DE1558683B1 - Verwendung einer Kobald-Chrom-Wolfram-Nickel-Kentlegierung - Google Patents

Verwendung einer Kobald-Chrom-Wolfram-Nickel-Kentlegierung

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kobalt-Chrom- Wolfram-Nickel-Knetlegierung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer Kobalt-Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, die sich durch verbesserte Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnen und darüber hinaus auch noch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen besitzen.
Gegenstände aus Kobalt-Legierungen sind in der Vergangenheit häufig bei Beanspruchungen unter hohen Temperaturen eingesetzt worden und haben diesen im allgemeinen standgehalten. In einigen Fällen befriedigte aber die Oxidationsbeständigkeit dieser Gegenstände nicht im Vergleich zu denen aus Nickellegierungen. Die Nickellegierungen ihrerseits besitzen bei hohen Temperaturen von etwa 980° C bis etwa 1150° C nur begrenzte mechanische Festigkeit. Deshalb bedeutet es eine Bereicherung der Technik, wenn es gelingt, Kobaltlegierungen mit einer Oxidationsbeständigkeit zu versehen, die vergleichbar oder besser sind als die Oxidationsbeständigkeit von Nickellegierungen bei hohen Temperaturen, wobei aber gleichzeitig die charakteristische Festigkeit und die sonstigen mechanischen Eigenschaften von Kobaltlegierungen bei hohen Temperaturen erhalten bleiben sollten.
Es sind bereits Kobaltlegierungen mit gewissen guten Eigenschaften bei hohen Temperaturen bekannt.
Die USA.-Patentschrift 2 744 010 offenbart Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Gußlegierungen, die 18 bis 24% Chrom, 12 bis 15% Nickel, 8 bis 12% Wolfram, bis 5,5% Eisen, 0,25 bis 0,50% Kohlenstoff, 0,3 bis 1,1% Silicium, 0,015 bis 0,09% Bor und 0,3 bis 1,25% Mangan, Rest Kobalt enthalten, diese Legierungen widerstehen bei 816° C hohen mechanischen Beanspruchungen und sind bei Temperaturen bis zu 1093° C oxidationsbeständig, während sie gleichzeitig hohe Duktilität besitzen.
Aus der USA.-Patentschrift 2 746 860 sind Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Gußlegierungen bekannt, die 23 bis 36% Chrom, 12 bis 16% Wolfram, 2 bis 15% Nickel, weniger als 5% Eisen, 0,3 bis 0,9% Kohlenstoff, bis 1% Silicium, bis 3% Molybdän, weniger als 2% Mangan, bis 0,25% Stickstoff und 0,25 bis 1% Bor, Rest Kobalt enthalten. Diese Legierungen widerstehen bei Temperaturen um 816° C bzw. 871° C hohen Beanspruchungen, ohne zu »kriechen«.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kobaltlegierung bereitzustellen, die als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen geeignet ist, die bei Temperaturen bis 1093° C eine optimale Kombination an Oxidationsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften aufweisen müssen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Knetlegierung, bestehend aus 19 bis 28% Chrom, 12 bis 18% Wolfram, 10 bis 25% Nickel, bis zu 5% Eisen, 0,01 bis 0,15% Kohlenstoff, bis zu 0,6% Silicium, 0,02 bis 0,15% Lanthan, Rest Kobalt und zufälliger Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, die bei kontinuierlicher Beanspruchung bei 1093° C im Verlauf eines Jahres bis zu einer Eindringtiefe von 0,18 bis 0,58 mm oxidiert werden und die gleichzeitig Zugfestigkeiten von 11,3 bis zu 20,4 kp/mm2 aufweisen müssen.
Eine erfindungsgemäß zu verwendende Kobaltlegierung hat bevorzugt folgende Zusammensetzung: 21 bis 22% Chrom, 13 bis 14% Wolfram, 22% Nickel, 1 bis 2% Eisen, 0,1% Kohlenstoff, 0,3% Silicium, 0,06% Lanthan, Rest Kobalt und zufällige Verunreinigungen.
Zusätzlich zu den besonders aufgeführten Bestandteilen können in den erfindungsgemäßen Werkstoffen andere Metalle in geringen Mengen vorhanden sein; etwa Bor bis zu 0,02%; Mangan bis zu 2%; ferner Titan, Aluminium, Tantal, Niob, Zirkonium, Vanadium, Beryllium.
Der verhältnismäßig geringe Gehalt an Lanthan verleiht der erfindungsgemäß zu verwendenden Kobaltlegierung und damit den daraus hergestellten Gegenständen eine beachtliche Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, wenn das angegebene Verhältnis zwischen Chrom, Wolfram, Kohlenstoff und Silicium eingehalten wird.
Das Lanthan wird den Kobaltlegierungen, die zum Schweißen vorgesehen sind, vorzugsweise in elementarer Form zugegeben. Für Kobaltlegierungen, die nicht zum Schweißen bestimmt sind, kann die Zugabe von Lanthan durch jede gängige Methode erfolgen, wie z. B. als »Mischmetall«, elementares Lanthan oder lanthanhaltige Legierungen.
Tabelle I zeigt die Zusammensetzungen von Werkstoffen, die erhalten wurden durch Schmelzen, Gießen in Barren von etwa 9 bis 11,3 kg, Schmieden zu Platten von etwa 12,5 bis 18 mm Dicke, warmwalzen zu Blech und Glühen bei 1149 bis 1232° C für 10 bis 15 Minuten und Abschrecken. Bei den Legierungen K und L wurde Lanthan als »Mischmetall« zugesetzt, bei den anderen lanthanhaltigen Legierungen entweder als elementares Lanthan oder als Lanthan-Kobalt-Legierung mit einem Gehalt von etwa 20% Lanthan.
Proben der verschiedenen Legierungen nach Tabelle I wurden als Bleche mit den Abmessungen 18 χ 18 mm bei einer Dicke von 1,5 bis 3,1 mm auf ihre Oxidationsbeständigkeit untersucht; die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
Die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit erfolgte nach folgenden Verfahren:
A. Kontinuierliche Oxidation bei erhöhter Temperatur im Verlauf von 100 Stunden
1. Vorbereiten von Proben durch Schleifen aller Oberflächen auf ein Korn von 120.
2. Die gesamte Oberfläche, das Gewicht und die Dichte der Proben wurden bestimmt.
3. Die Proben wurden für eine Zeitspanne von 100 Stunden bei 10930C kontinuierlich einem
Eindringtiefe (mm/Jahr) = Gewichtsverlust
Dichte
B. Intermittierende Oxidation bei erhöhten Temperaturen im Verlauf von 100 Stunden
Eine Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit unter intermittierender Beanspruchung wurde wie oben beschrieben durchgeführt, jedoch mit der Abweichung,
Strom trockner Luft ausgesetzt (0,9 Liter pro Minute).
4. Die Proben wurden an Luft abgekühlt.
5. Die Proben wurden in einem Salzbad entzundert.
6. Die entzunderten Proben wurden sorgfältig gewogen und der Gewichtsverlust berechnet.
7. Aus den gemessenen Daten (Gewichtsverlust, Dichte, Gesamtoberfläche) wurde die bei kontinuierlicher Oxidation bei 10930C im Verlauf eines Jahres zu erwartende Eindringtiefe wie folgt berechnet:
100 Stunden
Oberfläche der Probe Stunden/Jahr
daß an Stelle der kontinuierlichen Oxidation im Verlauf von 100 Stunden die Proben achtmal 3 Stunden und daran anschließend viermal 19 Stunden bei 1093° C mit trockenem Luftstrom oxidiert wurden. Nach jeder Oxidationsbehandlung wurden die Proben jeweils auf Raumtemperatur abgekühlt.
Tabelle I
Zusammensetzung der erfindungsgemäß zu verwendenden Kobaltlegierungen (A bis S) und zum Vergleich
herangezogener Kobaltlegierungen (T bis X)
Bezeich
nung		 Cr W Fe C Ni Mn B Si Al La Co
A 19,42 12,68 2,15 0,10 19,40 0,56 0,005 0,01 0,08 0,04 Rest
B 21,89 14,02 2,45 0,12 19,48 0,64 0,015 0,08 0,28 0,05 Rest
C 19,49 14,64 2,01 0,09 10,41 1,30 0,003 0,14 — 0,13 Rest*)
D 19,65 12,28 2,38 0,29 19,20 0,72 0,013 0,32 — 0,09 Rest
E 22,30 14,75 1,43 0,09 18,80 0,66 0,016 0,11 0,18 0,12 Rest
F 23,03 14,48 1,88 0,11 25,30 0,54 0,012 0,01 0,18 0,08 Rest
G 22,44 14,81 1,30 0,09 18,88 0,56 0,018 ο,ι 0,20 0,13 Rest
H 22,94 14,55 1,18 0,11 18,88 0,56 0,016 0,19 0,18 0,10 Rest
I 27,74 17,66 1,38 0,12 23,16 0,67 0,021 0,17 0,28 0,04 Rest
J 22,98 14,88 1,23 0,10 19,32 0,56 0,018 0,21 0,30 0,04 Rest
K 25,63 12,62 2,35 0,10 18,44 0,44 0,005 0,03 0,13 0,02 Rest**)
L 25,63 12,62 2,35 0,10 18,44 0,44 0,005 0,03 0,13 0,04 Rest***)
M 22,71 14,47 1,35 0,10 19,20 0,64 0,013 0,06 0,15 0,06 Rest
N 22,57 14,50 2,48 0,08 19,24 1,10 0,016 0,03 0,21 0,08 Rest
O 22,46 14,39 3,30 0,07 19,08 1,06 0,016 0,05 0,18 0,05 Rest
P 22,30 14,38 3,25 0,06 18,88 1,90 0,016 0,04 0,13 0,04 Rest
Q 23,34 12,35 2,58 0,12 19,60 0,88 0,001 0,64 0,23 0,06 Rest
R 23,24 13,42 1,65 0,11 20,76 0,42 0,001 0,31 —· 0,03 Rest
S 21,56 13,43 1,43 0,13 21,80 0,36 0,003 0,26 0,33 0,06 Rest
T 19,42 12,68 2,15 0,10 19,40 0,56 0,005 0,01 0,08 — Rest
U 19,88 13,00 1,68 0,30 19,20 0,64 0,018 0,08 — — Rest
V 19,88 13,00 1,68 0,29 19,20 0,64 0,018 0,08 0,08 0,05 Rest
W 21,89 14,02 2,43 0,11 19,48 0,64 0,015 0,08 0,28 — Rest
X 20,02 14,84 1,85 0,10 10,40 1,46 0,009 0,05 0,05 — Rest
*) 0,47% Mo.
**) Gesamtgehalt an seltenen Erdmetallen = 0,08%.
***) Gesamtgehalt an seltenen Erdmetallen = 0,34%.
Tabelle II Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit
Eindringtiefe (mm/Jahr) bei intermittierender
Bezeichnung bei kontinuierlicher Oxidation bei 10930C
Oxidation bei 1093°C 0,836
A 0,508 . 0,508
B — 0,381
C 0,229 0,608
D 0,584 0,355
E 0,178 0,203
F 0,329 0,594
G 0,254 0,482
H 0,304 0,432
I 0,329 0,456
J 0,304 0,355
K 0,329 0,304
L 0,229 0,229
M 0,556 0,329
N 0,304 0,482
0 0,432 0,355
P 0,355 0,254
Q 0,280 0,380
R 0,355 0,178
S 0,178 0,994
T 0,584 4,560
U — 7,160
V 0,634 1,190
W 0,584 3,640
X 0,786 0,533
Hastelloy X —
20
•3°
35
Wie die Tabelle II zeigt, besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden lanthanhaltigen Legierungen A bis S überlegene Oxidationseigenschaften im Vergleich zu den Legierungen T bis X, die, obwohl sie im allgemeinen eine entsprechende Zusammensetzung aufweisen, außerhalb der erfindungsgemäß beanspruehten Zusammensetzung liegen. Die Legierungen T, U1 W und X enthalten z. B. kein Lanthan und weisen, wie gezeigt, eine wesentlich geringere Oxidationsbeständigkeit auf, insbesondere bei intermittierender Beanspruchung. Die Legierung V enthält zwar Lanthan, besitzt aber ein ungenügend hohes
■-^-i Verhältnis; diese Legierung zeichnet sich
durch eine sehr geringe Oxidationsbeständigkeit bei intermittierender Beanspruchung aus. Es hat sich nämlich gezeigt, daß erfindungsgemäße Werkstoffe mit besonders hoher Oxidationsbeständigkeit dann
, ,. j , % Chrom + % Wolfram
erhalten werden, wenn das
Verhältnis im Werkstoff mindestens etwa 110 beträgt; Werkstoffe, bei denen dieses Verhältnis unter etwa 200 liegt, sollten zumindest etwa 0,2% Silicium enthalten.
Die Legierung »Hastelloy X« (eingetragenes Warenzeichen der Union Carbide Corp.), eine häufig verwendete Nickellegierung mit einer Soll-Zusammensetzung von 22% Cr, 1% W, 9% Mo, 18% Fe, 0,1% C, 2,5% max. Co, Rest Ni wird im allgemeinen als der industrielle Standard für die Oxidationsbeständigkeit angesehen. Sie wurde auch der intermittierenden Oxidationsbeanspruchung unterzogen und das in Tabelle II wiedergegebene Ergebnis belegt, gegenüber dieser als oxidationsbeständig eingestuften Legierung die verbesserte Oxidationsbeständigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Kobaltlegierungen.
Legierung S mit einer Soll-Zusammensetzung von 21 bis 22% Cr, 13 bis 14% W, 1 bis 2% Fe5 22% Ni, 0,3% Si, 0,1% C, 0,06% La, Rest Co hat eine außergewöhnliche Oxidationsbeständigkeit unter kontinuierlicher und intermittierender Oxidationsbeanspruchung, wie die Tabelle II zeigt und ist eine erfindungsgemäß zu verwendende Kobaltlegierung.
Wie die Tabelle III zeigt, besitzen die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen neben einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, etwa bei 10930C. Tabelle III zeigt außerdem noch, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, die eine mit der Legierung »Hastelloy X« vergleichbare Oxidationsbeständigkeit besitzen, weit bessere mechanische Eigenschaften bei Temperaturen von 871 bzw. 10930C aufweisen.
Tabelle III Mechanische Eigenschaften bei 871 bzw. 10930C
Legierung 0,2%-Dehngrenze, kp/mm2 Zugfestigkeit, kp/mm2 Dehnung, " 871°C 1093°C
871°C 1093°C 871°C 10930C 51 52
A 25,3 5,9 43,3 11,4 41 30,1
B 21,7 6,7 42,5 11,3 49 —
C 22,9 — 51,7 — 53 —
D 29,1 — - 46,4 — — 66,2
E — 10,2 — 16,1 · — 59,7
F — 9,7 — 14,8 — 56,2
G — 10,4 — 16,4 — 58,4
H — 10,8 — 17,9 — 64,8
I — 11,4 — 17,6 44 —
K 27,9 9,0 41,2 14,6 54,8 38,9
L 27,1 8,4 43,3 14,4
Fortsetzung
Legierung 0,2%-Dehngrenze, kp/mm2 Zugfestigkeit, kp/mm2 Dehnung, % 871°C 10930C
871°C 10930C 871°C 10930C — 57,6
M 17,3 — 56,4
N — 10,2 — 15,7 — 57,2
O — 10,5 — 16,7 — 69,2
P — 11,1 — 16,9 — 41,5
Q — 12,8 — 20,4 50 40
Hastelloy X 18,0 5,6 25,5 —

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verwendung einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Knetlegierung, bestehend aus 19 bis 28% Chrom, 12 bis 18% Wolfram, 10 bis 25% Nickel, bis zu 5% Eisen, 0,01 bis 0,15% Kohlenstoff, bis zu 0,6% Silicium, 0,02 bis 0,15% Lanthan, Rest Kobalt und zufälligen Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, die bei kontinuierlicher Oxidationsbeanspruchung bei 1093° C im Verlauf eines Jahres bis zu einer Eindringtiefe von 0,18 bis 0,58 mm oxidiert werden und die gleichzeitig Zugfestigkeiten von 11,3 bis zu 20,4 kp/mm2 aufweisen müssen.
2. Verwendung einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Knetlegierung, bestehend aus 21 bis 22% Chrom, 13 bis 14% Wolfram, 22% Nickel, 1 bis 2% Eisen, 0,1% Kohlenstoff, 0,3% Silicium, 0,06% Lanthan, Rest Kobalt und zufällige Verunreinigungen, für den in Anspruch 1 angegebenen Zweck.
DE1558683A 1966-10-27 1967-10-12 Verwendung einer Kobalt-Chrom-Wolfram-Nickel-Knetlegierung Expired DE1558683C2 (de)

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