DE60127286T2

DE60127286T2 - Hitzebeständige co-ni-basis-legierung und entsprechende herstellung

Info

Publication number: DE60127286T2
Application number: DE60127286T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Morioka-shi Chiba; Shirou Kitakami-shi Takeda; Shigemi c/o NHK SPRING CO. Yokohama-shi Sato; Shigeki Chita-shi Ueta; Toshiharu Tajimi-shi Noda; Michio Chita-shi Okabe
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: EP1329528A4; EP1329528A1; DE60127286D1; ES2283429T3; US20040025989A1; JP2002097537A; WO2002024967A1; EP1329528B1; JP4315582B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wärmbeständige Co-Ni-Basis-Legierung und auf ein Darstellungsverfahren hierfür, und bezieht sich insbesondere auf eine wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung, die für Federn, Bolzen und dergleichen verwendet wird, die an Abschnitten, wie z. B. Maschinen und Abgassystemen und Peripherievorrichtungen von Gasturbinen eingesetzt werden, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, und auf ein Darstellungsverfahren hierfür.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmlicherweise werden wärmbeständige Teile, die in Abschnitten verwendet werden, wie z. B. Maschinen und Abgassystemen und Peripherievorrichtungen von Gasturbinen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, unter Verwendung einer superwärmebeständigen Ni-Basis-Legierung hergestellt, wie z. B. Inconel X-750 (Ni: 73,0 Gew.-%, Cr: 15,0 Gew.-%, Al: 0,8 Gew.-%, Ti: 2,5 Gew.-%, Fe: 6,8 Gew.-%, Mn: 0,70 Gew.-%, Si: 0,25 Gew.-%, C: 0,04, Nb + Ta: 0,9 Gew.-%) und Inconel 718 (Ni: 53,0 Gew.-%, Cr: 18,6 Gew.-%, Mo: 3,1 Gew.-%, Al: 0,4 Gew.-%, Ti: 0,9 Gew.-%, Fe: 18,5 Gew.-%, Mn: 0,2 Gew.-%, Si: 0,18 Gew.-%, C: 0,04 Gew.-%, Nb + Ta: 5,0 Gew.-%).
Diese superwärmebeständigen Ni-Basis-Legierungen werden durch Einlagern von γ' (Ni₃(Al, Ti, Nb)) und γ'' (Ni₃Nb) verstärkt. Im Fall einer langen Nutzungsperiode bei hohen Temperaturen von nicht weniger als 600 °C werden jedoch γ' und γ'' aufgrund von Überalterung grob, was eine Beein trächtigung der Festigkeit hervorruft. Außerdem werden Teile, wie z. B. Federn und Bolzen, auf die kontinuierlich eine Beanspruchung einwirkt, einer großen Wärmebeanspruchungsrelaxation unterworfen, wodurch sie die Leistungsfähigkeit nicht aufrechterhalten können, die ursprünglich für die Teile benötigt wird.
Es sind daher Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine wärmebeständige Legierung zu schaffen, die eine höhere Festigkeit aufweist als die obenerwähnte superwärmebeständige Ni-Basis-Legierung und weniger anfällig für eine Beeinträchtigung der Festigkeit selbst nach einer langen Nutzungsperiode unter hohen Temperaturen ist, und ein Darstellungsverfahren hierfür zu schaffen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Um die obenerwähnten Probleme zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung verschiedene Forschungen und Untersuchungen angestellt, um eine wärmebeständige Legierung zu finden, die eine höhere Festigkeit hat und weniger anfällig für eine Beeinträchtigung der Festigkeit selbst nach einer langen Nutzungsperiode unter hohen Temperaturen im Vergleich zu superwärmebeständigen Ni-Basis-Legierungen ist, und haben festgestellt, dass eine Co-Ni-Cr-Basis-Legierung als wärmebeständige Legierung nutzbar ist, und dass die Co-Ni-Cr-Basis-Legierung eine sehr niedrige Schichtungsfehlerenergie hat, so dass dann, wenn diese einer Kaltbearbeitung oder Warmbearbeitung unterworfen wird, ein Lösungselement, wie z. B. Mo, Fe und Nb in Schichtungsfehlern der erweiterten Dislokation abgesondert wird, um Dislokationsbewegungen zu blockieren und um folglich eine hohe Arbeitshärtungsleistung zu erzielen, und dass dann, wenn diese nach der Kaltbearbeitung oder der Warmbearbeitung mit darin verbliebener Bearbeitungsbeanspruchung altert, die Festigkeit weiter verbessert wird.
EP 365716 offenbart Nickel-Kobalt-Legierungen für Hochtemperaturbetrieb.
Bezüglich der Legierung mit dem obenerwähnten Verstärkungsmechanismus hat außerdem z. B. die ungeprüfte japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-140279 eine solche Legierung offenbart; da diese jedoch immer noch nicht eine ausreichende Festigkeit unter hohen Temperaturen aufweist, wird eine σ-Phase abgeschieden, wenn diese Legierung durch Erhöhen der Menge der Lösungselemente, wie z. B. Mo, Fe und Nb, darin erhöht wird, was zu einer Herabsetzung der Bearbeitbarkeit und der Zähigkeit führt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass es zum Lösen dieses Problems dann, wenn Cr auf ein minimales Niveau festgelegt wird, das für die Verwendung in einer wärmebeständigen Umgebung von nicht mehr als 750 °C erforderlich ist, möglich ist, die Abscheidung der σ-Phase selbst dann zu unterdrücken, wenn die Menge der Lösungselemente, wie z. B. Mo, Fe und Nb, erhöht wird, und dass es möglich ist, die Festigkeit durch Zugeben von W weiter zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Feststellungen entwickelt. In der folgenden Erläuterung bezieht sich hier "%" auf Gew.-%.
Mit anderen Worten, die wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung enthält C: nicht mehr als 0,05 %, Si: nicht mehr als 0,5 %, Mn: nicht mehr als 1,0 %, Ni: 25 bis 45 %, Cr: 13 bis weniger als 18 %, Mo + 1/2 W der einen Art oder von zwei Arten von Mo und W: 7 bis 20 %, Ti: 0,1 bis 3,0 %, Nb: 0,1 bis 5,0 % und Fe: 0,1 bis 5,0 %, wobei der Rest aus Co und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Ferner enthält die vorliegende Erfindung vorzugsweise wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus REM (wenigstens ein Seltenerdeelement, wie z. B. Y, Ce und Mischmetall): 0,07 bis 0,10 %, B: 0,001 bis 0,010 %, Mg: 0,0007 bis 0,010 % und Zr: 0,001 bis 0,20 %.
Außerdem ist das Darstellungsverfahren der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung durch die Schritte gekennzeichnet, in denen: eine Legierung, enthaltend C: nicht mehr als 0,05 %, Si: nicht mehr als 0,5 %: Mn: nicht mehr als 1,0 %, Ni: 25 bis 45 %, Cr: 13 bis weniger als 18 %, Mo + 1/2 W der einen Art oder von zwei Arten von Mo und W: 7 bis 20 %, Ti: 0,1 bis 3,0 %, Nb: 0,1 bis 5,0 % und Fe: 0,1 bis 5,0 %, und einen Rest bestehend aus Co und unvermeidbaren Verunreinigungen, einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.000 bis 1.200 °C oder einer Heißbearbeitung bei dieser Temperatur unterworfen wird, und diese anschließend einer Kaltbearbeitung oder einer Warmbearbeitung mit einem Bearbeitungsverhältnis von nicht weniger als 40 % unterworfen wird, und diese anschließend einer Alterungswärmebehandlung bei 500 bis 800 °C für 0,1 bis 50 Stunden unterworfen wird.
Außerdem darf bei dem obenerwähnten Darstellungsverfahren ferner die Legierung vorzugsweise wenigstens ein Element enthalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus REM (wenigstens einem Seltenerdeelement, wie z. B. Y, Ce und Mischmetall): 0,007 bis 0,10 %, B: 0,001 bis 0,010 %, Mg: 0,0007 bis 0,010 % und Zr: 0,001 bis 0,20 %.
Als Nächstes diskutiert die folgende Beschreibung die Gründe für die obenerwähnten Einschränkungen der Komponentenzusammensetzung in der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung und im Darstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung.
C: nicht mehr als 0,05 %
Kohlenstoff C wird an Nb und Ti gebunden, um Carbide zu bilden und zu verhindern, dass Kristallpartikel zum Zeitpunkt einer Feststofflösungs-Wärmebehandlung grob werden, und um ferner die Korngrenzen zu festigen; dieses Element ist zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,005 % festgelegt sein; da jedoch ein Gehalt, der 0,05 %, genauer 0,03 %, überschreitet, eine Herabsetzung der Zähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit hervorrufen würde und ferner ein Carbid mit einem Dislokationsankerelement, wie z. B. Mo, bilden würde, was zu einer Störung der Dislokationsverankerung führt, wird der Gehalt auf nicht mehr als 0,05 % festgelegt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,005 bis 0,03 % festgesetzt.
Si: nicht mehr als 0,5 %
Da Si effektiv als Desoxidator verwendet wird, ist dieses Element zu diesem Zweck enthalten; da jedoch ein Gehalt, der 0,5 %, genauer 0,3 %, überschreitet, eine Beeinträchtigung der Zähigkeit hervorrufen würde, ist der Gehalt auf nicht mehr als 0,5 % festgelegt. Der bevorzugte Bereich ist auf nicht mehr als 0,3 % festgesetzt.
Mn: 0,1 bis 1,0 %
Da Mn effektiv als ein Desoxidator verwendet wird und die Schichtungsfehlerenergie reduziert, um die Bearbeitungshärtungsfähigkeit zu verbessern, ist dieses Element zu diesem Zweck enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,1 %, vorzugsweise 0,25 %, festgesetzt werden; da jedoch ein Gehalt, der 1,0 %, genauer 0,7 %, überschreitet, eine Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit hervorrufen würde, wird der Gehalt auf 0,1 bis 1,0 % festgesetzt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,25 bis 0,7 % festgesetzt.
Ni: 25 bis 45 %
Da Ni ein Element ist, das zum Stabilisieren von Austenit verwendet wird, das als Grundmasse dient, und die Wärmebeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert, ist dieses Element zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 25 %, vorzugsweise 27 %, festgesetzt werden; da jedoch ein Gehalt, der 45 %, genauer 33 %, überschreitet, eine Beeinträchtigung der Bearbeitungshärtungsfähigkeit hervorrufen würde, wird der Gehalt auf 25 bis 45 % festgelegt. Der bevorzugte Bereich ist auf 27 bis 33 % festgesetzt.
Cr: 13 % bis weniger als 18 %
Da Cr ein Element ist, das zum Verbessern der Wärmebeständigkeit und der Korrosionsbeständigkeit verwendet wird, ist dieses Element zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 13 %, vorzugsweise 14,5 %, festgelegt werden; da jedoch ein Gehalt, der 18 %, genauer 17 %, überschreitet, tendenziell eine Abscheidung einer σ-Phase hervorruft, wird der Gehalt auf einen Bereich von 13 bis weniger als 18 % festgesetzt. Der bevorzugte Bereich wird auf 14,5 bis 17 % festgesetzt.
Mo + 1/2 W: 7 bis 20 %
Da Mo und W mittels Feststofflösungsbehandlung in die Grundmasse eingearbeitet werden und die Grundmasse festigen, um die Bearbeitungshärtungsfähigkeit zu verbessern, sind diese Elemente zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 7 %, vorzugsweise 9 %, festgelegt werden; da jedoch die Gesamtmenge des Gehalts an Mo und 1/2 des Elements W, der 20 %, genauer 16 %, überschreitet, tendenziell eine Abscheidung einer σ-Phase hervorruft, wird der Gehalt auf einen Bereich von 7 bis 20 % festgesetzt. Der bevorzugte Bereich wird auf 9 bis 16 % festgesetzt.
Ti: 0,1 bis 3,0 %
Da Ti die Festigkeit verbessert, ist dieses Element zu diesem Zweck enthalten. Um diese Wirkung zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,1 %, vorzugsweise 0,5 %, festgesetzt werden; da jedoch ein Gehalt, der 3,0 %, genauer 1,8 %, überschreitet, eine Abscheidung einer η-Phase (Ni₃Ti) hervorrufen würde, was zu einer Herabsetzung der Bearbeitbarkeit und der Zähigkeit führt, wird der Gehalt in einem Bereich von 0,1 bis 3,0 % festgelegt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,5 bis 1,8 % festgesetzt.
Nb: 0,1 bis 5,0 %
Nb wird an C gebunden, um Carbide zu bilden, um Kristallpartikel daran zu hindern, zum Zeitpunkt einer Feststofflösungs-Wärmebehandlung grob zu werden, und um die Korngrenzen zu festigen, und wird ferner mittels Feststofflösungsbehandlung in die Grundmasse eingearbeitet, um die Grundmasse zu festigen, wodurch die Bearbeitungshärtungsfähigkeit verbessert wird; dieses Element ist zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,1 %, vorzugsweise 0,5 %, festgelegt werden; da jedoch ein Gehalt, der 5,0 %, genauer 3,5 %, überschreitet, eine Abscheidung einer σ-Phase (Ni₃Nb) hervorrufen würde, was zu einer Beeinträchtigung der Bearbeitbarkeit und Zähigkeit führt, wird der Gehalt in einem Bereich von 0,1 bis 5,0 % festgesetzt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,5 bis 3,5 % festgelegt.
Fe: 0,1 bis 5,0 %
Da Fe mittels Feststofflösungsbehandlung in die Grundmasse eingearbeitet wird, um die Grundmasse zu festigen, ist dieses Element zu diesem Zweck enthalten. Um diese Wirkung zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,1 %, vorzugsweise 0,5 %, festgelegt werden; da jedoch ein Gehalt, der 5,0 %, genauer 3,3 %, überschreitet, eine Beeinträchtigung der Oxidationswiderstandseigenschaft hervorruft, wird der Gehalt in einem Bereich von 0,1 bis 5,0 % festgelegt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,5 bis 3,3 % festgesetzt.
Hierbei ermöglicht die Anwendung von Mo, Nb und Fe in kombinierter Weise, die Feststofflösungsstärke und die Bearbeitungshärtung der Grundmasse deutlich zu erhöhen, was die maximale Zugfestigkeit, die bei Raumtemperatur und bei hohen Temperaturen erhalten wird, deutlich verbessert, und was eine Wirkung des Verschiebens der Temperatur der maximalen Zugfestigkeit bei einer hohen Temperatur zur Hochtemperaturseite verschiebt, im Vergleich zur Anwendung von Mo und Nb oder Mo und Fe in kombinierter Weise.
REM: 0,007 bis 0,10 %
Da REM, das wenigstens ein Seltenerdeelement wie z. B. Y, Ce und Mischmetall ist, die Heißbearbeitbarkeit und die Oxidationswiderstandseigenschaft verbessert, ist dieses zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss der Gehalt auf nicht weniger als 0,007 %, vorzugsweise 0,01 %, festgelegt werden; da jedoch ein Gehalt, der 0,10 %, genauer 0,04 % überschreitet, eine Herabsetzung der Heißbearbeitbarkeit und der Oxidationswiderstandseigenschaft in einer umgekehrten Weise hervorruft, wird der Gehalt in einem Bereich von 0,007 bis 0,10 % festgesetzt. Der bevorzugte Bereich wird auf 0,01 bis 0,04 % festgesetzt.
B: 0,001 bis 0,010 %, Mg: 0,0007 bis 0,010 %, Zr: 0,001 bis 0,20 %
Da B, Mg und Zr die Heißbearbeitbarkeit verbessern und die Korngrenze festigen, sind diese Elemente zu diesen Zwecken enthalten. Um diese Wirkungen zu erzielen, muss B auf 0,001 %, vorzugsweise 0,002 %, festgelegt werden, Mg muss auf 0,0007 %, vorzugsweise 0,001 %, festgelegt werden, und Zr muss auf 0,001 %, vorzugsweise 0,001 %, festgelegt werden; da jedoch B 0,010 %, genauer 0,004 %, überschreitend, Mg 0,010 %, genauer 0,003 %, überschreitend und Zr 0,20 %, genauer 0,03 % überschreitend eine Herabsetzung der Heißbearbeitbarkeit und der Oxidationswiderstandseigenschaft hervorrufen würden, sind die Bereiche der Gehalte jeweils auf die obenerwähnten Bereiche festgelegt. Vorzugsweise wird B auf einen Bereich von 0,002 bis 0,004 % festgelegt, Mg auf einen Bereich von 0,001 bis 0,003 % festgelegt, und Zr auf einen Bereich von 0,01 bis 0,03 % festgelegt.
Co: Rest
Co, das eine geschlossen geschichtete hexagonale Gitterstruktur aufweist, kann Ni enthalten, so dass es eine flächenzentrierte kubische Gitterstruktur aufweist, nämlich Austenit, um somit eine hohe Bearbeitungshärtungsfähigkeit zu bewirken.
Als Nächstes diskutiert die folgende Beschreibung das Darstellungsverfahren der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung und die Gründe für die obenerwähnten Beschränkungen der Wärmebehandlung und der Arbeitsbedingungen.
Im Darstellungsverfahren der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung werden Lösungsatome, wie z. B. Mo, an Schichtungsfehlern zwischen erweiterten Dislokationen abgesondert, die durch kalte oder warme Bearbeitung eingebracht worden sind, um somit die Dislokationsbewegungen zu stören, so dass durch Unterdrücken des erneuten Auftretens von Dislokationen die wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung mit der obenerwähnten Komponentenzusammensetzung gefestigt wird. In dem Darstellungsverfahren des wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierungsmaterials der vorliegenden Erfindung wird die obenerwähnte wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.000 bis 1.200 °C unterworfen, um die Organisation homogen zu machen, oder einer Heißbearbeitung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1.000 °C, um die Kristallkörner feiner zu machen, und wird anschließend einer Kaltbearbeitung oder Warmbearbeitung bei einer Temperatur eines Bearbeitungsverhältnisses von nicht weniger als 40 % unterworfen, so dass eine große Anzahl der Dislokationen eingebracht wird, um eine Bearbeitungshärtung auszuführen. Hierbei kann die Warmbearbeitung während eines Abkühlungsprozesses nach der Feststofflösungswärmebehandlung oder der Heißbearbeitung ausgeführt werden. Anschließend wird eine Alterungswärmebehandlung für 0,1 bis 50 Stunden bei 500 bis 800 °C ausgeführt, so dass die Lösungsatome, wie z. B. Mo und Fe, an Schichtungsfehlern abgesondert werden, die zwischen Halbdislokationen der erweiterten Dislokationen gebildet werden; die Dislokationsbewegungen werden somit blockiert, so dass eine Beanspruchungsrelaxation, d. h. ein Wiederauftreten von Dislokationen, unterdrückt wird.
Der Grund dafür, dass im Darstellungsverfahren der obenerwähnten wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung die Feststofflösungswärmebehandlung oder die Heißbearbeitung bei 1.000 bis 1.200 °C ausgeführt wird, ist, dass eine Temperatur von weniger als 1.000 °C keine ausreichend homogene Struktur bereitstellt und ferner nicht die Härte senkt, was Schwierigkeiten bei der Bearbeitung hervorruft. Außerdem kann dies eine Abscheidung einer Zusammensetzung, wie z. B. Mo, hervorrufen, die einen Ankereffekt auf Dislokationen ausübt, sowie die nachfolgende Reduktion in der Alterungshärtungseigenschaft hervorrufen. Außerdem macht eine Temperatur von mehr als 1.200 °C die Kristallkörner grob, was zu einer Herabsetzung der Zähigkeit und Festigkeit führt.
Außerdem liegt der Grund dafür, dass die Kaltbearbeitung oder die Warmbearbeitung mit einem Bearbeitungsverhältnis von nicht weniger als 40 % nach der Feststofflösungswärmebehandlung oder der Heißbearbeitung ausgeführt wird, darin, wie in Tabelle 3 und 1 gezeigt ist, dass ein Bearbeitungsverhältnis von weniger als 40 % keine hohe Bearbeitungshärtungsfähigkeit bereitstellt, die durch die Lösungselemente wie z. B. Mo und Fe ausgeübt wird, die in den Schichtungsfehlern in erweiterten Dislokationen abgesondert worden sind, um die Dislokationsbewegungen zu stören und ferner eine größere Kriechdehnung hervorzurufen.
Außerdem besteht der Grund dafür, dass die Alterungswärmebehandlung bei 500 bis 800 °C für 0,1 bis 50 Stunden nach der Kalt- oder Warmbearbeitung mit einem Bearbeitungsverhältnis von nicht weniger als 40 % durchgeführt wird, darin, wie in Tabelle 4 in 2 gezeigt ist, dass dann, wenn die Behandlung bei weniger als 500 °C oder weniger als 0,1 Stunde lang stattfindet, die Festigkeit nicht ausreichend erhöht wird, oder dann, wenn die Behandlung 800 °C oder 50 Stunden überschreitet, die Dislokationen reformieren, um eine Beeinträchtigung der Härte und Festigkeit sowie eine nachfolgende größere Kriechdehnung hervorzurufen.
In einem Beispiel des Darstellungsverfahrens der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung wird die Legierung geschmolzen und durch ein normales Verfahren unter Verwendung eines Vakuumhochfrequenzinduktionsofens und dergleichen dargestellt, und durch ein normales Schmiedeverfahren zu einem Barren geschmiedet. Anschließend wird dieser einer Heißbearbeitung und einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.000 bis 1.200 °C unterworfen, und wird anschließend einer Kaltbearbeitung oder Warmbearbeitung mit einem Bearbeitungsverhältnis von nicht weniger als 40 % unterworfen, und wird anschließend einer Alterungswärmebehandlung bei 500 bis 800 °C für 0,1 bis 50 Stunden unterworfen.
Bezüglich der Anwendungen der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung wird sie außerdem auf Teile und Vorrichtungen angewendet, wie z. B. abgasbezogene Teile, wie z. B. Maschinenabgaskrümmer, Peripherievorrichtungen von Gasturbinen, Ofenkammermaterialien, wärmebeständige Federn und wärmebeständige Bolzen, in denen Inconel X750 oder Inconel X718 verwendet wurde. Sie wird ferner auf Teile und Vorrichtungen angewendet, die unter hoher Temperatur verwendet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Kaltbearbeitungsverhältnis und der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und der Kriechdehnung der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Alterungstemperatur und der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und der Kriechdehnung der wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung diskutiert die vorliegende Erfindung auf der Grundlage von Beispielen.
Beispiel 1
Legierungen eines Beispiels und eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden Erfindung, die die in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Komponentenzusammensetzungen aufweisen, wurden geschmolzen und durch ein normales Verfahren unter Verwendung eines Vakuumhochfrequenzinduktionsofens dargestellt, um Barren von 30 kg zu erhalten. Diese Barren wurden durch einen Heißschmiedeprozess zu zylindrischen Stäben mit jeweils einem Durchmesser von 35 mm geformt. Diese Stäbe, mit Ausnahme desjenigen des Vergleichsbeispiels 4, wurden einer Lösungswärmebehandlung bei 1.100 °C unterworfen, und anschließend einer Kaltbearbeitung bei einem Bearbeitungsverhältnis von 85 %, um zylindrische Stäbe mit jeweils einem Durchmesser von 13,6 mm zu formen, wobei diese anschließend einer Alterung bei 720 °C für vier Stunden unterworfen wurden. Außerdem wurde der Stab des Vergleichsbeispiels 4 einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.050 °C unterworfen, und anschließend einer Alterungsbehandlung bei 725 °C für 16 Stunden bei einem Bearbeitungsverhältnis von 30 % unterworfen. Zugteststücke mit einem Durchmesser von 8 mm an parallelen Abschnitten wurden aus diesen Elementen erhalten, wobei diese bei Raumtemperatur Zugtests unterworfen wurden, um die Zugfestigkeit zu messen. Außerdem wurden Kriechteststücke mit einem Durchmesser von 6 mm an parallelen Abschnitten mit einem Abstand zwischen den Riefen von 30 mm erhalten, wobei diese einem Kriechtest unterworfen wurden, in welchem darauf eine Beanspruchung von 330 MPa bei 700 °C ausgeübt würde, um 1.000 Stunden später die Dehnung zu messen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Tests.
Tabelle 2
Beispiel 2
Zylindrische Stäbe mit einem Durchmesser von 35 mm der Legierung Nr. 6 der vorliegenden Erfindung, die in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.100 °C unterworfen und wurden anschließend Kaltbearbeitungen bei Bearbeitungsverhältnissen von 35 %, 45 % und 60 % unterworfen (Vergleichsbeispiel 5 und Beispiele 12 und 13 der vorliegenden Erfindung), wobei diese anschließend einer Alterung bei 720 °C über vier Stunden unterworfen wurden. Zugteststücke und Kriechteststücke wurden aus diesen Elementen in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 erhalten, wobei die Zugtests und Kriechtests mit diesen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 ausgeführt wurden, um die Zugfestigkeit und das Kriechen zu messen. Tabelle 3 und 1 zeigen die Ergebnisse der Tests.
Tabelle 3
Kriechdehnung wurde mittels Kriechtests gemessen, die unter den Bedingungen 700 °C und 330 MPa ausgeführt wurden.
Beispiel 3
Zylindrische Stäbe mit einem Durchmesser von 35 mm der Legierung Nr. 10 der vorliegenden Erfindung, die in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden einer Feststofflösungswärmebehandlung bei 1.100 °C und einer Kaltbearbeitung bei einem Bearbeitungsverhältnis von 85 % unterworfen, und wurden anschließend einer Alterung unter den in Tabelle 4 gezeigten Bedingungen unterworfen (Vergleichsbeispiele 6 und 7, Beispiele 14 und 15 der vorliegenden Erfindung). Zugteststücke und Kriechteststücke wurden aus diesen Elementen in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 erhalten, wobei Zugtests und Kriechtests mit diesen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 ausgeführt wurden, um die Zugfestigkeit und das Kriechen zu messen. Tabelle 4 und 2 zeigen die Ergebnisse der Tests.
Tabelle 4
Kriechdehnung wurde mittels Kriechtests gemessen, die unter den Bedingungen 700 °C und 330 MPa ausgeführt wurden.
Die Ergebnisse der Tabelle 1 und der Tabelle 2 zeigen, dass in den Beispielen der vorliegenden Erfindung die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur in einem Bereich von 2.148 bis 2.775 MPa festgesetzt wurde und die Kriechdehnung auf 0,7 bis 1,1 % festgesetzt wurde.
Im Gegensatz hierzu war im Fall des Vergleichsbeispiels 1, in dem der Cr-Gehalt größer war als derjenige der vorliegenden Erfindung, die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur gleich 1.991 MPa, was niedriger als 93 % der Beispiele der vorliegenden Erfindung war, wobei die Kriechdehnung um das 1,4-fache größer als diejenige des Beispiels der vorliegenden Erfindung war.
Außerdem traten im Fall des Vergleichsbeispiels 2, in dem der Cr-Gehalt größer war als in der vorliegenden Erfindung, wobei Mo größer war als das Vergleichsbeispiel 1, Risse bei der Kaltbearbeitung auf, was es unmöglich machte, die Zugspannung bei Raumtemperatur und die Kriechdehnung zu messen.
Ferner betrug im Fall des Vergleichsbeispiels 3, bei dem der Cr-Gehalt größer als in der vorliegenden Erfindung war und der Mo-Gehalt kleiner als in der vorliegenden Erfindung war, die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 1.677 MPa, was niedriger als 78 % der Beispiele der vorliegenden Erfindung war, wobei die Kriechdehnung um das 1,7-fache größer war als diejenige des Beispiels der vorliegenden Erfindung.
Im Fall des Vergleichsbeispiels 4 des Inconel X750 betrug die Zugfestigkeit der Raumtemperatur 1.451 MPa, was niedriger als 68 % der Beispiele der vorliegenden Erfindung war, wobei die Kriechdehnung nicht weniger als um das 2-fache größer als diejenige des Beispiels der vorliegenden Erfindung war.
Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass im Fall des Vergleichsbeispiels 5 mit einem Kaltbearbeitungsverhältnis von 35 %, was niedriger ist als das Kaltbearbeitungsverhältnis des Beispiels der vorliegenden Erfindung, die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 1.589 MPa betrug, was niedriger war als diejenige der Beispiele 12, 13 und 6 der vorliegenden Erfindung, wobei die Kriechdehnung 3,8 % betrug, was größer war als in den Beispielen 12, 13 und 6 der vorliegenden Erfindung. Die Ergebnisse hierfür zeigen, dass das Bearbeitungsverhältnis der Kaltbearbeitung oder Warmbearbeitung auf nicht weniger als 40 % festgelegt werden muss.
Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, dass im Fall des Vergleichsbeispiels 6 mit einer Alterungsbehandlungstemperatur von 450 °C, was niedriger war als die Alterungstemperatur der vorliegenden Erfindung, die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 1.795 MPa betrug, was niedriger war als im Beispiel der vorliegenden Erfindung, und die Kriechdehnung 2,1 % betrug, was größer war als diejenige der vorliegenden Erfindung. Außerdem betrug im Fall des Vergleichsbeispiels 7 mit einer Alterungsbehandlungstemperatur, die höher war als die Alterungstemperatur des Beispiels der vorliegenden Erfindung, die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur 1.314 MPa, was niedriger war als das Beispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Kriechdehnung 4,8 % betrug, was größer war als diejenige der vorliegenden Erfindung.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Alterungsbehandlungstemperatur im Bereich von 500 bis 800 °C festgelegt werden muss.
Wie oben beschrieben worden ist, weist die wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung der vorliegenden Erfindung eine höhere Festigkeit bei Raumtemperatur im Vergleich zu superwärmebeständigen Ni-Basis-Legierungen auf, die herkömmlicherweise verwendet worden sind, und ist weniger anfällig für eine Herabsetzung der Festigkeit, selbst nach langen Nutzungsperioden bei hohen Temperaturen. Außerdem ermöglicht das Darstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, eine wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung darzustellen, die eine höhere Festigkeit bei Raumtemperatur im Vergleich zu superwärmebeständigen Ni-Basis-Legierungen aufweist, die herkömmlicherweise verwendet wurden, und weniger anfällig ist für eine Herabsetzung der Festigkeit, selbst nach langen Nutzungsperioden bei hohen Temperaturen.

Claims

Wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung, umfassend: nicht mehr als 0,05 Gew.-% an C, nicht mehr als 0,05 Gew.-% an S, nicht mehr als 1,0 Gew.-% an Mn, 25 bis 45 Gew.-% an Ni, 13 bis weniger als 18 Gew.-% an Cr, 7 bis 20 Gew.-% an Mo plus 1/2 W von wenigstens Mo und/oder W, 0,1 bis 3,0 Gew.-% an Ti, 0,1 bis 5,0 Gew.-% an Nb, 0,1 bis 5,0 Gew.-% an Fe und optional 0,007 bis 0,10 an REM, 0,001 bis 0,010 an B, 0,0007 bis 0,010 an Mg und 0,001 bis 0,20 an Zr; und den Rest Co und unvermeidbare Verunreinigungen.
Wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: 0,007 bis 0,10 Gew.-% an REM.
Wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,001 bis 0,010 Gew.-% an B; 0,0007 bis 0,010 Gew.-% an Mg; 0,001 bis 0,20 Gew.-% an Zr.
Wärmebeständige Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: 0,007 bis 0,10 Gew.-% an REM; und wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,001 bis 0,010 Gew.-% an B; 0,0007 bis 0,010 Gew.-% an Mb; und 0,001 bis 0,20 Gew.-% an Zr.
Darstellungsverfahren einer wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Unterwerfen einer Legierung, die nicht mehr als 0,05 Gew.-% an C, nicht mehr als 0,05 Gew.-% an S, nicht mehr als 1,0 Gew.-% an Mn, 25 bis 45 Gew.-% an Ni, 13 bis weniger als 18 Gew.-% an Cr, 7 bis 20 Gew.-% an Mo plus 1/2 W von wenigstens Mo und/oder W, 0,1 bis 3,0 Gew.-% an Ti, 0,1 bis 5,0 Gew.-% an Nb, 0,1 bis 5,0 Gew.-% an Fe und optional 0,007 bis 0,10 an REM, 0,001 bis 0,010 an B, 0,0007 bis 0,010 an Mg und 0,001 bis 0,20 an Zr; und den Rest Co und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, einer Festlösungswärmbehandlung bei 1.000 bis 1.200 °C oder einer Heißbearbeitung bei dieser Temperatur; anschließendes Unterwerfen desselben einer Kaltbearbeitung oder einer Warmbearbeitung mit einem Bearbeitungsverhältnis von nicht weniger als 40 %; und anschließendes Unterwerfen derselben einer Alterungswärmebehandlung bei 500 bis 800 °C für 0,1 bis 50 Stunden.
Darstellungsverfahren einer wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 5, wobei die Legierung ferner umfasst: 0,007 bis 0,10 Gew.-% an REM.
Darstellungsverfahren einer wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 5, wobei die Legierung ferner umfasst: wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,001 bis 0,010 Gew.-% an B; 0,0007 bis 0,010 Gew.-% an Mg; 0,001 bis 0,20 Gew.-% an Zr.
Darstellungsverfahren einer wärmebeständigen Co-Ni-Basis-Legierung nach Anspruch 5, wobei die Legierung ferner umfasst: 0,007 bis 0,10 Gew.-% an REM; und wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,001 bis 0,010 Gew.-% an B; 0,0007 bis 0,010 Gew.-% an Mb; und 0,001 bis 0,20 Gew.-% an Zr.