DE2421680B2

DE2421680B2 - Aushärtbare Nickel-Kobalt-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Streckbarkeit

Info

Publication number: DE2421680B2
Application number: DE19742421680
Authority: DE
Inventors: John Jefferson Willenhall Staffordshire Mason; Peter John Hollywood Birminghamshire Penrice
Original assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON
Current assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1980-05-08
Also published as: AU6855374A; NL7405967A; SE409729B; NL166281B; IT1011325B; DE2421680C3; FR2228117A1; GB1401259A; BE814527A; JPS575867B2; FR2228117B1; ES425925A1; CH602949A5; CA1038205A; JPS5030729A; NL166281C; DE2421680A1

Description

genügen.

2. Gußlegierung nach Anspruch 1, deren Gesamtgehalt an Titan den Gehalt an freiem Titan um das Vierfache des Kohlenstoffgehaltes übersteigt. 2»

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 37% Nickel, 8% Kobalt, 2% freies Titan und 0,5% Niob enthält.

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch 1 bis 24 Stunden bei r> 550 bis 700° C ausgehärtet worden ist.

5. Legierung nach Anspruch 4, die jedoch 24 Stunden bei 650⁰C ausgehärtet worden ist.

6. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Werkstoff für Gegenstände, i» die im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 · 10 ^h/^cC im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C und bei 20° eine Sireckgrenze über 350 N/mm' besitzen müssen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Streckgrenze zur Verwendung bei Temperaturen bis etwa 600°C.

Nickel-Eisen-Gußlegierungen mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten sind bekannt; so besitzt beispielsweise eine 36% Nickel und 64% Eisen enthaltende Legierung im Temperaturbereich von 0 bis etwa 200°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Null. Andererseits weisen diese Nickel-Eisen-Legierungen im Temperaturbereich von 20 bis 600°C eine niedrige Festigkeit auf, wenngleich sich die Festigkeit durch einen Titanzusatz und Aushärten erhöhen läßt.

Bekannte Kn-'tlegierungen enthalten daher 0,75 bis 2,5% Titan. Durch umfangreiche Versuche konnte nun festgestellt werden, daß eine vergleichbare Erhöhung der Festigkeit bei einer Gußlegierung wesentlich höhere Titangehalte von 1,5 bis 5% erfordert. Die damit erreichbare Festigkeitssteigerung geht jedoch auf Kosten des Ausdehnungskoeffizienten, der sich mit steigendem Titangehalt erhöht.

Eine 20 bis 70% Nickel, 10 bis 60% Kobalt, 0,5 bis 10% Titan und 5 bis 50% Eisen enthaltende Stahllegierung, die bei den Kobaltgehalt übersteigendem Nickelgehalt mehr als 50% Nickel und Kobalt enthalten muß, ist aus der US-Patentschrift 20 18 520 bekannt; sie soll eine hohe Dehngrenze, Zugfestigkeit, Kriechfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzen.

h^r> schrift 2 35 327 eine korrosionsbeständige und hochfeste Stahllegierung mit 18 bis 30% Nickel, 1,5 bis 9% Alumimium und/oder Titan, bis 20% Kobalt, bis 2% Niob, bis 0,25% Vanadium, bis 0,1% Kohlenstoff, bis 1,0% Kohlenstoff, bis 1,0% Mangan, bis 0,5% Silizium, bis 0,1 % Kalzium, bis 0,1 % Bor und bis 0,1 % Zirkonium. Über das Ausdehnungsverhalten der beiden bekannten Stahllegierungen ist jedoch nichts bekannt.

Eine in der US-Patentschrift 22 66 481 beschriebene aushärtbare Stahllegierung mit 39,3 bis 44,3% Nickel, 2 bis 3,5% Titan und 0.001 bis 0,07% Kohlenstoff soll bei in bestimmter Weise aufeinander abgestimmten Gehalten an Titan, Nickel, und Kohlenstoff ein gutes Ausdehnungsverhalten besitzen und sich in Abhängigkeit vom Nickelgehalt auf eine bestimmte Wendetemperatur einstellen lassen. Außer bis 1,5% Mangan, bis 1,5% Silizium und bis 1,0% Aluminium kann die Legierung auch noch bis etwa 5% Kobalt enthalten, ohne daß aufgezeigt wird, in welcher Weise sich das Kobalt auf die Werkstoffeigenschaften auswirkt.

Aus »Journal Applied Physics, 1941₁S. 698/707« ergibt sich weiterhin, daß der mittlere Ausdehnungskoeffizient einer 28% Nickel, 18% Kobalt und 54% Eisen enthaltenden Stahllegierung von den Gehalten an Nickel und Kobalt abhängig ist.

In welchem Zusammenhang das mit der Festigkeit der Stahllegierung steht, bleibt jedoch offen.

Schließlich läßt sich nach einem sich aus der deutschen Patentschrift 23 32 576 ergebenden älteren Vorschlag eine Nickel-Kobalt-Eisen-Knetlegierung mit 12 bis 16% Kobalt. 1,75 bis 2,5% freiem Titan, 26 bis 39% Nickel, 0 bis 2% Kupfer und unter 0.05% Kohlenstoff bei in bestimmter Weise aufeinander abgestimmten Gehalten an Nickel, Kobalt und Titan im ausgehärteten Zustand für Gegenstände verwenden, die eine hohe Warmfestigkeit sowie im Temperaturbereich von 20 bis 300"C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,0 bis 5,0 χ 10 ¹V⁰C besitzen müssen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine aushärtbare Nickel-Kobali-Eiscn-Gußlegierung zu schaffen, die sich durch einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine hohe Streckgrenze auszeichnet und zur Verwendung bei Temperaturen bis etwa 600"C geeignet ist. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der Feststellung, daß sich die an sich widerstreitenden Forderungen nach einer hohen Festigkeit einerseits und einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten andererseits miteinander in Einklang bringen lassen, wenn bei einer innerhalb sehr enger Gehaltsgrcnzen zusammengesetzten niobhaltigen Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung die Gehalte an Nickel, Kobalt,Titan und Niob in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt sind.

Demgemäß besteht die Lösung der vorerwähnten Aufgabe in ckiui .Stahllegierung mit 36,5 bis 37,5% Nickel, 7,5 bis 8,5% Kobalt, 1,9 bis 2,2% freiem Titan, 0,3 bis 0,6% Niob, 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, freiem Titan und Niob der Bedingung

(% Ni) + 0,7 (% Co) - 1,25 [% Ti + 0,35 (% Nb)] -2 (% Ti)/(% Ti + % Nb) = 37 bis 39%

genügen.

Die Anwesenheit von Silizium, Mangan, Magnesium und/oder Aluminium ist besonders günstig, wenn die Legierung an Luft erschmolzen oder vergossen wird.

Besondere Vorteile besitzt eine Gußlegierung mit 37% Nickel. 8% Kobalt, 2% freies Titan, 0,5% Niob, höchstens 0,04% Kohlenstoff, höchstens 0,3% Silizium, höchstens 0,2% Aluminium und höchstens 0,3% Mangan. ">

Die hohe Festigkeit der vorerwähnten Gußlegierung ist durch eine sich beim Aushärten bildende Nij(Ti)-Ausscheidungsphase bedingt, in die karbidisches Titan nicht eingeht. Aus diesem Grunde kommt es entscheidend auf den Gehalt an freiem, d.h. nicht an Kohlenstoff in gebundenem Titan an und übersteigt der Gesamtgehalt an Titan vorzugsweise den Gehalt an freiem Titan um das 4fache des Kohlenstoffgehaltes, der jedoch 0,1% nicht übersteigen darf und vorzugsweise höchstens 0,04%, besser noch höchstens 0.02% oder gar 0.002% π beträgt.

Die in Rede stehende Legierung wird vorzugsweise 1 bis 24 Stunden bei 550 bis 700°C ausgehärtet, wobei die optimale Glühtemperatur vom Gehalt an freiem Titan abhängig ist. Bei niedrigeren Gehalten an freiem Titan jo lassen sich optimale technologische Eigenschaften durch ein Glühen im unteren Teil des angegebenen Temperaturbereichs, beispielsweise durch ein 24stündiges Glühen bei 575 bis 625°C erreichen, während das Glühen bei höheren Gehalten an freiem Titan _>-, vorzugsweise im oberen Teil des angegebenen Temperaturbereichs stattfindet wie beispielsweise im Falle eines 24stündigen Glühens bei 625 bis 675' C, vorzugsweise bei 650⁰C. Ein 5stündiges Glühen bei 650⁰C führt zu einem leicht erhöhten Ausdehnungskoeffizienten und in etwas niedrigerer Streckgrenze, was jedoch in vielen Fällen ohne Bedeutung ist. Darüber hinaus läßt sich für zahlreiche Anwendungsfälle eine ausreichende Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient auch ohne ein besonderes Aushärten erreichen, wenn r> die Gußstückabmessungen ausreichend sind und/oder das Gußstück im Temperaturbereich des Aushärtens langsam genug abgekühlt wird. Dem Aushärten kann auch ein Lösungsglühen voraufgehen.

Die Zugfestigkeit der Gußlegierung ist abhängig vom Gehalt an freiem Titan. So ist näherungsweise der doppelle Tilangchalt erforderlich, um einer ausgehärteten Gußlegierung dieselbe Festigkeit zu verleihen, wie einer entsprechenden ausgehärteten Knetlegierung. Die in Rede stehende Gußlegierung muß daher 1.9 bis 2,2% r. freies Titan enthalten.

Von entscheidender Bedeutung für eine optimale Kombination von Festigkeit und Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 300°C ist die gegenseitige Abhängigkeit der Gehalte an Nickel und -,o freiem Titan. Um dem Rechnung zu tragen, müssen die Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der obenerwähnten Bedingung genügen bzw. deren Gleichungswerl. Ausgehärtete Gußlegierungen, die dieser Bedingung nicht genügen, können zwar je nach ihrem , > Titangehalt bei 20" C eine Streckgrenze über 350 N/mm-' erreichen, jedoch nicht einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 · 10 'VC im Temperaturbereich von 20 bis 300° C.

Die in Rede stehende Legierung enthält 7,5 bis 8,5% _Wi beispielsweise 8% Kobalt, da das Kobalt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere im Temperaturbereich von 300bis600°C vermindert.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich

insbesondere als Werkstoff zum Herstellen verwickel- _h-,

ter Feingußstücke mit ausgezeichneter Oberfläche und demzufolge niedrigen Bearbeitungskosten. Nickel-

PicAn- ιιηΗ WiflipJ-Fjcon. kTriKplt-rjllftji^oipriintTf*!! rljn S(M)

kein Titan enthalten, unterliegen der Gefahr von Oberflächenrissen, die teils durch Warmsprödigkeit und teils durch eine geringe Oxydationsbeständigkeit bedingt sind. Solche Oberflächenrisse beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Wechselfestigkeit. Dem wirkt jedoch die Anwesenheit von Titan entgegen, so daß Gußstücke aus einer titanhaltigen Legierung der in Rede stehenden Art eine weitaus bessere Oberflächenbeschaffenheit besitzen als titanfreie Legierungen. Die gute Oberflächenbeschaffenheit ist besonders bemerkenswert bei Gußstücken mit hohem Gehalt an freiem Titan, von beispielsweise mindestens 2%.

Um fehlerfreie Gußstücke herzustellen, sollten die Gehalte an Silizium, Mangan und Aluminium sorgfältig eingestellt werden. Silizinmgehalte unter 0,3%, vorzugsweise unter 0,1% verbessern die Vergießbarkeil an Luft, während Siliziumgehalte über 0,3% zwar die Streckgrenze erhöhen, darüber hinaus aber nachteiligerweise auch zu einem höheren Ausdehnungskoeffizienten führen.

Das Mangan verbessert die Desoxydation, Vergießbarkeit und Streckgrenze; dies geht jedoch auf Kosten eines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, weswegen der Mangangehalt 0,4% nicht übersteigen darf und für eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient höchstens 0,3% beträgt.

Auch das Aluminium trägt zur Verbesserung der Gußstückqualität beim Erschmelzen und Vergießen an Luft bei, wenngleich Aluminiumgehalte über 0,2% den Ausdehnungskeffizienten erhöhen. Im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient sollte der Aluminiumgehalt daher 0,1% nicht übersteigen.

Obgleich sich die Legierung an Luft erschmelzen und vergießen läßt, wird sie doch vorzugsweise im Vakuum oder unter Inertgas erschmolzen und vergossen. Sofern die Legierung an Luft unter Inertgas erschmolzen und vergossen wird, sollte sie vorzugsweise höchstens 0,1% Magnesium enthalten, um das Entstehen von Magnesiumdampf und Poren zu vermeiden. Üblicherweise wird das Magnesium als Nickel-Magnesium-Vorlegiciung zur abschließenden Desoxydation zugesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

Beispiel

Eine Legierung mit 37,3% Nickel, 7,9% Kobalt, 2,02% freiem Titan, 0,54% Niob, 0,002% Kohlenstoff und 0,05% Aluminium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingtcr Verunreinigungen Eisen mit einem Gleichungswert von 38,49% wurde im Vakuum erschmolzen und bei 1500 bis 1550"C zu Feingußstücken vergossen. Die Feingußstücke wurden 24 Stunden bei 650⁰C ausgehärtet und anschließend mit den aus den nachfolgenden Tabellen I und Il ersichtlichen Ergebnissen untcrsuchl.

Tabelle I

Versuchs- Zuglestigkeit Streckgrenze Dehnung

temperatur

( C) (N/miir) (N/mnr) (%)

820
ή SO

710
SlO

rabelle !I	Ausdehnungskoeffizient
Versuchslcmperatur	(x 10"/ C)
[ O	4.3
20-100	4.5
20 - 200	4.6
20-300	4.9
20 - 350	6.0
20-400

Die Daten der vorstehenden Tabellen 1 und 11 zeigen, daß die Versuchslegierung im Temperaturbereich von 20 bis 300°C einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5- 10 "/⁰C und bei 20^C eine Streckgrenze über 350 N/mm^Jbesitzt.

Die Legierung eignet sich insbesondere als Werksu ff für Konstruktionsteile zur Verwendung bei hohen Temperaturen, die eine hohe Festigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzen müssen. So eignet sich die Legierung beispielsweise als Werkstoff für Gegenstände wit beispielsweise Kolbenboden von Schiffs-Dieselrrotoren und Aluminiumguß-Formen sowie für rotierende oder hin- und herbewegte Maschinenleile, wie beispielsweise Turbinenwellen und -schaufeln, die im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300°C und mehr, beispielsweise bis 500 C gleichbleibende und enge Toleranzen besitzen müssen. Dies gilt insbesondere fur Triebwerke von Land-. See- und Luftfahrzeugen.

Claims

Patentansprüche:

1. Aushärtbare Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung, bestehend aus 36,5 bis 37,5% Nickel, 7,5 bis > 8.5% Kobalt, 1,9 bis 2,2% freiem Titan, 0,3 bis 0,6%Niob, 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, in deren Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der Bedingung

(% Ni) + 0,7 (% Co)

- 1,25 [% Ti + 0,35 (% Nb)]
- 2 (% Ti) / (% Ti + % N b) = 37 bis 39%