DE1758721B1

DE1758721B1 - Nickel chrom legierung

Info

Publication number: DE1758721B1
Application number: DE19641758721
Authority: DE
Inventors: Heitmann Arthur C
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1963-10-30
Filing date: 1964-10-28
Publication date: 1971-07-29
Also published as: LU47189A1; BE654656A; GB1041930A; NL6412470A; US3318694A; DK116397B; NL126516C; DE1295851B; FI43500B

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Chrom-Legie- Der Zusatz von Wolfram, Molybdän und Eisen

rung mit einem Hauptanteil an Nickel, einem erheb- hat den Zweck, die Legierung so nahe wie möglich liehen Anteil an Chrom und einer Anzahl von zu- an das Eutektikum zu verschieben, ohne dabei die sätzlichen Bestandteilen. Die Legierung nach der Er- Bildung einer merkbaren Menge von Chromkarbiden findung hat besondere Bedeutung zur Herstellung 5 zur Folge haben. Es werden nämlich Eisenkarbide, von Geräten für die Glasfaserherstellung, z.B. für Molybdänkarbide und Wolframkarbide bevorzugt Zentrifugen. vor den Chromkarbiden gebildet. Jedoch werden die

Durch das schweizerische Patent 284 504 bzw. den ersteren nicht in derselben Art und Weise durch das im »Chemischen Zentralblatt«, 1954, S. 2486, hier- geschmolzene Glas angegriffen wie Chromkarbide, über erschienenen Bericht ist eine Klasse von Legie- io Der Zusatz von Tantal soll weiterhin die Bildung von rangen obiger Art bekanntgeworden, aus denen ther- Chromkarbiden unterdrücken. Jedoch hat sich hermisch und mechanisch hoch beanspruchte Teile, z. B. ausgestellt, daß die Anwendung von mehr als 3% Turbinenschaufeln, hergestellt werden können. Dabei Tantal schädlich ist. Wolfram-, Eisen- oder Molybsind aber nur ganz grobe Grenzen für ganze Gruppen dänkarbide sind außerdem für eine hohe mechanische von Bestandteilen angegeben worden, innerhalb 15 Festigkeit notwendig. Ferner ist der genau ausgederen noch eine unübersehbare Fülle von Möglich- wogene Gehalt von Kohlenstoff wichtig. Wenn nämkeiten verbleibt. lieh mehr als 0,35% Kohlenstoff benutzt werden,

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, kann der Zusatz von Tantal die Bildung von Chromeine Legierung zu schaffen, die sich vor allem für karbiden an der Kornstrukturgrenze nicht verhindern. Geräte zur Glasfaserherstellung gut eignet. Es hat 20 Wird wiederum weniger als 0,1 %> Kohlenstoff besieh nämlich herausgestellt, daß ihre Widerstands- nutzt, können sich die Karbide von Wolfram, Eisen fähigkeit gegenüber bestimmten Stoffen sich durch- und Molybdän nicht bilden, und das Material verliert aus unterschiedlich zur allgemeinen Widerstands- seine Festigkeit.

fähigkeit gegenüber Oxydation verhält. Eine Chrom- Glasfasern können nach dem sogenannten Dreh-

Nickel-Legierung, die an sich gegen Oxydation sehr 25 oder Zentrifugalverfahren hergestellt werden. Bei widerstandsfähig ist, braucht keineswegs notwen- dem Zentrifugalverfahren wird ein geschmolzener digerweise ebenso widerstandsfähig gegenüber ge- Glasstrom bei einer Temperatur oberhalb der schmolzenem Glas zu sein. Das liegt wohl daran, daß Schmelztemperatur in eine sich drehende Zentrifuge der Angriff von geschmolzenem Glas in erster Linie eingeführt. Diese hat Umfangsöffnungen, durch die durch den Niederschlag von Chromkarbiden an den 30 das geschmolzene Glas in kleinen Strömen durch die Korngrenzen erfolgt. Offensichtlich werden diese Fliehkraft herausgedrückt wird. Dis Glasströme Chromkarbide durch-Sauerstoff in Chromoxyde um- werden dann üblicherweise noch zu feinen Fasern gegewandelt, und die letzteren werden durch das ge- schwächt. Wirtschaftlich und praktisch brauchbare schmolzene Glas sehr leicht ausgeschwemmt, so daß Leistungen können jedoch nur erzielt werden, wenn in diesem Zustand die Legierung dem geschmolzenen 35 mehrere tausend solcher Öffnungen in der Zentrifuge Glas keinen ausreichenden Widerstand leisten kann. vorhanden sind und nur dann, wenn die Zentrifuge Es hat sich weiter herausgestellt, daß nur ein genauer mit mindestens mehreren tausend Umdrehungen pro Chromgehalt in Lösung im Nickel die Widerstands- Minute rotiert. Eine solche Einrichtung wird bei fähigkeit der Gießform gegenüber dem Glas ver- einer Temperatur von mindestens 1093° C betrieben, bessert. Um dieses Problem zu lösen, wird ein emp- 40 Die Legierung gemäß der Erfindung ist nun befindliches Gleichgewicht des Chromgehaltes vorge- sonders vorteilhaft für diese Form von Zentrifugen schlagen. Der letztere soll so hoch wie möglich sein, anwendbar, und sie kann ferner ganz allgemein in ohne jedoch die merkbare Bildung von Chromkar- der Glasindustrie für zahlreiche Einrichtungen bebiden an der Korngrenze zur Folge zu haben. Wenn nutzt werden, bei denen ein hoher Widerstand soz. B. der Chromgehalt den angegebenen Wert von 45 wohl gegenüber geschmolzenem Glas als auch gegen-37% überschreitet, ist es nicht mehr länger möglich, über Luft, ein geringes Materialwandern und eine die Ausscheidung von Chromkarbiden zu verhindern, hohe Belastungsfähigkeit bei hohen Temperaturen und der geschilderte Angriff des geschmolzenen Glases erforderlich sind.

findet ungehindert statt. Wird andererseits die untere Die erfindungsgemäße Nickel-Chrom-Legierung

Grenze von 33% Chrom unterschritten, so hat die Gieß- 50 besteht also aus 33 bis 37% Chrom, 3 bis 3,5% form nicht mehr die nötige Widerstandsfähigkeit. Wolfram, 2 bis 10¹⁰Zo Eisen, 1 bis 3 % Tantal, 0,1 bis

Die Erfindung löst die eingangs gestellte Aufgabe 0,35% Kohlenstoff, 3 bis 3,5% Molybdän und im mit einer Nickel-Chrom-Legierung, bestehend aus 33 übrigen aus Nickel mit den üblichen herstellungsbis 37%Chrom, 3 bis 3,5%Wolfram, 2 bis 10% bedingten Verunreinigungen. Es sei hier ausdrück-" Eisen, 1 bis 3% Tantal, 0,1 bis 0,35 % Kohlenstoff, 55 lieh bemerkt, daß, sofern dies nicht anders angegeben 3 bis 3,5% Molybdän und den Rest Nickel mit üb- j_st, alle Prozentzahlen, wie sie hier angegeben sind liehen herstellungsbedingten Verunreinigungen. und auch in den Ansprüchen erscheinen, Gewichts-

Weitere vorteilhafte Zusätze und Ausgestaltungen prozente sind. Um das Gießen der Legierung zu erder Erfindung können den Unteransprüchen entnom- leichtern, können nach einem weiteren Erfindungsmen werden. 60 merkmal bis zu 5% Silizium und/oder bis zu 5%

Diese Legierung hat den Vorteil einer hohen Mangan zusätzlich verwendet werden. Vorzugsweise Widerstandsfähigkeit vor allem gegenüber dem ge- weist die Legierung zusätzlich zwischen 0,5 und schmolzenen Glas. Dabei hat die Verwendung von 1,5% Silizium auf. Wenn die Legierung Silizium in Tantal als Legierungsbestandteil den besonderen der angegebenen Menge und ferner eine Menge von Vorzug, daß Tantal eine willkürliche nichtsphärische 65 Mangan enthält, so sollen beide in einem Verhältnis Karbidkonfiguration ergibt im Gegensatz zu der be- zueinander stehen, das dem molaren Verhältnis von kannten Verwendung von Niob, dessen Karbide viel Silizium zu Mangan von 3:1 bis 6:1 entspricht, schneller dazu neigen, sphärisch zu werden. Sehr geringe Mengen von anderen Elementen, wie

beispielsweise Bor, Vanadium, Aluminium, Titan, können die Eigenschaften der Legierung noch verbessern.

Die Nickelbasislegierung gemäß der Erfindung hat z. B. eine Zusammensetzung, wie sie in der folgenden Tabelle angegeben ist.

Zusammensetzung	Menge in Gewichtsprozent breiter Bereich
Ni	45 bis 55
Cr	33 bis 37
W	3 bis 3,5 2 bis 10
Fe	0,1 bis 0,35 0 bis 5
C	0 bis 5
Si	3 bis 3,5 1 bis 5
Mn
Mo
Ta

Die Legierung gemäß der Erfindung kann nach den üblichen und bekannten Schmelzverfahren für Nickelbasislegierungen hergestellt werden aus Bestandteilen in einem möglichst reinen Zustand, um Verschmutzungen auszuschließen und die endgültige Legierungszusammensetzung sorgfältig zu steuern. Zweckmäßig werden die meisten Bestandteile in der Form von relativ reinen Metallen hinzugefügt, obgleich auch Verbindungen oder Hauptlegierungen, wie beispielsweise Ferrochrom, Ferromangan, Ferrosilizium u. dgl. verwendet werden können. Der Schmelzprozeß kann in einem neutralen Tiegel unter einer Argonatmosphäre vor sich gehen, jedoch kann die Charge in geschmolzenem Zustand auch durch Schlacke bekannter Art abgedeckt und geschützt werden. Andere und zusätzliche Bestandteile, wie beispielsweise zusätzliche Chargen von Chrom, Mangan, Silizium, Wolfram, Molybdän, Tantal u. dgl. können bei Schmelztemperaturen oberhalb von 1480 bis 154O⁰C zugefügt werden. Gegebenenfalls können diese Elemente auch mit der ursprünglichen Charge von Chrom und Nickel zugefügt werden. Die Erwärmung wird dann fortgesetzt, und im allgemeinen erfolgt der Schmelzvorgang zwischen ungefähr 1555 und 1648⁰C, wenn der Guß erfolgt. Ferner kann ein geeignetes Spül- oder Verflüssigungsmittel noch kurz vor dem Gießen hinzugefügt werden, um so der Schmelze die Fließbarkeit zu verleihen.

Aus dieser Legierung können nun z. B. Hauben, Zentrifugengehäuse oder -trommeln, Buchsen, Düsenträgergestelle od. dgl. hergestellt werden. Die gegossene Legierung kann geschweißt und spanabhebend bearbeitet werden.

Beispiel I

Nach dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren wurde nun ein spezielles Ausführungsbeispiel der Legierung nach einem weiteren Merkmal hergestellt. Sie bestand aus den folgenden Teilen:

Nickel 52

Chrom 34,3

Eisen 5

Wolfram 3

Molybdän 3

Tantal 1

Kohlenstoff 0,25

Silizium 1,25

Mangan 0,2

Aus dieser Legierung wurden Hauben bzw. Trommeln für Vorrichtungen zur Herstellung von Glasfasern im Zentrifugalverfahren gegossen und bearbeitet. Diese Trommeln hatten einen durchschnittlichen äußeren Durchmesser von ungefähr 203 mm,

ίο und sie hatten mehrere tausend kleine Öffnungen in der im wesentlichen zylindrischen äußeren Umfangswand, die ungefähr 32 mm hoch und 3,2 bis 6,4 mm breit war. Sie wurde von einer oberen konischen Wand gehalten, die sich nach innen bis zur Befestigung an einer sich drehenden Hohlwelle einer Faserbildungsvorrichtung erstreckt. Diese Gefäße hatten im Durchschnitt eine Lebensdauer von 107 Stunden. Zum Vergleich wurden die gleichen Gefäße für die gleiche Vorrichtung aus der nachstehend angegebenen

ao üblichen Legierung C hergestellt. Sie hatten dann nur eine durchschnittliche Lebensdauer von ungefähr 90 Stunden. Die Legierung C hatte folgende Bestandteile:

Nickel 62,45%

Chrom 26,6%

Wolfram 5,55%

Eisen 3,3%

Kohlenstoff 0,25%

Silizium 1,25%

Mangan 1,1%

Die Legierung gemäß Beispiel I hatte beim Eintauchen in geschmolzenes Glas bei einer Temperatur von 1204° C nach 2 Stunden einen Gewichtsverlust von 9,3%. Vergleichsweise hatte eine gegossene Stange der Legierung C einen Gewichtsverlust von 0,7%.

Beispiel II

Ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Legierung wurde mit den folgenden Gewichtsprozenten hergestellt:

Nickel 48

Chrom 35

Eisen

Wolfram ..
Molybdän .
Tantal ....
Kohlenstoff
Silizium ...

8,25

0,25

1,25

Mangan 0,25

Diese Legierung hatte einen geringeren Gewichtsverlust infolge Korrosion in bezug auf geschmolzenes Glas und zusätzlich eine wesentlich verbesserte Bruchlebensdauer im Vergleich zu der üblichen Legierung C.

Im allgemeinen ist ein solch hoher Chrom-Nickel- und Molybdängehalt erforderlich, um den notwendigen Korrosionswiderstand zu erzeugen. Das Eisen in der Zusammensetzung scheint die Festigkeit zu erhöhen. Chrom, Wolfram, Tantal und Eisen bilden Karbide, die beim Ausfällen die Festigkeit ergeben. Ein Teil des Wolframs, des Tantals und des Eisens muß im Gefüge verbleiben. Mindestens 0,1% Kohlenstoff ist notwendig, um die Karbide zu bilden. Bei mehr als 0,35% Kohlenstoff ergibt sich ein zu großer Verlust an Dehnbarkeit, und es ergeben sich dann

Schäden iii dem Rotationsgefäß. Tantal ergibt die bevorzugte, willkürliche, nichtsphärische Karbidkonfiguration. Silizium bzw. Mangan sind für die Festigkeit oder den Korrosionswiderstand nicht oder nur dann erforderlich, wenn das Metall gegossen werden soll. Für gute Gießeigenschaften sollte — falls beide verwendet werden -~ das molare Verhältnis von Silizium und Mangan mindestens 3; 1 und nicht mehr als 6 i 1> vorzugsweise ungefähr 5:1, «ein.

Die Herstellung und Auswertung einer Anzahl von to experimentiell hergestellten Legierungen, die mehr oder weniger der verschiedenen Legierungsbestandteile aufwiesen, hat ergeben, daß die mit der Erfindung angegebenen, begenzten und ausgeglichenen Mengen notwendig sind, um die überragende Lebensdauer und die ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit gegenüber Glas zu erzielen. Metallographische Studien und Mikfögefügeanalysen der erfindungsgemäßen Legierung unterstützen diesen Schluß.

Im allgemeinen hat diese Legierung eine den- **>. dritische Struktur von komplexen Karbiden in einem austenitischen Gefüge aus Nickel, Chrom, Eisen und Wolfram. Beim optimalen Kohlenstoffgehalt der Legierung von ungefähr 0,25% hat das Mikrogefüge eine gleichmäßige, beliebige feine und nichtsphärische Karbidausfällung, die gleichmäßig verteilt ist. Im Gegensatz hierzu wurden massive Primärkarbide und lange fortlaufende, nadeiförmige Karbidteilchen in Legierungen mit höherem Kohlenstoffgehalt gefunden. Bei geringeren Kohlenstoffgehalten ist das ausgefällte Karbidgefüge feiner und weniger gleichmäßig verteilt. Aus dem Studium der Mikrogefüge von Legierungen mit verschiedenen Kohlenstoff gehalten hat sich ergeben, -daß der angegebene Kohlenstoffgehalt m einer optimalen Menge von karbidbildenden Elementen wie Eisen, Chrom und Wolfram erhalten bleiben muß, um die mechanische Festigkeit und den ausnahmsweise hohen Korrosionswiderstand bei hohen Temperaturen zu erzielen. Die Gegenwart von Karbiden in dem Gefüge verstärkt die Legierung in einer Art, wie dies bei der Dispersionshärtung der Fall ist. Ein optimaler Korrosionswiderstand gegenüber geschmolzenem Glas wird bei dem angegebenen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,25% erzielt. Das Gefügematerial schützt sich selbst in bezug auf Luftoxydierung und ist relativ undurchlässig gegen den Angriff von Glas. Wenn sich jedoch massive Karbide bis zur Oberfläche erstrecken, so ergibt sich eine vollständige Desintegration solcher Karbide als Folge der Glaskorrosion, Wenn derartige massive Karbide eine kontinuierliche Struktur um die Gefügekörner bilden, so kann dieses Korn durch Korrosion der Karbide isoliert werden, und dieses Korn ist dann einem raschen Erosions- und Korrosionsangriff von allen Seiten ausgesetzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Nickel-Chrom-Legierung, bestehend aus 33 bis 37% Chrom, 3 bis 3,5% Wolfram, 2bis 10% Eisen, 1 bis 3 % Tantal, 0,1 bis 0,35 % Kohlenstoff, 3 bis 3,5% Molybdän und den Rest Nickel mit den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in an sich bekannter Weise zusätzlich bis zu 5 % Silizium enthält. M

3. Legierung nach Ansprach 1 Und/oder 2, da- ^ durch gekennzeichnet, daß die Legierung in an sich bekannter Weise zusätzlich bis zu 5% Mangan enthält.

4. Legierung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium und Mangan im molaren Verhältnis von ungefähr 3 :1 bis 6:1

. enthalten sind.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus 52% Nickel, 34,3% Chrom, 5% Eisen, 3% Wolfram, 3% Molybdän, 1% Tantal, 0,25% Kohlenstoff, 1,25% Silizium und 0,2% Mangan.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus 48% Nickel, 35% Chrom, 8,25% Eisen, 3% Wolfram, 3% Molybdän, 1% Tantal, Ο,25*/ο Kohlenstoff, 1,25% Silizium und 0,25% Mangan.

7. Verwendung einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Geräte zur Glasfaserherstellung, wie Z.B.Zentrifugen.