DE2534786A1

DE2534786A1 - Nickel-chrom-wolfram-legierungen

Info

Publication number: DE2534786A1
Application number: DE19752534786
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Chiba; Rikizo Watanabe
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1974-08-07
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1976-07-01
Also published as: DE2534786B2; JPS5118919A; FR2281433B1; JPS5433212B2; GB1498650A; IT1046095B; DE2534786C3; FR2281433A1; US4006015A

Description

Nickel-Chrom-Wolfram-Legierungen

Die Erfindung bezieht sich auf hitzebeständige Legierungen mit guter Verformbarkeit und hoher Festigkeit bei hohen Temperaturen zur Verwendung für verschiedene hitzebeständige Teile von Gasturbinen und vielen Arten von Heizöfen. Insbesondere sind die hitzebeständigen Legierungen gemäß der Erfindung am geeignetsten für einen Wärmeaustauscher eines Hochtemperaturgaskühlungsreaktors zur Atomenergie-Strahlerzeugung und weisen eine gute Kombination von hoher Langzeitkriechbruchfestigkeit bei etwa 1000 ⁰C und guter Verformbarkeit auf.

Bekannte hitzebeständige Ni-Cr-Fe-Legierungen ("Incoloy"), hitzebeständige und oxydationsbeständige Ni-Cr-Legierungen ("Inconel") und korrosionsbeständige Hochnickellegierungen ("Hastelloy") haben eine gute Verformbarkeit und finden di-

81-(A 1024-03)-T-r (7)

6 0 9 8 2 7 /,Q,5 4 6

2 5 3 A 7 8 6

verse Verwendung, ζ. B. als Stangen, Bleche, Rohre und geschmiedete Gegenstände, weisen jedoch eine ungenügende Festigkeit bei. hohen Temperaturen auf. Daher lassen sich diese bekannten Legierungen nur bei niedrigerer Temperatur einsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hitzebeständige Legierungen mit einer höheren Festigkeit bei hohen Temperaturen als den Festigkeitswerten der bekannten hitzebeständigen Ni-Cr-Fe-Legierungen, hitze- und oxydationsbeständigen Ni-Cr-Legierungen und korrosionsbeständigen Hochnickellegierungen und mit einer guten Verformbarkeit zu entwickeln. Die hitzebeständigen Legierungen gemäß der Erfindung sind Ni-Cr-W-Legierungen mit einer ausgezeichneten Langzeitkriechbruchfestigkeit beim Einsatz bei etwa 1000 ⁰C oder höherer und guter Verformbarkeit.

Die Erfinder untersuchten die Eigenschaften verschiedener Elemente, die das Verhalten der Ni-Cr-W-Legierungen beeinflussen. Als Ergebnis wurden die geeigneten Gehalte an Kohlenstoff, Titan oder Niob, Chrom, Wolfram und Nickel sowie ein bestimmter geeigneter Berich der Summe der Prozentsätze an Chrom und Wolfram ermittelt. Außerdem können erfindungsgemäß in der Legierung zusätzlich zu den erwähnten Bestandteilen geeignete Mengen von Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium, Hafnium und Aluminium zwecks Verbesserung der Kriechbruchfestigkeit und der Oxydationsbeständigkeit dieser Legierungen bei hoher Temperatur enthalten sein.

Gegenstand der Erfindung ist eine Nickel-Chrom-Wolfram-Legierung, mit dem Kennzeichen, daß sie gewichtsmäßig im wesentlichen aus 0,001 - 0,1 % Kohlenstoff, 0,05 - 0,7 % Titan, Niob oder einer Mischung davon, 18 - 25 % Chrom und 16 - 22 % Wolfram, wobei der Gesamtgehalt an Chrom plus Wolfram 38 bis

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44 % beträgt, und Rest im wesentlichen Nickel mit unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Änderung der Kriechbruchfestigkeit bei 1000 ⁰C und 1050 ⁰C in Abhängigkeit vom Chromgehalt und vom Wolframgehalt, wenn die Gesamtmenge an Chrom + Wolfram auf 40 Gew.-% gehalten wird. Die Korrelation zwischen den Nickel-, Chrom- und Wolframgehalten ist für die erfindungsgemäßen Ni-Cr-W-Legierungen wichtig.

Sowohl Chrom als auch Wolfram vermindern als Festlösungsverfestigungselemente die Stapelfehlerenergie der Legierung und senken den Diffusionskoeffizient der Legierung, so daß die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung gesteigert wird. Daher liegt die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung um so höher, je mehr von diesen Elementen in der Legierung enthalten ist, falls deren Gehalte bestimmte Grenzen nicht überschreiten. Wenn die Chrom- und Wolframgehalte bestimmte Grenzen überschreiten, wird das Gefüge der Legierung instabil, und die Legierung verliert ihre erwünschten Eigenschaften. Die Stapelfehlerenergie einer Legierung läßt sich nach der Durchschnittsdefektelektronenzahl Nv beurteilen. Die Stapelfehlerenergie sinkt mit steigendem Nv. Der Nv-Wert der Ni-Cr-W-Legierung läßt sich nach der folgenden Gleichung berechnen:

Nv = 0,66 C_Ni + 4,66 (C_Cr + C_w).

worin C ., C_ und C„ die Atomverhältniszahlen von Nickel bzw. Chrom bzw. Wolfram bedeuten. Der Diffusionskoeffizient einer Legierung läßt sich aufgrund der Gitterkonstante a. errechnen. Er sinkt mit steigendem a. Der <a-Wert der Ni-Cr-W-Legierung läßt sich nach der folgenden Gleichung berechnen:

a = 3,524 + 0,130 C_Cr + 0,421 C_W(Ä).

-"C '■ '■■ ? 7 / Q S / C

Die Gehaltsgrenzen, jenseits deren das Gefüge einer Le gierung instabil ist, lassen sich durch die kritischen Defektelektronenzahlen N^c bestimmen. Wenn Nv geringer als N^c ist, ist das Gefüge stabil, und wenn Nv über N liegt, ist das Gefüge instabil. Die Werte für N^c von Ni-Cr-W-Legierungen bei 850 ⁰C lassen sich nach der folgenden Gleichung berechnen:

N^c = 2,2792

+ 1,2837

worin f und f die Atomverhältniszahlen von Chrom bzw. Wolfram bedeuten und vorausgesetzt ist, daß f_ + f = 1. Obwohl Nv geringer als N und a. und Nv so groß wie möglich sein sollten, um eine Legierung mit höherer Festigkeit bei hohen Temperaturen zu erhalten, steigen sowohl a als auch Nv, wenn der Gehalt an Chrom oder Wolfram getrennt erhöht wird. Daher wurde die untere Grenze von 3,580 Ä als a^Wert der Ni-Cr-W-Legierungen festgelegt, und der Chromgehalt sowie der Wolframgehalt wurden in Intervallen von 4 Gew.-% von 0 bis 48 Gew.-% bzw. 0 bis 40 Gew.-% variiert. Dann wurden solche Zusammensetzungen, die den beiden Anforderungen, nämlich a = 3,580 Ä und N^c ^ Nv, genügen, aus all den Kombinationen der entsprechend variierten Chrom- und Wolframgehalte ausgewählt und sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt:

Tabelle 1

Cr	W	Ni	Cr + W	N^c-Nv	Nv	a
(Gew.-%)	(Gew.-%)		(Gew.-%)			(Ä)
0	36	Rest	36	0,02	1,27	3,589
4	32	Il	36	0,19	1,41	3,587
4	36	Il	40	0,07	1,51	3,596
8	28	Il	36	0,25	1,54	3,585
8	32	M	40	0,13	1,64	3,594
12	24	Il	36	0,27	1,66	3,583
12	28	M	40	0,14	1,76	3,591
12	32	Il	44	0,01	1,86	3,601
16	20	Il	36	0,26	1,77	3,581
16	24	Il	40	0,13	1,87	3,590
20	20	Il	40	0,10	1,97	3,588
24	16	Il	40	0,07	2,06	3,586
28	12	Il	40	0,03	2,15	3,584

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Man findet in der Tabelle 1, daß, damit eine solche Legierung eine ausreichend hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen kann, der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram innerhalb des Bereichs von 36 bis 44 Gew.-% liegen muß. Die tatsächliche Abhängigkeit zwischen dem Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram und der Kriechbruchfestigkeit bei 1000 ⁰C und einer Belastung von 3 kg/mm² für verschiedene Kombinationen der Chrom- und Wolframgehalte ist in der Tabelle 2 wiedergegeben:

Tabelle 2

% Cr	% W	(% Cr) + (% W)	Bruch lebens dauer (h)	Dehnung (%)
16	16	32	137	54
20	12	32	163	68
20	20	40	494	62
24	16	40	534	33
24	24	48	75	5
28	20	48	118	17

Daher wurden Legierungszusammensetzungen, bei denen der Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram im Bereich von 36 bis 44 % liegt, weiter untersucht und noch vorteilhaftere Legierungszusammensetzungen im Rahmen der Erfindung ausgewählt.

Wenn der Gesamtgehalt an Wolfram und Chrom jeweils konstant ist, entnimmt man der Tabelle 1, daß bei einem Anwachsen des Chromgehalts der Nv-Wert größer wird, a sich jedoch verringert. Dagegen wird bei steigendem Wolframgehalt a größer, aber Nv nimmt ab. Sowohl a als auch Nv sind für die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen von Wichtigkeit. Die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen muß in dem Bereich

/ / y £ 4 ρ

2 5 3 4 7 8

am höchsten sein, wo diese Gehalte am geeignetsten ausgeglichen sind. Wenn der Gesamtgehalt an Chrom und Wolfram auf 40 Gew.-% gehalten wird, ändert sich die Kriechbruchlebensdauer entsprechend der Darstellung in Fig. 1, wenn das Verhältnis von Chrom zu Wolfram variiert wird. Man erzielt die maximale Kriechbruchfestigkeit bei 14 bis 30 % Chrom und 10 bis 26 % Wolfram. Die Kurven 1 und 2 geben die Änderungen der Kriechbruchlebensdauer bei 1000 ⁰C und 3 kg/ mm² bzw. bei 10 50 ⁰C und 2 kg/mm² wieder. Außerdem sind die Abhängigkeiten der Kriechbruchfestigkeit vom Chromgehalt und vom Wolframgehalt in Fig. 2 dargestellt. Die Kurven 1, 2, 3 und 4 veranschaulichen die Beziehungen zwischen der Kriechbruchfestigkeit und dem Chrom- sowie dem Wolframgehalt bei 1000 ⁰C für 100 Stunden bzw. 1000 ⁰C für 1000 Stunden bzw. 1050 ⁰C für 100 Stunden bzw. 1050 ⁰C für 1000 Stunden. Aus Fig. 2 entnimmt man, daß die Kriechbruchfestigkeit nahe einer Zusammensetzung mit 20 % Cr und 20 % W ihren Maximalwert hat und zu beiden Seiten mit weniger Chrom und mehr Wolfram sowie mit mehr Chrom und weniger Wolfram absinkt. Dies bedeutet, daß Chrom hauptsächlich eine Wirkung auf die Verringerung der Stapelfehlerenergie der Legierung ausübt, während Wolfram hauptsächlich einen Effekt auf die Verringerung des Diffusionskoeffizienten der Legierung hat, und daher ist die optimale Abstimmung beider Wirkungen sehr wesentlich, um die Kriechbruchfestigkeit zu steigern. Jedoch ist aus Fig. 2 ebenfalls in der Nähe der Zusammensetzung mit 20 % Cr und 20 % W zu ersehen, daß der Bereich, bei dem die maximale Kriechbruchfestigkeit auftritt, dazu neigt, sich von der Niedrigchrom-Hochwolfram-Seite zur Hochchrom-Niedrigwolfram-Seite zu verlagern, wenn die Beanspruchungszeitdauer und -temperatur länger bzw. höher werden. Um das optimale Abstimmen und Ausgleichen der Chrom- und Wolframgehalte mehr im einzelnen zu erforschen, wurden drei Legierungszusammensetzungen überprüft, deren Gesamtgehalt an Chrom +

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Wolfram 41 % war. Als Ergebnis wurde gefunden, daß die Legierung mit dem Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram von 41 % eine höhere Kriechbruchfestigkeit als die Legierung aufweist, deren Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram 40 % ist, und es wurde weiter festgestellt, daß auf der Seite kürzerer Beanspruchungsdauer die Legierung mit höherem Wolframgehalt eine höhere Festigkeit aufweist, während auf der Seite längerer Beanspruchungsdauer die Legierung mit geringerem Wolframgehalt eine höhere Kriechbruchfestigkeit aufweist, d. h. die Langzextkriechbruchfestxgkeit (Dauerstandfestigkeit) erhöht sich in der Reihenfolge 19 % Cr - 22 % W, 21 % Cr 20 % W und 23 % Cr - 18 % W. Weiter wurde gefunden, daß sich die Legierung mit 23 % Cr und 18 % W auch durch das geringste Kriechausmaß bei gleicher Belastung auszeichnet. Daher enthalten die erfindungsgemäßen Legierungen vorzugsweise 18 bis 25 % Cr und 16 - 22 % W, wobei der Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram 38 bis 44 % beträgt, insbesondere 21 - 25 % Cr und 16 - 20 % W, wobei der Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram 39 bis 43 % beträgt, und die optimale Legierung enthält etwa 23 % Cr und etwa 18 % W.

Wolfram hat auf die Legierungen einen größeren Festlösungsverfestigungseffekt hinsichtlich der Langzextkriechbruchfestxgkeit bei hoher Temperatur als Molybdän. Daher sieht die vorliegende Erfindung Ni-Cr-W-Legierungen vor, in denen Molybdän bewußt ausgeschlossen ist und die anstelle des Molybdäns Wolfram enthalten.

Kobalt senkt die Oxydationsbeständigkeit der Legierungen und steigert ihren Preis. Daher soll in den erfindungsgemäßen Legierungen kein Kobalt als Zusatzelement vorliegen, obwohl eine geringe Kobaltmenge als Verunreinigung darin toleriert werden kann. Weiter verringert Eisen die Festlöslichkeit sowohl von Chrom als auch von Wolfram in der erfindungsgemäßen

^:: G 3 S 2 7 / Q 5 /. Γ

Legierung und neigt zur Bildung einer nachteiligen intermetallischen Verbindung. Daher ist der Zusatz von Eisen zur erfindungsgemäßen Legierung unerwünscht. Bis zu 1 Gew.-% Eisen ist als unvermeidliche oder zufällige Verunreinigung zulässig. Silizium und Mangan sind ebenfalls nicht erwünscht, da sie das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung instabil machen und zur Bildung einer nachteiligen intermetallischen Verbindung führen. Bis zu 0,5 Gew.-% jedes der Elemente Silizium und Mangan sind als unvermeidliche Verunreinigungen zulässig.

In der erfindungsgemäßen Legierung ist Kohlenstoff mit Titan oder Niob unter Bildung eines Karbids des MC-Typs verbunden. Eine geringe Kohlenstoffmenge wird benötigt, um eine übermäßige Kornvergröberung zu verhindern, doch eine übermäßig große Kohlenstoffmenge verbindet sich mit Wolfram oder Chrom, das in der Matrix der Legierung gelöst ist, und bildet ein Karbid vom M,C- oder M₂₃Cg-TyP, so daß sich die Mengen der festlösungsverfestigenden Elemente verringern. Insbesondere sinkt dadurch die Langzeitkriechfestigkeit in unzulässiger Weise. Um einen geeigneten Kohlenstoffgehalt für die erfindungsgemäße Legierung zu finden, wurden vier Legierungsproben einer Zusammensetzung mit 23 % Cr, 18 % W, 0,35 % Ti, 0,1 % Zr und Rest Ni, bei denen der Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,14 % variiert wurde, einem Kriechbruchversuch bei 1000 ⁰C mit 3 kg/mm² Belastung unterworfen. Das Ergebnis dieser Versuche ist in der Tabelle 3 aufgeführt:

Tabelle 3

	Bruch	Dehnung (%)
C-Gehalt (%)	lebens
	dauer (h)	38
0,03	1088	35
0,09	1029	30
0,13	927	33
0,14	620

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Wenn der Kohlenstoffgehalt 0,1 % übersteigt, sinkt die Kriechbruchlebensdauer bis auf etwa 3/5. Je höher der Kohlenstoffgehalt ist, um so eher erreicht die Legierung einen beschleunigten Kriechzustand. Daher soll der Kohlenstoffgehalt erfindungsgemäß nicht über 0,1 % liegen. Um den genannten Effekt des Kohlenstoffs zu erzielen, ist es erforderlich, daß der Kohlenstoffgehalt nicht geringer als 0,001 % ist. Der erfindungsgemäße Bereich des Kohlenstoffgehalts liegt daher von 0,001 bis 0,1 %. Für Anwendungsfälle bei hohen Temperaturen über eine lange Zeitdauer soll der Kohlenstoffgehalt nicht höher als 0,06 %, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,06 % liegen. Der optimale Kohlenstoffgehalt beträgt 0,03 %.

Titan oder Niob ist mit Kohlenstoff unter Bildung eines Karbids des MC-Typs verbunden, das ein übermäßiges Kornwachstum verhindert. Daher ist eine geringe Menge von Titan und/ oder Niob erforderlich. Wenn der Gehalt an Titan, Niob oder einer Mischung davon 1 % übersteigt, wird das Gefüge der Legierung instabil. Daher soll der Gehalt an Titan, Niob oder einer Mischung davon nicht mehr als 1 % sein. Insbesondere um die Verformbarkeit sowie die Festigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern, soll dieser Gehalt auf höchstens 0,7 % begrenzt sein. Um jedoch die Wirkung von Titan oder Niob überhaupt sicherzustellen, soll dieser Gehalt nicht unter 0,05 % liegen. Demgemäß ist der genannte Gehalt erfindungsgemäß im Bereich von 0,05 bis 0,7 %, vorzugsweise von 0,1 bis 0,6 %. Der optimale Gehalt ist etwa 0,3 %. Als Beispiel ist die Abhängigkeit zwischen den verschiedenen Kombinationen des Titan- und des Niobgehalts und der Kriechbruchfestigkeit bei 1000 ⁰C und 3 kg/mm² für eine Legierung mit 23 % Cr und 18 % W in der Tabelle 4 angegeben:

6 0 9 3 2 7 ι 0 5 L 6

- ίο -

Tabelle 4	Ti-Gehalt (%)	Nb-Gehalt (%)	Bruch lebens dauer (h)	Dehnung (%)
0,4	_	632	34
-	0,5	480	27
0,2	0,3	556	33
-	-	281	22

Aus dem Vergleich der Legierungen mit den oben angegebenen Gehalten an Chrom, Wolfram und Nickel mit Titan, Niob oder einer Mischung davon mit der gleichen Legierung ohne Titan oder Niob ersieht man, daß die Legierung mit Titan, Niob oder einer Mischung davon eine höhere Kriechbruchfestigkeit aufweist und insbesondere Titan zu ausgezeichneteren Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung als Niob führt.

Wenn man die Legierung bei hohen Temperaturen verwendet, wird das durch Korngrenzendiffusion verursachte Kriechen ein Problem. Daher ist ein Zusatz von zum Verhindern der Krongrenzendiffusion geeigneten Legierungselementen wesentlich, um die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung zu steigern. An den Korngrenzen gibt es viele Leerstellen wegen der Fehlordnung in der Verteilung der Atome. Die Diffusion von Atomen durch diese Leerstellen erfolgt insbesondere bei hohen Temperaturen. Daher läßt sich das Ausmaß der Korngrenzendiffusion durch Zusatz von solchen Elementen zur Legierung verringern, die diese Leerstellen ausfüllen. Solche Elemente sollen einen von dem der die Matrix bildenden Elemente verschiedenen Atomradius aufweisen und müssen sich vorwiegend an den Korngrenzen abscheiden. Als solche Elemente sind Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium brauchbar. Die Festlöslichkeit irgendeines dieser Elemente in der Matrix ist sehr

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gering. Diese Elemente scheiden sich vorwiegend an den Korngrenzen aus, wenn sie der Legierung in geringen Mengen zugesetzt werden. Bor hat einen geringeren Atomradius als den der die Matrix bildenden Elemente. Dagegen weisen Magnesium, Zirkonium, Yttrium und Hafnium einen im Vergleich damit größeren Atomradius auf. Diese Elemente wirken alle durch Besetzen der Leerstellen an den Korngrenzen. Insbesondere hat die Zirkonium enthaltende Legierung eine gute Kriechfestigkeit. Diese Elemente bilden indessen nachteilige intermetallische Verbindungen, wenn sie in übermäßigen Mengen zugesetzt werden. Daher sollen die Gehalte an Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium auf Höchstwerte von 0,1 % bzw. 0,1 % bzw. 0,5 % bzw. 0,5 % bzw. 1 % bzw. 0,5 % bzw. 0,5 % bzw. 1 % begrenzt werden. Die 0,001 - 0,05 % Magnesium, 0,001 - 0,05 % Bor, 0,01 - 0,12 % Zirkonium, 0,005 - 0,2 % Yttrium oder 0,01 - 0,5 % Hafnium enthaltende Legierung hat eine gute Langzeithochtemperaturfestigkeit. Bevorzugte Gehalte an Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium liegen in den Bereichen von 0,001 - 0,02 % bzw. 0,001 - 0,01 % bzw. 0,02 bis 0,08 % bzw. 0,01 - 0,1 % bzw. 0,05 - 0,3 %. Der optimale Zirkoniumgehalt ist 0,05 %.

Aluminium bildet einen dichten Oxidfilm an der Oberfläche der Legierung und verbessert so erheblich deren Oxydationsbeständigkeit, indem das Innere der Legierung geschützt wird. Wenn zuviel Aluminium in der Legierung enthalten ist, wird das Legierungsgefüge jedoch instabil. Deshalb muß der Aluminiumgehalt grundsätzlich auf höchstens 1,5 % begrenzt werden. Erfindungsgemäß wird jedoch der fakultative Aluminiumgehalt auf den Bereich von 0,1 - 1,0, vorzugsweise 0,1 - 0,5 % festgesetzt.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise eine Legierung zur Verfügung gestellt, die etwa 23 % Chrom, etwa 18 % Wolfram, Rest

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im wesentlichen Nickel und außerdem kleine Mengen von Kohlenstoff und Titan, Niob oder einer Mischung von Titan und Niob enthält und die besten Eigenschaften aufweist und in welcher Legierung weiter ein oder mehrere Bestandteile der Gruppe Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium, Hafnium und Aluminium zur Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit und der Oxydationsbeständigkeit enthalten sind. Besonders wenn die Legierung die angegebenen Gehalte an Kohlenstoff, Chrom und Nickel sowie die Optimalen Gehalte an Titan und Zirkonium enthält, kann sie noch ausgezeichnetere Eigenschaften aufweisen. Die Erfindung sieht also Ni-Cr-W-Legierungen vor, die gewichtsmäßig 0,001 - 0,1 % Kohlenstoff, 0,05 - 0,7 % Titan, Niob oder eine Mischung davon, 18 - 25 % Chrom und 16 - 22 % Wolfram bei einem Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram im Bereich von 38 - 44 % und Rest im wesentlichen Nickel mit unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten. Um ein stabiles Kriechverhalten zu erreichen, kann man diesen Legierungen einen oder mehrere Bestandteile zusetzen, der bzw. die aus der 0,001 - 0,05 % Magnesium, 0,001 - 0,05 % Bor, 0,01 - 0,12 % Zirkonium, 0,005 - 0,2 % Yttrium und 0,01 - 0,5 % Hafnium umfassenden Gruppe gewählt sind. Außerdem kann in den erfindungsgemäßen Legierungen zur Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit 0,1 - 1,0 Gew.-% Aluminium enthalten sein.

Ni-Cr-W-Legierungen, die gewichtsmäßig 0,001 - 0,06 % Kohlenstoff, 0,1 - 0,6 % Titan, Niob oder eine Mischung davon, 21 - 25 % Chrom, 16 - 20 % Wolfram, wobei der Gesamtgehalt an Chrom +Wolfram im Bereich von 39 - 43 % liegt, und Rest im wesentlichen Nickel mit unvermeidlichen Verunreinigungen enthalten, werden zur Verwendung unter Bedingungen bevorzugt, die eine höhere Langzeitkriechbruchfestigkeit und eine sehr gute Verformbarkeit erfordern. Außerdem sollten die Legierungen, da in ihnen stabilisierte Korngrenzen beim Aushalten einer Erhitzung auf hohe Temperaturen für eine lange Zeitdauer benötigt werden, vorzugsweise wenigstens einen

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Bestandteil aus der Gruppe enthalten, die gewichtsmäßig aus 0,001 - 0,02 % Magnesium, 0,001 - 0,01 % Bor, 0,02 - 0,08 % Zirkonium, 0,01 - 0,1 % Yttrium und 0,05 - 0,3 % Hafnium besteht. Außerdem sollte, um die Oxydationsbeständigkeit zu verbessern, der Aluminiumgehalt vorzugsweise im Bereich von 0,1 - 0,5 Gew.-% liegen. Die bevorzugten Legierungen gemäß der Erfindung enthalten eine ausgeglichene und abgestimmte Zusammensetzung von gewichtsmäßig 16 - 20 % Wolfram für etwa 23 % Chrom oder von 21 - 25 % Chrom für etwa 18 % Wolfram.

Die bevorzugten Legierungszusammensetzungen gemäß der ERfindung weisen Kombinationen von geeigneten Gehalten an Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Nickel mit Titan und Zirkonium oder mit Titan, Zirkonium und Magnesium auf. Und zwar besteht die optimale Legierungszusammensetzung gemäß der Erfindung gewichtsmäßig im wesentlichen aus etwa 0,03 % Kohlenstoff, etwa 23 % Chrom, etwa 18 % Wolfram bei einem Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram von etwa 41 %, etwa 0,3 % Titan und etwa 0,05 % Zirkonium, und den Rest bilden im wesentlichen Nickel und unvermeidliche Verunreinigungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Beispiele näher erläutert. Die Tabelle 5 zeigt die chemische Analyse der Legierungen gemäß der Erfindung und bekannter Legierungen sowie einiger Versuchslegierungen mit anderen Zusammensetzungen als denen gemäß der Erfindung, die als Proben zum Vergleich der Hochtemperaturfestigkeit benutzt wurden. Die Legierung Nr. 31 ist die festeste unter den bekannten korrosionsbeständigen festlösungsverfestigten Legierungen mit hohem Nickelgehalt ("Hastelloy"). Die Legierung Nr. 32 ist die festeste unter den bekannten hitze- und oxydationsbeständigen festlösungsverfestigten Ni-Cr-Legierungen ("Inconel"). Die Legierung Nr. 34 ist die festeste unter den bekannten hitzebeständigen festlösungsverfestigten Ni-Cr-Fe-Legierungen ("Incoloy").

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Die erfindungsgemäßen Legierungen zeigten eine gute Warmverformbarkext, wenn sie geschmiedet wurden. Die Legierungen Nr. 1 und 2 und die Versuchslegierungen wurden bei 1275 ⁰C eine Stunde lösungsgeglüht, worauf eine Luftabkühlung folgte, und die anderen erfindungsgemäßen Legierungen wurden bei 1250 ⁰C eine Stunde lösungsgeglüht und ebenfalls an Luft abgekühlt. Weiter wurden die bekannten Legierungen der jeweils zugehörigen Standardwärmebehandlung unterworfen. Alle diese Legierungen wurden dann dem Kriechbruchversuch unterworfen.

Tabelle 5

Leg. —	1	Chemische Analyse (Gew.-%)	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	W	Co	Fe	Al	Ti	B	Zr	Elemente
Nr.	2	0,04	-	-	Rest	19,8	-	20,6	-	-	-	0,5	-	0,03
ö _ 0) 3	0,05	-	-	¹¹	23,7	-	16,7	-	-	-	0,6	-	0,03
S¹ 4	0,03		-	Il	19,2	-	21,4	-	-	-	0,4	-	-
S 5	0,05		-	Il	22,7	-	17,4	-	—	-	0,5	-	-
■H 6	0,03		-	Il	19,1	-	21,4	-	-	-	0,4	-	0,07
cT 7	0,04	-	-	Il	23,1	-	17,8	-	-	-	0,4	-	-
¹⁴ 8	0,06	-	-	Il	22,1	-	16,8	-	-	-	-	-	-	Nb 0,5
<S 9	0,03	-	-	Il	20,8	-	19,5	-	-	-	0,5	-	-	Hf 0,1
1^lo	0,03	-	-	Il	21,7	-	18,8	-	-	-	-	-	0,05	Nb 0,1
S. Ii	0,05	-	-	Il	22,9	-	17,7	-	-	-	0,2	-	-	Nb 0,3
a i2	0,04	-	-	Il	23,1	-	17,5	-	-	-	0,5	0,014	-
§ 13	0,02	-	-	Il	22,8	-	18,1	—	-	-	0,3	-	-	Y 0,06
'S 14	0,04	-	-	Il	21,5	-	19,7	-	-	0,6	0,4	—	-
£ 15	0,02	-	-	¹¹	21,6	-	19,8	—	-	-	0,4	-	0,04
S 16	0,02	-	-	Il	22,9	-	17,3	-	-	-	0,5	-	0,06
17	0,03	-	-	It	23,1	-	18,0	-	-	—	0,4	—	0,11
18	0,02	-	-	It	23,0	-	17,8	-	-	-	0,3	-	0,06	Mg 0,004
21	0,02	-	-	"	23,3	-	17,5	-	-	-	0,3	-	0,06	Mg 0,009
* 22	0,05	-	-	Il	4,0	-	36,0	-	-	-	-	-	-
23	0,05	-	-	Il	7,9	-	32,3	—	-	-	0,6	—	0,05
31	0,04	-	-	Il	12,0	-	28,3	-	-	-	0_r5	-	0,04
* 32	0,04	0,4	0,8	Il	15,5	15,8	3,6	-	5,6	-		-	-	V 0,3
* 33	0,03	0,4	-	¹¹	20,5	8,5	-	12,0	-	1,2	0,4	0,003	-
34	0,03	0,3	0,2	Il	22,0	9,1	-	-	2,0	-	-	-	-	Nb 3,4
0,06	0,7	0,6	40,0	20,1	—	4,7	8,5	Rest	0,3	0,3	—	—

Versuchslegierungen
Bekannte Legierungen

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Die Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse des Kriechbruchversuchs bei 1000 ⁰C mit einer Belastung von 3 kg/mm².

Tabelle 6

	Bruch-	Dehnung (%)
Legierung	lebens-
	dauer (h)	62
1	494	33
ß 2	534	55
(U O ο> °	521	32
§ 4	608	61
& ⁵	639	34
Ti 6	632	27
QJ *7	480	26
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§ 10	556	35
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§ 13	641	62
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Aus der Tabelle 6 ersieht man, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine höhere Kriechbruchfestigkeit als die der Versuchslegierungen und der bekannten Legierungen aufweisen. Die. Langzeitkriechbruchfestigkeit und Dauerstandfestigkeit ist für

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viele praktisch einzusetzende hitzebeständige Werkstoffe wichtig. Die erfindungsgemäßen Legierungen mit den Chrom-, Wolfram- und Nickelgehalten, wie sie oben im Einklang mit den von den Erfindern aufgefundenen Beziehungen zwischen diesen Gehalten festgelegt sind, zeigen eine sehr hohe Kriechbruchfestigkeit und eine gute Verformbarkeit und sind somit zur Verwendung als hitzebeständige Werkstücke sehr geeignet.

Wie oben erwähnt, eignen sich die erfindungsgemäßen Legierungen dazu, in die Gestalt von Stangen, Blechen, Rohren und Röhren oder Schmiedeteilen geformt zu werden, und sind brauchbar zur Verwendung für verschiedene Teile von Gasturbinen oder für verschiedene Heizofenwerkstoffe, insbesondere für einen Wärmeaustauscher eines Hochtemperaturgaskühlungsreaktors zur Atomenergie-Stahlerzeugung.

Claims

2 5 3 4 7 8

Patentansprüche

1· Nickel-Chrom-Wolfram-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig im wesentlichen aus 0,001 - 0,1 % Kohlenstoff, 0,05 - 0,7 % Titan, Niob oder einer Mischung davon, 18 - 25 % Chrom und 16 - 22 % Wolfram, wobei der Gesamtgehalt an Chrom + Wolfram 38 - 44 % beträgt, und Rest im wesentlichen Nickel mit unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens einen Bestandteil der Gruppe 0,001 - 0,05 % Magnesium, 0,001 - 0,5 % Bor, 0,01 - 0,12 % Zirkonium, 0,00 5 - 0,2 % Yttrium und 0,01 - 0,5 % Hafnium enthält.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem 0,1 - 1,0 % Aluminium enthält.
4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,001 - 0,06 % Kohlenstoff, 0,1 bis 0,6 % Titan, Niob oder einer Mischung davon, 21 - 25 % Chrom und 16 - 20 % Wolfram, wobei der Gesamtgehalt an Chrom * Wolfram 39 - 43 % beträgt, und Rest im wesentlichen Nickel mit unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem wenigstens einen Bestandteil der Gruppe 0,001 - 0,02 % Magnesium, 0,001 - 0,01 % Bor, 0,02 - 0,08 % Zirkonium, 0,01 - 0,1 % Yttrium und 0,05 - 0,3 % Hafnium enthält.

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6. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem 0,1 - 0,5 % Aluminium enthält.
7. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem 0,02 - 0,08 % Zirkonium enthält.
8. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem 0,001 - 0,02 % Magnesium und 0,02 - 0,08 % Zirkonium enthält.
9. Legierung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 - 0,6 % Titan und kein Niob enthält.
10. Legierung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 23 % Chrom enthält.
11. Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 23 % Chrom enthält.
12. Legierung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 18 % Wolfram enthält.
13. Legierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 18 % Wolfram enthält.
14. Legierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 0,03 % Kohlenstoff, etwa 23 % Chrom, etwa 18 % Wolfram, d. h. einen Gesamtgehalt an Chrom plus Wolfram von etwa 41 %, etwa 0,3 % Titan und etwa 0,05 % Zirkonium enthält.

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15. Geschmiedete Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
16. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für hitzebeständige Werkstücke.
17. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für Wärmeaustauscher bei Atomenergie-Stahlerzeugungsverfahren.

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