DE1967005B2 - Verfahren zum herstellen eines nickel-chrom-kobalt-werkstoffs - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines nickel-chrom-kobalt-werkstoffsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Nickel-Chrom-Kobalt-Werkstoffes für
Bauteile, die den gleichen Anforderungen genügen müssen wie Glasfaserspinndüsen, aus einer Legierung,
bestehend aus 0,4 bis 1,4% Kohlenstoff, 0,5 bis 5% Niob, 23,5 bis 33% Chrom, einem Gesamtgehalt an Molybdän
und dem halben Wolframgehalt von 1 bis 9%, 5 bis 42% Kobalt, 0 bis 12% Eisen, 0 bis 1% Titan und/oder
Aluminium, 0 bis 1% Zirkonium und 0 bis 0,1% Bor, Rest einschließlich erschmeizungsbedingter Verunreinigungen
Nickel.
Zahlreiche Verfahren erfordern Temperaturen bis 1000°C und mehr und demzufolge Anlagen und
Apparaturen aus Legierungen, die einer hohen Belastung und korrodierendem Angriff bei diesen Temperaturen
standhalten. Außerdem sollten die Legierungen schweißbar sein und gute Gießeigenschaften besitzen,
um die Vorteile des Gießens auszunutzen.
Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 8 21 745 eine Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit 4 bis 30%
Chrom, 35 bis 90% Nickel, 0 bis 0,5% Kohlenstoff, 0 bis 30% Kobalt, 0 bis 30% Eisen, je 0 bis 8% Titan und
Aluminium, 0 bis 30% Molybdän, 0 bis 15% Wolfram, 0 bis 6% Niob und/oder Tantal, 0 bis 3% Vanadin, 0,005
bis 0,05% Bor, 0,005 bis 0,5% Zirkonium, 0 bis 3% Mangan und 0 bis 3% Silizium. Diese Legierung soll eine
■hohe Zeitstandfestigkeit, Kriechfestigkeit und Zähigkeit besitzen sowie oxydationsbeständig sein und als
Werkstoff für Gasturbinenteile Verwendung finden.
Des weiteren ist aus der US-Patentschrift 32 12 886 eine schweiß- und aushärtbare Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung
mit 0,20 bis 0,40% Kohlenstoff, 19,0 bis 24,0% Chrom, 9,0 bis 10,0% Kobalt, 6,0 bis 8,0% Wolfram, bis
1,0% Molybdän, 0,35 bis 1,0% Niob, 0,40 bis 1,0% Aluminium, 0,45 bis 0,65% Titan, 0,20 bis 0,60%
Zirkonium, höchstens 0,50% Mangan, höchstens 0,75% Silizium, höchstens 0,020% Phosphor, höchstens 0,020%
Schwefel und höchstens 4,0% Eisen, Rest Nickel, bekannt. Diese Legierung soll sich als Guß- und
Knetwerkstoff eignen und neben einer guten Zerspanbarkeit bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit,
insbesondere Zeitstandfestigkeit und Kriechfestigkeit sowie eine gute Zunderbeständigkeit auch gegenüber
stark oxydierenden Medien und eine angemessene Raumtemperatui -Festigkeit besitzen; sie soll sich daher
als Werkstoff für Ofenteile und Turbinenschaufeln eignen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung
zu schaffen, die sich als Werkstoff für Gußstücke, die wie Glasfaserspinndüsen bei hoher
Temperatur einer hohen Belastung und korrodierendem Angriff unterworfen sind, eignet. Die Lösung dieser
Aufgabe basiert auf der Erkenntnis, daß im Hinblick auf die vorerwähnte Eigenschaftskombination die Gehalte
der Legierungsbestandteile Molybdän, Wolfram, Kobalt
9 67
und Chrom in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt werden müssen. Im einzelnen besteht die
Erfindung darin, daß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die Gehalte an MolybJän und/oder
Wolfram sowie Chrom innerhalb des Polygonzuges ι ABCDEFA des Diagramms der Fig. 1 sowie die
Gehalte an Kobalt und Chrom innerhalb des Polygonzuges MWVPQM des Diagramms der F i g. 2 eingestellt
werden.
Die hohe Warmfestigkeit der nach dem crfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Legierung hängt in starkem Maße vom Vorhandensein unlöslicher Karbide
ab. Der Kohlenstoff gehört deswegen zu den wesentlichen Legierungsbestandteilen; sein Gehalt muß im
Hinblick auf eine angemessene Zeitstandfestigkeit ι j mindestens 0,4% betragen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt
erhöht sich zunächst auch die Zeitslandfestigkeit, die jedoch dann wieder abfällt. Zu hohe
Kohlenstoffgehalte sind zu vermeiden, d? der Kohlenstoff die Kerbschlagzähigkeit der Legierung beeinträchtigt,
weswegen der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise 1% nicht übersteigt. Der jeweils optimale Kohlenstoffgehalt
hängt von der Art ab, in der die Gußstücke hergestellt werden.
Bei der Verwendung von Dauerformen ergibt sich eine optimale Kombination von Zeitstandfestigkeit und
Zähigkeit bei Kohlenstoffgehalten von 0,43 bis 0,7%. Im Gegensatz dazu sind die Karbide von in Sand- oder
anderen feuerfesten Formen abgegossenen Gußstücke wegen der geringeren Abkühlungsgeschwindigkeit
wesentlich größer.
Demzufolge ist im allgemeinen ein höherer Kohlenstoffgehalt erforderlich, um bei Sandguß eine gegebene
Zeitstandfestigkeit zu erreichen. Optimale Werte ergeben sich daher erst bei Kohlenstoffgehalten von 0,6
bis 0,8%. Auch beim Vergießen sollte der Kohlenstoffgehalt, soweit die erforderliche Festigkeit es gestattet,
so niedrig wie möglich liegen und vorzugsweise weniger als 0,65% betragen, wenn die Gußstücke unter starker
Verspannung geschweißt werden müssen.
Das Niob trägt als Karbidbildner ebenfalls zur Zeitstandfestigkeit bei, weswegen die Legierung mindestens
0,5%, vorzugsweise mindestens 1% Niob enthält. Mit steigendem Niobgehalt erhöht sich
zunächst die Zeitstandfestigkeit bis zu einem Maximum, um dann wieder abzufallen. Aus diesem Grund darf der
Niobgehalt 5% nicht übersteigen; er beträgt vorzugsweise höchstens 4%, besser noch 1,5 bis 3,5%.
Tantal kann als zufälliges Begleitelement des Niobs bis zu einem Zehntel des Niobgehalts in die Schmelze
gelangen. Höhere Tantalgehalte beeinträchtigen dagegen die Zeitstandfestigkeit.
Das Chrom trägt zur Korrosionsbeständigkeit der Legierung bei, doch darf der Chromgehalt 33% nicht
übersteigen, um die Bildung einer schädlichen Alpha-Phase zu vermeiden. Wolfram und Molybdän tragen zur
Zeitstandfestigkeit bei; der Gesamtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt muß mindestens 1%
betragen. Eine Erhöhung des Gesamtgehaltes auf Kosten des Nickelgehaltes bei im übrigen gleichbleiben- ω
den Gehalten an anderen Legierungsbestandteilen erhöht die Zeitstandfestigkeit auf ein Maximum, um
dann wieder abzufallen. Der Gesamtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt, bei dem dieses
Maximum erreicht wird, ist umgekehrt proportional b5
dem Chromgehalt, wie sich aus der Form des Feldes ABCDEFA der F i g. 1 ergib!. Vorzugsweise beträgt der
Gesamtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt mindestens 2% und ist so auf den Chromgehall
abgestellt, daß die Legierungszusammensetzung innerhalb des Feldes CHIJKLC liegt.
Bei gegebenem Gesamtgehalt an Molybdän uno Wolfram hängt die Zeitstandfestigkeit außerdem vom
Verhältnis der beiden Elemente zueinander ab, weswe gen die Legierung vorzugsweise mindestens 2%
Wolfram enthält.
Kobalt trägt ebenfalls zur Zeitstandfestigkeit bei, die sich mit steigendem Kobaltgehalt rasch bis auf ein
Maximum erhöht, wenn die Legierung bei gegebenem Chrom- und Niobgehalt das Optimum an Molybdän und
Wolfram enthält. Eine weitere Erhöhung des Kobaltgehaltes führt dann zu einem Abfall der Zeitstandfestigkeit.
Der Kobaltgehalt, bei dem sich eine optimale Eigenschaftskombination ergibt, erhöht sich mit dem
Chromgehalt, wie sich aus der Form des Feldes MWVPQMm Fig. 2 ergibt. Die Legierungszusammensetzung
liegt vorzugsweise im Feld MNOPQM. besser noch im Feld RSOTUR.
Die Legierung kann auch geringe Gehalte an Titan und/oder Aluminium bis zu einem Gesamtgehalt von
1% enthalten. Das Titan wirkt sich in dieser Größenordnung vorteilhaft auf die Zugdehnung aus,
sofern beim Gießen das Entstehen von Oxydeinschlüssen vermieden wird, während das Aluminium die
technologischen Eigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigt. Gegen eine Bildung von Oxydfilmen
anfälliger stationärer Guß enthält vorzugsweise weder Titan noch Aluminium.
In diesem Fall sollten die durch Schrott oder als
Desoxydationsmittel eingeführten Gehalte an Titan und Aluminium unter 0,5% gehalten werden.
Geringe Zirkoniumgehalte erhöhen ebenfalls die Zugdehnung und Zeitstandfestigkeit, während Zirkonium
und Bor das Verhältnis der Kerbzugfestigkeit zur Zugfestigkeit verbessern. Außerdem wurde überraschenderweise
festgestellt, daß das Zirkonium sowohl die Schweißbarkeit des Grundwerkstoffes als auch die
Zeitstandfestigkeit eines Schweißmetalls aus einem artgleichen Zusatzwerkstoff entsprechender Zusammensetzung
erhöht. Aus diesem Grunde soll die Legierung bis 1% Zirkonium und bis 0,1% Bor, beispielsweise 0,005 bis 0,5% Zirkonium und 0,001 bis
0.05% Bor, enthalten. Vorteilhafterweise besitzt der Zusatzwerkstoff einen höheren Zirkoniumgehalt als die
zu verschweißende Legierung.
Unter den Verunreinigungen und zufälligen Begleitelementen, wie beispielsweise den üblichen Desoxydationsrückständen
hochwarmfester Nickel-Chrom-Legierungen, kann die Legierung bis je 2% Silizium und
Mangan enthalten; vorzugsweise übersteigen die Gehalte dieser Elemente jedoch I % nicht.
Die Legierung wird vorzugsweise mit Magnesium desoxydiert, beispielsweise mit einer 15% Magnesium
enthaltenden Nickel-Magnesium-Vorlegierung, die einen Magnesiumrestgehalt von 0,01 bis 0,02% ergibt.
Das Restmagnesium verbessert die Zugdehnung. Die Legierung kann bis 0,15% beisn Erschmelzen in Luft
aufgenommenen Stickstoffs enthalten.
Eisen, das als Bestandteil von Ferrolegierungen in die Schmelze gelangen kann, beeinträchtigt die Zeitstandfestigseit.
Dennoch kann die Legierung bis 12% Eisen enthalten, wenngleich iin Hinblick auf eine optimale
Eigenschaftskombination der Eisengehalt 0,5% nicht übersteigt und vorzugsweise so niedrig wie möglich
gehalten wird. Gleichwohl ergeben sich gute technologische Eigenschaften bei Eisengehalten bis 5%,
beispielsweise von 2 bis 4%, die insofern eine Verbilligung ergeben, als die Legierungsbestandteile
Niob, Wolfram und Molybdän in Gestalt ihrer Ferrolegierungen eingeführt werden können.
Zwei bevorzugte, erfindungsgemäß hergestellte Legierungen
nach der Erfindung enthalten Chrom, Kobalt, Molybdän und Wolfram in den nachfolgenden, sorgfältig
aufeinander abgestimmten Gehaltsgrenzen:
(a)
(b)
24 bis 27% Chrom,
8 bis 20% Kobalt,
mindestens 5% Wolfram und
mindestens 5% Wolfram und
4bis7%(%Mo) + i/2(%W)
28 bis 32% Chrom,
20 bis 30% Kobalt,
mindestens 4% Wolfram und
2bis4%(%Mo)
20 bis 30% Kobalt,
mindestens 4% Wolfram und
2bis4%(%Mo)
Die Zusammensetzung der beiden vorgenannten Legierungen liegt vorzugsweise in den Feldern
GHIjKLG und RSOTUR der F i g. 1 und 2. Außerdem
enthalten diese Legierungen 1,5 bis 3,5% Niob, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Niob, und 0,4 bis 0,8%
Kohlenstoff. Innerhalb dieser Grenzen hängt der bevorzugte Kohlenstoffgehalt von der Art des Vergießens
ab und sollte unter 0,65% liegen, wenn die Gußstücke unter schwerer Verspannung geschweißt
werden müssen. Vorzugsweise enthalten die Legierungen Titan und/oder Zirkonium, beispielsweise 0,03 bis
0,2% Titan und 0,005 bis 0,3% Zirkonium.
Eine besonders bevorzugte Legierung enthält 25% Chrom, 12% Kobalt, 9% Wolfram, 0,5% Molybdän. 2%
Niob, 0,1% Titan und/oder 0,1% Zirkonium sowie 3% Eisen.
Zahlreiche Versuche wurden an Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung gemacht und haben
erwiesen, daß es im Hinblick auf eine gute Eigenschaftskombination wichtig ist, die Legierungsbestandteile in
der obenerwähnten Weise sorgfältig aufeinander abzustimmen.
Die untersuchten Legierungen wurden in Luft erschmolzen und in üblicher Weise mit 0,3% Mangan,
0,3% Silizium und 0,03% Kalzium oder Magnesium in Form von Kalziumsilizid oder Nickel-Magnesium
desoxydiert und in Feinguß-Formen vergossen.
Die Versuchsergebnisse sind in den Diagrammen der F i g. 3 bis 8 veranschaulicht und in den nachfolgenden
Tabellen zusammengestellt.
In den Fig. 3 bis 6 und 8 sind die Standzeiten, gemessen in Stunden, unter einer Belastung von
4,7 kp/mm2 bei einer Temperatur von 10000C im
logarithmischen Maßstab gegen den Wert (%Mo) + '/2 (%W) aufgetragen. Die Fig.3 und 4 beziehen sich auf
Legierungen mit 25% Chrom und 0,75% Kohlenstoff. Sie zeigen die Wirkung unterschiedlicher Kobaltgehalte
bei einem Niobgehalt von 2% (Fig. 3) und von 3% (Fig. 4). Die Fig. 5 und 6 zeigen dasselbe, jedoch bei
einem Chromgehalt von 30%. Außerdem zeigt die gestrichelte Kurve in Fig.3 die Wirkung einer
Verringerung des Niobgehaltes auf 1% bei einer Legierung mit 10% Kobalt und in ähnlicher Weise
F i g. 4 die Erhöhung des Niobgehaltes dieser Legierung auf 4%.
Die Wirkung unterschiedlicher Kobaltgehalte wird des weiteren durch die Kurve der Fig. 7 veranschaulicht,
in der in logarithmischem Maßstab die Zeitstandfestigkeit bei 10000C und einer Belastung von 4,7 kp/mm3
(untere Kurve) und 2,8 kp/mm2 (obere Kurve) gegen den Kobaltgehalt aufgetragen sind. Die Standzeiten bei
10000C und einer Belastung von 2,8 kp/mm2 wurden
durch Extrapolation der Versuchsergebnisse höherer Belastungen ermittelt. Die gestrichelte Kurve bezieht
sich auf eine Legierung mit, vom Kobaltgehall abgesehen, 25% Chrom, 2% Niob, 0,75% Kohlenstofl
und 5% [(%Mo) + >/2(%W)], Rest Nickel, während sich
jo die vollausgezogene Kurve auf eine Legierung mit 30%
Chrom, 2% Niob, 0,75% Kohlenstoff und 6% Wolfram Rest Nickel, bezieht.
Die Kurven zeigen, daß sich die höchsten Standzeiten bei Legierungen mit 25% Chrom, 12,5% Kobalt und 2%
1) Niob bei einem Gesamtgehalt an Molybdän und dem
halben Wolframgehalt von 4 bis 7% einerseits und mil 30% Chrom, 25% Kobalt und 2% Niob bei einem
Gesamtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt von 2 bis 4% andererseits ergeben.
Die nachfolgende Tabelle I zeigt die Standzeiten bei 10000C und einer Belastung von 4,7 kp/mm2 von
Legierungen der vorerwähnten Zusammensetzunger mit verschiedenen Gehalten an Molybdän und Wolfram
Außerdem enthält die Tabelle I die Kerbschlagzähigkei-
■ii ten bei 2O0C im Gußzustand oder nach einerr
lOOOstündigen Glühen bei 8000C mit anschließenderr
Luftabkühlen, um Betriebsverhältnisse zu simulieren.
Tabelle I | C | kp/mm2 | Cr | Co | C. | W | Mo | Nb | Ni | Mo+ '/2 W | Standzeit (h) | (b) | (C) | Kerbschlag | (e) |
Legie | kp/mm2 | C. | 615 | 661 | zähigkeit (kgm) | 2,4 | |||||||||
rung | (%) | (%) | (%) | C. | (%) | (%) | (%) | (%) | (%) | (a) | 833 | 956 | (d) | 4,0 | |
0,75 | 25 | 10 | 6 | 1 | 2 | Rest | 4 | 186 | 1080 | 1184 | 4,0 | 2,4 | |||
1 | 0,75 | 25 | 10 | 6 | 2 | 2 | Rest | 5 | 252 | 625 | — | 4,0 | 2,4 | ||
2 | 0,75 | 25 | 10 | 9 | 0,5 | 2 | Rest | 5 | 397 | 396 | 454 | 4,0 | 2,4 | ||
3 | 0,75 | 25 | 10 | 6 | 3 | 2 | Rest | 6 | 212 | 1453 | — | 4,0 | — | ||
4 | 0,75 | 25 | 10 | 6 | 6 | 2 | Rest | 9 | 111 | 2,4 | |||||
5 | 0,75 | 30 | 25 | 6 | - | 2 | Rest | 3 | :i84 | — | |||||
6 | (a) 5,5 kp/mm2 | bei 1000° | (d) Gußzustand. | ||||||||||||
(b) 4,7 | bei 1000° | (e) lOOOstUndigcs | Glühen | bei 800° | C, Abkühlen in | Luft. | |||||||||
(c) 3,2 | bei 1050° | ||||||||||||||
Der Ersatz der 2% Niob durch eine äquivalente
Menge Tantal, d.h. durch 4% Tantal bei Legierung 3, verringert die Standzeit bei 10000C und einer Belastung
von 5,5 kp/mm2 auf ül Stunden und bei einer Belastung
von 4,7 kp/mm2 auf nur 137 Stunden.
Bei einem Vergleich der Daten der Tabelle I mit dei
Kurven der Diagramme ist zu berücksichtigen, daß die Kurven auf einer großen Anzahl von Versuchen
basieren und sich demzufolge bei den Einzelversuchen eine gewisse Streuung der Werte ergibt. Dies erklärt
sich sowohl aus unvermeidlichen Schwankungen der Versuchsbedingungen als auch dadurch, daß nicht
sämtliche Legierungen dasselbe Verhältnis von Molybdän zu Wolfram besaßen. Eine Änderung des Verhältnisses
von Molybdän zu Wolfram wirkt sich vornehmlich auf das Optimum der Zeitstandfestigkeit aus, wie)»
F i g. 8 zeigt, die sich auf Legierungen mit 25% Chrom, 10% Kobalt, 2% Niob und 0,75% Kohlenstoff, Rest
Nickel, bezieht. Es zeigt sich, daß die wolframfreien Legierungen verhältnismäßig schlechte Eigenschaften
besitzen und sich die Standzeit mit steigendem Wolframgehalt erhöht. Es ergibt sich bereits eine
wesentliche Verbesserung, wenn die Legierungen mindestens 2% Wolfram enthalten, während Legierungen
mit 5% Wolfram eine höhere Festigkeit besitzen.
Die Wirkung unterschiedlicher Niobgehalte bei anderen Legierungen als der Legierung 1 zeigen die
Zeitstand- und Kerbschlagversuche der nachfolgenden Tabellen.
Tabelle II | Nb | Standzeit (h) | 4,7 kp/mm2 | Kerbschlagzähigkeit (kgm) | Luftabkühlung |
Legierung | bei 10000C und | bei 200C | _ | ||
(%) | 5,5 kp/mm2 | 71 | 2,4 | ||
300 | Gußzustand 1000 h/800° C | 2,4 | |||
0 | _ | 615 | 2,4 | ||
A | 1 | 64 | 376 | _ | 2,4 |
7 | 2 | 186 | 206 | 4,0 | 3,0 |
1 | 3 | 162 | 56 | 4,0 | |
8 | 6 | 62 | 4,0 | ||
B | 8 | 28 | 3,0 | ||
C | 5,0 | ||||
Die Daten der Tabelle zeigen, daß sowohl die niobfreie Legierung A als auch die mehr als 5% Niob
enthaltenden Legierungen B und C sehr schlechte Eigenschaften besitzen.
Die Wirkung unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte bei Legierungen mit von der Legierung 2 abweichender
Zusammensetzung zeigt die nachfolgende Tabelle III.
Legierung C Standzeit (h) Kerbschlagzähigkeit (kgm)
bei 1000° C und bei 20° C
(%) 5,5 kp/mm2 4,7 kp/mm2 Gußzustand 1000h/800°C
Luftabkühlung
10
11
12
13
0,36
0,49
0,62
0,70
0,77
0,91
1,14
0,49
0,62
0,70
0,77
0,91
1,14
69 | 194 | 8,0 | 4,0 |
94 | 528 | 5,9 | 3,0 |
260 | 660 | 4,0 | 3,0 |
342 | 1019 | 4,0 | 2,4 |
252 | 833 | 4,0 | 4,0 |
291 | 816 | 3,0 | 2,4 |
145 | 440 | 3,0 | 2,4 |
Die bemerkenswerte Verbesserung der Zeitstandfesligkeit
bei den Legierungen 2 und 9 bis 13 im Vergleich zu der weniger als 0,4% Kohlenstoff enthaltenden
Legierung D zeigt die Bedeutung eines sorgfältigen Einstellen des Kohlenstoffgehaltes.
Zu Vcrgleichszweckcn sind in der nachfolgenden 50
Tabelle IV die Zusammensetzungen und Standzeiten dreier bekannter Legierungen aufgeführt. Die beträchtliche
Verbesserung der Zeitstandfestigkeit bei der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierung
ergibt sich eindeutig bei einem Vergleich der Daten der Tabelle I und IV.
Legierung
Cr
Ni
Co
W | Fe | Standzeit bei |
1000°C und | ||
4,7 kp/mm2 | ||
(o/o) | (%) | (h)*) |
Rest | 17 | |
5 | Rest | 80 |
5 | Rest | 5 |
G | 0,4 | 25 | 20 |
H | 0,5 | 26 | 35 |
J | 0,5 | 25 | 50 |
15
*) Geschützt aufgrund veröffentlichter Daten.
ίο
Die Daten der nachfolgenden Tabelle V zeigen die Wirkung von Titan-, Zirkonium- und Borzusätzen sowie
des Restmagnesiums aus der Desoxydation auf die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur an Legierungen mit
zweierlei verschiedenen Gehalten an Kohlenstoff und Eisen. Außer den in der Tabelle V aufgeführten
Bestandteilen enthielten die Legierungen noch 25% Chrom, 10% Kobalt, 6% Wolfram, 2% Molybdän und
2% Niob, Rest Nickel. Der Wert »ZV« stellt das Verhältnis der Kerbzugfestigkeit zur Zugfestigkeit dar,
während mit »D« die Dehnung einer Probe von 5,65 d und »E« die Einschnürung bezeichnet werden.
Tabelle V | C | F | Ti | Zr | B | Mg | ZV | D | E |
Legierung | (%) | C/o) | (%) | (%) | (0/0) | (0/0) | (0/0) | (%) | |
0,47 | _ | _ | _ | _ | 1,24 | 4,5 | 7,2 | ||
14 | 0,48 | — | 0,31 | — | — | — | 1,20 | 13,5 | 11,0 |
15 | 0,46 | — | — | 0,06 | — | — | 1,32 | 9,0 | 6,4 |
16 | 0,47 | — | — | — | 0,009 | — | 1,30 | 6,8 | 5,0 |
17 | 0,48 | — | — | 0,06 | 0,009 | — | 1,35 | 5,6 | 7,2 |
18 | 0,50 | — | — | — | — | 0,02 | 1,25 | 5,6 | 5,0 |
19 | 0,63 | — | — | — | — | — | 1,16 | 4 | 3,4 |
20 | 0,62 | — | — | — | _ | 0,024 | 1,23 | 4,4 | 5,5 |
21 | 0,64 | 3 | — | 0,11 | 0,041 | 1,33 | 2,6 | 5,0 | |
22 | 0,62 | 3 | — | 0,17 | _ | 0,028 | 1,22 | 6,0 | 6,6 |
23 | 0,64 | 3 | — | 0,38 | — | 0,028 | 1,17 | 6,0 | 7,0 |
24 | 0,65 | 3 | — | 0,8 | — | 0,033 | 1,27 | 4,9 | 9,6 |
25 | 0,71 | — | — | 1,13 | 2,3 | 1,1 | |||
26 | |||||||||
Ein Vergleich der Legierung 14 mit den fünf jo
nachfolgenden Legierungen zeigt die Erhöhung der Zähigkeit mit dem Titangehalt bei Legierung 15, die
Verbesserung sowohl der Zähigkeit als auch die Zugfestigkeitsverhältnisse mit dem Zirkoniumgehalt bei
Legierung 16, die Verbesserung des Zugfestigkeitsver- js
hältnisses in Abhängigkeit vom Borgehalt bei Legierung 17, die synergistische Wirkung von Zirkonium und Bor
bei Legierung 18 und die günstige Wirkung des Magnesiums bei Legierung 19. Die schädliche Wirkung
einer Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes auf das Zugfestigkeitsverhältnis und die Duktilität zeigt ein
Vergleich der Legierungen 14,20 sowie 26, während sich die günstige Wirkung des Magnesiums aus dem
Vergleich der Legierungen 20 und 21 ergibt. Die positive Wirkung des Zirkoniums sowohl auf das
Zugfestigkeitsverhältnis als auch auf die Duktilität zeigt sich schließlich auch anhand der Versuchsergebnisse der
Legierungen 22 bis 25.
Die Wirkung unterschiedlicher Eisengehalte wird nachfolgend anhand der Daten aus der Tabelle VI
veranschaulicht, die sich auf Legierungen mit 0,75% Kohlenstoff, 25% Chrom, 10% Kobalt, 6% Wolfram,
2% Molybdän und 2% Niob, Rest Nickel, beziehen.
Tabelle | VI | Standzeit (h) | 3,2 kp/mm2/ | Kerbschlag | (kgm) |
Legie | Fe | 1050°C | zähigkeit | (b) | |
rung | 4,7 kp/mm2/ | 956 | (a) | ||
(%) | 100O0C | 579 | 4,0 | ||
833 | 612 | 4,0 | 3,0 | ||
2 | 0 | 554 | 336 | 4,0 | 4,0 |
27 | 1,5 | 576 | 5,0 | 2,4 | |
28 | 3 | 341 | 4,0 | ||
29 | 5 | ||||
a) Gußzustand.
Nach lOOOstündigem Glühen bei 8000C.
Um die technologischen Eigenschaften der nach dem ι,ο
erfinduügsgemäßen Verfahren hergestellten Legierung darzutun, wurden auf herkömmliche Weise sechs
Hohlproben mit einem Außendurchmesser von 127 mm und einer Wandstärke von 25 mm abgegossen. |cdc
Einzclschmclzc wurde durch die Zugabe von 0,03% t,r>
Magnesium mittels einer Nickel-Vorlegierung mit 15% Magnesium desoxydiert und besaß die sich aus der
nachfolgenden Tabelle VII ergebenden Gehalte an Kohlenstoff, Titan, Zirkonium und Aluminium. Im
übrigen bestanden die Legierungen aus 25% Chrom, 12% Kobalt, 9% Wolfram, 0,5% Molybdän, 2% Niob
und 3% Eisen, Rest Nickel. Die Zeitstand- und Zugfestigkeiten der erfindungsgcmäß hergestellten
Legierungen 30 bis 34 und der außerhalb der Erfindung liegenden Legierung K ergeben sich aus den Tabellen
VII und VIII.
S | Z | 11 | E | Zr | 1967 | 005 | = Meßlängenverhältnis. | Z | (h) | (b) | 12 | (d) | (o/o) | 1000 h/ | |
* | (V0) | 346 | 300 | 10 7,5 | 10000C | ||||||||||
Tabelle VII | kp/mm2 | Ti | kp/mm2 | 956 | 646 | 2,0 8,4 | |||||||||
Legierung C | K 30 | (0/0) | _ | Al | Standzeit | 66 | !186 | (C) | 831 | 2,0 6,5 | 7,1 | ||||
(ο/ο) | 30 28 | — | (0/0) | (a) | 62 | 1264 | 440 | 825 | 2,0 10,5 | 5,0 | |||||
K 0,34 | 31 30 | _ | 0,01 | 79 | 65 | 1581 | 1324 | 1078 | 5,0 11 | 4,0 | |||||
30 0,45 | 32 32 | — | — | 212 | 63 | - | 1617 | — | - 5,0 | 4,0 | |||||
31 0,64 | 33 28 | — | - | — | 301 | 66 | 2235 | 5,9 | |||||||
32 0,47 | 34 30 | 0,1 | (c) 3,9 kp/mm-1 - | — | 242 | - | 2091 | - | |||||||
33 0,45 | S = Streckgrenze. | - | (d) 3,2 kp/mm2 - | 282 | - | ||||||||||
34 0,42 | Z = Zugfestigkeit. | 0,44 | - | Kerbschlagzähigkeit | |||||||||||
1000° C. | (kgm) | ||||||||||||||
1050° C. | Dehnung | E Guß | |||||||||||||
Dehnung E | zustand | ||||||||||||||
1000h/1000°C | 5,65 |/Ä* (%) |
||||||||||||||
5,65 l/X* (o/o) (%) |
Π | ||||||||||||||
13 13 | S | 3,8 | |||||||||||||
kp/mm2 | 12 10 | 2,2 | |||||||||||||
60 | 6,9 6 | kp/mm2 | 2,7 | ||||||||||||
60 | 7,9 10 | 28 | 5,2 | ||||||||||||
60 | 15 12 | 29 | — | ||||||||||||
59 | 11 9 | 33 | |||||||||||||
(a) 5,5 kp/mm2 - 10000C. | 61 | = Einschnürung. | 33 | ||||||||||||
(b) 4,3 kp/mm2 - 10000C. | 63 | 31 | |||||||||||||
Tabelle VIII | — | ||||||||||||||
Legie- Gußzustand | |||||||||||||||
rung | |||||||||||||||
Die Schweißbarkeil der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Legierung ist überraschend gut, insbesondere wenn sie Zirkonium und/oder Titan
enthält und ihr Kohlenstoffgehalt 0,65% nicht übersteigt. Die nachfolgenden Schweißbeispiele veranschaulichen
die Vorteile der Verwendung eines Zusatzwerkstoffes mit hohem Zirkoniumgehalt auf die Standzeit
und die Dehnung des Schweißwerkstoffes.
Hohlproben der Legierungen 30 und 32 wurden quer unterteilt und die Schneidkanten auf einen J-Querschnitt
gebracht sowie anschließend unter Argon bei Verwendung eines Zusatzwerkstoffes entsprechender Zusammensetzung,
d. h. einer zirkoniumfreien Legierung im Falle der Legierung 30 und einer 0,01% Zirkonium
enthaltenden Legierung im Falle der Legierung 32 geschweißt. Bei allen Versuchen ergaben sich gesunde
Schweißnähte ohne Schweißrisse in der wärmebeeinflußten Zone.
An Schweißmaterial einer den Legierungen 30 und 32
entsprechenden Zusammensetzung und einem ähnlichen Material mit 0,48% Zirkonium ergaben sich
folgende Werte:
Zeitstandfestigkeit bei 4,3 kp/mm2
100O0C
Standzeit Dehnung
0 | 152 | 2,2 |
0,01 | 138 | 1,2 |
0,48 | 1156 | 15 |
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten
Legierung besteht darin, daß sich die Legierung warmverformen, beispielsweise walzen, schmieden und
strangpressen, läßt.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Verfahren zum Hersteilen eines Nickel-Chrom-Kobalt-Werkstoffes für Gußstücke, die wie Glas
faserspinndüsen bei hoher Temperatur einer hohen Belastung und korrodierendem Angriff unterworfen
sind, aus einer Legierung, bestehend aus 0,4 bis 1,4% Kohlinstoff, 0,5 bis 5% Niob, 23,5 bis 33% Chrom,
einem Gesamtgehalt an Molybdän und dem halben Wolframgehalt von 1 bis 9%, 5 bis 42% Kobalt, 0 bis
12% Eisen, 0 bis 1 % Titan und/oder Aluminium, 0 bis
1% Zirkonium und 0 bis 0,1% Bor, Rest einschließlich erschmeizungsbedingter Verunreinigungen Nikkei,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an Molybdän und/oder Wolfram sowie
Chrom innerhalb des Polygoni.uges ABCDEFA des
Diagramms der Fig. 1 sowie die Gehalte an Kobalt
und Chrom innerhalb des Polygonzuges MU'VPQM des Diagramms der F i g. 2 eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobaltgehalt auf höchstens 40%
zusammen mit dem Chromgehalt innerhalb des Polygonzuges MNOPQM und der Eisengehalt auf
höchstens 5% eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an Kobalt und Chrom
innerhalb des Polygonzuges RSOTLJR eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ω gekennzeichnet, daß der Niobgehalt auf 1,5 bis 3,5%
eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgehait an
Molybdän und dem halben Wolframgehalt auf mindestens 2% zusammen mit dem Chromgehalt
innerhalb des Polygonzuges GHI]KLG eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframgehalt auf mindestens 2%
eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumgehalt
auf 0,005 bis 0,5% und/oder der Borgehalt auf 0,001 bis 0,05% eingestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisengehalt auf 2
bis 4% eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt auf 24 bis 27%, der
Kobaltgehalt auf 8 bis 20%, der Wolframgehalt auf mindestens 5% bei einem Gesamtgehalt an Molybdän
und dem halben Wolframgehalt von 4 bis 7% sowie der Niobgehalt auf 1,5 bis 3,5% und der
Kohlenstoffgehalt auf 0,4 bis 0,8% eingestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt auf 28 bis 32%, der
Kobaltgehalt auf 20 bis 30%, der Wolframgehalt auf mindestens 4% bei einem Gesamlgehalt an Molyb- t>o
dän und dem halben Wolframgehalt von 2 bis 4% sowie der Niobgehalt auf 1,5 bis 3,5% und der
Kohlenstoffgehalt auf 0,4 bis 0,8% eingestellt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder i0, dadurch gekennzeichnet, daß der Titangehalt auf 0,03 bis
0,2% und/oder der Zirkoniumgehalt auf 0,005 bis 0,3% eingestellt werden.
12. Verfahren nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß der Chromgehalt auf 25%, der
Kobaltgehalt auf 12%, der Wolframgehalt auf 9%, der Molybdängehalt auf 0,5%, der Niobgehalt auf
2%, der Titangehalt auf 0,1% und/oder der Zirkoniumgehalt auf 0,1%, der Kohlenstoffgehalt
auf 0,5% und der Eisengehalt auf 3% eingestellt werden.
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