DE3017466A1

DE3017466A1 - Nickel-kobalt-chrom-legierung

Info

Publication number: DE3017466A1
Application number: DE19803017466
Authority: DE
Inventors: Robert Hugh Dyer
Original assignee: Special Metals Corp
Current assignee: Special Metals Corp
Priority date: 1979-05-09
Filing date: 1980-05-07
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DE3017466C2; GB2050424B; CA1160077A; JPS55154542A; FR2456143A1; GB2050424A

Description

- 4 Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mckel-Kobalt-Chrom-Legierung. Das anhaltende Bedürfnis nach einer verlängerten Lebensdauer von Konstruktionsteilen, die Bedingungen ausgesetzt sind, welche ihre Lebensdauer nachteilig beeinträchtigen, ist die Triebkraft hinter der Entwicklung einer beträchtlichen .Anzahl von Legierungen, die in der Industrie allgemein als Legierungen für Hartmetallauflagen (hardfacing alloys) bekannt sind. Bei einer derartigen Legierung handelt es sich um eine Legierung mit erhöhter Verschleißfestigkeit, die auf eine billigere und weniger verschleißbeständige Legierung aufgetragen wird.

Durch die Erfindung ist eine Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung geschaffen worden, die sich durch eine höchst vorteilhafte Kombination von Verschleißfestigkeit, Duktilität und Zähigkeit auszeichnet. Diese vorteilhafte Eigenschaftskombination wird erreicht durch ein sorgfältiges Abstimmen der Legierungsbestandteile, wie im folgenden dargelegt ist.

Eine Anzahl von herkömmlichen Legierungen weist entfernte Ähnlichkeiten mit der erfindungsgemäßen Legierung auf, aber die erfindungsgemäße Legierung ist in signifikanter Weise von den herkömmlichen Legierungen unterschieden. Zum Stand der Technik seien die US-Patentschriften 2 432 618; 2 432 619; 2 750 283; 2 783 144; 2 801 916 und 4 075 999 genannt, !ferner sei hingewiesen auf einen Aufsatz mit dem Titel "Plasma-Are Hardfacing Exhaust Valves" sowie auf ein sogenanntes 'Haynes alloy No. 711 Preliminary Data sheet". Dieses Papier wurde im Mai 1978 in "Metals Progress", Seiten 38 bis 43 von Wallace M. Matlock, John F. Kocis und Edward T. Mtcha veröffentlicht. Die Legierungen der TJS-Pat ent Schriften 2 783 144 und 4 075 999 sind gedoch kobaltfrei, während sich die US-Patentschrift 2 750 283 auf Stähle und ins-

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besondere auf nichtrostende Stähle bezieht. Die Legierungen der US-Patentschriften 2 432 618; 2 432 619 und 2 801 besitzen einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt und die im sogenannten "Haynes Data sheet" angegebenen Legierungen besitzen zu niedrige Gesamtgehalte an Nickel plus Kohlenstoff. Die in "Metals Progress" beschriebenen Legierungen unterscheiden sich von der erfindungsgemäßen Legierung hinsichtlich wenigstens zwei der Legierungskomponenten Nickel, Kobalt und Eisen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung anzugeben.

Die erfindungsgemäße Legierung ist eine Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung, welche im wesentlichen besteht aus 20 bis 47 Gew.-% Nickel, 6 bis 33 Gew.-% Kobalt, 18 bis 36 Gew.-% Chrom, 0,6 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Silicium, bis zu 10 Gew.-% Wolfram, bis zu 10 Gew.-% Molybdän, bis zu 7 Gew.-% Vanadium, bis zu 2,5 Gew.- % Bor, bis zu 3 Gew.-% Kupfer, bis zu o,5 Gew.-% Mangan, bis zu 1 Gew.-% Seltenerdelemente, Rest im wesentlichen Eisen. Der Gesamtgehalt an Nickel plus Kobalt beträgt 42 bis 53 Gew.-% . Der Gesamtgehalt an Wolfram plus Molybdän beträgt nicht mehr als 15 Gew.-%. Der Eisengehalt beträgt wenigstens 8 Gew.-% und nicht mehr als 35 Gew.-%. Wenngleich die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise als pulverförmiger Werkstoff für die Pulvermetallurgie gedacht ist, kann sie in jeglicher Anzahl von Formen oder Gestalten hergestellt, angeboten und verbraucht werden.

Nickel und Kobalt liegen in der erfindungsgemaßen Legierung in Mengen von 20 bis 47 bzw. von 6 bis 33 Gew.-% vor. Diese beiden Elemente tragen zur Zähigkeit und zur Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit der

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Legierung bei. Kobalt verbessert außerdem die Warmfestigkeit der Legierung. Nickel ist jedoch ein Weichmacher (softener) und Kobalt ein sehr teures Element. Vorzugsweise werden deshalb Nickelgehalte von 22 bis 4-3 Gew.-% und Kobaltgehalte von 8 bis 30 Gew.-%. verwendet.

Chrom liegt in der erfindungsgemäßen Legierung in Mengen von 18 bis 36 Gew.-% vor. Chrom hat-einen günstigen Einfluß auf die Korrosionsbeständigkeit der Legierung sowie deren Härte und Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit. Chrommengen von mehr als 36 % sind schädlich, da sie die Legierung verspröden und rißanfällxg machen können. Der bevorzugte Chromgehalt liegt zwischen 20 und 32 %.

Kohlenstoff liegt in der erfindungsgemäßen Legierung in einer Menge von 0,6 bis 2,5 Gew.-% vor. Kohlenstpff wirkt sich vorteilhaft auf die Härte und Verschleißfestigkeit der Legierung aus. Kohlenstoffmengen von mehr als 2,5 % sind jedoch schädlich, da sie die Korrosionsbeständigkeit der Legierung nachteilig beeinflussen und die Legierung rißanfällxg machen. Der Kohlenstoffgehalt sollte somit zwischen 0,8 bis 2,3 % betragen.

Silicium liegt in der erfindungsgemäßen Legierung in Mengen von 0,5 bis 2,5 Gew.-% vor. Silicium wirkt als "fluidizer" schmelzpunkterniedrigend und desoxidierend. Siliciummengen von mehr als 2,5 % sind schädlich, weil Legierungen mit derart hohen Siliciumgehalten zum Ausbilden von versprödenden Siliciden neigen. Ein Siliciumgehalt von 0,7 bis 1,5 % ist bevorzugt.

Wolfram und Molybdän können in der erfindungsgemäßen Legierung in Mengen jeweils von bis zu 10 Gew.-% vorliegen, wobei jedoch die Gesamtmenge an Wolfram und

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Molybdän nicht mehr als 15 % und vorzugsweise nicht mehr als 10 % beträgt. Wolfram und Molybdän können die Härte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen verbessern. Diese Elemente können auch die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen erhöhen, da sie bevorzugte Carbidbildner darstellen, und das Verbleiben des Chroms in Lösung ermöglichen. Da Wolfram- und Molybdängehalte von weniger als 0,5 % keine reproduzierbare Wirkung entfalten, sollten diese Elemente, einzeln oder gemeinsam, in Mengen von mehr als 0,5 % vorliegen. Ein Gehaltsbereich von 1 bis 10 Gew.-% für Wolfram und/oder Molybdän ist bevorzugt. Die Gesamtmenge an diesen Elementen beträgt maximal 15 % und vorzugsweise maximal 10 %, da diese Elemente bei höheren Gewichtsanteilen dazu neigen, die Legierung zu verspröden und rißanfällig zu machen.

Bor kann in der erfindungsgemäßen Legierung in Mengen von bis zu 2,5 Gew.-% vorliegen. Bor kann wie Kohlenstoff die Härte erhöhen und kann wie Silicium als "fluidizer" schmelzpunkterniedrigend und desoxidierend wirken. Die Borzusätze sollten wenigstens 0,35 % betragen. Zusätze von mehr als 2,5 % sind schädlich, da Legierungen mit derart hohen Borgehalten zum Ausbilden versprödender Boride neigen. Zu hohe Borgehalte können auch die Korrosionsbeständigkeit der Legierung herabsetzen.

Eisen liegt in der erfindungsgemäßen Legierung in einer Menge von wenigstens 8 Gew.-%, jedoch von nicht mehr als 35 Gew.-% vor. Eisen senkt die Herstellungskosten der Legierung. Andererseits führen zu hohe Eisengehalte zu entsprechend niedrigen Anteilen der vorstehend diskutierten vorteilhaften Elemente. Der Eisengehalt beläuft sich somit vorzugsweise auf wenigstens 10 % und nicht mehr als 30 %.

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Die erfindungsgemäße Legierung kann ferner Vanadium, Kupfer, Mangan und Seltenerdelemente enthalten. Vanadium kann in Mengen von "bis zu 7 Gew.-% zugesetzt werden, da es zur Härte der Legierung "beiträgt. Höhere Vanadiumgehalte können die Legierung brüchig und rißanfällig machen. Kupfer kann in Mengen von bis zu 3 Gew.-% zugesetzt werden, da es die Korrosionsbeständigkeit der Legierung erhöht. Legierungen, mit höheren Kupfergehalten neigen jedoch zum Ausbilden niedrigschmelzender intermetallischer Fasen, die zu Rissen führen können. Mangan kann in Mengen von bis zu 0,5 Gew.-% zugesetzt werden, da es als Desoxidationsmittel dient. Seltenerdelemente können in Mengen von bis zu 1 Gew.-% zugesetzt werden. Seltenerdmetalle, wie Lanthan, können die Oxidationsbeständigkeit der Legierung erhöhen. Andere Seltenerdelemente bzw. -metalle können die Festigkeit der Legierung erhöhen.

Jedes der vorstehend erörterten Elemente kann in seinen angegebenen Gehaltsbereichen zusammen mit den übrigen Legierungselementen in deren weiten, üblichen oder bevorzugten Gehaltsbereichen vorliegen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung enthält 23 bis 27 % Nickel, 23 bis 27 % Kobalt, 20 bis 23 % Chrom, 0,8 bis 1,5 % Kohlenstoff, 0,7 bis 1,5 % Silicium, 0,5 bis 4 % Wolfram, 0,5 bis 4 % Molybdän sowie 15 bis 27 % Eisen. Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung enthält 35 bis 39 % Nickel, 9 Ms 14 % Kobalt, 26 bis 30 % Chrom, 1,5 bis 2,1 % Kohlenstoff, 0,7 bis 1,5 % Silicium, 1 bis 4,5 % Wolfram, 1 bis 5,5 % Molybdän sowie 10 bis 18 % Eisen. 0,35 "bis 1,5 % Bor können -jeder der genannten Ausführungsformen der Erfindung zugesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen noch näher erläutert.

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Beispiel 1

Verschiedene Legierungspulver (Legierungen A bis G) wurden hergestellt. Die Zusammensetzungen der Jeweiligen Legierungen sind in der folgenden Tafel 1 zusammengestellt.

Tafel 1

Zusammensetzung (Gew.-%) Legierung Ni Co Cr C Si W Mo B Ee

A. 25,61 26,62 22,71 0,96 * -- — — 25,24

B. 25,48 25,93 22,38 1,01 * — — — 23,82

C. 25,45 25,56 22,08 0,67 * — — 0,59 23,79

D. 25,09 26.08 22,14 1,23 1,04 — -- — 25,44

E. 25,38 25,55 21,52 1,24 0,98 1,42 1,7 — 22,3 Έ. 24,78 25,17 21,59 0,93 1,01 1,54 2.08 0,85 20,88 G. 37,07 11,57 27,83 1,82 1,00 2,59 3,92 — 13,73

* keine Angaben verfügbarI

Eine Probe einer jeden Legierung wurde im Plasmabogen auf ein Stahlsubstrat aufgetragen. Eine weitere Probe einer jeden Legierung wurde in eine Form eingebracht und durch Hindurchschicken eines elektrischen Bogens vergossen. Mikroskopische Photographien aller Proben wurden bei 100 und 500-facher Vergrößerung hergestellt.

Die Photographien zeigten dem Fachmann das Vorliegen einer Legierung mit einer höchst vorteilhaften Kombination aus Verschleißfestigkeit, Duktilität und Zähigkeit. Jede der mikroskopischen Photographien zeigte eine Material in fester Lösung mit dendritischem Gefüge mit einer vorteilhaften Menge an Carbinden geeigneter Größe und Verteilung innerhalb der Korngrenzen.

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- ίο -

Beispiel 2

Zwei weitere Legierungen (Legierungen H und I) wurden hergestellt, abgegossen und in kleinen Versuchshlöcken zur Erstarrung gebracht. Die angestrebten Zusammensetzungen dieser Legierungen sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt.

	■	Tafel	2	Cr	C	Si	(Gew	Mo	B	-	Fe
			28 28	1,8 1,8	1, 1,	W	—	—	21,1 17,1
Legierung	Ni	Zusammensetzung
H. I.	37 37	Co	Λ Λ
	11 11

Bei 100-facher und 500-facher Vergrößerung wurden mikroskopische Photographien einer ^eden Legierung hergestellt. Diese Photographien zeigten dem Fachmann eine Legierung mit höchst vorteilhafter Kombination von Verschleißfestigkeit, Duktilität und Zähigkeit. Jede der Photographien zeigte ein Material in fester Lösung mit dendritischem Gefüge mit einer vorteilhaften Menge an. Carbiden von geeigneter Größe und Verteilung in den Korngrenzen.

Es versteht sich für den Fachmann, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, da diese lediglich zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen.

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Claims

PAT E N TA Ν'ΛΆΙ.ΤΕ

A. GRUNECKER

D(PU-ING.

H. KINKELDEY

OR-INa

W. STOCKMAlR

DR-INa-AoE(CALTECH

K. SCHUMANN

DH BER NAT. ■ CHPL-FWS

P. H. JAKOB

DtPL-ING.

G. BEZOLD

DH. REHMAT' DIPL-CHEM.

Special Metals Corporation

New Hartford, New York 134-13 (V.St.A.)

Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

7. Mai 1980

P 15 014-63/He

Patentansprüche

1. Nickel-Kobalt-Chrom-Legierung bestehend im wesentlichen aus 20 bis 47 Gew.-% Nickel, 6 bis 33 Gew.-% Kobalt, 18 bis Gew.-% Chrom, 0,6 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Silicium, bis zu 10 Gew.-% Wolfram, bis zu 10 Gew.-% Molybdän, bis zu 7 Gew.-% Vanadium, bis zu 2,5 Gew.-% Bor, bis zu 3 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,5 Gew.-% Mangan, bis zu Gew.-% Seltenerdelemente, Rest im wesentlichen Eisen, mit der Maßgabe, daß der Gesamtgehalt an Nickel und Kobalt bis 53 Gew.-% beträgt, der Gesamtgehalt an Wolfram und Molybdän nicht mehr als 15 Gew.-% beträgt und der Eisengehalt wenigstens 8 % jedoch nicht mehr als 35 % beträgt.

2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Nickelgehalt von 22 bis 43 % und einen Kobaltgehalt von 8 bis 30 %.

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TBLEFON (OSS) 22 28 OO

TELEX O»-2»3»O

TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPIERER

3. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Chromgehalt von 20 bis 32 %.

4. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 2,3 %.

5. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Siliciumgehalt von 0,7 bis 1,5 %·

6. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Gesamtgehalt an Wolfram puls Molybdän nicht mehr als 10 % beträgt.

7· Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen wenigstens 0,5 % betragenden Gehalt an Wolfram und/oder Molybdän.

8. Legierung nach Anspruch 7j gekennzeichnet durch einen Gesamtgehalt von 1 bis 10 % an Wolfram und/oder Molybdän.

9· Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von wenigstens 0,35 %·

10. Legierung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch einen Gehalt von wenigstens 0,5 % an Wolfram und/oder Molybdän. :

11. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Eisengehalt von wenigstens 10 %.

12. Legierung nach Anspruch 1, gekennz ei chnet durch einen Nickelgehalt von 22 bis 4-3 %, einen Kobaltgehalt von 8 bis 30 %, einen Chromgehalt von 20 bis 32 %, einen Siliciumgehalt von 0,7 bis 1,5 % und einen Eisengehalt von

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wenigstens 10 %, mit der Maßgabe, daß der Gesamtgehalt an Wolfram und Molybdän nicht mehr als 10 % beträgt.

13. Legierung nach Anspruch 12, g e k e η η ζ eichnet durch einen Gehalt von wenigstens Λ % an Wolfram und/oder Molybdän.

14. Legierung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von wenigstens 0,35 %-

15. Legierung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen wenigstens 1 % betragenden Gehalt an Wolfram und/oder Molybdän.

16. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Nickelgehalt von 23 bis 2? %■> einen Kobaltgehalt von 23 bis 27 %, einen Chromgehalt von 20 bis 23 %, einen Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 1,5 %, einen Siliciumgehalt von 0,7 bis 1,5 %, einen Wolframgehalt von 0,5 bis 4 %, einen Molybdängehalt von 0,5 bis 4 % und einen Eisengehalt von 15 bis 27 %.

17-Legierung nach Anspruch 16, gekennz eichnet durch einen Borgehalt von 0,35 bis 1,5 %»

18. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Nickelgehalt von 35 bis 39 %» einen Kobaltgehalt von 9 bis 14 %, einen Chromgehalt von 26 bis 30 %, einen Kohlenstoffgehalt von 1,5 bis 2,1 %, einen Siliciumgehalt von 0,7 bis 1,5 %·> einen Wolframgehalt von 1 bis 4,5 %, einen Molybdängehalt von 1 bis 5i5 % sowie einen Eisengehalt von 10 bis 18 %.

19· Legierung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Borgehalt von 0,35 bis 1,5 %·

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