DE60208867T2

DE60208867T2 - Ventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60208867T2
Application number: DE60208867T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Hitachi-shi Chigasaki; Shizuo Hitachi-shi Matsushita; Jiro Hitachi-Shi Kuniya; Yoshihisa Hitachinaka-shi Kiyotoki; Kikuo Hitachi-shi Takeshima; Akira Mito-shi Sakamoto; Yoshiteru Iwanuma-shi Chiba
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: EP1327806B1; CA2409441C; KR20030061340A; DE60208867D1; EP1327806A3; US20030132415A1; CN1307380C; EP1584851A3; JP2003207059A; US6959916B2; EP1327806A2; CN1431416A; EP1584851A2; CA2409441A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung, und insbesondere bezieht sie sich auf ein Material für einen Ventilsitz und ein Verfahren zum Bilden des Ventilsitzes. Das Ventil nach der vorliegenden Erfindung kann in Fluidmaschinen wie zum Beispiel Turbinen, Pumpen oder Gebläsen, Verbrennungsmotoren, Chemieanlagen oder Kernkraftwerken verwendet werden.
Ventile dürfen nur wenig Abrieb und Festfressen verursachen. Außerdem dürfen sie weniger Anhaften und Erosion bewirken. Vorzugsweise sind sie außerdem hoch korrosionsbeständig. Für Sicherheitsüberdruckventile, Kugelventile, Schieber, Rückschlagventile, Regelventile, Sicherheitsventile oder Drosselklappenventile für verschiedene Fluidmaschinen, Chemieanlagen oder Kernkraftwerke sind bisher jene Ventile verwendet worden, bei denen als Stellit bezeichnete Cobaltlegierungen im Auftragschweißen auf die Ventilsitze geschweißt wurden. Weil außerdem Bedenken hinsichtlich der Erschöpfung der Cobaltvorkommen bestehen und Kernkraftwerke cobaltfreie Zusammensetzungen benötigen, ist die Entwicklung von Ventilsitzmaterialien gefordert worden, die kein Cobalt enthalten.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 11-63251 beschreibt die Verwendung einer durch Verteilen von Chromboridteilchen in einer nickelbasierten Legierung, die Chrom, Bor und Silizium enthält, hergestellten Legierung als Ventilsitzmaterial, das auf eine Ventilplatte oder ein Ventilgehäuse auftraggeschweißt wird. Weiter beschreiben die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. Sho 62-1837 und das US-Patent Nr. 4.754.950 Ventile, bei denen ein Ventilsitz für die Ventilplatte bzw. das Ventilgehäuse aus einer ausscheidungsgehärteten Legierung auf Eisenbasis der Chrom-Nickel-Eisen-Reihe und der Ventilsitz für das jeweils andere Teil aus einer nickelbasierten Legierung mit einer Härte (Hv) von 400 oder mehr hergestellt ist. Es ist beschrieben, dass die nickelbasierte Legierung mit einer Härte (Hv) von 400 oder mehr Kohlenstoff, Silizium, Bor und Chrom enthält. Es ist auch beschrieben, dass die nickelbasierte Legierung durch Auftragschweißen, Hartlöten oder Diffusionsschweißen auf das Ventilgehäuse oder die Ventilplatte geschweißt ist. Konkret gezeigt ist jedoch nur das Auftragschweißen.
EP-A-1128103 beschreibt ein Ventil mit einem korrosions- und abriebbeständigen Abschnitt, der auf einen Gleitabschnitt geschweißt ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestätigt, dass eine nickelbasierte Legierung, in der Silizidteilchen und/oder Boridteilchen in der Matrix einer Metallmikrostruktur fein verteilt sind, eine Verformbarkeit, eine hohe Beständigkeit gegen Temperaturwechsel oder mechanische Stöße sowie eine ausgezeichnete Abrieb- und Festfressbeständigkeit aufweist und für Ventilsitze geeignet ist. Beim Auftragschweißen der nickelbasierten Legierung, in der Silizid- oder Boridteilchen verteilt sind, auf den Ventilsitz ist jedoch festgestellt worden, dass die nickelbasierte Legierung beim Schweißen schmilzt und eine grobe dendritisch erstarrte Mikrostruktur bildet, die Silizide oder Boride enthält. Die nickelbasierte Legierung mit der dendritisch erstarrten Mikrostruktur weist eine schlechte Verformbarkeit auf, ist empfindlich gegenüber Temperaturwechseln oder mechanischen Stößen und bricht leicht.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Ventils, das einen Zustand aufrechterhalten kann, in dem Silizidteilchen oder Boridteilchen fein verteilt sind, ohne dass die dendritisch erstarrte Mikrostruktur entsteht, auch wenn eine nickelbasierte Legierung verwendet wird, bei der zumindest Silizidteilchen oder Boridteilchen in der Matrix einer Metallmikrostruktur verteilt sind, als einen Ventilsitz, und das Schweißen desselben an eine Ventilplatte oder ein Ventilge häuse sowie eines nach diesem Herstellungsverfahren erhaltenen Ventils.
Ein Ventil nach der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 2 festgelegt. Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist in den Ansprüchen 10 und 11 festgelegt.
Beim Transient-Liquid-Phase- oder TLP-Diffusionsschweißen schmilzt nur die Zwischenschicht, und das Material des Ventilsitzes und der Ventilplatte oder des Ventilgehäuses wird im Wesentlichen nicht aufgeschmolzen. Daher weist das Material des Ventilsitzes sowohl vor als auch nach dem Schweißen im Wesentlichen den Ausgangszustand auf. Weil ein Teil der in dem Material für den Ventilsitz enthaltenen Legierungselemente und ein Teil der in dem Material der Ventilplatte oder des Ventilgehäuses enthaltenen Legierungselemente in die Zwischenschicht diffundieren, kann darüber hinaus beim Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen ein bezogen auf die Festigkeit fest verschweißter Abschnitt erhalten werden.
Wenn ein Plattenmaterial als eine Zwischenschicht (nachstehend als Einfüllmaterial bezeichnet) zwischen dem Ventilsitz und der Ventilplatte oder zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilgehäuse angeordnet und auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Einfüllmaterials erwärmt wird, wird das Einfüllmaterial anfangs aufgeschmolzen, aber weil die in dem Ventilsitz, der Ventilplatte oder dem Ventilgehäuse enthaltenen Legierungselemente in den Schmelzbereich diffundieren, wird der Schmelzpunkt höher und das Material koaguliert und erstarrt beim Schweißen. Wird das so hergestellte Ventil auf den Schmelzpunkt des Einfüllmaterials erwärmt, wird das Einfüllmaterial nicht mehr aufgeschmolzen.
Als das Material für die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse wird meist Kohlenstoffstahl oder niedrig legierter Stahl verwendet. Gelegentlich wird auch rostfreier Stahl verwendet. In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen ist es wünschenswert, als Material für das Einfüllmaterial die Materialien zu verwenden, in die die in der für den Ventilsitz verwendeten nickelbasierten Legierung oder in dem für die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse verwendeten Kohlenstoffstahl, niedrig legierten Stahl oder rostfreien Stahl enthaltenen Legierungselemente leicht diffundieren. Eine nickelbasierte Legierung mit Nickel, Silizium und Bor, eine nickelbasierte Legierung mit Nickel, Chrom, Silizium und Bor oder eine nickelbasierte Legierung mit Nickel und Phosphor ist sehr gut als das Einfüllmaterial für diese Erfindung geeignet. Das aus einer nickelbasierten Legierung hergestellte Einfüllmaterial ist auch im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet. Bei den Beispielen zur Herstellung von Ventilen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Einfüllmaterialien wurde ein Phänomen beobachtet, dass die in dem Material für den Ventilsitz enthaltenen Legierungselemente und die in dem Material für die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse enthaltenen Legierungselemente in das Einfüllmaterial diffundiert sind. Außerdem wurde, auch wenn das hergestellte Ventil bis zum Schmelzpunkt des Einfüllmaterials erwärmt wurde, der verschweißte Abschnitt nicht aufgeschmolzen. Das Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen wird vorzugsweise im Vakuum durchgeführt. Weiter erfolgt vorzugsweise gleichzeitig ein Erwärmen, während der verschweißte Abschnitt gepresst wird. Die Presskraft kann mehrere zig g/cm² und höchstens 100 g/cm² oder weniger betragen. Daher besteht keine Gefahr, dass der verschweißte Abschnitt sich verformt oder dass das Material des Ventilsitzes durch das Pressen reißt.
Auch wenn das Hartlöten als ein Fügeverfahren ähnlich dem Liquid-Phase-Diffusionsschweißen (Diffusionsschweißen in der flüssigen Phase) erwogen werden kann, ist das Hartlöten nicht geeignet, weil Hartlötmaterial verwendet werden muss und die in dem Material für den Ventilsitz, die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse enthaltenen Legierungsele mente nicht völlig in das Hartlötmaterial diffundieren; auch ist die Festigkeit des verschweißten Abschnitts sehr gering, und der Ventilsitz neigt zum Abblättern.
Beim Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen ist es wünschenswert, dass die Dicke des Einfüllmaterials dünn ist, um das Aufschmelzen des Einfüllmaterials zu erleichtern und um das geschmolzene Einfüllmaterial nicht nach außerhalb des verschweißten Abschnitts freizusetzen; daher beträgt die Dicke vorzugsweise 20 bis 50 μm.
Die Form der Verbindung der Silizid- oder Boridteilchen, die in der nickelbasierten Legierung für den Ventilsitz verteilt werden, unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Eine Verbindung aus Nickel und Bor, eine Verbindung aus Nickel und Silizium oder eine Verbindung aus Chrom und Bor kann verteilt werden.
Als die nickelbasierte Legierung für den Ventilsitz wird eine nickelbasierte Legierung verwendet, die 8 Gew.-% oder weniger Silizium, 0 bis 4 Gew.-% Bor, 7 bis 30 Gew.-% Chrom, 1,2 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 Gew.-% Wolfram und 42 Gew.-% oder weniger Eisen (in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt) enthält, worin zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind. Die nickelbasierte Legierung mit der vorstehend beschriebenen chemischen Zusammensetzung weist eine ausgezeichnete Verformbarkeit und hohe Beständigkeit gegen mechanische Stöße oder Temperaturwechsel auf. Außerdem weist sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, was ein geringeres Anhaften bewirkt. Daneben weist sie eine Härte von Hv 400 oder mehr sowie eine ausgezeichnete Abrieb- und Erosionsbeständigkeit auf. Die Gründe für die Festlegung der chemischen Zusammensetzung der vorstehend beschriebenen nickelbasierten Legierung sind nachstehend angegeben.
Silizium und Bor sind enthalten, um die Verformbarkeit und die Erosionsbeständigkeit zu verbessern, etwa durch Verteilen eines Silizids oder Borids wie zum Beispiel Ni₃Si, Ni₂B oder Cr₂B in der Matrix der Metallmikrostruktur. Das Verteilen von Silizid ist effektiver als das Verteilen von Borid, und daher ist Silizium immer enthalten. Der Siliziumanteil beträgt 8 Gew.-% oder weniger; bei einem Anteil von mehr als 8 Gew.-% ist die Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Verformbarkeit gering. Wenn Bor mit einem Anteil von 4 Gew.-% oder weniger enthalten ist, ist die Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Verformbarkeit bemerkenswert.
Chrom verbessert die Korrosionsbeständigkeit und stärkt außerdem die Matrix. Beträgt der Chromanteil weniger als 7 Gew.-%, ist die Wirkung gering; überschreitet der Anteil 30 Gew.-%, ist die Verformbarkeit geringer, so dass ein Bereich von 7 bis 30 Gew.-% erforderlich ist.
Kohlenstoff ist enthalten, um die mechanische Festigkeit und Abriebbeständigkeit zu erhöhen. Durch das Einarbeiten von Kohlenstoff entsteht zum Beispiel Chromcarbid, um das Material zu festigen. Beträgt der Kohlenstoffanteil mehr als 1,2 Gew.-%, verschlechtert sich die Verformbarkeit.
Wolfram bewirkt eine Stärkung der Matrix. Beträgt der Anteil jedoch mehr als 5 Gew.-%, wird das Material spröde.
Eisen ist als Verstärkungselement in einem Bereich von 42 Gew.-% oder weniger enthalten. Die Zugabemenge muss jedoch unter Berücksichtigung der Anteile der übrigen Legierungselemente festgelegt werden, damit sie den Nickelanteil nicht übersteigt. Bei einem zu hohen Eisenanteil verringert sich die Verformbarkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert sich.
Die für den Ventilsitz verwendete nickelbasierte Legierung wird vorzugsweise durch Herstellung eines nickelbasierten Legierungspulvers mit einem Zerstäubungsverfahren und anschließendes Pressformen und weiteres Anwenden einer HIP- oder heißisostatischen Pressbehandlung und Heißpulverextrusion zur Erzeugung eines Plattenmaterials hergestellt. Weiter wird vorzugsweise ein Block aus einer vakuumge schmolzenen nickelbasierten Legierung einem hydrostatischen Fließpressen und anschließenden Warmpressen zu einem Plattenmaterial unterzogen. Das so hergestellte Plattenmaterial weist eine feine Metallmikrostruktur auf, und die Silizid- oder Boridteilchen sind als körnige oder klumpige Teilchen mit einer Größe von mehreren zig Mikrometern oder weniger in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt. Weil die Metallmikrostruktur feiner wird, wird die Härte weiter verbessert und auch die Erosionsbeständigkeit verbessert sich.
Die Teilchengröße der Silizidteilchen und der Boridteilchen wirkt sich auf die Verformbarkeit aus, und die Verformbarkeit verbessert sich, je feiner die Teilchengröße ist. Bei dem Ventil nach der vorliegenden Erfindung beträgt die Korngröße der Silizid- und Boridteilchen vorzugsweise 30 μm oder weniger. Die nickelbasierte Legierung mit derart feinen Silizid- oder Boridteilchen weist eine Verformbarkeit vom etwa 1,5-fachen oder mehr im Vergleich zu einer nickelbasierten Legierung mit einer dendritisch erstarrten Mikrostruktur auf, die Silizide oder Boride enthält.
Es ist sehr wünschenswert, einen Ventilsitz für die Ventilplatte bzw. das Ventilgehäuse aus einer nickelbasierten Legierung herzustellen, die 8 Gew.-% oder weniger Silizium, 0 bis 4 Gew.-% Bor, 7 bis 30 Gew.-% Chrom, 1,2 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 Gew.-% Wolfram und 10 Gew.-% oder weniger Eisen enthält, in der zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind, und einen Ventilsitz für das andere Teil aus einer nickelbasierten Legierung, die 8 Gew.-% oder weniger Silizium, 0 bis 4 Gew.-% Bor, 7 bis 30 Gew.-% Chrom, 1,2 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 Gew.-% Wolfram und 25 bis 42 Gew.-% Eisen (in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt) enthält, in der zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind; dies kann eine dahingehende Wirkung haben, dass es weniger zu Festfressen kommt und der Reibungskoeffizient geringer ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen ersichtlich.
1 zeigt einen Querschnitt eines Schiebers in einer bevorzugten Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ventilplatte in dem Schieber in 1.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Ventilgehäuses in dem Schieber in 1.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines verschweißten Abschnitts zwischen einer Ventilplatte und einem Ventilsitz.
5 zeigt einen Querschnitt eines Rückschlagventils in einer weiteren Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Beispiel 1
Ein Pulver aus einer Legierung auf Nickelbasis, die bezogen auf das Gewicht 6,8 % Si, 0,9 % B, 18 % Cr, 0,3 % C, 1,5 % W und 6,5 % Fe und im Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen enthält, wurde durch Zerstäuben hergestellt. Das vorstehend beschriebene zerstäubte Pulver mit einer Teilchengrößenverteilung von 80 bis 200 Mesh wurde bei einer normalen Temperatur pressgeformt (bei einem Druck von 8.000 kg/cm²) und dann einer HIP-Behandlung und Heißpulverextrusion bei einer Temperatur von ca. 900 °C unterzogen, um das Pulver zu verdichten und die Porosität zu verringern. Der Spritzdruck betrug ca. 5.000 kg/cm², und die Kolbengeschwindigkeit betrug 10 mm/s. Anhand der Untersuchung der Metallmikrostruktur nach der HIP-Behandlung und dem Strangpressen wurde bestätigt, dass die Silizide in körniger oder klumpiger Form mit einer Teilchengröße von 10 μm oder weniger in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt waren. Die im Zugversuch gemessene Dehnung betrug 0,7 %, und es wurde bestätigt, dass die Verformbarkeit mit dem 1,5-fachen oder mehr im Vergleich zu der dendritisch erstarrten Mikrostruktur ausgezeichnet war. Die Härte betrug ca. Hv 580. Ein Ring von 5 mm Dicke wurde aus der nickelbasierten Legierung ausgeschnitten und mit dem nachstehend beschriebenen Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißverfahren auf eine Ventilplatte aus Kohlenstoffstahl geschweißt.
Weiter wurde ein Block aus einer Legierung auf Nickelbasis, die bezogen auf das Gewicht 4,4 % Si, 0,2 % B, 12 Cr, 0,7 % C, 1,6 % W und 38 % Fe und im Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen enthielt, durch Vakuumschmelzen hergestellt, einem hydrostatischen Fließpressen bei einer Temperatur von ca. 900 °C und einem anschließenden Warmpressen ebenfalls bei einer Temperatur von ca. 900 °C unterzogen. Anhand der Untersuchung der Metallmikrostruktur wurde bestätigt, dass Silizidteilchen mit einer Korngröße von 10 μm oder weniger in körniger oder klumpiger Form in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt waren. Ein Ring von 5 mm Dicke wurde aus der nickelbasierten Legierung ausgeschnitten und mit dem nachstehend beschriebenen Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißverfahren auf ein Ventilgehäuse aus Kohlenstoffstahl geschweißt. Danach wurde ein Schieber mit dem in 1 bis 3 gezeigten Aufbau hergestellt. 1 zeigt einen Querschnitt des Schiebers, 2 eine vergrößerte Ansicht der Ventilplatte und 3 eine vergrößerte Ansicht des Ventilgehäuses.
Der Schieber 1 nach dieser Ausführungsform weist eine Ventilplatte 2 und ein Ventilgehäuse 3 auf und hat einen Ventilsitz 4 auf der Seite der Ventilplatte und einen Ventilsitz 5 auf der Seite des Ventilgehäuses. Er ist so ausgelegt, dass das Ventil geöffnet wird, indem die Ventilplatte 2 aus dem in 1 gezeigten Zustand nach oben herausgezogen wird, um flüssige oder gasförmige Fluide strömen zu lassen. Das Material für die Ventilplatte 2 und das Ventilgehäuse 3 besteht aus Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,25 Gew.-% (SCPH 2) nach JIS-Normen (entsprechend S25C), wobei es sich um Gussteile handelt. Das Schweißen zwischen der Ventilplatte 2 und dem Ventilsitz 4 und das Schweißen zwischen dem Ventilgehäuse 3 und dem Ventilsitz 5 erfolgte durch Einbringen eines Einfüllmaterials aus einer nickelbasierten Legierung mit 4,5 Gew.-% Si und 3,2 Gew.-% B und dem Rest Ni zwischen den jeweiligen Schweißflächen. Die Dicke des Einfüllmaterials betrug ca. 40 μm. Die Solidustemperatur betrug ca. 970 °C und die Liquidustemperatur ca. 1.000 °C für das Einfüllmaterial. Das Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen erfolgte unter den Bedingungen bei einer Schweißtemperatur von 1.040 °C für eine Verweilzeit von einer Stunde, bei einem Vakuum von 2 × 10^–4 Torr und einer Presskraft für den verschweißten Abschnitt von 80 g/cm². Das Einfüllmaterial schmolz in der Anfangsphase, als es ca. 1.000 °C erreichte. Weil die in dem Material für die Ventilplatte und den Ventilsitz enthaltenen Legierungselemente in den geschmolzenen Abschnitt diffundiert sind, wurde dann der Schmelzpunkt des geschmolzenen Materials erhöht, wodurch dieses erstarrt und während des Schweißens wieder in die feste Phase übergeht. 4 zeigt schematisch einen Zustand, in dem die Ventilplatte 2 und der Ventilsitz 4 mit Hilfe des Einfüllmaterials geschweißt sind und eine Zwischenschicht (Einfüllmaterial) 20 zwischen der Ventilplatte 2 und dem Ventilsitz 4 vorhanden ist.
Anhand der Untersuchung der Metallmikrostruktur in dem verschweißten Abschnitt wurde bestätigt, dass die Silizid- und Boridteilchen weiter fein verteilt in der nickelbasierten Legierung für den Ventilsitz vorlagen und dass die Materialien für den Ventilsitz und die Ventilplatte in das Einfüllmaterial diffundiert waren. Fehlstellen wie zum Beispiel Poren wurden in dem verschweißten Abschnitt nicht festgestellt.
Der Reibungskoeffizient in Wasser bei hoher Temperatur wurde für einen nach diesem Beispiel hergestellten Schieber und für einen Schieber gemessen, der durch Ausschneiden einer Schweißelektrode aus der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltenen nickelbasierten Legierung hergestellt wurde, die auf die Ventilplatte und das Ventilgehäuse auftraggeschweißt wurde, um einen Ventilsitz zu bilden. Der Prüfflächendruck betrug 2.000 kg/cm², und die Gleitgeschwindigkeit betrug 300 mm/min. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass der Reibungskoeffizient in dem Vergleichsbeispiel, bei dem der Ventilsitz durch Auftragschweißen gebildet worden war, 0,41 bis 0,45 betrug, während der Reibungskoeffizient in diesem Beispiel nur 0,33 bis 0,35 betrug und das Anhaften geringer ausfiel.
Der Schieber nach diesem Beispiel verursacht weniger Korrosion durch gelösten Sauerstoff und ist zur Verwendung für Kernkraftwerke geeignet.
Beispiel 2
Ein Block aus einer Legierung auf Nickelbasis, die bezogen auf das Gewicht 3,5 % Si, 2,5 % B, 12 % Cr, 0,5 % C und 3 % Fe und im Rest Ni und unvermeidbare Verunreinigungen enthielt, wurde durch Vakuumschmelzen hergestellt und nach einem hydrostatischen Fließpressen bei einer Temperatur von ca. 900 °C einem anschließenden Warmpressen ebenfalls bei einer Temperatur von ca. 900 °C unterzogen. Anhand der Untersuchung der Metallmikrostruktur wurde bestätigt, dass Silizid- und Boridteilchen mit einer Teilchengröße von 10 μm oder weniger in körniger oder klumpiger Form in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt waren. Die Dehnung der nickelbasierten Legierung betrug ca. 0,7 %. Ein Ring von 5 mm Dicke wurde aus der nickelbasierten Legierung ausgeschnitten und mittels Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen auf eine Ventilplatte und ein Ventilgehäuse geschweißt. Die Materialien für die Ventilplatte und das Ventilgehäuse bestanden aus Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffanteil von ca. 0.25 Gew.-%, wobei es sich um Gussteile handelte. Nach diesem Beispiel wurde ein Rückschlagventil mit dem in 5 gezeigten Aufbau hergestellt. Das Rückschlagventil 6 weist eine Ventilplatte 7 und ein Ventilgehäuse 8 auf, in dem ein Ventilsitz 9 auf die Ventilplatte 7 und ein Ventilsitz 10 auf das Ventilgehäuse 8 geschweißt ist. Das Fluid strömt, wenn die Ventilplatte 7 aus dem in 5 gezeigten Zustand geöffnet wird. Das Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen erfolgte durch Einbringen des Einfüllmaterials zwischen der Ventilplatte 7 und dem Ventilsitz 9 sowie zwischen dem Ventilgehäuse 8 und dem Ventilsitz 10 unter den Bedingungen bei einer Schweißtemperatur von 950 °C für eine Verweilzeit von einer Stunde, bei einem Vakuum von 2 × 10^–4 Torr und einer Presskraft von 50 g/cm². Für das Einfüllmaterial wurde eine Legierung auf Nickelbasis mit 11 Gew.-% Phosphor und dem Rest Nickel verwendet. Die Liquidustemperatur und die Solidustemperatur des Einfüllmaterials waren im Wesentlichen gleich und betrugen ca. 875 °C.
Anhand der Untersuchung der Metallmikrostruktur nach dem Schweißen wurde bestätigt, dass die in den Materialien für den Ventilsitz, die Ventilplatte und das Ventilgehäuse enthaltenen Legierungselemente in das Einfüllmaterial diffundiert waren; Schweißfehler wie zum Beispiel Poren wurden nicht festgestellt. Da Silizid- und Boridteilchen geringer Korngröße fein verteilt in der Matrix der Metallmikrostruktur vorliegen, weist das Rückschlagventil nach der vorliegenden Erfindung ein Merkmal auf, dass es hoch beständig gegen Temperaturwechsel und mechanische Stöße ist und weniger leicht reißt. Darüber hinaus wird weniger Korrosion durch gelösten Sauerstoff verursacht, und auch die Leckdichtheit bei der Verwendung in Kernkraftwerken ist ausgezeichnet.
Nach der vorliegenden Erfindung kann eine cobaltfreie Zusammensetzung für das Ventilsitzmaterial erhalten werden.
Daher ist dieses zur Verwendung für Ventile in Kernkraftwerken geeignet.

Claims

Ventil (1) mit einer Ventilplatte (2) und einem Ventilgehäuse (3) mit einem Ventilsitz (4), wobei mindestens eines von diesen aus einer Nickel-basierten Legierung gebildet ist, in der Silizid- oder Boridteilchen in der Matrix aus einer Metallmikrostruktur verteilt sind, und wobei der Ventilsitz aus der Nickel-basierten Legierung hergestellt ist und zumindest die Ventilplatte und das Ventilgehäuse diffusionsverschweißt sind, gekennzeichnet dadurch, daß das Diffusionsschweißen mittels einer Zwischenschicht (20) mit einem Schmelzpunkt, der geringer ist als der der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses, stattfindet und wobei die Nickel-basierte Legierung 8 nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 % nach Gewicht Wolfram und 42 % nach Gewicht oder weniger Eisen, in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt, enthält, worin zumindest Silizid-Teilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind.
Ventil (1) mit einer Ventilplatte (2) und einem Ventilgehäuse (3) mit jeweiligen Ventilsitzen (4), wobei diese aus einer Nickel-basierten Legierung gebildet sind, in der zumindest Silizid- oder Boridteilchen in der Matrix einer Metallmikrostruktur verteilt sind, und wobei der Ventilsitz aus der Nickel-basierten Legierung hergestellt ist und zumindest die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse diffusionsverschweißt sind, gekennzeichnet dadurch, daß das Diffusionsschweißen mittels einer Zwischenschicht (20) mit einem Schmelzpunkt, der geringer ist als der der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses, stattfindet und wobei einer der Ventilsitze eine Nickel-basierte Legierung umfaßt, die 8 % nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % nach Gewicht oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 % nach Gewicht Wolfram und 10 % nach Gewicht oder weniger Eisen enthält, worin zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind, und wobei die anderen Ventilsitze eine Nickel-basierte Legierung umfassen, die 8 % nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 % nach Gewicht Wolfram und 25 bis 42 o nach Gewicht Eisen, in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt, enthält, worin zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material für die Ventilplatte und das Ventilgehäuse Kohlenstoffstahl, schwach legierten Stahl oder rostfreien Stahl umfaßt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Silizid- und die Boridteilchen körnige oder klumpige Teilchen mit einer Teilchengröße von 30 μm oder weniger umfassen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die für den Ventilsitz oder die Ventilsitze benutzte Nickel-basierte Legierung hergestellt wird, indem ein durch einen Zerstäubungsprozess angefertigtes Pulver einer Nickel-basierten Legierung einer Preßform-, einer heißisostatischen Preß- und einer Heißpulver-Extrusionsbehandlung unterzogen wird.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die für den Ventilsitz oder die Ventilsitze benutzte Nickel-basierte Legierung durch heißisostatisches Pressen und Warmpressen eines Blockes aus einer vakuumgeschmolzenen Nickel-basierten Legierung angefertigt wird.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Material für die Zwischenschicht eines der folgenden Materialien aufweist: eine Nickel, Silizium und Bor umfassende Nickelbasierte Legierung, eine Nickel, Chrom, Silizium und Bor umfas sende Nickel-basierte Legierung und eine Nickel und Phosphor umfassende Nickel-basierte Legierung.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ventilsitz und die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse durch Transient-Liquid-Phase-Diffussionsschweißen verschweißt sind.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das Ventil ein Ventil für ein Kernkraftwerk ist.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils (1) mit einer Ventilplatte (2) und einem Ventilgehäuse (3), wobei das Verfahren das Schweißen eines aus einer Nickel-basierten Legierung gebildeten Ventilsitzes zumindest an die Ventilplatte oder das Ventilgehäuse umfaßt, wobei die Nickel-basierte Legierung in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilte Silizid- oder Boridpartikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner umfaßt: das Anordnen eines Einfüllmaterials (20) mit einem Schmelzpunkt, der geringer ist als der der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses, zwischen den verschweißten Oberflächen des Ventilsitzes und der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses sowie das Schweißen des Ventilsitzes an die Ventilplatte bzw. das Ventilgehäuse durch Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen durch Aufwärmen auf eine Temperatur zum Schmelzen nur des Einfüllmaterials, wobei die Nickel-basierte Legierung 8 % nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % nach Gewicht oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 nach Gewicht Wolfram und 42 % nach Gewicht oder weniger Eisen, in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt, enthält, worin zumindest Silizidteilchen in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilt sind.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils (1) mit einer Ventilplatte (2) und einem Ventilgehäuse (3), wobei das Verfahren das Schweißen der jeweiligen aus einer Nickelbasierten Legierung gebildeten Ventilsitze an die Ventilplatte und das Ventilgehäuse umfaßt, wobei die Nickel-basierte Legierung in der Matrix der Metallmikrostruktur verteilte Silizid- oder Boridteilchen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner umfaßt: das Anordnen eines Einfüllmaterials (20) mit einem Schmelzpunkt, der geringer ist als der der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses, zwischen den verschweißten Oberflächen der Ventilsitze und der Ventilplatte bzw. des Ventilgehäuses sowie das Schweißen der jeweiligen Ventilsitze an die Ventilplatte und das Ventilgehäuse durch Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen durch Aufwärmen auf eine Temperatur zum Schmelzen nur des Einfüllmaterials, wobei die Nickel-basierte Legierung 8 % nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % nach Gewicht oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 % nach Gewicht Wolfram und 10 % nach Gewicht oder weniger Eisen für einen der Ventilsitze aufweist und wobei die Nickel-basierte Legierung 8 % nach Gewicht oder weniger Silizium, 0 bis 4 % nach Gewicht Bor, 7 bis 30 % nach Gewicht Chrom, 1,2 % nach Gewicht oder weniger Kohlenstoff, 0 bis 5 % nach Gewicht Wolfram und 25 bis 42 % nach Gewicht Eisen, in einem Bereich, der den Nickelanteil nicht übersteigt, für den oder die anderen der Ventilsitze aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils nach Anspruch 10 oder 11, wobei für das Einfüllmaterial eines der folgenden Materialien benutzt wird: eine Nickel, Silizium und Bor umfassende Nickel-basierte Legierung, eine Nickel, Chrom, Silizium und Bor umfassende Nickel-basierte Legierung und eine Nickel und Phosphor umfassende Nickel-basierte Legierung.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schweißprozeß zwischen dem Ventilsitz und der Ventilplatte bzw. dem Ventilgehäuse in einem Vakuum ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Einfüllmaterial eine Folie mit einer Dicke von 20 bis 50 μm umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines Ventils nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Transient-Liquid-Phase-Diffusionsschweißen zwischen dem Ventilsitz und der Ventilplatte oder dem Ventilgehäuse in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der verschweißte Abschnitt gepreßt ist.