DE1608110C3

DE1608110C3 - Verwendung einer hochwarmfesten Nickel Chrom Legierung

Info

Publication number: DE1608110C3
Application number: DE19671608110
Authority: DE
Inventors: Ray H. English; Martin N. Ornitz
Original assignee: Blaw-Knox Co Pittsburgh Pa (vsta)
Current assignee: White Consolidated Industries Inc
Priority date: 1967-03-16
Filing date: 1967-08-10
Publication date: 1973-09-13
Also published as: CH501733A; DE1608110A1; GB1143035A; BE702314A; DE1608110B2; SE319015B

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer hochwarmfesten Nickel-Chrom-Legierung mit äußerst guter Zeitstandfestigkeit für Teile von Hochtemperaturöfen, Gasturbinen, Strahltriebwerken, Schmelztiegeln, Verbrennungsmotoren und Abgasturboladern, die noch bei hohen Temperaturen eine möglichst lange Lebensdauer besitzen sollen.

Es bestand dauernd ein Bedarf für Legierungen mit hoher Kriechfestigkeit. Die Gebiete der Bauteile für Hochtemperaturöfen, wie Strahlungsröhren und Wellen oder Walzen, Gasturbinen, Strahltriebwerke, Schmelztiegel, Brennkraftmaschinen und Abgasturbolader, sind nur einige der Anwendungsgebiete solcher Materialien. Bisher wurden verschiedene Legierungen mit verschiedenen Zusammensetzungen und Anwendungsgebieten vorgeschlagen, jedoch haben alle diese Legierungen im allgemeinen einige Nachteile. Eine Legierung, die erfolgreich bei vielfältigen Anwendungsbeispielen verwendet wurde, bei denen Widerstandsfähigkeit gegenüber hoher Belastung und Kriechen, wesentlich war, insbesondere in Verbindung mit Korrosionsfestigkeit in Sauerstoff, ist in der USA.-Patentschrift 2 540 107 beschrieben und beansprucht und befindet sich unter dem Warenzeichen »22H« im Handel. Die breite Zusammensetzung der »22H«- Legierung liegt bei 40 bis 60% Nickel, 4 bis 6,5% Wolfram, 22 bis 34% Chrom und 0,35 bis 0,75% Kohlenstoff, wobei der Rest im wesentlichen Eisen ist. Aus der britischen Patentschrift 821 745 ist auch eine Nickel-Legierung mit guten Kriech- und Zeitstandeigenschaften bei hohen Temperaturen bekannt, die aus 4 bis 30% Chrom, 35 bis 90% Nickel, 0 bis 0,5% Kohlenstoff, 0 bis 15% Wolfram, 0 bis 3% Mangan, 0 bis 3% Silicium, 0 bis 30% Kobalt sowie Bor und Zirkon in den üblichen die Kornfeinung bewirkenden Mengen sowie gegebenenfalls weiteren Wahlkomponenten besteht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Legierungszusammensetzung zu finden, die bei der Verwendung für die eingangs erwähnten Einsatzgebiete möglichst noch bessere Kriech- und Zeitstandseigenschaften aufweist.

Die Erfindung besteht in der Verwendung einer

ίο hochwarmfesten Nickel-Chrom-Legierung, die 0,35 bis 0,75% Kohlenstoff, 40 bis 55% Nickel, 22 bis 33% Chrom, 4 bis 6% Wolfram, 0,2 bis 2% Mangan,

0 bis 2% Silicium und 1 bis 6,5% Kobalt sowie Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen als Rest enthält, als Werkstoff für solche Teile von Hochtemperaturöfen, Gasturbinen, Strahltriebwerken, Schmelztiegeln, Verbrennungsmotoren und Abgasturbolader^ die eine

1 %-10000-Stunden-Zeitdehngrenze bei 1095⁰C von 112,5 kp/cm², ferner bei 1040⁰C von 140,6 kp/cm² und besser sowie eine Drucklebensdauer von über 3080 Stunden bei 1150⁰C und 49,2 kp/cm² Last besitzen müssen.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung enthält also etwa die Bestandteile der obenerwähnten »22 Ho-Legierung, jedoch weist sie engere Bereiche der Nickel-, Wolfram- und Chromgehalte auf, wobei insbesondere der Kobaltgehalt im Bereich von 1 bis 6,5% liegen soll, was — wie weiter unten erläutert werden wird — insbesondere die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen in besonders vorteilhafter Weise beeinflußt.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung ist beispielsweise der obenerwähnten »22 H«-Legierung in der Zeitdehngrenze bei etwa 1095⁰C und beim Anwachsen der bei Temperaturen oberhalb 1150⁰C merklich überlegen. Zum Beispiel liegt bei etwa 1095⁰C die 1 %-10000-Stunden-Zeitdehngrenze für die »22 H«-Legierung bei etwa 73,8 kp/cm², während sie für die erfindungsgemäß verwandten Legierungen bei etwa 112,5.kp/cm² liegt. Bei etwa 1150⁰C versagte bzw. brach das Probestück aus der »22 H«-Legierung unter einer Last von etwa 49,2 kp/cm² nach 1200 Stunden, während die erfindungsgemäße Legierung über 3080 Stunden geprüft wurde und nicht gebrochen war, als der Test nach dieser Zeit abgebrochen wurde. Die 1 %-10000-Stunden-Zeitdehngrenze bei etwa 1040⁰C liegt für die »22 H«-Legierung bei 84,4 kp/cm² und für die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung bei 140,6 kp/cm². Die erfindungsgemäß verwandten Legierungen weisen also ein ausgezeichnetes Verhältnis von Belastungswiderstand zu Längenänderung bei erhöhten Temperaturen auf.

Eigenschaften, die bei Materialien für diesen Zweck wichtig sind, sind Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation und Stabilität der Form unter Last. Während die Temperaturen ansteigen, neigen die Metalle dazu, leichter zu verbrennen bzw. auszuglühen und auch eine größere plastische Deformation oder Kriechen über einen Zeitraum aufzuweisen. Viele Metalle, die bei hohen Temperaturen ganz fest oder beständig sein können, können selbst leicht korrodierenden oder oxydierenden Atmosphären bei solchen Temperaturen nicht ausgesetzt werden, ohne daß sie schnell verbraucht sind, während andere Zusammen-Setzungen, die gegenüber Ausglühen widerstandsfähig sind, keine Festigkeit aufweisen.

Die Korrosion von Legierungen in heißen Gasen ist selbstverständlich abhängig von der Atmosphäre

3 4

ebenso wie von der Legierung selbst. Das Verhalten eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei sehr hohen

von Metallen, die konstant auf hoher Temperatur ge- Temperaturen, Altershärtung oder irgendeiner der-

halten werden, ist üblicherweise ein fortschreitendes gleichen Behandlungen auf. Das Material kann jedoch

Wegschmelzen der Oberfläche bei einer praktisch — falls erwünscht — weiter bearbeitet und behandelt

konstanten Geschwindigkeit, die in Zentimeter Ein- 5 werden. Die erfindungsgemäß verwandte Legierung ist

brand pro Jahr gemessen wird. in dieser Hinsicht anderen bekannten Legierungen bei

Das Verhalten von Probemetallen unter konstanter niedrigeren Temperaturen gleich oder überlegen, ihre

Beanspruchung unter der Elastizitätsgrenze bei hoher relativen Vorteile und ihre Überlegenheit kommt jedoch

Temperatur ist durch drei Phasen der Deformation bei höheren Temperaturen auffallend zum Ausdruck,

gekennzeichnet, nämlich: io für die sie besonders geeignet ist, z. B. bei Temperaturen

von etwa 126O⁰C. Sie ist eine Nickellegierung, die als

1. Eine Periode der inneren Spannungsverteilung, wesentliche Legierungsbestandteile Chrom, Wolfram, die in einer relativ kurzen Zeit stattfindet und Kobalt und Kohlenstoff enthält, wobei der Rest im durch eine anfänglich hohe und abnehmende wesentlichen Eisen zusammen mit den gesteuerten Deformationsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. 15 Mengen an Mangan und Silicium und den gewöhn-Diese Phase besteht aus elastischer und plastischer liehen Verunreinigungen in üblichen Mengen ist. Es Verformung. wurde festgestellt, daß Kobaltzusätze, die bisher als

2. Eine Periode konstanter Deformationsgeschwin- schädlich betrachtet wurden, in dem erfindungsdigkeit, die über lange Zeiträume andauert. gemäßen engen Bereich tatsächlich nützlich sind. Dies Dieses Phänomen ist in der Metallurgie als 20 unterscheidet die erfindungsgemäß verwendete Legie-Kriechen bekannt, und es wird gewöhnlich durch rung auffallend von der in der obenerwähnten britieine Längenänderung pro Stunde unter einer ge- sehen Patentschrift angegebenen Legierungszusammengebenen Spannung gemessen, obwohl es das setzung. Insbesondere größere Mengen von Kobalt gleiche Kennzeichen anderer Deformation ist. verursachen eine Versprödung der Legierung beim Es wird im folgenden vorgezogen, Probestücke 25 Kühlen von hohen Temperaturen, während geringere beim Biegen, anstatt unter direkter Spannung zu Mengen die Korrosionsfestigkeit reduzieren, ohne daß vergleichen, und das Kriechen durch Winkel- sie irgendeine bedeutsame Verbesserung auf anderen ausschlage pro Stunde auszudrücken. Gebieten beeinflussen.

3. Eine zum Schluß steigende Deformationsge- Die erfindungsgemäß verwendete Legierung weist schwindigkeit, die zu einer Einschnürung und zum 30 in einer bevorzugten Ausführungsform die folgende Bruch führt. Zusammensetzung auf:

Die Deformationsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit in Kohlenstoff 0,45

der Phase 2 ist ein geeignetes Maß der Festigkeit oder Mangan j.'tt

Formbeständigkeit des Materials unter Last und 35 r!}^ic'^um ■ "''■*

Temperatur. Es ist üblich, die zulässige Einheits- Nickel 48,U

beanspruchung für ein besonderes Metall bei einer Sri, ^r°^m ,'„

besonders hohen Temperatur auf der Basis des bei κ hi" in

dieser Temperatur als zulässig betrachteten Kriechens Kobalt 3,U

auszuwählen. Die Zeit bis zum Erreichen des Kriechens 40 ^bisen .^Re,^st ™ ^ut>

und zum Durchlaufen der verschiedenen Phasen bis liehen^ Verunzum Kriechen ist wichtig, und sie wird durch das reinigungen Material, die Temperatur und Belastung oder Einheits- Die Einzigartigkeit der erfindungsgemäß Verwendebeanspruchung beeinflußt. ten Legierung kann vielleicht am besten an Hand der Die erfindungsgemäß verwendete Legierung hat eine 45 folgenden Versuchsdaten verständlich gemacht werhohe mechanische Festigkeit, sie weist im Gußzustand den, wobei die erfindungsgemäß verwendete Legierung ohne Wärmebehandlung geringes Kriechen und ebenso mit der »22H«-Legierung verglichen wird.

Tabelle I
Zustandswerte

	Temperatur "C	Last kp/cnV-	Kriechge schwindigkeit %/Std.	1270 Stunden bis zum Bruch 3080 Stunden, kein Bruch, Versuch abgebrochen
»22H«	1150 1150	49,2 49,2	0,0024 0,0003
Erfindungsgemäße Legierung

Tabelle II
Zusammensetzung

	C	Mn	Si	Legierung Ni	Cr	W	Co
»22 H«	0,57 0,60	1,23 0,38	1,08 1,07	48,9 51,0	26,1 25,7	6,16 6,10
Erfindungsgemäße ■ Legierung	2

kung

konstant

"^{lfseführt und in dcr s}

Tabelle III

2.4 4.5 5,8 2.0

Temperatur Kragramlast ^c I kp/cm²

1205 1205 1205 1205 1205

35,2
35,2
35,2
35,2
35,2

Rudians/Std.

0,000100 0,000044 0,00005O 0,000056 0,00005O

„Γ".:, —" »Standard-Cantilcver-Creep-(Prüfverfahren, bei dem ein Zl$± am v^n i^m-£ ^kreis™^dem Querschnitt und ei von 1,27 cm nut 35,2kp/c_m2 belastet mräj.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer hochwarmfesten Nickel-Chrom-Legierung, bestehend aus 0,35 bis 0,75% Kohlenstoff, 40 bis 55% Nickel, 22 bis 33% Chrom, 4 bis 6% Wolfram, 0,2 bis 2% Mangan, 0 bis-2% Silicium, 1 bis 6,5% Kobalt sowie als Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen als Werkstoff für solche Teile von Hochtemperaturöfen, Gasturbinen, Strahltriebwerken, Schmelztiegeln, Verbrennungsmotoren und Abgasturboladern, die eine I %-10000-Stunden-Zeitdehngrenze bei 1095⁰C von 112,5 kp/cm², ferner bei 1040⁰C von 140,6 kp/cm² sowie eine Bruchlcbensdauer von über 3080 Stunden bei 1150⁰C und 49,2 kp/cm² Last besitzen müssen.

2. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoff 0,45%, an Mangan 1,25%, an Silicium 0,75%, an Nickel 48%, an Chrom 27%, an Wolfram 5% und an Kobalt 3% beträgt, als Werkstoff für den Zweck nach Anspruch 1, der ferner eine Kriechfestigkeit bei 1205°C aufweisen muß, die nicht kleiner ist, als es einem Wert von 0,000046 Radiant/Std. gemessen an einem 27,94 cm langen Kragarm mit kreisrundem Querschnitt und einem Durchmesser von 1,27 cm bei einer Kragarmlast von 35,2 kp/cm² entspricht.