DE1608158A1 - Hochwarmfeste Legierung - Google Patents

Description

1608158 Dipl.-Ing. Dr.Lothar Michaelis Dr. Horst Schüler Dr. Erhart Ziegler

. Patentanwalt Patentanwalt Patentanwalt

Frankfurt/Main 1 6 Frankfurt/ Main 1 6 Frankfurt/Main T

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15. HRI 196B

8O5-39-1D-272

General Electric Company, 1 Hiver Road, Schenectady, Ν.Ϊ., USA Hochwarmfeste

Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen auf Kobaltbasis, die eine hohe Festigkeit-bei Temperaturen Über 65O⁵C (1200⁰F) aufweisen und die bei Raumtemperatur noeh relativ verformbar sind, nachdem sie für längere Zeit Temperaturen über 5¹IO⁰C ClOOO⁰F) ausgesetzt worden sindo ·

Elektrische Leistungsgeneratoren, Raumfahrtantriebe und ähnliche Anwendungen erfordern oft auf Grund ihres wiederholten Betriebes bei hohen Temperaturen übe? lange Zeiträume als Baustoffe solche Legierungen, die von Haus aus haltbar und schweißbar sind und zu verschiedenartigen Walzprodukten verformt werden können, beispielsweise zu Röhren» Platten etc. Diese Legierungen müssen bei einer hohen Temperatur OKydationsbeständig sein und müssen struktuell stabil sein, d.h. sie müssen ihre mechanischen Eigenschaften beibehalten, nachdem sie hohen Temperaturen ausgesetzt worden sind. Im allgemeinen enthalten Legierungen auf Kobaltbasis 16-25 % Chrom, 2-1535 Wolfram, 10-20 % Nickel, 1-2 % Tantal und/ oder Niob, 0,05 - 0,3 % Kohlenstoff. Weiterhin sind geringe Mengen Eisen, Silizium und Mangan bei solchen Anwendungen benutzt worden. Bisher wiesen diese Legierungen eine erhebliche Unzulänglichkeit auf. Diese bestand in ihrer Anfälligkeit zum Sprödewgrden bzw. daß sie ihre Verformbarkeit verloren, wenn sie längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Da ein strukturelles Versagen vermieden werden muß, entstehen durch dieses Problem Begrenzungen hinsichtlich der Umgebungsbedingungen bei der Verwendung der bekannten Legierungen. Es bestand

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somit; ein Bedarf an einer Legierung der oben beschriebenen Arfc, die ohne Verlust der Verformbarkeit eine längere Seit hohen Temperaturen widerstehen kann*

Die vorliegende Erfindung ist eine Legierung auf Kobaltbaeismlt ?.O oder etwas mehr Prozent Chrom, 10 oder etwas mehr Prozent Nickel* mindestens 6 % Molybdän, 0,1 % Wolfram und weniger als 0,07 % Koh.Vmstofί. Weiterhin können auch geringe Mengen Eisen, Mangan und Silicium darin enthalten sein.

Im Zuge dieser Erfindung ist festgestellt worden, daß die Alterung bei hoher Temperatur bei hochfesten Legierungenauf KobaXtbasis mit der Ausscheidung bestimmter Metallkarbide und intermetalliecher Verbindungen aus Kobalt und Wolfram verbunden ist. Diese Metallkarbide werden im allgemeinen durch MgC und M₂,Cg dargestellt, während die intermetallischen Verbindungen, die höchst schädlich asu sein scheinen, vom COgW - Typ sind. Die Legierungen, in denen ein Teil oder das gesamte Wolfram durch Molybdän ersetzt ist, und in denen die Gehalte an Wolfram und Kohlenstoff auf weniger als 7 % bzw. weniger als 0,07 % begrenzt sind, entsprechen genau

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den Eigenschaften bekannter hochfester Legierungen auf Kobaltbasis. Sie sind aber bedeutend, weil eine Tendenz zum Sprödewerden bei Schnellalterung (heat aging) über 5¹Io⁰C (1000⁰P) fehlt. Im großen und ganzen enthalten die Legierungszusammensetzungen entsprechend der vorliegenden Erfindung etwa 20 % Chrom, 10 % Nickel, 6 % Molybdän, 0,1 % Wolfram, weniger als 0,07 % Kohlenstoff, geringe Mengen Eisen, Mangan und Silizium und eine Spur Schwefel. Mangan und Silizium können zwar absichtlich als Desoxydationsmittel enthalten sein, Eisen ist jedoch im allgemeinen nur als zurückgebliebenes Element bei einem der Beschickungsmaterialien vorhanden. Kohlenstoff kann maximal bis eu 0,07 % als Verfestigungsmittel zugesetzt werden. Diese Faktoren können aber wiederum von dem Schmelzverfahren, der beabsichtigten Vervrendung der Legierung etc. abhängen.

Obwohl die Legierungen nach dieser Erfindung nicht in einem bestimmten Verfahren hergestellt zu werden brauuh»*?»«, ao sind doch im folgenden die Beispiele nach einem Vakuumverfahren durchgeführt worden, in dem mehrere Legierungsschmelzen mit einer bevorzugten erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt worden sind. (Zm Gegensatz dazu

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können auch eine Schmelze an Luft oder andere Vakuumverfahren angewendet werden«)

Beispiel 1)

Kobalt» Chrom, Nickel» Molybdän, Eisen und Mangan wurden in einem Aluminium-Oxyd-Tiegel in einen Ofen gegeben, der dann auf einen Druck von 10~3 Torr evakuiert wurde. Nachdem das Beschickungsmaterial geschmolzen und auf 150O⁰C (2750° P) erhitzt worden war, wurde es auf dieser Temperatur gehalten, bis es geläutert war, d.h. bis sich die Schlacke abgesetzt hatte (until boiling had subsided). Das Beschickungsgut wurde dann auf den Erstarrungspunkt abgekühlt und nach Zufügen einer kleinen Menge Aluminium wiederum auf 1500⁰C (2750° F) erhitzt. Darauf wurde dem Ofen Argon mit einem Druck von einer halben Atmosphäre zugeführt, und zur Herabsetzung des Silizium-Gehalts wurde der Charge eine kleine Menge Nickel-Magnesium hinzugefügt. Danach wurde die Charge abgelassen und in Barren gegossen. Die in diesem Beispiel hergestellte Legierungszusammensetzung ist in der nachfolgenden Tabelle als Schmelze Nr. 1 aufgeführt.

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Beispiel 2

Die in der Tabelle als Schmelze Nr. S aufgeführte Legierung wurde nach einem Verfahren hergestellt, das sieh nur dadurch von Beispiel 1 unterscheidet, daß in das ursprungliehe Beschickungsgut kohlenstoffreiches Chrom gegeben wurde, und daß Graphit zusammen mit Aluminium zugefügt wurde.

Beispiel 3

Die Legierung, die in der Tabelle als Schmelze Nr. 3 aufgeführt ist, wurde nach einem Verfahren hergestellt, das sich von dem Beispiel 1 nur durch den Einschluß von Silizium in das ursprüngliche Beschickungsgut, durch den Zusatz von Kalzium-Silizium zusammen mit Aluminium sofort nach der zwischenzeitlichen Abkühlung der Charge und durch das Fehlen des Nickel-Aluminium Zusatzes kurz vor deft Abguß unterscheidet.

Beispiel 4

Die in der Tabelle als Schmelze Nr. ²I aufgeführte Legierung wurde wie diejenige in Beispiel 3 hergestellt,

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außer daß dem Ausgangsgut kohlenstoffreiches Chrom zugesetzt wurde«

Gewichtsprozente

Schmelse '

Hr. Cr Ni Mo W C Pe Mn Si S Co

1 20.20 10.12 6.72 0.1 0.01 1,85 0.10 0.01 0.008 Rest

H 20.20 10.00 6.98 0.1 0.07 1.85 0,16 0.02 0.008 Rest

3 20.27 10.00 6o92 0.1 0.01 1.90 0.09 0.28 O.OOH Rest

l\ 20.29 10,24 6.66 0.1 0.01} i,88 0.05 0.12 0.011 Rest

Barren von jeder der oben aufgeführten Schmelzen wurden geglüht und naeh üblichen Methoden au Blechen gewalzt. Ein Teil der vergüteten Bleche wurde dann 100 Stunden lang bei einer Temperatur von 87O⁰C (l600°F), ein anderer Teil 1000 Stunden lang bei einer Temperatur von 87O°C (1600⁰P) gealtert.

Naeh der Wärmebehandlung und der Alterung wurden die verschiedenen Proben um einen sehr kleinen Radius gebogen, und ohne Fehler wyrcU.a bei jeder Probe Winkel von l80° erzeugt. Diese Ergebnisse standen im Gegensatz zu dem Sprödewerden und den Fehlern, die bei ähnlichen Prü-

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fangen bekannter hochwarmfester Legierungen sichtbar wurden. Das Sprödewerden bzw. das nicht auftretende Zerbröckeln, das durch die Biegeprüfungen der Legierungen, deren Zusammensetzungen in der Tabelle aufgeführt sind, aufgezeigt worden ist, wurde durch die Ergebnisse der Mikrophotographie und der Röntgen-Strahlbeugung bestätigt. Zusätzlich waren diese Legierungen durch Warmfestigkeit, Schweißbarkeit, Oxydationsbeständigkeit und Verformungseigenschaften gekennzeichnet, die mit bekannten hochwarmfesten Legierungen auf Kobaltbasis vergleichbar sind.

Um einen weiteren Beweis für die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen zu erbringen, daß sie ihre Verformbarkeit nach einer Alterung bei hoher Temperatur beibehalten, wurden mit zahlreichen der in der Tabelle aufgeführten Legierungszusammensetzungen Zerreißproben durchgeführt. Hinsichtlich der Dehnbarkeit wird die prozentuale Verlängerung der Proben zum Teil als maßgebend angenommen. Es wurde festgestellt, daß die Dehnbarkeit der erfindungsgemäßen Legierungen nach einer 100-atündigen Alterung bei 87O⁰C (160O⁰F) im allgemeinen mehr als 30 % betrug. Nach einer Alterung von 1000 Stunden bei 87O⁰C zeigte

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sich noGh deutHoher die überlegene Beibehaltung der ¥erformbarke2.fe der erfindungsgemäßen Legierungen _s wob-ai sieh ergab, daß auch jetzt noeh eine Dehnbarkeit von etwa 30 % vorhanden war» Im Vergleich dazu besitsen bekannte hoehwarmfeste Legierungen auf Kobaltbasis der oben beschriebenen Art nach einer lOG-stündigen Alterung eine Dehnbarkeit von 12-19 Present und nach einer 1000-stUndigen Alterung eine Dehnbarkeit von 6-11 Prozent.

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Claims (5)

Patentansprüche

1) Hoshwarmfesfca Legierung mit hoh©ü? Festigkeit, die nicht sum Sprödewerdsn neigl _s wenn ais längere Zeit hohen Temperaturen ausgssatst ist_s gekennzeichnet durch 20,2 bis 20,3 Present Chrom, 10 bis 10,3 Prozent Nickel, wenigstens 6 Prozent Molybdän, nicht mehr als 0,07 Prozent Kohlenstoff und den Rest Kobalt.

2) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie nicht mehr als 0,2 Prozent Mangan enthält.

3) Legi@rung.ns3h Anspruch 1 oder 2, d -a d u r e h ge kennzeichnet , daß sie nicht mehr als 0,3 Prozent Silicium enthält.

4) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn -zeichnet, daß sie nicht mehr als 0,2 % Mangan und nicht mehr als 0,3 K Silizium enthält.

5) Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

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BAD ORIGINAL 00984R/0395 ' ^,u.nal

daß üifcr nicht, mehx* als O_sl % Wolfram enthält-

β Γ "-egierung nach sxnem oder mshrepen öer Ansprüche i bis 5? d a ei u i? e h g e k -s η η -ε e i e h η et __s 6.B.L· s3.e aichfc mehr als 7 ί Molybdän enthält.

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BAD