DE2142041A1

DE2142041A1 - Legierungen auf Kobalt-Basis

Info

Publication number: DE2142041A1
Application number: DE19712142041
Authority: DE
Inventors: Michael Albert Pike High Wycombe Buckinghamshire Dewey (Großbritannien)
Original assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Current assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Priority date: 1970-08-24
Filing date: 1971-08-21
Publication date: 1972-03-02
Also published as: GB1302934A; FR2105978A5; US3718461A; BE771657A

Description

Fulmer Research Institute Limited, Stoke Poget, "Slough SL 2 4 QD. Buckinghamshire (England)

Legierungen auf Kobalt-Basis

Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen auf Kobalt-Basis, welche nicht nur eine hohe mechanische Festigkeit bis zu Temperaturen von 900 C, sondern außerdem gegenüber Oxydation und Hitze-Korrosion eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit aufweisen.

Legierungen auf der Grundlage eines Kobalt- oder Nickel-Gefüges sind bekannt; einige von ihnen genießen den Ruf einer Superlegierung, weil sie für Bauteile verwendet werden, die.unter sehr hohen Temperaturen arbeiten müssen, wie beispielsweise in Gasturbinen. Bei diesen Kobalt- bzw. Nickelgefüge-Legierungen unterscheidet man folgende zwei Arten:

1. Kobalt- oder Nickel-Legierungen mit einem Chrom-Zusatz zwischen 20 und 30 % zur Erzielung einer Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation und Hitze-Korrosion. Ferner können als weitere

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Lecierunc|Ezusätze Tungsten, Mangan, Silizium, Mclybdän, Eisen und Kohlenstoff zuc;ei;et2't werden, um cos Gefüge zu verfestigen und die tic .htempera— tur-Eicenschaften zu verbessern. SoIcJ e Legierungen wie beispielsweise die unter der Handelsbezeichnung Stellite 31 bekannte Kobalt-Legierung weisen gegenüber Oxydation und Hitze-Korrosion eine hohe Resistenz auf, besitzen aber den Nachteil, bei Raum- und mittleren Temperaturen nur eine mäßige Festigkeit zu besitzei .

2. Kobalt- oder Nickel-Legierungen, bei ienen der Chrom-Zusatz auf etwa 20 % begrenzt ist, die jedoch zusätzlich bis zu 6 % von einer? oder mehreren der Elemente Aluminium, Titan, Tantal und/oder Niob enthalten, damit die Legierung durch Beschleunigung der intermetallischen Bindungen gefestigt wird. Diese Legierungen, für die eine unter der Handelsbezeichnung Nirnonic 90 bekannte Nickel—Legierung ein typisches Beispiel ist, vereinigen mäßige Resistanz gegenüber Oxydation und Hitze-Korrosion mit hoher Festigkeit bei Raum- und mittleren Temperaturen.

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß noch keine Legierung auf Kobalt- oder Nickel-Basis bekannt ist, welche die optimalen Eigenschaften dieser beiden Legierungsarten in sich vereinigt, d.h. hohe Festigkeit sowohl bei Raum- als auch bei hohen Temperaturen, und hohe Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation und Hitze-. korrosion, beispielsweise gegen Halogenide.

Erfindungsgemäß wird daher eine Reihe von Legierungen auf Kobalt—Basis vorgeschlagen, welche in vorteilhafter

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Weise alle diese günstigen Eigenschaften gleichzeitig in sich vereinigen.

Diese Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß außer einem Gewichtsanteil~von mindestens 45 % Kobalt einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen folgende Zusätze in Gewichtsprozenten vorhanden sind:

Kohlenstoff 0,01 bis 0,10 %

Chrom 15,0 bis 3 5,0 %,

Tungsten 5,0 bis 15,0 %,

Aluminium 5,0 bis 12,0 %,

Mangan 0,05 bis 2,0 %,

Eisen 0 bis 15 %,

Nickel 0 bis 15 %.

Hierbei liegt der Chrom-Gehalt vorzugsweise zwischen 18 und 22 % oder zwischen 28 und 32 %, der Tunasten-Gehalt vorzugsweise zwischen 5,0 und 10,0 %, und der Aluminium-Gehalt vorzugsweise zwischen 6,0 und 12,0 %, insbesondere zwischen 6,5 und 8,0 %.

Es wird angenommen, daß diese Legierungen ihre vorteilhaften Eigenschaften der Anwesenheit des Elementes Aluminium verdanken, welches durch Beschleunigung der intermetallischen Bindungen das Gefüge · verfestigt und außerdem die'hohe Resistenz gegenüber Oxydation und Hitze-Korrosion bewirkt. Außerdem verleiht Aluminium allein bzw. Aluminium und Tungsten gemei.nsam den Legierungen eine bestimmte Härte. Die Gründe für die guten Eigenschaften sind in der Feinstruktur des Korns dieser Legierung und in der innigen Mischung der Kobalt-Partikel zu sehen, welche die Elemente Chrom, Tungsten, Mangan, Aluminium, und, falls vorhanden, Eisen und Nickel, in fester Lösung enthalten. Ein weiterer

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Grund ist, daß das Korn und die Partikel der Verbindung CoAl nach einem Zentral-Würfel geordnet sind und ebenfalls in felter Lösung die Elemente Chrom, Tür.φ ten, Mangan, Eisen und Nickel enthalten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer einzigen Zeichnung näher erläutert.

Nachfolgend werden einige Legierungen unters .-friedlicher Zusammensetzung beschrieben, welche zu ihrer Unterscheidung mit den Buchstaben A bis F bezeichnet werden. Sämtliche beschriebenen Legierungen besitzen eine Kobalt-Basis einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen. Hierzu sei bemerkt, daß die mit E bezeichnete Legierung nicht die in den Rahmen der Erfindung fallenden Eigenschaften aufweist, weil bei dieser Legierung das Element Tungsten fehlt. (Ein Aluminium-Anteil von weniger als 5 % hat ähnlich nachteilige Wirkungen).

LEGIERUNG A %

Kohlenstoff 0,01

Chrom 20,1

Tungsten 7,5

Eisen 8,2

Nickel 10,3

Mangan "0,5

Aluminium 6,0

LEGIERUNG B %

Kohlenstoff C,02

Chrom 20,2

Tungsten 7,3

Eisen 7,9

Nickel 9,9

Mangan 0,45

Aluminium 7,1

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LEGIERUNG C

Kohlenstoff 0,02

Chrom 19,9 Tungsten 7,45

Mangan 1,

Aluminium 7,0

LEGIERUNG D %

Kohlenstoff Chrom Tungsten Mangan Aluminium

LEGIERUNG E Kohlenstoff Chrom Eisen Nickel Mangan Aluminium

LEGIERUNG F

Kohlenstoff Chrom Tungsten Eisen Nickel Mangan Aluminium

Aus diesen vorstehend aufgeführten Legierungen wurden auf herkömmliche Weise Blöcke erstellt, mit denen wie folgt verfahren wurde:

o,	02
20,	0
7,	4
1,	45
7,	9
JL
o,	04
19,	7
8,	1
9,	8
1,	5
5,	4
JL
o,	04
19,	7
7,	45
8,	3
10,	1
1,	4
6,	6

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Das Erschmelzen und Legieren wurde in einem induktionsbeheizten Vakuumofen durchgeführt. Bei einer Schrrelztemperatur von 1550 ° C wurden die Legierungen in Stahlformen zu Blöcken von 50 mm Durchmesser gecossen. Anschließend wurden diese Blöcke bei 13C0 ° C zu Stangen von 12,5 mm Durchmesser gepreßt. Von diesen Stangen wurden Proben entnommen und einer Wärmebehandlung unterzogen, in deren Verlauf zunächst eine Temperatur von 1250 ° C erreicht, danach auf Raumtemperatur abgekühlt, anschließend wieder auf Temperaturen zwischen 7' C und 980 ° C erhitzt wurde, worauf sich eine Alterungszeit zwischen einer und neunzig Stunden anschloß. Die so behandelten Legierungen wurden auf Resistenz gegenüber Oxydation bei Temperaturen bis mindestens 1000 ° C geprüft und mit den handelsüblichen Legierungen Stellite 31 und Nimonic 90 verglichen, welche beide wegen ihrer guten Oxydations-Resistenz bei hohen Temperaturen gern verwendet werden. Die Nennwerte der Zusammensetzung dieser Legierungen Stellite 31 und Nimonic 90 sind folgende:

Stellite 31

Kohlenstoff 0,45 - C,60 %

Chrom 23,0 - 28.0%

Nickel 9,0 - 12,0 %

Tungsten 6,0 - 9,0 %

Eisen max. 2,00 % Rest: Kobalt

Nimonic 90

Kohlenstoff max. 0,13

Silizium max. 1,5

Eisen max. 3,0

Mangan max. 1,0

Chrom 18,0 - 21,0

Titan 1,8-3,0

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Aluminium Kobalt Rest: Nickel

0,8 - 2,0 15,0 - 21,0

Zur Prüfung auf Oxydation bei hohen Temperaturen wurden die zylindrischen Proben, deren Gewicht bekannt war, 25 Stunden lang in Luft auf 1000 ^c C erhitzt, anschließend aus dem Ofen entnommen und zur Abkühlung bis auf Raumtemperatur abgelegt. Anschließend wurde die auf jeder Probe entstandene Oxydschicht auf vorhandene Abspaltungen untersucht und jede Pr^be gewogen. Diese Folge von Prüfschritten wurde viermal wiederholt, so daß die Proben nach dieser Prüfung insgesamt eine Oxydationszeit von 100 Stunden hinter sich hatten. Die so behandelten Proben wurden zertrennt, metallographisch untersucht und die Eindringtiefe der inneren Oxydation gemessen. Folgende Resultate wurden erzieltJ

TABELLE I

Legierung	3ewichts-Abnah- ne 2 ng/cm /hr	Innere Oxydation	Art
A B C D Stellite31 Nimonic 9C	-0,C02 +0,010 +0,014 +0,015 -0,22 -0,137	Tiefe J*	(Vorzugsweise ein- (heitlich; ( (Oxydation (von (CoAl-Partikeln '■ ( ( Kornzwischenräume Il
50 50 50 35 50' 50

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Zusätzlich zu ihrer besseren Resistenz gegenüber Oxydation, die sich in geringeren Gewichtsabnahme-Werten nach Tabelle I niederschlägt, besitzen die erfindungsgemäßen Legierungen auch noch den Vorteil, daß diese Oxydation einheitlich auftritt, ohne die Korngrenzen zu bevorzugen. Demgegenüber tritt bei den bekannten Legierungen Stellite 31 und Nimonic 9J eine Zwischenkorn-Oxydation auf, welche deren mechanische Eigenschaften nach der Oxydation nachteilig beeinflußt.

Außerdem wurden an der Legierung D im Vergleich mit dem bekannten Stellite 31 'Vergleichsprüfungen zur Bestimmung der Widerstandsfähigkeit gegenüber der als Sulphidation bekannten Hochtemperatur-Korrosion durchgeführt,· bei dieser Korrosionsart wird das Metall durch eine Kombination von Chlorid- und Sulphat-Ionen angegriffen. Bisher war die bekannte Legierung Stellite 31 als die auf dem Markt befindliche Legierung mit der besten Widerstandsfähigkeit gegenüber der Sulphidation bekannt. Diese Prüfungen wurden in einer besonderen Anlage ausgeführt, welche geeignet ist, die Betriebsbedingungen in einer Gasturbine zu simulieren. Während dieser Prüfung wurden zylindrische Probestäbe mit bekanntem Gewicht bei einer Temperatur von 870 ° C schnelllaufend rotiert, während gleichzeitig vier Teile eines synthetischen Meersalzes DEF 1053 auf eine Million Teile der in den Brenner eingeblasenen Luft zugesetzt. Sechs Probestücke jeder Legierung wurden geprüft und nach und nach in Abständen von jeweils 20 Stunden entnommen, metallographisch aufgeschnitten und auf die Eindringtiefe der Korrosion gemessen. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind graphisch in der beiliegenden Zeichnung aufgetragen, wobei die Eindringtiefe von der Oberfläche her als Funktion der Zeit aufgetragen ist. Die Kurven weisen nach, daß die Legierung D eine viel bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber dieser Form der Korrosion besitzt als Stellite 31.

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Schließlich wurden Prüfungen zum Vergleich der Dehnungseigenschaften der Legierungen A bis D gegenüber den Legierungen Stellite 31 und Nimonic 90 durchgeführt, deren Ergebnisse in den Tabellen II und III zusammengestellt wurden.

TABELLE II

Legierung	Behandlung zur Alterunq	0,1 % Prüfdeh nung bei (kp/mm )	max. Zug festigkeit (kp/mm )	Dehnung (%)
A	1 h 900⁰C	81,7	120,0	8
B	1 h 900⁰C	86,2	120,0	8
C	1 h 900⁰C	105,2	135,0	13
C	20 h 800⁰C	118,0	135,0	4
D	8 h 980⁰C	120,0	138,0	5,5
Stellite 31	wie gegossen	51,8	79,1	8
Stellite 31	50 h 737°C	72,1	89,5	2
Nimonic 90	16 h 700⁰C	80,0	127,2	27

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TABELLE III

Legierung	Behandlung zur Alterung	Prüftempe ratur ⁰C	0,1 % Prüf- dehnunq bei (kp/mm )	max. Zu.j- festiqkeit (kp/mm ι	Dehnung (%)
A	1 h 900⁰C	800	32,2	37,7	37
B	1 h 900⁰C	800	37,7	40,8	25
C	1 h 9ÜO°C	800	37,7	44,0	55
C	20 h 800⁰C	800	48,7	51,3	10
C	20 h 800⁰C	750	66,9	75,6	21
C	20 h 800⁰C	700	78,8	99,0	14
D	8 h 980⁰C	800	48,7	51,8	42
Stellite 31	wie gegossen	818	— ""	42,4	16
Steinte 3:	50 h 737°C	818	29,1	42,4	10
Nimonic 90	16 h 700⁰C	700	69,2	99,0	10
Nimonic 90	16 h 700⁰C	800	55,0	70,8	10

In der nachfolgenden Tabelle IV ist der Einfluß der Kombination von Al und W auf die Härte dargestellt.

TABELLE IV.

	Max. Härte in VPN-Einheiten, gealtert bei 900° C
Legie rung E Legie rung F	305 •155

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Die in den vorstellenden Tabellen aufgeführten Ergebnisse lassen erkennen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen in ihren mechanischen Eigenschaften dem Nimonic 90 etwa gleichwertig und dem Stellite 31 überlegen sind, und daß außerdem die erfindungsgemäßen Legierungen in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation sowohl dem Nimonic 90 als auch dem Stellite 31 überlegen sind, und daß ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion besser ist als die von Stellite

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Claims

Ansprüche

1. Legierung auf einer Kobalt-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem Gewichtsanteil von mindestens 45 % Kobalt einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen folgende Zusätze in Gewichts-Prozenten vorhanden sind;

Kohlenstoff 0,01 bis 0,10 %

Chrom 15,0 bis 35,0 %

Tungsten 5,0 bis 15,C %

Aluminium 5,0 bis 12,0 %

Mangan 0,05 bis 2,0 %

Eisen 0 bis 15 %

Nickel 0 bis 15 %

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darin 18,0 bis 22,0 % Chrom enthalten sind.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darin 28,0 bis 32,0 % Chrom enthalten sind.

4. Legierung nach mindestens einem der Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß darin 5,0 bis 10,0 % Tungsten enthalten sind.

5. Legierung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß darin 6,5 bis 8,0 % Aluminium enthalten.sind.

6. Legierung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in Form eines Metallkörpers vorhanden ist.

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