DE2819529A1

DE2819529A1 - Waermebestaendige legierung, insbesondere zur herstellung von einsatzbereiten gussteilen

Info

Publication number: DE2819529A1
Application number: DE19782819529
Authority: DE
Inventors: Bruce A Heyer; Donald L Huth
Original assignee: Abex Corp
Current assignee: PepsiAmericas Inc
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1978-11-16
Also published as: CA1091958A; SE445469B; GB1544614A; BR7802753A; MX5781E; IT7848577A0; FR2389681A1; IN149220B; FR2389681B1; DE2819529C2; JPS53137817A; SE7804951L; IT1105256B; JPS5740900B2

Description

Wärmebeständige Legierung, insbesondere zur Herstellung von einsatzbereiten Gussteilen

Die Erfindung betrifft eine Klasse von Legierungen, welche Gussteile kennzeichnen, die in Wasserstoff-Reformierverfahren benutzt werden und welche ferner verwandte Arten von Gussteilen kennzeichnen, die in der Industrie in Hochtemperatur-Bedingungen eingesetzt werden können.

Derartige Legierungen sind durch das Alloy Casting Institute (ACI) Division der Steel Founders' Society von Amerika standardisiert bzw. genormt worden. Die im allgemeinen zur Zeit verfügbaren Spezifikationen bzw. Bereiche derartiger Legierungen sind ASTM A297, A447, A567 und A608.

Die ACI-Bezeichnung verwendet die vorangestellten Buchstaben H und C, um die Eignung der Legierungen hinsichtlich Wärmefestigkeit und Korrosionsfestigkeit aufzuzeigen. Der zweite Buchstabe wird willkürlich verwendet, um den Legierungstypus aufzuzeigen, wobei mit steigendem Nickelgehalt eine grobe alphabetische Folge verwendet wird (Tabelle A). Es wird der Kohlenstoffgehalt der Η-Sorten bzw. -Klassen wiedergegeben, wobei die den zwei Buchstaben folgenden Zahlen den Mittelpunkt des Kohlenstoffbereiches angeben.

Die Funktion der verschiedenen Legierungselemente ist unterschiedlich. So erhöht zum Beispiel Chrom die Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation als auch die Korrosion durch Heissgase. Mangan und Silicium werden zum Zwecke der Stahlfertigung zugegeben. Silicium

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beeinflusst jedoch auch den Oxidations- und Kohlungswiderstand. Nickel vernnittelt die austenitische Struktur, welche mit der Warmzerreissfestigkeit verbunden ist, gleichzeitig vermittelt Nickel Widerstand gegenüber Kohlung und im gewissen Ausmaß Oxidationswiderstand bzw. Zunderfestigkeit. Hochnickellegierungen sind jedoch anfällig gegenüber Schwefeleinflüsse, insbesondere unter Reduzierbedingungen. Kohlenstoff ist ein wesentliches Element zur Steuerung der Warmzerreissfestigkeit. Stickstoff kann auch für die Festigkeit von Bedeutung sein.

Die ACI-Normklassen, durch welche sich die vorliegende Erfindung vorwiegend kennzeichnet, sind in Tabelle A wiedergegeben:

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TABELLE A

Gegossene warmfeste Legierungen für industrielle Anwendungszwecke
Zusammensetzung in Prozent (Rest Fe)

co	Gusslegierung	C	0.20	0.40	Mn	00 .	<	.00	P	MMM ,04	S	04 '	Cr	Ui	Andere	0	.5	Elemente	I
cd	Bezeichnuna	0.20	0.50	max.	00	3i	.00		.04		04	19-23·	9-12	Mo	0	.5	max.*	CT
■τ ο»	HF	0.20	0.50	2.	00	max.	.00	max.	.04	mäx.	04	24-28	11-14	Mo	0	.5	max.*N 0.2 max.	I
	HH	0.20	0.60	2.	00	2	.00	0	.04	0.	04	26-30	14-18	Mo	0	.5	max .*
O	HI	0.20	0.60	2.	00	2	.00	0	.04	0.	04	24-28	18-22	Mo	0	.5	max.*
to	HK	0.20	0.50	2.	00	2	.00	0	,04	0.	04	28-32	18-22	Mo	0	.5	max.*
	HL	0.35	0.75	2.	00	2	.00	0	.04	0.	04	19-23	23-27	Mo	0	.5	max.*
	HW	0.35	0.75	2.	00	2	.50	0	.04	0.	•04	24-.2S	33-37	Mo	0	.5	max.*
	HP	0.35	0.75	2.	00	2	.50	0	.04	• 0.	04 04	15-19	33-37	Mo	S	.5	max.*
	HT	0.35	0.75	2.	00	2	.50	0	.04	0.		17-21	37-41 58-62	Mo	.5	max.*
	HU		2.	2	0	0.	lOf-14		Mo		max.*
	HW		2.	2	0	0.
	2	0	0.

Überschüssige Mengen verursachen Oxidation

σι co

Während die Warmfestigkeit, gemessen als Dauerbruchfestigkeit, gewöhnlich die vorherrschende Eigenschaft von Interesse bei derartigen Legierungsklassen ist, kann der Zähigkeit bzw. Dehnbarkeit in einem Gussteil gleiche Bedeutung beigemessen werden, also wenn derartige Gussteile wiederholter Zugbelastung unter Einsatzbedingungen unterliegen, bei welchen grosse Temperaturunterschiede zu einer wiederholten Expansion und Kontraktion des Gussteües beitragen. Dies ist bei gewissen diskontinuierlichen Hochtemperaturverfahren der Fall, im Gegensatz zu kontinuierlichen Verfahren, welche bei im wesentlichen konstanter Temperatur durchgeführt werden. Auch ist gute Dehnbarkeit (die Fähigkeit voraussehbarer Streckung, ohne plötzlichen und unerwarteten Bruches unter gewissen Belastungen) nach wie vor als wertvolle Eigenschaft für den Konstrukteur anzusehen, da derartige Eigenschaften eine Reserve gegenüber Versagen vermitteln, d.h. falls zwei Stähle gleiche Festigkeit bei gleichen Kosten besitzen, dann wird der Stahl mit besserer Dehnbarkeit gewählt, da dieser Stahl zu erwartenden Bruch aufzeigt, bevor ein plötzliches totales Bruchversagen auftreten kann.

Für die meisten Teile ist es erwünscht, derartige Gussteile nach ihrem Guss zum Zwecke von Oberflächenreparatur und/oder zum Zwecke des Zusammenbaues in grösseren Einheiten schweissen zu können. Die Warmzerreissfestigkeit trägt wesentlich dazu bei, dass ohne Rissbildung geschweisst werden kann. Durch das Warmformänderungsvermögen kann sich das Metall während des Schweissens plötzlich strecken und kann sich nachfolgend ohne Rissbildung wieder zusammenziehen.

- 7-

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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Warmzugbzw. Zerreissfestigkeit zu erhöhen und ferner darin, die Warmbildsamkeit und die Dauerbruchfestigkeit über im wesentlichen dem gesamten Bereich der austenitischen AC I-Standardleg ie rung en beträchtlich zu verbessern. Dies soll mittels sehr kleiner Zusätze zu den Standardlegierungsgrundlagen möglich sein, wobei man bisher diesen sehr kleinen Zusätzen nicht derart grosse Auswirkungen über einen so grossen Bereich der Legierungszusammensetzungen beimaß. Derartige Zusätze sind billig, enthalten nicht strategische (auf dem Binnenmarkt rare) Elemente und ermöglichen in der Tat, die Erfindung an herkömmlichen ACI-Standardklassen zur Anwendung zu bringen, ohne dass irgendeine Kostenzunahme in Kauf zu nehmen wäre.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1, 2, 3 und 4 sind graphische, im logarithmischen Maßstab wiedergegebene Darstellungen der in den Tabellen I, II, III und IV enthaltenen Daten; die ausgezogenen Bezugslinien sind in jedem Fall für die Standardlegierung vorgesehen, während die senkrecht dazu stehenden dünneren Linien die vorteilhafte Versetzung wiedergeben, welche gemäss der Erfindung erziel bar ist;

Fig. 5 ist eine Mikrophotographie (500X) unter Darstellung der typischen MikroStruktur (HP-Legierungsklasse), welche Legierungen gemäss der Erfindung kennzeichnet; und

Fig. 6 ist eine Perspektivansicht eines wärmefesten Legierungsgussteiles, welches in einer für den Einbau bereiten Einheit zusammengefügt ist.

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TABELLE I

ο co CO

CO

ω ι

Auswirkung der Legierung (23 % Cr, 35 % Ni)
Warmfeste Legierung mit Titan und Wolfram
Chemische Zusammensetzung - Gewichtsprozent

Schmelze Nr.	46-681	C%	Mn%	Si%	Cr%	Ni %	W%	Ti%	N%	Schmelze Nr.	I
(A)	76-407	.49	.87 '	1.36	26.60	34.90		_	.060	(A)	co
(B)	76-139	.48	.62	.94	23.25	35.21	—	—	.100	(B)	ι
(C)	76-144	.51	.62	1.01	22.80	34.90	—	.12	.120	(O
(D)	AS1394	.46	.59	1.03	22.80	34.56	—	.30	.102	(D)
(E)	AX69	.51	.89	1.71	23.50	33.64	5.35	—	.103	(E)
(F)	76-148	.48	.38	1.16	21.40	37.00	5.07	—	—	(F)
(G)	76-103	.52	.61	1.00	22.60	35.15	.51	.16	.107	(G)
(H)	76-121	.38	.59	1.10	22.34	35.91	1.04	.16	.109	(H)
(I)	76-162	.46	.56	1.03	22.00	35.90	1.04	.22	.110	(D
(J)	76-440	.43	.63	.38	22.90	35.50	.52	.32	.072	. (J)
(K)	76-370	.43	.64	.62	23.16	36.60	.56	.43	.101	(K)
(L)	76-342	.48	.56	.49	23.23	35.48	.56	.48	.124	(L)
(M)	76-375	.45	.63	.91	23.30	34.72	.54	.49	.073	(M)
(N)	76-379	.47	.56	.52	22.40	35.22	1.06	.76	.098	(N)
(0)	.47	.57	.50	22.35	34.93	.58	1.16	.092	(0)

CD cn ro co

TABELLE I (Forts.)

Zeitstandfestigkeit bei spezifizierten Bedingungen

Stunden

982	(A)	°C - 4,21 kp/mm²
(B)	23
(C)	35
(D)	57
(E)	73
(F)	94
(G)	—
(H)	80
(D	78
(J) ·	122
(K)	306
(L)	279
(M)	—
(N)	—
(O)	91
79

982°C - 3,51 kp/mm 982°C - 2,81 kp/mm

ο ,

1093 C - 1,75 kp/mm

149
380

1015
1206

1252 1342

1232 1649 2005 2249

196	(A)	I	ro
214	(B)	CD	GO
182	(C)	I	Ti
264	(D)		CD
214	(E)		cn
193	(F)		ro
295	(G)		CD
296	(H)
435 '	(D
813	(J)
1056	(K)
701	(L)
_	(M)
622	(N)
453	(0)

2δι9529

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf Tabelle I:

1) Schmelze A entspricht HP, der nächsten ACI-Standardlegierung (B).

2) Die Schmelzen C und D zeigen die Wirkung zunehmender Mengen von Titan in Abwesenheit von Wolfram.

3) Die Schmelzen G und H zeigen, dass zunehmende Mengen von Wolfram von 0,51 bis 1,04 Gew.% bei einem konstanten Anteil von 0,16 Gew.% Titan keine merkliche Verbesserung hinsichtlich der Dauerbruchfestigkeit vermitteln.

4) Die Schmelzen E und F mit einem Anteil von 5 Gew.% Wolfram und 0 Gew.% Titan zeigen einen Vorteil gegenüber der Standard-Ausgangslegierung, jede dieser Schmelzen ist jedoch hinsichtlich der Dauerbruchfestigkeit gegenüber den Schmelzen unterlegen, welche mit Wolf ram einseht iessl ich einem Minimalanteil von 0,16 Gew.% Titan legiert sind.

5) Die Schmelzen J, K, L und M fallen in den Legierungsbereich mit optimaler Dauerbruchfestigkeit bzw. -zerreissfestigkeit.

6) Daten der Warmzugfestigkeit wurden für die Schmelze (B) nicht ermittelt, infolgedessen sind Daten der Warmzugfestigkeit nicht vergleichbar.

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TABELLE II

Auswirkung der Legierung (25 % Cr, 20 % Ni) Warmfeste Legierung mit Titan und Wolfram

Schmelze Nr.

C%

Mn%

S%

P%

S%

Cr%

Ni%

.10

Tx %

N%

(A)

Veröffent

.45

.50

1.0

.02

25.0

20.0

—

_'

lichte Daten

—

Typische

—

Analyse

.10

(B)

N461

.41

.44

1.12

24.8

21.0

.11

.02

.126

(C)

74-096

.39

.60

.99

.012

.014

24.1

19.3

.16

.150

(D)

73-411

.39

.51

.94

.011

.010

25.5

19.6

.24

.140

(E)

73-406

.39

.53

.96

.013

.006

24.3

19.5

.18

.160

(F)

73-258

.41

.60

1.10

.014

24.5

20.1

.25

.160

(G)

(G)

74-250

.45

.55

1.09

.012

.014

25.7

20.1

.18

.140

Zeitstandfestigkeit bei spezifizierten Bedingungen Stunden

982°C -	2 4,21 kp/mm
(A)	35
(B)	40
(C)	—
(D)	51
(E)	—
(F)	140
(G)	197

982⁰C - 2,81 kp/mm²

220 263 360 536 634

1371 1094

1093°C - 1,40 kp/mm²

150	• (A)	K>
—	(B)	OD
—	(C)
_	(D) .	CD
	(E)	cn
557	(F)	ΙΌ
937	(G)

TABELLE II (Forts.)

Warmzugeigenschaften/Vergleich (25 % Cr, 20 % Ni)

Schmelze Temp. Zugfestig- Streckfestig- Dehnung Reduzierung

	C⁰C)	keit (kp/mm )	keit (kp/mm )	(%)	des Quersc
ACI (A)	760	26,36	17,1	12,0	-
(F)	760	31,8	20,1	28,0	31,9
(F)	760	32,5	20,4	36,0	32,4
ACI (A)	871	16,4	10,3	16,0	-
(F)	871	18,2	14,5	44,0	57,8
(F)	871	18,7	14,5	46,5	60,8
ACI (A)	982	8,7	6,1	42,0	-
(F)	982	11,0	8,8	51,0	71,0
(F)	982	11,5	9,2	50,0	72,0
ACI (A)	1093	3,9	3,5	55,0	-
(F)	1093	5,9	5,3	75,5	77,7
(F)	1093	6,0	5,4	60,0	77,8

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- 13 Die folgenden Bemerkungen betreffen die Tabelle II:

1) Schmelze A entspricht einer typischen HK-Legierung, deren Eigenschaften die Haupttendenz der veröffentlichten Daten wiedergeben.

2) Die Schmelze B zeigt bei Zugabe von 0,10 Gew.% Wolfram und 0,02 Gew.% Titan keinen Vorteil hinsichtlich der Dauerbruchfestigkeit.

3) Die Schmelzen C, D und E zeigen eine gewisse Verbesserung hinsichtlich der Dauerbruchfestigkeit bei kleinen Zugaben von Titan unter Abwesenheit von Wolfram.

4) Die Schmelzen F und G zeigen die Auswirkung der Legierung mit demselben Anteil von Wolfram wie bei der Schmelze B, wobei jedoch eine geringe Zunahme des Titananteils gewählt wurde.

5) Bei einem Vergleich der Schmelzen A und F ist eine beträchtliche Verbesserung der Warmzugfestigkeit und der Duktilität bzw. Dehnbarkeit zu verzeichnen.

- 14-

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TABELLE III

Auswirkung der Legierung (25 % Cr, 12 % Ni) Warmfeste Legierung mit Titan und Wolfram Chemische Zusammensetzung - Gewichtsprozent

09 O CO OO

Schmelze Nr.

(A) Veröffentlichte Daten

Typische Analyse

(B) 76-492

.50

1.0

Cr% Ni % W
25.0 12.0 -

08

.36 .57

.93 24.6 13.2 .36 .43 .13

Zeitstandfestigkeit bei spezifizierten Bedingungen

Stunden

871°C - 4,21 kp/mm² 871°C - 3,51 kp/mm² 982°C - 4,21 kp/mm² 982°C - 3,51

(A)

(B)

340
1971

12 83

21 298

ISJ CO

TABELLE III (Forts.)

Warmzugeigenschaften/Vergleich (25 % Cr, 12 % Ni)

Schmelze Temp. Zugfestig- Streckfestig-(⁰C) keit keit

(kp/mm ) -.2%-

(kp/mm )

13,9 15,9 16,0

11,2 12,6 12,4

5,1 6,9 7,6

4,8 4,85

ACI (A)	760	26,3
(B)	760	28,2
(B)	760	28,5
ACI (A)	871	15,1
(B)	871	16,8
(B)	871	16,6
ACI (A)	982	7,6
(B)	982	8,6
(B)	982	9,7
ACI (A)	1093	3,8
(B)	1093	5,3
(B)	1093	5,4

Dehnung	Reduzierung
(.% )	des
	Querschnitts
16,0	_
42,5	43,1
40,0	43,4
18,0	-
53,5	52,1
68,5	55,2
31,0	-
73,0	64,7
73,0	53,4
73,5	62,9
69,0	60,3

809846/0818 - 16 -

- 16 Die folgenden Bemerkungen betreffen die Tabelle III:

1) Die Schmelze A ist eine typische HH-Legierung, deren Eigenschaften die Haupttendenz der veröffentlichten Daten wiedergeben.

2) Die Schmelze B zeigt die Auswirkung der Legierung mit kleinen Zusätzen von Wolfram und Titan.

3) Es ist eine beträchtliche Verbesserung der Warmzugfestigkeit und der Dehnbarkeit festzustellen.

- 17 -

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TABELLE IV

Schmelze Nr.

(A) Veröffentlichte Daten Typische Analyse

(B) 76-500

Auswirkung der Legierung (22 % Cr, 25 % Ni) Warmfeste Legierung mit Titan und Wolfram Chemische Zusammensetzung - Gewichtsprozent

C% Mn% Si% Cr% Ni % W% Ti% B%

.40 .50 1.0 21.0 25.0 - ^(A)

.40 .64 1.35 22.0 24.6 .41 .39

.132

(B)

Zeitstandfestigkeit bei spezifizierten Bedingungen

Stunden

982°C - 4,21 kp/mm² 982°C - 2,81 kp/mm² 1093°C - 1,75 kp/mm² 1093°C - 1,05 kp/mm²

70

268

470
2070

150 411

630	(A)
1884	(B)
	OO
	!9529

TABELLE IV (Forts.)

Warmzugeigenschaften/Vergleich (22 % Cr, 25 % Ni)

Schmelze Temp. Zugfestig- Streckfestig- Dehnung Reduzierung

	( C)	keit	keit	(%)	des
		(kp/mm )	-.2%-		Querschnitts
			(kp/mm )		(%)
ACI (A)	871	14,2	10,2	37,0	-
(B)	871	16,5	12,9	51,0	59,7
(B)	871	16,9	12,5	54,0	69,4
ACI (A)	982	8,3	6,7	51,0	-
(B)	982	9,5	7,1	66,0	73,4
(B)	982	10,2	7,8	67,5	63,4
ACI (A)	1093	4,3	3,4	55,0	-
(B)	1093	5,4	4,9	57,5	70,6
(B)	1093	5,3	4,95	51,0	75,4

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- 19 -

- 19 Die folgenden Bemerkungen betreffen die Tabelle IV:

1) Die Schmelze A entspricht einer typischen HN-Legierung, deren Eigenschaften die Haupttendenz bzw. zentrale Tendenz der veröffentlichten Daten wiedergeben.

3) Es ist ein gewisser Trend für Warmzugfestigkeit und Dehnbarkeit festzustellen.

-20-

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TABELLE. V

Auswirkung der Legierung (23 % Cr, 35 % Ni) Warmfeste Legierung mit Titan, Wolfram und Niob Chemische Zusammensetzung - Gewichtsprozent

Schmelze Nr. C%

Si% Cr% W%

Nb% N%

Schmelze

(A) 407 .48 .62 .94 23.25 35.21 -

(B) 681 .49 .87 1.36 26.60 34.90 -

(C) 408 .51 .63 1.05 23.07 35.36 -

(D) 411 .51 .56 .92 22.68 35.56 .54 -

(E) 162 .43 .63 .38 22.90 35.50 .52 .32

.101 (A) 407

.060 (B) 681

.35 .160 (C) 408

.36 .117 (D) 411

.072 (E) 162

(F) 373

.57 .74 22.52 35.15 .56 .42 .38 .153 (F) 373

£5 H £ E H

	C	⁰¹I-
	O)	ε
	cn	ϋ ε
	C	O SJ ·
	Ö)	O ^χ U) -is
	C Tl
	δ m	τ-
	C
	(D
rts.	0)
O	N
Ll	•H
	N
	a)
	a
	to
LU
J
J		*ε
LU	+j
TAB	:igke	982° 1,51 kp/ Std
	0)
	tstandfe

co

σ» H

ro ' H H ro co ι-ί

	CO	in	VO
Γ»	O	H	ro
ro	Γ«	O
		r-t

OO

⁰¹

§155

00

VO
O

ro

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Niob trägt zur Dauerbruchfestigkeit bei, wie durch einen Vergleich der Schmelze C mit den Schmelzen A und B der Tabelle V ersichtlich ist. Es besteht eine Verbesserung bei Wolfram (Schmelze D), welche notwendigerweise jedoch nicht so prononciert ist wie die Festigung, welche durch Wolfram und Titan möglich ist, wenn man die Schmelzen D und E vergleicht. Niob ist in dieser Hinsicht mangelhaft, wie aus einem Vergleich der Schmelze F aus Tabelle V mit der Schmelze K aus Tabelle I ersichtlich ist. Niob kann möglicherweise bis zu 2 % in einer Legierung vorhanden sein, welche sowohl Wolfram als auch Titan als auch zweifellos andere kleine Zusätze enthält. Dies geschieht jedoch mit dem Risiko der Reduzierung der Hochtemperatur-Dauerbruchfestigkeit, insbesondere bei 109G C.

Die Erfahrung mit diesen Gussteilen hat ergeben, dass es mit einem grösseren Titananteil als 1 % schwierig ist, die Gussteile zu fertigen, welche nicht massive, titanreiche und nichtmetallische Einschlüsse in Form von TiO oder sogar in Form komplexerer Oxide von Titan enthalten, welche die Zugfestigkeit nachteilig beeinflussen. Dies wird durch die Daten in Tabelle VI (nachfolgend) bei einem Vergleich der Schmelzen K und O aus Tabelle I ersichtlich. Diese Daten bedeuten dem Metallurgen, dass mehr als etwa 1 Gew.% Titan auf dem Bereich der ACI-Normstähle zu vermeiden ist. Angesichts dieser Werte und angesichts der Tatsache, dass Titan eine grosse Affinität für Sauerstoff besitzt, was eine sorgsame Deoxidation vor Zusatz von Titan erforderlich macht, wurde infolgedessen eine Grenze von weniger als 1 % Titan gesetzt, vorzugsweise eine Menge von nicht mehr als etwa 0,96 %.

- 23 -

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TABELLE VI

co σ co co ■P-OT "^. O OO —Al.

OO

Auswirkung von Einschlüssen infolge hohen (1 %) Titangehaltes auf die (Raumtemperatur) Zug eigenschaften

Schmelze Nr.	Ti %	Zugfestig keit (kp/mm )	Streckfestig- keit₂ (kp/mm )	Dehnung (%)	Reduzierter Querschnitt	I
76-440(K)	0,43	51,0	22,4	18_;	19,5	IO ω I
76-379(O)	1,16	26,5	19,3	2.	7,4
,5
,5

I IO

CD Cn ho OD

In der Zeichnung (Fig. 1-4) wurde an dem geradlinigen Verlauf eine Schattierung angelegt. Der geradlinige Verlauf entspricht der Mittellinie bzw. der Haupttendenz der angelegten Belastung der ACI-Norm-Legierungsklassen für wärmewiderstandsfähige Gussteile. Diese Mittellinien sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt. Die Schattierung gibt die erwartete Streuung, plus oder minus 20 % der angelegten Belastu ng oder Spannung wieder.

Es ist ersichtlich, dass alle vier Datenpunkte, welche auf die Kombination von Wolfram und Titan gemäss der Erfindung anwendbar sind, die obere Grenze der angenommenen Plus/Minus-Streuung von 20 % für die ACI-Standardlegierungssorten überschreiten, wobei eine Veränderung von einer minimalen, nach oben gerichteten Versetzung von etwa 5 % (HP-Sorte) bis zu einer maximalen Versetzung von eft/va 100 % für die HH-Sorte zu verzeichnen ist.

Der Leiter einer Giesserei benötigt einen gewissen Spielraum, um unerwartete Oxidation oder Schmelzverluste, Veränderungen im Material der Ofencharge etc. berücksichtigen zu können. Gemäss der Erfindung, basierend auf Giessereierfahrungen mit kommerziellen Sorten von wärmewiderstandsfähigen Eisen-Chrom-Nickel-Gusslegierungen, geben die folgenden vier Legierungen bevorzugte Giesserei-Toleranzbereiche für die bekannteren ACI-Sorten, sowohl für Schleuderguss als auch für statischen Guss, wieder:

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TABELLE VII

CD O CO OO 46*

OO

Vergleichbare ACI-Legierung	C%	Mn%	SiS	Ei	S%	Cr %	Ni%	w%	Ti%	Fe %
HH	.2	2	3.5	.04	.04	24	11	.1	.1	Rest
HK	.5	Max .	Max.	Max.	Max.	28	14	1.2	.6	Rest
	.2 .6	2 Max.	3.5 Max.	.04 Max.	.04 Max.	24 28	18 22	.1 1.2	.1 .6	Rest
HN	.2	2	3.5	.04	.04	19	23	■ .1	.1
	.5	Max.	Max.	Max.	Max.	23	27	1.2	.6	Roc;·!-
HP	.2	2	3.5	.04	.04	20	34	.1	.1
. .6	Max.	Max.	Max.	Max .	24	.38	1.2	.6

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[Ό 0)

IO

CD

CO

cn

NJ CO

Innerhalb dieser Bereiche ist die bevorzugte Menge von Wolfram zur Erzielung bester Festigkeit 0,1/0,6 %. In der Tat betrifft diese bevorzugte Menge die ACI-Sorten innerhalb der repräsentativen Klasse bzw. Sorte HH bis HW.

Es ist jedoch gemäss der Erfindung ein weiterer Vorteil erzielbar, wobei nicht notwendigerweise die optimale Menge von Wolfram benötigt wird. Unter Bezugnahme auf die Tabelle I ist zu ersehen, dass die Dauerbruchfestigkeit immer noch diejenige von Standardklassen oder Standardsorten übersteigt, wenn Wolfram in grösserer Menge als zur Erzielung maximaler Festigkeit vorhanden ist und mit Titan verbunden ist. Während die Schmelze N, welche 1,06 % Wolfram enthält, einen Abfall von etwa 40 % der Zeitstandfestigkeit besitzt (1093⁰C, 1,75 kp/mm ), überdauert diese Schmelze die Standard-Gusslegierung um nahezu das Dreifache (622 Stunden gegenüber 196 Stunden).

Es ist ersichtlich, dass Wolfram in grösserer Menge als für optimale Festigkeit erforderlich zulässig ist, entweder um innerhalb weiter Grenzen Schrott für den Schmelzvorgang benutzen zu können, oder um einen zusätzlichen Vorteil zu erzielen, wobei die Widerstandsfähigkeit gegenüber Aufkohlung möglicherweise das beste Beispiel darstellt, wobei Wolfram für diesen Zweck gut geeignet ist. Aus diesen Gründen wurde festgelegt, dass die Menge von Wolfram auf etwa 2 % begrenzt werden kann, im wesentlichen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, da es bei einem grösseren Anteil von Wolfram als etwa 0,6 % scheint, dass die Auswirkung hinsichtlich der Verfestigung ein Niveau erreicht hat (etwas unterhalb des optimalen Niveaus, wie bereits erwähnt), wo der Einschluss von Wolfram aus gewissen anderen Gründen die Frage der Abwägung der Wirtschaft-

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lichkeit gegenüber den erzielbaren Resultaten wird, insbesondere falls Wolfram 2 % überschreitet.

Es wurde ein unüblicher Zuwachs von vorteilhaften Eigenschaften entdeckt, welche durch sehr kleine Zusätze von Wolfram und Titan in vier repräsentativen kommerziellen Legierungen herbeigeführt wurden, die einen weiten Bereich von Verbindungen darstellen. Die Erfahrung mit derartigen kennzeichnenden bzw. typischen Legierungen ermöglicht es, den praktischen Effekt hinsichtlich der Warmzugfestigkeit und der Zähigkeit als auch hinsichtlich der Dauerbruchfestigkeit über dem folgenden Bereich (Gewichtsprozent) von Verbindungen zu erwarten, wobei als Restmasse Eisen und die üblichen unvermeidbaren, erschmelzungsbedingten Verunreinigungen (so Aluminium-Deoxidationsmittel und Molybdän, welche in unreinem Schmelzmaterial bestehen können) und Fremdelemente anfallen, so Phosphor und Schwefel.

Kohlenstoff 0,25 - 0,8 Gew.%

Chrom 12,0 -32,0 Gew.%

Nickel 8,0 - 62,0 Gew.%

Mangan 0 - 3,0 Gew.%

Silicium 0 - 3,5 Gew.%

Wolfram 0,05 - 2,0 Gew. %

Titan 0,05-<1,0 Gew.%

Der Effekt wird in Anwesenheit von normalerweise als gross anzusehenden Mengen von Stickstoff als auch bei geringeren Stickstoffmengen erreicht, welche für herkömmliche Induktionsschmelzverfahren kennzeichnend sind, d.h., Stickstoff besitzt keine nachteilige Auswirkung. Eine möglicherweise weitere Verbesserung der Festig-

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keit kann bei geringeren oder sogar höheren Mengen von Stickstoff erreicht werden. Es ist indessen Stickstoff bis zu 0,3 % zweifellos zulässig.

Es kann jedes herkömmliche oder an bekannten Ausgangslegierungen bevorzugt anwendbare Schmelzverfahren verwendet werden. Wolfram kann als Eisen-Wolfram (welches nicht ein strategisches Material darstellt) zugesetzt werden. Titan kann in Plattenform zugefügt werden, wenn der Ofen abgestochen ist. Um maximale Titan-Rückgewinnung zu erreichen, sollte die Deoxidation im Ofen oder in jeder anderen Weise geschehen, welche für die Reduzierung des Sauerstoffgehaltes auf einen sehr geringen Wert geeignet ist, bevor Titan zugegeben wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dieser Bereich von Verbindungen gewisse Kombinationen von extremen Zuständen umfasst, welche zu einer Legierung führen, in welcher grössere bis zu kleinere Mengen schädlichen Ferrits in ihrer Mikrostruktur vorhanden sind. Diese Kombinationen müssen vermieden werden, wobei die der Erfindung zugrundegelegten Legierungen eine Mikrostruktur aufweisen, welche im wesentlichen austenitisch ist und Karbide (im wesentlichen frei von Ferrit) aufweist, wie in Fig. 5 zu ersehen ist. Die Anwesenheit von Ferrit in der Mikrostruktur trägt zur eventuellen Entstehung der Versprödungs-Sigmaphase bei Temperaturen unterhalb von 926 C bei. Die untere Temperaturgrenze für die Bildung des Sigmagefüges wird durch die spezifische Legierungsverbindung und durch die Standzeit bestimmt, es wurde jedoch eine Versprödung bei Temperaturen im Bereich von 648 C beobachtet. Die Anwesenheit des Sigmagefüges ist im allgemeinen schädlich für die Standzeit der Legierungen, welche unter zyklischer

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ORIGINAL INSPECTED

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thermischer Belastung sind. Im allgemeinen ist ein derartiges Gefüge auch nachteilig für die Zähigkeit bzw. Biegsamkeit und Dehnbarkeit. Aus diesem Grunde wird die erfindungsgemässe Erkenntnis in Legierungen zur Anwendung gebracht, welche so ausgeglichen sind, dass sie eine Mikrostruktur erzeugen, welche im wesentlichen frei ist von dem Sigma-bildenden Ferrit.

In der Praxis wird die Legierung im wesentlichen auf die Formgebung im Betrieb bzw. im praktischen Einsatz gegossen, wobei man nur die Steiger und die Anschnitte entfernen muss. Eine gewisse maschinelle Bearbeitung kann vorgenommen werden, wenn die Oberflächenerscheinung wichtig ist oder wenn enge Toleranzen erwünscht sind. Es kann auch geschweisst werden, um einen Aufbau aus gegossenen Bauteilen zusammenzusetzen, wie dies beispielsweise die Anordnung nach Fig. 6 veranschaulicht. Selbst im Falle des Schweissens besitzen die eine Anordnung komplettierenden Gussteile (aus Biegungen und geraden Abschnitten, Fig. 6) je für sich die für den Betrieb bzw. den Einsatz erforderliche Formgebung. So ist eine Wärmebehandlung nicht erforderlich, um den Bedingungen der Verwendung oder des Betriebes gerecht zu werden.

Es kann auch Kobalt oder Molybdän infolge unreinen Schmelzmaterials in Spurenanteilen in einer Schmelze vorhanden sein. In jedem Fall ist die Legierung gemäss der Erfindung im wesentlichen frei von derartigen Anteilen und benötigt keines dieser Elemente, um bei derart kleinen Änderungen den vorteilhaften Zuwachs von Warmzugfestigkeit, Warmformänderungsvermögen bzw. Warmbildsamkeit und Dauerbruchfestigkeit ohne Ausnahme gleichförmig an ACI-Normklassen oder -Sorten zu erzielen. Aus dem gleichen Grunde unterscheidet sich die Legierung gegenüber sogenannten Superlegierungen, bei welchen grosse

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Mengen von Zusatz elementen aus verschiedenen Zwecken benutzt werden, von welchen Kobalt und Wolfram beispielhaft genannt sind. Derartige Legierungen erfordern gelegentlich Vakuumschmelztechniken im Vergleich zu den vorgenannten Schmelzverfahren, bei welchen bei Umgebungsbedingungen atmosphärisch gegossen wird.

Der wesentliche Vorteil der Legierung gemäss der Erfindung ist die überraschend grosse Verschiebung hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, wobei diese Verschiebung durch geringe Änderungen und billig erzielt werden kann. Die Legierungen vermitteln im gegossenen Zustand Gußstücke, welche bereits für die Verwendung oder den Betrieb fertig sind, ohne dass eine Wärmebehandlung erforderlich ist. Derartige Gussteile gemäss der Erfindung besitzen beträchtlich grössere Reserven der Wärmezugfestigkeit und der Zähigkeit bzw. Biegsamkeit bei verbesserter thermischer Dauerfestigkeit, wobei der zusätzliche Vorteil einer beträchtlichen Zunahme der Dauerbruchfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit erreicht wurde.

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Claims

Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann

Licht, Schmidt, Hansmann, Herrmann · Postfach 701205 · 8000 München

Abex Corporation Fifth Avenue New York, N.Y. 10036 V.St.A.

Dipl.-lng. Martin Licht Dr. Reinhold Schmidt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Albert-Roßhaupter-Str. 8000 München 70

Telefon: (089)7603091 Telex: 5 212 284 pats d Telegramme: Lipatli München
2. Mai 1978 Ho/Lü

PATENTANSPRÜCHE

1 . Wärmebeständige Legierung, insbesondere zur Herstellung von einsatzbereiten Gussteilen, welche weder einer Bearbeitung noch Wärmebehandlung bedürfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gussteile im wesentlichen aus den folgenden Elementen, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, bestehen:

0,25 bis 0,8

bis 62

bis 32

0,05 bis nicht mehr als etwa

0,05 bis zu weniger als 1

Kohlenstoff Nickel Chrom Wolfram Titan
Silicium bis zu 3,5 Mangan bis zu Niob bis zu Stickstoff bis zu 0,3

Rest Eisen unter Einschluss normaler Fremdelemente, Deoxidationsmittel und schmelzungsbedingter Verunreinigungen,

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Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ70070010)

Postscheck München Nr. 163397-802

wobei (a) die Elemente Kohlenstoff, Nickel und Chrom so ausgeglichen sind, dass die MikroStruktur im wesentlichen frei von Ferrit austenitisch ist, während (b) Wolfram, in Verbindung mit Titan, in einem Mengenanteil vorhanden ist, welcher einen Wert der Dauerbruchfestigkeit hervorruft, welcher die Dauerbruchfestigkeit von Legierungen übersteigt, welche nicht Wolfram und Titan enthalten.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wolfram im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,6 % vorhanden ist.
3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom in einer Menge von 24 bis 28 %, Nickel in einer Menge von 11 bis 14%, Wolfram in einer Menge von 0,1 bis 1,2% und Titan in einer Menge von 0,1 bis 0,6 % vorhanden sind.
4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom in einer Menge von 24 bis 28 %, Nickel in einer Menge von 18 bis 22 %, Wolfram in einer Menge von 0,1 bis 1,2% und Titan in einer Menge von 0,1 bis 0,6 % vorhanden sind.
5. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom in einer Menge von 19 bis 23 %, Nickel in einer Menge von 23 bis 27 %, Wolfram in einer Menge von 0,1 bis 1,2% und Titan in einer Menge von 0,1 bis 0,6 % vorhanden sind.
6. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Chrom in einer Menge von 20 bis 24 %, Nickel in einer Menge von 34 bis 38 %, Wolfram in einer Menge von 0,1 bis 1,2% und Titan in einer Menge von 0,1 bis 0,6 % vorhanden sind.

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