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Legierung
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I)ie Erfindung hezieht sich auf Elochtemperaturlegierungen. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf harte Oberflächenlegierungen sowie auf Legierungen
auf Nickelbasis. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Teile deren Oberflächen
aus auf Nickel basierenden Legierungen bestehen oder auf Teile, die aus auf Nickel
basierenden Legierungen gegossen sind.
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Auf dem Gebiet der IJochtemperaflirlegierungen dominieren die auf
Kobalt basierenden aterialien, welche beträchtliche Mengen an Wolfram und Chrom
als Legierungselemente enthalten, und zwar mit oder ohne heträchtliche Mengen von
anderen ßlaterialien. Kobalt und Wolfram sind (strategisch) knappe Materialien.
Ihr Vorrat ist stark begrenzt und sie sind manchmal infolge unstabiler politischer
Zustände in den Gewinnungsländern schwer zu erhalten. Ferner sind auf Kobalt basierende
Wolfram enthaltende Legierungen teuer wegen der Knappheit der Hauptbestandteile.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt eine temperaturbeständige
Legierung im wesentlichen frei von Kobalt und Wolfram anzugeben. Ferner bezweckt
die Erfindung-eine verbesserte wärmebeständige, korrosionsbeständige und abrasionsbeständige
harte Oberflächenlegierung vorzusehen, die zur Verwendung bei erhöhten Temperaturen
geeignet ist. Die Erfindung sieht ferner eine Legierung vor, die einen höheren Widerstand
gegenüber Oxidation und dem Bleioxid aufweist, wie dies auf dem Gebiete der Verbrennungsmotoren
vorkommt.
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Die Nachteile der bekannten Legierungen werden durch die erfindungsgemäße
eine harte Oberfläche bildende auf Nickel basierende
Jiochtemperatur-Legierung
beseitigt. Die Legierung enthält ungefähr 40 - 70 Gewichtsprozent Nickel, ungefähr
1 - 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, ungefähr 25 - 40 Geschwichtsprozent Chrom und
ungefähr 3 - 12 Gewichtsprozent Molybdän. Gewisse Verunreinigungen und Restelemente
in Altmetall oder Schrott, die üblicherweise zusammen mit den Legierungen der Hauptlegierungsbestandteile
auftreten, können ebenfalls vorhanden sein.
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Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung wird ein Bauelement wie beispielsweise
ein Motorventil, ein Ventilsitz oder eine Vorverbrennungskammer mit einer der oben
definierten auf Nickel basierenden Legierungen oberflächenmäßig versehen. Derartige
Elemente besitzen eine abrasionsbeständige Oberfläche, die bei erhöhten Temperaturen
infolge der guten Hochtemperaturhärte der Legierung gut arbeitet. Ein derartiges
Bauelement besitzt auch eine stark verlängerte Lebensdauer. Die Oxidation oder Korrosion
infolge von Blei- oder anderer Oxide wird wegen der Legierungsoberfläche verzögert,
die den in einem Verbrennungsmotor vorhandenen korrodierenden Effekten widersteht.
Das Bauelement hat diese Vorteile trotz der Tatsache, daß es mit einer Legierung
überzogen ist, die im wesentlichen frei von Kobalt und Wolfram ist.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann ein Bauelement aus der oben
beschriebenen Legierung durch Guß hergestellt werden. Die Gußteile haben die gleiche
Hochtemperaturhärte und den gleichen Korrosionswiderstand wie mit einer Oberfläche
oder einem flherzug versehenen Teile.
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Weitere Vorteile Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung, die eine grafische Darstellung der Härte abhängig von der
Temperatur zeigt, und zwar für sechs unterschiedliche Legierungszusammensetzungen.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen sind auf Nickel basierende Legierungen
und
enthalten annähernd 40 - 70 Gewischtsprozent Nickel.
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Nickel als Grund- oder Rasismetall ergibt einen guten Oxidationswiderstand
und gute liochtemperaturhärte. Dies gilt insbesondere in Kombination mit den bei
Durchführung der Erfindung verwendeten Legierungselementen.
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Der Nickelbasis dieser Legierung wird eine substantielle Menge an
Chrom zugefügt, und zwar allgemein in einer Menge von ungefähr 20 - 4 Gewichtsprozent.
Chrom wird als ein Legierungselement deshalb zugefügt, weil es der Legierung einen
guten Oxidationswiderstand insbesondere bei erhöhten Temperaturen wie beispielsweise
1000 - 12000 Fahrenheit erteilt. Das vorhandene Chrom hilft bei der Sicherstellung
der Ausbildung einer dicht anhaftenden Oxidschicht an der Oberfläche der Legierung.
Das an der Legierungsoberfläche anhaftende Oxid verhindert die weitere Oxidation
des darunter liegenden Metalls. Dies gilt insbesondere für den hevorzugten Bereich
von 25 - 40 Gewichtsprozent Chrom. Wenn Chrom in geringeren Mengen als ungefähr
20 Gewichtsprozent vorhanden ist, so wird die Anhaftung der Schicht an dem nicht
oxidierten ;ilaterial verschlechtert, so daß das oxidierte material von dem darunter
liegenden Basismaterial abblättern kann. Wenn das Abblättern des Oxids auftritt,
so setzt sich die Oxidation des darunter liegenden atalls fort bis das Metall verschwunden
ist. Somit wird der Oxidationswiderstand der Legierung unterhalb 20 Gewichtsprozent
Chrom schnell 1 schlechter.
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Molybdän ist in der Legierung in Mengen von ungefähr 3 - 12 Gewichtsprozent
vorhanden. Molybdän ist ein die Festigkeit erhöhendes Legierungselement und sieht
verteilt harte Komplex-Karbidteilchen und Ausscheidungshärtung über die ganze Legierung
hinweg vor, wodurch diese abrasionsbeständig, fester und zäher wird. Molybdän ist
im allgemeinen in einer Menge von nicht mehr als ungefähr 12 Gewichtsprozent vorhanden.
Es wurde beobachtet, daß bei einigen Legierungen Molybdän in Mengen viel größer
als 12 Gewichtsprozent die Tendenz hat olybdänoxid zu bilden, welches bei ungefähr
7950 C flüchtig ist. Das Molybdänoxid wird leicht aus der Legierung heraus
bei
erhöhten Temperaturen flüchtig, was eine katastrophenartige Oxidation zur Folge
hat. Wenn Molabdän in Mengen kleiner als ungefähr 3 Gewichtsprozent vorhanden ist,
so reicht die vorhandene Menge nicht aus um eine gute Dispersionshärtung (Ausscheidungshärtung)
vorzusehen. Vorzugsweise ist Molybdän in Mengen von ungefähr 5 - 8 Gewichtsprozent
vorhanden. Derartige alaterialien ergehen eine optimale Ausscheidungshärtiing verbunden
mit einer minimalen Möglichkeit eines katastrophenartigen Ausfalls.
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Kohlenstoff ist in der Legierung in Mengen von ungefähr 1 - 3,5 Gewichtsprozent
vorhanden. Im allgemeinen verursachen Kohlenstoffmengen von mehr als ungefähr 3,5
Gewichtsprozent Sprödigkeit, was die Legierungsoherfläche bei starker thermischer
oder mechanischer Schockbelastung zum Sprödigkeitsausfall bringt. Ähnliche Eigenschaften
werden bei Gußeisen beobachtet, wo eine hohe Kohlenstoffkonzentration ein sprödes
Material zur Folge hat. Kohlenstoffmengen von weniger als ungefähr 1 Gewichtsprozent
ergeben eine weichere Legierung insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die weicheren
Materialien besitzen eine inadäquate Ahriebbeständigkeit bei hohen Temperaturen.
Die ^1enge des vorhandenen Kohlenstoffs liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr
2,0 - 2,5 Gewichtsprozent. Die bevorzugten Legierungen besitzen eine substantielle
Karbidmenge , die gute liochtemperaturhärte vorsieht, und die Legierung besitzt
auch eine gute Fähigkeit und einen guten Widerstand gegenüber Sprödigkeitsausfall.
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In der erfindungsgemäßen Legierung können hohe Prozentsätze an Verunreinigungen
vorhanden sein, und zwar bis zu einer Gesamtmenge von 10 Gewichtsprozent oder mehr.
Ein Beispiel einer üblichen Verunreinigung wäre Kobalt, welches im üblichen Nickel
und Chrom Schrott in Mengen von bis zu 5 Prozent vorhanden ist. Die erfindungsgemäßen
Legierungen können als im wesentlichen frei an Kobalt bezeichnet werden, und zwar
trotz des Vorhandenseins von Restkobalt. Eine weitere Verunreinigung ist Eisen,
welches infolge der Verwendung von Ferrochrom vorhanden sein kann. Das Eisen ist
in Mengen kleiner als ungefähr 8 Gewichtsprozent vorhanden. Große
#Eisenmengen
in der Legierung verschlechtern den Korrosionswiderstand deutlich. Andere Materialien
sind in größeren und kleineren 1engen vorhanden, und zwar abhängig vo-n ihrem Vorhandensein
in der Schrottmischung oder den Rohmaterialien, die zur herstellung der erfindungsgemäßen
Legierung verwendet werden.
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Zum weiteren Verständnis der Erfindung sei auf die folgenden Beispiele
hingewiesen, in denen sämtliche Teile und Prozentsätze sich auf das Gewicht beziehen,
wenn dies nicht anders angegeben ist.
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Beispiel I Legierungen wurden hergestellt durch Mischung von Flementarmetallpulvern
und Ruß. Die gemischten Pulver wurden in zwei 60 gramm Nlengen ausgebildet, und
diese Mengen wurden in einer zylinderischen Form von 32 mm Durchmesser unter einem
Druck von 96,5 N/mmo zusammengepreßt, um zwei Pulverkompaktkörper zu bilden.
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Die beiden Pulvcrkompaktkörper wurden in einer Argonatmosphäre, aufrechterhalten
auf einem reduzierten Druck von ungefähr 50 mm lig (7 kPa), durch Lichtbogen geschmolzen,
und die zwei sich ergebenden Pastillen wurden zusammen rückgeschmolzen, um eine
120 g Pastille mit der nominellen Zusammensetzung der Probe 1 in Tabelle I zu ergeben.
Drei weitere Proben wurden von der Verwendung von Metallpulvern hergestellt, aber
es wurde an Stelle von Ruß Chromkarbid (Cr3c2) als Kohlenstoffquelle verwendet.
Die Proben wurden, wie oben beschrieben, gemischt, kompakt gemacht und geschmolzen.
Die sich ergebenden 100 g Proben hatten die nominelle Zusammensetzung der Proben
2, 3 und 4 in Tabelle I.
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Die Menge des vorhandenen Kohlenstoffs wurde gemessen, um die vorhandene
Kohlenstoffmenge zu überprüfen; der gemessene Wert ist ebenfalls in Tabelle I enthalten.
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Tabelle I
| Element in Gew.% |
| Nominell Gemessen |
| Probe C MN Si CR NI MG FE C |
| 2 2.0 do do do BAL do do 2.01 |
| 3 2.4 do do do BAL do do 2.36 |
| 4 2.8 do do do BAL do do 2.77 |
BAL = Rest Warmhärte Die llärte wurde bei verschiedenen erhöhten Temperaturen festaestellt.
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Proben wurden in eine auf 60 alikron-Druck gehaltene Kammer zehen,
und die Kammertemperatur wurde stufenweise erhöht. F1#rtemessungen wurden bei den
verschiedenen Temperaturstufen vorgenommen, nachdem die Proben auf der Temperatur
5 Minuten lang gehalten wurden. Die llärte wurde unter Verwendung einer Vickers-Diamantprüfspitze
und einer 10 kg (ungefähr 100 N) Last gemessen, wobei drei Eindrückungen oder Einpressungen
bei jeder Temperatur gemacht wurden.
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Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurde die Härte der Eindrückungen
unter Verwendung eines Vickers-Optiksystem gemessen und die Ablesungen wurden gemittelt.
Wenn eine Eindriickung ungewöhnlich war infolge der Porösität in der Probe, so wurde
sie nicht bei den-Härtewerten berücksichtigt, es wurden aber bei jeder Temperatur
mindestens zwei Härtemessungen vorgenommen. Die durchschnittlichen Vickers Härten
der Proben bei den verschiedenen Temperaturen sind in Tabelle angegeben.
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Tabelle II Temperatur der Probe in OC RT 540 620 675 730 815 870
Probe Vickers Härte 10 kg Last 1 321 276 262 244 213 156 111 2 401 331 308 289 244
180 135 3 432 367 346 316 255 184 140 4 495 394 377 334 259 188 142 I)ie iJärtewerte
können in annähernd entsprechende Brinell-Rärtezahlen umgerechnet werden, und zwar
unter Verwendung einer #Jmwandlungstabelle wie sie dem Fachmann bekannt ist.
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Die umgewandelten llärtewerte sind als Funktion der Temperatur in
der Zeichnung dargestellt. Die Härtewerte für Probe 4sind durch Bezugszeichen 10
bezeichnet, und die Ilärtewerte fiir Probe 2 sind durch Bezugszeichen 12 bezeichnet.
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Verschiedene andere übliche Legierungen sind ebenfalls in der Zeichnung
dargestellt.
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Die Bezugszeichen der Zusammensetzungen, die üblichen iiandelsnamen
und die nominellen Zusammensetzungen sind in Tabelle III angegeben.
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Die angegebenen Zusammensetzungen gelten für den Mittelpunkt des normalerweise
veröffentlichten Zusammensetzungsbereich, der bis zu mehreren Prozent breit ist.
Die Restbestandteile wurden aus Gründen der Kürze weggelassen, können aber in Mengen
bis zu 6 - In Prozent vorhanden sein. "Stellite" ist ein Warenzeichen der "The Stellite
Division of Cahot Corporation", Kokoma, Indiana, Il.S.A. und "Cohend" ist ein Warenzeichen
der ?tArcos Incorporated", Philadelphia, Pennsylvania, U.S.A.
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Tabelle III Bezugs- U.S.A. Zusammensetzung (Gew.%) zeichen handelsname
C Cr W Co 14 "Stellite" 1 2.8 30 12.75 Rest 16 "Stellite" 6 1.15 28 4.5 Rest 18
"Stellite" F 1.75 25 12 Rest 20 "Cobend" 6 1.15 28 4.5 Rest
Die
Ilärtedaten für die "Stellite"- und "Cobend"-Legierungen wurden der Literatur entnommen,
die von den diese Legierungen herstellenden Gesellschaften veröffentlicht wurde.
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Wie man aus der Zeichnung erkennt besitzen die Legierungen mit den
Bezugszeichen 10 und 12 eine gute Ifochtemperaturhärte, insbesondere bei Temperaturen
bis zu und etwas oberhalb 12000 F. In der Tat besitzt die ungefähr 2 Gewichtsprozent
Kohlenstoff und 5 Gewichtsprozent Molybdäii enthaltende durch Bezugszeichen 10 repräsentierte
Legierung eine sehr hohe Temperaturhärte annähernd gleich der von "Stellite" 1,
welches das härteste Material der iiarbeschichtjings-oder Flartoberfl.ichen-Legierungen,
wie sie oben angegeben sind ist.
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Es ist überraschend, daß eine relativ billige Legierung die gleiche
iJochtemperaturhärte als die wesentlich teuerere "Stellite" 1 Legierung haben kann.
Darüber hinaus zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen einen verbesserten Widerstand
gegenüber der Bleioxid-Korrosion.
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Zusammenfassend sieht also die Erfindung eine eine harte Oberfläche
bildende Ilochtemperaturlegierung vor, die Chrom und Molybdän in einer Nickelbasis
aufweist, und zwar zusammen mit ungefähr 3,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff; gleichtzeitig
bezieht sich die Erfindung auf Gebilde, die mit einer derartigen Oberfläche ausgerüstet
sind.