DE2752529A1

DE2752529A1 - Nickellegierung

Info

Publication number: DE2752529A1
Application number: DE19772752529
Authority: DE
Inventors: William Joseph Boesch
Original assignee: Special Metals Corp
Current assignee: Special Metals Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1978-06-29
Also published as: CH636378A5; SE443999B; US4093476A; DE2752529C2; CA1082494A; IL53233A0; GB1565606A; IL53233A; BR7708180A; SE7713610L; FR2375330B1; JPS6115135B2; IT1090745B; JPS5379722A; FR2375330A1

Description

Nickellegierung

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Gamma'-Phase verfestigte oder gehärtete Nickellegierung.

Die US-Patentschrift 3 667 938 offenbart eine Legierung aus im wesentlichen 12,0 bis 20,0 Gew.-% Chrom, 5 bis 7 Gew.-% Titan, 1,3 bis 3,0 Gew.-% Aluminium, 13,0 bis 19,0 Gew.-% Kobalt, 2,0 bis 3,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Wolfram, 0,005 bis 0,03 Gew.-% Bor, 0,05 "bis 0,15 Gew.-% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Nickel. Wenngleich diese Legierung über gute Warmkorrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Kriechbeständigkeit, Phasenstabilität, und was besonders wichtig ist, Beständigkeit gegen Spannungsbruch (stress rupture life) besitzt, so zeigt sich die Warmschlagfestigkeit der Legierung nach langzeitiger Verwendung bei erhöhten Temperaturen in einem unerwünschten Ausmaß herabgesetzt.

Die US-Patentanmeldung 691 161 vom 9· Juni 1976 beschreibt eine Legierung, deren Eigenschaften mit denjenigen gemäß US-Patentschrift 3 667 938 vergleichbar sind, aber welche eine verbesserte Warmschlagfestigkeit besitzt. Die Verbesserung konnte dadurch

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erreicht werden, daß der Kohlenstoffgehalt der Legierung gemäß US-Patentschrift 3 667 938 von einem Mindestwert von 0,05 % auf einenllaximalwert von 0,04-5 % gesenkt wurde. Nachteiligerweise ist das Vermindern des Kohlenstoffgehaltes jedoch von einer leichten Beeinträchtigung der Spannungsbruch-Festigkeit (stress rupture life) und der Warmduktilität der Legierung begleitet.

Durch die vorliegende Erfindung ist eine Legierung geschaffen, welche die grundlegenden Eigenschaften der Legierung gemäß US-Patentanmeldung 691 161 besitzt und darüberhinaus eine verbesserte Warmduktilität sowie Spannungsbruchfestigkeit (stress rupture life) aufweist.Die verbesserten Eigenschaften werden durch sorgfältig eingestellte Bor-Zusätze erreicht. Im Gegensatz zu den Legierungen gemiiß US-Patent schrift 3 667 933 sowie US-Patentanmeldung 691 161 enthält die erfindungsgemäße Legierung 0,031 bis 0,048 % Bor. Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich im Rahmen dieser Erfindung alle Proζentangaben auf Gewichtsprozent.

Weitere Legierungen mit gewissen Gemeinsamkeiten mit der vorliegenden Erfindung sind in den US-Patentschriften 2 975 051 sowie 3 385 698 und dem Re-issue-Patent 28 671 beschrieben. Abgesehen von anderen Unterschieden enthalten diese Legierungen nicht den erfindungsgemäßen kritischen Borgehalt. Entsprechend ist ein solcher Borgehalt auch nicht in den ausländischen Parallelanmeldungen zum US-Patent 3 667 938 offenbart. Die etwas von dem US-Patent abweichenden ausländischen Parallelanmeldungen werden im einzelnen in der vorstehend genannten US-Patentanmeldung 691 161 erörtert.

Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, eine Gamma'-verfestigte Nickellegierung zu schaffen.

Ein bevorzugter Gedanke liegt in einer Gamma'-verfestigten Nickellegierung, die sich durch eine gute Warmkorrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Kriechbeständigkeit, Phasenstabilität und

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Spannungsbruchbestandigkeit (stress rupture life) auszeichnet. Die Legierung besteht im wesentlichen aus 12,0 bis 20,0 % Chrom, 4,0 bis 7,0 % Titan, 1,2 bis 3,5 % Aluminium, 12,0 bis 20,0 % Kobalt, 2,0 bis 4,0 % Molybdän, 0,5 bis 2,5 % Wolfram, 0,031 bis 0,048 % Bor, 0,005 bis 0,15 % Kohlenstoff, bis zu 0,75 % Mangan, bis zu 0,5 % Silicium, bis zu 1,5 % Hafnium, bis zu 0,1 % Zirkon, bis zu 1,0 % Eisen, bis zu 0,2 % Seltenerdelementen, welche die Temperatur des beginnenden Schmelzens nicht unter die Solvus-Temperatur der in der Legierung vorliegenden Gamma'-Phase erniedrigen, bis zu 0,1 % Elemente aus der aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium bestehenden Gruppe, bis zu 6,0 % Elemente aus der aus Rhenium und Ruthenium bestehenden Gruppe, und als Rest aus im wesentlichen Nickel.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung, welche zeigt, wie sich die Spannungsbruchfestigkeit (stress rupture life) mit dem Gehalt an Bor und Kohlenstoff ändert.

Die erfindungsgemäße Legierung ist eine durch Gamma'-Phase gehärtete oder verfestigte Nickellegierung, die sich durch gute Warmkorrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Kriechbeständigkeit, Phasenstabilität und Spannungsbruchbestandigkeit (stress rupture life) auszeichnet. Sie besteht im wesentlichen aus 12,0 bis 20,0 % Chrom, 4,0 bis 7,0 % Titan, 1,2 bis 3,5 % Aluminium, 12,0 bis 20,0 % Kobalt, 2,0 bis 4,0 % Molybdän, 0,5 bis 2,5 % Wolfram, 0,031 bis 0,048 % Bor, 0,005 bis 0,15 % Kohlenstoff, bis zu 0,75 % Mangan, bis zu 0,5 % Silicium, bis zu 1,5 % Hafnium, bis zu 0,1 % Zirkonium, bis zu 1,0 (vorzugsweise weniger als 0,5 %) Eisen, bis zu 0,2 % Seltenerdelementen, welche die Temperatur des beginnenden Schmelzens nicht unter die Solvus-Temperatur der in der Legierung vorliegenden Gamma'-Phase absenken, bis zu 0,1 % Elementen aus der aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium bestehenden Gruppe, bis zu 6,0 % Elementen

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der aus Rhenium und Ruthenium bestehenden Gruppe, und als Rest im wesentlichen aus Nickel. An Seltenerdelementen seien beispielsweise Cerium und Lanthan genannt. Die Legierung ist im wesentlichen frei von schädlichen nadeiförmigen, Sigma- und /U-Phasen. Wenngleich die Legierung vorherrschend im geschmiedeten Zustand verwendet wird, kann sie auch im gegossenen oder pulverförmigen Zustand verwendet werden.

Außerdem sind in der erfindungsgemäßen Legierung Titan und Aluminium in einem Verhältnis von Titan zu Aluminium gleich 1,75 ' bis 3,5 : 1 vorhanden, um die Ausbildung einer sphärischen Gamma'-Phase zu gewährleisten. Die Gamma'-Phase, welche die allgemeine Zusammensetzung M-, (Al, Ti) haben dürfte, gibt der Legierung ihre Festigkeit- Von den verschiedenen formen oder Kodifikationen der Gamma'-Phase ist die sphärische Gamma'-Phase bevorzugt. Der M-Anteil der Gamma'-Zusammensetzung wird als im wesentlichen aus Nickel bei gewisser Substitution durch Chrom und Molybdän bestehend angesehen, wobei näherungsweise 95 % der Phase aus Nickel, 3 % aus Chrom und 2 % aus Molybdän bestehen. Mindest-Aluminium und -titangehalte von 1,2 bzw. 4,0 % sind erforderlich, um eine ausreichende Festigkeit zu gewährleisten. Aus dem gleichen Grund muß der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan wenigstens 6,0 % betragen. Der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan darf jedoch nicht mehr als 9»0 % überschreiten, da höhere Gehalte die Verformbarkeit behindern können.

Bor, ein kritisches Element der erfindungsgemäßen Legierung, muß in einer Menge von 0,031 bis 0,048 % vorliegen. Die Spannungsbruchbeständigkeit (stress rupture life) verschlechtert sich ziemlich rasch bei Borgehalten von weniger als 0,031 % und bei Borgehalten von mehr als 0,048 % wird die Legierung durch das Auftreten eines schädlichen beginnenden Schmelzens beeinträchtigt, was wiederum zur Verschlechterung der Spannungsbruchbeständigkeit und anderer Werkstoffeigenschaften führt.Das beginnende Schmelzen (Incipient melting) erzeugt Hohlräume oder Leerstellen, die ihrerseits die Spannungsbruchbeständigkeit

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(stress rupture life) herabsetzen. Außerdem können durch zu große Borgehalte in normalen Bereichen komplexer Eutectica in großen Blöcken borreiche Bereiche herbeigeführt werden, welche beim Abkühlen des Blockes zur Rißbildung Anlaß geben können. Aus diesem Grunde ist der Einfluß des Bors auf die Spannungsbruchbeständigkeit (stress rupture life), wie in der Pig. dargestellt, von besonderer Wichtigkeit. In der Figur werden durch Konturlinien zwischen den Linien liegende Bereiche dargestellt, in welchen bestimmte Spannungsbruchbeständigkeiten erwartet werden können. So kann für eine Legierung mit 0,03 % Kohlenstoff und 0,040 % Bor beispielsweise eine wenigstens 120 Stunden andauernde Spannungsbruchbeständigkeit bei Belastung mit 11,25 kg/mm und einer Temperatur von 982°C erwartet werden. Bevorzugte BorgDhalte liegen im Bereich von 0,0)2 bis 0,0^5

·■■ %.

Wie in der bereits erwähnten US-Patentanmeldung 691 161 offenbart, ist der Kohlenstoffgehalt der Legierung vorzugsweise auf einem Maximalwert von 0,045 und vorzugsweise von weniger als 0,04 % gehalten, da mit höheren Kohlenstoffgehalten die Schlagfestigkeit herabgesetzt wird. Der bevorzugte Minimal- und Maximal-Kohlenstoffgehalt ist 0,005 bzw. 0,01 %. "Rin kleiner aber bestimmter Kohlenstoffgehalt ist erforderlich, um die Warmduktilität bei der Verformungstemperatur zu verbessern und um die angestrebte Kriechfestigkeit oder Dauerstandsfestigkeit bei Temperaturen von mehr als etwa 816°C zu gewährleisten.

Zum Erzielen einer optimalen Kombination aus Spannungsbruchbeständigkeit (stress rupture life) und Schlagfestigkeit weist die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise einen innerhalb der Fläche ABCD der Figur liegenden Kohlenstoff- und Borgehalt auf. Die Fläche ABCD ist durch einen Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0,04 % und einen Borgehalt von 0,032 bis 0,045 % definiert. Für innerhalb dieser Fläche liegende Legierungen kann eine 849°C-Schlagfestigkeit von wenigstens 0,82 mkg nach 35 000 Betriebs-

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stunden auf 87I C und eine wenigstens 120-stündige Spannungsbruchbeständigke:

erwartet werden.

bruchbeständigkeit bei Belastung mit 11,25 kg ge min bei 982°C

Noch bessere Spannungsbrucheigenschaften können dadurch erreicht werden, daß der Legierung kleine Mengen an Zirkonium und/oder Seltenerdmetallen zugesetzt werden. Seltenerd-Elemente werden in Mengen von 0,012 bis 0,024 % zugesetzt. Die zugesetzten Zirkonmengen liegen im Bereich von 0,015 bis 0,05 %· Bevorzugte Zirkoniumgehalte liegen zwischen 0,02 und 0,035 %· Zirkongehalte von mehr als 0,1 % sind unerwünscht, da überschüssiges Zirkonium zum Ausscheiden von unerwünschten Phasen führen kann, welche ihrerseits eine gesteigerte Neigung des Blockes 7.nr Eisbildung und/oder eine verringerte Warmverformbarkeit zur Folge haben.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel I

8 Nickellegierungen (Legierungen A bis H) wurden auf folgende Weise wärmebehandelt:

1169°C - 4 Stunden - Luftabkühlung

1080°C - 4 Stunden - Luftabkühlung

843°C - 24 Stunden - Luftabkühlung

760⁰C - 16 Stunden - Luftabkühlung

und bei einer Temperatur von 982°C und einer Spannung oder Be-

lastung von 11,25 kg/mm auf ihre Spannungsbruchbeständigkeit geprüft. Die Legierungen hatten die folgende Soll-Zusammensetzung:

18,0 % Chrom, 5,0 % Titan, 2,5 % Aluminium, 14,7 % Kobalt, 3,0 % Molybdän, 1,25 % Wolfram sowie wechselnde Gehalte an Kohlenstoff und Bor, Rest Nickel.

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Die Kohlenstoff- und Borgehalte der untersuchten Legierungen sind in der folgenden Tafel 1 zusammengestellt.

	Tafel 1
Legierung	Kohlenst
A	0,007
B	0,014
C	0,015
D	0,020
E	0,020
P	0,019
G	0,035
H	0,033

Bor (%) 0,016 0,034 0,031 0,048 0,062 0,084 0,048 0,033

Die Ergebnisse der Dauerstandsfestigkeitsprüfung sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt:

Tafel 2

Legierung Spannungsbruchbeständigkeit

(stress rupture life)

(Std.)

A 77,2

B 105,5

C 119,3

D 124,7

E 92,9

P 88,0

G 122,3

H 107,9

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JO

Die Bedeutung eines Borgehaltes von 0,051 bis 0,048 % geht aus den Tafeln 1 und 2 deutlich hervor. Jede einen Borgehalt innerhalb der vorstehend genannten Grenzen aufweisende Legierung besaß eine Spannungsbruchbeständigkeit von mehr als 100 Stunden, wohingegen mit höheren und niedrigeren Borgehalten versehene Legierungen weniger als 100 Stunden beständig waren. Zu Vergleichszwecken sei unterstrichen, daß die Legierung A mit 0,016 % Bor und einem Kohlenstoffgehalt von 0,007 % eine Spannungsbruchbestandigkeit von lediglich 77,2 Stunden aufweist, wohingegen die Legierung B mit 0,034 % Bor und einem Kohlenstoffgehalt von 0,014 % eine Spannungsbruchbeständigkeit von 105,5 Stunden aufwiese. Ferner sei unterstrichen, daß die Legierung D mit 0,048 % Bor und einem Kohlenstoffgehalt von 0,020 % •i.iG3 Spannun^sbruchbestöndigkeit von. 124,'/ Stunden zeigte, wohingegen die Legierung E mit 0,062 % Bor und einem Kohlenstoffgehalt von 0,020 % eine Spannungsbruchbestandigkeit von lediglich 92,9 Stunden aufwiese. Legierungen nach der Erfindung besitzen eine Spannungsbruchbestandigkeit von wenigstens 100 Stunden bei Belastung mit 11,25 kg/mm² und 982°C.

Beispiel II

Zwei weitere Nickellegierungen (Legierungen B¹ und H') wurden so wie die Legierungen A bis H wärmebehandelt. Die Legierungen wurden mit dergleichen Sollzusammensetzung erschmolzen, wie die Legierungen B und H, jedoch mit der Ausnahme, daß die Legierungen B¹ und H¹ Zirkonium-Zusätze erzielten. Die Gehalte an Kohlenstoff, Bor und Zirkonium der Legierungen B und B¹ sowie der Legierungen H und H* sind in der folgenden Tafel 3 zusammengestellt.

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Tafel 3
Legierung Kohlenstoffgehalt Borgehalt Zirkoniumgehalt

0,014	0,034	—
0,009	0,035	0,03
0,03>	0,033	-
0,041	0,033	0,03

Die Legierungen B¹ und H¹ wurden wie auch die Legierungen B und H auf ihre Spannungsbruchbeständigkeit geprüft. Die Vers'jchsarix^bniase sind in der folgenden Tafel 4 gemeinsam nit den aus der Tafel 2 übernommenen Ergebnissen für die Legierungen B und H zusammengestellt:

Tafel 4

Legierung Spannungsbruchbestän

digkeit (Std.)

B 105,5

B¹ / 115,8

H 107,9

H¹ 125,0

Aus Tafel 4 geht hervor, daß durch Zirkonium die Spannungsbrucheigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen verbessert werden. Ein Zirkoniumzusatz; von 0,03 % steigerte die jeweiligen Spannungsbruchbeständigkeiten der Legierungen B und H von 105,5 bzw. 107,9 auf 115,8 bzw. 125,0 Stunden. Wie bereits erwähnt, enthält eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung 0,015 bis 0,05 %, vorzugsweise 0,02 bis 0,035 % Zirkonium.

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Es versteht sich für den Fachmann, daß ohne erfinderisches Zutun zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen der Erfindung möglich sind, wobei die Erfindung keinesfalls auf die genannten Beispiele beschränkt ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Durch Gamma'-Phase verfestigte Nickellegierung, im wesentlichen bestehend aus 12,0 bis 20,0 % Chrom, 4-,O bis 7,0 % üitan, 1,2 bis 3,5 % Aluminium, 12,0 bis 20,0 % Kobalt, 2,0 bis 4,0 % Molybdän, 0,5 bis 2,5 % Wolfram, 0,031 bis 0,048 % Bor, 0,005 bis 0,*>5 % Kohlenstoff , bis zu 0,75 % Mangan, bis zu 0,5 % Silicium, bis zu 1,5 % Hafnium, bis zu 0,1 % Zirkonium, bis zu 1,0 % Eisen, bis zu 0,2 % Seltenerdelenenten, welche die Temperatur des beginnenden Schmelzens nicht unter die Solvus-Temperatur der in der Legierung vorliegenden Gamma'-Phase absenken, bis zu 0,1 % Elementen aus der aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium bestehenden Gruppe, bis zu 6,0 % Elementen aus der aus Rhenium und !Ruthenium bestehenden Gruppe, Rest im wesentlichen Nickel, wobei der Gehalt an Titan + Aluminium 6,0 bis 9,0 % beträgt, Titan und Aluminium in einem Verhältnis von Titan zu Aluminium von 1,75 : 1 bis 3,5 : 1 vorliegen, wobei die Legierung im wesentlichen frei von schädlichen nadeiförmigen, Sigma- und u-Phasen ist, und wobei die Gamma'-Phase als im wesentlichen sphärisch ausgebildete Gamma'-Phase vorliegt.

2. Nickellegierung nach Anspruch 1 mit einem Borgehalt von 0,032 bis 0,045 %.

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TELEFON (Ο·9)

Telex oe-assao

TELEORAMME WONAPAT

ORIGINAL INSPECTED

3· Nickellegierung nach Anspruch 1 mit einem Kohlenstoffge halt von _{bis zu} o,O45 %.

4. Nickellegierung nach Anspruch 3 mit einem Kohlenstoffge halt von 0,01 bis 0,04 %.

5- Nickellegierung nach Anspruch 1 mit einem Zirkoniumgehalt von 0,015 bis 0,05 %-

6. Nickellegierung nach Anspruch 5 mit einem Zirkoniumgehalt von 0,02 bis 0,035 %·

7· Nickellegierung nach Anspruch 1 mit 0,032 bis 0,045 % Bor u.ad 0,02 bis 0,04 ?i Kolilenstoi'i, dadurch g e Ic en η ζ e i c hn e t , daß die Legierung eine 849°C-Schlagfestigkeit nach 35 000 Betriebsstunden bei 871⁰C von x>/enigstens 0,82 mkg und eine wenigstens 120-stündige Sparuaungsbruchbeständigkeit bei Belastung mit 11,25 kg/mm² bei 982°C besitzt.

8. Nickellegierung nach Anspruch 7 mit einem Zirkoniumgehalt von 0,015 bis 0,05 %.

9. Nickellegierung nach Anspruch 8 mit einem Zxrkoniumgehalt von 0,02 bis 0,035 %·

10. Nickellegierung nach Anspruch 1 mit einem Borgehalt von 0,032 bis 0,045 % und einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,045 %.

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