DE2102749A1

DE2102749A1 - Nickel Chrom Eisen Legierung

Info

Publication number: DE2102749A1
Application number: DE19712102749
Authority: DE
Inventors: Michael Kingsthorn Knott Allan Roy Fayre Oaks Hereford Morley (Großbritannien)
Original assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Current assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Priority date: 1970-01-26
Filing date: 1971-01-21
Publication date: 1971-07-29
Also published as: CA947120A; GB1302293A; US3758295A; FR2076968A5; SE360389B; AT312950B

Description

Dipi.-Ing. H. Sauenland · Dr.-lng. R. König

Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf · Cecilienallee 76 -Telefon 43Ξ7 3Ξ

Unsere Akte: 26 418 20, Januar 1971

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank, London, S, W₀ 1 _t Großbritannien

"Nickel-Chrom-Eisen-Legierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, die insbesondere als Knetlegierung zum Herstellen von Teilen geeignet ist, die wie Rotorscheiben von Turbinen einer hohen Belastung bei Temperaturen bis 700°C, beispielsweise bei 550 bis 700⁰C ausgesetzt sind.

Derartige Werkstoffe müssen eine Reihe technologischer Eigenschaften besitzen, die zum Teil kaum nebeneinander erreichbar sind«, Von besonderer Bedeutung ist dabei der große Temperaturunterschied zwischen dem Scheibenmittelpunkt bzw. der Nabe und der Peripherie, Dem Temperaturgradienten entspricht ein entgegengesetzter Belastungsgradient. Die höchste Belastung tritt im Bereich der niedrigen Temperatur an der Nabe auf und umgekehrt. Ein für Rotorscheiben geeigneter Werkstoff muß deshalb eine hohe Kriechfestigkeit bis hin zu den höchsten Betriebstemperaturen aufweisen, um ein Verziehen infolge Kriechens insbesondere an der Peripherie auszuschließen«, Außerdem muß der Werkstoff eine hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit bei mäßigen Temperaturen besitzen, um sicherzustellen, daß hohe Wärmebelastungen nicht zu einem Verziehen oder Bruch unter Belastung führen. Weiterhin muß der Werkstoff eine angemessene Zähigkeit aufweisen und darf nicht kerbempfindlich bei denjenigen Temperaturen sein, denen die Scheiben-

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Peripherie mit ihren tannenbaumartigen Ausnehmungen für die Turbinenschaufeln unterworfen sind_e Schließlich muß der Werkstoff in Anbetracht der Größe und verwickelten Gestalt, beispielsweise einer Turbinenscheibe, gut warmverformbar sein.

Bekannt ist eine verhältnismäßig preiswerte Nickel-Chrom-Eisen-Legierung A mit 0,05% Kohlenstoff, 12,5% Chrom, 42,5% Nickel, 5,7% Molybdän, 2,8% Titan, 0,2% Aluminium, 0,015% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Obgleich diese Legierung eine vorteilhafte Kombination technologischer Eigenschaften aufweist, erfordern die angestrebten Betriebstemperaturen und Belastungsspitzen bei Gasturbinen in zunehmendem Maße Werkstoffe mit höherer Streckgrenze. Dem werden zwar Nickel-Chrom-Legierungen mit höheren Gehalten an Molybdän und Niob gerecht, die jedoch durch den schwerwiegenden Nachteil gekennzeichnet sind, daß sie sich nur unter Schwierigkeiten warmverformen lassen und äußerst schwierig zu bearbeiten sind.

Bekannt ist aus der deutschen Patentschrift 1 132 724 auch bereits eine Legierung mit höherer Streckgrenze und verhältnismäßig guter Warmverformbarkeit und Bearbeitbarkeit, die 0,02 bis 0,1% Kohlenstoff, 11 bis 16% Chrom, 4 bis 7% Molybdän, 0,3 bis 0,8% Niob, 2,0 bis 3,5% Titan, 0,25 bis 0,75% Aluminium, 35 bis 45% Nickel, 0,003 bis 0,02% Bor und 0 bis 0,1% Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen enthält.

Obgleich die Streckgrenze der vorerwähnten Legierung höher liegt als die der oben erwähnten Legierung A hat sich herausgestellt, daß ihre Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit im Temperaturbereich von 650 bis 70O⁰C häufig nicht ausreichend ist.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den vorerwähnten Mangeln abzuhelfen. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Legierung mit verbesserter Zugfestigkeit und Kerbzähigkeit, ohne daß dadurch gleichzeitig auch die Streckgrenze, Warmverformbarkeit und Bearbeitbarkeit beeinträchtigt wird. Die erfindungsgemäße Legierung enthält 0,02 bis 0,1% Kohlenstoff, 10 bis 15% Chrom, 5 bis 7% Molybdän, 3,3 bis 4,5% Titan, 0,2 bis 1,1% Aluminium, 45 bis 55% Nickel, 0,003 bis 0,02% Bor und bis 0,1% Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Zu den wesentlichen Verunreinigungen zählen bei Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen Silizium und Mangan, deren Gehalte je 0,5% nicht überschreiten sollten. Die erfindungsgemäße Legierung kann als Verunreinigungen außerdem noch bis 0,5% Kupfer, bis 1,0% Kobalt und Spuren von Blei und Schwefel enthalten. Es ist jedoch äußerst wichtig, daß die erfindungsgemäße Legierung im wesentlichen frei von Niob und Tantal ist, deren Gesamtgehalt als Verunreinigungen 0,3% nicht übersteigen sollte«,

Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Legierung müssen innerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen liegen. Bei einem Kohlenstoffgehalt unter 0,02% ist die Legierung kerbempfindlich und wird ihre Standzeit durch die Anwesenheit von Kerben beträchtlich herabgesetzt, so daß der Kohlenstoff vorzugsweise 0,03% beträgt. Ein zu hoher Kohlenstoffgehalt führt andererseits zu einer unerwünschten Bildung von Kar-, biden, die beim Erstarren ausseigern und zu anisotropem Verhalten beim Zug- und Zeitstandversuch an Knetlegierungen führen. Der Kohlenstoffgehalt darf daher 0,1% nicht übersteigen und beträgt vorzugsweise 0,08%, besser noch höchstens 0,06%.

Im Hinblick auf eine ausreichende Oxydationsbeständigkeit im Bereich der Betriebstemperaturen muß der Chromgehalt mindestens 10% betragen. Chromgehalte über 15% führen Je-

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doch zu einer Versprödung bei langzeitigem Erhitzen.

Das Molybdän trägt zur Zeitstandfestigkeit der Legierung bei, weswegen diese mindestens 5% Molybdän enthalten muß„ Molybdängehalte über 7% beeinträchtigen jedoch die Verformbarkeit ganz beträchtlich und führen zu einer Versprödung, der Molybdängehalt vorzugsweise 5,4 bis 6,7% beträgt.

Die erfindungsgemäße Legierung muß mindestens 3,3% Titan enthalten, um eine angemes'sene Streckgrenze, Härte und Zeitstandfestigkeit sicherzustellen. Eine Erhöhung des Titangehaltes über 4,5% ergibt jedoch eine unerwünschte Verringerung der Zähigkeit.

Um die Gefahr einer Versprödung auszuschalten, muß die Legierung mindestens 0,2% Aluminium enthalten. Höhere, die Zugdehnung verbessernde Aluminiumgehalte führen jedoch überraschenderweise zu einer Beeinträchtigung der Streckgrenze. Aus diesem Grunde darf der Aluminiumgehalt 1,1% nicht übersteigen und sollte vorzugsweise im Hinblick auf eine hohe Streckgrenze und Zähigkeit 0,5 bis 0,7% betragen.

Die Legierung muß mindestens 45% Nickel enthalten, um eine Gefügeinstabilität und Versprödung beim langzeitigen Erhitzen als Folge der Bildung von Laves-Phasen auszuschließen. Ein zu hoher Nickelgehalt verringert jedoch die Streckgrenze und erhöht zudem die Einsatzkosten unnötig, so daß der Nickelgehalt 55% nicht übersteigen darf.

Bei einer im Hinblick auf ihre Schlagfestigkeit und/oder Streckgrenze bevorzugten und den bekannten Werkstoffen überlegenen Legierung genügen die Gehalte an Titan, Aluminium und Nickel der Beziehung :

0,24 (%Ni) - 6,0 ^ (%Ti) + (%A1) y 0,06 (%Ni) + 1,0.

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Eine hinsichtlich ihrer technologischen Eigenschaften besonders bevorzugte Legierung enthält 0,03 bis 0,08%, vorzugsweise 0,03 bis 0,06% Kohlenstoff, 11 bis 14% Chrom, 5,4 bis 6,7% Molybdän, 3,75 bis 4,1% Titan, 0,5 bis 0,7% Aluminium, 47 bis 52% Nickel und 0,01 bis 0,02% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Um eine optimale Kombination von Streckgrenze und Zugdehnung bei erhöhten Temperaturen zu erreichen, sollte die erfindungsgemäße Legierung lösungsgeglüht und alsdann ein- oder mehrstufig ausgehärtet werden. Dies kann durch ein ein- bis achtstündiges, vorzugsweise zwei- bis vierstündiges Lösungsglühen bei 1040 bis 1100⁰C geschehen. Das einstufige Aushärten kann durch mindestens achtstündiges Glühen bei 700 bis 760⁰C, vorzugsweise 16-stündiges Glühen bei 730⁰C erfolgen. Andererseits kann die Legierung jedoch auch zweistufig ausgehärtet werden, und zwar durch ein mehr als einstündiges Glühen bei 740 bis 780⁰C mit einem sich anschließenden mindestens achtstündigen Glühen bei 675 bis 720⁰C, Besonders geeignet ist ein 20-stündiges Glühen bei 775°C und ein anschließendes 16-stündiges Glühen bei 700⁰C. Die Legierung wird nach dem lösungsglühen vorzugsweise rasch abgekühlt, beispielsweise in Wasser abgeschreckt, während das Kühlen zwischen den beiden Glühstufen des Aushärtens in Luft erfolgen sollte.

Die erfindungsgemäße Legierung ist nach einem zweistündigen Lösungsglühen bei 1095⁰C, Wasserabschrecken, 20-stündigem Aushärten bei 775°¹C, anschließendem Luftabkühlen und 16-stündigem Aushärten bei 700⁰C sowie abschließendem Abkühlen in Luft durch eine Streckgrenze von 98 kg/mm bei 600⁰C, eine Zugdehnung von mindestens 14% und eine Standzeit von 100 Stunden bei einer Belastung von 69 kg/mm und 650⁰C gekennzeichnet. Außerdem läßt sich die Legierung ausgezeichnet warmverformen, so daß sie gewalzt, geschmie-

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det, stranggepreßt sowie kaltgewalzt, gezogen und geschmiedet werden kann.

Um die hervorragenden technologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung darzutun, wurden Vergleichsversuche angestellt, bei denen drei Legierungen A, B und 1 an Luft erschmolzen und vakuumgefeint wurden, im Falle der Legierungen A und B nach dem Elektroschlacke-Verfahren. Die Gußblöcke wurden zu Platinen geschmiedet, aus denen Rohlinge für Rotorscheiben mit einem Durchmesser von 35,6 mm sowie einem mittigen Loch von einem Durchmesser von 7,6 mm hergestellt wurden. Nach einer Wärmebehandlung zum Entwickeln optimaler Zugeigenschaften, wurden die Rohlinge unterteilt und Probekörper aus vergleichbarer benachbarter bzw. tangentialer Lage in bezug auf die mittige Ausnehmung herausgearbeitet.

Die Versuchslegierung A besaß die oben erwähnte Zusammensetzung, während die Legierung B die bevorzugte Zusammensetzung nach der deutschen Auslegeschrift 1 132 724 besaß und 0,04% Kohlenstoff, 12,5% Chrom, 42,5% Nickel, 5,75% Molybdän, 3,0% Titan, 0,4% Aluminium, 0,55% Niob und 0,015% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen einschließlich 0,2% Silizium und unter 0,1% Mangan Eisen enthielt. Die Legierung 1 entspricht einer bevorzugten Zusammensetzung nach der Erfindung und enthielt 0,03% Kohlenstoff, 12,5% Chrom, 3,9% Titan, 0,6% Aluminium, 49% Nickel, 6,0% Molybdän, 0,015% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Die Legierung A wurde einer üblichen Wärmebehandlung unterworfen, die aus einem zweistündigen Lösungsglühen bei 1O95°C, Wasserabschrecken und zweistündigem Aushärten bei 775⁰C sowie einem 24-stündigen Glühen bei 7O5°C mit jeweiligem Abkühlen in Luft bestände Die Legierung B wurde vier Stunden bei 1060⁰C lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und alsdann 16 Stunden bei 730⁰C ausgehärtet

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und dann in Luft abgekühlt. Die Legierung 1 wurde 2 Stunden bei 1095⁰C lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt, 20 Stunden bei 775 C ausgehärtet, in Luft abgekühlt, dann 16 Stunden bei 70O⁰C ausgehärtet und wiederum in Luft abgekühlt.

Die Ergebnisse der Vergleichsversuche sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

	Versuchstem	0,1-Streck	0,2-Streck	Zugfe	Deh
Legie	peratur	grenze	grenze	stigkeit	nung
rung	(°c)	(kg/mm )	(kg/mm )	(kg/mm )	(tf)
	575	78,7	81,9	100,8	17
A	575	83,5	88,2	116,5	23
B	600	97,6	102,4	130,7	14
1	650	94,5	99,2	124,4	17
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Die vorteilhafte Wirkung höherer Titan- und Nickelgehalte auf das Zugverhalten bei der Legierung 1 ist insofern überraschend, als von der Theorie her zu erwarten war, daß ein höherer Nickelgehalt die Streckgrenze und der höhere Titangehalt die Duktilität beeinträchtigt.

Wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaftskombination eignet sich die erfindungsgemäße Legierung als Werkstoff für Gegenstände, die wie Rotorscheiben von Turbinen eine hohe Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, eine hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit bei mäßigen Temperaturen, eine hohe Duktilität und geringe Kerbempfindlichkeit bei hohen Temperaturen sowie eine gute Verform- und Bearbeitbarkeit besitzen müssen.

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Claims

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 1, Großbritannien Patentansprüche:

1. Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hoher Warmfestigkeit, bestehend aus 0,02 bis 0,1% Kohlenstoff, 10 bis 15% Chrom, 5 bis 7% Molybdän, 3,3 bis 4,5% Titan, 0,2 bis 1,1% Aluminium, 45 bis 55% Nickel und 0,003 bis 0,02% Bor, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch zusätzlich noch bis 0,1% Zirkonium enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Gehalte an Titan, Aluminium und Nickel der Bedingung:

0,24 (JiNi) - 6,0 -p- (%Ti) + (%A1) ^ 0,06 (%Ni) + 1,0 genügen.

4. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0,03 bis 0,08% Kohlenstoff, 11 bis 14% Chrom, 5,4 bis 6,7% Molybdän, 3,75 bis 4,1% Titan, 0,5 bis 0,7% Aluminium, 47 bis 52% Nickel und 0,01 bis 0,02% Bor enthält.

5. Legierung nach Anspruch 4, die jedoch 0,03% Kohlenstoff, · 12,5% Chrom, 3,9% Titan, 0,6% Aluminium, 49% Nickel, 6,0% Molybdän und 0,015% Bor enthält.

6. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Werkstoff für Teile, die wie Rotorscheiben von Turbinen, bis 700⁰C eine hohe Kriechfestigkeit, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Duktilität, Kerbfestigkeit sowie eine gute Warmverformbarkeit und Bearbeitbarkeit besitzen müssen,

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