DE2154126C2

DE2154126C2 - "Verwendung einer austenitischen Nickel-Legierung als gegen Schwefelsäure widerstandsfähiger Werkstoff"

Info

Publication number: DE2154126C2
Application number: DE2154126A
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Oconomowoc Wis. Johnson
Original assignee: Chas S Lewis & Co Inc St Louis Mo Us
Current assignee: Chas S Lewis & Co Inc St Louis Mo Us
Priority date: 1970-10-29
Filing date: 1971-10-29
Publication date: 1982-03-18
Also published as: CA947999A; GB1352893A; DE2154126A1; US3758296A

Description

Festigkeit fehlt. So wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Legierung auf Nickelbasis mit 32% Chrom, ungefähr 6% Kobalt und ungefähr bis 3% Mangan verwendet, die nicht zu brüchig ist, eine befriedigende Festigkeit und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit der hier in Frage kommenden Art hat.

Eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird durch einen bestimmten Kupfergehalt erreicht, über 8% Kupfer wird das Material zu warmbrüchig bzw. warmrissig, während 2,5 bis 3% Kupfer die Korrosionsbeständigkeit verbessern ohne daß das Material zu warmbrüchig wird. Der Kupfergehalt sollte im unteren Bereich der angegebenen Werte liegen.

Auch 4 bis 5,25% Molybdän erhöhen die Korrosionsbeständigkeit Größere Mengen führen unter Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit aus der Austenit- in die Ferritphase. Legierungen mit ungefähr 4% Molybdän sind erwünscht. Es ist damit die Verwendung von Legierungen höheren Chromgehalts anstatt hohen Gehalts an teurem Molybdän möglich geworden.

Mit besonderem Vorteil werden Legierungen verwendet, in denen ein Teil des Nickels durch Eisen ersetzt ist, insbesondere mit 10 bis 25% Eisen. Dies hat neben dem Vorteil der Kostensenkung zudem eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit zur Folge.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Lisen anstelle eines Teils des Nickels besteht darin, daß die weniger teuren Ferrolegierungen von Chrom, Molybdän und dergleichen anstelle der reinen Metalle verwendet werden können. Molybdän kann beispielsweise als Ferromolybdän, Bor als Ferrobor, Silizium als Ferrosilizium, Chrom als Ferrochrom usw. eingesetzt werden.

Die nachfolgende Tabelle I zeigt Beispiele von erfindungsgemäß verwendeten Legierungen.

Tabelle I

6002

6003

6Π05

6439

	F	48,4	38,4
Ni	A	45,30	35,40
	F	32,00	32,00
Cr	A	32,82	32,82
	F	4,00	4,00
Mo	A	5,00	5,00
	F	6,00	6,00
Co	A	6,12	7,32
	F	3,00	3,00
Cu	A	2,85	3,10
	F	3,00	3,00
Mn	A	1,28	1,48
	F	0,05	0,05
C	A	0,17	0,21
	F	Nil	10,00
Fe	A	2,82	10,90
	F	3,50	3,50
Si	A	3,47	3,60
	F	0,05	0,05
B	A	0.02	0,02
F =	Formel	des Gemischs.
Λ =	Analyse	der Legierung.

28,4 26,45

32,00 34.01

4,00 4,70

6,00 5,84

3,00 2,80

3,00 1,28

0,05 0,21

20,00 20,80

3,50 3.77

0.05 0,03

33,6 33,6

30,6 30,6

4,5

5,84 5,84

2,91 2,91

3,10 3,10

0,11 0,11

15,75 15,75

3,40 3,40

0,08 0,08

Zur Prüfung der Eigenschaften wurden Testbarren gegossen und 6 Stunden zunächst einer Wärmebehandlung bei 1150⁰C mit anschließender schneller Luftabschreckung unterworfen. Danach läßt man einen Teil der Barren aushärten.

Beim Vergleich der Schmelzen 6002, 6003, 6004 und 6005 ist zu ersehen, daß der Gesamtgehalt an Nickel und Eisen ungefähr konstant bleibt. Wenn der Nickclgchalt

(F) von 48,4% auf 28,4% in Stufen von 10%, 5% und 5% gesenkt wird, erhöht sich der Eisengehalt von 0% auf 10%, 15% und 20%. Die Gehalte an anderen Bestandteilen werden dabei nicht geändert. (Die Analysen der Schmelzen zeigen im wesentlichen die gleichen Verhältnisse.)

Härte und Korrosionsverhalten sind in Tabelle Il zusammengestellt.

Tabelle II

Anzahl d. gegossenen Testbarren') 6

Härte des Gußstücks 286

Nach dem Aushärten 372 4.17

Korrosionsgeschw. 98"/«ig 1,87 0,625

HiSO₄, 120 C^-, (in mg/cnr/Tag)

') Gewicht ca. 22.5 kg.

²) Hohe Kiillverlbrmh.irkeil und elwas Wurnnerlnrmlxirkeil.

6	4
262	286
415	426
0,520	0,628

215)

Diese vorgenanntem Testbarren 6002 bis 6005 weisen eine Brinell-Härte des Gußstücks von 286, 255, 262 und 286 auf. Nach Lösungsglühen und Abschrecken hatten sie eine Brinell-Härte von 372 bzw. 437,415 und 426. Die Siliziumgehalte bewirken in erster Linie eine Verbesse- jn rung der Aushärtbarlceit Das Aushärten, mitunter als Kaltaushärten bezeichnet, ist dem Fachmann bekannt und umfaßt gewöhnlich ein Zweisfifenver fahren, nämlich eine homogenisierende Wärmebehandlung mit schneller Abschreckung und ein Auslagern, zur Aus- 2Ί scheidung einer zweiten Phase aus fester Lösung unter Härtung. Eine bedeutende Erhöhung der Härte ergibt sich, wenn der Eiseinanteil bis zu 10% und darüber beträgt.

Die Testbarren wurden ferner einem Korrosionsfest to 48 Stunden lang in 98°/oiger Schwefelsäure bei 120⁰C unterworfen. Die Ergebnisse in mg/cmVTag Verlust durch Korrosion betragen bei den vier Schmelzen !,87 bzw. 0,625,0,520 und 0,628. Die Werte zeigen, wenn man sie als Kurve aufträgt, eine bemerkenswerte Korro- r, sionsverminderung im Sinne der vorliegenden Erfindung und Konstanz bei Eisengehalten von 10 bis 20%.

Die Testbarren 6002, 6003 und 6004 wurden hinsichtlich ihrer Korrosionsgeschwindigkeit mit zur Zeit auf dem Markt befindlichen Legierungen vergli- -w chen. Die Legierung 6002 ist vergleichbar oder leicht besser als die beste der im Handel erhältlichen Legierungen, obgleich sie nicht so gut wie die zweite Legierung ist. Untersuchungen mit 98%iger H₂SO₄ bei Temperaturen von 80 bis 120⁰C bestätigen gegenüber ■»> anderen handelsüblichen Legierungen die Überlegenheit de- erfindungsgemäßen Lösung.

Weiter wurden Untersuchungen mit dem Testbarren 6439 oder mit im wesentlichen entsprechenden Barren vorgenommen. Die ersten Untersuchungen dienten der Bestimmung, ob dl·? Legierung durch Lösungsglühen und Abschrecken härtbar ist. Die zweiten Untersuchungen dienten dazu, zu bestimmen, ob sie durch Auslagern härtbar ist.

Die Härteuntersuchungen an verschiedenen Stellen -.5 der Zeit-Temperatur-Kurve ergaben für das Lösungsglühen bei den gegossenen Testbarren, da3 die Legierung in einem Temperaturbereich von ungefähr 760 bis 95O⁰C mit einer Spitzenhärte von 532 bis 369 BHN, die man bei ungefähr 885^e C erreicht, härtbar wi ist. Die Härte fällt fortschreitend in dem Maße ab, wie die Temperatur von ungefähr 885°C auf die Unterst!= chungs-Höchsttempcratur von 1200⁰C angehoben wird.

Bei 1197°C werden beginnende Schmelzerscheinungen als kleine schwarze Flecken sichtbar. Bei 1180⁰C ist *~> die beginnende eutektische Bildung spürbar fortgeschritten, und die Grenzen sind vollständig durch die eutektische Phase aufgelöst.

Für die Untersuchung der Aushärtung wurde 4 Stunden ein unterer Lösungstemperaturbereich von 1065 bis 1080⁰C eingestellt und dann der Testbarren mittels Luft abgeschreckt. Drei für Untersuchungen bei gleitenden Temperaturen vorgesehene Testbarren wurden bei einer mittleren Temperatur von 1071°C 1 Stunden lösungsgeglüht und dann mit Luft abgeschreckt.

Entsprechend wurden 3 Testbarren bei Lösungstemperaturbereichen von 1120 bis 1135°C behandelt. Die Testbarren wurden dann bei gleitender Temperatur von 55'j bis 915°C untersucht, jeweils nach 4,8 und 16 Stunden Verweilzeit innerhalb des Temperaturbereichs. Bei der Härteprüfung ergaben sich höhere Härten beim Aushärten nach der oberen Lösungstemperatur. Der wirksame Aushärtungsbereich reicht von ungefähr 775 bis 87O⁰C bei Legierungen, die bei 1120 bis 1190⁰C 4 Stunden lösungsgeglüht und dann luftabgeschreckl wurden. Die maximale Härte betrug 358 BHN und wurde nach 16stündiger Aushärtung bei 846⁰C erhalten. In allen Fällen ist die Härte entschieden besser, wenn man bei Temperaluren über 775°C härtet und im allgemeinen scheint sie optimal bei Aushärtung bei ungefähr 815 bis 870° C.

Bei 675°C beträgt die Härte ungefähr 2"/0BHN, bei 705°C ungefähr 285 BHN, bei 760°C ungefähr 325 BHN und bei 845⁰C ungefähr 360 BHN. Höhere Temperaturen von 870 bis 900°C führen zu einer fortschreitenden Abnahme der Härte von 345 auf 330 BHN.

Insgesamt zeigen die Untersuchungen, daß das Lösungsglühen bei Temperaturen über 1065⁰C erfolgen kann und bei 1120 bis 1135° C insoweit am wirksamsten ist. Über 1150° C und bei ungefähr 1155 bis 1120⁰C beginnt das Schmelzen einer eutektischen Phase.

Die Härtung mittels Aushärten, wobei wahrscheinlich an Silizium und Bor angereicherte Phasen beteiligt sind, tritt nach erneutem Erhitzen einer lösungsgeglühten Struktur auf. Di? Härte, die bei einer solchen Vergütungsbehandiung erhalten wird, tritt bei höheren " emperaturen als normalerweise auf, was besonders wertvoll ist bei Verwendungen, bei den<:n hohe Temperaturen im Spiel sind.

Die Untersuchung der Kerbschlagzähigkeit dieser Legierung, sowohl in Guß- als auch im lösungsgeglühten Zustand, zeigte eine größere Kerbschlagzähigkeit im Vergleich zu lösungsgeglühten und ausgehärteten Legierungen. Es ist demnach die Verwendung einer lösungsgeglühten Legierung /.u empfehlen, wo Stöße und Schläge eine Rolle spielen. Bei Härteuntersuchungen erhielt man beim Gußstück 235 bis 240 BHN, bei den lösungsgeg'ühten Proben 189 bis 204 BHN und bei den lösungsgeglühten und ausgehärteten Proben von 310 bis 358 BHN. Unterschiede zu den zuvor angegebc-

nen Werten dürften auf gewisse Unterschiede bei der Temperaturkontrolle bei den Untersuchungsverfahren zurückzuführen sein.

Bei Korrosionsuntersuchungen ergab sich, daß die Korrosionsgeschwindigkeiten variieren bei Gußstücken von 0,58 mg/cmVTag bei 80" bis 1,78 mg/cm²/Tag bei 120°C mit 98%iger Schwefelsäure, bei lösungsgeglüh-'.en Proben entsprechend von 0,64 bis 1,2 mg/cm²/Tag

und bei lösungsgeglühten und ausgehärteten Proben von 0,67 bis 1,37 mg/cm²/Tag.

Die lösungsgeglühten Legierungen haben also eine höhere Kerbschlagzähigkeit als sie nach Lösungsglühen und Aushärten erhalten werden. Die Korrosionsgeschwindigkeiten von den lösungsgegliihten und ausgehärteten Legierungen sind bei 120" C ähnlich jedoch doppelt so hoch wie bei 80"C.

Claims

21 54
ι III 126
2 ¹
I ι Mindestwert von ungefähr 40 Rc (ca. 370 Br) härtbar 'j- Patentansprüche: sein. Andererseits sollen die Legierungen maschinenbe- ! arbeitbar und kostengünstig sein. 1. Verwendung einer austenitischen Nickel-Legie Die Lösung dieser Ziele gelingt erfindungsgemäß S rung mit I) durch die Verwendung einer austenitischen Nickel-Le to gierung mit ;; 26 bis 48% Nickel 30 bis 34% Chrom 26 bis 48% Nickel i /, 4 bis 5,25% Molybdän 30 bis 34% Chrom ;'■ 4 bis 7,5% Kobalt 21) 4 bis 5,25% Molybdän 3 bis 25% Eisen 4 bis 7,5% Kobalt 1 bis 3,5% Mangan 3 bis 25% Eisen 25 bis 8% Kupfer 1 bis 3,5% Mangan 0,005 bis 0,25% Kohlenstoff 2,5 bis 8% Kupfer 2 bis 4% Silizium 23 0,005 bis 0.25% Kohlenstoff 0,02 bis 0,10% Bor 2 bis 4% Silizium 0,02 bis 0,10% Bor als Werkstoff für Gegenstände, die gegen heiße konzentrierte Schwefelsäure mit einer Konzentra als Werkstoff für Gegenstände, die gegen heiße tion von 65% und mehr korrosionsbeständig sein 30 konzentrierte Schwefelsäure mit einer Konzentration müssen. von 65% und mehr korrosionsbeständig sein müssen. 2. Verwendung der Legierung gemäß Patentan Es ist zwar schon bekannt, borfreie Legierungen der spruch 1, jedoch mit vorgenannten Art nach plastischer Verformung, z. B. zur Herstellung von Zellstoffkochern oder Färbereibot 10 bis 25% Eisen. Ii tichen, zur Vermeidung von Spannungsriß-Korrosion im Kontakt mit schwachsauren, salzhaltigen Lösungen 3. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1, oder für Auftragsschweißungen, z. B. Panzerung von jedoch mit Ventilsitzflächen für Brennkraftmaschinen zu verwen den (deutsche Patentschriften 7 67 167 und 8 36 568). 34 bis 38% Nickel ■,η Auch ist es bekannt, ähnliche Legierungen z. B. zur 32 bis 34% Chrom Herstellung von Turbinenblättern zu verwenden (US- 4 bis 5% Molybdän Patentschrift 27 50 283). Daraus läßt sich aber für die 5 bis 7% Kobalt Lösung der Probleme, welche an Gegenständen im 10 bis 20% Eisen Kontakt mit heißer konzentrierter Schwefelsäure, also 1 bis 3% Mangan 4 j einem extrem aggressiven und oxidierenden Medium 2,5 bis 4% Kupfer auftreten, nichts gewinnen. 0,05 bis 0,25% Kohlenstoff Bewährt für die erfindungsgemäßen Verwendungs 2 bis 4% Silizium zwecke haben sich vor allem solche Legierungen der 0,02 bis 0,10% Bor, vorgenannten Art, welche 10 bis 25% Eisen enthalten 5(1 und insbesondere Legierungen mit für den Zweck gemäß Anspruch 1. 4. Verwendung der Legierung nach den Ansprü 34 bis 38% Nickel chen 1 bis 3 in lösungsgeglühtem und/oder 32 bis 34% Chrom ausgehärtetem Zustand als Werkstoff für Wellen, ">> 4 bis 5% Molybdän Lager, Pumpen, Ventile u. dgl., für den Zweck gemäß 5 bis 7% Kobalt Anspruch 1. 10 bis 20% Eisen 1 bis 3% Mangan 2,5 bis 4% Kupfer 60 0,05 bis 0,25% Kohlenstoff 2 bis 4% Silizium 0,02 bis 0,10% Bor. Mit besonderem Vorteil werden als Werkstoff für Heiße konzentrierte Schwefelsäure, mit einer Kon Wellen, Lager, Pumpen, Ventile und dergleichen die zentration von 65% und höher ist ein außerordentlich hi erfindungsgemäß eingesetzten Legierungen in lösungs aggressives Medium. Alle bei der Handhabung einer geglühtem oder ausgehärtetem Zustand verwendet. Auf solchen Schwefelsäure damit in Kontakt tretenden diesem Wege wird ein Minimum an Verschweißen und Gegenstände sind einem solchen Angriff ausgesetzt. Abnutzung gewährleistet. wobei besondere Schwierigkeiten bei Wellen, Lagern, Die erfindungsgemäß verwendete Legierung ist eine Pumpen, Ventilbestandteilen und dergleichen Elemen Legierung auf Nickelbasis mit einem Nickelgehalt, der ten auftreten, da diese Teile abgesehen von Korrosions ausreichend hoch ist, um die Legierung in der beständigkeit auch noefi ausreichende Zugfestigkeit und Austenitphase zu halten. Chrom dient der Verbesserung Kerbschlagzähigkeit haben müssen, um mechanischen der Korrosionsbeständigkeit und Härte. Ein Chromge Belastungen zu widerstehen, die normalerweise an halt von über 28% macht jedoch Legierungen dieses solchen Teilen auftreten. Die Legierungen und Teile Typs zu brüchig. Der Gehalt an Kobalt und Mangan in daraus müssen weiter gegenüber plötzlichen Tempera den angegebenen Mengen macht nun die Verwendung turänderungen beständig sein und müssen, soweit sie einer wesentlich höheren Chrommenge möglich, ohne einem Verschleiß unterliegen, wie z. B. Wellen, auf einen daß die Legierung zu brüchig wird und daß es ihr an