DE1608222A1 - Ausscheidungshaertende Kobalt-Legierung - Google Patents

Description

VACUUMSCHMELZl GfIBH 7* März 1968

Hanau ~ Sr/Pe

Ausscheidungshärtende Kobalt-Legierung

Die Erfindung betrifft eine ausscheidungshEirtende Legierung auf Kobalt-Basis und deren Verwendung als wariafester Merkstoff, insbesondere als warmfeste Federlagierungo

Pur Gegenstände und Teile, die bei hohen Teriperaturen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, sind Werkstoffe erforderlich, die sich durch ihre Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen= Zusätzlich haben Werkstoffe zur Herstellung stark beanspruchter Federn, Federsysteme und Vibrationselemente der Forderung nach günstigen elastischen Eigenschaften sowie nach ausreichender Dauerwechselfestigkeit bis zu möglichst hohen Temperaturen ziiigenügen = Federlegierungen sollen ferner eine möglichst, geringe elastische Nachwirkung besitzen, keiner Alterung unterliegen und verschleißfest sein. Schließlich wird, insbesondere in der Feinwerktechnik, häufig die Bedingung gestellt, daß der zu verwendende Federwerkstoff nicht ferromagnetisch ist-

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- 2 - 7o März 1968

Sr/Pe

Um der Forderung nach Warmfestigkeit au entsprechen, sind bereits zahlreiche ausscheidungshärtende Legierungen auf Niekel-Basis vorgeschlagen vorden (Werkstoff-Handbuch "Nichteisen-Metalle", 2, Auflage, 196O₅ Abschnitt III ITi/5, Seiten 1 Ms 7). Diese Werkstoffe enthalten in der Regel Nickel, Chrom und Eisen als Hauptkomponenten, härtesteigernde Zusätze wie Molybdän, Wolf ran oder Niob und außerdem einen die Aushärtung bewirkenden Bestandteil v/ie "beispielsweise Titan=

Es ist auch schon bekannt, daß sich eine wesentliche Steigerung der Warmfestigkeit durch den Zusatz von Kobalt erzielen läßt, da dieses Element den Ausscheidungsvorgang verlangsamt und das Einformungsveriuögen nach höheren Temperaturen verschiebt (Werkstoff-Handbuch' "Nichteisen-Hetalle", 2, Auflage,1960, Abschnitt III Ni/5, Seite !,Abschnitt III Co, Seite 5). Den zusätzlich an warmfeste Federwerkstoffe gestellten Forderungen nach günstigen elastischen Eigenschaften unter statist her und dynamischer Beanspruchung sowie nach niedriger mechanischer Hysterese selbst bei hohen Anwendungstemperaturen genügen aber nur einige speaielle Legierungen aus dieser Gruppe, deren Hauptkoni ponent en und aushärtende Zusätze in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen»

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- 3 - 7° März 1968

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In den zum Stand der Technik gehörenden nicht-ferromagnetischen warmfesten Federlegierungen auf Kobalt-Basis "beträgt der Kobalt-Anteil 38 bis 45 $, der Hickel-Gehalt 16 bis 26 <f>, der Chrom-Gehalt 12 bis 21 ?i, der Eisen-Anteil 5 bis 16 ?£ und der Ilol/bdän- und Wolfram-Anteil zusammen 6 bis 10 ^; als Aushärtungszusatz enthalten diese Werkstoffe Titan oder Titan und Beryllium, und zwar rund 1-$ Titan und gegebenenfalls einige Zehntel Prozent Beryllium ("Zeitschrift für Metallkunde", Band 57, Jahrgang 1966. Seite 635)»

Im hart-ausgehärteten Zustand fallen die Zugfestigkeit und. der Elastxzitätsmodul derartiger Kobalt-Legierungen mit Titan- und Beryllium-Zusatz bis zur Dauerverwepdungsteraperatür von 450 C nur um knapp 15 °fi gegenüber dem Wert ab, den diese Vier fcst off kenngrößen bei Raumtemperatur aufweisen (Tabelle 1; Fig« 1 und 2: Legierung A). Die Federkraft einer aus diesem Werkstoff gefertigten Feder, welche dauernd einer.Temperatur von 45O⁰C ausgesetzt wird, geht also bei dieser Temperatur nur um rund 1/7 ihres Wertes bei 'Raumtemperatur zurück, wobei diese Änderung reversibel ist-

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- 4 - 7» März 1968

Sr/Pe

Obgleich solche Federlegierungen demnach bereits hohen rriechanisch^thermischen Beanspruchungen genügen, reichen sie aber nicht aus, wenn bei höheren Temperaturen für längere Zeit günstige Federeigenschaften gefordert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine nicht-ferromagnetische Legierung bereit zu stellen, die auch bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen bis wenigstens 600 C und mehr, günstige Federeigenschaften aufweist und eine hohe Korrosionsbeständigkeit besitzt-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine ausscheidungshärtende Legierung verwendet wird, die durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet ist:

38 bis 45 Io Kobalt,

22 » 28 $ Nickel,

10 »14 i» Chrom,

5 " 10 # Eisen,

■ 3 " 5 ^cp Molybdän.

3 " 5 # Wolfram,.

1,6 « 4 ?' Titan,

0,4 " 2 f> Aluminium,

0,3 " 1,5 5' Mangan,

0,2 " 1,5 ?' Silizium,

weniger als 0,1 f-> Kohlenstoff»

BAD

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Sr/Pe

In der nachstehenden Tabelle I sind eine sum Stand der Technik gehörende warmfeste !Federlegierung auf Kobalt-Basis mit Beryllium-Zusatz (Legierung A)₅ drei nur einen Titanzusatz enthaltende legierungen (legierungen B bis D) und acht erfindungsgemäße Legierungen mit Titan- und Aluminiumzusatz (Legierungen E bis M) aufgeführt« Von diesen Legierungen wurden nach einer Homogenisierungsglühung bei 1100 bzw» 115O⁰O 1 mm dicke Blechstreifen hergestellt, wobei der Schlußverformungsgrad 80 bzw= 60 4> betrug» Die Aushärtung wurde bei 550, 600 und 70O⁰O vorgenommens die Anlaßaeit betrug jeweils einige Stunden, vornehmlich 2 bis 4 Stunden- Bei einer Heine von Proben wurde außerdem die Aushärtung aus dem homogenisierten Zustand, also ohne vorherige Kaltverformung, durchgeführt»

Überraschenderweise hat die Untersuchung der technologischen, physikalischen und physikalisch-chemischen .Werkstoff-Kenngrößen ergeben, daß durch die Erhöhung des Titangehaltes von etwa 1 £ auf 1,6 bis 4 f- und die Verwendung von Aluminium in einer Konzentration von O_y4 bis 2 ^c/> anstelle des in hochwertigen Federlepierun^on #ebr?niehlichen

BAO ORIGfNAt

"0

Tabelle I

Warmfeste jTederlegierungen auf Kobalt-Basis
Zusammensetzung in $

Go Ni Cr Ie " Mo ¥ Be ' Ti Al Kn Si

41,50	25,80	12,0	10,0	4,0	3,9 0,25	1,0	- ■	0,90	0,50	<0,05
41 ,80	26,00	12,05	'9,95	4,11	3,84 -	0,83	._	0,57	0,60	0,01
41,60	25,95	12,05	9,75	4,19	3,87 -	1,02	-	0,71	0,56	0,007
41,60	25,95	12,15	9,20	4,42	3,87 -	1,55	0,73	0,77	0,56	0,01
41,45	25,95	12,15	8,20	4,19	3,92 -	1,95	0,63
41,00	26,50	12,05	8,70	3,95	3,90 -	2,00	0,68	0,90	0,53
41s40	26,95	11,50	7,35	4,18	4,00 -	2,24	1,10	0,98	0,82	0,02
41,70	26,10	12,10	8,10	4,10	3,74 -	1,9	1,28	0,83	0,64
41,60	20,10	12,10.	7,30	4,07	3,74 -	2,28	1,40	0,83	0,58
41,60	26,0	12,10	6,65	4,13	3,77 -	2,84	1,68	u,e4·	0,57
41,8	25,9	12 J 2	5,9	4,12	j, 77 - .	3,24	1,77	0,85	0,57
41,8	26,1	12,it	5,25	3,92	3,77 -	3,8	0,83	0,58

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- 7 - 7·- März 1968

Sr/Pe

schäften dieser Werkstoffe erhalten bleiben, sondern sich ihre Dauerverwendungstemperatur beträchtlich erhöht.

Der Aushärtungyvorgang in den erfindungsgemäß titan- und alurainiuinhaltigen Federlegierungen auf Kobalt-Basis (Legierungen E bis H)-ist gegenüber dem der berylliumhaltigen Federlegierung (Legierung A) völlig verändert: Anstelle von Guinier-Preston-Zonen und aushärtungsverursachenden dünnen Aussohei'dungen parallel zu £-100j-Ebenen ("Zeitschrift für Metallkunde", Band 57- "iT.ahrgang 1966, hexten 635 bis 641) treten in den neuen Kobalt-Legierungen mit Aluminium- und erhöhtem Titanzusatz Alis Scheidungen der kubisch-flächenzentrierten ^'-Phase und - vornehmlich nach Aushärtung aus dem kaltverformten Zustand - parallel zu {i1i}-Ebenen angeordnete Primärausscheidungen der hexagonalen ti -Phase auf,

Beryllium- und alurniniumfreie Pederlegierungen auf Kobalt-Basis mit einem Titangehalt zv/ischen 0,8 und 1,55 Qew.-fi (Legierungen B, C und D) härten hingegen aus dem v/eichen Zustand nur'geringfügig aus»

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Sr/Pe

Figur 1 zeigt die Eixi^vzz.ei-t-¥armzerreißf'estig:lcext dter vorbekannten Legierung A und der erfindungsgemafien Legierung: F im harten, maximal· vergüteten;- Zustand« Sum Vergleich: ist· ciareii- normierte Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Dem Kurvenverlauf ist zu eritneInnen,, daß die Zugfestigkeit der erfinäurigs-gemäßen Legierung selbst "bei 600⁰C imr um rund 20 % ihres Wertes bei Raumtemperatur abfällt.

Die Streckgrenze dex^v .erfindungsg;emäß3n Legierungen erreicht im maximal vergüteten Zustand bis über 99 % des jeweiligen Zugfestigkeitsv/ertes. Bei spielsvieise betrug die Streckgrenze eines 7₅5 nim dicken Stabes der Legie-

rung M im hart ausgehärteten Zustand 236 kp/mm und die

zugehörige Zugfestigkeit 238 kp/mm .

Die Federbiegegrenze G^-^ nach DIN 50151 wurde an einer hart ausgehärteten Probe der Legierung G zu Gl p=160 kp/mm* ermittelt. Im Dauerschv.dngversuch ergab sich an o,8 mm dicken, hart nur-gehärteten Proben der Legiei'ung G bei 3·10' Lastspielen eine Biegeuechselfestigkeit von

Der Elastizitätsmodul der erfindungsgemäßen Legierungen verringert sich annähernd linear mit wachsender Temperatur. Er beträgt im Falle der Legierungen F und G bei

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Sr/Pe

bei 60O⁰C runa 18500 kp/mm² gegenüber 22000 kp/mm² bei Raumtemperatur, so daß die Kraft einer mittels 'dieser earfijaäii3Qgsg€aBäSeai. legieraniag gefertigten !feder bei '600⁰C nur έπβ etwa i/δ kleiner ist als bei Raumtemperatur; auch diese Veränderung hat sich als reversibel erwiesen.

Figur 2 zeigt die an hart und weich ausgehärteten Proben der legierung A und der erfindungsgemäßen Legierungen L und M ermittelte Vickers-Härte nach verschiedenen Glühzeiten (1 bzw. 100 Stunden) in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Verlauf der "Erweichungskurven" veranschaulicht die erhebliche Verbesserung, die durch die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung erreicht wird: Gegenüber der vorbekannten berylliumhaltigen Eederlegierung A erhöht sich die Erweichungstemperatur um mehr als 200⁰C. überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen, insbesondere die Legierungen mit erhöhtem Titan- und Aluminiumgehalt, auch ein wesentlich günstigeres Aushärtverhalten aus dem weichen Zustand. Während die zum Stand der Technik gehörende Legierung A in weich ausge-

p härtetem Zustand nur eine Vickers-Härte von 275 kp/mm erreicht, beträgt die Vickers-Härte der weich ausgehärteten Legierungen L und M 375 kp/mm . Die Aushärtung aus dem v/eichen Zustand führt bei den neuen Legierungen auch zu einer höheren Anlaßbeständigkeit. Bo fällt die Härte weich ausgehärteter Proben der Legierungen L und M selbst bei 160-stündiger Erkrankung bei 80O⁰C noch nicht ab.

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- 10 - 7· März 1968.

Sr/Pe

Alle erfindungsgemaßen Legierungen sind nicht ferromagnetisch und besitzen eine hohe Korrosionsbeständigkeit.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind vornehmlich in der erheblichen Erhöhung der Dauerver-wendungstemperatur zu sehen. V/egen der auch bei Temperaturen bis wenigstens 600 C noch günstigen elastischen Eigenschaften eignen sich die erfindungsgemaßen Legierungen insbesondere zur Herstellung stark mechanisch-thermisch belasteter Federn, Federsysteme und Vibrationselemente, wie beispielsweise Blatt-, Schnapp-, Schrauben und Spiralfedern oder »Spannbänder, Spanndrähte, Membranen und Bourdonsysteme.

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Claims (1)

1. HLIiZE GMBH . 7 Harz I.9&8

   Hanau -Ii- ' ör/Pe '

   1808222

   P a te η t an s p. r u e Ii

   aur-sselieiduiigöliärtende Kobalt—Hi ekel-Cliroii-Eiaen~Lt;^ierungsur Verwendung bun Temperaturen -bis wenigstens bOQ°C und mehr., iiiöbeson-^:

   (tere zur Vftrwf'ndiijig al«; v/arrafenter Federv/efks.töfi', yei chn<- \, üurcli- folgende -Suii

   3B biß "43 ^p Kobalt

   22 6 Il 2 8 5 \> ITi Gk e] ρ 10 4 Il i 4 5 ρ Chrom, 5 3 Il 1 (J 1 ^c/> Ei β en, 3 IV) Il ρ f'> Molybdän« 3 Il 5 ^d \7()li'ram, 1, Il 4- ^' Titan, O₅ Il [V) "/·> Aluminium; 0. Il 1 « ^Mangan, O₅ Il 1, °i > fjilizium-, weniger al 0, ·/> KoI; 1 en νΛ οi'f.

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