DE1965658A1 - Hitzebestaendige Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen - Google Patents

Hitzebestaendige Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen

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DE1965658A1
DE1965658A1 DE19691965658 DE1965658A DE1965658A1 DE 1965658 A1 DE1965658 A1 DE 1965658A1 DE 19691965658 DE19691965658 DE 19691965658 DE 1965658 A DE1965658 A DE 1965658A DE 1965658 A1 DE1965658 A1 DE 1965658A1
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nickel
alloys
cobalt
chromium
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DE19691965658
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Toshiaki Morichika
Hideo Takahashi
Arata Yoshimitsu
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Kubota Iron and Machinery Works Ltd
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Kubota Iron and Machinery Works Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/52Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Description

  • 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.

Claims (2)

Patentansprüche
1. Hitzebeständige Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,3 bis 0,8 % Kohlenstoff, 0,2 bis 2,5 % Silicium, weniger als 2,5 % Mangan, 15 bis 30 % Chrom, 15 bis 30 % Nickel, 10 bis 20 % Kobalt, 1 bis 3 % Wolfram, 0,05 bis 2 ffi Titan und Eisen und ueblichen Verunreinigungen als Rest bestehen.
2. Hitzebeständige Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,3 bis 0,8 % Kohlenstoff, 0,2 bis 2,5 % Silicium, weniger als 2,5 % Mangan, 15 bis 30 % Chrom, 15 bis 30 % Nickel, 10 bis 20 % Kobalt, 1 bis 3 % Wolfram, 0,05 bis 2 % Titan, 0,05 bis 0,30 % Stickstoff und Eisen und üblichen Verunreinigungen als Rest bestehen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2456143A1 (fr) * 1979-05-09 1980-12-05 Special Metals Corp Alliage pour revetement dur a base de nickel, de cobalt et de chrome
CN113249631A (zh) * 2021-03-25 2021-08-13 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 一种模铸加热炉滑块及其制造方法

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