-
Hitzebeständige Nickel-Chrom-tobalt-Legierungen Die Erfindung bezieht
sich auf hitzebeständige Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, die bei verachiedenen
technischen Einrichtungen zur Anwendung gelangen, die an erhöhten Uemperaturen bis
zu 11000 C ausgesetzt werden. Eine Legierung auf Kobaltbasis (UMC0 50; Legierung
aus 50 ffi Co, 30 % Cr, 20 % Fe) und eine Nickel-Chrom-Austenit-Legierung auf Nickelgrundlage
stehen nunmehr im praktischen Gebrauch als Materialien für Teile in Einrichtungen
von Industrie Öfen und Hitzebehandlungsöfen, die gegenüber Beanspruchung und Oxydation
während einer langen Zeitdauer bei erhöhten Temperaturen bis zu 11000 C beständig
sind0 Jedoch ist keine dieser
Legierungen wirtschaftlich, da sie
teurss Kobalt und Nickel in großer Menge enthalten. Andererseits wird eine Legierung
mit einer Superhitzebeständigkeit unter Ausnutzung der Verfestigungswirkung durch
Ausfällung von Titan plus Aluminium, indem Aluminium und titan gleichzeitig Nickel-Chrom-Austenit-Legierungen
zugesetzt werden, angeboten, wobei diese Jedoch mit derartlgen verachiedenen schwierigen
Problemen bei deren Herstellungsverfahren verbunden ist, daß nämlich ein Vakuumschmelzen
und eine Hitzebehandlung einschließlich einer Lösungshitzebehandlung und Alterungsbehandlung
nach dem Vergießen wirtschaftlich sind.
-
Gemäß der Erfindung gelang die Heretellung von verbesserten hitzebeständigen
Legierungen bei niedrigen Kosten, die als Gußstücke brauchbar sind, und bei welchen
derartige mühsame Arbeitsgänge, wie Vakuumbehandlung und Hitzebehandlung, aufgrund
eines Gehalt es an einer geringen Menge Titan durch die gleichzeitige Zugabe von
etwas Titan zu Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, bestehend im wesentlichen aus Nickel,
das in einer geringeren Menge als die in den bisher bekannten Nickel-Chrom-Legierungen
von hohem Nickelgehalt verwendete Nickelmenge (etwa 60 %) vorhanden ist, und aus
Kobalt, das in einer geringeren Menge als die in den bisherigen Legierungen auf
Kobaltgrundlage verwendete Kobaitmenge vorhanden ist, ausgeschaltet werden können,
wobei dies aufgrund von verschiedenen Versuchen und Untersuchungen ermöglicht wurde.
-
Gemäß der Erfindung werden daher verbesserte hitzebeständige Legierungen
mittels eines einfachen Arbeltsganges hergestellt, die im wesentlichen die folgenden
Zusammensetzungen aufweisen: (1) C 0,3 - 0,8 ffi (2) a o, - 0,8 % ar 15 - 30 Cr
15 - 30 Ni 15 - 30 Ni 15 - 30 Co 10 - 20 Co 10 - 20 W 1 -3 W 1 -3 Ti 0,05 - 2,0
Ti 0,95 - 2,0 Fe der Rest N 0,05 - 0,30 Be der Rest Aus den vorstehend angegebenen
Zusammensetzungsbereichen ist ersichtlich, daß die hitzebeständigen Legierungen
gemäß der Erfindung Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen sind, die eine geringere Menge
Nickel und Kobalt als die hitzebeständigen Legierungen gemäß der bisherigen Technik
enthalten, wobei eine geringe Menge Wolfram, Titan und gegebenenfalls Stickstoff
gleichzeitig zugesetzt sind.
-
Je kleiner die Nickelmenge ist, um so besser ist dies aus wirtschaftlichen
Gesichtspunkten. Es ist j jedoch notwendig, die Menge im Bereich von 15 bis 30 %
Nickel für die Aufrechterhaltung einer guten Zeitetandfestigkeitsdauer (creep rupture
life) und für Stabilisierung der Austenitphase beizubehalten.
-
Je hoher die Chrommenge ist, um so besser ist dies im Hinblick auf
die Oxydationsbeständigkeit bei den erhöhten
Temperaturen; Jedoch
ist ein Bereich von 15 bis 30 % Chrom zweckmäßig fQr die Beibehaltung einer guten
Zieh- oder Verformbarkeit.
-
Kobalt ist ähnlich wie Nickel ein Element, das einer Legierung eine
Oxydationsbeständigkeit erteilt; jedoch ist es so teuer, daß die Verwendung einer
möglichst geringen Menge erwilnscht ist. Nichtsdestoweniger ist Kobalt zur Verstärkung
der Austenitmatrix und zur Verbesserung des Kriechwiderstandes oder der Standfestigkeitsdauer
sehr brauchbar, und daher wird eine Menge im Bereich von 10 % als Mindestmenge bis
20 % als Höchstmenge benötigt. Die Anwendung einer größeren Menge als der genannten
maximalen Menge ist im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und auf die Wirkung nachteilig.
-
Kohlenstoff in einer Menge von weniger als 0,3 ffi erniedrigt die
Gießfähigkeit von Legierungen sowie die Aushärtungaeigenschaften von Carbiden, wodurch
die Zeitstandfestigkeitsdauer herabgesetzt wird. Andererseits ist bei einer Kohlenstoffmenge
von mehr als 0,8 k das massive oder dichte Wachstum von Carbiden erleichtert.
-
Demzufolge liegt die geeignete Kohlenstoffmenge im Bereich von 0,3
bis 0,8 %.
-
Gemäß der Erfindung sind Wolfram und Titan wichtige Elemente, die
eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit spielen. So
werden durch die Zugabe von 1 bis 3 % Wolfram stabile Carbide gebildet, die Äustenitmatrix
verfestigt und die Zeitstandfestigkeit bei hoher Temperatur verbessert; wenn Jedoch
mehr als 3 % zugegeben werden, wird die Austenitmatrix
instabil
und die Zieh- oder Verformbarkeit setzt sich herab und überdies wird die Legierung
teuer.
-
In Kombination mit Wolfram verbessert Titan die Zeitstandfestigkeit
bei hoher Temperatur der Legierungen in größerem Ausmaß als im Fall der Zugabe der
Jeweiligen einzelnen Elemente. Es ist jedoch der Zusatz von mehr als 2 ffi unerwünscht,
da dies zu einer Abnahme der Gewinnung beim Schmelsen an der Atmosphäre führt, während
der Zusatz von weniger als 5 % kein zufriedenstellende Ergebnis hervorbringt.
-
Stickstoff ist ein Element, das die Hochtemperaturfestigkeit der
Legierungen gemäß der Erfindung weiter verbessert, und der Zusatz von etwa 0,1 %
ist hierfür besonders geeignet. Da der Zusatz von mehr als 0,3 % Stickstoff zu den
Legierungen bei gewöhnlichen Arbeitsweisen schwierig ist und überdies für die Schweißfähigkeit
der Legierungen schädlich ist, ist der gewünschte Gehalt an Stickstoff niedriger
als 0,3 %.
-
Außer diesen genannten Elementen werden andere Elemente, z. B. Silicium
und Mangan, gemäß der Erfindung verwendet, wobei Jedoch keine Notwendigkeit für
die genaue Bestimmung der zu verwendenden Menge von diesen besteht, und so ist ein
Bereich von 0,2 bis 2,5 % Silioium und von weniger als 2,5 % Mangan angemessen.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten AusihrungsSormen
näher erläutert: (a) Die Zusammensetzungen und die Gießarbeitsweise: Die Zusammensetzung
der Legierungen ist. nachstehend in der Tabelle I im einzelnen angegeben. Elettrolytisches
Nickel,
metallisches Kobalt, metallisches Mangan und metallisches Silicium werden als metallische
Materialien verwendet und Ferrochrom (60 % Chrom), Ferrowolfram (77 % Wolfram) und
Ferrotitan (70 % Titan) werden Jeweils zusammen mit dünnen Eisenblechen, die im
Handel erhältlich sind, verwendet, um einen Mangel an Eisen auszugleichen. Das Schmelzen
wurde in einem Hochfrequenzinduktionsofen unter der Atmosphäre ausgeführt, worauf
das geschmolzene Metall in eine Sandform bei 1500 bis 15800 C gegossen wurde, um
einen Block von 20 kg zu erhalten.
-
Tabelle I Legierung C Si Mn Cr Ni Co W Ti N TMY-1 0.51 1.12 0.66 19.68
19.21 20.02 2.31 0.56 ---2 0.48 1.06 0.70 19.12 19.54 19.31 2.24 0.59 ---3 0.53
1.13 0.63 19.86 28.16 11.58 2.28 0.57 ---4 0.43 1.13 0.78 22.10 23.10 13.09 2.13
0.69 ---5 0.52 1.00 0.81 25.09 21.10 14.51 2.09 0.45 ---6 0.51 1.38 0.76 28.11 22.03
15.09 2.18 0.61 ---7 0.55 1.08 0.66 19.91 23.57 16.45 -- -- ---8 0.52 1.14 0.68
19.76 23.85 16.67 2.16 -- ---9 0.48 1.12 0.71 19.72 24.11 16.92 -- 0.87 ---10 0.51
1.15 0.67 19.54 23.92 16.51 1.04 1.84 ---13 0.53 1.07 0.69 19.78 23.77 16.47 1.10
0.12 ---14 0.50 1.20 0.81 20.50 23.60 15.90 1.13 0.12 0.13
(b) Zeitstandversuch:
Die so vergossenen Legierungen, wie in Tabelle I angegeben, wurden zu Proben für
Zeitstandfestigkeit gemäß JIS (Japanese Industrial Standards) verarbeitet und die
Versuchs ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II aufgeführt.
-
Tabelle II Legierung Beanspruchung bis zu Rissen (kg/mm²) bei 1100°
C - 10³ Stdn.
-
TMY-1 1,70 -2 1,69 -3 1,66 -4 1,69 -5 1,68 -6 1,70 -7 1,13 -8 1,28
-9 1,21 -10 1,63 -13 1,62 -14 1,71 Aus den vorstehend angeführten Tabellen ist ersichtlich,
daß die Legierungen von UMY-1 bis TMY-6 des genannten Zusammensetzungsbereichs (1)
gemäß der Erfindung eine überlegene Zeitstandfestigkeit besitzen.
-
Die Legierung TMr-7, die kein Wolfram und Titan enthält, weist eine
bemerkenswerte Erniederigung der Zeitetandfestigkeit auf, obwohl sie die üblichen
Elemente in dem gemäß der Erfindung vorgeschriebenen Zusammensetzungsbereich enthält.
Außerdem weisen die Legierungen TMY-8
und IMY-9, bei welchen Wolfram
bzw. Titan getrennt in dem Zusammensetzungsbereich gemäß der Erfindung verwendet
wurden, keine gute Zeitstandfestigkeit auf. Im Gegensatz dazu zeigen die Legierungen
TMY-10 und TMY-13, bei welchen sowohl Wolfram als auch Titan in den gemäß der Erfindung
vorgeschriebenen Mengen verwendet wurden, eine ausgezeichnete Zeitstandfestigkeit.
Aus den vorstehend geschilderten Ergebnissen ist ersichtlich, daß erfolgreiche Ergebnisse
erhalten werden können, indem man des der genannten Elemente gemäß der Erfindung
innerhalb der genannten begrenzten Zusammensetzungsbereiche verwendet. Die Wirkung
der Stickstoffzugabe kann überdies durch Vergleich der Standfestigkeitseigenschaften
von TMY-13 mit derjenigen von XMY-14 beurteilt werden, da beide Legierungen nahezu
die gleichen Elemente außer Stickstoff enthalten.
-
Wie vorstehend beschrieben, sind die hitzebeständigen Legierungen
gemäß der Erfindung, die unter Zugabe einer geringen Menge von Wolfram, Titan und
Stickstoff zu Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen hergestellt werden, wirtschaftlich,
da die Mengen an verwendetem Kobalt und Nickel geringer sind als die in den bisher
bekannten hitzebeständigen Legierungen verwendeten Mengen, und bei den Herstellungsarbeitsgängen
ein umständliches Vakuumschmelzen und Hitzebehandeln vermieden werden, da die Menge
an Titan so gering ist, daß das Schmelzen an der -Atmosphäre ausgeführt werden kann.
Außerdem besitzen die Legierungen nach Vergießen eine derartige ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit,
wie dies vorstehend erläutert wurde. Beispielsweise besitzt die bekannte Legierung
UMCO 50, die 50 % Kobalt enthält, eine derartige
ZeSstandfestigke$t,
daß sie in 100 Stdn. bei 9500 C - 1,9 kg/mm2 - bricht und eine Zerreißfestigkeit
(rupture stress) von 1,2 kg/mm2 bei 9500 a -103 Stdn. - aufweist. Im Gegensatz dazu
besitzen die Legierungen gemäß der Erfindung eine höhere Zeitstandfestigkeit unter
schärferen Bedingungen. Auch die Legierung HW mit einem Gehalt an 60 % Nickel besitzt
eine Zeitstandfestigkeit von 1,82 kg/mm2 bei 9820 a -103 Stdn. - und eine Zeitstandsdauer
(creep rupture time) von 100 Stdn bei 9820 a - 2,52 kg/mm2 - wohingegen die Legierungen
gemäß der Erfindung wesentlich überlegenere Zeitstandfestigkeitseigensohaften gegenüber
den bekannten Legierungen aufweisen.
-
Die folgenden Aufzählungen von gegossenen Gebraucheteilen sind Beispiele
für typische Anwendungszwecke, bei welchen die Legierungen gemäß der Erfindung erfolgreich
zur Anwendung gelangen können: Großtechnische Materialien, die kontinuierlich bei
hohen Temperaturen bis zu 11000 C in Gebrauch genommen werden, z.B. Teile von verschiedenen
Industrieöfen, wie Ofenwalzen oder -rollen, verschiedene Arten von Ofenrohren und
Einrichtungen in der petrochemischen Industrie für Gebrauch bei hoher Temperatur.