DE2437690A1

DE2437690A1 - Ausscheidungshaertbare nickelbasislegierung

Info

Publication number: DE2437690A1
Application number: DE2437690A
Authority: DE
Inventors: Rikizo Watanabe
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1973-08-08
Filing date: 1974-08-05
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2437690B2; US3941590A; JPS5631344B2; SE7410111L; JPS5038627A; DE2437690C3; SE410324B; GB1481029A

Description

τζ sen·

, Mo'nchen ₂₂, Steinsdorf.tr. IO 2437690

81-23.oiop-is

.5. August I974

HITACHI METALS, LTD., Tokio (Japan)

Ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung

Die Erfindung bezieht sich auf eine ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung mit einer guten Warmformbarkeit und einer hohen Kriechbruchfestigkeit bzw. Dauerstandfestigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000 °C.

Werkstoffe für Wärmeaustauscher von Hochtemperaturgasöfen zur Eisenherstellung mittels Kernkraft erfordern eine höhe Festigkeit bei hoher Temperatur sowie eine gute Warm verformbarkeit. Im Fall der bekannten ausscheidungshärtenden Nickelbasislegierungen sind diejenigen, die eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000 C

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aufweisen, von niedriger Warmverformbarkeit, und jene, die eine gute Warmverformbarkeit aufweisen, haben keine ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung zu entwickeln, die sowohl eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000 C als auch eine hohe Warmverformbarkeit aufweist und sich für Werkstoffe der Wärmeaustauscher von Hochtemperaturgasöfen zur Eisenherstellung mittels Kernkraft verwenden läßt.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung mit Zusätzen von Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Kobalt, Aluminium, Titan, Bor und Zirkonium, mit dem Kennzeichen, daß sie gewichtsmäßig aus höchstens 0,2 % Kohlenstoff, 17 - 19 % Chrom, 3,5 - 4,5 % Molybdän, 5 - 7 % Wolfram, 5 - 15 % K bait, 1,75 - 2,25 % Aluminium, 2 - 3,5 % Titan, höchstens 0,02 % Bor, höchstens 0,3 % Zirkonium, Rest Nickel und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

Der Kohlenstoff verbindet sich in dieser Legierung mit dem Titan unter Bildung eines Karbids des MC-Typs und verhindert eine Vergröberung der Kristallkörner unter Verfestigung der Korngrenzen, weshalb der Kohlenstoff in geringer Menge erforderlich ist. Wenn die Kohlenstoffmenge 0,2 Gew.-% übersteigt, bildet sich eine übermäßige Karbidmenge, die zur Beeinträchtigung der Warmverformbarkeit der Legierung führt. Daher wird die Kohlenstoffmenge erfindungsgemäß auf 0,2 Gew.-% oder weniger beschränkt. Vorzugsweise beträgt der Kohlenstoffgehalt höchstens 0,1 Gew.-^.

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Chrom ist wesentlich für die Oxydationsbeständigkeit der Legierung und muß zum Erreichen einer guten Oxydationsbeständigkeit in einer Menge von wenigstens 17 Gew.-% vorliegen, während bei Überschreitung eines Chromgehalts von 19 Gew.-% das Gefüge der Legierung instabil wird und sich die Bildung einer unerwünschten intermetallischen Verbindung, wie z. B. (5-Phase beschleunigt. Daher ist der Chromgehalt erfindungsgemäß auf 17 - 19 Gew.-% begrenzt. Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt 17,5 - 19 Gew.-%.

Molybdän ist hauptsächlich in der Matrix der Legierung unter Festlösungsverstärkung der Legierung gelöst, und hierzu werden wenigstens 3,5 Gew.-% Molybdän benötigt. Wenn der Molybdängehalt jedoch 4,5 Gew.-% übersteigt, wird das Gefüge instabil. Daher soll der Molybdängehalt erfindungsgemäß 3,5 - 4,5 Gew.-% betragen.

Auch Wolfram ist in der Matrix der Legierung unter Festlösungsverstärkung derselben gelöst und löst sich gleichzeitig in der primären T-Phase in fester Lösung unter deren Verfestigung. Dazu sind wenigstens 5 Gew.-% Wolfram erforderlich, doch verursacht ein Wolframgehalt von mehr als 7 Gew.-% eine InStabilisierung des Gefüges, weshalb ein so hoher Gehalt zu vermeiden ist. Der Wolframgehalt der erfindungsgemäßen Legierung ist daher auf 5-7 Gew.-% beschränkt. Der Vorzugsbereich des Wolframgehalts beträgt 5,5 - 6,5 Gew.-%.

Kobalt ist ebenfalls in der Matrix der Legierung unter Verfestigung derselben gelöst. Hierzu sind mindestens 5 Gew.-% Kobalt erforderlich, doch machen mehr als 15 Gew.-% Kobalt das Gefüge instabil. Daher ist der Kobaltgehalt der erfindungsgemäßen Legierung auf 5-15 Gew.-% begrenzt. Der Vorzugsbereich von Kobalt beträgt 8-12 Gew.-%.

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Aluminium ist ein zur Bildung der primären 2f-P^{nase un}d ^zur Ausscheidungshärtung der Legierung wesentliches Element. Wenigstens 1,75 Gew.-% Aluminium sind zur Erzielung einer ausreichenden Ausscheidung shärtbarkeit der Legierung erforderlich, doch ergibt sich bei einem 2,25 Gew.-% übersteigenden Aluminiumgehalt eine Instabilität des Gefüges der Legierung, wobei gleichzeitig die Warm verformbarkeit der Legierung sinkt. Daher wird der Aluminiumgehalt der erfin- · dungsgemäßen Legierung auf 1,75 - 2,25 Gew.-% beschränkt und beträgt vorzugsweise 1,8 - 2,2 Gew.-%.

Titan löst sich in der primären Jf-Phase in fester Lösung unter Erhöhung der Gitterkonstante und Erreichung einer Gitterkonformität zwischen der primären T-Phase und der Matrix. Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist auch Titan ein wesentliches Element der Legierung. Dabei sind wenigstens 2,0 Gew.-% Titan erforderlich, doch führen mehr als 3,5 Gew.-% Titan zu einem übermäßigen Anwachsen der Y" -Phase, wodurch die Warm verformbarkeit der Legierung verschlechtert wird und außerdem die Gitterkonstante der primären f-Phase übermäßig steigt, so daß sich eine Verminderung der Gitterkonformität zwischen der primären ^T -Phase und der Matrix ergibt. Daher wird der Titangehalt der erfindungsgemäßen Legierung auf 2,0 - 3,5 Gew.-% begrenzt. Der Vorzugsbereich des Titangehalts beträgt 2-3 Gew.-%.

Bor ist in geringer Menge erforderlich, da es die Korngrenzen verstärkt* und die Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen verbessert. Indessen rufen mehr als 0,02 Gew.-% Bor ein Absinken der Schmelztemperatur der Korngrenzen und eine Verringerung der Warmverformbarkeit hervor. Daher wird der Borgehalt erfindungsgemäß auf

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höchstens 0,02 Gew.-% begrenzt. Vorzugsweise beträgt der Borgehalt nicht mehr als 0,01 Gew.-%.

Zirkonium ist in geringer Menge erforderlich, da es wie Bor die Korngrenzen verfestigt und die Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessert. Jedoch verursachen mehr als 0,3 Gew.-% Zirkonium einen Abfall der Schmelztemperatur der Korngrenzen und eine Verringerung der Warmverformbarkeit. Daher wird erfindungsgemäß der Zirkoniumgehalt auf höchstens 0,3 Gew.-% begrenzt. Der bevorzugte Bereich des Zirkoniumgehalts geht bis höchstens 0,15 Gew.-%.

Die Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen von Probelegierungen, die zum Vergleichen der Festigkeit der Legierungen gemäß der Erfindung bei hohen Temperaturen mit derjenigen der entsprechenden bekannten Legierung verwendet wurden. Die in der Tabelle 1 angegebene bekannte Legierung ist die festeste Legierung unter den bekannten ausscheidungshärtenden Nickelbasislegierungen mit einer ausreichend hohen Warmverformbarkeit als Werkstoff für Wärmeaustauscher. Die Probelegierungen gemäß der Erfindung zeigten eine gute Schmiedbarkeit, die der der bekannten Legierung nach der Tabelle 1 beim Schmieden im tatsächlichen Betrieb gleich oder überlegen ist.

	(2)	0	C	Tabelle	1	1	(Gew.-%)	Co	Al	Ti	3	0	B	Zr	05	Ni
		0	,04	Cr	Mo	0	W	10,1	2,0	2,	4	0	,003	0.	05	Rest
Erfindung s- gemäße Legierung (l)		0	,05	18,0	4,	6	5,8	10,7	2,1	2,	1	0	,004	0	,11	Il
It			,12	18,9	4,	5,8	25,2	2,9	2,			,002	0		Il
Bekannte Legierung	18,1	3,	-

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Die beiden erfindungsgemäßen Legierungen nach der Tabelle 1 wurden drei alternativen Wärmebehandlungen unterworfen, wie sie in der Tabelle 2 aufgeführt sind. Die bekannte Legierung wurde der üblichen Wärmebehandlung, nämlich 1205 °C χ 2h AC + 870 °C χ 24 h AC unterworfen. ("AC" bedeutet Luftabkühlung.) Anschließend wurden diese Legierungen den Prüfungen zur Ermittlung der Bruchlebensdauer, Dehnung und Kontraktion entsprechend der Tabelle 3 unterworfen.

Tabelle 2

Behandlung
A
B
C

1200 °C χ 2 h AC + 1020 °C χ 4 h AC 1200 °C χ 2 h AC + 1050 °C χ 4 h AC 1200 °C χ 2 h AC + 1080 °C χ 4 h AC

In der Tabelle 3 sind die Ergebnisse von Kriechbruchfestigkeitsversuchen (Dauer Standfestigkeit) bei einer Belastung von 5 kg/mm bei 1000 C angegeben. Aus der Tabelle 3 ist zu entnehmen, daß die beiden erfindungsgemäßen Legierungen eine weit höhere Festigkeit bei hoher Temperatur als die bekannte Legierung aufwiesen.

	Bekannte Legierung	Quer schnitts- form	Tabelle :	3	Bruch lebens dauer (h)	Dehnung (%>	Kontraktion (%)
Legierung		15 mm Quadrat	Wärme behand lung	208	46	44
Erfindungs- gem. Leg. (l)		Il	A	258	30	37
(1)	Il	B	221	42	41
(D	60 mm Quadrat	C	360	41	39
(2)	22 mm 0	B	342	50	44
(2)	25 mm Quadrat	B	38	64	83
50b		782
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Claims

Patentansprüche

1. Ausscheidungshärtbare Nickelbasislegierung mit Zusätzen von Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Kobalt, Aluminium, Titan, Bor und Zirkonium, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig aus höchstens 0,2 % Kohlenstoff, 17 - 19 % Chrom, 3,5 - 4,5 % Molybdän, 5 - 7 % Wolfram, 5 - 15 % Kobalt, 1,75 - 2,25 % Aluminium, 2 - 3,5 % Titan, höchstens 0,02 % Bor, höchstens 0,3 % Zirkonium, Rest Nickel und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

2. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig aus höchstens 0,1 % Kohlenstoff, 17,5 - 19 % Chrom, 3,5 - 4,5 % Molybdän, 5,5 - 6,5 % Wolfram, 8 - 12 % Kobalt, 1,8 - 2,2 % Aluminium, 2,0 - 3,0 % Titan, höchstens 0,01 % Bor, höchstens 0,15 % Zirkonium, Rest Nickel und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

3. Nickelbasislegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig aus etwa 0,05 % Kohlenstoff, etwa 18 % Chrom, etwa 4 % Molybdän, etwa 6 % Wolfram, etwa 10 % Kobalt, etwa 2 % Aluminium, etwa 2,5 % Titan, etwa 0,003 % Bor, etwa 0,07 % Zirkonium, Rest Nickel und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

4. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Leguerung zuerst

2 Stunden auf 1200 °C erhitzt, an Luft abgekühlt, anschließend meh-

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rere Stunden auf eine niedrigere Temperatur erhitzt und an Luft abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Erhitzung etwa 4 Stunden auf 1020 bis 1080 °C durchgeführt wird.

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