DE2403704A1

DE2403704A1 - Nickel-kobalt-eisen-knetlegierung

Info

Publication number: DE2403704A1
Application number: DE19742403704
Authority: DE
Inventors: John Jefferson Mason
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1974-01-26
Publication date: 1974-08-01
Also published as: GB1416264A; ES422679A1; FR2215481A1; FR2215481B1; IT1002771B; SE409728B; JPS49105713A; CA1016783A; DE2403704B2

Description

Dipl.-lng. H. Sauerlcnd · Gr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte ■ 4ood Düsseldorf 3D · Cecilienallee 76 · Telefon 43 27

25. Januar 1974 29 172 K

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S.W.1, Großbritannien

"Nickel-Kobalt-Eisen-Knetlegierung"

Es ist bekannt, daß Legierungen mit 36% Nickel und 64% Eisen einen bemerkenswert niedrigen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 2.10" /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 150°C besitzen. Diese Legierungen weisen jedoch als Knetlegierungen eine geringe Festigkeit auf, die jedoch durch Titan und ein Aushärten erhöht werden kann. Das Titan erhöht jedoch auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, dem andererseits durch Kobalt entgegengewirkt werden kann. Legierungen dieser Art sind in dem deutschen Patent 1 165 878 beschrieben und besitzen als Knetlegierungen eine gute Festigkeit, wenngleich ihr Ausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit von der Zusammensetzung in starkem Maße variiert. So besitzt beispielsweise eine besonders bevorzugte Legierung mit 31,9% Nickel, 6,5% Kobalt und 1,3% Titan einen mittleren Ausdehnungskoeffizienten von 4.10" /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 150⁰C, der mehr als das Zweifache einer Eisenlegierung mit 36% Nickel beträgt.

Durch Versuche konnte nun festgestelltverden, daß bei ei-

ner Raumtemperatur-Zugfestigkeit von mindestens 750 MN/m der Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von

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-150 bis +15O⁰C, insbesondere im Temperaturbereich von 20 bis 15O⁰C, höchstens 2₀10"⁶/°C beträgt, wenn die Gehalte an Nickel, Kobalt- und Titan in bestimmter Weise aufeinander abgestellt sind.

Die Erfindung besteht daher in einer Knetlegierung mit 31,8 bis 38,75% Nickel, 3 bis 9% Kobalt, höchstens 0,05% Kohlenstoff und 1 bis 2,5%freies Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, Titan und Eisen den Bedingungen

+ (%Co) - 3,7 (%Ti) = 33,5 bis 35,5 (%Ni) - 3,7 (%Ti) ^ 0,47 (%Fe) · (96Co) ^ 2 (%Ti) + 1

genügen. Vorzugsweise enthält die Legierung 33,5 bis 35% Nickel, 5,5 bis 6,5% Kobalt, 1,2 bis 1,5% freies Titan, bis 0,03% Kohlenstoff und bis 0,2% Silizium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

Die Festigkeitserhöhung durch das Titan basiert auf der intermetallischen Phase Ni,Ti. Da das Titan zu den starken Karbidbildnern gehört und als Karbid keine intermetallische Phase bilden kann, muß der Titangehalt unter Berücksichtigung des Kohlenstoffgehaltes der Legierung eingestellt werden.

Da das stöchiometrische Verhältnis von Kohlenstoff zu Titan bei 1:4 liegt, ergibt sich der Gehalt an freiem Titan zu:

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- ⁴

Demzufolge binden 0,05% Kohlenstoff insgesamt 0,2% Titan ab, so daß bei diesem maximalen Kohlenstoffgehalt der Gesamtgehalt an Titan 1,2 bis 2,7% betragen muß.

Liegt der Gehalt an freiem Titan unter 1%, dann ist die Festigkeit der Legierung unzureichend, während ein freier Titangehalt über 2,5% zwar eine bessere Festigkeit ergibt, andererseits jedoch die Duktilität beeinträchtigt und zu einer unannehmbaren Sprödigkeit führt. Kohlenstoffgehalte über 0,05% wirken sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung aus. Bei Nickelgehalten unter 31,8% oder über 38,75% und Kobaltgehalten unter 3% oder über 9% ist der Wärmeausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von -150 bis +150 C zu hoch. Aus diesem Grunde dürfen die Gehalte an Nickel und Kobalt unter Berücksichtigung des Titangehaltes weder zu hoch noch zu niedrig sein. Um sicherzustellen, daß sich auch bei sehr niedrigen Temperaturen kein Martensit bildet, muß die Legierung der Bedingung

(% Ni) - 3,7 (% Ti) ^ 0,47 (% Fe) genügen.

Die den vorerwähnten Bedingungen genügende Legierung läßt sich räumlich in einem dreidimensionalen System festlegen, auf dessen Achsen die Gehalte an Titan, Nikkei und Kobalt aufgetragen sind. Jedem freien Titangehalt von 1 bis 2,5% entsprechen dann bestimmte Nickel- und Ko-

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baltgehalte in einer dem jeweiligen Titangehalt entsprechenden Nickel-Kobalt-Ebene.

Bei freien Titangehalten bis 1,75% ergibt sich ein vierseitiges, bei höheren Titangehalten ein fünfseitiges Feld.

Wurden die Ecken der Nickel-Kobalt-Felder mit den Buchstaben A bis Z gekennzeichnet, so ergibt sich folgende Zuordnung:

Tabelle I

Ti

(%) Feld

1.0 ABCD

1,25 EFGH

1,5 IJKL

1,75 MNOP

2,0 QRSTU

2,5 VWXYZ

Die Koordinaten bzw. Kobalt-Nickel- und freien Titangehalte der Punkte A bis Z ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle II.

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Tabelle II

Punkt Co Ni Ti

(AT%) (Gew.%) (At%) (Gew.%) (A£%) (Gew.%)

A	2.9	. 3	33.1	34.2	1.	2	1.	0
B	4.3	4.5	31.7	32.75	1.	2	1.	0
C	7.1	7.4	30.8	31.8	1.	2	1.	0
D	2.9	3	35.1	36.2	1.	2	1o	0
E	3.4	3.5	33.5	34.6	1.	5	1.	25
P	4.8	5	32.0	33.1	1.	5	1.	25
G	7.7	8	31.2	32.1	1.	5	1.	25
H	3o4	3.5	35.4	36.6	1.	5	1.	25
I	3.9	4	3400	35.1	1.	8	1.	5
J	5.3	5.5	32.4	33.5	1.	8	1.	5
K	8.1	8.4	31.6	32.6	1.	8	1.	5
L	3.9	4	35.9	37.1	1.	,8	1.	,5
M	4.3	4.5	34.3	35.5	2.	,1	1.	,75
N	5.8	6	32.8	33.9	2.	,1	1,	,75
O	8.7	9	32.0	33.0	2«	,1	1,	,75
P	4.3	4.5	36.3	37.5	2,	,1	1,	.75
Q	4.8	5	34.7	35.9	2,	Λ	2,	.0
R	6.5	6.7	33.1	34.2	2,	A	2,	.0
S	8.7	9	32.£	33.5	2,	.4	2,	.0
T	8.7	9	32.8	33.9	2,	.4	2,	.0
U	4.8	5	36.7	37.8	2,	.4	2	.0
V	5.8	6	35.6	36.75	3	.0	2	.5
¥	7.5	7.8	33.8	. 34.9	3	.0	2	.5
X	8.7	9	33.5	34.6	3	.0	2	.5
Y	8.7	9	34.6	35.75	3	.0	2	.5
Z	5.8	6	37.5	38.75	3	.0	2	.5

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Niob und Aluminium besitzen eine ähnliche Wirkung wie Titan hinsichtlich der Festigkeit in Nickel-Eisen-Legierungen mit intermetallischen Phasen wie beispielsweise Nijtfb und Ni^(Ti, Al), wenn ein Teil des Titans durch Aluminium ersetzt wird. Demzufolge kann das Titan bei der in Rede stehenden Legierung ganz oder teilweise durch äquiatomare Mengen Niob und/oder Aluminium ersetzt werden. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch Niob oder Aluminium lediglich als Verunreinigungen. Niob gehört wie das Titan zu den Karbidbildnern, so daß die Legierungszusammensetzung unter Berücksichtigung des freien Niobgehaltes gewählt werden muß.

Die Legierung kann an Luft oder im Vakuum erschmolzen, vergossen sowie warm- oder kaltverformt werden. Sie läßt sich beispielsweise bei Temperaturen von 1050 bis 1175⁰C strangpressen, schmieden oder AFalzen. Um optimale Eigenschaften zu erreichen, müssen die Knetlegierungen und daraus hergestellte Teile lösungsgeglüht und ausgehärtet werden. Vorzugsweise wird die Legierung fünfzehn Minuten bis eine Stunde bei 800 bis 100O⁰C lösungsgeglüht und an Luft abgekühlt·Zum Aushärten wird die Legierung vier bis vierundzwanzig Stunden bei 600 bis 65O°C geglüht. Vorzugsweise dauert das Lösungsglühen eine Stunde bei 1000⁰C und das Aushärten vierundzwanzig Stunden bei 600⁰C.

Im Rahmen eines Versuches wurde eine Legierung mit Nickel, 6,096 Kobalt,und 1,396 Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen an Luft erschmolzen und zu 3,5 kg-Guadratblöcken vergossen. Die Blöckchen wurderroei 1150°C zu 12 mm-Rundstäben ausgewalzt. Nach einem einstündigen Lösungsglühen bei 1000°C und ei-

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nem vierundzwanzigstündigen Aushärten bei 60O⁰C wurden Proben genommen und untersucht, wobei sich die aus den nachfolgenden Tabellen III und IV ersichtlichen Daten
ergaben.

	Tabelle III

Temperatur	mit.Wärmeausdehnungs- koeff. je ⁰C
-150 bis + 20 -100 bis + 20 + 20 bis +100 + 20 bis +150	2 χ 10~⁶ 1.6 χ 10"⁶ 1.2 χ 10~⁶ 1.5 x 10"6
	Tabelle IV

Temperatur (⁰C)	Zugfestigkeit (MM/m²)
20 150	900 820

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Die in der vorerwähnten Weise hergestellte Knetlegierung eignet sich als Werkstoff für Gegenstände, die bei hoher Festigkeit einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen müssen. Insbesondere eignet sich die Legierung zur Verwendung bei Minustemperaturen, beispielsweise für mit flüssigem Stickstoff in Berührung kommende Gegenstände und Behälter.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S.W. 1, Großbritannien Patentansprüche ;

1. Nickel-Kobalt-Eisen-Knetlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 2.10" /⁰C im Temperaturbereich von -150 bis +150⁰C und einer Zugfestigkeit von mindestens 750 MN/m bei Raumtemperatur, bestehend aus 31,8 bis 38,75$ Nickel, 3 bis 9% Kobalt, höchstens O,O5% Kohlenstoff und 1 bis 2,5% freies Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, Titan und Eisen den Bedingungen

(% Ni) + (% Co) - 3,7 (%Ti) = 33,5 bis 35,5 (% Ni) - 3,7 (%Ti) ^ 0,47 (%Fe) (% Co) ^ 2 (96 Ti) + 1

genügen.

2. Knetlegierung nach Anspruch 1, die jedoch 33,5 bis 35% Nickel, 5,5 bis 6,5% Kobalt, 1,2 bis 1,5% freies Titan· und bis 0,03% Kohlenstoff enthält.

3. Knetlegierung nach Anspruch 1 oder 2, deren Titangehalt jedoch mindestens teilweise durch äquiatomare Mengen an Niob und/oder Aluminium ersetzt ist.

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4. Knetlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch fünfzehn Minuten bis eine Stunde bei 800 bis 10Oo⁰C lösungsgeglüht und vier bis vierundzwanzig Stunden bei 600 bis 650⁰C ausgehärtet ist.

5. Verfahren zum Herstellen einer Nickel-Kobalt-Eisen-Knetlegierung mit einem YTärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 2.10 /⁰C im Temperaturbereich von -150 bis +150⁰C und einer Zugfestigkeit von 750 MN/m² bei Raumtemperatur, bestehend aus 31,8 bis 38,7596 Nickel, 3 bis 9% Kobalt, höchstens 0,05% Kohlenstoff und 1 bis 2,5% freies Titan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an Nikkei, Kobalt, ^Titan und Eisen entsprechend den Bedingungen

(% Ni) + (% Co) - 3,7 (% Ti) = 33,5 bis 35,5 (% Ni) - 3,7 (% Ti) ^ 0,47 (% Fe) (% Co) * 2 (% Ti) + 1

eingestellt werden.

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