DE2352704C2 - Schweißbare, oxidationsbeständige Kobaltlegierung - Google Patents

Schweißbare, oxidationsbeständige Kobaltlegierung

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DE2352704C2
DE2352704C2 DE2352704A DE2352704A DE2352704C2 DE 2352704 C2 DE2352704 C2 DE 2352704C2 DE 2352704 A DE2352704 A DE 2352704A DE 2352704 A DE2352704 A DE 2352704A DE 2352704 C2 DE2352704 C2 DE 2352704C2
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft schweißbare, oxidationsbeständige Kobaltlegierungen; Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Kobaltleglerungen, welche geringen, jedoch bedeutsamen Lanthangehalt aufweisen.
In der US-PS 34 18 111 werden Kobaltlegierungen beschrieben, welche Lanthan als modifizierendes Element enthalten, um die Oxidationsbeständigkeit dieser Klasse von Superlegierungen zu verbessern. Obwohl diese Legierungen · vom Markt gut aufgenommen worden sind, führten die ständig steigenden Anforderungen an metallische Werkstoffe zu einem Bedarf nach noch besseren Kobaltleglerungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind neue Kobaltleglerungen mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit. Eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kobaltlegierung mit verbesserter Schweißbarkelt und erhöhter Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, bereitzustellen.
Weitere Aufgaben, Besonderhellen und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Die Zeichnungen zeigen:
Flg. 1 in graphischer Darstellung die mittlere Rißlänge an einem etwa 6cm starken Stanzblock gegen den Lanlhangehalt;
Flg. 2 In graphischer Darstellung die mittlere Rißlänge an einem etwa 10cm starken Stanzblock gegen den Lanthangehalt;
Flg. 3 in graphischer Darstellung das bei statischer Oxidation bei 1150°C verlorene Material (In mm Schichttiefe) gegen den Aluminiumgehalt bei Proben mit unterschiedlichen Lanthangehalten; und
Flg. 4 In graphischer Darstellung das bei dynamischer Oxidation bei U00°C verlorene Material (in mm Schichttiefe) gegen den Aluminiumgehalt bei Proben mit unterschiedlichem Lanthangehalt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß sich bei Superlegierungen auf Kobaltbasis die Gehalte an Lanthan und Aluminium gegenseitig beeinflussen. Besonders gute Ergebnisse wurden dann erzielt, wenn der Lanthangehalt Im Bereich von 0,001 bis 0,018'λ» Hegt, wahrend der Aluminiumgehalt gleichzeitig im Bereich von 0,02 bis 0,7% gehalten wird (alle Prozentangaben betreffen Gewichtsprozent). Wird der Lanthangehalt In diesem sehr engen Bereich gehalten, und beträgt der Alumlnlumgchalt zumlndestens 0,02%, so werden Legierungen mit verbesserten Eigenschaften erhalten. Die erflndungsgemäUen, schweißbaren, oxidationsbeständigen Kobaltleglerungen bestehen aus 0,01 bis 0.33% Kohlenstoff, bis zu 2% Mangan, bis zu 1% Silicium, bis maximal 0,02% Phosphor, bis maximal 0,015"., Schwefel, 18 bis 3()"„ Chrom. 8 bis 30% Nickel. 8 bis 18% Wolfram, 0.001 bis 0.018% Lanihan, 0.02 bis 0.7",. Aluminium, bis /.u 0.02% Bor, bis zu 10% Elsen, und als Rest 1)5 bis maximal 61% Kobalt, mit üblichen produktlonsbcdlngten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen.
Eine bevorzugte Legierung besteht aus 0,01 bis 0,15% Kohlenstoff, bis zu 2% Mangan, bis zu 0,6% Silicium, maximal 0,02% Phosphor, maximal 0,015% Schwefel, 19 bis 28",. Chrom, 10 bis 25% Nickel, 12 bis 18% Wolfram, 0.001 bis 0,018",, Lanthan, bis /u 0.02",, Bor, bis zu ungefähr 5% Elsen, 0,02 bis 0,5% Aluminium, und
als Rest bis maximal 61% Kobalt mit Qblichen. produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.
Eine weitere, bevorzugte Legierung besteht aus 0,05 bis 0,15% Kohlenstoff, bis zu 1,25% Mangan. 0,2 bis 0,5% Silicium, maximal 0,02% Phosphor, maximal 0,015% Schwefel, 20 bis 24% Chrom, 20 bis 24% Nickel, 13 bis 16% Wolfram, 0,001 bis 0,018* Lanthan, bis zu 0,015% Bor, bis zu 3% Eisen, 0,02 bis 0,5% Aluminium, und als Rest maximal 61% Kobalt mit Qblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen.
Eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Legierung besteht aus 0,10% Kohlenstoff, 0,65% Mangan, 0,35% Silicium, maximal 0,02% Phosphor, maximal 0,015% Schwefel, 22% Chrom, 22% Nickel, 14,5% Wolfram, 0,001 bis 0,018% Lanthan, bis zu 0,015% Bor, 0,02 bis 0,5% Aluminium, bis zu 3% Eisen, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner die Verwendung der oben genannten Legierungen als Werkstoffe zur Herstdlung von Gegenständen, welche hohe Beständigkeit gegen Rißbildung beim Schweißen und hohe Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, aufweisen müssen.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen kann nach üblichen, dem Fachmann geläufigen Schmelzverfahren erfolgen; erfindungsgemäß wurde jedoch eine besonders gleichmäßige Steuerung der Zusammensetzung und besonders ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit dann erhalten, wenn die Hauptschmelze zuerst durch ein lnduktlons-Schmelzverfahren Im Vakuum, oder durch ein Lichtbogen Schmeizverfahren an Luft hergestellt wurde, und im Anschluß daran diese Hauptschmelze einer erneuten Schmelzbehandlung (electroslag remelt step) ausgesetzt wird.
Zur Erläuterung der unüblichen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen wurde eine Reihe von Legierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Lanthan und Aluminium hergestellt. Alle diese Legierungen wurden zuerst an Luft oder unter Vakuum Im Induktionsofen erschmolzen und daran anschließend eine Elektroschlake-Behandlung durchgeführt, um die fertigen Legierungen zu erhalten. Die Zusammensetzungen dieser Probelegierungen sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt:
Tabelle I
Chemische Zusammensetzung der 0,08 Mn Si Legierungen (Gew.-%) Ni W La Al B Fe Co* 30
Legierung C 0,08 0,66 0,34 S Cr 22,30 '.4,05 <0,005 0,23 <0,001 2,21 Rest
A 0,08 0,66 0,33 0,010 21,60 22,30 14,05 <0,005 0,04 <0,001 2,21 Rest
B 0,10 0,62 0,36 0,009 21,50 22,30 13,85 0,012 0,16 0,002 1,96 Rest 35
C 0,09 0,64 0,36 0,003 21,20 22,70 13,85 0,008 0,43 0,003 1,96 Rest
D 0,09 0,54 0,47 0,003 21,20 22,30 14,25 0,010 0,08 0,004 1,50 Rest
E 0,09 0,64 0,46 0,006 22,40 22,30 14,20 0,010 0,19 0,003 1,50 Rest
F 0,09 0,70 0,47 0,006 22,50 22,10 14,15 0,011 0,31 0,002 1,46 Rest 40
G 0,12 0,68 0,48 0,006 22,50 22,20 14,15 0,010 0,43 0,003 1,48 Rest
H 0,08 0,80 0,26 0,007 22,50 21,20 13.80 <0,005 <0,02 NB 2,10 Rest
I 0,12 0,66 0,32 NB 22,30 22,40 14,05 <0,010 <0,01 NB 2,33 Rest « C
1-1 0,08 0,90 0,28 0,006 21,90 21,20 13,80 <0,005 <0,02 NB 3,22 Rest 45
J 0,08 0,70 0,35 NB 22,10 22,30 14.05 <0,005 <0,02 NB 2,36 Rest
J-I 0,08 0,66 0,34 0,006 21.90 22,30 14,05 <0,005 0,01 0,001 2,21 Rest
K 0,09 0,66 0,31 NB 21.60 22,30 14,15 0,005 <0,01 <0,001 2,24 Rest 50
L 0,10 0,65 0,24 0,010 22,00 21,80 14,00 0,02 0,08 0,001 1,90 Rest
M 0,09 0,59 0,22 0,001 21,50 22,15 14,11 0,03 0,05 <0,001 1,38 Rest
N 0,10 0,62 0,29 0,001 21,94 22,70 13,45 0.04 0,28 0,004 2,00 Rest
O 0,07 0,66 0,44 0,006 20,60 21,87 13,85 0,05 0,19 0,001 1,40 Rest 55
P 0,58 0,35 0,001 21,82 21,90 14,35 0,06 0,11 0,002 2,06 Rest
Q 0,005 21,90
NB = nicht bestimmt
* Rest Kobalt und übliche, hcrslcllungsbedingtc Verunreinigungen
An den ersten zwölf Legierungen aus der Tabelle 1 wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit durchgeführt; die dabei erhaltenen'Ergebnlsse sind in der folgenden Tabelle Il aufgeführt.
Tabelle 11
lOOstündige Oxidation mit trockener Luft dynamisch statisch
Legierung dynamisch Tiefe der Tiefe der
Gewichtsver oxidierten oxidierten
lust durch Schicht bei Schicht bei
Oxidation bei IH)O0C HSO0C
HOO0C (mm) (mm)
(mg/cm2)
1-1
J-I
- 1,75
- 3,75
- 2,6
- 1,45
- 3,13
- 2,47
- 1,65
- 1,58 -126,0
- 12,7
- 78,0
- 8,0
- 17,85
- 21,1
0,0124 0,0204 0,0081 0,0088 0,0102 0,0088 0,0093 0,0102 0,0220 0,0267 0,0485 0,0100 0,0386 0,0366
NH = nicht bestimmt
Alle In der Tabelle II genannten Verbindungen wurden den gleichen Versuchen zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit ausgesetzt. In jedem Falle waren die Proben 1,5 mm dick, etwa 27 mm lang und etwa 9 mm breit. Bei der »dynamischen Oxidation« wurde eine Gruppe der Proben für 100 Stunden bei wechselnden Temperaturen einem trockenen Luftstrom ausgesetzt; das Temperaturprogramm bestand aus acht 3-Stunden-Perloden bei 1100° C und vier 19-Stunden-Perioden bei 11000C, wobei die Proben nach jeder Erwärmungsperlode auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Im Anschluß daran wurde die oxidierte Schicht In einem Salzbad entfernt und aus dem Gewichtsverlust unter Berücksichtigung der Dichte und der Oberfläche die Menge oder
«ο die Tiefe der oxidierten Schicht bestimmt.
Bei der »statischen Oxidation« wurde eine andere Gruppe Proben für eine Zeitspanne von 100 Stunden (25-Stunden-Perloden) bei 115O0C kontinuierlich einem trocknen Luftstrom ausgesetzt. Die Bestimmung der Tiefe der oxidierten Schicht erfolgte wie oben angegeben.
Die Teststücke A bis H, und M bis Q wurden auch Untersuchungen zur Bestimmung der Schweißbarkelt ausgesetzt; eine entsprechende Methode Ist der Fachwelt als )>Tig-a-ma-jlg«-Test bekannt und in der Zeitschrift Metal Progress, Metal Progress News Supplement, Vol. 100, No. 2, August 1971, Seite 7, beschrieben. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle 111 aufgeführt.
Tabelle IU
„TlG-A-MA-JIC-Schweißbarkcit
mittlere Rißlänge (mm)
Legierung 60-mm-Stanzblock
100-mm-Stanzblock
A 0 0
B 0,056 0
C 0,065 0
E 0,102 0,037
F NB 0
G 0.213 0
H NB 0
L. 0,046 0
M 0,399 0,071
N 0,323 0,249
Tabelle III (lortsct/ung)
„TIG-A-MA-JK/'-Schweißbarkcit ^
mittlere KiUliingc (mm) l|
Legierung 60-mm-Sliinzblock 100-nim-Stan/block
O 0.551 nicht bestimmt 0,122
I' 0.389 0.056
Q 0,975 0,206
NH =
IU
Ein Blick auf die Versuchsergebnisse zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit und den Untersuchungen zur Schweißbarkeit belegt die ganz außerordentliche Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierungen, Insbesondere beim Vergleich der erfindungsgemäßen Legierungen A bis H mit anderen Legierungen 1 bis Q. Diese völlig unerwartete Überlegenheit wird auch eindeutig mit den Zeichnungen belegt; so geht aus den Flg. 1 und 2 hervor, daß bei Lanthangehalten unter 0,018% sehr kurze mittlere Rißlängen erhalten werden, während bei Lanthangehalten über 0,018% diese RlMängen stark ansteigen. Den Flg. 3 und 4 ist zu entnehmen, daß die Oxidationsbeständigkeit bedeutsam verbessert wird, wenn der Aluminiumgehalt und der Lanthangehalt Im erfindungsgemäß beanspruchten Bereich gehalten werden. Gerade die Kombination des kritischen Lanthangehaltes mit dem Aluminiumgehalt führt zu neuen Legierungen mit völlig überraschenden Eigenschaften, welche sich dann besonders vorteilhaft auswirken, wenn geschweißte Gegenstände aus diesen Legierungen einer oxldatlven Umgebung, besonders bei hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Gerade dann zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen und die daraus hergestellten, geschweißten Gegenstände überlegene Oxidationsbeständigkelt.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
30
35
45
50
55
60
65

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Schweißbare, oxidaiionsbeständige Legierung, die aus 0,01 bis 0,33 Gew.-* Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-* Mangan, bis zu 1 Gew.-% Silicium, maximal 0,02 Gew.-* Phosphor, maximal
s 0,015 Gew.-* Schwefel, 18 bis 30 Gew.-* Chrom, 8 bis 30 Gew.-* Nickel, 8 bis 18 Gew.-* Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-* Lanthan, 0,02 bis 0,7 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,02 Gew.-* Bor, bis zu 10 Gew.-* Eisen, Rest bis zu maximal 61 Gew.-* Kobalt mit üblichen, vroduktlonsbedingten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen besteht.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,01 bis 0,15 Gew.-% Kohlenstoff, bis ίο zu 2 Gew.-* Mangan, bis zu 0,oGew.-* Silicium, maximal 0,02 Gew.-* Phosphor, maximal 0,015 Gew.-* Schwefel, 19 bis 28 Gew.-* Chrom, 10 bis 25 Gew.-* Nickel, 12 bis 18 Gew.-* Wolfram, 0,001 bis 0.018 Gew.-% Lanthan, bis zu 0,02 Gew.-* Bor, bis zu 5 Gew.-* Elsen, 0,02 bis 0,5 Gew.-* Aluminium, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen besteht.
3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,05 bis 0,15 Gew.-*, Kohlenstoff, bis is zu 1,25 Gew.-* Mangan, 0,2 bis 0,5 Gew.-* Silicium, maximal 0,02 Gew.-* Phosphor, maximal 0,015 Gew.-* Schwefel, 20 bis 24 Gew.-* Chrom, 20 bis 24 Gew.-* Nickel, 13 bis 16 Gew.-* Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-* Lanthan, bis zu 0,015 Gew.-* Bor, bis zu 3 Gew.-* Elsen, 0,02 bis 0,5 Gew.-* Aluminium, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen besteht.
4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,10 Gew.-* Kohlenstoff, 0,65 Gew.-* Mangan, 0,35 Gew. -% Silicium, maximal 0,02 Gew.-* Phosphor, maximal 0,015 Gew.-* Schwefel, 22 Gew.-* Chrom, 22 Gew.-* Nickel, 14,5 Gew.-* Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-* Lanthan, bis zu 0,015 Gew.-* Bor, 0,02 bis 0,5 Gew.-* Aluminium, bis zu 3 Gew.-* Eisen, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen 'n geläufigen Anteilen besteht.
5. Verwendung einer Legierung aus 0,01 bis 0,33 Gew.-* Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-* Mangan, bis zu 1 Gew.-* Silicium, bis maximal 0,02 Gew.-* Phosphor, bis maximal 0,015 Gew.-* Schwefel, 18 bis 30 Gew.-* Chrom, 8 bis 30 Gew.-* Nickel, 8 bis 18Gew.-% Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-* Lanthan, 0,02 bis 0,7 Gew.-* Aluminium, bis zu 0,02 Gew.-* Bor, bis zu 10 Gew.-* Elsen, Rest bis maximal 61 Gew.-% Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen In geläufigen Anteilen, als Werk stoff zur Herstellung von Gegenständen, welche hohe Beständigkeit gegen RlQblldung beim Schweißen und hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen müssen.
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