DE60123019T2

DE60123019T2 - Eisenbasierte hochtemperaturlegierung

Info

Publication number: DE60123019T2
Application number: DE60123019T
Authority: DE
Inventors: Hui Malvern Lin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: DE60123019D1; CA2399552A1; US6524405B1; TW555866B; KR20020093803A; WO2001059168A1; CA2399552C; JP2004538359A; AU2001234480A1; US6841011B2; ATE339533T1; US20030070732A1; JP5201775B2; EP1257680A1; EP1257680B1

Description

Die vorliegende Erfindung ist eine auf Eisen basierende, wärme- und korrosionsbeständige Legierung gerichtet, die niedere Dichte, gute Zug-Duktilität, und exzellente Eigenschaften in Bezug auf die Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Gießbarkeit und Festigkeit aufweist. Diese neue Klasse von Legierungen ist etwa 20–25% leichter und 20–80% billiger als die meisten herkömmlichen Nickel-enthaltenden Stähle, z.B. rostfreie Stähle, wärmebeständige Stähle und wärmebeständige Legierungen.
Derzeit werden bei wärmebeständigen, strukturellen Anwendungen am häufigsten wärmebeständige Stähle, wärmebeständige Legierungen und Superlegierungen verwendet. Es gibt jedoch einen Bedarf an Materialien mit ähnlichen Eigenschaften mit einer viel niedrigeren Dichte, da wärmebeständige Stähle, wärmebeständige Legierungen, und Superlegierungen relativ hohe Dichten aufweisen. Während alternative Materialien, wie Keramiken und intermetallisch-geordnete Legierungen auf ihre niederen Dichten untersucht werden, erreichte keine von diesen die Kombination einer niederen Dichte, adäquate Zug-Duktilität, hohe Festigkeiten, und gute Oxidationsresistenz, die für Hochtemperatur-Konstruktionsanwendungen benötigt wird.
Im Fall von Keramik beschränkt das vollständige Fehlen ihrer Zug-Duktilität erheblich den Vorteil ihrer niederen Dichten. Zusätzlich werden keramische Komponenten üblicherweise durch einen Pulver-Sintervorgang hergestellt, welcher ein relativ teurer Vorgang ist. Aufgrund des Fehlens von Duktilität und der hohen Kosten, können keramische Teile nur in sehr wenigen Anwendungen verwendet werden.
Leichte intermetallisch-geordnete Materialien haben eine angemessene intrinische Zug-Duktilität nicht erreicht und zeigten einen niederen Bruchwiderstand, insbesondere bei Raumtemperatur. Als Folge dieser Eigenschaften müssen relativ komplexe Verarbeitungstechniken eingesetzt werden, um diese Materialien herzustellen und diese zu Komponenten zu verarbeiten. Dies erhöht die Produktionskosten signifikant und ihre relativ geringe Belastbarkeit bei Raumtemperatur kann zu Bearbeitungsproblemen und zu hohen Ausschussraten von Komponenten führen.
Ein Beispiel eines solchen intermetallisch-geordneten Materials ist Fe₃Al. Im Gegensatz zu reinem Eisen, welches eine kubisch-raumzentrierte (BCC) feste Lösung ist und sehr duktil ist, bildet Fe₃Al eine geordnete BCC Struktur (im Allgemeinen als DO₃ bei Raumtemperatur und B₂ bei hohen Temperaturen definiert), in welcher Fe-Atome und Al-Atome in einer regelmäßigen Art und Weise angeordnet sind.
Fe₃Al hat aufgrund seines hohen Aluminiumgehaltes niedrige Dichte und einigermaßen gute Oxidationsresistenz bis zu etwa 800°C. Das Aluminium im Material wird leicht einen Oxidbelag in einer oxidierenden Umgebung bilden, obwohl der Oxidbelag nicht stark ist und leicht bei Temperaturen über 800°C abblättert. Außerdem sind die Rohmaterialien für Fe₃Al auch relativ kostengünstig. Jedoch ist Fe₃Al sehr spröde und weist eine niedere Zug-Duktilität bei Raumtemperatur auf, und es zerbricht leicht auf sowohl intergranluare als auch transgranulare Art und Weise.
Obwohl Chrom-enthaltendes Fe₃Al eine beschränkte Verbesserung der Zug-Duktilität gezeigt hat und relativ leichtgewichtig ist, wie durch eine Dichte von etwa 6,5 g/cm³ bewiesen ist, leiden konventionell-geordnete Fe-Al-Cr-Zusammensetzungen an relativ-schlechten Hochtemperatur-Festigkeiten, Korrosionsresistenz und Oxidationsresistenz.
Somit ist die gleichzeitige Erreichung eines finanziell-leistbaren, wärmebeständigen Strukturmaterials, das niedrige Dichte, gute Zug-Duktilität, exzellente Oxidationsbeständigkeit und exzellente Verarbeitbarkeit aufweist, ein anhaltendes Ziel dieser Anstrengungen. Insbesondere hat es Bedarf an einer auf Eisenbasierenden Legierung mit niedriger Dichte, hoher Festigkeit, angemessener Zug-Duktilität, die als > 5% Zugsdehnung definiert ist, und ausgezeichneter Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit gegeben. Die oben erwähnten Ziele können im Wesentlichen durch das Hinzufügen von Kohlenstoff zu einer Chrom-enthaltenden Eisen-Aluminium-Zusammensetzung erreicht werden, so dass eine kubisch-raumzentrierte Eisen-Aluminium-Chrom-Kohlenstoff-Legierung gebildet wird.
Ein Artikel, Intermetallics, 6 (1998), 765–769, offenbart eine Hochkohlenstoff-Fe₃Al-intermetallische Legierung, die Fe, 16 Gew.-% Al und 1,1 Gew.-% C enthält. Es wird in Barren durch Luft-Induktionsschmelzen geformt, von welchen berichtet ist, dass sie außerordentliche Zug-Eigenschaften aufweisen.
Die unmittelbare Anwendung für die vorliegende Erfindung umfasst Turbolader für hochtourigen Dieselmotoren, die in Booten, Lastkraftwagen und Personenkraftwagen verwendet werden. Dieselmotoren werden aufgrund einer höheren Treibstoff-Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu Benzinmotoren viel verwendet. Um eine solche Treibstoff-Wirtschaftlichkeit, sowie eine erhöhte Motoreneffizienz und reduzierte Verschmutzung zu erreichen, werden Turbolader routinemäßig in hochtourigen Dieselmotoren verwendet. Die meisten gewerblichen Lastkraftwagen sowie etwa 10% der Personenkraftwagen in der Welt (bis zu 20% in Europa und 10% in Japan) werden durch hochtourige Dieselmotoren mit Turboladern angetrieben.
Ein Turbolader für einen Dieselmotor besteht aus einem Kompressor und einer Turbine, Von einer mechanischen Leistungsperspektive ist die Turbine der kritischste Teil, da er bei hohen Temperaturen, z.B. bis zu 650°C, und unter hoher zentrifugalen Beanspruchung aufgrund der Hochgeschwindigkeitsrotation arbeitet. Die Umgebung, in welcher eine Turbine arbeitet, kann auch sowohl oxidierend als auch korrosiv sein.
Derzeit werden Turbolader-Turbinen aus einer Legierung auf Eisen-Nickel-Basis oder einer Legierung auf Nickel-Basis gegossen, die sowohl teuer als auch schwer sind. Aufgrund des Gewichtes brauchen die derzeitigen Turbolader Zeit, um die Trägheit zu überwinden, bevor die Turbine die Arbeitsgeschwindigkeit, bei welcher die Turbine am wirksamsten arbeitet, erreichen kann. Wie durch die Emission einer dunklen Abgaswolke einer plötzlichen Beschleunigung gezeigt ist, wird das Abgas während der Zeit, die von der Turbine benötigt wird, um ihre Betriebsgeschwindigkeit zu erreichen, nicht richtig verbrannt. Um die oben erwähnten Probleme, die mit Turboladern aus Legierungen auf Fe-Ni-Basis oder Ni-Basis verbunden sind, zu lösen, wurden Turbolader-Turbinen und Kompressoren aus der kubisch-raumzentrierten Eisen-Aluminium-Chromium-Kohlenstoff-Legierung in der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Material, welches im Wesentlichen aus einer kubisch-raumzentrierten, festen Lösung aus Eisen-Aluminium, insbesondere Fe-Al-Cr-C, besteht, wie in den angefügten Ansprüchen dargelegt ist. Das Material enthält 10 bis 80 At.% Eisen, 10 bis 45 At.% Aluminium, 1 bis 70 At.% Chrom und 0,9 bis 15% Kohlenstoff. Das Material weist exzellente Eigenschaften in polykristalliner Form auf. Zusätzlich kann die Festigkeit des Materials durch bekannte Verfahren, die die feste Lösungsfestigkeitssteigerung, Korngrößen-Verbesserung, oder durch den Einführung von Partikeln einer festigkeitssteigernden Phase, gesteigert werden. Vorzugsweise kann das Material durch Präzipitieren innerhalb der festen Lösung, BCC, festen Lösungspartikeln, die im Wesentlichen die gleichen Gitterparameter wie die zugrundeliegende feste Lösung aufweisen, festigkeitsverstärkt werden. Das erfindungsgemäße Material ist oxidationsbeständig bei Temperaturen bis zu 1150°C, und weist exzellente mechanische Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 650°C auf.
Beschreibung der Zeichnung
Die folgende Zeichnung, welche einen Teil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung bildet, zeigt einen zusätzlichen Aspekt der Erfindung. Aus der Zeichnung:
1 ist ein ternäres Phasendiagramm, das ein BCC Phasenfeld zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in einer neuen Fe-Al-Cr-C-kubisch raumzentrierten festen Lösungslegierung verkörpert, die niedrige Dichte (z.B. in dem Bereich von 5,5 g/cm³ bis 7,5 g/cm³, und vorzugsweise 6,1 g/cm³), angemessen Zug-Duktilität bei Raumtemperatur, exzellente Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Die erfindungsgemäße Legierung weist vorzugsweise 10 bis 80 At.% Eisen, 10 bis 45 At.% Aluminium, 1 bis 70 At.% Chrom und 0,9 bis 15% Kohlenstoff auf, wobei die Kombination von Aluminium und Chrom vorzugsweise in einer Menge von zumindest 30 At.% vorhanden ist.
In Abhängigkeit von den gewünschten Endeigenschaften kann sich der Chromgehalt verändern und fällt in unterschiedliche bevorzugte Bereiche. Zum Beispiel verwenden vorzugsweise Gusswerkstoffe 5 bis 20 At.% Chrom, während Schmiedematerialien geringere Mengen an Chrom verwenden, z.B., etwa 1 bis 10 At.%.
In der vorliegenden Erfindung wird die Pulver-Röntgenbeugung verwendet, um die Existenz einer BCC Phase von den relativen Intensitäten der Beugungspeaks zu bestimmen. In dieser Erfindung ist eine BCC Phase entweder eine einzelne BCC-Phase oder ein Kombination von mehreren BCC Phasen mit im Wesentlichen den gleichen Gitterparametern. Eine BCC Phase ist als eine Phase definiert, die < 3% Nicht-BCC-Phase enthält. Das heißt, sogar wenn ein Beugungsmuster für eine Phase schwache Nicht-BCC Peaks zeigt, dann wird die Phase nach wie vor als eine BCC Phase betrachtet, wenn die relative Intensität der Nicht-BCC-Peaks < 3% der Intensität des stärksten BBC Peaks ist. Eine solche Bestimmung ist nur notwendig, um die Grenzen des in 1 gezeigten ternären Phasendiagramms zu definieren, da ein Beugungsmuster innerhalb jenen Grenzen nur BCC Peaks zeigt.
Das erfindungsgemäße Material weist eine Fließfestigkeit von mehr als 320 MPa bis zu und einschließlich einer Temperatur von etwa 650°C auf. Zusätzlich erhöht sich die Fließfestigkeit des erfindungsgemäßen Materials oder bleibt dieselbe mit zunehmender Temperatur von Raumtemperatur bis etwa 600°C. In einer Ausführungsform erhöht sich die Fließfestigkeit scharf mit steigender Temperatur von Raumtemperatur bis etwa 600°C, welches im Gegensatz zu herkömmlichen BCC Materialien ist. Die Fließfestigkeit von BCC Materialien verringert sich im Wesentlichen mit steigender Temperatur.
Dieses Material kann weiters festigkeitsgesteigert werden durch (a) den Einbau einer zusätzlichen festen Lösungsphase in besagte feste Lösung, (b) Korngrößen-Verbesserung, (c) die Einführung von Partikeln einer festigkeitssteigernden Phase, oder (d) den Zusatz eines festigkeitssteigernden Elements in der festen Lösung.
Der Einbau einer zusätzlichen festen Lösungsphase kann durch die Präzipitation von kubisch-raumzentrierten Partikeln innerhalb der festen Lösung erreicht werden, wobei die Partikel mit Wesentlichen die gleiche Gitterparameter wie die feste Lösung aufweisen.
Die Festigkeitssteigerung kann auch die Zugabe eines hitzebeständigen Oxidpartikels zu der festen Lösung, wie Y₂O₃, durchgeführt werden.
Es wurde unerwarteterweise entdeckt, dass die Zugabe von signifikanten Mengen an Kohlenstoff und Chrom, das leichtgewichtige Eisen-Aluminium von einer geordneten BCC Legierung in eine feste BCC Lösung umwandelt. Zusätzlich wurde gefunden, dass die Löslichkeit des Kohlenstoffs bei der vorliegenden Erfindung mit zunehmenden Mengen an Chrom und abnehmenden Mengen an Aluminium aussteigt.
Die Leichtgewicht-Legierung besitzt eine angemessene Zug-Duktilität bei Raumtemperatur. Wie durch die nachstehenden Eigenschaften gezeigt ist, ist die Kombination einer niedrigen Dichte, einer angemessenen Zug-Duktilität und Hochtemperaturfestigkeiten ein signifikanter technologischer Durchbruch für leichtgewichtige, wärmebeständige Strukturmaterialien.
Es wurde weiters entdeckt, dass Standardverarbeitungstechniken (z.B. Gießen) verwendet werden können, um die erfindungsgemäße Legierung in gewünschte Artikel zu formen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, unter Verwendung von Standardverarbeitungstechniken, einen Artikel oder einen Verbundwerkstoff herzustellen, welcher feste Lösungsphasen von Fe-Al-Cr-C aufweist, wobei die festen Lösungsphasen jeweils kubisch-raumzentriert und Einzelphasen sind, und ihre Gitterparameter im Wesentlichen miteinander übereinstimmen.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Turboladerteil herzustellen, insbesondere einen Turbinenrotor oder einen Kompressor, welcher die erfindungsgemäße Legierung aufweist.
Eigenschaften
A. Oxidationsbeständigkeit
Die vorliegende Erfindung weist exzellente Oxidationsbeständigkeit auf, welche als die Gewichtsveränderung des Materials, wenn es zu einer Hochtemperatur-, oxidierenden Umgebung ausgesetzt ist, definiert. Tatsächlich zeigen die erfindungsgemäßen Materialien Oxidationsbeständigkeit, die rostfreien Stählen, wärmebeständigen Stählen, wärmebeständigen Legierungen und Superlegierungen überlegen ist. In einer Ausführungsform zeigt das Material eine Gewichtsverlustrate von 0,2 g/m² Tag nach mehr als 100 Stunden bei 1000°C an der Luft. Es wird angenommen, dass die exzellente Oxidationsbeständigkeit durch die großen Mengen an Aluminium und Chrom in dem Material begründet ist. Falls erforderlich kann die Oxidationsbeständigkeit durch das Hinzufügen von seltenen Erdelementen zu dem Material weiters verbessert werden.
B. Festigkeit
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Artikel zeigt Hochtemperatur-Festigkeit, z.B., bis zu 650°C, die rostfreien Stählen, und den meisten wärmebeständigen Stählen und Legierungen überlegen ist. In Anbetracht der mit dem Material verbundenen niedrigen Dichte ist die spezifische Festigkeit des Materials bei Temperaturen von bis zu 650° sogar noch überlegener. Zum Beispiel hat die vorliegende Erfindung in der Gusszustand-Form eine Fließfestigkeit von mehr als 320 MPa bis zu 650°C. Die Festigkeit dieser Legierung kann weiters verbessert werden mit konventionellen festigkeitssteigernden Verfahren, wie Kornverbesserung (z.B. Warmwalzen, gefolgt von der Rekristallisierung, um die Mikrostruktur des Artikels zu ändern), feste Lösung-Festigkeitsteigerung (z.B., Einbau eines festigkeitssteigernden Elements in die feste Lösung), und zweite Phase-Partikel Festigkeitssteigerung.
Die zweite Phasen-Partikel Festigkeitsteigerung kann von der externen Zugabe von hochschmelzenden Oxiden, wie Y₂O₃, herrühren. Vorzugsweise wird die zweite Phasen-Partikel Festigkeitsteigerung intern durchgeführt, über eine in situ Technik. Durch Einstellen der Fe-Al-Cr-C-Zusammensetzung, präzipitieren interne Partikel von Fe-Al-Cr-C innerhalb der festen Lösung. Zum Beispiel können die Menge und die Verteilung der kubisch-raumzentrierten Partikel innerhalb der festen Lösung durch Einstellen der Menge von Eisen, Aluminium, Chrom und Kohlenstoff innerhalb der Zusammensetzung bedarfsgerecht erstellt werden. Diese Partikel sind ebenfalls BCC, ihre Gitterparameter stimmen im Wesentlichen mit der umgebenden festen Lösung überein, was die Beanspruchung in Bezug auf Gradienten zwischen den Phasen eliminiert und eine Hochtemperaturstabilität ergibt.
Die Kombination von Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, die mit dem erfindungsgemäßen Material verbunden ist, ermöglicht die leichte Verwendung als Last-tragende Komponenten, die einer oxidieren Umgebung bei Temperaturen von bis zu 685°C ausgesetzt sind. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls für Nicht-Last-tragende Teile bei Temperaturen bis zu 1200°C verwendet werden.
C. Korrosionsbeständigkeit
Ein Artikel, welcher das erfindungsgemäße Material aufweist, zeigt ebenfalls gute Korrosionsbeständigkeit, wenn es in einer Salpetersäure-Lösung getestet wird. Das Material hat eine Korrosionsbeständigkeitsrate von weniger als 0,01 mm/Jahr Gewichtsverlust in HNO₃-Lösung im Bereich von 20% bis 65% bei Raumtemperatur. Das Material zeigt ebenfalls kein Zeichen einer Korngrenzenkorrosion, wenn es den vorangehenden Bedingungen ausgesetzt wird.
D. Duktilität
Die vorliegende Erfindung hat eine angemessenen Zug-Duktilität bei Raumtemperatur und eine gute Zug-Duktilität bei über 700°C, was eine gute Warm-verarbeitbarkeit ergibt. Zum Beispiel zeigt die vorliegende Erfindung in Gusszustand-Form eine Zug-Duktilität von über 5% bei Raumtemperatur und über 95% bei etwa 900°C. Deshalb wurde das erfindungsgemäße Material bei Temperaturen über 900°C leicht warmgewalzt.
E. Gießbarkeit
Aufgrund der exzellenten Gießbarkeitseigenschaften, die mit der vorliegenden Erfindung verbunden sind, z.B. eine niedere Viskosität, wenn geschmolzen, können Standardmetallschmelz- und Gießtechniken verwendet werden, um die fertigen Artikel herzustellen. Artikel können unter Verwendung konventioneller Induktionsschmelztechniken, die in einer kontrollierten oder geschützten Atmosphäre, z.B. in einem inerten Gas oder unter Vakuum, durchgeführt werden, hergestellt werden. Die einzigartige Fähigkeit des Materials, endformnahe Artikel zu formen, ist eine Kombination der Fluidität der geschmolzenen Legierung und der Charakteristika der festigkeitssteigernden Phase. Vorzugsweise weist das Material eine eutektische Struktur auf. Diese Mikrostruktur gekoppelt mit exzellenten Fließeigenschaften ermöglicht der geschmolzenen Legierung, sich der Gestalt der Gießform anzupassen, und führt zu endformnahen Artikeln, die keine zusätzlichen Endfertigungsschritte vor dem Gebrauch benötigen.
Die Mikrostruktur eines Artikels, welcher in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, kann weiters durch Einstellen der Gießtemperatur bedarfsgerecht erstellt werden. Es wurde zum Beispiel entdeckt, dass eine höhere Gießtemperatur zu einer feineren Partikelgröße für die zweite, festigkeitssteigernde Phase führen kann. Für Illustrationszwecke, eine feine Mikrostruktur ist eine solche, bei welcher die mittlere Größe der Präzipitate der zweiten Phase kleiner als etwa 50 μm ist, und vorzugsweise etwa 10–20 μm.
Artikel
In einer Ausführungsform wurde Vakuum-Präzisisionsguss verwendet, um einen gegossen Turbolader Turbinenrotor mit der dünnsten Laufschaufel mit einer Dicke von etwa 0,5 mm herzustellen. Wie in Beispiel 1 nachstehend gezeigt ist, zeigte der Gusszustand-Turbolader-Turbinenrotor exzellente Hochtemperaturfestigkeiten bis zu 650°C. Diese Hochtemperaturfestigkeit ist ähnlich zu gegossenen wärmebeständigen Legierungen auf Eisen-Nickel-Basis, die derzeit in Turboladern verwendet werden. Aufgrund der geringen Dichte des erfindungsgemäßen Materials ist die spezifische Festigkeit jedoch etwa 25% höher als derzeitig gegossene Turbolader auf Eisen-Nickel-Basis. Zum Beispiel hatte die Turbolader-Turbine, die die erfindungsgemäße Legierung aufweist, eine Dichte von etwa 6,1 g/cm³, im Vergleich zu gegossenen Legierungen auf Eisen-Nickel-Basis, die eine Dichte von etwa 8,1 g/cm³ aufweisen. Deshalb hat eine Turbolader-Turbine, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ein etwa 25% geringeres Gewicht, als Standard-Turbolader-Turbinenrotoren auf Eisen-Nickel-Basis.
Der leichtgewichtige Turbinenrotor des Turboladers führt zu einer signifikanten Reduktion der Verschmutzung, das es die Trägheit überwindet und die Betriebsgeschwindigkeit schneller als die schwereren, derzeitig verwendeten Turbolader auf Eisen-Nickel-Basis, erreicht. Aufgrund dieses Effekts kann die Beschleunigungszeit um zumindest 25% verringert werden, was zu einer effizienteren Verbrennung des Abgases während der Beschleunigung führt, im Vergleich zu dem schweren Eisen-Nickel-Turbolader. Tatsächlich würde die Leichtgewicht-Legierung der vorliegenden Erfindung, wenn verwendet, um Turbolader-Turbinenrotoren und Kompressoren herzustellen, dabei helfen, dass Dieselmotoren Übergangs-(Beschleunigungs-)Emissionsstandards erfüllen, zusätzlich zu den Dauerzustand-Emissionsstandards.
Zusätzlich zu den obigen Leistungsvorteilen sind die Materialkosten der erfindungsgemäßen Legierung wesentlich günstiger, z.B. zumindest 50% günstiger, als konventionelle Nickel-Eisen-Turbolader. Dieser Preisunterschied steht primär mit den hohen Mengen an Nickel, die in Standard-Turboladern vorhanden sind, in Verbindung, die in der erfindungsgemäßen Legierung nicht vorhanden sind.
Schließlich weist die vorliegende Legierung eine viel bessere Oxidationsbeständigkeit auf als Turbolader-Turbinenrotoren aus einer Eisen-Nickel-Legierungen oder einer Legierung auf Nickel-Basis.
Nachdem die vorliegende Erfindung im Allgemein offenbart wurde, beschreibt das folgende Beispiel die Erfindung weiter.
Beispiele
Beispiel 1
Ein Fe-Al-Cr-C-Artikel, welcher eine Zusammensetzung innerhalb des Bereiches, der in 1 definiert ist, aufweist, wurde durch Standardschmelztechnik hergestellt. Die Zusammensetzung wurde unter Vakuum geschmolzen, um eine geschmolzene Fe-Al-Cr-C-Legierung zu bilden, welche dann in einer Form mit einem Hohlraum in der Gestalt des Artikels gegossen wurde. Die Form im gegossenen Zustand blieb unter einem Vakuum, bis es in Luft auf Raumtemperatur sandgekühlt wurde, um den Artikel im Gusszustand zu bilden. Der Artikel im Gusszustand wurde anschließend aus der Form genommen und es wurde gefunden, dass es ein Fe-Al-Cr-C kubisch-raumzentrierte, feste Lösung mit einer Dichte von etwa 6,1 g/cm³ ist.
Die mechanischen Eigenschaften des Artikels im Gusszustand sind in Tabelle 1 gezeigt. Wie ersichtlich ist, zeigt ein Material innerhalb der vorliegenden Erfindung exzellente Fließ- und Zugfestigkeiten bis zu 650°C, und eine gute Duktilität, insbesondere bei 900°C.
Tabelle 1. Mechanische Eigenschaften einer bcc Fe-Al-Cr-C-Legierung
Tabelle 2 zeigt weiters, dass das erfindungsgemäße Material beinahe vollständig oxidationsbeständig ist bis zu 1150°C
Tabelle 2. Oxidationsbeständigkeitseigenschaften einer bcc Fe-Al-Cr-C-Legierung
Tabelle 3 illustriert die exzellenten Korrosionsbeständigkeitseigenschaften, sogar in einer 65% Lösung von Salpetersäure, des erfindungsgemäßen Materials.
Tabelle 3. Korrosionsbeständigkeitseigenschaften einer bcc Fe-Al-Cr-C-Legierung
Die vorliegende Erfindung wurde allgemein und unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen davon offenbart. Der Umfang der Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.

Claims

Material, das im Wesentlichen aus einer kubisch-raumzentrierten („BCC"), festen Lösung aus Fe-Al-Cr-C, mit 10 bis 80 At.% Eisen, 10 bis 45 At.% Aluminium, 1 bis 70 At.% Chrom und 0,9 bis 15 At.% Kohlenstoff besteht, wobei besagtes Material eine einzelne BCC Phase oder eine Kombination von mehreren BCC Phasen mit im Wesentlichen den selben Gitterparametern ist, wobei die Festigkeit des Material gegebenenfalls durch folgendes gesteigert wird: (a) eine hinzugefügte feste Lösungsphase, die in besagte feste Lösung eingebaut ist und die im Wesentlichen die selben Gitterparameter wie die besagte feste Lösung aufweist, (b) hinzugefügte Partikel einer festigkeitssteigernden Phase, (c) hinzugefügtes festigkeitssteigerndes Element in die feste Lösung, oder (d) Die Präzipitation von kubisch-raumzentrierten Partikeln innerhalb der festen Lösung, wobei die besagten Partikel im Wesentlichen die gleichen Gitterparameter wie die besagte feste Lösung aufweisen.
Material nach Anspruch 1, wobei Aluminium und Chrom in einer kombinierten Menge von zumindest 30 At.% vorhanden ist.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material eine Fließfestigkeit von mehr als 320 MPa bis zu etwa 650°C aufweist.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material polykristallin ist.
Material nach Anspruch 1, wobei die Festigkeit gesteigert wird durch: (a) Den Einbau einer zusätzlichen festen Lösungsphase in besagte feste Lösung (b) Korngrößen-Verbesserung (c) Die Einführung von Partikeln einer festigkeitssteigernden Phase, oder (d) Den Zusatz eines festigkeitssteigernden Elements in der festen Lösung.
Material nach Anspruch 5, dessen Festigkeit durch die Präzipitation von kubisch-raumzentrierten Partikeln innerhalb der festen Lösung gesteigert wird, wobei die besagten Partikel im Wesentlichen die gleichen Gitterparameter wie die besagte feste Lösung aufweisen.
Material nach Anspruch 1, dessen Festigkeit durch den Zusatz von hochschmelzenden Oxidpartikel zu besagter festen Lösung gesteigert wird.
Material nach Anspruch 7, wobei die hochschmelzenden Oxidpartikel Y₂O₃ aufweisen.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material eine Dichte von 5,5 g/cm³ bis 7,5 g/cm³ aufweist
Material nach Anspruch 9, wobei das Material eine Dichte von etwa 6,1 g/cm³ aufweist.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material eine Fließfestigkeit aufweist, die mit steigender Temperatur von Raumtemperatur bis etwa 600°C die gleiche bleibt oder zunimmt.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material mit Wesentlichen keine Gewichtsveränderung aufgrund von Oxidation bei Temperaturen bis zu etwa 1150°C erfährt.
Material nach Anspruch 1, wobei das Material eine Zugduktilität von größer als etwa 95% bei Temperaturen von etwa 900°C aufweist.
Verbundwerkstoff, der im Wesentlichen aus festen Lösungphasen aus Fe-Al-Cr-C besteht, wobei die festen Lösungsphasen jeweils kubisch-raumzentriert und Einzelphasen sind, und wobei der Verbundwerkstoff eine Zusammensetzung von 10 bis 80 At.% Eisen, 10 bis 45 At.% Aluminium, 1 bis 70 At.% Chrom und 0,9 bis 15 At.% Kohlenstoff aufweist, wobei besagte feste Lösungsphasen im Wesentlichen die selben Gitterparameter aufweisen, wobei die Festigkeit des Material gegebenenfalls durch folgendes gesteigert wird: (a) eine hinzugefügte fest Lösungsphase, die in besagte feste Lösung eingebaut ist und die im Wesentlichen die selben Gitterparameter wie die besagte feste Lösung aufweist, (b) hinzugefügte Partikel einer festigkeitssteigernden Phase, oder (c) hinzugefügtes festigkeitssteigerndes Element in die feste Lösung.
Gegenstand, der ein Material nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Gegenstand nach Artikel 14, welcher ein Turbolader-Teil, wie ein Turbinenrotor oder ein Kompressor ist.
Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, wobei das Verfahren aufweist: Schmelzen einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus 10 bis 80 At.% Eisen, 10 bis 45 At.% Aluminium, 1 bis 70 At.% Chrom und 0,9 bis 15 At.% Kohlenstoff besteht, um eine geschmolzene Fe-Al-Cr-C-Legierung unter einer kontrollierten Atomosphäre zu bilden, wobei die Legierung gegebenenfalls enthält: (a) Hinzugefügte Partikel einer festigkeitssteigernden Phase, oder (b) ein hinzugefügtes festigkeitssteigerndes Element in die feste Lösung, Gießen der besagten Legierung in eine Gussform unter einer kontrollierten Atmosphäre, wobei die Gussform einen Hohlraum in der Form des besagten Artikels aufweist, Abkühlen der besagten geschmolzenen Legierung auf Raumtemperatur, um einen festen Gegenstand im Gusszustand zu bilden, welcher aus dem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist, und Entfernen des festen Gegenstandes im Gusszustand aus der besagten Form.