DE2421656A1

DE2421656A1 - Aushaertbare nickel-eisen-gusslegierung mit niedrigem ausdehnungskoeffizienten

Info

Publication number: DE2421656A1
Application number: DE19742421656
Authority: DE
Inventors: John Jefferson Mason; Peter John Penrice
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1974-11-21
Also published as: BE814529A; FR2228118A1; NL7405966A; CH593342A5; ES425926A1; CA1016781A; AU6855474A; JPS5030730A; GB1411693A; IT1011326B; AU476982B2

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dn.-Ing. R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte - 4ooo Düsseldorf 3a - Cecilienallee 7B · Telefon 432732

3. Mai 1974 29 406 K

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S«, ¥. 1» Großbritannien

"Aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten"

Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturen bis 600⁰C₈

Nickel-Eisen-Legierungen mit bemerkenswert niedrigem Ausdehnungskoeffizienten sind bekannt; so besitzt beispielsweise eine Legierung mit 36% Nickel und 64% Eisen im Temperaturbereich von 0 bis 200⁰C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Null. Andererseits sind solche Nickel-Eisen-Legierungen jedoch durch eine verhältnismäßig niedrige Festigkeit im Temperaturbereich von 20 bis 600⁰C gekennzeichnet, wenngleich die Festigkeit durch Legierungszusätze wie beispielsweise Titan und ein Aushärten erhöht werden kann. Diese Erhöhung der Festigkeit geht jedoch auf Kosten des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, der sich mit zunehmendem Legierungsgehalt erhöht.

Überraschenderweise konnte nun festgestellt werden, daß sich eine optimale Kombination von Festigkeit und Ausdehnungskoeffizient bei vorzugsweise ausgehärteten Nickel-Eisen-Gußlegierungen dann ergibt, wenn diese zusätzlich Niob enthalten und ihre Gehalte an Nickel, Niob sowie gegebenenfalls Kobalt und Titan in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind. Dabei kann unter bestimmten Voraussetzun-

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gen das Niob teilweise durch Titan ersetzt werden, wenn die Gehalte dieser Elemente einander in bestimmter Weise zugeordnet sind.

Im einzelnen ist die Erfindung auf eine Nickei-Eisen-Gußlegierung gerichtet, die im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten von 6 · 10 /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C sowie eine Raumtemperatur-Streckgrenze über 350 N/mm besitzt. Dies ist der Fall bei einer Nickel-Eisen-Gußlegierung mit 27 bis 47% Nickel, 0 bis 16% Kobalt, 4,1 bis 1096 freies Niob, 0 bis 2% freies Titan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0 bis 0,2% Aluminium und 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, Niob und Titan den Bedingungen Ni) + 0.7 (%Co) - 0„44/~%Nb + 2.85 (%Ti)_7 - 2 (%Ti)/(%Ti + %Nb) = 37 bis 40%
sowie

(%Nb) + 2.85 (%Ti) <ς 10% genügen.

Wird die Legierung an Luft erschmolzen, dann enthält sie vorteilhafterweise auch Silizium, Mangan, Magnesium und/oder Aluminium.

Die Nickel-Eisen-Legierung enthält vorzugsweise höchstens 32% Nickel, mindestens 5% Kobalt, 5 bis 8% freies Niob, höchstens 1,8% freies Titan, höchstens 0,4% Kohlenstoff und höchstens 0,3% Mangan.

JM einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 · 10"" /⁰C zu erreichen, genügt die Legierungszusammensetzung vorzugsweise der Bedingung

(%Ni) +0.7 (%Co) - 0.44£~%Nb + 2.85 (%TiJ7 (%Ti + %Nb) - 37 bis 39%.

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Die hohe Festigkeit der in Rede stehenden Legierung ist durch die sich beim Aushärten bildende Ausscheidungsphase Ni₅(Nb) oder Ni₃(Nb, Ti) bedingt, die weder Niob- noch Titankarbid enthält. Um dies zu erreichen, muß die Legierung bestimmte Mengen freien Niobs und freien Titans enthalten. Der Gesamtgehalt an Niob übersteigt vorzugsweise den Gehalt an freiem Niob um das 7,7-fache des Kohlenstoffgehaltes, während der Gesamtgehalt an Titan vorzugsweise den Gehalt an freiem Titan um das 4-fache des Kohlenstoffgehaltes übersteigt. Der Kohlenstoffgehalt darf jedoch 0,1% nicht übersteigen, da sich bei höheren Kohlenstoffgehalten schädliche Karbide bilden. Vorzugsweise übersteigt der Kohlenstoffgehalt daher 0,04%, besser noch 0,02% oder auch 0,002% nicht.

Die Legierung wird vorzugsweise 1 bis 48 Stunden bei 550 bis 700⁰C ausgehärtet, wobei die optimale Glühtemperatur von den Gehalten an freiem Niob und freiem Titan abhängig ist. Bei niedrigen Gehalten an freiem Niob und freiem Titan lassen sich optimale mechanische Eigenschaften im unteren Teil des Temperaturbereichs, beispielsweise durch ein 24- bis 48-stündiges Glühen bei 575 bis 625⁰C erreichen. Andererseits lassen sich jedoch auch hohe Festigkeiten und niedrige Ausdehnungskoeffizienten ohne ein besonderes Aushärten erreichen, wenn der Gußstückquerschnitt groß genug und/oder die Abkühlungsgeschwindigkeit im Temperaturbereich des Aushärtens niedrig genug ist. Das Aushärten kann unmittelbar oder nach einem voraufgehenden Lösungsglühen erfolgen.

Die Festigkeit der Gußlegierung hängt von den Gehalten an freiem Niob und freiem Titan ab. Typische Streckgrenzen und Zugfestigkeiten bei Raumtemperatur einer 15% Kobalt, 29% Nickel und unter 0,002% Kohlenstoff enthaltenden, an Luft erschmolzenen und vergossenen sowie 48 Stunden bei 65O⁰C ausgehärteten, nicht unter die Erfindung fallenden Legierungen A bis C sowie einer unter die Erfindung fallenden Legierung· 1 sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengestellt.

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Tabelle I

Legierung	Nb	Streckgrenze	Zugfestigkeit
	(%)	(N/mm²)	(N/mm²)
A	O	170	370
1	5	520	650
B	7	720	870
C	8	820	1000

Die Gleichungswerte der Bedingung

) + 0.7 (%Co) - 0.44 /"%Nb + 2.85(%Ti)_7 + %Nb)

lagen für die Legierung A bei 39»5%, für die Legierung 1 bei 37,3%, für die Legierung B bei 36,4% und für die Legierung C bei 35,4%. Die Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, daß steigende Niobgehalte die Streckgrenze erhöhen. Gleichzeitig erhöht sich jedoch auch der Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C auf über 6 · 10" /⁰C mit Ausnahme der Legierung 1 mit einer Streckgrenze über 350 N/mm , deren Ausdehnungskoeffizient unter 6 · 10" /⁰C lag.

Das Niob bewirkt keine so starke Festigkeitserhöhung wie das Titan; so erfordert eine Legierung mit 34% Nickel und 13,5% Kobalt im Vergleich zum Titangehalt einer vergleichbaren Legierung den dreifachen Niobgehalt für dieselbe Festigkeit. Das Niob besitzt jedoch gegenüber dem Titan den Vorteil, daß es den Ausdehnungskoeffizienten bei weitem nicht so stark erhöht wie ein gleicher Titangehalt; so ist beispielsweise der dreifache Niobgehalt erforderlich,· um dieselbe Erhöhung des Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen wie bei einer vergleichbaren titanhaltigen Legierung. Die Legierung enthält 4,1 bis 10% freies Niob, da Niobgehalte außerhalb dieses Bereichs versprödend wirken und die Streckgrenze verringern, während sie ohne merklichen Einfluß auf

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den Ausdehnungskoeffizienten bleiben. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an freiem Niob 5 bis 8%, beispielsweise 5,2%. Obgleich das Titan die Festigkeit erhöht, gehört es nicht zu den für eine hohe Festigkeit unerläßlichen Legierungsbestandteilen, sondern erhöht die Festigkeit lediglich zusätzlich. Enthält die Legierung Titan, dann sollte der Gehalt an freiem Titan 2%, vorzugsweise 1,8% nicht übersteigen, um Mikroseigerungen und eine damit verbundene Versprödung bzw. Beeinträchtigung der Streckgrenze zu vermeiden.

Sofern die Legierung Niob und Titan enthält, darf der Gesamtgehalt an freiem Niob und dem 2,85-fachen des freien Titangehaltes nicht mehr als 10% betragen. Zwar ergibt sich bei einem höheren Gesamtgehalt kein merklicher Einfluß auf den Ausdehnungskoeffizienten, die Streckgrenze wird jedoch vermindert.

Der Nickelgehalt der Legierung beträgt 27 bis 47%. Außerhalb dieser Gehaltsgrenzen liegende Nickelgehalte erhöhen den Ausdehnungskoeffizienten, Vorzugsweise übersteigt der Nickelgehalt jedoch 32% nicht. Um eine optimale Kombination von Festigkeit und Ausdehnungskoeffizient zu erreichen, müssen die Gehalte der Legierung an Nickel, Kobalt, freiem Niob und freiem Titan unabhängig von einem etwaigen Aushärten der Legierung in der obenerwähnten Weise sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.

Bei einer 5% freies Niob und 15,3% Kobalt enthaltenden ausgehärteten Gußlegierung muß der Nickelgehalt 28,3 bis 30,3% betragen, um einen mittleren Ausdehnungskoeffizienten bei 20 bis 300⁰C von unter 5 · 10"⁶/°C zu erreichen. Liegt der Nickelgehalt außerhalb dieser Gehaltsgrenzen, dann kann sich Martensit mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten bilden bzw. erhöht sich der Ausdehnungskoeffizient über 5 · 10~⁶/°C_e

Dem Kobalt kommt im Hinblick auf den Höchstwert des Ausdeh-

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nungskoeffizienten keine entscheidende Bedeutung zu. Legierungen, die jedoch bei Temperaturen über 300⁰C eingesetzt werden, sollten Kobalt enthalten, da das Kobalt bei Temperaturen über 300⁰C zu einer Verringerung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt. Andererseits darf die Legierung jedoch höchstens 16% Kobalt enthalten, da höhere Kobaltgehalte den Ausdehnungskoeffizienten beeinträchtigen. Vorzugsweise enthält die Legierung 5 bis 16%, besser noch 10 bis 15% Kobalt.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich insbesondere zum Herstellen von Peinguß mit hoher Oberflächengüte durch Erschmelzen und Vergießen an Luft. Außerdem besitzt die Legierung zufolge ihres Niobgehaltes im ausgehärteten Zustand ein feinkörniges Gefüge und somit eine hohe Wechselfestigkeit. Verfestigte Nickel-Eisen- und Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierungen ohne Niob und Titan unterliegen der Gefahr einer Bildung von Oberflächenrissen, die teils durch Warmsprödigkeit und teils durch eine geringe Oxydationsbeständigkeit bedingt sind und die mechanischen Eigenschaften in starkem Maße beeinträchtigen. In Anwesenheit von Niob und gegebenenfalls Titan besitzt die Gußlegierung dagegen auch beim Vergießen an Luft eine ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheit.

Um fehlerfreie Gußstücke zu gewährleisten, sollten die Gehalte an Silizium, Mangan und Aluminium sorgfältig eingestellt werden. Siliziumgehalte unter 0,3%, vorzugsweise unter 0,1% erhöhen die Eignung der Legierung zum Vergießen an Luft, während Siliziumgehalte über 0,3% zwar die Streckgrenze erhöhen, andererseits aber auch höhere Ausdehnungskoeffizienten ergeben.

Das Mangan verbessert die Desoxydation, Vergießbarkeit und Streckgrenze; dies geht jedoch auf Kosten des Ausdehnungskoeffizienten, weswegen die Legierung höchstens 0,4% Man-

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gan, im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze aus Ausdehnungskoeffizient vorzugsweise jedoch höchstens 0,3% Mangan enthält.

Auch das Aluminium trägt zu einer Verbesserung der Gußstückqualität beim Schmelzen und Vergießen an Luft bei, wenngleich der Aluminiumgehalt 0,2% nicht übersteigen darf, da sich sonst höhere Ausdehnungskoeffizienten ergeben. Vorzugsweise enthält die Legierung im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient höchstens 0,1% Aluminium.

Selbstverständlich läßt sich die Legierung auch im Vakuum oder unter Inertgas erschmelzen und vergießen. An Luft oder unter Inertgas erschmolzene Legierungen sollten vorzugsweise höchstens 0,1% Magnesium enthalten, um die Gefahr einer Porenbildung durch Magnesiumdampf zu vermeiden. Üblicherweise wird das Magnesium in Form einer Nickel-Magnesium-Vorlegierung zur abschließenden Desoxydation zugesetzt.

Die Erfindung· wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels des näheren erläuterte

Eine Legierung 2 mit 30% Nickel, 15,5% Kobalt, 5,2% freies Niob, unter 0,002% Kohlenstoff, 0,1% Mangan, 0,07% Aluminium und 0,1% Silizium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, mit einem Gleichungswert von 38,56% und einem Gesamtgehalt an Niob und dem 2,85-fachen des Titangehaltes von 5,2% wurde an Luft erschmolzen und zu Feinguß verarbeitet. Die Gußstücke wurden an Luft abgekühlt, 48 Stunden bei 650 C ausgehärtet und mit den aus den nachfolgenden Tabellen II und III ersichtlichen Ergebnissen untersuchte

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Tabelle II

Versuchstemperatur	Zugfestigkeit	Streckgrenze
(⁰C)	(N/mm²)	(N/mm²)
20	720	560
500	540	380

Tabelle III

Versuchstemperatur (⁰C)	Ausdehnungskoeffizient ( χ 10"⁶/°C)
20 - 100	4.9
20 - 200	4.7
20 - 300	4.8
20 - 400	6.5
20 - 500	8.2

Die Daten der vorstehenden Tabellen zeigen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient im ausgehärteten Zustand im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C unter 6 · 10 /⁰C, im Falle der Legierung 2 sogar unter 5 · 10 /⁰C liegt, während die Raumtemperatur-Streckgrenze 350 N/mm übersteigt.

Die beschriebene Gußlegierung eignet sich insbesondere als Werkstoff für Konstruktionsteile, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und bei niedrigem Ausdehnungskoeffizienten eine hohe Festigkeit besitzen müssen, wie beispielsweise rotierende und hin- und herbewegte Maschinenteile wie Turbinenwellen, -schaufeln und Vorverdichter, bei denen geringste Toleranzen bei unterschiedlichsten Temperaturen von beispielsweise Raumtemperatur bis 500⁰C gewährleistet

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sein müssen, wie beispielsweise bei Triebwerken für Land-, See- und Luftfahrzeuge.

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Claims

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S. W. 11 Großbritannien Patentansprüche:

1. Aushärtbare Nickel-Eisen-Gußlegierung mit hoher Streckgrenze und niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, bestehend aus 27 bis 47% Nickel, 0 bis 16% Kobalt, 4,1 bis 10% freies Niob, 0 bis 2% freies Titan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0 bis 0,2% Aluminium und 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, Niob und Titan den Bedingungen

(%Ni) + 0.7(%Co) - 0.44/~%Nb + 2.85(%Ti)_7 - 2(%Ti)/ (%Ti + %Nb) =37 bis 40%

(%Nb) + 2.85(%Ti) ^r 10%

genügen.

2. Gußlegierung nach Anspruch 1, deren Gesamtgehalt an Niob jedoch den freien Niobgehalt um das 7,7-fache des Kohlenstoff gehaltes übersteigt.

3. Gußlegierung nach Anspruch 1, deren Gesamtgehalt an Titan jedoch den freien Titangehalt um das 4-fache des Kohlenstoffgehaltes übersteigt.

4. Gußlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch höchstens 32% Nickel, mindestens 5% Kobalt, 5 bis 8% freies Niob, höchstens 1,8% freies Titan, höchstens 0,04% Kohlenstoff und höchstens 0,3% Mangan enthält.

5. Gußlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, deren Gleichungswert jedoch 39% nicht übersteigt.

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6. Gußlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, deren Kobaltgehalt jedoch 10 bis 15% beträgt.

7. Gußlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, die 1 bis 48 Stunden bei 550 bis 700⁰C ausgehärtet worden ist.

8. Gußlegierung nach Anspruch 7, die jedoch 48 Stunden bei 650⁰C ausgehärtet worden ist.

9· Verwendung einer Legierung nach.einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 als Werkstoff für Gußstücke, die im Temperaturbereich von 20 bis 30O⁰C einen Ausdehnungskoeffizienten unter 6 . 10" /⁰C und eine Streckgrenze über 350 N/mm besitzen müssen.

10, Verfahren zum Herstellen einer aushärtbaren Gußlegierung mit einem Ausdehnungskoeffizienten unter 6 · 10 /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C und einer Streckgrenze über 350 N/mm² bei 20⁰C, bestehend aus 27 bis 47% Nickel, 0 bis 16% Kobalt, 4,1 bis 10% freies Niob, θ bis 2% freies Titan, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0· bis 0,2% Aluminium und 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an Nickel, Kobalt, Niob und Titan entsprechend den Bedingungen.

(%Ni) + 0c7(%Co) - 0.44/~%Nb + 2.85(%Ti)_7 (%Ti + %Nb) =37 bis 40%

und

(%Nb) + 2.85(%Ti) ^ 10%

eingestellt werden.

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