DE1558714B2 - Aushartbare Eisen Nickellegierung - Google Patents

Aushartbare Eisen Nickellegierung

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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.
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.
Tabelle I
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.
Tabelle II
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.
Tabelle III
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
Tabelle IV
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.
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)

Patentansprüche:
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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