DE1924869A1

DE1924869A1 - Verfahren zum Herstellen einer Nickel-Aluminium-Legierung

Info

Publication number: DE1924869A1
Application number: DE19691924869
Authority: DE
Inventors: Ennis Philip James; Williams Keith Juxon
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1970-01-15
Also published as: FR2008711A1; GB1165115A; US3554740A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. Konig Patentanwälte · 4αοο Düsseldorf · Cecilienallee 7β ■ Telefon 43373a

14. Mai 1969 Unsere Akte; 24 910 III/Fu.

International Nickel Limited, Thames House, Millbank,

London, S. W. 1, England

"Verfahren zum Herstellen einer Nickel-Aluminium-

Legierung"

Beim Bau von Elektroöfen und ähnlichen Aggregaten, in denen Temperaturen von 1250 bis 145O⁰C vorherrschen, v/erden verschiedene Werkstoffe als Heizelemente verwendet, ohne daß einer der bekannten Werkstoffe vollauf zufriedenstellend ist. Als besonders geeignet gilt eine Eisenlegierung mit 2096 Chrom, 5% Aluminium und 0,5% Kobalt, die jedoch nur bei Temperaturen bis etwa 135O⁰C eingesetzt werden kann. Verschiedentlich werden auch Platin und Molybdän verwendet, doch ist das Platin außerordentlich teuer und muß das Molybdän durch eine Wasserstoffatmosphäre gegen Oxydation geschützt werden» Keramische Werkstoffe, v/ie beispielsweise Siliziumkarbid besitzen eine geringe Temperaturwechselbeständigkeib und neigen zu einer plötzlichen Zerstörung,

Die beste Nickellegierung mit 20% Chrom und 3,5% Aluminium, Rest Nickel ist dagegen nicht für die in Rede stehenden Temperaturen über 125O°C geeignet,,

Die der Erfindung zugrundeLiegende Aufgabe besteht demzufolge darin, eine Legierung zu schaffen, die als Werk-

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stoff für Gegenstände geeignet ist, die wie Widerstände Temperaturen über 125O⁰C aushalten müssen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine binäre Nickel-Aluminium-Legie— rung mit der intermetallischen Verbindung (Ni,Al) vorgeschlagen, die 25 bis 35%, vorzugsweise 26 bis 29% Aluminium enthält und in bestimmter Weise hergestellt wird. Das geschieht durch Zerkleinern einer Gußlegierung mit der vorerwähnten Zusammensetzung, Verpressung des Legierungspulvers und anschließendes Sintern. Die gesinterte Legierung wird dann verfestigt, vorzugsweise durch Strangpressen eines Drahtes, der anschließend als Widerstand verwendet werden kann«,

Verarbeitet man die Gußlegierung zu Widerstandselementen und hält man diese auf einer Temperatur von 1300 bis 145O°C, dann bildet sich ein oxydischer zum Abblättern neigender Zunder, so daß es zu einer weiteren Oxydation des Metalls und einem entsprechenden Aluminiumverlust, einem örtlichen Anschmelzen und schließlich zur Zerstörung des Heizdrahtes kommt. Die Lebensdauer, direkt aus der Gußlegierung hergestellter Heizdrähfce entspricht derjenigen für denselben Zweck verwendeter Ferrolegierungen oder übertrifft deren Lebensdauer noch, ist aber bei weitem noch nicht ausreichend. Wird die Legierung dagegen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, dann besitzt sie eine überraschend hohe Lebensdauer bei hoher Temperatur. Der Grund hierfür scheint in der geringen Korngröße zu liegen, die durch die Anwesenheit von Aluminiumoxyd an den Korngrenzen stabilisiert wird, Das Alu— miniumoxyd entsteht bei der Zerkleinerung und beim Sintern, wenn dies unter verhältnismäßig geringem Vakuum erfolgt.

Die Lebensdauer bei hohen Temperaturen wii'd noch weiter verbessert, wenn die Legierung Cer und/oder Lanthan enthält, wobei letzterem der Vorzug zu geben ist» Die bei-

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den vorgenannten Elemente können selbstverständlich in Form von Mischmetall zugesetzt werden« Bereits sehr geringe Gehalte unter 0,1% wirken sich positiv aus; oberhalb insgesamt 0,5% zeigt sich keine nennenswerte weitere Verbesserung» Vorzugsweise wird Lanthan daher in einer Menge von höchstens 0,25% zugesetzt«

Durch Versuche konnte festgestellt werden, daß sich die erfindungsgemäße Legierung ohne weiteres mit reinem Nickel und anderen Metallen einschließlich Nickel-Aluminium-Legierungen mit bis 14% Aluminium verschweißen läßt, Hierin liegt ein besonderer Vorteil, da sonach ein Draht aus der erfindungsgemäßen Legierung mit Anschlüssen aus einem verhältnismäßig duktilen Werkstoff, wie beispielsweise einer Nickel-Aluminium-Legierung mit geringerem Aluminiumgehalt oder Nickel selbst verschweißt werden kann. Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich dagegen wegen ihrer Sprödigkeit weniger als Werkstoff für Anschlüsse, da sich beim autogenen Schweißen große Schwierigkeiten im Hinblick auf rißfreie Schweißverbindungen ergeben.

Im Rahmen eines Versuches wurden die Legierungsbestandteile in sich aus Vorstehendem ergebenden Mengen unter Vakuub eingeschmolzen und unter Argon zu Knüppeln mit einem Durchmesser von 25 mm vergossen. Die Knüppel wurden zunächst in einem Backenbrecher zerkleinert und anschließend 24 Stunden in einer Kugelmühle mit Wolfranfckarbidkugeln gemahlen, um die Korngröße auf unter 44 Mikron (-325 Maschen) zu verringern. Das Legierungspulver wurde dann unter einem Druck von 2,5 kg/cm verpreßt und die Preßlinge anschließend 5 Stunden bei 1300°C im Vakuum gesintert. Die Sinterkörper wurden schließlich in Büchsen aus weichem Stahlblech untergebracht und bei

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130O⁰C zu einem Draht mit einem Durchmesser von 6 mm stranggepreßt. Nach dem Entfernen der Blechumhüllung wurde der Draht bei 100O⁰C verfestigt und dann auf Länge geschnitten sowie bei 1000⁰C bis auf einen Durchmesser von 5 mm heruntergeschliffen. Danach wurde der Dr&ht nach dem WIG-Verfahren unter Verwendung von Nickel als Zusatzwerkstoff mit Nickelklemmen verschweißt, deren Durchmesser 12 mm betrug."

Die bessere Hitzebeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung zeigte sich in Versuchen, bei denen jeweils aus einem einzigen Sinterkörper hergestellte Heizelemente zusammen untersucht wurden und die elektrischen Verbindungen so gestaltet waren, daß der Versuch beim Ausfall des ersten Elementes abgebrochen wurde.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen der Legierungen, die ungefähre Betriebstemperatur an der Oberfläche Jeden Elementes, die Betriebszeit bis zum Ausfall des ersten Elements und weitere Hinweise auf Einzelheiten des Versuches wiedergegeben. Als erstes wird eine übliche Eisenlegierung und als zweites eine binäre Nickel-Aluminium-Gußlegierung zum Vergleich aufgeführt. Die übrigen Legierungen fallen unter die Erfindung.

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Tabelle

Zusammen—'	•	26,8 Al	■·	θΓΐ7 ße Rest Ni	Heizele	Betriebs	Betriebs- Bemerkungen	Die Elemente
Setzung (*>		0,055 Ce			ment	temperatur	zeit (H)	2,3,4 schmolzen
20 Cr	Rest Ni		26*9 Al	1	1350		in starkem Maße,
5 Al		0,06 La Rest Ni	2	1400	Si f\2*	es bildete sich
0,5 Co	3	1400	I w O	ein dünner fest
Rest Fe	4	1380		haftender Zunder
				auf jedem Element.
				Der Strom wurde nach
				247 Stunden abgeschal
	1	1400	627	tet, um das gebroche ne Element 2 zu er
O CL Q AT	2	1400	247	setzen; Element 1
Rest Ni	3	1400 1400	627 627	fiel nach weiteren
	4			380 Stunden aus.
				Nach 1000 Stunden
			wurde die Stromstär
1	-		ke erhöht, um die Be
2			triebstemperatur auf 1500°C zu erhöhen.
3	1400	1070	Die Elemente 2,3,4
4			fielen bei etwa 1070⁰C aus.
			Element 1 zeigte Hit-
			zepunkte bei 1540 C
			nach 815 Stunden und
1.- ■	1360		fiel nach 904 Stun den aus·
-Ä -	1400	904	■ - - -■ Nach 1200 Stunden
-3 ;	1380 13B0		wurde der Versuch
	1300:· 1360 1380 1360		ohne Ausfall abge brochen;«
«	1200
3 4

ORIGINAL INSPECTED

— ο —

Zusammen- Heizele- Betriebs- Betriebs- Bemerkungen * -^r Setzung ment temperatur zeit ·,■..-. —,- .-.

P₇ c _Δ1 1 1400 Element 1 fiel bei

' ^{2 1420} λ(υ?ί einer Stromstärken-

'nß Ta ^{2 1420} λ(υ?ί einer Stromstärkent Ni 3 1420 ¹⁰Mi. /erhöhung nach 1077°C

1420

Rest Ni .

^{Kesx W1} 4 1420 aus.

1 1360 Nach 1077 Stünden

27,0 Al 2 1420 wurde die Stromstärke

0,25 La 3 1420 1144 erhöht/um die BeRest Ni 4 1420 ^::1 triebstemperatur der

Elemente zu steigern. Bei Element 4 zeigten • sich jedoGh_Hitzepunkte bei 1540⁰C, während die anderen Elemente auf 1400 C verharrten.

Die Daten der vorstehenden Tabelle erweisen deutlich die technische Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung_e

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Claims

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

1. Verfahren zum Herstellen einer sich als Werkstoff für Heizelemente eignenden Nickel-Aluminium-Legierung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gußlegierung aus 25 bis 35% Aluminium, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingtei* Verunreinigungen zerkleinert, verpreßt, die Preßlinge gesintert und die Sinterkörper verfestigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Nickel-Aluminium-Gußlegierung mit 26 bis 2996 Aluminium zerkleinert, verpreßt, gesintert und verfestigt wird,

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-· kennzeichnet , daß der Legierungsschmelze höchstens 0,5% Cer und/oder Lanthan zugesetzt werden,

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Legierungsschmelze höchstens 0,2596 Lanthan zugesetzt werden,

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet , daß die Sinterkörper warmstranggepreßt werden,

6. Verwendung einer Nickellegierung mit 25 bis 35% Aluminium

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als Werkstoff für Gegenstände, die wie Heizelemente, eine hohe Hitzebeständigkeit besitzen müssen,,

7· Verwendung einer nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 5 hergestellten Legierung für den Zweck nach Anspruch 6,

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