DE3000913A1 - Hartlegierung auf nickelbasis - Google Patents

Hartlegierung auf nickelbasis

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DE3000913A1 DE19803000913 DE3000913A DE3000913A1 DE 3000913 A1 DE3000913 A1 DE 3000913A1 DE 19803000913 DE19803000913 DE 19803000913 DE 3000913 A DE3000913 A DE 3000913A DE 3000913 A1 DE3000913 A1 DE 3000913A1
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Description

Legierungen, die frei von Cobalt sind. Solche Legierungen sind insbesondere in der Kernenergietechnik von Nutzen, wo die Anwesenheit von Cobalt wegen der ungünstigen radioaktiven Halbwertzeit unerwünscht ist. Mit dem Ausdruck "hart" ist gemeint, daß die Legierung eine größere Härte als annähernd 300 VPN aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist nunmehr eine Hartlegierung auf Nikkeibasis der folgenden Zusammensetzung (ausschließlich Verunreinigungen) oder ein Oberflächenvergütungs- oder Schweißprodukt, dessen Formulierung derart ist, daß es beim Schmelzen eine Legierung ergibt, welche (unter Ignorierung einer eventuellen Verdünnung durch Substratmaterial) die folgende Zusammensetzung (ausschließlich Verunreinigungen) aufweist:
Gew.-S
a) Chrom 26 bis 40
b) Molybdän und/oder Wolfram 6 bis 15
c) Kohlenstoff 0,55 bis 2,5
d) ein oder mehrere der Elemente
Niob, Titan, Vanadin, Tantal,
Hafnium und Zirkonium		 1 bis 7,5
e) Silizium und/oder Mangan 0 bis 5
f) Kupfer O bis 5
g) Aluminium 0 bis 2
h) ein oder mehrere seltene Erdmetalle 0 bis 2
i) Bor 0 bis 1
j) Eisen O bis 25
k) Nickel Rest
1) mindestens 35 Gew.-% Nickel in der Zusammensetzung vorliegen;
2) die vereinigten Gewichte aus Bor (sofern anwesend) und Kohlenstoff 2,5% oder weniger betragen; und
3) ein oder mehrere der Elemente Vanadin, Tantal, Hafnium und Zirkonium nur anwesend sind, wenn der Kohlenstoffgehalt l,0£ überschreitet.
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Die erfindungsgemäßen Legierungen haben Eigenschaften, die denjenigen von herkömmlichen Legierungen auf Cobaltbasis (Co-Cr-W-C), die unter dem Warenzeichen "Stellite vertreten werden" ähnlich sind. Die Auswahl einer bestimmten Legierung innerhalb dieser Zusammensetzungsbereiche kann so getroffen werden, daß gewisse Anforderungen erfüllt werden (wie z.B. Härte).
Chrom, Molybdän und Wolfram wirken als Carbidbildner und unterstützen die Härtung der festen Lösung in einer Legierung qemäß der Erfindung. Chrom und Molybdän und/oder Wolfram sind im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen auf Nickelbasis für die Oberfl ächenverqütung in verhältnismäßig hohen Mengen vorhanden. Die Anwesenheit von Chrom und Molybdän und/oder Volfram in solchen verhältnismäßig hohen Mengen ist ein charakteristisches Merkmal der erfindungsgemäßen Legierungen.
Ein anderes charakteristisches Merkmal der erfindungsgemäßen Legierungen liegt darin, daß sie Niob und/oder ein oder mehrere der Elemente Vanadin, Tantal, Titan, Hafnium und Zirkonium enthalten. Diese Metalle sind hochaktive Carbidbildner, welche die Art und die Morphologie der Carbide modifizieren und mehr Molybdän und (und/oder Wolfram)und Chrom in die feste Lösung schicken. Das hochaktive Carbid macht die Herstellung einer Hartleqierunq auf Nikkeibasis möglich, die kein Cobalt (abgesehen von zufälligen Verunreinigungen) enthält und die den Kohlenstoff nicht in so hohen Mengen enthält, daß die Legierunq übermäßig spröde ist.
Wenn der Kohlenstoffgehalt 1% oder weniger ist, dann ist der gewählte Carbidbildner Niob oder - was weniger bevorzugt wird Titan. Die Anwesenheit von Niob oder Titan erlaubt eine Alterungshärtung von Legierungen mit geringem Kohlenstoffgehalt (1% oder weniger) durch die Bildung von Ni3Nb und Ni3Ti.
Anwesend ist auch Silizium und/oder Mangan. Diese Bestandteile erhöhen die Fluidität der geschmolzenen Legierungen.
Gegebenenfalls können die erfindungsgemäßen Legierungen bis zu 5 Gew.-% Kupfer enthalten, welches ihre Widerstandsfähigkeit
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gegenüber gewissen korrosiven Medien erhöht. Sie können auch bis zu 2 Gew.-% Aluminium enthalten, welches die Bildung der gamma-Primärphase in der festen Lösung gestattet, insbesondere dann, wenn auch Titan anwesend ist.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können auch bis zu 2 Gew.-% ein oder mehrerer seltener Erdmetalle enthalten. Die Einverleibung von seltenen Erdmetallen, wie z.B. Lanthan oder vorzugsweise Yttrium, kann erwünscht sein, wenn eine erfindungsgemäße Legierung bei sehr hohen Temperaturen eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit aufweisen soll. Bei einer Legierung für allgemeine Anwendung ist es im allgemeinen erwünscht, nicht mehr als 7,5 Gew.-% der Bestandteile e) bis i) zu verwenden.
Eine erfindungsgemäße Legierung enthält vorzugsweise 42 bis 52 Gew.-SS Nickel.
Eine erfindungsgemäße Legierung enthält vorzugsweise außerdem 30 bis 37 Gew.-% Chrom.
Es wird bevorzugt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen kein Bor enthalten. Wenn Bor anwesend ist, dann macht es nicht mehr als 1 Gew.-% der gesamten Legierung aus.
Der niedrigste Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise 0,9 Gew.-SS und der höchste Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise 1,5 Gew.-S:
Eine erfindungsgemäße Legierung enthält vorzugsweise 1 bis 4 Gew.-% des hochaktiven Carbidbildners, wie z.B. Niob, welches besonders bevorzugt wird, da es nicht nur Carbide,sondern auch die intermetallische Verbindung Ni-Nb bildet.
Eisen kann in einer Menge bis zu 25 Gew.-% anwesend sein, sein Gehalt geht aber vorzugsweise nicht über 5 Gew.-SS hinaus.
Erfindungsgemäße Legierungen der folgenden Zusammensetzung (ausschließlich Verunreinigungen) werden bevorzugt:
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Gew.-^
Nickel 42 bis 52
Chrom 30 bis 37
Molybdän und/oder Wolfram 8 bis 12
Kohlenstoff 0,9 bis 2
Eisen O bis 5
ein oder mehrere bevorzugte
Carbidbildner		 1 bis 4
Silizium O bis 2
Dieser Zusammensetzung können gegebenenfalls bis zu 2 Gew.-% Mangan anstelle eines Teils oder der Gesamtmenge des Siliziums zugegeben werden.
Ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Legierung hat folgende Zusammensetzung (ausschließlich Verunreinigungen):
Gew.-i
Chrom 34
Kohlenstoff 1,2
Molybdän 10
Eisen 3
Silizium 1
Niob 3
Nickel Rest
Diese Legierung besitzt im gegossenen Zustand eine Härte von 380 VPN (Vickers Pyramid No.) eine endgültige Zugfestigkeit von 59 h bar und eine Dehnfähigkeit von 1 %.
Eine solche Legierung kann als abnutzungsbeständige Legierung für allgemeine Zwecke verwendet werden.
Je mehr Kohlenstoff in der erfindungsgemäßen Legierung verwendet wird, desto größer ist auch der bevorzugte Anteil an Chrom, und zwar in entsprechender Weise wie bei den Stellite-Legierungen. Weiterhin wird es bevorzugt, daß der Anteil an Kohlenstoff um so größer ist, je größer der Anteil an hochaktivem Carbidbildner
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und/oder je größer der Anteil an Molybdän und/oder Wolfram ist. Sofern nicht 1 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff anwesend ist, sind mindestens 32 Gew.-% Chrom vorhanden. Auch wenn 1 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff anwesend ist, kann es vorteilhaft sein, wenn 32 Gew.-% oder mehr Chrom vorhanden sind.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können dadurch hergestellt werden, daß man die entsprechenden Bestandteile mischt und das erhaltene Gemisch, beispielsweise in einem Ofen, auf eine Temperatur der Größenordnung von 1550 C erhitzt. Das Schmelzen kann in einer Inertgasschutzatmosphäre, wie z.B. Argon oder Stickstoff, oder unter Vakuum ausgeführt werden. Die geschmolzene Legierung kann durch Atomisierung oder andere Maßnahmen in ein Pulver überführt, gegossen, beispielsweise durch Eingießen in eine geeignete Form, oder aber in einen Draht oder Stab überführt werden. Das Pulver, der Draht oder der Stab können in einen Kerndraht oder -stab überführt werden. Das Pulver, der Draht oder der Stab können als Oberflächenvergütungs- oder Schweißprodukte, die mit einem geeigneten Flußmittel beschichtet sein können, verwendet werden. Es ist auch möglich, Schmiedegegenstände aus erfindungsgemäßen Legierungen herzustellen, wenn ihr Kohlenstoffgehalt weniger als 1 Gew.-% beträgt.
Maschinenteile oder andere Bauteile können als Gußstücke oder Schmiedestücke aus einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellt werden. Sie können aber auch durch Verdichten und/oder Sintern eines entsprechenden Pulvers hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können praktisch bei allen Anwendungen herangezogen werden, bei denen herkömmliche abnutzungsbeständige Legierungen auf Cobaltbasis gegenwärtig verwendet werden.
Sie können beispielsweise bei der Oberflächenvergütung von Motorventilen, Dampfregelventilen und Strömungsregelventilen in der Chornischen Industrie verwendet werden. Sie sind von besonderem Nutzen in der Kernenergieindustrie, da sie kein Cobalt (außer Verunreinigungen) enthalten.
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Ein Oberflächenvergütungsprodukt gemäß der Erfindung kann dazu verwendet werden, auf einem Substrat einen abnutzungsbeständigen Belag herzustellen. Ein Schweißprodukt gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um ein abnutzungsbeständiges Schweißmetall abzus cheiden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen können so geformt werden, wie es für die Oberflächenvergütung oder das Schweißen erforderlich ist. Materialien, die bei diesen Produkten nicht integraler Teil der Metallabscheidung werden sollen, können zugegeben werden, wie z.B. Flußmittel und Bogenstabilisatoren. So kann ein erfindungsge,mäßer Stab oder eine erfindungsgemäße Legierung mit Flußmittel und/oder Bogenstabilisatoren beschichtet werden, um ein Oberflächenvergutungs- oder Schweißprodukt gemäß der Erfindung herzustellen.
Es ist auch möglich, etwas herzustellen, was ein chemisches Äquivalent für ein Schweißprodukt oder ein Oberflächenvergütungsprodukt gemäß der Erfindung ist. Bei einem solchen Äquivalent wird die Legierung in situ als Metallabscheidung aus dem Produkt gebildet. Diese metallische Abscheidung kann durch das Basis- oder Substratmetall augenblicklich verdünnt werden, das in die Abscheidung diffundiert oder sich mit der Abscheidung mischt oder umgekehrt. Beispielsweise kann ein Teil aber nicht die Gesamtmenge der Bestandteile der metallischen Abscheidung in einem bestimmten Teil des Produkts anwesend sein, während andere Bestandteile in einem anderen Teil vorliegen. Wenn beispielsweise Eisen in einer Legierung vorhanden ist, die ein hohles Rohr bildet, dann können beispielsweise Nickel, Molybdän, Chrom, Silizium und Kohlenstoff als Pulver innerhalb des Rohrs vorhanden sein. Das Rohr kann auch typischerweise ein Flußmittel oder einen Bogenstabilisator enthalten.
Die Produkte, bei denen einige, aber nicht alle Bestandteile in einem bestimmten Teil vorliegen und die anderen in einem anderen Teil vorhanden sind, können die Form eines Kerndrahts aufweisen. Bei einem solchen Produkt wird eine lOO^ige Überführung aller Bestandteile des Produkts in den Niederschlag,
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ausschließlich Bogenstabilisator, Flußmittel und dergleichen erhalten, wobei noch die Einschränkung gegeben ist, daß nicht das gesamte Silizium und/oder Mangan überführt werden, und zwar insbesondere dann, wenn das Produkt ein Flußmittel enthält, in welchem Fall ein Teil des Siliziums und/oder Mangans in die Schlacke geht, welche sich auf der Oberfläche des metallischen Niederschlags bildet. Solche Produkte können deshalb 1 bis 2 Gew.-% mehr Silizium und/oder Mangan enthalten, als es im Niederschlag beabsichtigt ist.
Der Ausdruck "Verunreinigungen", wie er hier verwendet wird, umfaßt sowohl zufällige Verunreinigungen und auch alle Elemente, welche absichtlich zugegeben werden, welche aber nicht die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung wesentlich beeinflußen.
Es ist erwünscht, verhältnismäßig reine Ausgangsmaterialien bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen zu verwenden.
Beispiele für erfindungsgemäße Legierungen sind in der Tabelle 1 und ihre physikalischen Eigenschaften in der Tabelle 2 angegeben.
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BAD'ORkilNAL Tabelle
CD Legie- C M Fe Cr 15 W 8,7 Si
OJ
O		 rungs-
Nr.		 11 8,9
O
OJ		 1 1,2 Rest 3,9 33,6 11 9,1 1,2
O
-~.		 2 1,29 Rest 3,0 34,0 11 11,8 0,9
CD
-J
σ> 		3 1,11 Rest 3,5 33,7 11 1,0
4 1,03 Rest 3,5 34,2 IC* 1,1
10*
BAj 5 1,09 Rest 4,5 34,5 9,0 1*
S 6 1* Rest 3* 34* 10,3 1*
Ij 7 1,11 Rest 3,6 26,6 9,0 1,3
8 l,O3 Rest 4,2 33.8 11,3 1,3
9 1.67 Rest 4,5 34,7 0,8
10 2,04 Rest 6,8 35,4 1,5
11 2,22 Rest 4,4 35,6 ,0 0,8
12 0,82 Rest 2,6 33,4 ,6 0,4
13 1,06 Rest 8,6 33,0 ,7 0,5
14 1,02 Rest 2,9 33,4 ,4
15 0,58 Rest 2,7 33,1 ,9 1,2
Mn Nb _V_ Ti Ta Zr _J3_ Cu _χ_ Al
3,0
3,0
3*
3*
3*
2.6 3*
3,1 1*
1* 1*
3,0
5*
1,9
2,7
2,8
* 3* O
O 1,88 0,5 O
nominaler Gehalt
O Legierungs-
Nr.		 Härte
VPN		 2
EZF
h bar		 Tabelle 2 Korrosion
(% Gewichtsverlust)		 Oxidation
(% Gewichtszunahme)
3 0 0 3 0 1 381 59 %
Dehnfähiakeit		 1,6 O,O31
ο 2 370 1,0 O,O52
764 3 350 54 0,3 0,038
4 340 66 0,5 0,2 0,016
5 316 48 1,5 4,7 0,019
6
7		 362
333		 73
68		 0,5 0,4
5.8		 0,036
8 343 63 i,o
1,0		 0,1 0,017
9
10		 409
475		 32
36		 0,5 4,7
2,8		 O,O31
0,023
D
Ό		 11 471 31 0,5
0,5
O 12 3Ο7 65 0,5 0,0 0,025
ilNAt 13 360 66 2,0 2,1 0,022
ι » 14 332 69 1,0 0,5 0,020
15 338 66 1,0 1,9 0,014
1,0
1. Vickers-Pyramiden-Nr.
2. endgültige Zugfestigkeit
CaJ CD O CD CO
OJ
30009^3
Die Methoden, die zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften verwendet wurden, waren wie folgt.
Härte bei Raumtemperatur
Die Härte bei Raumtemperatur einer jeden Legierung wurde unter Verwendung eines Standard-Vicker-Hardness-Testers (von der Vickers Limited beziehbar) bestimmt. In parallelseitigen Proben (Präzisionsguß und auf einer Seite unter aufeinanderfolgender Verwenduncf von Siliziumcarbidpapier und Diamantenpolierrädern poliert) wurden unter einer Belastung von 30 kg Einkerbungen gemacht. Die angegebenen Resultate sind die Durchschnitte von 5 Ablesungen.
Endgültige Zugfestigkeit (EZF) und Dehnfähiqkeit
Die Zugfestigkeitsprüfung der Legierungen wurde unter Verwendung eines Hounsfield-Tensometers (von Monsanto Limited beziehbar) und Präzisionsgußprüflingen ausgeführt, wobei die letzteren die in British Standard 18 ( beschrieben in Methods for Tensile testing of metals, herausgegeben vom British Standards Institute) angegebenen Abmessungen aufwiesen. Jeder Legierungsprüfling wurde zunächst mit Röntgenstrahlen untersucht. Es wurden 3 Versuche ausgeführt. Es ist die durchschnittliche endgültige Zugfestigkeit und die durchschnittliche prozentuale Dehnfähigkeit aus diesen 3 Tests angegeben.
Korrosion bei Raumtemperatur in Königswasser
Zur Bestimmung der Beständigkeit einer jeden Legierung gegenüber Königswasser bei Raumtemperatur wurde ein Präzisionsgußprüfling
2 bekannten Gewichts und mit annähernd der Oberfläche von 30 cm vollständig 100 h in 100 cm Königswasser eingetaucht. Nach dem Eintauchen wurde die Probe qewogen, etwas abgebürstet, um Zunder zu entfernen, und erneut gewogen. Der Gewichtsverlust, als Prozentsatz des ursprünglichen Gewichts, wurde als Maß für die Beständigkeit genommen.
■5t
Oxidation in ruhiger Luft
Um" die Beständigkeit einer jeden Legierung gegenüber Oxidation in ruhiger Luft zu bestimmen, wurde ein Präzisionsgußprüfling
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Hartlegierung auf Nickelbasis der folgenden Zusammensetzung oder Oberflächenvergütungs- oder Schweißprodukt, dessen Formulierung derart ist, daß es beim Schmelzen eine Legierung ergibt, welche (unter Ignorierung einer eventuellen Verdünnung durch Substratmaterial) die folgende Zusammensetzung aufweist:
Gew.-S
a) Chrom 26 bis 40
b) Molybdän und/oder Wolfram 6 bis 15
c) Kohlenstoff 0,55 bis 2,5
d) ein oder mehrere der Elemente Niob, Titan, Vanadin, Tantal,
Hafnium und Zirkonium 1 bis 7,5
e) Silizium und/oder Mangan 0 bis 5
f) Kupfer O bis 5
g) Aluminium 0 bis 2 h) ein oder mehrere seltene Erdmetalle O bis 2 i) Bor 0 bis 1 j) Eisen 0 bis 25 k) Nickel Rest
1) mindestens 35 Gew.-% Nickel in der Zusammensetzung vorliegen;
2) die vereinigten Gewichte aus Bor (sofern anwesend) und Kohlenstoff 2,5% oder weniger betragen; und
3) ein oder mehrere der Elemente Vanadin, Ttntal, Hifniuiii und Zirkonium nur anwesend sind, wenn der Kohlenstoffgehalt 1,0 % überschreitet.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung 0,4 bis 2,5 Gew.-Si Silizium und/oder Mangan enthält.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie
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— 2 —
bis zu 2 Geu-% Silizium enthält.
4. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,9 bis 1 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie 30 bis 37 Gew.-% Chrom enthält.
6. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu 5 Gev.-% Eisen enthält.
7. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das seltene Erdmetall aus Yttrium besteht.
8. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie 1 bis 4 Gew.-% ein oder mehrere der Elemente Niob, Vanadin, Hafnium, Tantal, Titan und Zirkon
enthält.
9. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgende Zusammensetzung aufweist:
Gew.-%
Nickel 42 bis 52
Chrom 3O bis 37
Molybdän und/oder Wolfram 8 bis 12
Kohlenstoff 0,9 bis 2
Eisen O bis 5
ein oder mehrere der Elemente Niob, Hafnium, Vanadin,Titan,Tantal und Zirkonium 1 bis 4
Mangan O bis 2
Silizium 0 bis 2
10, Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie (ausschließlich der Verunreinigungen) die folgende Zusammensetzung aufweist:
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BAD ORIGINAL
30009'3
Gew.-%
Chrom 34
Kohlenstoff 1/2
Molybdän 10
Eisen 3
Silizium 1
Niob 3
Nickel Rest
BAD ORIGINAL
DR. RICHARD KNEISSL München, den
11. Januar 1980
Wldenmayerstr.46 Lf KB 408-Dr.K/Da
D-8000 MÜNCHEN 22 Tel. 089/295125
B ο c Limited London / Großbritannien
Hartlegierung auf Nickelbasis
Priorität; 11.1.1979
030030/0764
-r-
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Hartlegierungen und auf Oberflächenvergütungs- und Schweißprodukte. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Hartlegierungen auf Nickelbasis, welche abnutzungs- und korrosionsbeständig sind.
Legierungen auf Nickelbasis werden in der Technik vielfach verwendet. Einige der am meisten verwendeten Legierungen auf Nickelbasis sind die sogenannten "Superlegierungen", welche normalerweise durch die intermatallische gamma-Primärphase verfestigt
sind. Diese Legierungen sind nicht so abnutzungsbeständig, wie
z.B. die Legierungen, die unter dem Warenzeichen "Stellite" vertrieben werden.
Eine andere allgemein bekannte Gruppe von Legierungen auf Nickelbasis umfaßt diejenigen, die Silizium und Bor und manchmal auch Chrom enthalten. Diese sind durch Bor enthaltende Fällungen gehärtet. Sie sind jedoch spröde und somit bei zyklischer Belastung von beschränktem Wert.
Es ist auch versucht worden, Legierungen auf Nickelbasis herzustellen, die Chrom, Cobalt und Molybdän oder Wolfram enthalten, um eine abnutzungsbeständige Legierung für allgemeine Zwecke
herzustellen. Diese Versuche haben sich auf die Herstellung einer Legierung konzentriert, die einen verhältnismäßig hohen
Kohlenstoffgehalt aufweist. Als Folge des hohen Kohlenstoffgehalts haben diese Versuche zu einer Legierung geführt, deren
Zähigkeit und Zugfestigkeit beschränkt sind.
Hartmetallegierungen auf der Basis von Cobalt sind allgemein
bekannt. Sie enthalten neben Cobalt typischerweise Wolfram,
Chrom und Kohlenstoff. Eine Reihe von solchen Legierungen ist
im Handel unter dem Warenzeichen "Stellite" erhältlich. Bei diesen Legierungen nehmen die Anteile an Chrom und Wolfram mit einer Erhöhung des Kohlenstoffs zu.
Es besteht jedoch auch ein Bedarf für harte abnutzungsbeständige
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DE19803000913 1979-01-11 1980-01-11 Hartlegierung auf nickelbasis Granted DE3000913A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
GB7901144 1979-01-11

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