DE1533324C

DE1533324C - Verwendung einer hochfesten Kobalt legierung als Werkstoff fur Gegenstande mit einer hohen Dampfungsfähigkeit

Info

Publication number: DE1533324C
Authority: DE
Inventors: Teishiro Nakamura Makoto Nagasaki Oda (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Publication date: 1972-01-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für Gegenstände mit hoher Dämpfungsfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit.

Maschinenteile, beispielsweise Turbinenschaufeln, weisen des öfteren im Betrieb nach wiederholten Beanspruchungen, z. B. beim Rütteln und Vibrieren, sowie infolge von Schock- und Schallvibrationen Ermüdungsbrüche auf. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, durch Dämpfung der Vibration die Beanspruchungen auf ein Minimum zu bringen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Maschinenteile aus einem Material mit einer hohen Dämpfungsfähigkeit, z. B. einem Material, das die von der inneren Reibung verursachten Vibrationen aufnehmen kann, hergestellt werden, wobei die mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird. Vorgenannte Fähigkeit begrenzt die Entwicklung von sehr'hohen Vibrationsbeanspruchungen des Materials, wobei die Haltbarkeit des Materials bei schweren Vibrationen erhöht wird.

Ein derartiges Material mit einer hohen Dämpfungsfähigkeit stellen rostfreie Stähle mit einem 13%igen Chromgehalt, wie AISI 403-Stahl (Zusammensetzung: C <0,15, Mn <l,00, Si <0,50, S <0,030, Cr 11,50 bis 13,00), sowie Kobaltlegierungen mit einem hohen Kobaltgehalt, wie NIVCO-10 (beschrieben in »Magnetic Properties of Metals and Alloys« ASM [1959], S. 251 bis 253; Zusammensetzung: Co 72%, Ni 23%, Rest Ti, Al; mechanische Eigenschaften: 0,2 % Streckgrenze .77 kg/mm², Zugfestigkeit 112 kg/mm², Dehnung 30%) Brucheinschnürung 35%), dar. Üblicherweise besitzen jedoch derartige Werkstoffe bestenfalls eine Streckgrenze von höchstens 80 kg/mm². Dabei kann die Streckgrenze von rostfreiem Stahl mit einem 13%igen Chromgehalt durch Wärmebehandlung verbessert werden. In diesem Fall jedoch büßt der so behandelte Stahl einen großen Teil seiner Dämpfungsfähigkeit ein.

Das Ziel der Erfindung ist die Auffindung eines Werkstoffes, welcher die Unzulänglichkeiten der bekannten Kobaltlegierungen vermeiden kann.

Dieses Ziel wird nach der Erfindung durch die Verwendung einer hochfesten Kobaltlegierung, bestehend aus 60 bis 75 Gewichtsprozent Kobalt, 0,5 bis 4,0 Gewichtsprozent Molybdän und/oder Wolfram, 20 bis 39 Gewichtsprozent Eisen und aus 0,003 bis 0,005 Gewichtsprozent Bor, gelöst.

Der Kohlenstoffgehalt der erfindungsgemäß verwendeten Legierung soll vorzugsweise höchstens 0,06 Gewichtsprozent betragen, wobei das Eisen die üblichen Verunreinigungen aufweisen kann. Diese bestehen aus Phosphor und Schwefel sowie Desoxydationsmittel, wie Mangan und Silizium.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine hochfeste Kobaltlegierung verwendet, bei welcher die im Eisen üblichen Verunreinigungen in einer Menge von höchstens 0,5 Gewichtsprozent Mangan, höchstens 0,5 Gewichtsprozent Silizium, höchstens 0,010 Gewichtsprozent Phosphor und höchstens 0,010 Gewichtsprozent Schwefel, auf die Kobaltlegierung bezogen, vorliegen.

Aus der USA.-Patentschrift 2 215 459 sind bereits hochfeste Kobaltlegierungen, bestehend aus 58 bis 68% Kobalt, 28 bis 38% Eisen, 1,0 bis 6% Molybdän und weniger als 0,05% Kohlenstoff, bekannt. Aus der deutschen Auslegeschrift 1 180 139 ist ferner bekannt, daß Borzusätze als übliche und zulässige Beimengungen zu betrachten sind.

Diese Druckschriften beschreiben jedoch nur die Existenz solcher Legierungen und ziehen die Verwendung von Legierungen der beanspruchten Zusammensetzung als Werkstoffe für Gegenstände mit einer hohen Dämpfungsfähigkeit nicht in Betracht. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäß zusammengesetzten Legierungen ist somit aus dem nachgewiesenen Stand der Technik nicht bekannt und auch nicht nahegelegt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung dienen die

ίο Zeichnungen.

F i g. 1 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Vickers-Härte und Streckgrenze sowie der Dämpfungsfähigkeit einer erfindungsgemäß verwendeten Legierung im Vergleich mit der ähnlichen Kurve eines rostfreien Stahles mit 13%igem Chromgehalt darstellt;

F i g. 2 ist ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen Dämpfungsfähigkeit und maximaler Biegebeanspruchung von entsprechenden Proben der erfin-

ao dungsgemäß verwendeten Legierung aufzeigt.

Die erfindungsgemäß verwendeten Kobaltlegierungen sind dadurch charakterisiert, daß sie einen höheren Kobaltgehalt als die zu diesem Zweck bekannten Kobaltlegierungen aufweisen, wobei der Zusatz von Molybdän und/oder Wolfram denselben Aushärtungseigenschaften verleiht. Die Ergänzung erfolgt mit Eisen, welches mit den üblichen Verunreinigungen, beispielsweise verbleibende Kohlenstoff-, Phosphor- und Schwefelmengen, sowie derjenigen der üblichen Desoxydationsmittel, wie Mangan und Silicium, verunreinigt ist. Vorgenannte Elemente tragen nichts zu den gewünschten Legierungseigenschaften bei und sollten vorzugsweise auf einem Minimum gehalten werden.

Nachstehend werden die bevorzugten Zusammensetzungen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen innerhalb der anschließend angegebenen Bereiche aufgeführt:

Kobalt mindestens 60 Gewichtsprozent oder

höchstens 75 Gewichtsprozent

Molybdän oder
Wolfram oder
ein Gemisch

derselben mindestens 0,5 Gewichtsprozent oder

höchstens 4 Gewichtsprozent

Kohlenstoff ... höchstens 0,06 Gewichtsprozent
50

Mangan höchstens 0,5 Gewichtsprozent

Silicium höchstens 0,5 Gewichtsprozent

Phosphor höchstens 0,010 Gewichtsprozent

Schwefel höchstens 0,010 Gewichtsprozent

Eisen Rest

Der Kobaltgehalt der Legierung soll innerhalb des Bereiches von 60 bis 75 Gewichtsprozent liegen, und zwar deshalb, weil bei einem Kobaltgehalt von weniger als 60 Gewichtsprozent die Legierung bei Zimmertemperatur überaus brüchig wäre, so daß sie für die praktische Verwendung ungeeignet sein würde. Sollte jedoch der Kobaltgehalt über 75 Gewichtsprozent ansteigen, entsteht eine typische flächenzentrierte ku-

bische Kristallstruktur, so daß die Streckgrenze der Legierung verringert wird.

Molybdän und Wolfram oder ein Gemisch derselben sind zur Erhöhung der Aushärtungseigenschaften der Legierung vorgesehen; sollte der Gehalt an vorgenannten Elementen weniger als 0,5 Gewichtsprozent betragen, so werden die Aushärtungseigenschaften beeinträchtigt. Dabei führt ein Gehalt an vorgenannten Elementen von mehr als 4 Gewichtsprozent zu für praktische Anwendungen zu harten Legierungen, so daß die Streckbarkeit und Zähigkeit derselben wesentlich verringert wird. Überdies erfolgt bei einem Zusatz von mehr als 4 Gewichtsprozent Molybdän und/oder Wolfram nach dem Abschrecken eine Erhöhung der Härte, wobei auch eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur entsteht. ,

Der Mangan- und Siliciumgehalt soll höchstens je 0,5 Gewichtsprozent betragen. Vorgenannte Elemente sind normale im Eisen vorkommende Verunreinigungen, die im Eisen nach der Desoxydation desselben verbleiben und nichts zu den gewünschten Legierungseigenschaften beitragen. Aus diesem Grunde brauchen vorgenannte Elemente dem Eisen, welches mittels Schmelzen unter Vakuum oder eines anderen Verfahrens desoxydiert wird, so daß es kein Silicium und Mangan enthält, nicht beigegeben werden.

Der allgemeinen Praxis gemäß wird sowohl der Phosphor- als auch der Schwefelgehalt bis zu höchstens 0,01 Gewichtsprozent reduziert.

Der Eisengehalt der erfindungsgemäß verwendeten Kobaltlegierungen hängt an erster Stelle vom Kobaltgehalt und weniger von der Menge der anderen Bestandteile der Legierung ab. Dabei variiert die der Legierung zum Ergänzen zugegebene Eisenmenge zwischen 20 und 39 Gewichtsprozent. Die der Legierung beigegebene Eisenmenge bezweckt das Beibehalten der kubisch raumzentrierten Kristallstruktur des Grundmetalls. Bei einer kubisch raumzentrierten Kristallstruktur des Grundmetalls ist das Gleitsystem in der Dislokation dominierend, so daß die Streckbarkeit und die Zähigkeit der Legierung erhöht werden.

Die Legierung enthält 0,003 bis 0,005 Gewichtsprozent Bor. Durch die Borzugabe werden die Eigenschaften der Legierung dadurch verbessert, daß während des Anlassens die Streckbarkeit und die Zähigkeit der Legierung nicht beeinträchtigt werden, und zwar deshalb, weil die Keimbildung von Niederschlägen an den Korngrenzen gehemmt ist. ; ·

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen werden einer Wärmebehandlung unterworfen. Dabei erfolgt zunächst ein Abschrecken in Wasser oder öl von einer Temperatur zwischen 950 und 1050⁰C auf

ίο Zimmertemperatur und anschließend ein Anlassen bei einer Temperatur zwischen 450 und 650⁰C während einer Zeitspanne von 1 bis 100 Stunden.

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen weisen nach Abschrecken eine Härte von etwas weniger als 380 bsim Vickers-Härteversuch auf; dabei ist keine übermäßige Sprödigkeit, sogar bsi hohen Temperaturen, festzustellen. Aus diesem Grunde besitzen vorgenannte Legierungen eine gute Schweißbarkeit. Außerdem können die Legierungen nach Abschrecken derselben leicht maschinell verarbeitet werden, wobei das Anlassen erst anschließend erfolgt. Die relativ niedrige Härte der Legierungen nach dem Abschrecken hat eine leichte Verarbeitbarkeit derselben zur Folge. Die für das Anlassen erforderlichen Temperaturen sind nicht übermäßig hoch, so daß

das Verwerfen und Verziehen der Maschinenteile

nach dem Anlassen derselben auf ein Minimum

beschränkt ist.

In Tabelle 1 wird die chemische Zusammensetzung einiger typischer erfindungsgemäß verwendeter Legierungen sowie die Menge in Gewichtsprozenten der Bestandteile derselben angegeben.

In Tabelle 2 werden die mechanischen Eigenschaften der Legierungen nach Tabelle 1, die einer Wärmebehandlung unterworfen wurden, aufgezeigt; es wird darauf hingewiesen, daß die Legierungen Ä drei verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen wurden; dabei sind in Tabelle 2 die Ergebnisse, die nach unterschiedlicher Wärmebehandlung erzielt wurden, angegeben. Die Proben wurden quadratischen Stäbsn von 40 · 40 mm, die aus 30 kg Blöcken geschmisdet wurden, entnommen. Die Legierungen wurden in einem Hochfrequenzinduktionsofen geschmolzen.

Tabelle 1

Legierung

Nr.

Co

Mo

Chemische Zusammensetzung (Gewichtsprozent) IB I C I Mn 1 Si I P

A-I
A-2
A-3
B ..
C ..
D..
E ..
F ..
G..

71,23

71,25
73,53
72,54
65,52
70,56
71,24

2,23

2,24
3,32
0,71
2,21

1,12

2,26
1,35

0,003

0,03

0,03
0,04
0,02
0,01
0,03
0,04

0,30

0,31
0,23
0,32
0,22
0,27
0,26

0,22

0,21
0,24
0,31
0,23
0,22
0,25

0,006.

0,006
0,007
0,005
0,008
0,007
0,006

0,003

0,004
0,007
0,005
0,006
0,004
0,005

Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest

Tabelle 2

	Wärmebehandlung*) Anlassen	Streckgrenze, Abbiegung· (Offset) kp/mm *	Mechanische Eigenschaften	Dehnung (50 mm Meßlänge)	Bruch- einschnyrung	Kerbschlag biege festigkeit**)	Dämpfungs fähigkeit (logarithmische Abnahme)
Le gierung Nr.	10 Stunden bei 500⁰C	154,3	Zug festigkeit kp/mm*	13,6	49,1	3,2:	1 wie in
A-I ....	2 Stunden bei 500° C	127,1	170,5	15,3	55,6	4j3	Fi.g.Z
A-2 ....	1 Stunde bei 600⁰C	99,3	152,3	13,6	34,5	3,5	J gezeigt.
A-3 ....	10 Stunden bei 500⁰C	149,2	121,4	15,2	55,3	3,4	0,015
B	3 Stunden bei 500⁰C	153,2	163,1	14,6	52,5' .	3,5	0,010
C	30 Stunden bei 500⁰C	103,2	172,4	18,6	56,2	4,6	0,092
D	10 Stunden bei 500⁰C	148,3	119,3	14,0	51,2.	4,2'	0,018
E	10 Stunden bei 500⁰C	147,5	168,0	14,3	52,1	4,4	0,013
F	10 Stunden bei 500⁰C	148,2	163,2	13,2	51,2:	4,7	0,012:
G		170,1

*)AUe Proben wurden in Öl von 1000⁰C auf Zimmertemperatur abgeschreckt und anschließend bei der in der Tabelle angegebenen Temperatur angelassen.

♦*) Charpy-Kerbschlagbiegefestigkeit mit einer 2 mm V-Kerbform. Werte in kprn/cm².

Es ist hervorzuheben, daß die Wärmebehandlung eine sehr gute Zugfestigkeit den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen erteilt, wobei gleichzeitig aus den Dehnungs-, Zieh- und Charpy-Kerbschlagbiegefestigkeitsversuchen die besonderen Eigenschaften der Legierung ersichtlich sind:

Die Dämpfungsfähigkeitseigenschaften der Legierungen werden in den F i g. 1 und 2 aufgezeigt. Wie in den Kurven der F i g. 1 dargestellt, in welchen die maximale Dämpfungsfähigkeit in logarithmischer Abnahme δ der Legierungen ausgedrückt ist, sind die zum Erreichen einer entsprechenden Festigkeit wärmebehandelten Legierungen graphisch im logarithmischen Maßstab gegen die Vickers-Härte und die Streckgrenze aufgezeigt. Dabei ist ersichtlich, daß die Dämpfungsfähigkeit der Legierungen weitaus diejenige des bekannten rostfreien Stahles mit 13°/oigem Chromgehalt übersteigt. Andererseits können die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen einer Wärmebehandlung unterzogen werden, so daß die mechanische Festigkeit und die Härte;derselben weitaus höher als die gleichen Eigenschaften des rostfreien Stahles mit 13%igem Chromgehalt ist.

Die. Dämpfungsfähigkeit wurde gemäß den im Artikel »Türbine-Blade Vibration due to Partial Admission« von R..P. K ro ο η, im »Journal of Applied Mechanics«, Dezember 1940, S. A-161 bis A-165, gegebenen Anweisungen bestimmt

Die Kurve A in F i g. 1 wurde nach dem Prüfen einiger Proben der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen, die einer Wärmebehandlung zum Erreichen der gewünschten Eigenschaften unterworfen wurden, errechnet. Die Kurve B wurde beim Prüfen nach dem gleichen Verfahren mehrerer Proben eines rostfreien Stahles mit 13%igem Chromgehalt, welcher ebenfalls einer Wärmebehandlung zum Erreichen der entsprechenden Streckgrenze und Härte unterzogen wurde, errechnet.

In F i g. 2 wird die Dämpfungsfähigkeit (logarithmische Abnahme) von drei Proben A-I, A-2 und A-3, welche die in Tabelle 1 angegebene: Zusammensetzung haben und wie in Tabelle.2 ausgeführt, wärmebehandelt wurden, gegen die maximale Biegebeanspruchung in kg/mm² graphisch aufgezeichnet:

Es ist hervorzuheben, daß die Probe A-I, welche eine Streckgrenze von 154,3 kg/mm², wie in Tabelle X angegeben, aufweist, eine sehr gute Dämpfungsfähigkeit besitzt, obwohl sie kleiner als diejenige der Proben A-2 und A-3 ist, die zum Erreichen einer niedrigeren Streckgrenze im Vergleich mit der Probe Α-Γ wärmebehandelt wurden.
Aus dem Vorhergehenden ist klar ersichtlich, daß die erfindungsgemäß verwendeten Kobaltlegierungen verbesserte Eigenschaften besitzen, wobei die hohe Dämpfungsfähigkeit sogar nach der Wärmebehandlung zum Erreichen einer hohen Streckgrenze und einer hohen Härte erhalten: bleibt. Es ist ebenfalls offensichtlich, daß die Legierungen* eine leichte Ver-arbeitbarkeit nach dem Abschrecken derselben aufweisen und daß die Wärmebehandlung ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann:

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer hochfesten Kobaltlegierung, bestehend aus 60 bis 75% Kobalt, 0,5 bis 4,0% Molybdän und/oder Wolfram, 20 bis 39% Eisen und. 0,003 bis 0,005% Bor, als Werkstoff: für Gegenstände mit einer hohen: Dämpfungsfähigkeit.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die höchstens 0,06% Kohlenstoff enthält, zu dem in Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die die im Eisen üblichen Verunreinigungen in einer Menge von höchstens 0,5% Mangan, höchstens 0,5% Silicium, höchstens 0,010% Phosphor und höchstens 0,010% Schwefel, auf die !Cobaltlegierung bezogen, enthält, zu dem in Anspruch 1 genannten Zweck.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen