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Nickel-Kupfer-Guß-Legierungen 1)ie Erfindung betrifft Nickel-Kupfer-Guß-Legierungen,
die insbesondere für das Gießen von Ventilkörpern anwendbar, hierauf aber nicht
beschränkt sind.
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Einige Arten von Ventilen und auch andere Guß- ! teile haben bei hohen
Temperaturen, zum Teil bis zu mehreren hundert Grad, zu arbeiten. In vielen Fällen
haben diese Gußteile nicht nur Spannungsbeanspruchungen standzuhalten, sondern müssen
auch korrosionsfest sein. Als Beispiel seien Dampfdruckventile für Lokomotiven genannt,
die bei Temperaturen von ungefähr 400° C Drücke von 28 kg/cm2 auszuhalten haben.
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Vorwiegend aus Nickel und Kupfer bestehende Legierungen, die unter
dem Namen Monel-Metall bekannt sind, haben ,die zur Herstellung von Ventilen und
anderen Gußteilen dieser Art erwünschte Gießfähigkeit und Korrosionsfestigkeit,
aber bei ungefähr 43o° C vermindert sich die Festigkeit stark.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Warmfestigkeit
von Nickel-Kupfer-Legierungen durch Beifügen kleiner Mengen Zirkon sehr verbessert
werden kann. Die Dehnung der zirkonhaltigen Nickel-Kupfer-Legierungen bei hohen
Temperaturen zeigt eine bemerkenswerte Steigerung gegenüber zirkonfreien Legierungen
gleicher Zusammenisetzung. Dieses ist äußerst wichtig sowohl für Überbeanspruchungen
der Festigkeit als auch dafür, daß bei großen Überbelastungen während des Betriebs
ein Bruch nicht plötzlich eintritt, sondern eine gewisse Warnung vorangeht.
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Es wurde ferner gefunden, daß trotz Vorhandensein
von
Zirkon die Legierungen ausreichend gute Gießeigenschaften haben, um Ventilkörper
o. dgl. mittels Gießen herzustellen, vorausgesetzt, daß Silicium, Kohlenstoff und
Mangan oder Eisen oder beide in angemessenen Mengen vorkommen.
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Gemäß vorliegenderErfindung ist 0,02 bis i,o% Zirkon Legierungen zugefügt,
die mindestens 50°/0 Nickel sowie Eisen oder Mangan oder beide in einer Gesamtmenge
bis zu 5%, Kohlenstoff von 0,04 bis 0,6%, Silicium von 0,5 bis 5%, Rest Kupfer in
einer Menge von mindestens io% enthalten. Erfindungsgemäß werden dieseLegierungen
für Gußstücke verwendet, die bei Temperaturen von 35o° C und darüber zu arbeiten
haben.
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Der vorzugsweise anzuwendende Zirkongehalt hängt von den Temperaturen
ab, für die die Gußstüc'ke bestimmt sind, sowie .von den Zugfestigkeiten, die die
Gußteile nach kurzer Erwärmung und nach länger andauernder Erwärmung haben müssen,
wobei der letztere Zugfestigkeitswert einen Hinweis für die Dauerstandfestigkeit
gibt. Bei Arbeitstemperaturen bis zu 48o° C beträgt der vorzugsweise anzuwendende
Zirkongehalt annähernd 0,04 bis o,500/0. Wenn die Arbeitstemperatur 538° C erreicht,
kann :der günstigste Zirkongehalt bis zu o,6o% betragen. Versuche, die vor einem
bei 427° C erfolgten Bruch angestellt worden waren, zeigten, daß zur Erzielung einer
guten Dauerstandfestigkeit ein Zirkongehalt von o,75 % vorteilhaft ist. Bei etwas
niedrigeren Temperaturen ergeben Zirkongehalte von 0,03 bis 0,20% eine Anzahl
vorteilhafter Eigenschäften. Um eine gute Verbindung von Eigenschaften bei Raumtemperatur
und bei hohen Temperaturen, gute Gießbarkeit sowie Wirtschaftlichkeit bei zuverlässiger
Herstellung zu erzielen, kann ein Zirkongehalt von 0,05 bis 0,30% vorteilhaft angewandt
werden.
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Das Zirkon kann der geschmolzenen Legierung in irgendeiner geeigneten
Form beigegeben werden. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden bei Anwendung der handelsüblichen
Silicium-Zirkon-Legierung erzielt, die ungefähr 48% Silicium, 41% Zirkon, Rest Eisen
enthält, ebenso mit einer Zirkon-Nickel-Legierung aus 70%Zir'kon und 30% nahezu
reinen Nickels. Vor dem Zufügen des Zirkons wird die Schmelze mit einem geeigneten
Desoxyditionsmittel, z. B. Silicium, Mangan o. dgl., desoxydiert. Bei der Herstellung
von Nickel-Kupfer-Legierungen ist es gewöhnlich erforderlich, ein Element mit hoher
Schwefelaffinität, z. B. Magnesium, Calcium u. dgl., als Entschwefelungs- oder schwefelbindendes
Mittel beizugeben. Bevorzugt wird Magnesium, das in einer Menge 0.05 bis o,i% der
Schmelze in der Gießpfanne kurz vor dem Abgießen beigefügt wird.
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Der Siliciumgehalt kann von o,5 bis 5% veränderlich sein, wobei die
in der Legierung jeweils vorkommende Höchstmenge vom Nickelgehalt und von der gewünschten
Härte abhängt. Für allgemeine Verwendungszwecke muß der Siliciumanteil i bis i,5
% betragen. Wenn der Siliciumgehalt in einer Legierung mit 65% Nickel 30/0 übersteigt,
zeigt die Legierung eine merkbare Zunahme der Härte und Abnahme der Dehnung, jedoch
macht ihre hohe Festigkeit gegenüber Fressen und Erosion durch Dampf sie für gewisse
Zwecke, wie Ventilteile o. dgl. Teile, die hohe Gleitdrücke auszuhalten haben, wertvoll.
In Legierungen dieser Art übersteigt der Siliciumgehalt die Grenze vollständiger
Löslichkeit, so daß noch Silicium in ausgeschiedener Form \-orhanden ist. Die zur
Erzeugung gleichwertiger Gefüge benötigte Siliciummenge steigt mit dem \#ickelgehalt.
So ergeben z. B. 2,5% Silicium zu 50% Nickel im wesentlichen das gleiche Gefüge
wie 4,250/0 Silicium bei 67% Nickel. Eine Legierung, die ungefähr 2,5% Silicium
und ungefähr 6507o Nickel enthält, kann angewandt werden, wenn geringere Härte,
aber höhere Dehnung als mit 4% Siliciumgehalt erforderlich sind.
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Das Vorhandensein von Eisen oder Mangan ist zur Erzielung hoher Dünnflüssigkeit
und guter Gießbarkeit wichtig, und gewöhnlich sind beide Elemente in kleinen Mengen
vorhanden. Bevorzugt wird o,5 bis 1,5% Mangan. Höhere Anteile von 2% oder sogar
von 3°/o können zuweilen angewandt werden. Bei einem Mangangehalt von 5% neigen
die Legierungen dazu, bei einer Temperatur von ungefähr 53o° C weniger dehnbar zu
sein, obgleich hohe Festigkeitswerte bleiben, Gußstücke mit hohem Siliciumgehalt
ausgenommen, ist der Eisengehalt so zu halten, daß er bei Schmelztemperatur annähernd
innerhalb der Voll-Löslichkeitsgrenze liegt. Die Höchstmenge des in der Legierung
lösbaren Eisens steigt mit dem Nickelgehalt. In einer Legierung mit ungefähr 67%
Nickel steigern 50/0 Eisen die Zugfestigkeit bei einer Temperatur von 427° C etwas,
aber die Dehnung, verglichen mit einer Legierung der gleichen Grundzusammensetzung
und einem Eisengehalt von ungefähr i,50/0 sinkt merkbar ab. Eisenfreie Legierungen
können hergestellt werden, wenn Mangan in diesen Legierungen vorhanden ist. Bevorzugt
wird jedoch ein Eisengehalt von mindestens o,5 %. Bei ungefähr i % Eisen ist der
Man@gangehalt weniger wichtig. Im allgemeinen ist der Eisengehalt unter 2,5% in
der Regel zwischen 1,5 bis 2,0%.
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Der Kohlenstoffgehalt wird gewöhnlich unter 0,350/0, vorzugsweise
zwischen o,io bis 0,25% gehalten. In einigen Gußteilen kann der Kohlenstoffgehalt
bis zu 0,6% betragen. Allgemein gesprochen steigt die Zugfestigkeit mit einem Kohlenstoffgehalt
bis zu ungefähr 0,30% bei niedrigen Zir'konanteilen in Legierungen aus ungefähr
69% Nickel, 1,25% Silicium, Rest vorwiegend Kupfer.
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Als Folge von Graphitbildung bei hohen Kohlenstoffgehalten sinkt die
Dehnung etwas. Die Neigung des Kohlenstoffs zu Graphitbildung ist bei-steigendem
Siliciumgehalt besonders ausgeprägt und weniger stark, wenn der Kupfergehalt größer
wird, das Vorhandensein größerer Mengen Zirkon scheint die Neigung des Kohlenstoffs
zu Graphitbildung etwas zu mindern.
Der Nickelgehalt wird vorzugsweise
innerhalb des Bereichs von 6o bis 70% gehalten. Nickel enthält gewöhnlich eine kleine
Menge Kobalt; nachstehend ist unter der Bezeichnung Nickel die Nickel-Kobaltsumme
zu verstehen. Die Höchstmenge an Kobalt, die vorkommen kann, ist annähernd die gleiche
wie Eisen. Der Rest der Legierung ist im wesentlichen Kupfer und beträgt vorzugsweise
25 bis 35%. Die anderen Elemente, die normalerweise in gegossenen Nickel-Kupfer-Legierungen
für hochhitzefeste Teile vorkommen, können auch in den Gußteilen gemäß dieser Erfindung
vorhanden sein, wie z. B. Desoxydationsmittel und Karbidbilder, beispielsweise Titan
in kleinen Mengen.
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Bei kurze Zeit andauernden Zugversuchen, die bei hohen. Temperaturen
vorgenommen werden, zeigen zirkonfreie Nickel-Kupfer-Legierungen hohe Festigkeit
und Dehnung bei Wärmegraden bis zu 37r° C sowie einen transkristallinischen Bruch..
Bei ungefähr 43o° C wird ein kleiner Teil des Bruchs interkristallinisch oder dendritisch.
Über
| Zahlentafel I |
| Versuchs- C in o/a Zr in % Zugfestigkeit in kg/cm2 Dehnung
in % |
| stück Nr. |
| 427' C ! 482' C I 527° C I 593 . C |
| 482' C I 527' C |
| 1 0,17 0 378o 2790 216o 17,5 3,0 |
| 2 0,15 0 346o 2290 24 |
| 3 0,15 0,06 358o 326o 45 40 |
| 4 0,18 o,12 396o 3400 41 30 |
| 5 0.17 0,35 4020 365o 2830 33 30 |
| 6 0,18 0.59 3700 3490 25,5 25 |
| 7 0,11 0,76 2730 3110 1 13 22,5 |
Es ist zu ersehen, daß die Zugfestigkeit der Nickel-Kupfer-Legierung bei, 482°C
durchZirkonbeigaben in Grenzen von 0,o5 bis o,6o% sehr verbessert ist, wobei die
Höchstzugfestigkeit mit einem Zirkongehalt von o,io bis 0,40% erreicht wird. Wenn
der Zirkongehalt weiter gesteigert wird, sinkt die Zugfestigkeit bei 482° C, aber
sogar bei 0,76% Zirkongehalt ist die Zugfestigkeit noch größer als bei einer vergleichsweisen
Legierung ohne Zirkonbeigaben. Bei 527° C liegt die Höchstzugfestigkeit bei Legierungen,
die
0,35010 Zirkon enthalten, und selbst bei ungefähr
0,750/0 Zirkongehalt
ist die Festigkeit wesentlich größer als bei zirkonfreien Legierungen. Die Dehnung
ist über den gesamten Bereich von 0,o5 bis
0,750/0 Zirkon
| Zahlentafel 1I |
| Zeit in h bei verschiedenen Beanspruchungen Gesamtzeit |
| Versuchs- Zr in % 1 bis zum Bruch Dehnung in |
| stück Nr. /° 246o 2815 I 316o 352n beim Bruch |
| kg/cm2 in h |
| 8 0 130 130 8 |
| 9 0,07 165 170 i65 500 29 |
| 10 0,35 16o 170 165 20 515 21 |
| 11 0,59 165 170 165 2 502 18 |
| 12 0,76 165 170 170 1 240 745 22 |
43o° C wird der Bruch mehr und mehr und bei ungefähr 48o° C vollständig dendritisch.
Dieser Wechsel in der Art des Bruchs wird von einem starken Abfall der Festigkeit
und Dehnung begleitet. Das erfindungsgemäße Vorhandensein von Zirkon bewirkt, daß
sich die Neigung des Metalls zu interkristallinischem Bruch innerhalb des Temperaturbereichs
von ungefähr 43o° bis 54o° C verliert.
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Das Zirkon hat in den Gußstüdken weiter die günstige Wirkung, Warmrisse
zu vermeiden. So ist bei Gußstücken aus hoch siliciumhaltigen Legierungen, die abgeschreckt
oder schnell abgekühlt werden müssen, die Neigung zu Rissen infolge der bei dem
Abkühlen auftretenden Spannungen weniger groß, wenn Zirkon beigegeben ist.
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Zur Erläuterung der Vorteile, die durch Anwendung der Erfindung erzielt
werden, sei nachstehende Zahlentafel gegeben, die sich auf eine Legierung folgender
Grundzusammensetzung bezieht: 28,2% Kupfer, 0,75% Mangan, 1,6% Eisen, 1,3% Silicium,
Rest vorwiegend Nickel: bei 527° C um ungefähr 700 bis iooo% größer als bei zirkonfreien
Legierungen.
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Um die Steigerung der Dauerstandfestigkeit zu zeigen, seien folgende
Einzelheiten gegeben. Versuchsstücke, die auf 427° C gehalten wurden, wurden zu
Beginn des Versuchs mit 246o'kg/cmE belastet und dieser Last so lange ausgesetzt,
bis die Stücke gerissen oder annähernd eine Woche vergangen war. Die Versuchsstücke,
.die nicht gerissen waren, wurden dann mit einer 35o kg/cmE größeren Last ungefähr
eine Woche lang beansprucht, worauf die Beanspruchung um weitere 350 kg/cm2 gesteigert
wurde und, so weiter, bis der Versuch durch Zerreißen der Stücke beendet wurde.
Die erzielten Ergebnisse waren folgende:
Die durch Beigabe von Zirkon
zu Nickel-Kupfer-Guß-Legierungen hervorgerufene Steigerung der Zugfestigkeit und
Dehnung bei erhöhten Temperaturen ist überrascheM, weil Zugfestigkeit und Dehnung
bei Raumtemperatur zunehmend absinken, wenn Zirkon beigegeben wird:, wie aus nachstehender
Zahlentafel zu ersehen ist:
| Zahlentafel III |
| Versuchs Zirkongehalt Zugfestigkeit Dehnung |
| stück Nr. in % in kg/ cm2 in % |
| 13 0 5770 38 |
| 14 0,12 5400 35 |
| 15 0,22 560o 36 |
| 16 0,59 478o 25 |
| 17 0,76 380o 24 |
Einige charakteristischeGußstücke, die während des Gebrauchs erhöhten Temperaturen
ausgesetzt sind und gemäß dieser Erfindung hergestellt werden können, sind Ventilteile
einschließlich gegossener Ventilkörper, Ventilsitze, Scheiben, Kolben, Kolbenringe,
Ventilstößelführungen, Reaktionsgefäße und Rührer, die bei Temperaturen von 315
bis 595° C, insbesondere von 372 bis 482° C arbeiten und Festigkeit, Rißfreiheit
sowie :die Fähigkeit, Spannungen und Stößen zu widerstehen, aufweisen müssen.