DE1558714B2 - Aushartbare Eisen Nickellegierung - Google Patents
Aushartbare Eisen NickellegierungInfo
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- C22C38/08—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing nickel
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf aushärtbare Eisen-Nickel-Legierungen
für Konstruktionen und Gegenstände, die bei niedrigen Temperaturen, d.h. im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis -1950C
oder auch bis —250°C und darunter verwendet werden können.
Konstruktionen und Teile, wie beispielsweise Metalltanks, Rohre und Pumpenteile, die für die Lagerung
oder den Transport verflüssigter Gase bei Minustemperaturen, beispielsweise bei —195° C, verwendet
werden, müssen nicht nur diese Temperaturen aushalten können, sondern auch einer plötzlichen
Temperaturänderung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu Minustemperaturen widerstehen,
die bei plötzlicher Berührung mit beispielsweise flüssigem Stickstoff oder Wasserstoff auftreten.
Aus diesem Grunde sollte eine für diesen Verwendungszweck geeignete Legierung anders als zahlreiche
der üblichen Legierungen unempfindlich gegen Versprödung, Temperaturschocks oder Temperaturwechselbruch,
Phasenumwandlungen und übermäßige thermische Ausdehnung oder Kontraktion sein, wenn sie
auf Minustemperaturen abgekühlt wird oder einem ständigen Temperaturwechsel über weite Temperaturbereiche
von Minustemperaturen unterworfen ist.
Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich daraus, daß die für den in Rede stehenden Verwendungszweck
benutzten Bauteile häufig sehr groß sind und einer starken Belastung sowie schweren mechanischen
Schocks bei sehr geringen Temperaturen unterliegen. Wird eine solche Legierung für derartige Bauteile mit
Ausnahme kleiner Gegenstände benutzt, ist es sehr wichtig, daß sie schweißbar ist und sich beim Schweißen
keine Schweißrisse bilden; darüber hinaus muß sie eine gute Zähigkeit, insbesondere Schlagfestigkeit
und Kerbzugfestigkeit bei Minustemperaturen neben hoher Festigkeit und ausreichender Duktilität besitzen.
Für eine Reihe von' Verwendungszwecken ist es außerdem erforderlich, daß die Legierung auf andere
Weise als durch Kaltverformen, beispielsweise durch ein Aushärten, verfestigt werden kann, so daß sich
auch nach dem Schweißen hohe Festigkeiten ergeben.
Wird eine solche Legierung in großtechnischem Maßstab hergestellt, ist es von besonderem Vorteil, wenn
sie gut warm- und kaltbearbeitbar ist sowie an Luft erschmolzen und vergossen werden kann; darüber
hinaus sollte sie ein homogenes Erstarrungsgefüge ohne übermäßige Seigerung besitzen. Eine homogene
Erstarrung ist dann sehr wünschenswert, wenn die Legierung zu schweren Stücken für Konstruktionen
verarbeitet wird. Legierungszusätze sind in bezug auf eine hohe Festigkeit bei einigen Legierungen wünschenswert,
doch wurde festgestellt, daß Eisen-Nickel-Legierungen mit einem wesentlichen Nickelgehalt von
beispielsweise 35 bis 45% besonders seigerungsanfällig sind, wenn derartige Legierungen bestimmte
Zusätze enthalten.
Es konnte nun festgestellt werden, daß eine verbesserte aushärtbare Eisen-Nickel-Legierung mit zufriedenstellenden
mechanischen und thermischen Ex-
pansionseigenschaften im ausgehärteten Zustand bei Raumtemperatur und bei Minustemperaturen bis
— 195°C und darunter durch genau eingestellte Zusätze von Niob und Titan hergestellt werden kann,
wobei diese Elemente als Härter wirken. Tantal, das häufig in kommerziellem Niob in geringen Gehalten,
beispielsweise von 1 bis 20°/0 oder mehr, gewöhnlich jedoch von 10 bis 15 % des Gesamtgehalts an Niob und
Tantal enthalten ist, wirkt ebenfalls als Härter und kann gegebenenfalls das Niob ganz oder teilweise
ersetzen.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung ist es wichtig, daß die Gehalte an Nickel, Niob, Tantal und Titan
sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Im einzelnen enthält die erfindungsgemäße Legierung 36 bis
42% Nickel, 0 bis 4% Niob, 0 bis 4% Tantal, wobei der Niobgehalt und der halbe Tantalgehalt 1,8 bis 4%
betragen, 1 bis 2% Titan, wobei die Gehalte an Nickel, Niob, Tantal und Titan so aufeinander abgestimmt
sind, daß sie der Gleichung
(7o Ni) - (°/o Nb) - (% Ti) - V2 (7o Ta)
=33 bis 36,4 °/0
genügen. Außerdem kann die erfindungsgemäße Legierung noch 0 bis 0,5% Aluminium, 0 bis 0,1 °/0
Kohlenstoff, 0 bis 1 % Kobalt, 0 bis 0,5 % Silizium, 0 bis 0,5% Mangan, 0 bis 0,5% Chrom, 0 bis 0,5%
Molybdän und 0 bis 0,5% Wolfram enthalten. Der Rest besteht aus Eisen und herstellungsbedingten
Verunreinigungen, so daß der Gesamtgehalt an Eisen, Nickel, Niob, Titan und Tantal mindestens 98,5%
beträgt.
Die erfindungsgemäße Legierung kann ausgehärtet werden, um ihr eine geeignete Kombination guter
Eigenschaften im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu Minustemperaturen zu verleihen,
insbesondere hohe Zugfestigkeit, Zähigkeit, ausreichende Duktilität und Gefügestabilität sowie geringe
Wärmeausdehnung. So besitzt die erfindungsgemäße Legierung beispielsweise bei Raumtemperatur eine
0,2%-Streckgrenze von mindestens 63,3 bis zu 98,4 kg/mm2 bei einer Kerbzugfestigkeit, die mindestens
der Streckgrenze bei derselben Temperatur entspricht, sowie einen durchschnittlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von -195 bis 20°C von höchstens 3,6 · 10-e/°C, beispielsweise
von 2,7 bis 3,4 · 10-e/°C· Hinzu kommt,
daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der erfindungsgemäßen Legierung im Temperaturbereich von
—195 bis 200C im wesentlichen konstant ist.
Die erfindungsgemäße Legierung besitzt eine ausgezeichnete Warm- und Kaltbearbeitbarkeit sowie gute
Schweißbarkeit und eine geringe Anfälligkeit für Schweißrisse auch beim verzögerten Schweißen und
einem Aushärten nach dem Schweißen.
, Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung liegt darin, daß sie in Luft erschmolzen und
sauber vergossen werden kann und daß sie ohne wesentliche Seigerung homogen erstarrt. In diesem
Zusammenhang ist jedoch darauf hinzuweisen, daß größere Tantalgehalte von beispielsweise 2 bis 4%
gewöhnlich zur Seigerung neigen und demzufolge besondere Sorgfalt beim Schmelzen und Gießen, beispielsweise
eine heftige Rührbewegung oder eine beschleunigte Abkühlung bzw. Erstarrung, erfordern,
um ein homogenes Gefüge zu erreichen.
Damit die erfindungsgemäße Legierung eine Streckgrenze von mindestens 63,3 kg/mm2 im ausgehärteten
Zustand besitzt, muß sie mindestens 1 % Titan bei einem Gesamtgehalt an Niob und dem halben Tantalgehalt
von mindestens 1,8% enthalten. Vorzugsweise beträgt der Gesamtgehalt an Niob und dem halben
Tantalgehalt mindestens 2,5 bei einem Titangehalt von mindestens 1,4%. Der Titangehalt darf 2% nicht
überschreiten und beträgt vorzugsweise höchstens 1,8%, um eine homogene Erstarrung, eine große
Reinheit der in Luft erschmolzenen Gußerzeugnisse
ίο sowie eine gute Zähigkeit und Duktilität bei niedrigen
Temperaturen zu erreichen und die Gefahr von Schweißrissen auszuschalten einschließlich solcher
Schweißrisse, die sich nach dem Schweißen beim Aushärten zeigen könnten.
. Um mit der Seigerung verbundene Schwierigkeiten zu vermeiden, dürfen die angegebenen Gehaltsgrenzen
für Niob und Tantal nicht überschritten werden. Des weiteren darf die Summe des Niob- und des
halben Tantalgehalts 4% nicht übersteigen, da sonst die Zähigkeit beeinträchtigt wird und die Gefahr von
Rißbildungen beim Aushärten besteht. Vorzugsweise kann die Legierung 1,6 bis 3,9% Niob und gleichzeitig
0,1 bis 0,8 % Tantal enthalten, wenn ein Tantalgehalt vorgesehen ist.
Bei jedem Gehalt an Härtern wird die Gefahr der Seigerung und einer Rißbildung des Grundmetalls
nach dem Schweißen verringert, wenn die Gehalte an Titan, Niob und Tantal so eingestellt sind, daß die
Summe des Niob- und des halben Tantalgehalts das 1,7- bis 2,3fache des Titangehalts betragen.
Es ist dabei von besonderer Bedeutung, daß die Gehalte an Nickel, Niob, Tantal und Titan in der
angegebenen Weise genau aufeinander abgestimmt sind und der Nickelgehalt 36 bis 42% beträgt, wenn die
Legierung einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im ausgehärteten Zustand besitzen soll.
Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient ist insofern vorteilhaft, als er Schwierigkeiten wie beispielsweise
einen Wärmeschock oder Temperaturwechselrisse auf Grund einer hohen örtlich unterschiedlichen
Ausdehnung vermeiden hilft, wie sie bei ungleichmäßigem Kühlen oder Erwärmen von Werkstoffen
für Niedrig- bzw. Minustemperaturen auftreten können. Geringe Abweichungen von dem angegebenen
Nickelgehalt und dem Verhältnis von Nickel, Niob, Tantal und Titan können zu einem schädlichen
Ansteigen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen. Darüber hinaus wird auch die gute Gefügestabilität
der erfindungsgemäßen Legierung, die ihr austenitisches Gefüge behält und auch beim Abkühlen
auf Minustemperaturen nicht in Martensit umwandelt und daher frei von schädlichen Dimensions- und Eigenschaftsänderungen
: ist, beeinträchtigt, wenn der Nickelgehalt außergewöhnlich niedrig ist oder wenn
das Verhältnis der Härter Titan, Niob und Tantal sehr hoch ist. Vorzugsweise beträgt der Nickelgehalt daher
38 bis 42%. ·.:. ...·, . .
Kohlenstoffgehalte über 0,1 % beeinträchtigen die Festigkeit der Legierung im ausgehärteten Zustand
und stören außerdem das ausgewogene Verhältnis der übrigen Legierungsbestandteile. Vorzugsweise
beträgt der Kohlenstoffgehalt daher höchstens 0,05%.
Das üblicherweise als Desoxydationsmittel benutzte
Aluminium kann in geringen Gehalten vorliegen, beeinträchtigt jedoch die Festigkeit und sollte daher
Gehalte von 0,5% nicht übersteigen.
Kobalt beeinträchtigt ebenfalls die hohe Streckgrenze und führt außerdem zu: einem ungünstigen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so daß der Kobaltgehalt, sofern die Legierung überhaupt Kobalt
enthält, 1 % nicht übersteigen sollte.
Chrom und Molybdän stehen ebenfalls einer hohen Zugfestigkeit entgegen, so daß diese beiden Elemente,
ebenso wie das Wolfram, unerwünschte Verunreinigungen darstellen und jeweils 0,5% nicht übersteigen
sollten.
Im Hinblick auf eine besonders gute Kombination von Zähigkeit, geringer Rißempfindlichkeit und hoher
Zugfestigkeit einschließlich einer sehr hohen Streckgrenze von mindestens 88 kg/mm2 bei Raumtemperatur
im ausgehärteten Zustand enthält die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise 37 bis 41% Nickel,
1,3 bis 1,8 % Titan, einen Gesamtgehalt an Niob und den halben Tantalgehalt von 2,7 bis 3,5 %, 0 bis 0,05 %
Kohlenstoff und 0 bis 0,5 % Aluminium.
Die Legierung kann mit artgleichem Werkstoff autogen geschweißt werden oder mit einem artgleichen
Zusatzdraht geschweißt werden. Dabei empfiehlt sich ein Schutzgasschweißen beispielsweise mit Argon oder
Helium. Sofern Teile einer zu schweißenden Legierung stark verzögernd geschweißt werden, ist es von Vorteil,
wenn die Legierung verhältnismäßig weich ist, sich beispielsweise im geglühten Zustand befindet, um
eine Rißbildung nach dem Schweißen beim Aushärten der wärmebeeinflußten Zone zu vermeiden. Treten
derartige Verzögerungen nicht auf, dann kann die erfindungsgemäße Legierung im ausgehärteten Zustand
geschweißt und anschließend wiederum ausgehärtet werden, da die Legierung mindestens eine mäßig gute
Unempfindlichkeit gegen Schweißrissigkeit im ausgehärteten Zustand besitzt.
Vor dem Aushärten empfiehlt sich ein Lösungsglühen der Legierung, wenn es auf gute Eigenschaften
im ausgehärteten Zustand, insbesondere eine gute Zähigkeit und Duktilität, besonders bei einer voraufK
gehenden Kaltverformung ankommt. Das Lösungs-;· glühen kann V2 bis 2 Stunden bei 980 bis 1095° C
erfolgen. Dabei ist ein Luftabkühlen im Anschluß an das Lösungsglühen ausreichend. Nach dem Glühen,
Warmverformen oder einem mäßigen Kaltverformen
ίο ist die Legierung verhältnismäßig weich und kann anschließend
durch eine 1- bis 24stündige Wärmebehandlung bei 650 bis 745° C ausgehärtet werden. Dabei ist
es ausreichend, wenn die Legierung von der Aushärttemperatur in Luft abgekühlt wird. Das Aushärten
verringert gewöhnlich den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, obgleich dieser im Bereich von
3,6 · 10~6/°C oder darunter liegt, wenn die Legierung
warm- oder kaltverformt oder geglüht worden ist.
Im Hinblick auf eine hohe Kerbschlagzähigkeit von mindestens 2,76 kgm bei —195°C empfiehlt sich nach, dem Warmverformen ein Glühen mit anschließender Luftabkühlung auf Raumtemperatur sowie ein 2- bis 16stüridiges Aushärten bei 650 bis 72O0C und Luftabkühlung.
Im Hinblick auf eine hohe Kerbschlagzähigkeit von mindestens 2,76 kgm bei —195°C empfiehlt sich nach, dem Warmverformen ein Glühen mit anschließender Luftabkühlung auf Raumtemperatur sowie ein 2- bis 16stüridiges Aushärten bei 650 bis 72O0C und Luftabkühlung.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.
In Tabelle I sind die Zusammensetzungen von vier erfindungsgemäßen Legierungen wiedergegeben. In
jedem Falle wurde der Tantalgehalt auf etwa 10 bis 20% des Gesamtgehalts an Niob und Tantal eingestellt
und betrug der Analysenrest Eisen einschließlich Verunreinigungen unter Einschluß von etwa 0,04%
Kupfer und etwa 0,008 % Schwefel.
Legierung | Ni | Nb+ Ta (Vo) |
Ti (Vo) |
C (Vo) |
Al | Si (Vo) |
Mn (Vo) |
1 | 39,14 | 3,91 | 1,46 | 0,01 | 0,18 | 0,01 | 0,01 |
2 | 40,27 | 2,89 | 1,51 | 0,03 | 0,19 | 0,05 | <0,01 |
3 | 38,00 | 2,89 | 1,47 | 0,03 | 0,18 | 0,01 | <0,01 |
4 | 39,56 | 2,90 | 1,46 | 0,01 | 0,22 | 0,12 | 0,22 |
Die Legierungen 1, 2 und 3 wurden im Vakuuminduktionsofen erschmolzen, zu Blöcken vergossen
und ergaben ein sauberes und homogenes Erstarrungsgefüge. Die Legierung 4 wurde in Luft im Induktionsofen
erschmolzen und vergossen und besaß trotzdem ein sauberes und von schädlichen Oxyden, Schlacke
und Verunreinigungen freies Gefüge. Außerdem wurde festgestellt, daß die Blöcke der Legierung 4, die
bei einem Querschnitt von 46 · 46 cm. 122 cm lang waren, ein ausgezeichnetes homogenes und von
Seigerungen freies Gefüge besaßen. Die Legierungen ließen sich bei etwa 1175°C ausgezeichnet schmieden
und walzen. Probestücke der gewalzten Legierungen wurden verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen
und anschließend bei Raumtemperatur untersucht, wobei auch der thermische Ausdehnungskoeffizient
bestimmt wurde.
■ Die Zugproben der Legierungen 1, 2 und 3 wurden quer zur Längsrichtung aus einem quadratischen
Knüppel mit einer Kantenlänge von 51 mm entnommen, während die Zugproben der Legierung 4
von einem warmgewalzten Blech quer zur Walzrichtung entnommen wurden.
Wärme | 1 | Glühen | 1065° | 980° | C | 8 | Aushärten | C5 | O - | YL |
behand | 1 | 1065° | 980° | C | 8 | C, | O - | YL | ||
lung | V2 | hbei | 980° | 980° | C | 8 | h bei 705° | C5 | O - | YL |
1 | V2 | hbei | 980° | 980° | C | 8 | h bei 745° | C5 | O - | YL |
2 | V2 | hbei | 980° | 980° | C | 8 | h bei 720° | C5 | O - | YL |
3 | V2 | hbei | 1040° | ohne | C | 8 | h bei 690° | C5 | O- | YL |
4 | hbei | ohne | 8 | hbei 745° | C5 | ο | YL | |||
5 | V2 | hbei | hbei | C | 8 | h bei 690° | C, | ι | ||
6 | hbei | C | 16 | hbei 675° | C5 | L | ||||
7 | ν! | h bei | C | 16 | h bei 665° | C5 | L | |||
8 | V2 | hbei | C | 8 | h bei 650° | C5 | L | |||
9 | V2 | hbei | C | 8 | hbei 665° | C5 | L | |||
10 | 8 | h bei 650° | C5 | L | ||||||
11 | h bei 720° | |||||||||
12 | hbei 665° | |||||||||
13 | ||||||||||
L = Luftabkühlung.
O + L= Ofenabkühlung mit 40 grd/h auf 650° C, achtstündiges
Halten bei 650° C und anschließendes Abkühlen in Luft.
Die verschiedenen Wärmebehandlungen sind in Tabelle II aufgeführt und die entsprechenden technologischen
Eigenschaften in Tabelle III, in der die 0,2-Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Dehnung
sowie die durchschnittlichen thermischen Ausdeh-
nungskoeffizienten im Temperaturbereich von —195 bis 20° C im ausgehärteten Zustand zusammengestellt
sind.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wurden die,Versuchslegierungen
nach dem Glühen in Luft abgekühlt.
Legierung | Wärme behandlung |
Streckgrenze (kg/mm2) |
Zugfestigkeit (kg/mm2) |
Dehnung (%) |
Thermischer Ausdehnungskoeffizient (grd-1) |
1 2 3 4 |
1 1 2 4 |
127 105 98 103 |
136 119 116 119 |
8 9 13 16 |
3,51 · 10-e 2,92 · 10-6*) 3,13 · 10-6 3,03 · 10-6 |
*) Nach der Wärmebehandlung 2 an Stelle der Wärmebehandlung 1.
Aus Tabelle III ergibt sich, daß sich bei den erfindungsgemäßen Legierungen Streckgrenzen über
88 kg/mm2 ergeben, wenn der Titangehalt mindestens 1,4% und die Summe des Niob- und des
halben Tantalgehalts mindestens 2,5 % betragen. Des weiteren zeigen die Versuchsergebnisse, daß sich hohe
Zugfestigkeiten und niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten nach einem Aushärten bei verschiedenen
Temperaturen ergeben, was insbesondere für die Herstellung großformatiger Teile außerordentlich günstig
ist.
Die Wärmeausdehnungsversuche der Legierungen 1 bis 4 bestätigen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient
der vorgeschlagenen Legierung über den Bereich der Versuchstemperaturen im wesentlichen konstant
blieb. Außerdem erwiesen diese Versuche und weitere Versuche, bei denen die Legierung 4 unter anderem
achtmal von Raumtemperatur auf — 1950C abgekühlt
wurde, daß die erfindungsgemäße Legierung über diesen Temperaturbereich ein stabiles Gefüge besitzt,
d. h. keinen Phasenänderungen oder anderen Gefügeumwandlungen
unterlag und der thermische Ausdehnungskoeffizient mit einer Abweichung von 5%
konstant blieb, ohne daß sich bei dem zyklischen Erwärmen und Abkühlen eine zu höheren oder
niedrigeren Werten gerichtete Tendenz zeigte. Bei Raumtemperaturversuchen der Legierung 4 nach
einem halbstündigen Glühen bei 980° C wurde eine Streckgrenze von 35,2 kg/mm2, eine Zugfestigkeit von
64,7 kg/mm2 sowie eine Dehnung von 47 % gemessen. In diesem Zustand besaß die Legierung 4 im Temperaturbereich
von —195 bis 20° C einen durchschnittlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von 3,6 · 10-e/°Q Da das Aushärten zu einer Verringerung
des thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt, zeigen die Versuchsergebnisse deutlich, daß sich
bei den erfindungsgemäßen Legierungen ein niedriger durchschnittlicher thermischer Ausdehnungskoeffizient
von unter 3,6 ΊΟ"-6/0 C bei Minustemperaturen ergibt.
Weitere Versuche wurden bei Raumtemperatur, —195 und -2530C mit der Legierung 4 im gekneteten
Zustand, unter anderem als warmgewalztes Blech, kaltgewalztes Blech, Schmiedeknüppel und
warmgepreßtes Rohr nach verschiedenen Wärmebehandlungen durchgeführt. Die einzelnen Wärmebehandlungen
sind in Tabelle II zusammengestellt, wobei die Legierung im Walzzustand oder Preßzustand
direkt ausgehärtet wurde, wenn kein Glühen durchgeführt wurde. Die dabei ermittelten Versuchsergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt, aus
der sich die Kerbzugfestigkeiten und Kerbschlagzähigkeiten der Legierung ergeben. Die Probestücke
wurden quer zur Walzrichtung entnommen, die Knüppelproben jedoch parallel zur Längsrichtung
des Knüppels und die Rohrproben sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung eines Rohres
: mit einem Außendurchmesser von 15,2 cm und einer Wanddicke von 2,5 cm. Für den Kerbschlagversuch
nach Charpy wurden nur Halbproben aus dem Blech
geschnitten, da dieses 0,6 mm dick war, während aus dem Knüppel Vollproben entnommen wurden. Die
Kerbproben aus dem Blech besaßen Kantenkerben mit einem Spannungskonzentrationsfaktor Kt von 20.
Die Kerbproben aus dem Knüppel wurden als Rundstäbe untersucht und so gekerbt, daß sich ein Kerbfaktor
Kt von 10 ergab.
Die Versuchsergebnisse der Tabelle IV beweisen, daß die Kerbzugfestigkeit der Legierung 4 höher war
als die Streckgrenze bei derselben Temperatur. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die Kerbfestigkeit
an kantengekerbten Proben quer zum kaltgewalzten Blech und insbesondere bei —195° C bestimmt
wird. Erwähnenswert ist auch die isotrope Duktilität, die sich aus den Versuchsergebnissen an den Längsund
Umfangs-Proben von Rohren ergibt.
Es sei bemerkt, daß die Ergebnisse der Kerbschlagversuche nach. Charpy an kaltgewalztem Blech
einen hohen Widerstand gegen Schlagbeanspruchung erweisen und den Ergebnissen gleichwertig sind, die an
Kerbschlagproben voller Abmessungen nach Charpy mit 2,8 kgm erhalten werden.
Die gute Schweißbarkeit und geringe Schweißrissigkeit der erfindungsgemäßen Legierung ergibt
sich aus Versuchen, die an geschweißten Rohren und kaltgewalzten Blechen durchgeführt wurden. Die
Enden zweier Probestücke aus kaltgewalztem Rohr der Legierung 4 mit einem Außendurchmesser von
12,7 cm und einer Wandstärke von 0,4 mm wurden im ausgehärteten Zustand stumpf miteinander unter
Zusatz eines Fülldrahtes nach dem WIG-Verfahren miteinander verschweißt. Anschließend wurden die
miteinander verschweißten Rohre ausgehärtet, wonach sich weder im Grundmetall noch in der Schweiße
Risse zeigten.
309 539/185
10
Zustand | Wärme behand lung |
Versuchs- temperatur |
Streckgrenze | Zug festigkeit |
Dehnung | Kerbzug festigkeit |
Kerb- | |
Probe | (kg/mm2) | (kg/mm2) | (7o) | (kg/mm2) | schlag- zähig- keit |
|||
Warmgewalztes Blech | 7 | Raumtemp. | 112,0 | 125,8 | 10 | (kgm) | ||
1 | Warmgewalztes Blech | 4 | Raumtemp. | 99,1 | 123,0 | 16 | ||
2 | Warmgewalztes Blech | 5 | Raumtemp. | 96,0 | 113,9 | 16 | ||
3 | Warmgewalztes Blech | 6 | Raumtemp. | 101,9 | 124,1 | 15 | ||
4 | Kaltgewalztes Blech | 8 | Raumtemp. | 98,0 | 117,4 | 20 | 115,2 | |
5 | Kaltgewalztes Blech | 8 | -195°C | 121,0 | 157,3 | 23 | 138,2 | 2,9*) |
6 | Kaltgewalztes Blech | 8 | -253°C | — | — | — | — | 1,8*) |
7 | Kaltgewalztes Blech | 9 | Raumtemp. | 97 | 122,3 | 17 | 120,9 | 1,7*) |
8 | Kaltgewalztes Blech | 9 | -195°C | 123,7 | 165,6 | 22 | 133,6 | 2,4*) |
9 | Kaltgewalztes Blech | 9 | -2530C | •— | — | — | — | 1,5*) |
10 | Kaltgewalztes Blech | 10 | Raumtemp. | 108,2 | 124,1 | 16 | 121,6 | 1,5*) |
11 | Kaltgewalztes Blech | 10 | -195°C | 134,0 | 185,8 | 11 | 142,0 | 1,9*) |
12 | Kaltgewalztes Blech | 10 | -2530C | — | — | — | — | 1,5*) |
13 | Warmgeschmiedeter | 8 | Raumtemp. | 90,9 | 125,1 | 19 | 172,2 | 1,5*) |
14 | Knüppel | — | ||||||
Warmgeschmiedeter | 8 | -1950C | 136,3 | 166,7 | 20 | 219,3 | ||
15 | Knüppel | — | ||||||
Warmgeschmiedeter | 11 | -195°C | — | — | — | — | ||
16 | Knüppel | 3,3 | ||||||
Warmgeschmiedeter | 12 | -195°C | — | — | —. | — | ||
17 | Knüppel | 3,3 | ||||||
Stranggepreßte Rohre | 1 | |||||||
Längsprobe | 13 | Raumtemp. | 90,0 | 114,6 | 16 | |||
18 | Umfangsprobe | 13 | Raumtemp. | 92,0 | 116,7 | 15 | ||
19 | Längsprobe | 8 | Raumtemp. | 85,0 | 114,6 | 17 | ||
20 | Umfangsprobe | 8 | Raumtemp. | 90,7 | 115,3 | 17 | ||
21 | ||||||||
*) Versuche auf Grund von Halbproben.
Für weitere Versuche, d. h. den Reparaturschweißversuch, wurden Scheiben mit einem Durchmesser
von 5 cm aus drei kaltgewalzten Blechen der Legierung 4 mit einer Stärke von 0,16 mm geschnitten.
Dabei befanden sich zwei Proben im geglühten und die dritte Probe im Walzzustand. Die drei Probestücke
mit kreisförmiger Öffnung wurden an ihren Außenkanten mit schweren Metallplatten verschweißt. Alsdann
wurden die ausgeschnittenen Scheiben wieder in die betreffenden kreisförmigen Öffnungen eingefügt
und erneut mit dem Grundmetall durch autogenes Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen verbunden. Die
geschweißten Proben wurden dann 8 bis 16 Stunden bei 6650C ausgehärtet. Eine nachfolgende Untersuchung
ergab keine Schweißrissigkeit der Legierung. Somit beweisen diese Versuche, daß bei der erfindungsgemäßen
Legierung keine Schweißrissigkeit auftritt und sich auch nach dem Schweißen beim Aushärten
keine Risse ergeben, so daß sie sich insbesondere zum Schweißen mit nachfolgendem Aushärten und einer
hohen Festigkeit quer zur Schweiße eignet.
Um die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung darzutun, wurden weitere Versuche an Legierungen
A, B und C durchgeführt, die nicht unter die Erfindung fallen. Die Zusammensetzungen dieser
Legierungen ergeben sich aus Tabelle V. In jedem Falle betrug der Tantalgehalt etwa 10 bis 20°/0 des
Gesamtgehalts an Niob und Tantal. Außerdem enthielten die Legierungen bis 0,01 % Silizium und bis
0,01% Mangan sowie Legierung C außerdem 6,48% Kobalt. Der Analysenrest bestand in jedem
Falle aus Eisen und Verunreinigungen, einschließlich 0,04% Kupfer und 0,008% Schwefel. Die Legierungen
A, B und C wurden im Vakuum erschmolzen, vergossen und geschmiedet. Anschließend wurden
Probestücke für die Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten entnommen, wärmebehandelt
und in der oben im Zusammenhang mit den Legierungen 1, 2 und 3 beschriebenen Weise untersucht.
Die jeweilige Wärmebehandlung und der ermittelte thermische Ausdehnungskoeffizient ergeben
sich ebenfalls aus Tabelle V.
Legierung | Ni (7o) |
Nb+ Ta (7o) |
Ti (7o) |
Al (7o) |
C CYo) |
Co (7o) |
Fe CVo) |
Wärme behandlung |
Thermischer Ausdehnungs koeffizient (grd"1) |
A B C |
43,61 35,98 41,07 |
3,94 2,98 2,98 |
1,48 1,46 1,46 |
0,17 0,19 0,19 |
0,01 0,03 0,01 |
6,48 | Rest Rest Rest |
1 2 2 |
4,70 · ΙΟ"6 5,57 · 10-« 6,64 · 10-6 |
Die Versuchsergebnisse der Tabelle V zeigen deutlich, daß die Legierungen A, B und C im ausgehärteten
Zustand einen unvorteilhaft hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der merklich über
3,6 · 10-G/ 0C liegt. Die Legierung A enthielt zuviel
Nickel; darüber hinaus waren die Gehalte der Legierungen A und B an Niob, Nickel und Tantal sowie
Titan nicht in der erfindungsgemäßen Weise aufeinander abgestimmt. Obgleich die Gehalte der Legierungen
an Nickel, Niob, Tantal und Titan der Legierung C erfindungsgemäß aufeinander abgestimmt
waren, war der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Legierung noch höher als derjenige der Legierungen
A und B, woraus sich der außerordentlich schädliche Einfluß eines Kobaltgehalts von 6,48 °/0
ergibt.
Die hohe Zugfestigkeit, Kerbzähigkeit, Schlagfestigkeit und der geringe thermische Ausdehnungskoeffi-
zient bei Raumtemperatur und Minustemperaturen in Kombination mit einer guten Schweißbarkeit
machen die erfindungsgemäßen Legierungen besonders geeignet für die Herstellung von Schweißkonstruktionen,
aushärtbaren Knetlegierungen, einschließlich Rohren, Platinen, Blechen, Stäben und
Draht, die zum Herstellen von Schweißkonstruktionen und anderen Teilen zur Lagerung, zum Transport
und zur Behandlung verflüssigter Gase bei Minustemperaturen und für andere Niedrigtemperaturzwecke
geeignet sind. Derartige Konstruktionen stellen insbesondere Röhren, Rohre, Impeller oder
andere Pumpenteile, Ventile, Ventilsitze, Pufferbüchsen, Gitter und Ventilkörper, Lagerbehälter,
Druckkessel, Wellenlager, Düsen und andere Teile zur Verwendung bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur
und —195 oder —251° C und niedriger dar.
Claims (14)
1. Aushärtbare Eisen-Nickel-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus
36 bis 42% Nickel, O bis 4% Niob, 0 bis 4% Tantal, bei einem Gesamtgehalt an Niob und dem
halben Tantalgehalt von 1,8 bis 4°/0, 1 bis 2% Titan, wobei die Gehalte an Nickel, Niob, Tantal
und Titan der Gleichung
(7o Ni) - (% Nb) - V2 (°/o Ta) - (% Ti)
= 33 bis 36,4%
genügen müssen, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 1% Kobalt, 0 bis 0,5% Aluminium, 0 bis 0,5%
Silizium und 0 bis 0,5% Mangan, 0 bis 0,5% Chrom, 0 bis 0,5 % Molybdän; 0 bis 0,5 % Wolfram,
Rest Eisen einschließlich Verunreinigungen bei einem Gesamtgehalt an Eisen, Nickel, Niob,
Tantal und Titan von mindestens 98,5% besteht.
2. Legierung nach Anspruch 1, deren Tantalgehalt 1 bis 20 % des Gesamtgehalts an Niob und
Tantal beträgt.
3. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 1,6 bis 3,9 % Niob und 0,1 bis 0,8 % Tantal enthält.
4. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, deren Nickelgehalt jedoch 38 bis 42% beträgt.
5. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, deren Gesamtgehalt an Niob und dem halben Tantalgehalt
mindestens 2,5% bei einem Titangehalt von 1,4 bis 2% beträgt.
6. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, deren Gesamtgehalt an Niob und dem halben Tantalgehalt
jedoch das 1,7- bis 2,3fache des Titangehalts beträgt.
7. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, deren Kohlenstoffgehalt jedoch höchstens 0,05% beträgt.
8. Legierung nach Anspruch 1 mit 37 bis 41% Nickel und einem solchen Niob- und/oder Tantalgehalt,
daß der Gesamtgehalt an Niob und dem halben Tantalgehalt 2,7 bis 3,5% beträgt, 1,3 bis
1,8 % Titan und 0 bis 0,05 % Kohlenstoff.
9. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 7, deren Titangehalt jedoch höchstens 1,8% beträgt.
10. Verfahren zur Wärmebehandlung der Legierungen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 1 bis 24 Stunden bei 650 bis 7450C ausgehärtet wird.
11. Verfahren zur Wärmebehandlung der Legierungen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung 1I2 bis 2 Stunden
bei 980 bis 10950C geglüht und anschließend 1 bis 24 Stunden bei 650 bis 745 0C ausgehärtet
wird. . ■ ·
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Aushärten
im Ofen mit einer Geschwindigkeit von 40grd/h auf 65O0C abgekühlt, 8 Stunden bei
65O0C gehalten und anschließend in Luft abgekühlt
wird.
13. Verfahren zur Wärmebehandlung der Legierungen nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung nach einem Warmverformen und Glühen mit anschließender
Luftabkühlung auf Raumtemperatur 2 bis 16 Stunden bei 650 bis 7200C ausgehärtet und an
Luft abgekühlt wird.
14. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 9 als Werkstoff für Gegenstände, die
bei Temperaturen bis —251°C eine hohe Temperaturwechselfestigkeit
und Kerbzähigkeit bei hoher Zugfestigkeit und einen thermischen Aus-^
dehnungskoeffizienten von höchstens 3,6 · 10~6/grd
zwischen 20 und —195°C aufweisen müssen.
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