DE2216693A1 - Eutectic cast alloy based on cobalt - Google Patents
Eutectic cast alloy based on cobaltInfo
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Description
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United Aircraft CorporationUnited Aircraft Corporation
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East Hartford, Conn. 06108East Hartford, Conn. 06108
U.S.A.UNITED STATES.
Eutektische Gußlegierung auf Kobalt-BasisEutectic cast alloy based on cobalt
Die Erfindung betrifft eine eutektische Gußlegierung auf Kobalt-Basis, die in einer Richtung fließend erstarrt ist.The invention relates to a eutectic cast alloy based on cobalt, which has solidified fluently in one direction.
Die Vorteile der Verwendung von kontrollierten Mikrostrukturen bei verschiedenen Legierungssystemen zum Erreichen hoher Temperaturfestigkeiten sind seit einiger Zeit bekannt. Eine Näherung, die einzelne Punkte erreicht, ist die Verwendung von eutektischem Guß mit kontrollierten Mikrostrukturen, die aus dem kontrollierten, in einer Richtung Erstarren der verschiedenen eutektischen Legierungen herrühren (amerikanische Patentschrift 3.124.452).The benefits of using controlled microstructures various alloy systems for achieving high temperature strengths have been known for some time. An approximation, the single point achieved is the use of eutectic casting with controlled microstructures resulting from the controlled, solidification of the various eutectic alloys in one direction (American patent 3.124.452).
Von besonderem Interesse für die Anwendung in Gasturbinenmaschinen waren Legierungssysteme, die auf einer Chrom-Karbid-Verstärkung der Kobalt/Chrom Matrizen fester Lösung basierten.Of particular interest for use in gas turbine engines were alloy systems based on chromium carbide reinforcement of the cobalt / chromium solid solution matrices.
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Ein Legierungssystem von monovarianter, eutektischer nominaler chemischer Zusammensetzung, das in Gewichtsprozenten 49% Chrom, 1,9% Kohlenstoff und ausgleichendes Kobalt enthält, ist in einer Richtung fließend erstarrt zu 43 Volumen Prozenten eines skelettartigen Karbid M C0, (Cr,Co,) C in der Matrix einer festen Lösung aus Kobalt/Chrom. Diese mit UARL 236C bezeichnete Legierung ist in der US-Patentschrift 3.552.953 beschrieben. Eine andere mit Karbid verstärkte Kobalt/Chrom/ Kohlenstoff—Legierung, die in Abhängigkeit von der monovarian— ten eutektischen Reaktion bei einer nominalen Zusammensetzung in Gewichtsprozenten, von 41% Chrom, 2,4% Kohlenstoff, Kobaltausgleich erstarrt, ist unter der Bezeichnung UARL 73C bekannt. Sie kann in einer Richtung fließend erstarrt sein, um Gußteile mit eingefügter Ausrichtung der Karbid -M C -Lamellen zu erhalten,An alloy system of monovariant, eutectic nominal chemical composition, containing 49% chromium, 1.9% carbon and compensating cobalt in percent by weight, is solidified in one direction to form 43 percent by volume of a skeletal carbide MC 0 , (Cr, Co,) C in the matrix of a solid solution of cobalt / chromium. This alloy, designated UARL 236C, is described in US Pat. No. 3,552,953. Another cobalt / chromium / carbon alloy reinforced with carbide, which solidifies depending on the monovarian eutectic reaction with a nominal composition in percent by weight of 41% chromium, 2.4% carbon, cobalt balance, is known as UARL 73C known. It can be solidified flowing in one direction in order to obtain castings with inserted alignment of the carbide MC lamellae,
(Cr,Co) C , die in eine Matrix fester Lösung aus Kobalt/Chrom / 3(Cr, Co) C contained in a solid solution matrix of cobalt / chromium / 3
eingebettet sind, wie es in der US-Patentschrift 3.564.940 beschrieben ist.are embedded as described in U.S. Patent 3,564,940 is.
Die Kobalt/Chrom/Kohlenstoff-Legierungssysteme bilden Legierungen hoher Temperaturfestigkeit, insbesondere.wenn sie in einer Richtung fließend erstarrt sind, und es wurde eine Entwicklung zur weiteren Verbesserung ihres Oxydationswiderstandes in sich grundlegend ändernden Oxydationsunngebungen bei hohen Temperaturen vorgenommen. Die Versuche haben gezeigt, daß Legie-The cobalt / chromium / carbon alloy systems form alloys of high temperature strength, especially when they are in are solidified flowing in one direction, and there has been a development for further improving their resistance to oxidation carried out in fundamentally changing oxidation environments at high temperatures. The tests have shown that alloy
o rungen, die von Chromoxyden abhängig sind, oberhalb 982 C keinen zufriedenstellenden Oxydationsschutz wegen der verschiedenen Qualitätsverluste des darunter liegenden Substrats aufweisen.O ments that are dependent on chromium oxides do not have any above 982 C. have satisfactory protection against oxidation because of the various quality losses of the underlying substrate.
Darüberhinaus lassen diese Legierungssysteme, wie es in den obengenannten Patenten erwähnt wird, grundlegende AbweichungenFurthermore, as mentioned in the patents cited above, these alloy systems leave fundamental variations
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im Hinzufügen verschiedener anderer Elemente zu der grundlegenden chemischen Zusammensetzung zu, und zwar in dem Sinne, daß verschiedene Zusätze keine schwankenden Störungen bei der Erstarrung bezogen auf die monovariante eutektische Reaktion, auf welche sich die vorteilhaften Eigenschaften der Basis-Legierung beziehen, verursachen. Diese Abweichungen können zur vorteilhaften weiteren Verbesserung des Oxydationswiderstandes der Basis-Legierung für sich als auch für ihre Umhüllfähigkeit mit den bekannten Aluminiumumhüllungen, insbesondere bei sehr hohen Temperaturen, ausgenutzt werden.im adding various other elements to the basic chemical composition, namely in that Meaning that different additives do not have fluctuating disturbances during solidification based on the monovariant eutectic Cause reaction to which the advantageous properties of the base alloy relate. These deviations can for the advantageous further improvement of the oxidation resistance of the base alloy for itself as well as for its ability to be enveloped be used with the known aluminum sheaths, especially at very high temperatures.
In Verbindung mit der Umhüllfähigkeit der Basis-Legierungssysteme waren Studien der Umhüllfähigkeit der nicht verbesserten chemischen Zusammensetzung unerlässlich, teilweise wegen der Basisstruktur der gegossenen Teile, d.h. , wegen des Vorhandenseins großer Karbide, und teilweise wegen der erkannten Unfähigkeit, dicke schützende Aluminiumumhüllungen auf Kobalt-Basis-Superlegierungen hoher Härte zu erzeugen.In connection with the coating ability of the base alloy systems, studies of the coating ability of the non-improved chemical composition is essential, partly because of the basic structure of the cast parts, i.e. because of their presence large carbides, and in part because of the recognized inability to provide thick protective aluminum cladding on cobalt-based superalloys to produce high hardness.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kobalt-Basis-Legierung hoher Härte, die Chrom, Kohlenstoff, Aluminium und andere aktive Bestandteile, wie Yttrium, Skandium und reine Erdelemente, enthält, deren Erstarrung im wesentlichen von der monovarianten eutektischen Reaktion abhängig ist.The present invention relates to a cobalt-based alloy high hardness, the chromium, carbon, aluminum and other active ingredients, such as yttrium, scandium and pure Earth elements, the solidification of which is essentially dependent on the monovariant eutectic reaction.
Die Erfindung beinhaltet einen Guß, dessen hohe Festigkeit durch eine starke skelettartige oder lamellare Karbidphase erzeugt wurde, die in der Matrix einer Kobalt-Basis-Legierung eingebettet ist. Der Guß besitzt einen hohen Oxydationswiderstand beiThe invention includes a casting whose high strength is produced by a strong skeletal or lamellar carbide phase embedded in the matrix of a cobalt-based alloy. The cast has a high resistance to oxidation
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hohen Temperaturen und ist für die Erzeugung einer schützenden Aluminiumumhüllung geeignet.high temperatures and is responsible for creating a protective Suitable for aluminum cladding.
Die genannten Legierungszusammensetzungen enthalten Kobalt, Chrom und Kohlenstoff, um eine Erstarrung in Abhängigkeit von der monovarianten eutektischen Reaktion zu erreichen, zweckmäßigerweise enthalten sie 35-53% Chrom und 1,8-2,6% Kohlenstoff, zusammen mit ungefähr 4-8% Aluminium und bis zu ungefähr 0,5% Yttrium, Skandium oder reine Erdelemente, und einen Kobaltausgleich. The alloy compositions mentioned contain cobalt, chromium and carbon, depending on solidification to achieve the monovariant eutectic reaction, expediently they contain 35-53% chromium and 1.8-2.6% carbon, along with about 4-8% aluminum and up to about 0.5% yttrium, scandium or pure earth elements, and a cobalt balance.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Mikrofotographie der Legierung, Co-49 Cr-1.9C, die ungefähr 43 Volumen Prozente eines skelettartigen M CÄ Karbides (Cr,Co)00C_ in einer Kobalt-Matrix fester Lösung einschließt (unumrandet),1 is a photomicrograph of the alloy, Co-49 Cr-1.9C, which includes approximately 43 volume percent of a skeletal MC Ä carbide (Cr, Co) 00 C_ in a cobalt matrix of solid solution (unframed),
Fig. 2 eine Mikrofotographie einer Legierung der Zusammensetzung Co-41 Cr-2.4C mit einem MC Karbid2 is a photomicrograph of an alloy of the composition Co-41 Cr-2.4C with an MC carbide
7 3 (Cr,Co) C , das in einer Kobalt/Chrom Matrix fester Lösung eingebettet ist. Diese Aufnahme wurde gemacht, nachdem die Oberfläche des Teils bei 1100 C während 20 Std. 0,1 Atmosphären Oxygen ausgesetzt war ( unumrandet), 7 3 (Cr, Co) C, which is embedded in a cobalt / chromium matrix solid solution. This picture was taken after the surface of the part was exposed to 0.1 atmospheres of oxygen at 1100 C for 20 hours (unframed),
Fig. 3 eine Mikrofotographie eines transversalen Schnitts einer gerichtet erstarrten Co-45 Cr-5.5 Al-1.7C-0,1Sc Legierung (umrandet),3 is a photomicrograph of a transverse section of a directionally solidified Co-45 Cr-5.5 Al-1.7C-0.1Sc Alloy (bordered),
2 0 9 8 U 3 / Ü 7 G 12 0 9 8 U 3 / U 7 G 1
Fig. 4 die MikroStruktur eines Schnitts einer Oberfläche4 shows the microstructure of a section of a surface
der Co-46.4 Ci—6 Al-2 C Legierung, die bei 11OO°C 24 Std. stehender Luft ausgesetzt war (umrandet), undthe Co-46.4 Ci-6 Al-2 C alloy, which is produced at 1100 ° C Has been exposed to stagnant air for 24 hours (circled), and
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Oxydation-Erosionsprüfung der Co-46.5 Cr-6.2 Al-2,1 C-0.1Sc Legierung bei 1149 C in Verbindung mit umhüllten und nicht umhüllten komerziell lieferbaren Legierungen zusammenfaßt.Fig. 5 is a graph showing the results of the oxidation-erosion test of Co-46.5 Cr-6.2 Al-2.1 C-0.1Sc alloy at 1149 C in conjunction with coated and non-coated commercially available alloys.
Das Hauptmerkmal der Legierungen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie bei einem bestimmten Druck monovariant thei— modynamisch sind und mit Bezug auf das Kobalt/Chrom/Kohlenstoff Dreifachsystem das Dreiphasengleichgewicht zwischen der Schmelze und den zwei Materien über einen Temperatur- und Zusammensetzungsbereich einschließen und nicht, wie in den binär oder pseudobinären Systemen, bei einer bestimmten Temperatur und Zusammensetzung sind. Die monovariante Dreifachreaktion ist auch durch die dreifach eutektische Reaktion L =<t + ß + !•'gekennzeichnet.The main feature of the alloys of the present invention is that at a given pressure they are monovariant thei-modynamic and, with respect to the cobalt / chromium / carbon triple system, involve and not the three phase equilibrium between the melt and the two materials over a range of temperature and composition , as in binary or pseudo-binary systems, are at a certain temperature and composition. The monovariant triple reaction is also characterized by the triple eutectic reaction L = <t + ß +! • '.
In dem Basis-Dreifachsystem sind jene Legierungen der Zusammensetzung in Gewichtsprozenten von 45-55% Chrom, 1 ,7-2,2% Kohlenstoff und Kobaltausgleich zu einer skelettartigen Verteilung von MC Karbiden in einer Kobalt-Basis-Matrix erstarrt. In diesem Bereich enthält die Zusammensetzung, in der 49% Chrom, 1,9% Kohlenstoff und Kobaltausgleich enthalten sind, bekannt als UARL 236C, ungefähr 43 Volumen Prozent des (Cr,Co) C Karbid. Die Mikro-In the basic triple system, those are alloys of the composition in percentages by weight of 45-55% chromium, 1.7-2.2% carbon and cobalt balance to a skeletal distribution of MC carbides solidified in a cobalt-based matrix. In this Range contains the composition that contains 49% chromium, 1.9% carbon and cobalt balance, known as UARL 236C, about 43 volume percent of the (Cr, Co) C carbide. The micro
23 623 6
struktur dieser Legierung ist in Fig. 1 gezeigt.structure of this alloy is shown in FIG.
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-6--6-
Diese Legierungen der Basiszusammensetzung 35-45% Chrom, 2,2-2,6% Kohlenstoff und Kobaltausgleich können in einer Richtung fließend erstarrt in einer Kobalt/Chrom Matrix sein. Die Legierung, die 41% Chrom, 2,4% Kohlenstoff und Kobaltausgleich enthält, ist bekannt als UARL 73C.These alloys of the basic composition 35-45% chromium, 2.2-2.6% carbon and cobalt balance can be solidified flowing in one direction in a cobalt / chromium matrix. the Alloy containing 41% chromium, 2.4% carbon and cobalt balance is known as UARL 73C.
Es hat sich gezeigt, daß alle beiden oben angeführten Legierungssysteme Abweichungen für das Hinzufügen der verschiedenen anderen Elemente zu der Basis-Dreifachzusammensetzung in dem Sinne zu lassen, daß das Hinzufügen nicht störend auf die Basis-Erstarrung in Bezug auf die monovariante eutektische Reaktion wirkt. Diese Abweichung, wie sie gegenüber den Legierungssystemen der angeführten Patente auftritt, wird hier als Vorteil ausgenutzt .It has been found that both of the above alloy systems have deviations for adding the various others To leave elements to the base triple composition in the sense that the addition does not interfere with the base solidification acts in relation to the monovariant eutectic reaction. This deviation, as compared to the alloy systems of the cited patents occurs, is used here as an advantage.
Wegen der mechanischen Eigenschaften der Basis-Dreifach-Legierungen treten brauchbare Härten bei sehr hohen Temperaturen auf. Jedoch haben Versuche ergeben, daß Kobalt-Legierungen der Formation CrO nicht zum Schutz gegen Korrossion oberhalb un-Because of the mechanical properties of the base triple alloys Usable hardnesses occur at very high temperatures. However, experiments have shown that cobalt alloys of the Formation CrO not to protect against corrosion above and below
2 ο
O
gefähr 982 C wegen verschiedener Qualitätsverluste des darunter liegenden Substrats ausgenutzt werden können. Z.B. zeigt die
metallographische Untersuchung der UARL 73C Legierung, die einer oxydierenden Umgebung hoher Temperatur ausgesetzt war,
einen offensichtlichen Rückgang des Chrom an der Oberfläche und eine innere Oxydation der Karbidteile (sh. Fig. 2). Weiterhin ist,
obwohl Umhüllungen, die schützendes Aluminium einschließen, zum Schutz gegen Oxydation/Erosion bei Temperaturen, die größer sind
als 982°C, bekannt sind, die Umhüllfähigkeit der Basis-Dreifachlegierungen tatsächlich begrenzt, insbesondere zum Erzeugen
dicker Aluminiumumhüllungen,2 ο
O
danger 982 C can be used due to various quality losses of the underlying substrate. For example, the metallographic examination of the UARL 73C alloy, which was exposed to an oxidizing environment of high temperature, shows an obvious decrease in the chromium on the surface and an internal oxidation of the carbide parts (see Fig. 2). Furthermore, although envelopes including protective aluminum are known to protect against oxidation / erosion at temperatures greater than 982 ° C, the enveloping ability of the base triple alloys is actually limited, particularly for creating thick aluminum envelopes,
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Die Legierungen der vorliegenden Erfindung erhalten ihren eigenen Oxydations/Erosionswiderstand bei Temperaturen oberhalb 982 C von der bevorzugten Oxydationsformation und nicht von den Chromoxyden, sondern von dem Aluminiumhydroxyd, während sie zur gleichen Zeit die grundmetallurgische Struktur in Verbindung mit der Karbid verstärkten Kobalt-Basis Matrix beibehalten.The alloys of the present invention have their own Oxidation / erosion resistance at temperatures above 982 C from the preferred oxidation formation and not from the chromium oxides, but from the aluminum hydroxide, while at the same time providing the basic metallurgical structure retained in conjunction with the carbide-reinforced cobalt-based matrix.
Eine Legierung der nominalen Zusammensetzung von 49% Chrom, 6% Aluminium, 2% Kohlenstoff, 0,1% Skandium und Kobaltausgleich wurde aufbereitet und bezüglich einer Oxydation/Erosion bei 1149 C geprüft. Die Ergebnisse wurden mit einer Standardkobalt-Basis-Legierung (WI-52) und einer Nickel-Basis-Legierung (U-700) für beide Zustände nichtumhüllt und aluminiumumhüllt verglichen. Es wurde beobachtet, daß diese Legierung weit unterhalb dem Punkt der nichtumhüllten WI-52 und U-700 Legierungen oxydierte und ähnlich der der umhüllten WI-52 und U-700 Legierungen bis zu einem Punkt war, an dem Umhüllungsfehler beobachtet wurden. Oberhalb dieses Punktes oxydieren die umhüllten konventionellen Legierungsteile verglichen mit den nichtumhüllten Legierungen stärker, während die Legierung der vorliegenden Erfindung weiter oxydiert mit einer gleichmäßigen und im voraus bestimmten Rate. Dieser Zustand ist in Bild 5 dargestellt und zwar für die Legierung, die in Gewichtsprozenten aus 46,5% Chrom, 6,2% Aluminium, 2,1% Kohlenstoff, 0,1% Skandium und Kobaltausgleich besteht. Die MikroStruktur der gerichtet erstarrten Legierung, die aus 45% Chrom, 5,5% Aluminium, 1,7% Kohlenstoff, 0,1% Skandium und Kobaltausgleich besteht, ist in Fig. 3 gezeigt. Diese kann mit der MikroStruktur der Legierung verglichen werden, die aus 46,4% Chrom, 6% Aluminium, 2% Kohlenstoff besteht. Fig. 4 zeigt den Zustand dieser Legierung nach der Oxydation.An alloy with the nominal composition of 49% chromium, 6% aluminum, 2% carbon, 0.1% scandium and cobalt balance was processed and tested for oxidation / erosion at 1149 C. The results were with a standard cobalt-based alloy (WI-52) and a nickel-based alloy (U-700) for both conditions not coated and aluminum coated compared. It has been observed that this alloy is well below the point of the unclad WI-52 and U-700 alloys oxidized and was similar to that of the clad WI-52 and U-700 alloys to the point of cladding failure were observed. Above this point, the coated conventional alloy parts oxidize compared to the uncoated Alloys stronger, while the alloy of the present invention further oxidizes with a uniform and predetermined rate. This condition is shown in Figure 5 for the alloy, which is made up in percent by weight 46.5% chromium, 6.2% aluminum, 2.1% carbon, 0.1% scandium and cobalt balance. The microstructure of the directed solidified alloy consisting of 45% chromium, 5.5% aluminum, 1.7% carbon, 0.1% scandium and cobalt balance, is shown in FIG. This can be compared with the microstructure of the alloy, which consists of 46.4% chromium, 6% aluminum, 2% carbon. Fig. 4 shows the state of this alloy after oxidation.
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WI-52 hat die nominale Zusammensetzung in Gewichtsprozenten von 21% Chrom, 11% Wolfram, 2% Niobium plus Tantal, 1,75% Eisen, 0,45% Kohlenstoff und Kobaltausgleich. Die U-700 Legierung besteht aus 15% Chrom, 15>3% Kobalt, 3,4% Titanium, 4,3% Aluminium, 4,4% Molybden, 0,07% Kohlenstoff, 0,02% Bor, und einem Nickelausgleich,WI-52 has the nominal composition in percent by weight of 21% chromium, 11% tungsten, 2% niobium plus tantalum, 1.75% iron, 0.45% carbon and cobalt balance. The U-700 alloy consists of 15% chromium, 15> 3% cobalt, 3.4% titanium, 4.3% aluminum, 4.4% molybdenum, 0.07% carbon, 0.02% boron, and a nickel balance,
Neben der Darstellung des Oxydationswiderstandes dieser Legierungen wurden Versuche zum Bestimmen der Verbesserungsfähigkeit der primären und sekundären Fabrikationstechniken, die bei Superlegierungen und eutektischen Systemen angewendet werden können, durchgeführt. Ein Gußblock mit der chemischen Zusammensetzung von 45% Chrom, 5,5% Aluminium, 1,7% Kohlenstoff, 0,1% Skandium, der durch gerichtete Erstarrungstechniken vorbereitet wurde und zum Gießen anderer Superlegierungen in Barren und Turbinentragflächenformen geeignet ist, ist für die notwendige maschinelle Bearbeitung gut zu gebrauchen.In addition to the representation of the oxidation resistance of these alloys attempts have been made to determine the potential for improvement of the primary and secondary fabrication techniques used in Superalloys and eutectic systems can be applied. An ingot with the chemical composition of 45% chromium, 5.5% aluminum, 1.7% carbon, 0.1% scandium prepared by directional solidification techniques and is suitable for casting other superalloys in ingots and turbine wing shapes, is necessary for the Machining good to use.
Um die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen zu zeigen, wurde ebenfalls eine Auswertung der mechanischen Eigenschaften der obengenannten Legierung vorgenommen. Diese Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Es ist offensichtlich, daß große Lasten ausgehalten wurden, eine hohe Lebensdauer und eine große Dehnbarkeit erhalten wurde, die die Nützlichkeit dieser Legierung als oxydationswiderstandsfähiges Material bei hohen Temperaturen zeigen. Die Streckbarkeit ist so, daß sogar weitere Erhöhungen der Härte möglich sind, ohne daß die Streckbarkeit auf einen nicht akzeptablen Pegel gesenkt wird.In order to show the mechanical properties of these alloys, an evaluation of the mechanical properties was also carried out made of the above alloy. These results are summarized in the following table. It is obvious, that large loads were withstood, long life and high ductility were obtained, which is the usefulness of these Show alloy as an oxidation-resistant material at high temperatures. The stretchability is such that even more Increases in hardness are possible without reducing the stretchability to an unacceptable level.
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Test Temperatur C Beanspru- Ausdeh-Test temperature C stress expansion
chung kg/cm nungchung kg / cm nung
35 4035 40
Lebens- UTS dauer ■
i.Std.Lifetime UTS ■
in the hour
3
63
6th
kg/cm c kg / cm c
1970 7001970 700
-Patentansprüche--Patent claims-
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Claims (4)
sind, die im wesentlichen ein Karbid enthalten, das aus derCarbide phase means which are uniformly in a. , y split
are, which essentially contain a carbide derived from the
23 6 7 3Group (Cr, Co) 00 C and (Cr, Co) C can be selected.
23 6 7 3
reinen Erdelementen, und einem wesentlichen Kobaltausgleich besteht, daß sie eine Mikrostruktur aufweist, die eine Karbidverteilung von (Cr, Co) C in einer starken Ausrichtung in der4. Cast alloy according to claims 1 and 2, characterized in that it consists in percent by weight essentially of 35-45% chromium, 2.2-2.6% carbon, 4-8% aluminum and up to about 0.5% yttrium , Scandium or
pure earth elements, and a substantial balance of cobalt is that it has a microstructure that has a carbide distribution of (Cr, Co) C in a strong orientation in the
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