DE1608170A1

DE1608170A1 - Nickel-Chrom-Eisen-Legierung

Info

Publication number: DE1608170A1
Application number: DE19671608170
Authority: DE
Inventors: Gibson Robert Cameron; Tuffnell Glenn William
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1966-07-14
Filing date: 1967-07-12
Publication date: 1970-11-05
Also published as: AT276787B; DE1608170C3; ES342990A1; GB1135003A; US3592632A; SE351240B; CH477556A; DE1608170B2; FR1531171A; BE701379A

Description

Dr.-lng. G. Eichenberg ' _ΛΛ _τ ..

^{ο σ} 4 Düsseldorf, den 1.1... Juli.

Dipl.-ing. H. Sauerland ceciiienaiiee76

Patentanwälte

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ink AG., Filiale

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International Nickel.Limited, Thames House, Millbank,

London, S. W. 1, England

"Nickel-Chrom-Eisen-Legierung"

Die vorteilhaften Eigenschaften hochwarmfester Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen, insbesondere deren gute Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit, machen diese zu einem vielseitig verwendbaren Werkstoff. Piir eine Reihe von Verwendungszwecken, beispielsweise in Wärmekraftwerken werden jedoch Werkstoffe gebraucht, die ein stabiles Gefüge besitzen und auch bei längerer Temperaturbeanspruchung nicht verspröden. Bei den üblichen Dampftemperaturen bis 595⁰C werden zur Zeit austenitische rostfreie Stähle wie beispielsweise der Stahl AISI 304 mit 18ji Chrom und 8$ Nickel oder AISI 316 mit 18$ Chrom, 10$ Nickel und 3°/o Molybdän verwendet.

Obgleich sich die vorerwähnten Stähle bei den herkömmlichen Verfahrenstemperaturen bewährt haben, besteht die Tendenz, die Dampfüberhitzung auf 65O⁰C und mehr zu

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steigern, d„h. auf Temperaturen, bei denen die vorgenannten Stähle nicht mehr geeignet sind, ,da ihr Festigkeitsabfall in Abhängigkeit von der erhöhten Temperatur zu einer wesentlichen Erhöhung der Wanddicke solcher Teile führen müßte, die dem Dampfdruck unterworfen sind. Demzufolge besteht zur Zeit ein Bedarf an Legierungen, die nach 1000-stündigem Glühen bei 65O⁰G noch eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 8,6 kgm/cm und nach 10 000 Stunden noch mindestens 3,5 kgm/cm besitzen. Vorteilhafterweise sollten derartige Legierungen bei einer Belastung von 28,2 kg/mm bei 65O⁰C noch eine Standzeit von mindestens 1000 Stunden besitzen.

Erfindungsgeiuäß bestehen daher Legierungen, die auch bei längerer.Temperaturbeaufschlagung von 65O⁰C nicht verspröden und eine hohe Zeitstandfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit besitzen, aus 34 bis 40$ Nickel, 15 bis 19$ Chrom, 0,25 bis 2$ Niob, je höchstens 3,5$ Wolfram und/oder Molybdän bei einem Gesamtgehalt an Niob, Wolfram und Molybdän von 1,25 bis 6$, 0 bis 0,75$ Titan, 0 bis 0,75$ Aluminium, bis 0,08$ Kohlenstoff, O bis 0,015$ Bor, 0 bis 0,75$ Silizium, Q bis 4$ Mangan, Regt Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. Handelsübliches Niob enthält im allgemeinen geringe Mengen Tantal bis 10$ des Niobgehaltes. Demzufolge kann die erfindungsgemäße Legierung auch auf diese Weise, zusammen mit dem Niob eingeführtes Tantal enthalten, das dann als Teil des Niobs zu betrachten ist.

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Ein Nickelgehalt von mindestens 34$ ist zur Verhinderung der Bildung einer Sigma-Phase erforderlich, die zu einer Beeinträchtigung der Festigkeit, Zähigkeit und Zeitstandfestigkeit führt; demzufolge enthält die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise mindestens 36$ Nickel. Mckelgehalte über 40$ erhöhen die Herstellungskosten ohne merkbare Verbesserung der Festigkeit, Zähigkeit oder Duktilität.

Mindestens 15$ Chrom sind für eine ausreichende Eorrosionsbeständigkeit erforderlich, insbesondere bei sulfidierenden, oxydierenden oder stark überhitzten Dämpfen, so daß die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise mindestens 16$ Chrom enthält. Obgleich höhere Chromgehalte die Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit erhöhen^ beeinträchtigt das Chrom die Wärmebeständigkeit. Aus diesem Grunde darf der Chromgehalt 19$ nicht übersteigen.

Niob, Wolfram- und Molybdän erhöhen die Streckgrenze und Zeitstandfestigkeit der Legierung, so daß diese mindestens 0,25$ Niob zusammen mit Wolfram und/oder Molybdän bei einem Gesamtgehalt dieser drei Elemente von mindestens 1,25$ enthalten muß. Vorteilhafterweise beträgt der Gesamtgehalt dieser Elemente jedoch mindestens 2$, wobei die Gehalte an Wolfram und Molybdän mindestens je 0,25$ "betragen. Zu hohe behalte an-Hiob, 'Wolfram und Molybdän beeinträchtigen die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, so daß die

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Legierung höchstens 2# Niob und je 3,5$ Wolfram und Molybdän bzw. höchstens 6$ dieser drei Elemente enthält. Die Gehalte an Wolfram und Molybdän übersteigen jedoch vorzugsweise je 3$ nicht. Eine optimale Zähigkeit ergibt sich, wenn die legierung 0,5 bis 1,5$ Niob und insgesamt mindestens 2,5$ Wolfram und Molybdän bei einem Gesamtgehalt die,-ser drei Elemente von höchstens 5,5% und vorzugsweise höchstens 5,25$ enthält.

Titan und Aluminium tragen zur Festigkeit und Zeitstandfestigkeit der Legierung bei, doch fällt die Zähigkeit ab, wenn der Gehalt eines dieser Elemente wesentlich über 0,75$ liegt. Eine ausgezeichnete Kombination von Zugfestigkeit und Zähigkeit ergibt sich bei einem Gesamtgehalt an Titan und Aluminium von 0,35 bis VfL. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch mindestens je 0,35$ Titan und Aluminium.

Der Kohlenstoffgehalt der Legierung sollte 0,i nicht übersteigen} da die die Festigkeit der Legierung erhöhenden Elemente Chrom, Wolfram, Molybdän und Niob zur Bildung von Karbiden neigen, die die Zeitstandfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Vorzugsweise wird der Kohlenstoffgehalt auf den Gesamtgehalt an Niob, Wolfram und Molybdän abgestimmt und übersteigt bei einem Gesamtgehalt dieser Elemente von 2,5 bis 3,5$ einen Höchstgehalt von 0,069s bzw. bei einem Gesamtgehalt der vorgenannten EIe-

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mente unter 2,5$ einen Höchstgehalt von 0,03$ nicht. In jedem Falle ist es "besonders vorteilhaft, den Höchstgehalt an · Kohlenstoff auf 0,03$ zu begrenzen.

Der Siliziumgehalt der Legierung übersteigt vorzugsweise 0,3$ nicht, während der Mangangehalt höchstens 1$ und vorzugsweise höchstens 0,4$ beträgt. Andere Verunreinigungen einschließlich Desoxydationsrückstände und Raffinationselemente können in den bei Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen üblichen Grenzen vorkommen.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ergibt sich eine optimale Eigenschaftskombination bei einer legierung mit 36 bis 39$ Nickel, 16 bis 18$ Chrom, 1 bis 2$ Wolfram, 1 bis 2$ Molybdän, 0,7 bis 1$ Niob, 0,35 bis 0,5$ Titan, 0,35 bis 0,5$ Aluminium, bis 0,06$ Kohlenstoff, 0 bis 0,01$ Bor, beispielsweise 0,005 bis 0,01$ Bor, 0 bis 0,3$ Silizium und 0 bis 0,4-$ Mangan, Rest einschließlich erachmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Diese "Legierung ist außerordentlich korrosionsbeständig, besitzt eine hohe Pestigkei.t, Zähigkeit und Duktilität, auch wenn sie sehr lange hohen Temperaturen ausgesetzt ist.. Aus diesem Grunde eignet sie sich besonders gut als Werkstoff für Überhitzerrohre und läßt sich nach den üblichen Schmelzverfahren leicht herstellen.

Als Ausführungsbeispiele sind sechs legierungen in Tabelle I zusammengestellt, die nach dem Schmelzen zu

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Γ/U

Blöcken mit einem Gewicht von 13,6 kg vergossen wurden. Die Blöcke wurden nach dem Erstarren eine Stunde bei 1175°C geglüht und zu Stäben mit einer Kantenlänge von 38 mm. ausgeschmiedet. Die Probeatäbe wurden dann zur Verminderung der Auswirkung einer Seigerung geviertelt und die dabei anfallenden Teilstäbe mit einer Kantenlänge von 19 mm eine Stunde bei 1O95°C geglüht und anschließend auf eine Kantenlänge von 16 mm kaltgewalzt» Die Legierung'4 wurde in Luft, die übrigen Legierungen in Vakuum erschmolzen. Außer den in Tabelle I angegebenen Elementen enthielt jede Versuchslegierung höchstens je 0,4$ Silizium und Mangan, während der Legierungsrest aus Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen bestand. Die Legierungen 1 bis 4 fällen unter die Erfindung, während die Legierungen A und B außerhalb liegen.

	e- Ni g (#)	*	Gr (*)	W (SO	Tabelle I	Nb ' (36)	Ti	Al (To)	-	0	B	0 (56)
	38.6		15*	1.38		1.10	0.41	0.59	0	.0048	0.009
?un	37.8	17.9	1.35	Mo (*)	1.17	0.42	0.53	0	.0048	0.012
1	37.4	17.7	1.54	1.48	1.05	0.53	0.48	0	.0050	0.026
2	38.8	18.6	1.54	1.48	1.05	0.5Q	0.50	0	.0050	0.029
3	37.8	14.3	2,50	1.-50	1.05	0.36	0.48	0	.0062	0.01
4	37.7	17.6	2.75	1.51	1.15	0.38	0.47		.0050	0.008
A	nominell		2.75
B		2.92

Jede der vorstehenden Legierungen wurde einem Zug-

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und Kerbsclilagversuch bei Raumtemperatur sowie dem Zeitstandversuch bei erhöhter Temperatur unterworfen. Die dabei ermittelten Streckgrenzen, Zugfestigkeiten, Dehnungen und Einschnürungen sind in den. Tabellen II und III aufgeführt. Vor dem Zug- und dem Kerbschlagversuch (nach Charpy) wurden' die Legierungen folgendermaßen wärmebehandelt:

Wärmebehandlung I: einstündiges Lösungsglühen bei

98O⁰C mit anschließender Luftabkühlung,

Wärmebehandlung II: einstündiges Lösungsglühen bei ' . 9QO⁰C, Luftabkühlung und an

schließendes eintausendstündiges Glühen bei 65O⁰C mit Luftabkühlung.

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Tabelle II

Wärme- O.2#-Streck- Zugfe- Deh- Ein- Kerbschlag-

Legie- behänd- grenze stigkeit nung schnü- Zähigkeit

rung lung _{9 9} rung „

(kg/mm'¹) (kg/mnr) W (#) (kgm/cnT)

1	I II	33.2 80.5	80.6 117.1	46.0 22.0	70.5 44.5	16.5
2	I II	30.2 60.8	72.1 109.1	46.0 24.0	73.5 52.0	16.8
3	I II	25.4 53.8	67.4 97.3	45.0 29.0	71.5 55.5	18.8
4	I II	26.0 59.6	69.9 108.9	46.0 2.9.0	71.0 54.0	16.9
Λ	I II	45.2 72.6	82.0 112.8	40.0 22.0	67.0 45.0	7.2
B-	I II	53.5 81.0	89.8 118.8	35.0 21.0	61.5 44.0	5.1

Die überlegene Stabilität der Legierungen 1 bis 4 im Vergleich zu den Legierungen A und B ergibt sich aus der weitaus höheren Kerbschlagzähigkeit nach dem 1000-stündigen Glühen bei 65O⁰C. In diesem Zustand besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen im allgemeinen eine Zerbschlagzähigkeit von mindestens 8,6 kgm/cm .

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	' -Versuchs- .temperatur / (°c)'	Belastung (kg/mm )	Tabelle III	Deh nung	Ein schnü rung	Mindest-Kriech- geschwindigkeit " WH)
	595 650 705	45.7 38.7 24.6		37.0 28.0 40.0	44.2 3^.4 47.3	0.120 0.156
Legie rung	595 650 · 705	45.7" 38.7 24.6	Stand zeit v (H) ;	45.0 31.0 46.0.	46.5 44.3 51.0	0.046 0.106
1	650 650	38.7 28.2"	193.6 101.4 121.9	31.0 37.0/	37.1 53.2	· ■·--."
2	650 650	38.7 28.2 ;	344.1 129.1 173.5	35.0 ■ 37.0	33.0 53.8	." — - "
3		^r 81.5 2219.2.
4	tVW-. 2 3692.1

Aus Tabelle III ergibt sich, daß die legierungen 3 und 4 bei einer Belastung von 28,2 kg/mm und 65O⁰C eine 1000 Stunden übersteigende Standzeit besitzen.

Die Legierung nach, der Erfindung eignet sich besonders als Werkstoff für ÜberhAtzerrohre und Wärmeaustauscher für Wärmekraftwerke sowie für Teile, die im Gebrauch längere Zeit erhöhten Temperaturen von beispielsweise '65O⁰C ausgesetzt sind und hohe Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit besitzen müssen.

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CQPY

Claims

International Nickel Limited, Thames House,. Millbank, • London, S. W. 1, England . _,, ^Patentansprüche: . ,

1. Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, bestehend aus 34 bis 40$ Nikkei, 15 bis 19$ Chrom, 0,25 bis 2$ Niob, höchstens je 3,5$ Wolfram und/oder Molybdän bei einem Gesamtgehalt an Niob, Wolfram und Molybdän von 1,25 bis 6$, O bis 0,75% Titan, bis 0,75$ Aluminium, bis 0,08$ Kohlenstoff, 0 bis 0,015$ Bor, 0 bis 0,75$ Silizium und O bis 4$ Mangan, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die je 0,5 bis 3$ Wolfram und Molybdän enthält.

3. Legierung nach dceii Ansprüchen ΐ und 2, deren Ge samt gehalt an Niob, Wolfram und Molybdän 2 bis 5;5# beträgt^ -^;c >"■>

4. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, deren Niobgehalt 0,5 bis 1,5 und deren Gesamtgehalt an Wolfram und Molybdän mindestens 2,5# beträgt.

5. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, die jedoch mindestens je 0,35$ Titan und Aluminium enthält.

6. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5, deren ßesamtgehalt

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an Titan und Aluminium 0,35 '.Ms' 1$ beträgt.

7. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, derenKohlenstoffgehalt jedoch 0,03$ nicht übersteigt.

8. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 7» derenSiliziumgehalt Jedoch 0,356 und deren Mangangehalt 1$ nicht übersteigt.

9. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch aus 36 bis 39$ Nickel, 16 bis 18$ Chrom, 1 bis 2?£ Wolfram, 1 bis 2# Molybdän, 0,35 bis 0,5# Titan, 0,35 bis O₁5# Aluminium, bis 0,03$ Kohlenstoff, 0 bis 0,OtJi Bor, 0 bis 0,3# Silizium und 0 bis 0,4$ Mangan, Rest Eisen einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht.

10. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 9 als Werkstoff für Gegenstände, die, wie Uberhltzerrohre oder Wärmeaustauscher von Wärmekraftwerken, eine hohe Zugfestigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ZeitStandfestigkeit bei 65Q⁰C besitzen müssen.

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