DE1458405C3 - Verwendung einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung als Konstruktionsteile von mit überhitztem Dampf betriebenen Anlagen - Google Patents

Description

Dampf betriebenen Anlagen, die nach einem lOOOstün-

Patentanspriiche: digen Glühen bei 750⁰C noch eine Raumtemperatur-

Kerbschlagzähigkeit von mindestens 3,5 kpm be-

1. Verwendung einer Nickel-Chrom-Eisen-Le- sitzen müssen

eierune bestehend aus ^{In der australiscnen} Patentschrift 166 814 und der

16 bis 17°/ Chrom deutschen Auslegeschrift 1096 040 wird bereits eine

his 45°/° Fisen ' Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 4 bis 30°/₀ Chrom,

0 04 bis 0 08»/ Kohlenstoff ° ^{bis 55} °/o ^Kobalt· ° bis 40% Eisen, bis 0,5 % Kohlen-

0 7 I ? s o/^/o £°"^lenston' stoff, 0 bis 20% Molybdän, 0 bis 5 % Wolfram, 0 bis

0*7 b s 1*5 ο ° Aluminium ^{10 1} °/<> ^Niob ^a/odtT Tantal, bis 1 % Mangan, bis 2 °/₀

3 bis 3 5 ο Molybdän Silizium, 0,01 bis 0,2 % Zirkonium, 0,5 bis 8 % Titan,

bis l'°/ Kobalt ' ®'^ ^b'^s ^°^° Aluminium, Rest mindestens 40% Nickel

0 001 bis 0 009°/ Bor beschrieben. Wegen ihrer Hitzebeständigkeit und

0 01 bis o'l°/ Zirkonium Kriechfestigkeit eignet sich die bekannte Legierung

' bis 0*5 °/° Silizium ' ^{15 a}'^s Werkstoff für Gasturbinenschaufeln oder andere

ι,,·, n'co/ ΛΛ_αηη!,η' bei hohen Temperaturen stark beanspruchte Werk-

■χι w,e <;no/ M₁VU-I stucke. Über die Beständigkeit der bekannten Le-

gierung gegen Versprodung im Bereich hoher Temperaturen ist dagegen nichts bekannt.

deren Gesamtgehalt an Titan und Aluminium, bei ao Weiterhin wird in der Zeitschrift »The Iron Age«, einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 22. Januar 1959, S. 70/71 eine Legierung mit 15% 0,5 bis 4,0%, 2 bis 3,5% beträgt und so auf das Chrom, 0,05% Kohlenstoff, 3,0% Titan, 1,0% Alu-Verhältnis von Titan zu Aluminium eingestellt minium, 4,0% Molybdän, 0,01% Bor, 0,3% Silizium, ist, daß die Legierung in einem Koordinaten- 0,3% Mangan, 15% Nickel und 4% Wolfram, Rest system, auf dessen Ordinate der Gesamtgehalt an 25 Eisen, beschrieben. Diese Legierung enthält weder Titan und Aluminium und auf dessen Abszisse Kobalt noch Zirkonium, jedoch 4% Wolfram. Eine das Verhältnis von Titan zu Aluminium aufge- ähnliche kobalt- und zirkoniumfreie Legierung wird tragen ist, innerhalb eines Polygonzuges liegt, in »Alloy Digest«, Oktober 1960, beschrieben; sie dessen Eckpunkte (ABCDEF) durch die Koordi- besteht aus 14 bis 16% Chrom, 25 bis 29% Eisen, naten 30 höchstens 0,08% Kohlenstoff, 2,7 bis 3,3% Titan,

0,75 bis 1,3% Aluminium, 3,5 bis 4,5% Molybdän,

0,5 Ti/Al; 2,75 Ti+ Al (A) 0,008 bis 0,016% Bor, höchstens 0,75% Silizium,

1,25 Ti/Al; 3,2 Ti + Al(B) höchstens 0,75% Mangan und 42 bis 48% Nickel.

2,16 Ti/Al; 3,5 Ti + Al (C) Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 812 582

4 0 Ti/Al; 3 5 Ti + Al (D) 35 ^{aucn eme} Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 20 bis

4,'o Ti/Al; 2^0 Ti + Al (E) 4O°/o Nickel, 10 bis 25% Chrom, 1,35 bis 5% Titan,

0 5 Ti/Al; 2,0Ti + Al(F) O.⁰⁰⁰^ bis 0,15% Bor, bis 0,25% Kohlenstoff, bis

2,00% Aluminium, bis 3,00% Mangan, bis 2,00% Silizium, bis 8,00% Molybdän, bis 10% Wolfram,

gekennzeichnet sind als Werkstoff für solche Kon- 4° bis 2,00 % Vanadin, bis 2,00 % Zirkonium, bis 5 %

struktionsteile von mit überhitztem Dampf be- Niob und bis 5% Tantal, Rest Eisen, die sich durch

triebenen Anlagen, die nach einem lOOOstündigen eine hohe Kriech- und Zeitstandfestigkeit bei 649°C

Glühen bei 750°C noch eine Raumtemperatur- auszeichnet und als Werkstoff für Düsentriebwerke,

Kerbschlagzähigkeit von mindestens 3,5 kpm be- Gasturbinen sowie andere warmfeste Teile geeignet ist.

sitzen müssen. 45 Die bekannten Legierungen gelten zwar weitest-

2. Verwendung einer Legierung der Zusammen- gehend als schweißbar, besitzen jedoch den Nachteil, setzung nach Anspruch 1, die jedoch höchstens daß ihre Zähigkeit nicht ausreichend ist. Dies gilt 45% Nickel enthält, für den Zweck nach An- auch für eine in der nicht vorveröffentlichten deutspruch 1. sehen Auslegeschrift 1 213 616 vorgeschlagene Legie-

3. Verwendung einer Legierung der Zusammen- 50 rung aus 15 bis 25% Chrom, 0 bis 45% Eisen, 0,04 setzung nach den Ansprüchen 1 und 2, die jedoch bis 0,15% Kohlenstoff, 0,7 bis 2,5% Titan, 0,7 bis 1,0 bis 2,5% Titan und 0,7 bis 1,5% Aluminium 1,5% Aluminium, 3 bis 6% Molybdän, 0 bis 1% enthält, für den Zweck nach Anspruch 1. Kobalt, 0,001 bis 0,009% Bor, 0,01 bis 0,1% Zir-

4. Verwendung einer Legierung der Zusammen- konium, bis 0,5% Silizium, bis 0,5% Mangan, Rest setzung nach den Ansprüchen 1 bis 3, die jedoch 55 mindestens 35% Nickel sowie höchstens 0,5% Vermindestens 42 % Nickel enthält und deren Gesamt- unreinigungen, deren Gesamtgehalt an Titan und gehalt an Titan und Aluminium mindestens 3% Aluminium 2 bis 3,5%, bei einem Verhältnis von beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1. Titan zu Aluminium von 0,5 bis 4, beträgt. Diese

und die bekannten Legierungen unterliegen jedoch

60 teilweise dem Nachteil, daß sich bei langzeitigem

Glühen oder langzeitiger Beanspruchung im Tem-

peraturbereich von 600 bis 800°C eine Sigmaphase

bildet, die zu einer Versprödung führt. Eine derartige

Versprödung ist besonders dann kritisch, wenn der

65 Werkstoff zusätzlich noch dem Angriff in starkem

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung Maße korrodierender Medien wie ölaschen und Zereiner Nickel-Chrom-Eisen-Legierung als Werkstoff Setzungsprodukte des Wasserdampfs und hohen für solche Konstruktionsteile von mit überhitztem Drücken unterliegen.

Es wurde nun festgestellt, daß es hinsichtlich der Gefahr einer Versprödung wesentlich darauf ankommt, die Gehalte der Elemente Chrom, Nickel, Kohlenstoff, Titan, Aluminium, Molybdän, Bor und Zirkonium innerhalb bestimmter kritischer Grenzen zu halten und die Gehalte an Titan und Aluminium in bestimmter Weise aufeinander abzustimmen. Hiervon ausgehend besteht die Erfindung in dem Vorschlag, für den eingangs erwähnten Zweck eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 16 bis 17°/₀ Chrom, bis 45°/₀ Eisen, 0,04 bis 0,08% Kohlenstoff, 0,7 bis 2,5 °/₀ Titan, 0,7 bis 1,5 °/₀ Aluminium, 3 bis 3,5 °/₀ Molybdän, bis 1% Kobalt, 0,001 bis 0,009 °/₀ Bor, 0,01 bis 0,1 °/₀ Zirkonium, bis 0,5% Silizium, bis 0,5% Mangan, 37 bis 50% Nickel zu verwenden, deren Gesamtgehalt an Titan und Aluminium, bei einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 0,5 bis 4,0%, 2 bis 3,5% beträgt und so auf das Verhältnis von Titan zu Aluminium eingestellt ist, daß die Legierung in einem Koordinatensystem, auf dessen Ordinate der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium und auf dessen Abszisse das Verhältnis von Titan zu Aluminium aufgetragen ist, innerhalb eines Polygonzuges liegt, dessen Eckpunkte (ABCDEF) durch die Koordinaten

0,5 Ti/AI; 2,75 Ti + Al(A)

1,25 Ti/Al; 3,2 Ti + Al(B)

2,16 Ti/Al; 3,5Ti + Al(C)

4,0 Ti/Al; 3,5 Ti + Al(D)

4,0 Ti/Al; 2,0 Ti + Al(E)

0,5 Ti/Al; 2,0 Ti + Al(F)

ίο gekennzeichnet sind.

Im Hinblick auf die Gefahr einer Versprödung beträgt der Nickelgehalt mindestens 37% und, falls der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium 3,0% beträgt, vorzugsweise mindestens 42 %. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit kann der Höchstgehalt an Nickel auf 45 % begrenzt sein. Die Neigung zur Versprödung wird verstärkt, wenn der Chromgehalt 17% und der Molybdängehalt 3,5% übersteigt. Bei einem Kohlenstoffgehalt über 0,08% kann sich ebenfalls

so eine mit einer Abnahme der Zeitstandfestigkeit verbundene Versprödung einstellen, weil sich an den Korngrenzen eine Karbidphase ausscheidet.

In der nachfolgenden Tabelle I sind unter die Erfindung fallende Legierung 1 und 2 einer Vergleichs-

as legierung 3 gegenübergestellt.

Tabelle I

Legie rung	Ni (7o)	Cr (%)	Mo (7o)	C (7o)	Mn (7o)	Si (7o)	Ti (7o)	Al (.0U)	B (7o)	Zr (7o)	Fe (7o)
1 2 3	45,4 42,7 51,5	16,5 16,6 17,2	3,0 3,23 5,18	0,069 0,05 0,04	>0,05 0,07 0,07	>0,3 0,3 0,23	1,33 2,18 2,06	1,33 0,91 0,96	0,005 0,001 0,001	0,02 0,05 0,05	Rest Rest Rest

Die Legierungen wurden zunächst zu Blöcken vergössen und dann zu Stangen geschmiedet, die 8 Stunden bei 1080⁰C lösungsgeglüht, an Luft abgekühlt, 16 Stunden bei 700⁰C ausgehärtet und an Luft abgekühlt wurden. Das Zeitstandverhalten von Proben der Legierung 1, die den wärmebehandelten Stangen entnommen wurden, veranschaulichen die Werte der

Tabelle II

Le gierung	Belastung (kp/mm2)	Tem peratur CQ	Stand zeit (Std.)	Zeitbruch dehnung (7o)
1	56,7 44,1	650 650	57 948	12,8 18,5

Die Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit wurden an weiteren Proben der Legierung 1 bei den Prüftemperaturen 20, 550, 650 und 750⁰C ermittelt; außerdem wurden Kerbschlagversuche an Proben der Legierungen 2 und 3 bei einer Temperatur von 20⁰C durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind in nachfolgender Tabelle III zusammengestellt.

Sämtliche Proben wurden den wärmebehandelten Stangen entnommen. Um die Versprödung aufzuzeigen, wurden die Proben vor dem Einstellen der Prüftemperaturen einem langzeitigen Glühen unterzogen; die jeweiligen Glühtemperaturen und Haltezeiten sind in der 3. Spalte angegeben.

Tabelle III

Legierung	Temperatur (0C)	Wärmebehandlung h/°C	Zugfestigkeit (kp/mm2)	Streckgrenze (kp/mm2)	Dehnung (°/o)	Kerbschlag zähigkeit (kpm)
1	20	0	103,3	52,0	26,7	9,1
	20	100/850	80,3	34,6	33,0	8,7
	20	1000/850	—	—	—	14,2
	20	1000/750	93,2	46,5	22,2	3,7
	20	10 000/750	—	—	—	3,5
	550	0	84,3	40,9	34,0	11,8
	550	100/850	70,1	29,9	31,1	12,5
	550	1000/750	81,9	44,4	15,2	5,8
	550	10 000/750	—	—	—	4,8
	650	0	88,2	46,1	26,9	10,2
	650	100/850	69,3	30,7	28,1	11,2
	650	1000/750	79,7	44,9	14,4	3,2
	650	10 000/750	—	—	—	5,3
	750	0	68,5	45,4	24,2	7,7
	750	100/850	61,4	35,4	35,8	8,6
	750	1000/750	64,6	44,9	26,7	6,8
	750	10 000/750	—	—	—	5,7
2	20	0	—			9,8
	20	1000/750	—	—	—	4,6
3	20	0		—	—	6,4
	20	1000/750	—	—	—	1,1

Den vorstehenden Ergebnissen ist folgendes zu entnehmen: Die Legierungen 1 und 2 besitzen auch dann noch eine hohe Kerbschlagzähigkeit, wenn sie sehr lange Zeit (1000 bis 10 000 Stunden) höheren Temperaturen als in mit Dampf betriebenen Maschinen ausgesetzt werden, unter Belastungen also, die für

gewöhnlich zu einer Versprödung führen. Die Kerbschlagzähigkeit der Legierung 3, die außerhalb des Zusammensetzungsbereiches der ernndungsgemäß zu verwendenden Legierung liegt, ist demgegenüber schon nach einem tausendstündigen Glühen bei 75O⁰C unerwartet gering.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 Dampf betriebenen Anlagen, die nach einem lOOOstün- Patentansprüche: digen Glühen bei 75O0C noch eine Raumtemperatur- Kerbschlagzähigkeit von mindestens 3,5 kpm be-

1. Verwendung einer Nickel-Chrom-Eisen-Le- sitzen müssen. _u -t. ι***λλ a a
„·,*,.,■.,„ UoOt=U^i „,,ο 5 In der australischen Patentschrift 166 814 und der gierung, bestehend aus , . . , ... - _nn. _Λ.- ...

16 bis 17°/ Chrom deutschen Auslegeschrift 1096 040 wird bereits eine

hk 45°/° F\pn ' Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 4 bis 30% Chrom,

0 04 b s 0 OS»/ Kohlenstoff 0 bis 55% Kobalt, 0 bis 40% Eisen, bis 0,5% Kohlen-

0 7 hl ?'s«>/ 'L^^nienst0"' stoff, 0 bis 20% Molybdän, 0 bis 5% Wolfram, 0 bis

07 b 15 ° Aluminium ^{10 1} °A> ^Niob «"d/oder Tantal, bis 1 % Mangan, bis 2 %

3 J* 3so° Molvbdän Silizium, 0,01 bis 0,2 % Zirkonium, 0,5 bis 8 % Titan,

bis I⁰/ Kobalt 0,3 bis 8% Aluminium, Rest mindestens 40% Nickel

0 001 bis 0 009°/ Bor beschrieben. Wegen ihrer Hitzebeständigkeit und

0 01 bis o'l°/ Zirkonium Kriechfestigkeit eignet sich die bekannte Legierung

bis OS⁰/" Silizium *^{5 a}'^s Werkstoff für Gasturbinenschaufeln oder andere

κ,ο n'<o°u„„„„n' bei hohen Temperaturen stark beanspruchte Werk-

DlS \).J in JYl α. Π Hd. Π, .. . j·,, _t. _ ,. ,. . . _t , . _.

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J I DlS JU In INlCKcI, . , ... ._T^.._l)r_

gierung gegen Versprodung im Bereich hoher Temperaturen ist dagegen nichts bekannt.

deren Gesamtgehalt an Titan und Aluminium, bei so Weiterhin wird in der Zeitschrift »The Iron Age«, einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 22. Januar 1959, S. 70/71 eine Legierung mit 15% , 0,5 bis 4,0%, 2 bis 3,5% beträgt und so auf das Chrom, 0,05% Kohlenstoff, 3,0% Titan, 1,0% Alu- ⁽ Verhältnis von Titan zu Aluminium eingestellt minium, 4,0% Molybdän, 0,01% Bor, 0,3% Silizium, ist, daß die Legierung in einem Koordinaten- 0,3% Mangan, 15% Nickel und 4% Wolfram, Rest system, auf dessen Ordinate der Gesamtgehalt an 25 Eisen, beschrieben. Diese Legierung enthält weder Titan und Aluminium und auf dessen Abszisse Kobalt noch Zirkonium, jedoch 4% Wolfram. Eine das Verhältnis von Titan zu Aluminium aufge- ähnliche kobalt- und zirkoniumfreie Legierung wird tragen ist, innerhalb eines Polygonzuges liegt, in »Alloy Digest«, Oktober 1960, beschrieben; sie dessen Eckpunkte (ABCDEF) durch die Koordi- besteht aus 14 bis 16% Chrom, 25 bis 29% Eisen, naten 30 höchstens 0,08% Kohlenstoff, 2,7 bis 3,3% Titan,

0,75 bis 1,3% Aluminium, 3,5 bis 4,5% Molybdän,

0,5 Ti/Al; 2,75 Ti + Al (A) 0,008 bis 0,016% Bor, höchstens 0,75% Silizium,

1,25 Ti/Al; 3,2Ti + Al(B) höchstens 0,75% Mangan und 42 bis 48% Nickel.

2,16 Ti/Al; 3,5 Ti + Al (C) Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 812 582

4 0 Ti/Al· 3 5 Ti + Al (D) 35 auch eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 20 bis

4^0 Ti/Al; 2!o Ti + Al (E) 40% Nickel, 10 bis 25% Chrom, 1,35 bis 5% Titan,

0,5 Ti/Al; 2,0 Ti + Al(F) 0,0006 bis 0,15% Bor, bis 0,25% Kohlenstoff, bis

2,00% Aluminium, bis 3,00% Mangan, bis 2,00% Silizium, bis 8,00% Molybdän, bis 10% Wolfram,

gekennzeichnet sind als Werkstoff für solche Kon- *o bis 2,00% Vanadin, bis 2,00% Zirkonium, bis 5% struktionsteile von mit überhitztem Dampf be- Niob und bis 5% Tantal, Rest Eisen, die sich durch triebenen Anlagen, die nach einem lOOOstündigen eine hohe Kriech- und Zeitstandfestigkeit bei 649°C Glühen bei 750⁰C noch eine Raumtemperatur- auszeichnet und als Werkstoff für Düsentriebwerke, PK Kerbschlagzähigkeit von mindestens 3,5 kpm be- Gasturbinen sowie andere warmfeste Teile geeignet ist. '■■

sitzen müssen. 45 Die bekannten Legierungen gelten zwar weitest-

2. Verwendung einer Legierung der Zusammen- gehend als schweißbar, besitzen jedoch den Nachteil, setzung nach Anspruch 1, die jedoch höchstens daß ihre Zähigkeit nicht ausreichend ist. Dies gilt 45% Nickel enthält, für den Zweck nach An- auch für eine in der nicht vorveröffentlichten deutspruch 1. sehen Auslegeschrift 1 213 616 vorgeschlagene Legie-

3. Verwendung einer Legierung der Zusammen- 5° rung aus 15 bis 25% Chrom, 0 bis 45% Eisen, 0,04 setzung nach den Ansprüchen 1 und 2, die jedoch bis 0,15% Kohlenstoff, 0,7 bis 2,5% Titan, 0,7 bis 1,0 bis 2,5% Titan und 0,7 bis 1,5% Aluminium 1,5% Aluminium, 3 bis 6% Molybdän, 0 bis 1% enthält, für den Zweck nach Anspruch 1. Kobalt, 0,001 bis 0,009% Bor, 0,01 bis 0,1% Zir-

4. Verwendung einer Legierung der Zusammen- konium, bis 0,5% Silizium, bis 0,5% Mangan, Rest setzung nach den Ansprüchen 1 bis 3, die jedoch 55 mindestens 35% Nickel sowie höchstens 0,5% Vermindestens 42 % Nickel enthält und deren Gesamt- unreinigungen, deren Gesamtgehalt an Titan und gehalt an Titan und Aluminium mindestens 3% Aluminium 2 bis 3,5%, bei einem Verhältnis von beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1. Titan zu Aluminium von 0,5 bis 4, beträgt. Diese

und die bekannten Legierungen unterliegen jedoch

60 teilweise dem Nachteil, daß sich bei langzeitigem

Glühen oder langzeitiger Beanspruchung im Tem-

peraturbereich von 600 bis 800° C eine Sigmaphase

bildet, die zu einer Versprödung führt. Eine derartige

Versprödung ist besonders dann kritisch, wenn der

65 Werkstoff zusätzlich noch dem Angriff in starkem

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung Maße korrodierender Medien wie ölaschen und Zereiner Nickel-Chrom-Eisen-Legierung als Werkstoff Setzungsprodukte des Wasserdampfs und hohen für solche Konstruktionsteile von mit überhitztem Drücken unterliegen.