9%
Wolfram, 0,82'-% Eisen, etwa 0,0079/o Bor, 0,54% Mangan und jeweils etwa 0,02% Phosphor
und Schwefel als Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Kobalt, bestand. Die Legierung
nach Beispiel 1 weist einen höheren Chromgehalt auf als die bekannte Legierung,
da sich herausstellte, daß die hier angegebenen größeren Chrommengen der Legierung
unerwartete, vorteilhafte Eigenschaften verleihen. Wenn die Kanten von Probestücken
der Legierung nach Beispiel 1 und der bekannten Legierung dem Verbrennungsgasstrom
in einer kleinen Brennervorrichtung (in dem die tatsächlichen Arbeitsbedingungen
von Gasturbinen simuliert wurden) bei einer Temperatur von 1100° C ausgesetzt wurden,
wobei in dem Brenner Naturgas mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 50:1 verbrannt
wurde, betrug die Korrosion der bekannten Legierung infolge von Oxydation pro Seite
nach 600 Stunden 0,37 mm. Die Legierung gemäß Beispiel 1 wies jedoch nach 594 Stunden
eine Korrosionseinwirkung von nur 0,19 mm je Seite auf. Nach 984 Stunden zeigte
die bekannte Legierung eine Korrosionseinwirkung von 0,52 mm, während die Legierung
nach Beispiel 1 selbst nach 2553 Stunden nur eine Korrosionseinwirkung von 0,35
mm je Seite aufwies. Die Legierung nach Beispiel 1 bietet also hinsichtlich der
Oxydationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen gegenüber der bekannten Legierung
einen deutlichen Vorteil.
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Die Legierung nach Beispiel l und die bekannte Legierung wurden außerdem
unter sulfidbildenden Bedingungen in einem Brenner geprüft, in dem bei einer Temperatur
von 870° C mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 68:1 ein Destillationsöl, das
einen Schwefelgehalt von 3,8% hatte und dem 0,3250% Natriumchlorid zugesetzt worden
waren,
verbrannt wurde. Dadurch wird eine außerordentlich korrosive
Atmosphäre erzeugt. Bei dieser Prüfung kann sich geschmolzenes Material auf der
Vorderkante der Probe abscheiden. Die hier angegebenen Daten beziehen sich auf den
geringsten Angriff (an den Stellen, an denen sich kein geschmolzenes Material abgeschieden
hat) und den größten Angriff an den Stellen, an denen sich geschmolzenes Material
abgesetzt hat. Nach 465 Stunden Prüfdauer unter solchen Bedingungen zeigte die Probe
der bekannten Legierung eine Korrosion pro Seite von etwa 0,09 (minimal) bis 0,45
mm (maximal) auf. Die Probe aus der Legierung nach Beispiel 1 zeigte jedoch bei
den gleichen harten Bedingungen sogar nach 570 Stunden an allen Stellen je Seite
nur ein Korrosionseinwirkung von etwa 0,025 mm.
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Wie schon erwähnt wurde, zeichnen sich die erfindungsgemäß verwendeten
Legierungen nicht nur durch gute Beständigkeit gegen Oxyd- und Sulfidbildung aus,
sondern sie können auch infolge ihrer guten Verschweißbarkeit leicht zu Teilen verschiedenartiger
Gestalt verarbeitet werden.
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Die Zeitstandfestigkeit der Legierung nach Beispiel 1 beträgt nach
103 Stunden bei einer Temperatur von 870° C etwa 6,7 kg/mm2, verglichen mit
dem entsprechenden Wert von 7,3 kg/mm2 der bekannten Legierung. Die Bruchdehnung
bei diesem Versuch der Legierung nach Beispiel 1 ist gleich der der bekannten Legierung.
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Beispiel 2 Es wurde eine Legierung hergestellt, die aus 0,19% Kohlenstoff,
27,6% Chrom, 9,3% Nickel, 7,5% Wolfram, 5,6% Eisen, 0,0069% Bor, 0,56% Mangan, Rest
im wesentlichen Kobalt, bestand. Diese Legierung wurde wie bei Beispiel 1 gegossen
und Probestücke von gleicher Größe davon abgeschnitten. Bei Prüfung der Beständigkeit
gegenüber Oxydation in Naturgas wie im Beispiel 1 betrug die Korrosion pro Seite
nach 594 Stunden 0,18 mm. Nach 2431 Stunden bei den obengenannten Oxydationsbedingungen
betrug die Korrosion pro Seite 0,46 mm. Die Legierung nach Beispiel 2 bietet also
gegenüber der obengenannten, bekannten Legierung einen deutlichen Vorteil. Die Zeitstandfestigkeit
des Materials nach diesem Beispiel beträgt nach 103 Stunden bei einer Temperatur
von 870° C etwa 7,3 kg/mm2, was der der bekannten Legierung entspricht. Auch die
Bruchdehnung ist gleich der der bekannten Legierung. Die Legierung nach Beispiel
2 ist ferner auch gut verschweißbar.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen zeichnen sich also besonders
durch ihre hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und ihre Korrosionsfestigkeit
gegenüber Oxydation oder Sulfidbildung bewirkenden Bestandteilen in Verbrennungsgasen
aus. Sie sind besonders gut zur Herstellung von Bauelementen von Gasturbinen, wie
Trennwände von Düsen, geeignet sowie für weitere feststehende oder sich bewegende
Teile einer solchen Anlage, die bei hohen Temperaturen Korrosionsangriffen ausgesetzt
sind. Sie können ferner gut in Öfen und anderen Anlagen, die unter ähnlichen, harten
Bedingungen arbeiten, verwendet werden, wo sie als Werkstoff für Gebläse, Läufer
u. dgl. dienen können.