DE824396C

DE824396C - Process for improving the creep strength of nickel alloys

Info

Publication number: DE824396C
Application number: DEP49998A
Authority: DE
Inventors: Leonard Bessemer Pfeil
Original assignee: Mond Nickel Co Ltd
Current assignee: Mond Nickel Co Ltd
Priority date: 1946-05-16
Filing date: 1949-07-26
Publication date: 1951-12-10

Description

Verfahren zur Verbesserung der Kriechfestigkeit von Nickellegierungen Legierungen zur Herstellung von Gegenständen, die bei hoher Temperatur, d. h. solcher von 60o° C und mehr, hohen Beanspruchungen unterworfen sind, müssen nicht nur Korrosionsfestigkeit bei diesen hohen Wärmegraden, sondern auch große Kriechfestigkeit aufweisen. Die für diese Zwecke gewöhnlich verwendeten Legierungen haben im wesentlichen zwei kennzeichnende Eigenschaften. Erstens haben sie ein Gitterkristallgefüge vorwiegend des flächenzentrierten kubischen Gittertyps und eine Grundzusammensetzung innerhalb folgenden großen Bereichs: Nickel 5 bis 9o°/0, Eisen o bis 85°/0, Chrom io bis 350/0# Kobalt o bis 70°/o und Molybdän o bis 30°/0, wobei zwei Teile Molybdän durch ein Teil Wolfram ersetzt werden können. Diese Legierungen müssen zweitens zusätzlich mindestens eines der Elemente Titan, Aluminium, Niob und Tantal im Gesamtbetrage von 0,5 bis ro% enthalten, wobei aber weder der Titan poch der Aluminiumgehalt 5°/o übersteigen soll, derartige Legierungen haben nach geeigneter Wärmebehandlung gute Kriechfestigkeit. Ferner können die Legierungen bis 2°/o Kohlenstoff, bis i0/0 Silicium, bis 5% Mangan, bis i°/, Vanadium, bis 3°/o Kupfer und bis 0,25°/o Beryllium, die genannten Elemente zusammen aber nicht mehr als io°/o enthalten. Ferner können in diesen Legierungen die bei solchen Werkstoffen üblichen Verunreinigungen enthalten sein. Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Wärmebehandlungsverfahren von Legierungen der hier beschriebenen Art.Process for improving the creep strength of nickel alloys Alloys for the manufacture of articles which are exposed to high temperature, i. H. such of 60o ° C and more, are subjected to high stresses, not only have to be corrosion resistance at these high degrees of heat, but also have great creep resistance. the Alloys commonly used for these purposes have essentially two distinctive features Properties. First, they have a lattice crystal structure predominantly of the face-centered one cubic lattice type and a basic composition within the following large range: Nickel 5 to 90 ° / 0, iron 0 to 85 ° / 0, chromium 10 to 350/0, cobalt 0 to 70 ° / 0 and Molybdenum 0 to 30 ° / 0, with two parts of molybdenum being replaced by one part of tungsten can. Second, these alloys must also have at least one of the elements Titanium, aluminum, niobium and tantalum contained in a total amount of 0.5 to ro%, whereby but neither the titanium nor the aluminum content should exceed 5%, such alloys have good creep resistance after suitable heat treatment. Furthermore, the alloys up to 2% carbon, up to 10% silicon, up to 5% manganese, up to 10% vanadium, up to 3% Copper and up to 0.25 per cent. Beryllium, but no more than these elements together included as io ° / o. Furthermore, in these alloys, those in such materials common impurities. The present invention now relates to a heat treatment process for alloys of the type described here.

Die Wärmebehandlung, durch die hohe Kriechfestigkeit bei dieser Legierung erreicht wird, kann als lang andauernde Lösungsglühung bei einer Temperatur von über iooo° C bezeichnet werden, die von einer Abkühlung auf niedrigere Wärmegrade und schnellem Anlassen auf 60o bis 85o° C gefolgt ist.The heat treatment, due to the high creep resistance of this alloy can be achieved as a long-lasting solution heat treatment at a temperature of above 100 ° C, that of cooling down to lower degrees of warmth followed by rapid tempering to 60o to 85o ° C.

Es ist bereits eine Lösungsglühung der Legierung bei iooo bis 127g° C bekannt, und zwar für mindestens 48 Stunden bei iooo° C, für mindestens 3 Stunden bei io5o° C, für mindestens 21/2 Stunden bei iioo° C, für mindestens 2 Stunden bei 115o° C, für mindestens i Stunde bei 1225° C oder mindestens 1/2 Stünde bei 1275° C. Es ist weiter bekannt, die Legierung von diesen Wärmegraden abkühlen zu lassen und schnell wieder auf einen Temperaturbereich von 85o bis 6oo° C für eine Zeit von 2 bis io Stunden zu erhitzen.The alloy has already been solution annealed at 100 to 127g ° C known for at least 48 hours at iooo ° C, for at least 3 hours at 100 ° C, for at least 21/2 hours at 100 ° C, for at least 2 Hours at 115o ° C, for at least 1 hour at 1225 ° C or at least 1/2 hour at 1275 ° C. It is also known to cool the alloy from these degrees of heat and quickly return to a temperature range of 85o to 6oo ° C for to heat for 2 to 10 hours.

Allgemein wird das Anlassen ungefähr bei den Wärmegraden vorgenommen, denen die Legierung im Gebrauch ausgesetzt ist. So besteht zum Beispiel die gewöhnlich angewandte Wärmebehandlung bei der Herstellung von Gasturbinenschaufeln in einer Lösungsglühung bei io8o° C für 8 Stunden, Abkühlung in der Luft und Wiedererhitzung auf 700° C für 16 Stunden.In general, the tempering is carried out approximately at the heat levels to which the alloy is exposed in use. For example, there is usually one applied heat treatment in the manufacture of gas turbine blades in one Solution heat treatment at 1080 ° C for 8 hours, cooling in the air and reheating at 700 ° C for 16 hours.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Kriechfestigkeit durch eine zusätzliche Wiedererhitzung verbessert werden kann, die zwischen dem Abkühlen und dem eigentlichen Anlassen eingeschoben wird. Diese zusätzliche Wiedererhitzung wird auf eine Temperatur vorgenommen, die zwischen der Anlaßtemperatur und der Homogenisierungstemperatur liegt. Die Dauer der zusätzlichen Wiedererhitzung kann geringer und soll vorzugsweise nicht länger sein als die Anlaßdauer. So werden zum Beispiel gute Eigenschaften mit Legierungen der 8o/20 Chrom-Nickel-Reihe, die Titan und Aluminium enthält, durch eine zweieinhalbstündige Wiedererbitzung auf 80o° C, vor dem Anlassen bei 700°C, das 16 Stunden dauert, erreicht.It has now been shown that the creep resistance by an additional Reheating can be improved between cooling and the actual reheating Starting is inserted. This additional reheating is done to a temperature made between the tempering temperature and the homogenization temperature lies. The duration of the additional reheating can and should preferably be shorter not be longer than the starting time. For example, there will be good properties with alloys of the 8o / 20 chrome-nickel series, which contains titanium and aluminum a two-and-a-half hour re-beating at 80o ° C, before starting at 700 ° C, that lasts 16 hours.

Obwohl die Kriechfestigkeit nicht durch eine Härteprüfung, die bei Raumtemperatur gemacht ist, bestimmt werden kann, so können doch Änderungen in der Härte, die durch Wiedererhitzung verursacht sind, als Anzeichen für Gefügeänderungen, die die Kriechfestigkeit beeinflussen, gewertet werden. Nun erreichen alterungshärtbare Nichteisenlegierungen eine größere Härte, wenn man sie für längere Zeit bei niedrigen Wärmegraden anläßt, als wenn hohe Temperaturen angewandt werden, während die Alterung bei hohen Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur schneller vor sich geht. Die durch das Anlassen erreichte Härte schwindet bei fortgesetzter Wärmeanwendung, eine Erscheinung, die als Überalterung allgemein bekannt ist.Although the creep resistance is not determined by a hardness test that is performed at Room temperature is made can be determined, so changes in the Hardness caused by reheating as an indication of structural changes, which influence the creep resistance are rated. Well age hardenable Non-ferrous alloys have a greater hardness when they are kept at low for long periods of time Degrees of warmth appear as if high temperatures are applied during aging happens faster at high temperatures below the melting temperature. The hardness achieved by tempering disappears with continued application of heat, a phenomenon commonly known as obsolescence.

Die zusätzliche Wiedererhitzung, die die vorliegende Erfindung anwendet, schließt das Erhitzen auf eine Temperatur ein, bei welcher der Härteprozeß schnell vor sich geht, gefolgt von einem Nachlassen der Härte, wenn das Erhitzen genügend lang fortgesetzt wird. Diese Temperatur ist so hoch, daß die größte durch dieses Erhitzen erreichbare Härte innerhalb einer Stunde geschaffen wird. Es sind dies gewöhnlich mindestens 80o° C, aber niemals weniger als 75o° C, auf denen die Legierung i bis 24 Stunden gehalten wird, so daß die Härte nach einem Höchstwert nachzulassen beginnt. Die geeignete Temperatur für besondere Fälle kann durch Erhitzen einer Reihe kleiner Probestücke der betreffenden Legierung auf eine Anzahl von Wärmegraden über verschiedene Zeitspannen hinweg leicht gefunden werden, nachdem alle Probestücke vor den Versuchserhitzungen der Lösungsglühung unterworfen waren. Es können dann Kurven angelegt werden, um die Beziehung der Härte bei Raumtemperatur zu der Zeitdauer der Erhitzung zu zeigen sowie für die zusätzliche Erhitzung eine Temperatur auszuwählen, bei der die größte durch Erhitzen erreichbare Härte in annehmbarer Zeit erzielt wird.The additional reheating that the present invention employs includes heating to a temperature at which the hardening process is rapid goes on, followed by a decrease in hardness if the heating is sufficient is continued for a long time. This temperature is so high that the greatest through this Heating achievable hardness is created within an hour. It is this usually at least 80o ° C, but never less than 75o ° C, on which the alloy i is held for up to 24 hours, so that the hardness subside after a maximum value begins. The appropriate temperature for special cases can be obtained by heating a Series of small specimens of the alloy in question for a number of heat levels can be easily found over different periods of time after all specimens were subjected to solution heat treatment prior to the test heating. It can then Curves are plotted to show the relationship of hardness at room temperature to length of time to show the heating and to select a temperature for the additional heating, which achieves the greatest hardness achievable by heating in a reasonable time will.

Die höchste Wiedererhitzungstetnperatur ist begrenzt durch die Temperatur, bei der die ausgeschiedene Phase der betreffenden Legierung, auf die die Erfindung angewandt wird, in Lösung geht.The highest reheating temperature is limited by the temperature at which the precipitated phase of the alloy in question to which the invention relates is applied, goes into solution.

Bei Arbeiten, die Ursache der Verbesserungen der Kriechfestigkeit zu klären, wurde festgestellt, daß die Kriechfestigkeit von der Zeitspanne abhängig ist, in der die Abkühlung von der Homogenisierungstemperatur auf Raumtemperatur erfolgt. Schlechtere Ergebnisse zeigen sich, wenn die Legierungen zu schnell abgekühlt werden, zum Beispiel durch Abschrecken in Wasser; oder wenn die Legierungen zu langsam erkalten, wie beim Einsetzen in Ofen, die langsam nachgelassen werden. Es gibt eine Bestzeit für die Abkühlung, aber es ist schwierig, einen Gegenstand mit ungleichen Querschnitten in dieser Bestzeit gleichmäßig abzukühlen. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung ist es nicht mehr notwendig, zur Erzielung der besten Kriechfestigkeit die Abkühlung innerhalb der erforderlichen, bestimmten Zeitspanne durchzuführen. Diese beste Kriechfestigkeit kann durch eine Folge von Wärmebehandlungen bei gleichen Temperaturen gewonnen werden, was den großen Vorteil hat, nicht nur für Gegenstände mit gleichen oder ungleichen Querschnitten leichter anwendbar zu sein als eine Behandlung, die eine bestimmte Zeitspanne der Abkühlung verlangt, sondern auch eine genauere Überwachung der gewünschten Erhitzungen zu ermöglichen.When working, the cause of the creep resistance improvements To clarify, it was found that the creep strength depends on the length of time is in which the cooling from the homogenization temperature to room temperature he follows. Worse results are seen if the alloys cooled too quickly for example by quenching in water; or if the alloys are too slow cool, like when they are put in an oven, which are slowly subsided. There is a Best time to cool down, but it's difficult to match an object with unlike Cool down cross-sections evenly in this best time. When applying the present Invention it is no longer necessary to achieve the best creep resistance to carry out the cooling within the required, specified period of time. This best creep resistance can be achieved through a series of heat treatments at the same Temperatures can be obtained, which has the great advantage, not only for objects to be more easily applicable than a treatment with the same or different cross-sections, which requires a certain period of time for cooling, but also a more precise one To enable monitoring of the desired heating.

Im allgemeinen werden die Gegenstände aus den Legierungen durch Gießen oder Schmieden bzw. Walzen vorgeformt und dann die Wärmebehandlung gemäß der Erfindung angewendet. Wenn die Gegenstände nach der ersten Erhitzung mit hohen Temperaturen mechanisch bearbeitet werden sollen, ist es empfehlenswert, die Teile von den angewandten Temperaturen aus schnell abzukühlen, da diese sonst schwer bearbeitbar sind. Mit dieser schnellen Abkühlung wird aber die Kriechfestigkeit, die durch die normale schnelle Wiedererhitzung gewonnen war, verschlechtert. Mit anderen Worten, normale Kriechfestigkeit geht durch die schnelle Abkühlung nach der Lösungsglühung verloren, wenn aber die Gegenstände durch Abschrecken in Wasser schnell abgekühlt, mechanisch bearbeitet und dann der zusätzlichen Wiedererhitzung unterworfen werden, sind die durch Behandlung mit hohen Temperaturen erzielten Eigenschaften besser als diejenigen ähnlicher Legierungen, die langsam von der ersten Hitzebehandlung abgekühlt und in der üblichen Weise wieder erhitzt werden.In general, the articles are made from the alloys by casting or forging or rolling preformed and then the heat treatment according to the invention applied. When the items after the first heating at high temperatures to be machined, it is recommended that the parts be machined from the applied Temperatures to cool off quickly, as these are otherwise difficult to work with. With this rapid cooling, however, will reduce the creep resistance, which is due to the normal rapid reheating was gained, worsened. In other words, normal ones Creep resistance is lost due to the rapid cooling after the solution heat treatment, but when the objects are cooled quickly by quenching them in water, mechanically processed and then subjected to additional reheating are those properties obtained by treatment at high temperatures are better than those similar alloys that are slowly cooled from the first heat treatment and be reheated in the usual way.

Einige erfindungsgemäße Anwendungsbeispiele des Verfahrens seien im folgenden gegeben: Beispiel i Eine Legierung, die 22,32°/o Chrom, 2,15°/o Titan, 1,24°/o Aluminium, 0,040/, Kohlenstoff, o,61 °/o Silicium, 0,42°;'0 Mangan, Rest Nickel sowie Desoxydationsmittel und Verunreinigungen im Gesamtbetrag bis zu o,5°/, enthält, wurde einer normalen Wärmebehandlung wie Lösungsglühen bei io8o° C, 6 Stunden lang, gefolgt von einer Abkühlung an der Luft und darauffolgendern Anlassen auf 700° C, 16 Stunden lang, mit nochmaliger Luftabkühlung unterworfen. Als diese Legierung dann einer Kriechfestigkeitsprobe von 4,34 t 'cm2 bei 65o° C ausgesetzt wurde, zeigte sie einen Mindestkriechfestigkeitsgrad von o,0023°;'ojh bei 9o Stunden Dauer vom Beginn der Probe bis zur Einleitung des Kriechvorgangs und eine Gesamtzeit von 222 Stunden bis zum Bruch. Als weiteres Beispiel wurde die gleiche Legierung, nachdem sie einer Lösungsglühung bei io,3o° C, 8 Stunden lang, und darauffolgender Abschreckung mit Wasser unterworfen worden war, einer weiteren Behandlung, bestehend auf einer zweieinhalbstündigen Wiedererhitzung auf 80o° C, Abkühlung an der Luft bis auf schwarze Hitze, nachfolgendem Anlassen auf 70o° C, 16 Stunden lang, und nochmaliger Abkühlung an der Luft unterzogen. Die darauf vorgenommene Kriechfestigkeitsprobe unter gleichen Beanspruchs- und Temperaturbedingungen zeigte einen Mindestkriechfestigkeitsgrad von o,ooio °o h bei 130 Stunden Dauer bis zur Einleitung des Kriechvorgangs und einer Gesamtzeit von 331 . Stunden bis zum Bruch. Beispiel 2 Eine Legierung, die 2o,67°/, Chrom, 19,88°/o Kobalt, 2,Z5°/, Titan, o,53°/, Aluminium, 0,04°/, Kohlenstoff, o,78°/, Silicium, o,37°/, Mangan, RestyDesoxydations- mittel und Verunreinigungen im Gesamtbetrag bis zu o,5°/, enthält, wurde einer normalen Wärmebehandlung wie Lösungsglühen bei iijo° C, 8 Stunden lang, gefolgt von einer Abkühlung an der Luft und darauffolgender Wiedererhitzung auf 700° C, 16 Stunden lang, und nochmaligem Erkalten an der Luft unterworfen. Als diese Legierung dann einer Kriechfestigkeitsprobe von 2,95 t /cm2 ausgesetzt wurde, zeigte sie einen Mindestkriechfestigkeitsgrad von 0,0045°/,/h bei einer Dauer von 5.4 Stunden bis zum Beginn des Kriechvorgangs und einer Zeit von 107 Stunden bis zum Bruch. Nachdem ein Probestück derselben Legierung der gleichen Lösungsglühen und Abkühlung an der Luft unterzogen worden war, wurde folgende Wärmebehandlung angewandt: Erhitzen auf 90o° C, 16 Stunden lang. Erkalten bis auf schwarze Hitze, Anlassen auf 700° C für eine Dauer von 16 Stunden. Abkühlen an der Luft. Bei gleichen Prüfungsbedingungen zeigte dieses Probestück einen Mindestkriechfestigkeitsgrad von 0,0014 °/,/h, eine Dauer bis zum Beginn des Kriechvorgangs von 115 Stunden und eine Zeit von 213 Stunden bis zum Bruch.Some examples of application of the method according to the invention are given below: Example i An alloy containing 22.32% chromium, 2.15% titanium, 1.24% aluminum, 0.040% carbon, 0.61% Silicon, 0.42 ° C, manganese, the remainder nickel, as well as deoxidizing agents and impurities in the total amount up to 0.5%, was subjected to a normal heat treatment such as solution heat treatment at 100 ° C for 6 hours, followed by cooling subjected to air and subsequent tempering at 700 ° C for 16 hours, with repeated air cooling. When this alloy was then exposed to a creep strength test of 4.34 t 'cm2 at 65o ° C, it showed a minimum creep strength level of 0.0023 °;' ojh with a duration of 90 hours from the start of the test to the initiation of the creep process and a total time of 222 Hours to break. As a further example, the same alloy was subjected to a solution heat treatment at 10.3o ° C for 8 hours and subsequent quenching with water, a further treatment consisting of two and a half hours reheating to 80o ° C, cooling in air except for black heat, subsequent tempering at 70o ° C for 16 hours, and repeated cooling in the air. The creep resistance test carried out thereupon under the same stress and temperature conditions showed a minimum creep resistance level of o, ooio ° oh with a duration of 130 hours until the initiation of the creep process and a total time of 331 . Hours to break. Example 2 An alloy containing 2o, 67%, chromium, 19.88% cobalt, 2, Z5 ° /, titanium, o.53 ° /, aluminum, 0.04 ° /, carbon, o, 78 ° /, silicon, o, 37 ° /, manganese, residual deoxidation agent and impurities in total up to 0.5%, was subjected to normal heat treatment such as solution heat treatment at iijo ° C for 8 hours, followed by cooling in air and subsequent reheating to 700 ° C for 16 hours, and subjected to repeated cooling in the air. When this alloy was then exposed to a creep strength test of 2.95 t / cm2, it showed a minimum creep strength level of 0.0045 ° /, / h with a time of 5.4 hours to the beginning of the creep process and a time of 107 hours to break. After a test piece of the same alloy was subjected to the same solution heat treatment and cooling in air, the following heat treatment was applied: heating at 90 ° C. for 16 hours. Cool down to black heat, tempering at 700 ° C for 16 hours. Cooling in the air. Under the same test conditions, this test piece showed a minimum degree of creep strength of 0.0014 ° /. / H, a time to the beginning of the creep process of 115 hours and a time of 213 hours to break.

Claims

PATENT CLAIMS: Z. Process for Improving Creep Resistance of nickel or nickel-cobalt alloys with a content of aluminum and titanium by solution heat treatment, cooling to a low temperature and then rapid Tempering, characterized in that between cooling and tempering a additional heating at a temperature between the tempering temperature and the homogenization temperature is switched on, whereby the temperature of the additional heating is so high that that the alloy develops its maximum hardness after one hour of heating, and with the heating being continued beyond this maximum hardening point.

2. Procedure according to claim i, characterized in that the duration of the additional heating is no greater than that of tempering.

3. The method according to claim i or 2, characterized characterized in that the alloy between the two heating stages to one Temperature of black heat is cooled down.

4. Method of making cast or forged objects according to claims i to 3, characterized in that that the heat treatment is carried out after the manufacture of the object.

5. The method according to claim 4, characterized in that the cooling takes place after the solution treatment by quenching and the object is mechanically processed before it is subjected to the first heating stage.