DE2060206B2 - Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper - Google Patents
Hochwarmfester anisotrop erstarrter GußkörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf hochwarmfeste anisotrop erstarrte Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen
Ausscheidungen, bei denen eutektische Phasen gleichgerichtet faserförmig verfestigt vorliegen.
Es ist bekannt, daß sich aus binären Legierungssystemen unter geeignet gerichteten Gießbedingungen
anisotrope Gußkörper herstellen lassen, wobei die eine eutektische Phase gleichgerichtet faserförmig in
der anderen ausgeschieden ist. Es ist ferner bekannt, daß sich solche Gußkörper in gleicher Weise durch
gerichtete Erstarrung ternärer Systeme herstellen lassen, und daß in solcher Weise gerichtet erstarrte Gußkörper
besonders vorteilhaft als hochwarmfeste Bauteile für Gasturbinen gefertigt werden können.
Bekanntermaßen haben jedoch die bisher gebräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Gußkörpern
durch gerichtete Erstarrung binärer und ternärer Legierungssysteme eutektischer Zusammensetzung den
Nachteil, daß die dabei resultierenden Gußkörper in ihren Eigenschaften nur begrenzt den vorgesehenen
Anwendungszwecken angepaßt werden können, so daß sie für viele Zwecke nicht die erwünschten optimalen
Eigenschaften aufweisen. Für ein gegebenes System liegen bei dessen eutektischer Zusammensetzung
der Volumenanteil und die chemische Zusammensetzung der entsprechenden Phasen fest und sind
unveränderlich, weil der Gleichgewichtszustand invariabel ist. Es sind während des Erstarrens im Gleichgewichtszustand
infolgedessen keine wesentlichen Variationen der Volumenanteile oder der chemischen
Zusammensetzung der Phasen möglich, und daher gibt es nur relativ wenige solcher Legierungen, die
die für bestimmte Anwendungszwecke erforderlichen Merkmale oder Eigenschaften aufweisen, insbesondere,
wenn es auf mehrere verschiedene physikalische und/oder chemische Eigenschaften für den bestimmten
Anwendungszweck ankommt. In eutektischen Systemen ist die Anzahl der sich aus einer Schmelze abscheidenden
Feststoffe η - 1, wobei η die Zahl der
Bestandteile des Systems bezeichnet. Die monovarianten eutektischen Systeme bieten zwar, verglichen
mit invarianten eutektischen Legierungssystemen relativ mehr Möglichkeiten, unter denen Zusammensetzungen
ausgewählt werden können, die den vorgese-
henen Anwendungszwecken genügen. Aber man hat auch bei monovarianten Systemen nur eine einzige
Möglichkeit, längs der zum eutektischen Punkt führenden Erstarrungskurve im Pha*endiagramm, die
chemische Zusammensetzung und die Morphologie sowie die Volumenanteile der Phasen zu verändern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anisotrop erstarrte Gußkörper mit gerichteten faserförmigen
Ausscheidungen der angegebenen Art zu schaf-
1S fen, die sich in ihren Eigenschaften vielseitiger als
bisher möglich dem vorgesehenen Anwendungszweck anpassen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch hochwarmfeste anisotrop erstarrte Gußkörper, die
ausgerichtete fasenförmige Carbidausscheidungen der Summenformel M7C3 aufweisen, mit der Schmelzanalyse
1. 41% Chrom, 2,4% Kohlenstoff sowie 10% Nickel und/oder 1,5 % Aluminium, Rest Kobalt
(mit M = Chrom, Nickel und/oder Kobalt) oder
2. 36 % Chrom, 10 % Kobalt, 1,5 % Kohlenstoff, Rest Nickel (mit M = Chrom, Nickel und/oder
Kobalt) oder
3. 35% Chrom, 20% Nickel, 1% Kohlenstoff, Rest Eisen (mit M = Chrom).
Die erfindungsgemäßen Gußkörper haben ausgerichtete polyphasige Struktur, die aus quaternären
oder höheren Legierungssystemen gebildet ist, bei denen eutektische Systeme mit mehreren Freiheitsgraden
gleichgerichtet, faserförmig oder blättchenförmig ausgeschieden sind. Die erfindungsgemäßen Gußkörper
können dementsprechend «wesentlich vielseitiger den verschiedenen Verwendungszwecken optimal angepaßt
werden, da sie gegenüber den invarianten und monovarianten Systemen im Hinblick auf die Volumenanteile
und chemischen Zusammensetzungen der Phasenausscheidungen vielseitiger veränderbar, d.h.
multivariant, sind.
An Hand der Zeichnung sind die erfindungsgemäßen
Gußkörper näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Mikrophotographie der einen erfindungsgemäßen
Ausführungsform auf Kobalt-Basis, die Nickel, Chrom und Kohlenstoff enthält, und die
ausgerichtet erstarrt ist, und
F i g. 2 ein Schmelzschaubild eines quaternären Systems, das das Erstarren der Legierung gemäß der Reaktion
L -» a + β veranschaulicht.
Das Verfahren, mit dem die gerichtete Erstarrung durchgeführt wird, ist dem bei invarianten und monovarianten
Eutektika < »nutzten gleich; dabei können gleichzeitig zwei oder mehr feste Phasen aus der
flüssigen Phase zum Erstarren kommen. Es kann dabei unter solchen Bedingungen gearbeitet werden, daß
die Erstarrungsgeschwindigkeiten im Bereich von 2 bis 20 cm pro Stunde liegen.
In Fig. 1 ist an der einen erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der Schmelzanalyse 41 % Chrom,
10 % Nickel, 2,4 % Kohlenstoff, Rest Kobalt, bei der zur Ausbildung der gewünschten anisotropen mehrphasigen
gerichteten Ausscheidungen eine Abscheidung zweier fester Phasen aus der Schmelze erfolgt,
die Struktur eines erfindungsgemäßen Gußkörpers veranschaulicht. Das Legierungssystem wurde mit e:-
ner Stundengeschwindigkeit von etwa H) cm in einer Richtung verfestigt. Die Erstarrung erfolgte in makroskopisch
ebener Fronterstarrung, und es bildete sich die in Fig. 1 wiedergegebene gerichtete Mikrostruktur
mit einer Matrixphase aus im wesentlichen Kobalt, Chrom, Nickel und Kohlenstoff in fester Lösung
und einer Verstärkungsphase aus einem Carbid vom Typ M7C3, wobei M für Chrom, Kobalt und/oder
Nickel steht.
Fig. 2 ist ein Schmelzschaubild eines hypothetischen quaternären Systems ABCD, wobei A, B, C
und D die Bestandteile des Legierungssystems bedeuten. Die binären Zusammensetzungen AC, BC und
CD bilden die Eutektika E1, E2 und E3; die entsprechenden
Schmelztemperaturen sind in der Reihenfolge El>E2>E3 gelugen. Die Systeme zwischen A,
B und D bilden eine kontinuierliche Reihe fester Lösungen. Die Flächen des Tetraeders geben in Schichtliniendarstellung
die Flächen der ternären Systeme ACD, ABD und BCD wieder. Auf der /4ßD-Fläche
des Tetraeders sind keine Ausscheidungsreaktionen zu sehen; es handelt sich hier um ein isomorphes System.
Die binären Eutektika E1, E2 und E3 erstarren bei
der gerichteten Erstarrung normalerweise bei einer bestimmten Zusammensetzung und einer bestimmten
Temperatur unter Bildung anisotroper Strukturen. Damit vergleichbar geben die Linien E1E2, E1E3 und
E2E3 in Fig. 2 Rinnen monovarianter eutektischer
Zusammensetzungen, und die längs dieser Linien gelegenen Zusammensetzungen- die Endpunkte ausgenommen
- vermögen gerichtet zu erstarren und anisotrope polyphasige Strukturen zu bilden.
Die Fläche E1E2E3 (Liquidusfläche) - die Endlinien
und Endpunkte ausgenommen - ist in dem hier beschriebenen System der geometrische Ort für die
davon umschlossenen Zusammensetzungen. Eine Legierung auf dieser Fläche, die der Zusammensetzung
I4 entspricht, bildet bei Beginn des Erstarrens gleichzeitig
die Festkörper a4 und /34. Die Zusammensetzung
der Schmelze verschiebt sich iängs der Linie I4
bis I5, während die im Gleichgewicht stehenden Zusammensetzungen
der auskristallisierenden festen Phasen sich Iängs den Linien a4 bis a5 bzw. ß4 bis
ß5 verschieben. Bei I5 angelangt erstarrt die restliche
Schmelze unter Bildung der festen Phasen a5 und ß5.
So entstehen aus der Schmelze gleichzeitig zwei feste Phasen durch die Reaktion L ->
α + β unter nichtisothermen Bedingungen.
Nach der Phasenregel müssen bei vorgegebenem Druck für ein quatenäres System zwei unabhängige
Veränderliche ausgewählt werden, wenn man den Zustand des Systems festlegen will. Die Konzentration
von zwei Bestandteilen oder die Konzentration eines Bestandteils und die Temperatur können zur Abgrenzung
der Liquidusfläche benutzt werden. In einem quinären System ergeben drei unabhängige Veränderliche
für die Reaktionen L -»a + β einen räumlichen
Liquidusbereich, während die unter nichtiso-
thermen Bedingungen ablaufende Reaktion, die mit der Gleichung L — a + β + y wiedergegeben werden
kann, eine Liquidusfläche veranschaulichen würde. Demgemäß sind die zu erfindungsgemäßen Gaßstükken
erstarrenden Zusammensetzungen solche, die durch Liquidusflächen (quaternäre Systeme) oder
durch räumliche Liquidus-Bereiche (Systeme höherer Ordnung) abgegrenzt sind, wobei die Grenzzusammensetzungen
im Falle der quaternären Systeme eine Ausnahme bilden.
In gleicher Weise wie die im Zusammenhang mit Fig. 1 veranschaulichte Legierung wurden Legierungssysteme
der Zusammensetzungen 41 % Chrom, 2,4% Kohlenstoff, 1,5% Aluminium, Rest Kobalt,
bzw. 41 % Chrom, 2,4 % Kohlenstoff, 1,5 % Aluminium,
10 % Nickel, Rest Kobalt unter den gerichteten Erstarrungsbedingungen zu erfindungsgemäßen
Gußkorpern verarbeitet, dertn Gefüge ein ähnliches Aussehen wie in Fig. 1 zeigen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eras gibt sich aus einer Legierung der Schmelzzusammensetzung 43 % Eisen, 35 % Chrom, 20 % Nickel und 2 % Kohlenstoff, die mit einer Stundengeschwindigkeit von 8 cm gerichtet zum Erstarren gebracht wurde. Dieser Gußkörper zeigt eine ausgerichtete Mikro-
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eras gibt sich aus einer Legierung der Schmelzzusammensetzung 43 % Eisen, 35 % Chrom, 20 % Nickel und 2 % Kohlenstoff, die mit einer Stundengeschwindigkeit von 8 cm gerichtet zum Erstarren gebracht wurde. Dieser Gußkörper zeigt eine ausgerichtete Mikro-
struktur mit einer ausgerichteten aus dem Cr7C3-Carbid
bestehenden Phase, eingebettet in eine Matrix-Phase, die aus einer festen Lösung von Eisen, Nickel
und Chrom bestand. Die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform beruht auf einer Legierung auf Nik-
kelbasis mit der Schmelzzusammensetzung 36 % Chrom, 10 % Kobalt, 1,5 % Kohlenstoff, Rest Nickel
und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Das Gefügebild des daraus hergestellten Gußkörpers entspricht
etwa dem in Fig. 1 dargestellten.
Erfindungsgemäße Gußkörper lassen sich besonders vorteilhaft verwenden für Gasturbinentriebwerke,
die hohen Temperaturen ausgesetzt sind und von denen besonders gute Festigkeitseigenschaften
verlangt werden. Sie weisen nicht nur eine gute Beständigkeit bei solchen hohen Temperaturen auf, sondern
zeigen ebenfalls gute Oxydationsbeständigkeit und Widerstand gegen sonstige korrodierende Einflüsse;
sie sind gegen Schwefeleinwirkungen beständig und vermögen plötzlichen Temperaturänderungen zu
widerstehen. Außerdem sind, bedingt durch die Herstellung der Gußkörper mit beständigen, da im
Gleichgewicht befindlichen festen Phasen, die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Gußkörper
auch in hohen Temperaturbereichen ausgezeichnet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen
der Summenformel M7C3, wobei M Chrom oder eine Mischung aus Chrom, Nickel
und/oder Kobalt bedeutet, mit der Schmelzanalyse 41 % Chrom, 2,4 % Kohlenstoff sowie lü %
Nickel und/oder 1,5 % Aluminium, Rest Kobalt.
2. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen
der Summenformel M7C3, wobei M Chrom oder eine Mischung aus Chrom, Nickel
und/oder Kobalt bedeutet, mit der Schmelzanalyse 36% Chrom, 10% Kobalt, 1,5% Kohlenstoff,
Rest Nickel.
3. Hochwarmfester anisotrop erstarrter Gußkörper mit ausgerichteten fadenförmigen Carbidausscheidungen
der Summenformel Cr7C3 mit der
Schmelzanalyse 35 % Chrom, 20 % Nickel, 2 % Kohlenstoff, Rest Eisen.
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