DE2437690B2

DE2437690B2 - Verwendung einer aushärtbaren Nickellegierung

Info

Publication number: DE2437690B2
Application number: DE2437690A
Authority: DE
Inventors: Rikizo Yasugi Watanabe (Japan)
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1973-08-08
Filing date: 1974-08-05
Publication date: 1978-09-07
Also published as: GB1481029A; DE2437690A1; JPS5038627A; US3941590A; SE410324B; JPS5631344B2; DE2437690C3; SE7410111L

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer aushärtbaren Nickellegierung mit einer guten Warmformbarkeit und einer hohen Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000° C.

Werkstoffe für Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem Kernreaktor-Hochtemperaturkühlmittel und einem der Erhitzung eines Eisenerzreduktionsgases in einem Eisengewinnungsofen dienenden, getrennten Gas erfordern eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur sowie eine gute Warmverformbarkeit. Im Fall der bekannten ausscheidungshärtenden Nickellegierungen sind vielfach diejenigen, die eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000°C aufweisen, von niedriger Warmverformbarkeit, und jene, die eine gute Warmverformbarkeit aufweisen, haben keine ausreichende Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Aus der GB-PS 13 18 267 ist eine aushärtbare Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung aus 10 bis 25% Chrom, 10 bis 25% Kobalt, 0 bis 7% Molybdän, 0 bis 6% Wolfram, 1,5 bis 7% Aluminium, 1,5 bis 7% Titan, 0,01 bis 0,1% Kohlenstoff, 0,003 bis 0,02% Bor, 0 bis 0,08% Zirkonium und Rest Nickel mit eventuellen weiteren Wahlkomponenten bekannt, die als hochwarmfeste Legierung für den Gasturbinenbau verwendbar ist. In dieser Legierung muß außerdem obligatorisch eine wesentliche Menge einer topologisch dichtgepackten Phase in einer im wesentlichen äquiaxialen Morphologie vorliegen, so daß ihre Warmverformbarkeit relativ mäßig ist.

Die DE-PS 8 36 570 beschreibt Legierungen, die denen nach der GB-PS 13 18 267 ähnlich sind, aber noch weitere Zusatzbereichsgrenzen aufweinen und zum Herstellen von Metallgegenständen hoher Kriechfestigkeit verwendbar sind.

Aus der DE-OS 19 40 823 ist es weiter bekannt, daß eine ausscheidungshärtbare Nickellegierung aus 0,02 bis 0,40% Kohlenstoff, 8 bis 22% Chrom, 0 bis 9,0% Molybdän, 0 bis 7% Wolfram, 0,5 bis 6% Kobalt, 0,2 bis 6,5% Aluminium, 0 bis 3% Titan, 0 bis 0,05% Bor, 0 bis 0,2% Zirkonium, Rest Nickel, ein gegenüber der Ausbildung der Sigmaphase stabiles Gefüge aufweist und das Kobalt bei einem Gehalt über etwa 5 bis 6% aktiv zur Ausbildung der Sigmaphase beiträgt

Die US-PS 29 20 956 offenbart, daß Legierungen aus 0 bis 0,50% Kohlenstoff, 4 bis 30% Chrom, 0 bis 30% Molybdän, 0 bis 15% Wolfram, 0 bis 30% Kobalt, 0 bis 8% Aluminium, 0 bis 8% Titan, 0,0005 bis 0,05% Bor, 0,005 bis 0,5% Zirkonium und 35 bis 90% Nickel eine hohe Duktilität besitzen.

Ähnliche Legierungen weisen schließlich nach der FR-PS 11 06 620 eine brauchbare Schmiedbarkeit auf.

Hinweise, ob das Gefüge gegenüber der Ausbildung der Sigmaphase stabil ist, lassen sich der US-PS 29 20 956 und der FR-PS 11 06 620 nicht entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aushärtbare Nickellegierung anzugeben, die aufgrund sowohl einer hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1000° C als auch einer hohen Warmverformbarkeit als Werkstoff für Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem Kernreaktor-Hochtemperaturkühlmittel und einem der Erhitzung eines Eisenerzreduktionsgases in einem Eisengewinnungsofen dienenden, getrennten Gas verwendbar ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist die Verwendung einer aushärtbaren Nickellegierung aus höchstens 0,1% Kohlenstoff, 17,5 bis 19% Chrom, 3,5 bis 4,5% Molybdän, 5,5 bis 6,5% Wolfram, 8 bis 12% Kobalt, 1,8 bis 2,2% Aluminium, 2,0 bis 3,0% Titan, höchstens 0,01% Bor, höchstens 0,15% Zirkonium, Rest Nickel und herstellungsbedingten Verunreinigungen als Werkstoff für Wärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem Kernreaktor-Hochtemperaturkühlmittel und einem der Erhitzung eines Eisenerzreduktionsgases in einem Eisengewinnungsofen dienenden, getrennten Gas.

Vorzugsweise besteht die für den genannten Zweck zu verwendende Legierung aus 0,05% Kohlenstoff, 18% Chrom, 4% Molybdän, 6% Wolfram, 10% Kobalt, 2% Aluminium, 2,5% Titan, 0,003% Bor, 0,07% Zirkonium, Rest Nickel und herstellungsbedingten Verunreinigungen.

Vorteilhaft erfolgt die Verwendung der genannten Legierung, nachdem sie 2 Stunden bei 1200° C geglüht, an Luft abgekühlt, anschließend 4 Stunden bei 1020 bis 1080° C geglüht und wiederum an Luft abgekühlt worden ist.

Der Kohlenstoff verbindet sich in dieser erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit dem Titan unter Bildung eines Karbids des MC-Typs und verhindert eine Vergrößerung der Austenitkörner 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 Warmvervormbarkeit der Legierung führt. Daher wird die Kohlenstoffmenge auf 0,1 Gew.-% oder weniger beschränkt.

Chrom ist wesentlich für die Oxydationsbeständigkeit der Legierung und muß zum Erreichen einer guten

Oxydationsbeständigkeit in einer Menge von wenigstens 17,5Gew.-% vorliegen, während bei Überschreitung eines Chrojngehalts von 19Gew.-% das Gefüge der Legierung instabil wird und sich die Bildung einer unerwünschten intermetallischen Verbindung, wie z. B. Sigmaphase, beschleunigt. Daher ist der Chromgehalt auT 17,5 bis 19 Gew.-% begrenzt.

Molybdän ist hauptsächlich in der Matrix der Legierung unter Mischkristallverstärkung 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 3,5 bis 4,5 Gew.-% betragen.

Auch Wolfram ist in der Matrix der Legierung unter Mischkristallverstärkung derselben gelöst und löst sich gleichzeitig in der /-Phase unter deren Verfestigung. Dazu sind wenigstens 5,5 Gew.-% Wolfram erforderlich, doch verursacht ein Wolframgehalt von mehr als 6,5 Gew.-% eine Instabilisierung des Gefüges, weshalb ein so hoher Gehalt zu vermeiden ist Der Wolframgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung ist daher auf 5,5 bis 6,5 Gew.-°/o beschränkt.

Kobalt ist ebenfalls in der Matrix der Legierung unter Verfestigung derselben gelöst. Hierzu sind mindestens 8 Gew.-% Kobalt erforderlich, doch machen mehr als 13 Gew.-% Kobalt das Gefüge instabil. Der Kobaltgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung ist auf 8 bis 12 Gew.-% begrenzt.

Aluminium ist ein zur Bildung der /-Phase und zur Ausscheidungshärtung der Legierung wesentliches Element Wenigstens 1,8 Gew.-% Aluminium sind zur Erzielung einer ausreichenden Ausscheidungshärtung der Legierung erforderlich, doch ergibt sich bei einem 2,2 Gew.-% übersteigenden Aluminiumgehalt eine Instabilität des Gefüges der Legierung, wobei gleichzeitig die Warmverformbarkeit der Legierung sinkt. Daher wird der Aluminiumgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung auf 1,8 bis 2,2Gew.-% beschränkt

Titan löst sich in der /-Phase im Mischkristall unter Erhöhung der Gitterkonstante und Erreichung einer Gitterkonformität zwischen der /-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 3,0Gew.-% Titan zu einem übermäßigen Anwachsen der /-Phase, wodurch die Warmverformbarkeit der Legierung verschlechtert wird und außerdem die Gitterkonstante der /-Phase übermäßig steigt, so daß sich eine Verminderung der Gitterkonformität zwischen der /- Phase und der

ίο Matrix ergibt Daher wird der Titangehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung auf 2,0 bis 3,0 Gew.-°/o begrenzt.

Bor ist in geringer Menge erforderlich, da es die Korngrenzen verstärkt und die Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen verbessert. Indessen rufen mehr als 0,02Gew.-% Bor ein Absinken der Schmelztemperatur der Korngrenzen und eine Verringerung der Warmverformbarkeit hervor. Der Borgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wird auf höchstens 0,01 Gew.-% begrenzt.

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. Der Zirkoniumgehalt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wird auf höchstens 0,15 Gew.-°/o begrenzt.
Die Tabelle 1 zeig*, die chemischen Zusammensetzungen von Probelegierungen, die zum Vergleichen der Festigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen 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 zur Verwendung gemäß der Erfindung zeigten eine gute Schmiedbarkeit, die der der bekannten Legierung nach der Tabelle 1 beim Schmieden im praktischen Betrieb gleich oder überlegen ist.

Tabelle 1 (Gew.-°/o)

Cr

Co

Al

Ti

Zr

Erfindungsgemäß zu verwendende 0,04 18,0 4,1 5,8 10,1 2,0 2,3 0,003 0,05 Rest

Legierung (1)

Erfindungsgemäß zu verwendende 0,05 18,9 4,0 5,8 10,7 2,1 2,4 0,004 0,05 Rest

Legierung (2)

Bekannte Legierung

0,12 18,1 . 3,6 25,2 2,9 2,1 0,002 0,11 Rest

Die beiden erfindungsgemäß zu verwendenden 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 24h AC

unterworfen (»AC« bedeutet Luftabkühlung). Anschließend wurden diese Legierungen den Prüfungen zur Ermittlung der Bruchlebensdauer, Dehnung und Quer-Schnittsverringerung entsprechend der Tabelle 3 unterworfen.

Tabelle 2

Wärmebehandlung

1200°Cx2h AC+1020°Cx4h AC
1200°Cx2h AC + 1050°Cx4h AC
1200⁰C χ 2 h AC+ 1080⁰C χ4 h AC

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In der Tabelle 3 sind die Ergebnisse von Zeitstandfe- verwendenden Legierungen eine weit höhere Festigkeit

stigkeitsversuchen bei einer Belastung von 5 kg/mm² bei hoher Temperatur als die bekannte Legierung

bei 1000⁰C angegeben. Aus der Tabelle 3 ist zu aufwiesen, entnehmen, daß die beiden erfindungsgemäß zu

Tabelle 3

Legierung Querschnittsform Wärme- Lebens- Dehnung Querschnittsbehandlung dauer verringerung (h) (%) (%)

Erfindungsgem. zu verw. Leg. (1) Erfindungsgem. zu verw. Leg. (1) Erfindungsgem. zu verw. Leg. (1) Erfindungsgem. zu verw. Leg. (2) Erfindungsgem. zu verw. Leg. (2) Bekannte Legierung

15 mm Quadrat	A	208	46	44
15 mm Quadrat	B	258	30	37
15 mm Quadrat	C	221	42	41
60 mm Quadrat	B	360	41	39
22 mm 0	B	342	50	44
25 mm Quadrat		38	64	83

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer aushärtbaren Nickellegierung aus höchstens 0,1% Kohlenstoff, 17,5 bis 19% Chrom, 3,5 bis 4,5% Molybdän, 5,5 bis 6,5% Wolfram, 8 bis 12% Kobalt, 1,8 bis 2,2% Aluminium, 2,0 bis 3,0% Titan, höchstens 0,01% Bor, höchstens 0,15% Zirkonium, Rest Nickel und herstellungsbedingten Verunreinigungen als Werkstoff für Wärme- ι ο austauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem Kernreaktor-Hochtemperaturkühlmittel und einem der Erhitzung eines Eisenerzreduktionsgases in einem Eisengewinnungsofen dienenden, getrennten Gas.

2. Verwendung einer in die Gehaltsbereiche des Anspruchs 1 fallenden Legierung aus 0,05% Kohlenstoff, 18% Chrom, 4% Molybdän, 6% Wolfram, 10% Kobalt, 2% Aluminium, 2,5% Titan, 0,003% Bor, 0,07% Zirkonium, Rest Nickel und herstellungsbedingten Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer im Anspruch 1 oder Anspruch 2 genannten Legierung, die 2 Stunden bei 1200° C geglüht, an Luft abgekühlt, anschließend 4 Stunden bei 1020 bis 1080°C geglüht und wiederum an Luft abgekühlt worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.