DE2421704C3

DE2421704C3 - Nickel-Eisen-Gußlegierung

Info

Publication number: DE2421704C3
Application number: DE19742421704
Authority: DE
Inventors: David Francis Birmingham Lupton; John Jefferson Willenhal Staffordshire Mason; Peter John Hollywood Birmingham 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: 1980-11-27
Also published as: SE408561B; DE2421704B2; FR2228116B1; GB1410732A; ES425924A1; AU6855174A; FR2228116A1; JPS5030728A; AU476981B2; NL7405968A; DE2421704A1; NL165504C; NL165504B; IT1018649B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Eisen-Gußlegierung mit überwiegend austenitischem Gefüge, hoher Festigkeit und niedrigem Ausdehnungskoeffizienten.

Austenitische Nickel-Eisen-Legierungen mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten sind bekannt; so besitzt beispielsweise eine austenitische Legierung mit 36% Nickel und 64% Eisen im Temperaturbereich von 0 bis etwa 200⁰C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Null. Der Nachteil solcher Nickel-Eisen-Legierungen besteht jedoch darin, daß sie im Temperaturbereich von 20 bis 600⁰C eine geringe Festigkeit besitzen, wenngleich es bekannt ist, die Festigkeit von Knetlegierungen durch einen Zusatz von Titan zu erhöhen, das beim Aushärten eine intermetallische Ausscheidungsphase bildet. Die Festigkeitserhöhung geht jedoch auf Kosten des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, der sich mit zunehmender Festigkeit erhöht. Dies war bei Gußlegierungen in noch stärkerem Maße zu erwarten als bei Knetlegierungen.

Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 3 64 696 auch eine molybdänfreie Eisen-Nickel-Kobalt-Gußlegierung der in Rede stehenden Art mit 23 bis 53% Nickel, 46 bis 70% Eisen, bis 34% Kobalt, fakultativ unter 2% Mangan, Silizium, Aluminium, Titan, Vanadium, Magnesium und Kohlenstoff sowie unter 4,5% Chrom. Die Zusammensetzung der bekannten Legie- &o rung beruht auf der sich auch aus der Firmendruckschrift »Eisen-Nickel-Legierungen Eigenschaften und Bearbeitung«, Herausgeber: International Nickel Deutschland GmbH, 1972, S. 9 und 13, sowie Journal of applied Physics, 1941, S. 698/707 ergebenden Tatsache, daß die Wärmeausdehnung bei Nickel-Kobalt-Eisen-Legierungen von deren Nickelgehalt abhängig ist.

Hiervon ausgehend, basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, daß sich uer Ausdehnungskoeffizient bei im wesentlichen gleichbleibenden Gehalten an Chrom, Molybdän und Wolfram mit dem Nickelgehalt verbessert, bei höheren Nickelgehalten jedoch wieder verschlechtert Dieser Verschlechterung läßt sich mit Hilfe von Molybdän entgegenwirken, das zudem ebenso wie andere Karbidbildner im Zusammenwirken mit Kohlenstoff mit oder ohne ein Aushärten eine hohe Festigkeit gewährleistet, wenn der Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Niob und Wolfram einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Nickel-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Festigkeit zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer überwiegend austenitischen Gußlegierung mit 26,5 bis 28,5% Nickel, 13 bis 15% Kobalt, 0,45 bis 0,55% Kohlenstoff, 0,5 bis 1% Chrom, 0,4 bis 0,6% Vanadium, 0,8 bis 1,2% Molybdän, 0 bis 0,25% Aluminium, weniger als 0,3% Silizium, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 2% Zirkonium, 0 bis 2% Niob, 0 bis 2% Wolfram, 0 bis 0,1% Magnesium, 0 bis 0,05% Kalzium, 0 bis 0,2% Yttrium. Lanthan und Lanthanide, einzeln oder nebeneinander, bis 4% Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Niob und Wolfram, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Gußlegierung jedoch 0,5% Kohlenstoff 0,75% Chrom, 0,5% Vanadium, 1% Molybdän, 0,3% Mangan, 0,2% Aluminium, 14% Kobah und 28% Nickel.

Die erfindungsgemäße Gußlegierung besitzt im Temperaturbereich von 20 bis 35O⁰C einen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 6,5 · 10-⁶/°C; ihre Zugfestigkeit ist eine Funktion der Gehalte an Kohlenstoff einerseits und Karbidbildnern andererseits. Obgleich die Legierung schon im Gußzustand eine hohe Festigkeit, typischerweise bei 500⁰C eine Streckgrenze über 150 N/mm² im Vergleich zu einer herkömmlichen Nickel-Eisen- oder Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung mit einer Streckgrenze von etwa 50 N/mm² besitzt und demzufolge nicht ausgehärtet zu werden braucht, läßt sich die Streckgrenze durch ein Aushärten noch wesentlich erhöhen. So kann die Legierung 1 bis 24 Stunden bei 500 bis 900⁰C, vorzugsweise bei 600 bis 85O⁰C ausgehärtet werden, um die Festigkeit zu erhöhen und den Ausdehnungskoeffizienten zu verringern. Ein zwei- bis vierstündiges Glühen bei 750⁰C oder ein vierstündiges Glühen bei 700° C eignen sich zum Aushärten, wenngleich vorzugsweise 8 bis 24 Stunden bei 700° C oder 2 bis 8 Stunden bei 75O⁰C geglüht wird. Dem Aushärten kann ein Lösungsglühen voraufgehen.

Nickelgehalte außerhalb der angegebenen Gehaltsgrenzen wirken sich praktisch nicht auf die Zugeigenschaften aus, beeinträchtigen jedoch die Stabilität des Austenits. Allerdings erhöht sich mit steigendem Nickelgehalt auch der Ausdehnungskoeffizient.

Bei einem Versuch wurde eine Legierung mit 28% Nickel, 13,8% Kobalt, 0,55% Kohlenstoff, 0,79% Chrom, 1,0% Molybdän, 0,5% Vanadium, 0,22% Silizium, 0,29% Mangan, 0,15% Aluminium, 0,02% Kalzium, 54.68% Eisen, einem Gesamtgehalt an Nickel und ³/a des Kobaltgehaltes von 38,35% sowie einem Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Niob und Wolfram von 2,29% bei einem Verhältnis von Nickel zu Eisen von 0,51 an Luft aus schwedischen Eisenstäben, Elektrolyt-Kobalt und Nickel-Pellets erschmolzen. Die Schmelze wurde durch Eintauchen eines Graphitstabes

bis zur Beendigung des Kochens desoxydiert, wonach Silizium, Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Vanadium, Ferromangan und Aluminium zugesetzt wurden und unmittelbar vor dem Vergießen als Desoxydationsmitte! 0,05% Kalzium in die Schmelze eingetaucht wurden. Die Schmelze wurde alsdann zu Probestäben mit einem Durchmesser von 18 mm vergossen, aus denen Zugproben herausgearbeitet wurden. An den Proben wurde die Zugfestigkeit bei 500° C sowie der Ausdehnungskoeffizient im Gußzustand und nach unterschiedlichem langem Glühen zwischen 2 und 24 Stunden bei 700 bis 750° C untersucht Die dabei ermittelten Ergebnisse sind aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich.

Wärm eben.	Streckgrenze	Ausdehnungskoeffizient (x 10 ⁶/ C)	20-200	C 20-300 C	20-350 C	20-400 C	20-500 C	20-600 C
	(N/mm²)	20-100 C	4.9	4.9	5.3	6.3	8.2	9.8
_	205	5.5	4.0	4.1	4.7	5.9	7.9	9.4
4h/700 C		4.1	4.0	4.0	4.7	5.8	7.9	9.4
8h/7Q0'C		4.1	3.7	3.S	4.5	5.7	7.8	9.4
24h/700 C	262	3.9	4.1	4.1	4.7	5.9	7.8	9.4
2h/750 C		4.6	43	4.3	4.9	6.0	8.0	9.5
4h/750 C	250	4.6	3.6	3.8	4.5	5.7	7.7	9.3
8h/750 C		3.5

Die Daten der Tabelle zeigen, daß eine Wärmebehandlung den Ausdehnungskoeffizient der Legierung verringert und die Streckgrenze erhöht. Gleichwohl besitzt die Legierung auch im Gußzustand eine hohe Festigkeit von 205 N/mm² und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu einer herkömmlichen Legierung mit 42% Nickel, deren Streckgrenze auch nach einer Wärmebehandlung bei 500° C nur etwa 50 N/mm² beträgt. Die Daten der Tabelle zeigen des weiteren, daß die Streckgrenze nach dem Glühen über 200 N/mm² und der Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 350°C bei maxima! 5 · 10 TC liegt.

Das Molybdän wirkt sich in ähnlicher Weise wie das Chrom auf den Ausdehnungskoeffizienten aus, erhöht jedoch die Streckgrenze wesentlich stärken

Die in Rede stehende Legierung kann an Luft oder auch im Vakuum erschmolzen und vergossen werden. Beim Erschmelzen und Vergießen an Luft kommt der Menge der Desoxydationsmittei Silizium, Kalzium, Aluminium, Mangan, Zirkonium und/oder Magnesium einige Bedeutung zu.

Silizium verbessert die Vergießbarkeit an Luft. Höhere Siliziumgehalte erhöhen darüber hinaus die Streckgrenze, gleichzeitig aber auch den Ausdehnungskoeffizienten erheblich. Aus diesem Grunde enthält die Legierung im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient höchstens 0,3% Silizium, wenngleich der Siliziumgehalt so gering wie möglich sein sollte.

Kalzium verhindert eine Gasentwicklung beim Gießen, weswegen die Legierung bis 0,05% Kalzium, beispielsweise 0,02 bis, 0,05% Kalzium enthalten sollte.

Auch das Aluminium trägt dazu bei, daß die Gußstücke beim Erschmelzen und Vergießen an Luft fehlerfrei sind, doch darf der Aluminiumgehalt 0,25% nicht übersteigen, da sich andernfalls eine Erhöhung des Ausdehnungskoeffizienten ergibt. Vorzugsweise übersteigt der Aluminiumgehalt beispielsweise 0,2% nicht, obgleich er beim Erschmelzen und Vergießen an Luft nicht unter 0,1 % liegen sollte.

Das Mangan tragt ebenfalls zur Desoxydation bei, verbessert die Vergießbarkeit und erhöht die Streckgrenze, was jedoch auf Kosten eines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten geht, weswegen die Legierung im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizien* höchstens 0,3% Mangan enthält.

Zirkonium erhöht ebenfalls die Streckgrenze und verhindert eine Gasentwicklung beim Vergießen im Vakuum, erhöht aber andererseits auch den Ausdehnungskoeffizienten. Aus diesem Grunde darf der Zirkoniumgehalt 2% nicht übersteigen und liegt im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient bei höchstens 0,2%.

Auch das Magnesium unterdrückt eine Gasbildung beim Vergießen mit Unterdrücken bis herab zu 2 mm, weswegen die Legierung vorzugsweise bis 0,1% Magnesium enthält, ohne daß die Streckgrenze und der Ausdehnungskoeffizient beeinträchtigt werden. Das Magnesium begünstigt außerdem die Bildung von Kugelgraphit beim Erstarren od^r nachfolgenden Glühen. Lamellarer Graphit führt dagegen zu einer Versprödung, die sich bei Kugelgraphit nicht ergibt. Sofern die Legierung im Vakuum erschmolzen wird, kann es zu einem Verlust an Magnesium und Kalzium infolge Verdampfung kommen. Die Legierung sollte daher beim Erschmelzen unter Vakuum bis 0,2% Yttrium, Lanthan oder Lanthanide einzeln oder nebeneinander enthalten, um die Bildung von Kugelgraphit zu fördern. Besonders geeignet ist ein Zusatz von Mischmetall mit 60% Cer, 35% Lanthan und 5% Seltene Erdmetalle.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich besonders als Werkstoff zum Herstellen von Konstruktionsteilen, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und sowohl einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten als auch eine hohe Festigkeit besitzen müssen. Insbesondere eignet sich die Legierung als Werkstoff für rotierende sowie hin- und herbewegte Maschinentei-Ie, beispielsweise für Turbinenwellen und -schaufeln, die bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 300⁰C oder mehr gleichbleibende Toleranzen besitzen müssen, beispielsweise bei 500 oder auch 600°C. Dies gilt insbesondere für Triebwerke von Land-, See- und Luftfahrzeugen.

Claims

Patentansprüche:

1. Nickel-Eisen-Gußlegierung mit überwiegend austenitischem Gefüge, hoher Festigkeit und niedrigern Ausdehnungskoeffizienten, bestehend aus 26,5 bis 28,5% Nickel, 13 bis 15% Kobalt, 0,45 bis 0,55% Kohlenstoff, 0,5 bis 1% Chrom, 0,4 bis 0,6% Vanadium, 0,8 bis 1,2% Molybdän, 0 bis 0,25% Aluminium, weniger als 0,3% Silizium, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 2% Zirkonium, 0 bis 2% Niob, 0 bis 2% Wolfram, 0 bis 0,1% Magnesium, 0 bis 0,05% Kalzium, 0 bis 0,2% Yttrium, Lanthan und Lanthanide, einzeln oder nebeneinander, bis 4% Gesamtgehalt an Chrom, Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Niob und Wolfram, Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 0,5% Kohlenstoff, 0,75% Chrom, 0.-5% Vanadium, 1% Molybdän, 0,3% Mangan, 0,2% Aluminium, 14% Kobalt und 28% Nickel enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 1 bis 24 Stunden bei 500 bis 900° C geglüht worden ist.

4. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 als Werkstoff für Gegenstände, die bei 500⁰C eine Streckgrenze über 150 N/mm² und im Temperaturbereich von 20 bis 350⁰C einen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 6,5 ■ 10 -"r C besitzen müssen.

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