DE2029962A1 - Nickel-Legierung - Google Patents

Description

12. Juni I97O Gzy/goe

CABOT CORPORATION

Nickel - Legierung«

Die Erfindung betrifft eine durch Ausfällen verfestigte Nickel-Legierung, die Tantal enthält.

Durch Ausfällen verfestigte Nickel-Legierungen, die in der Wärme bearbeitbar sind, und mitunter auch als härtbare Legierungen bezeichnet werden, werden bei hohen Temperaturen zwischen etwa 5^0 und 87O C verwendet, unter anderem als geschmiedete legierte Teile für Düsenmotoren. Diese Legierungen werden in der Hegel als Schmiedeteile, Stäbe, Bleche, nahtlose Rohre oder in anderen Formen geliefer«.. Diese Formen werden durch Bearbeiten in der Hitze oder Kälte, durch Extrudieren, Ausziehen und dergleichen hergestellt.

Die bisher vorgeschlagenen Legierungen dieser Art beruhen auf der Bildung der bekannten Aluminium-Titan-Phase mit einem hohen GehaLt an Gamma-Prime, Zum Verfestigen ist die Gegenwart von Aluminium und Titan in Mengen von insgesamt 0,4 bis 8 G erforderlich.

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Tantal enthaltende Nickel-Legierungen sind bisher nur in beschränktem Umfange verwendet worden, und es ist niemals vorgeschlagen worden, Tantal allein als verfestigendes Element zu verwenden« Wenn Tantal als eines der verfestigenden Elemente vorgeschlagen worden ist, so war der Gehalt an Tantal auf höchstens etwa 4 % beschränkt, augenscheinlich, um die Duktilität bei erhöhten Temperaturen nicht zu verschlechtern« Die bekannten Legierungen dieser Art setzten ferner voraus, daß das Tantal als verfestigendes Element raaz; zusammen mit Aluminium und Titan verwendet werden sollte, um die Bildung der oben erwähnten 6aEjma=-Priiiie=P]hase au ermöglichen_o

Die bekannten Legierungen sind zwar sehr gut geeignet für eine Verwendung in einem Temperaturbereich zwischen 76O und 87O C₀ Sie genügen aber nicht für eine Verwendung innerhalb des Temperaturbereiches zwischen 5^0 und 65Ö C, weil sie dort nicht genügend fest und duktil sind«, Die Verwendung von Aluminium und Titan als Bestandteile des VerfestigUBgsmit-tels machte es notwendig, beim Zusammenschmelzen entweder" in einem Vakuum oder unter einem inerten Gas zu arbeiten, um Sinschlüsse von Oxyden zu verhindern«, Aueh die erfindungsgemäßen Legierungen können im Vakuum oder unter einem inerten Gas zusanimengeschmol» zen werden, sie haben aber den Vorteils daß man sie an der

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Luft zusammenschmelzen kann, wobei ebenfalls sehr gute Ergebnisse, aber bei verringerten Kosten, erhalten werden.

Ziel der Erfindung ist eine durch Ausfällen verfestigte Nickel-Legierung, die besonders geeignet ist zur Verwendung bei Temperaturen zwischen 5^0 und 65O C, Diese Legierungen benötigen kein Aluminium und kein Titan als Teil des verfestigenden Mittels. Die erfindungsgemäßen Tantal enthaltenden Legierungen können an der Luft zusammengeschmolzen werden, ohne daß merkbare Einschlüsse von Oxyden entstehen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Phase der Zusammensetzung AM durch Ausfällen eine in der Wärme verarbeitbare Nickel-Legierung verfestigt. In der obigen Formel bedeutet A im wesentlichen Nickel und M im wesentlichen Tantal. Es wurde ferner gefunden, daß diese Phase ausgefällt werden kann auch in Abwesenheit von Aluminium und Titan. Diese ausgefällte Phase unterscheidet sich von der oben erwähnten Gamma-Prime-Phase, die bei der gemeinsamen Verwendung von Aluminium und Titan entsteht. Die Gamma-Prime-Phase hat ein oberflächenzentriertes kubisches Kristallgitter. Ih Gegensatz hierzu hat die A M-Phase gemäß der Erfindung eine nichtkubische Kristallstruktur. Diese Kristallstruktur ist noch nicht endgültig

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aufgeklärt, es scheint aber, daß es sich um' ein tetragonales Gitter handelt, bei welchem die Achsen der Zelleinheiten von verschiedener Länge sind. In keinem Falle ist es also ein kubisches Gitter·

Die erfindungsgemäße Legierung besteht im wesentlichen aus 15 bis 22 Gew.-% Chrom, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 5 bis 10 Gew.-% Tantal, Rest Nickel und restliche Verunreinigungen, die üblicherweise in Nickel-Legierungen enthalten sind. Wichtig hierbei ist es, dass die restlichen Verunreinigungen nicht mehr als 20 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 10 % Kobalt und nicht mehr als 0,15 % Kohlenstoff enthalten. Die Legierung besteht im wesentlichen aus einer Matrix aus einer festen Lösung, in welcher die oben erwähnte intermetallische Phase AM dispergiert ist.

Der Gehalt an Chrom dient zur Erhöhung der Festigkeit und des Korrosionswiderstandes. Gehalte unter 15 % Chrom ergeben Legierungen mit einem minimalen Korrosionswiderstand, während Legierungen mit mehr als 22 % Chrom eine schlechtere Duktilität haben.

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Das Molybdän trägt zur Festigkeit in Lösungen und zur Verbesserung des KorrosionsividerStandes bei. Vorzugsweise enthalten die Legierungen nur Molybdän, dieses kann aber auch teilweise oder ganz durch Wolfram ersetzt sein· Wolfram kann das Molybdän in einem Verhältnis von etwa 2s 1 ersetzen bis zu einem
Maximalgehalt von 16 %, vorzugsweise bis zu etwa 12 %» Für
optimale mechanische Eigenschaften sollte die Legierung nicht weniger als insgesamt etwa 3 % Molybdän und Wolfram enthalten. Mehr als l6 % Wolfram oder mehr als 12 % Molybdän geben
Legierungen, welche unerwünschte versprödende Phasen enthalten können. Die erfindungsgemäße Legierung muß wenigstens 5 %
Tantal enthalten, damit eine entsprechende Ausfällung der oben erwähnten A.M-Phase stattfindet. Mengen über 10 % Tantal
verschlechtern die Heiß-Bearbeitbarkeit der Legierung. Das
Tantal kann bis zu 25 Gew.-Ji seiner Menge durch Niob ersetzt
sein. Gegebenenfalls kann das Tantal bis zu 50 % seiner Menge durch Vanadium ersetzt sein.

Die Verwendung von Aluminium und Tantal in den erfindungsgemäßen Legierungen ist nicht erforderlich. Der Gehalt an diesen beiden Stoffen sollte so niedrig wie möglich sein, vorzugsweise unter 1,4 % liegen. Bei einem niedrigen Gehalt an Aluminium
und Titan können Legierungen guter Qualität an. Lu.f$ erschmolzen werden.

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Bor, Silizium, Mangan, Magnesium und Kupfer können in einer Menge bis zu etwa 2,5 % in der Legierung enthalten sein, und können gewisse Eigenschaften verbessern, z.B. die Desoxydation, die Flüssigkeit beim Gießen, die Duktilität und dergleichen.

Der Rest der Legierung besteht aus Wickel und' zufälligen Verunreinigungen, die in der Regel in Legierungen dieser Art enthalten sind.

Beispiel 1

2,3 kg eines Gemisches aus 20,34 % Chrom, 8,90 % Molybdaara, 8,58 % Tantal, 4,8o % Eisen, 0,11 % Kohlenstoff, Rest Nickel wurden im Elektronenstrahl niedergeschmolzen und gegossene Wenn das Gußstück erhalten war, wurde es bei etwa 1200 C homogenisiert, anschließend bei ll80°C in Lösung behandelt und dann kalt verarbeitet* Nach d©iu kalten Verarbeiten wurde getempert und dann zu einem Streifen mit einer Dicke von 0,1 nun ausgezogen. Dieser Streifen wurde b©± II80 C mit einer Lösung behandelt, abgeschreckt und anschließend fo©± 870 bis 59O°C gealtert, um die oben erwähnte A M-Phase auszufällen. Das erhaltene Muster wurde im Elektronenmikroskop und durch

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Diffraktion nach dem Altern geprüft· Hierbei wurde immer die gleichmäßig diapergierte A M-Phase festgestellt.

Beispiel 2

23 kg eines Gemisches von 20,47 % Chrom, 5,41 % Molybdän, 9,82 % Tantal, 5,59 % Eisen, 5,02 % Kobalt, O,O89 % Kohlenstoff, Rest IMickel wurden in einem Induktionsofen im Vakuum niedergeschmolzen und vergossen. Nach 2k stündigem Homogenisieren bei etwa 1200 C wurde das Gußstück zu einem Stabe mit einem Querschnitt von 2,5 x 2,5 cm verarbeitet.

Aus diesem Stabe wurden nach ASTM Stäbe von 2,5 cm Länge hergestellt, um die Zugfestigkeit und Bruchfestigkeit zu prüfen. Diese Probestäbe wurden dann gemäß den folgenden Ausführungen in einer Atmosphäre von Argon in der Wärme verarbeitet.

Wärmeverarbeitung A: Nach dem Schmieden wurde 1 Stunde lang auf 950 C erhitzt, dann mit Wasser abgeschreckt, anschließend 3,6 Stunden bei 780⁰C gehalten, im Ofen auf 65O⁰C abgekühlt und 86 Stunden lang bei 65O C gealtert«

Wärmeverarbeitung B: Nach dem Schmieden wurde 1 Stunde lang auf I25O C erhitzt, mit Wasser abgeschreckt und dann 86 Stunden lang bei 665 C gealtert.

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Wärmeverarbeitung C; Nach dem Schmieden wurde 20 Minuten lang auf I25O C erhitzt, dann mit Wasser abgeschreckt und anschließend 24 Stunden bei 68O°C gealtert.

Die Tabelle I enthält die Zugefestxgkexten von Material nach Beispiel 2 im Anschluß an die oben beschriebenen Wärmeverarbeitungen.

Tabelle I

Wärme- Prüftem- Zugfestig- Reißfestig- Dehnung JUA, behandlung peratur keit keit

kg/cm² kg/cm² % %

A	Raumtem peratur	11	700	13	800	15,00	25,00
A	650°	10	000	11	400	12,00	20,00
B	Raumtem peratur	6	300	9	550	62,00	469oo
B	650°	4	450	6	600	48,00	50,50
C	Raumtem peratur	5	650	9	350	73,oo	66,00
C	650°	3	600	6	300	56,00	43,50

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Die Daten der Tabelle I zeigen deutlich die ausgezeichnete mechanische Festigkeit an Mustern, die nach dem Verfahren Ä behandelt sind. Aus der Tabelle geht ebenfalls die ausgezeichnete Duktilität hervor. Die Reißfestigkeit bei 65O⁰C lag bei etwa 7 700 kg/cm nach 98 stündiger Behandlung von Mustern nach Beispiel 2 gemäß dem Verfahren A. Ein Teil des geschmiedeten Material wurde zu einem Blech mit einer Dicke von 0,1 mm verarbeitet. Muster dieses Bleches wurden ebenfalls unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich der oben mit A, B und C bezeichneten, in der Hitze behandelt. In allen Fällen erwiesen die Elektronenmikroskopie der dünnen Bleche und Diffraktionsversuche die Bildung der gewünschten A M-Phase, die im Beispiel 1 beschrieben ist.

Die in den Beispielen beschriebene anschließende Wärmebehandlung soll den Gegenstand der Erfindung nicht einschränken.

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Claims (1)

1. ^Patentansprüche"

   1, Durch Ausfällen verfestigte Nickel-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 15 bis 22 Gew.=% Chrom, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 5 bis 10 Gew.~% Tantal, Rest Nickel und restliche Verunreinigungen besteht, und daß sie als restliche Verunreinigungen nicht mehr als 20 Gew_o-=$£ Eisen, sticht mehr als
   10 Gew»-% Kobalt und-nicht uaekr als 0„ 15 Gewv~% Kohlenstoff enthält ο

   2« Legierung naeh Anspruch !„dadurch g e k e η
   zeichnet, daß sie aus ©inen* festen Lösung als
   trix' besteht, in vielch.er di© intermetallisch© Phase AM dispergiert ist, wobei M ±m wesentIi©harn aus Tantal und A im wesiQiitlicheii aus Wiekel besteht_o

   3· Legierung nach Anspruch 1 oder 2„dadur©h gekennzeichnet, daß si© 20s4? Gewe-ίΗί Chrom, 5s-₁-Si Molybdän und 9,32- G©w_e-?S Tantal enthält»

   ^lt» Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekeranzei chnet, daß sie insgesamt weniger
   als 1,4 Gew,~% Aluminium und Titan enthält»

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   5« Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis ^,.dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß das Tantal bis zu 50 Gew.-% durch Vanadium ersetzt ist.

   6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch ge kennz eichne t, daß das Molybdän wenigstens teilweise durch Wolfram ersetzt ist.

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