DE2312394A1 - Neue eisenlegierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft oxydationsbeständige Eisenlegierungen und insbesondere solche Eisenlegierungen, die Aluminium und Chrom enthalten.

Die Zugabe von Chrom zu Eisen, mit oder ohne Nickel, um die sogenannten korrosionsbeständigen Legierungen herzustellen, wird seit langem durchgeführt. Doch liegt diese Korrosionsbeständigkeit üblicherweise nur bei relativ mäßigen Temperaturen vor, während die im nahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Temperaturen hauptsächlich in der Größenordnung von etwa 1090°C (2000⁰F) liegen, sich jedoch auch bis zu etwa 1200°C (2200°F) erstrecken können. Reines Chrom wird bei hohen Temperaturen sowohl von Sauerstoff als auch von Stickstoff angegriffen; die Zugabe von 0,2 bis 2,5 Gew.-% Yttrium wird beansprucht, um Chrom oberhalb von etwa 925°C (1700°F)

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zu schützen. Eisen mit 35 bis 50 Gew.-% Chrom ist spröde und warmbrüchig (hot short)'; die Zugabe von 0,5 bis 3 Gew.-% Yttrium und 0,5 bis 1 Gew.-% Palladium führt jedoch zu einer oxydationsbeständigen Legierung _r die zuerst heiß und dann kalt zu Platten gewalzt werden kann. Ähnlich ist Eisen mit 25 bis 35 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 5 Gew.-% Yttrium und 0,1 bis 1 Gew.-% Thorium ebenso wie Eisen mit 20 bis 95 Gew.-% Chrom und 0,5 bis 5 Gew.-% Yttrium oxydationsbeständig ist. Eisen mit 20 bis 95 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 4 Gew.-% Aluminium und 0,5 bis 3 Gew.-% Yttrium ist oxydationsbeständig und kann leicht kaltgewalzt werden; mit 5 Gew.-% Aluminium ist es spröde und warmbrüchig. Eisen mit 20 bis 35 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Yttrium und 0,005 bis 0,015 Gew.-% Calcium ist als hervorragend hinsichtlich seiner Oxydationsbeständigkeit bis zu Temperaturen oberhalb von etwa 1090°C und seiner guten Bearbeitbarkeit beschrieben worden. Für die Verwendung in Kernreaktoren wird eine Legierung benötigt, die durch Härten bei hohen Temperaturen nicht spröde wird. Eine Legierung aus Eisen mit 0 bis 15 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 12 Gew.-% Aluminium und 0,1 bis 3 Gew.-% Yttrium ist merklich frei davon, verglichen mit 25 Gew.-% Chrom, 4 Gew.-% Aluminium und 1 Gew.-% Yttrium. Die bevorzugte Legierung enthält neben Eisen 15 Gew.-% Chrom, 4 Gew.-% Aluminium, und 1 Gew.-% Yttrium.

Die Verwendungsmöglichkeiten für bei hoher Temperatur beständige Legierungen sind derart zahlreich, daß es nicht möglich ist, eine von ihnen als besser gegenüber den anderen für alle Anwendungen auszuwählen. Wirtschaftliche Aspekte einschließlich der unterschiedlichen Kosten für die Herstellung verschieden bearbeitbarer Legierungen und der wirtschaftliche Wert einer längeren Gebrauchsdauer eines teureren Teiles, verglichen mit der kürzeren Gebrauchsdauer eines billigeren Teiles bestimmen letztendlich die Überlegenheit für eine bestimmte Anwendung.

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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Legierung, bei der Kobalt zu einer Legierung von Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium hinzugegeben ist, wobei eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei hoher Temperatur und eine verbesserte Zugfestigkeit erzielt wird. Während, wie oben erwähnt, eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten für hochteniperaturbeständige Legierungen vorhanden ist, deren Hauptbestandteile weit und wirtschaftlich erhältlich sind, besteht ein besonderer gegenwärtiger Bedarf an der erfindungsgemäßen Legierung für die Konstruktion von Auspuffreaktoren für Verbrennungskraftmaschinen, an denen gegenwärtig zur Verringerung der Luftverunreinigung ein beträchtliches Interesse besteht.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung gibt ein Diagramm der Oxydationsgeschwindigkeit bei zwei verschiedenen Temperaturen und die Zugfestigkeit von erfindungsgemäßen Legierungen wieder, die verschiedene Kobaltanteile aufweisen.

Die bekannte Ausgangslegierung für die vorliegende Erfindung hat die folgende nominelle Zusammensetzung in Gew.-%: 15 Chrom, 4 Aluminium, 1 Yttrium und der Rest ist Eisen. Diese Legierung ist durch die Abkürzung dieser Prozentgehalte als "1541-Legierung" bekannt. Diese Legierung hat eine gute Beständigkeit gegen Oxydation durch Luft bei hohen Temperaturen und eine gute Zugfestigkeit. In der Erfindung wurde festgestellt, daß die Zugabe von Kobalt zu dieser bekannten Legierung zu einer Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit und der Zugfestigkeit führt. In der Figur ist auf der Abszisse der Gew.-%-Gehalt Kobalt in der Ausgangslegierung aufgetragen und auf der linken Ordinate die Gewichtszunahme in % eines etwa 0,075 cm (0,030 inch) dicken Streifens nach 100-stündigem Erhitzen auf etwa 1200°C (vgl. die obere durchgezogene Linie A) und nach 100-stündigem

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Erhitzen auf etwa 1090°C (vgl. die untere durchgezogene Linie B), während die Zugfestigkeit dieser Legierungen bei etwa 88O⁰C (1800⁰F) in Luft in kp/Zoll auf der rechten Ordinate aufgetragen ist (vgl. die unterbrochene Linie C). Die gemessenen Werte sind auf den Kurven angezeigt.

Die bevorzugte Art der Herstellung dieser Legierungen besteht im Vakuumschmelzen unter Induktionsheizung in Mengen von etwa 4,5 bis etwa 13,5 kg, wobei ein Barren von etwa 9,3 cm (3 3/4 inch) Durchmesser und etwa 12,5 cm (5 inch) Länge entsteht. Dieser Barren wird bei etwa 88O⁰C zu einem Rundstab mit etwa 2,5 cm Durchmesser (1-inch round bar) stranggepreßt. Der Stab wird dann flach geschmiedet und bei etwa 88O⁰C zu einer Dicke von etwa 0,15 cm (0,060 inch) gewalzt. Dieser Streifen wird dann unter zwischenzeitlichem Anlassen auf etwa 88O⁰C in Luft zu einer etwa 0,075 cm dikken Platte kaltgewalzt. Aufnahmen metallographischer Teile der Proben dieser Legierungen machen es wahrscheinlich, · daß es vorteilhaft ist, bei einer Zusammensetzung, die dies zu tun erlaubt, Yttrium und Kobalt in Form einer Vorlegierung aus 2 Teilen Yttrium und 1 Teil Kobalt hinzuzugeben. Dieses Vorgehen, so wird angenommen, stabilisiert den oxydationsbestandigen Oxydfilm, der durch Aluminium und Yttrium gebildet wird, und verhindert das Eindringen von Oxydgängen durch die Korngrenzen.

Es ist festzustellen, daß die Gewichtszunahme, die ein Maß für die Oxydationsgeschwindigkeit ist, bis zu einem Minimum bei etwa 0,5 Gew.-% Kobaltgehalt abfällt und dann wieder ansteigt. Die Zugfestigkeit wird durch die Kobaltzugabe erhöht. Wie der unteren durchgezogenen Kurve B entnommen werden kann, erhöht die Zugabe von 2 Gew.-% Kobalt die Gewichtszunahme und demgemäß die Oxydationsgeschwindigkeit zu einem Wert, wie er etwa bei der bekannten Ausgangslegierung ohne Kobaltzugabe erhalten wird. Wie andererseits de Kurven A und B entnommen werden kann, kann eine Verbesserung, wenn auch nicht ein Optimum bei einem Kobaltgehalt von 0,25 % erwartet werden. Diese Begrenzungen zeigen die Schranken des Berei-

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ches der vorliegenden Erfindung, der offensichtlich brauchbare Ergebnisse mit sich bringt. Innerhalb dieses Bereiches sind 0,4 bis 1 Gew.-% Kobalt bevorzugt. Wie der Metallurge weiß, führen die bekannten Verfahren zur Herstellung von Legierungen nicht zu genauen Zusammensetzungen und es wurde durch Analysen festgestellt, daß Legierungen dieser Art Chromgehalte von 15 bis 15,4 % für einen nominellen 15 %-Gehalt aufwiesen und von 4,4 bis 4,9 % Aluminium für eine Legierung, die 4,0 % enthalten soll. Bezugnahmen auf die Grundlegierung sind daher so zu verstehen, daß sie die üblichen Abweichungen enthalten können.

Die in den Kurven der Figur enthaltenen Meßdaten sind die folgenden:

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Gew.-% Kobalt in der "1541»-Legierung

0,4

0,5

Zugfestigkeit kg/cm² (_psi) bei 8SO⁰C (18OO°F)

211 (3,000) 277 (3,950)

Prozent Gewichtszunahme nach 100-

stündigem Erhitzen in Luft

auf eine Temperatur von

109O⁰C (200O⁰F) 1200°C (2200⁰F)

0,481

0,455

0,278	0,305
0,544	1,71
0, 914	2,09

Claims (2)

*■. *7 — Patent ansprüche

1. Legierung einer Grundzusammensetzung in Gew.-% von 15 Chrom, 4 Aluminium, 1 Yttrium und dem Rest Eisen bis auf 100 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,25 bis 1,5 Gew.-% der Grundzusammensetzung an Kobalt enthält.

2." Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kobaltgehalt 0,4 bis 1,0 Gew.-% der Grundzusammensetzung beträgt.

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