DE2421680C3

DE2421680C3 - Aushärtbare Nickel-Kobalt-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Streckbarkeit

Info

Publication number: DE2421680C3
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: 1981-01-15
Also published as: CH602949A5; ES425925A1; FR2228117B1; NL166281C; NL7405967A; JPS5030729A; JPS575867B2; AU6855374A; SE409729B; GB1401259A; DE2421680B2; NL166281B; DE2421680A1; CA1038205A; BE814527A; FR2228117A1; IT1011325B

Description

genügen.

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

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 37% Nickel, &% 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 550 bis 700° C ausgehärtet worden ist.

5. Legierung nach Anspruch 4, die jedoch 24 Stunden bei 650° C ausgehärtet worden ist.

6. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Werkstoff für Gegenstände, die im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 · 10 "/⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300° C und bei 20° eine Streckgrenze über 350 N/mm' besitzen müssen.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Eisen-Kobalt-Gijßlegierung 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 200⁰C 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 Knetlegierungen enthalten daher 0.75 bis 23% 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 erhöhe bo

Eine 20 bis 70% Nickel, 10 bis 60% !Cobalt, 0,5 bis IÖ% Titan und 5 bis 50% Eiseri enthaltende Stahllegierung, die bei den Köbältgehalt 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, Kfiechfestigkeif und KörrösiönsbestätidigkeU besitzen, Des weiteren beschreibt die österreichische Patentschrift 2 35 327 eine korrosionsbeständige und hochfeste Stahllegierung mit 18 bis 30% Nickel, 1,5 bis 9% Aluminium 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. Ober 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 443% 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 13% Λ'-angan, 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 Kubail auf die Werkxiuficigcrtsehäiien auswirkt

Aus »Journal Applied Physics, 1941, S. 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 23% 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 VCbesitzen müssen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine aushärtbare Nickel-Kobalt-Eisen-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 bri"gen lassen, wenn bei einer innerhalb sehr enger Gehaltsgrenzen 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 einer 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 Fisen. deren Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der Bedingung

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

genügen.

Die Anwesenheit Von Silizium, Mangan, Magnesium ünd/ödef 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 Ni₃(Ti)-AuS-scheidungsphase bedingt, in die karbidisches Titan nicht eingeht Aus diesem Grunde kommt es entscheidend auf den Gehalt an freiem, d.h. nicht an Kohlenstoff 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% beträgt

Die in Rede stehende Legierung wird vorzugsweise 1 bis 24 Stunden bei 550 bis 700° C ausgehärtet, wobei die optimale Glühteruperatur vom Gehalt an freiem Titan abhängig ist Bei niedrigeren Gehalten an freiem Titan 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 err Mj ten Ausdehnungskoeffizienten und etwas niedrigerer Streckgrenze, was jedoch in vielen Fällen ohne Bedeutung ist Darüber ninaus läßt sich für zahlreiche Anwendungsfälle eine ausreichende Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient auch ohne ein besonderes Aushärten erreichen, wenn 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 doppelte Titangehalt 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% 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 freiem Titan. Um dem Rechnung zu tragen, müssen die Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der obenerwähnten Bedingung genügen bzw. deren Gleichungswert. Ausgehärtete Gußlegierungen, die dieser Bedingung nicht genügen, kennen zwar je nach ihrem Titangehalt bei 20" C eine Streckgrenze über 350 N/mm' erreichen, jedoch nicht einen Ausdehnung* koeffi/ientep unter 5 ■ 10 VC im Temperaturbereich von 20 bis 300°C

Die in Rede stehende Legierung enthält 7,5 bis 8,5% beispielsweise 8% Kobalt, da das Kobalt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere im Tem^ peratürbereich von 300 bis 600⁰C vermindert.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich insbesondere als Werkstoff zum Herstellen Verwickelter Feingußstücke mit ausgezeichneter Oberfläche und demzufolge niedrigen Bearbeitungskosten. Nickel· Eisen-· und Nicke^Eisen^KobaltOUBIegierUrigen, die 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

ίο titanfreie Legierungen. Die gute Oberflächenbeschaffenheit ist besonders bemerkenswert bei Gußstücken mit hohem Gehalt an freiem Titan, von beispielsweise mindestens 2%.

Jm fehlerfreie Gußstücke herzustellen, sollten die Gehalte an Silizium, Mangan und Aluminium sorgfältig eingestellt werden. Siliziumgehalte unter 0,3%, vorzugsweise unter 0,1 % verbessern die Vergießbarkeit au Luft, während Siliziumgehalte über 03% 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 03% 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 urd vergossen. Sofern die Legierung an Luft unter Inertgas . rschmolzen 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-Vorlegierung zur abschließenden Desoxydation zugesetzt.

Die Erfindung wr . 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 erschmelzungsbedingter 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 ausgehär tet und anschließend mit den aus den nachfolgenden Tabellen I und II ersichtlichen Ergebnissen untersucht.

6o Tabelle I	Zugfestigkeit (N/mm²)	Streckgrenze (N/mm²)	Dehnung (%)
Versüchs- temperatuf , CG)	820 650	710 510	5 9
20 500

Tabelle II

Versuchstemperatur	Ausdehnungskoeffizient
(O	(X 10~⁶/ C)
20 -100	4.3
20-200	4.5
20-300	4.6
20-350	4.9
20-400	6.0

Die Daten der vorstehenden Tabellen I und II zeigen, daß die Versuchslegierung im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C einen Ausdehnungskoeffizienten unter

5-10 VC und bei 20⁰C eine Streckgrenze über 350 N/mm³ besitzt.

Die Legierung eignet sich insbesondere als Werkstoff 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 wie beispielsweise Kolbenboden von Schiffs-Dieselmotoren und Aluminiumguß-Formen sowie für rotierende oder hin- und herbewegte Maschinenteile, wie beispielsweise Turbinenwellen und -schaufeln, die im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 300⁰C und mehr, beispielsweise bis 500⁰C gleichbleibende und enge Toleranzen besitzen müssen. Dies gilt insbesondere für Triebwerke von Land-, See- und Luftfahrzeugen.

Claims

15 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, 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%