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Verfahren zum Herstellen von Metallgegenständen hoher Kriechfestiqkeit
Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände und Teile, die bei hohen Temperaturen,
d. h. solchen von 6oo° C und darüber belastet werden. Derartige Gegenstände und
Teile müssen nicht nur auch bei hohen Temperaturen korrosionsfest sein und gute
mechanische Eigenschaften besitzen, sondern auch gegen Kriechen beständig sein.
Als Beispiele seien Gasturbinenschaufeln und Ofenteile erwähnt, deren Kriechfestigkeit
weit höher sein muß als die von ähnlich belasteten, aber nur niedrigeren Temperaturen
ausgesetzten Teilen wie z. B. Dampfturbinenwellen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich die Eigenschaften
der Teile, einschließlich ihrer Kriechfestigkeit bei hoher Temperatur, stark verbessern
lassen, wenn die zu ihrer Herstellung verwendeten, entsprechend gewählten Legierungen
während oder nach der Bearbeitung einer besonderen Wärmebehandlung unterzogen werden.
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Die betreffenden Legierungen sind solche mit einer Gitterkristallstruktur
des flächenzentrierten kubischen Gittertyps und mit einer Grundzusammensetzung innerhalb
des allgemeinen Bereichs von mindestens 70% Nickel + Kobalt und 8 bis 2504 Chrom,
gegebenenfalls o bis 85% Eisen und o bis 30°/o Molybdän, wobei 2 Teile Molybdän
durch i Teil Wolfram ersetzt werden können. Aus dieser Grundzusammensetzung
werden
die betreffenden Legierungen durch die Beigabe der Elemente Titan und Aluminium
in einer Menge von je o,5 bis 50,!, gebildet. Ein Beispiel einer vorteilhaften Grundlegierung
ist das folgende: 9o bis 65°;'a Nickel, io bis 2511;', Chrom, wobei gleiche Teile
Nickel durch o bis 30°;0 Molybdän und,'oder o bis 6o11;, Kobalt ersetzt werden können,
wenn ein Minimalgehalt von 3o11,!, Nickel verbleibt.
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Im allgemeinen ist ein Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,o511/,
erwünscht insbesondere in Grundlegierungen des 80/20 Nickel-Chrom-Typs; jedoch kann
der Kohlenstoffgehalt auch bis i°,/, steigen.
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Aus diesem Legierungsbereich wird eine Legierung mit Gitterstruktur
des flächenzentrierten kubischen Typs gewählt, welche die erforderlichen allgemeinen
mechanischen Eigenschaften und genügende Korrosionsfestigkeit für die zu erwartende
Lebensdauer des Gegenstandes oder Teils aufweist.
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Die Erfindung besteht, allgemein gesagt, darin, daß die gewählte Legierung
bei oder nach der Herstellung des kriechfesten Gegenstandes einer Wärmebehandlung
unterworfen wird, die mit einer Lösungserwärmung der Legierung bei einer Temperatur
von iooo bis 1275- C beginnt. Die Zeitdauer dieser Erwärmung entspricht mindestens
48 Stunden bei iooo' C, mindestens 3 Stunden bei io5o" C, mindestens 2',/, Stünden
bei iioo° C, mindestens 2 Stunden bei ii5o' C, mindestens i Stunde bei 1225" C oder
mindestens ','= Stunde bei 1275° C. Die Legierung wird darauf vOti dieser Temperatur
abgekühlt und innerhalb des Temperaturbereichs von 85o bis 6oo@ C wiederaufgeheizt,
und zwar 2 bis ioo Stunden lang.
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Im allgemeinen werden längere Heizzeiten als die genannten verwendet.
Beispielsweise empfiehlt sich, insbesondere für Legierungen mit mindestens 7011a
Nickel, 12 bis 25°i, Chrom, 2,5 bis 311j, Titan und 0,35 bis o ,60i', Aluminium,
eine Erhitzung von mindestens 8 Stunden bei io5o` C, mindestens 4 Stunden bei iioo`
C, mindestens 21;': Stunden bei ii5o' C oder mindestens 11j2 Stunden bei 1225 C.
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Die angegebenen Zeiten sind dabei solche, während welcher die Legierung
tatsächlich auf der betreffenden Temperatur gehalten wird. Die Behandlung unterscheidet
sich von der bekannten Lösungsglühung von Legierungen dieser Art bei Aushärtungsverfahren
darin, daß entweder eine höhere Temperatur oder eine längere Heizdauer oder beides
angewandt «erden muß. 1;s ist zwar bereits vorgeschlagen worden, für Lösungsglühungen
höhere Temperaturen zu verwenden, jedoch ist die Abstimmung von Zeit und Temperatur
zur Erzielung hoher Kriechfestigkeit neu und für die 1?rfindttng wesentlich.
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Das Anlassen der Teile nach ihrer Abkühlung und vor ihrem Gebrauch
ist dagegen nicht kritisch. Vorzugsweise liegt die Anlaßtemperatur höher als .die
Arbeitstemperatur des Gegensundes im Gebrauch. Hat der herzustellende Gegenstand
beispielsweise Temperaturen von 650' C im praktischen Gebrauch auszuhalten,
so empfiehlt es sich, ihn auf 7o0° C etwa 16 Stunden lang wiederaufzuheizen.
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Im folgenden werden Beispiele von Wärmebehandlungen gemäß der Erfindung
in Anwendung auf Legierungen mit einer Grundzusammensetzung aus 8o11/, Nickel und
2001, Chrom und mit einem Gehalt von 2,311/, Titan und o,3511,/, Aluminium wiedergegeben.
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Zur Feststellung der Wirkung bei verschiedener Dauer der Lösungsglühung
wurden Legierungsproben
| in Form warmgizalzter Stangen bei der sehr hohen |
| Belastune von`Zf ke!mm= und bei einer Temnerafur |
von 65o° C geprüft mit folgendem Ergebnis:
| Zeit der 'Mindest- |
| Erwärmung kriechrate Zeit bis zum |
| auf io5o° C Prozent Bruch |
| Stunden je Stunde Stunden |
| i o, i 40 |
| 2 0,03 70 |
| 4 0,005 120 |
| 8 0,004 170 |
| 16 o,oo3 135 |
Daraus ergibt sich, daß eine nur einstündige Erhitzung auf 105o° C, wie sie üblicherweise
beim Abschreckhärten oder anderen bekannten Verfahren wie beim Tempern angewandt
wird, völlig ungenügend ist, um höhere Kriechfestigkeit zu erreichen, daß aber bei
längerer Erhitzungsdauer die Kriechfestigkeit wesentlich steigt, obgleich die Steigerung
bei mehr als vierstündieer Heizdauer eerint@ ist.
| Bei einer weiteren Prüfung is ttr@y die gleiche |
| Legierung unter einer Belastung von"&Zb#kg;mm2 bei |
einer Temperatur von 65o` C nach verschiedenen Lösungserwärmungen und nach einer
Wiedererhitzung von 16 Stunden Dauer auf 70o C erprobt mit folgendem Ergebnis:
| Lösungsglühung lindestkriechrate |
| Prozent je Stunde |
| 12 Stunden, iooo° C 0,004 |
| 8 - , 105o° C o,00009 |
| 48 - , io5o' C o,00002 |
Die Ermüdungserscheinungen bei hoherTemperatur, die von denselben Faktoren bestimmt
werden wie die Bruchfestigkeit bei Kriechbeanspruchung, sind gleichfalls oft wichtig
und können die obere Grenze der erwünschten Dauer der Lösungsglühung bestimmen.
Die obige erste Tabelle zeigt, daß die Zeit bis zum Bruch, welche die Widerstandsfähigkeit
der Legierung gegen längere Kriechbeanspruchung und die Ermüdungserscheinungen der
Legierung unter der gleichen Belastung anzeigt, bis zu einem Höchstwert ansteigt
und dann abnimmt. Wo der Ermüdungswiderstand von Bedeutung ist, wird deshalb erfindungsgemäß
eine achtstündige Erwärmung auf 105o° C bevorzugt, die sowohl gute .Ermüdungsfestigkeit
als auch Widerstandsfähigkeit gegen langdauernde Kriechbeanspruchung verleiht, gegenüber
einer mindestens 16stündigen Erwärmung auf 105o° C, die zwar hohe Kriechfestigkeit,
aber geringe Ermüdungsfestigkeit ergibt. Da die jeweilige Kriech- und Ermüdungsfestigkeit
eine Funktic,bn der Dauer und Temperatur der Lösungsglühung ist, wird die Auswahl
der
bestimineuden Faktoren jeweils von den Anforderungen an den herzustellenden Gegenstand
abhängen.
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Die zulässige liriechratu und die Lebensdauer des Gegenstandes oder
Teils unter praktischen Arbeitsbedingungen spielen gleichfalls bei der Auswahl der
anzuwendenden Lösungsglühung eine Rolle. Wenn eine niedrige Kriechrate bei verhältnismäßig
niedriger Temperatur unter hoher Belastung in erster Linie erforderlich ist und
weder hohe Ermüdungsfestigkeit noch eine besonders lange Lebensdauer (etwa 50o Stnn(len
()der mehr) gefordert werden, ergibt eine lange 1,ö;ungsglühdauer bei niedriger
Temperatur bessere Resultate als eine kürzere Heizdauer bei höherer Temperatur.
Soll beispielsweise ein Gegentand ()der Teil aus einer Nickel-Chrom-Legierung der
angegebenen Art einer Belastung von mindestens
| ,3Z4.tkg" mm 2 bei 65o C 30o Stunden lang ohne mehr |
als o,11)" Verlängerung widerstehen, so wird die Legierung vorteilhafterweise 3o
Stunden lang aul io5o' C erhitzt.
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Wenn der Gegenstand oder Teil einer Belastung bei
| hiiher Temperatur widerstehen soll, d. h. wenn di( |
| auszuhaltende Belastung beispielsweise'ikg/mm2 be |
80o C 1)('tiä@t, können für die Lösungsglühung höhere Temperaturen gebraucht werden,
ohne die Kombination der erhaltenen erwünschten Eigenschaften zti beeinträchtigen;
die Legierung kann also beispielsweise 2 Stunden lang auf 1225 C erhitzt werden.
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Wenn keine höchste Kriechfestigkeit wohl aber licilier Ermüdungswiderstand
und die. Abwesenheit jeder Gefahr eines plötzlichen Bruches unter Arbeitsbedingungen
erwünscht sind, empfehlen sich ab-
| gewandelte Behandlungen" Wird beispielsweise Wider- |
| standsfähigkeit gegen nur# kg/mm2 Belastung bei |
05c1' C für 30o Stunden ohne mehr als 0,i0/, Verlängerung gefordert und die weitere
Bedingung hinzugefügt, claß die Legierung fähig sein muß, sich ohne Beginn eines
Bruches um o,50,, zu dehnen, wenn die Belastung bei der praktischen Verwendung über
| -f9kg mm- hei 65o (.' steigt oder länger als |
30o Stunden andauert ()der bei einer Temperatur bis zu 70o C auszuhalten ist, so
wird eine Zwischenwärmebehandlung gewählt, d. h. die Dauer der Lösungsgl(ihung ist
kürzer als bei der vorbeschriebenen Behandlung zur Erzielung hoher Kriechfestigkeit.
Die Behandlung kann beispielsweise in einer vierstündigen I?rhitz(ing atif io5o'
C bestehen, wenn es sich um eine Legierung der beschriebenen Gattung mit 8o0/, Nickel
und 2i1) , Chrom handelt.
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Es sei hierbei ei"s,;ilint, daß es sich bei der vorbeschriebenen verkürzten
Lösungsglühdauer empfiehlt, das normale Erwärmen zur Warmverformung mit der Wärmebehandlung
gemäß der Erfindung zu vereinigen. 1)1e X\'armverformttng kann dabei in Schmieden,
Drücken ()(1. dgl. bestehen. Als Beispiel einer geeigneten 1.;i;iingsgliihung sei
eine Erwärmung der vcirgeschriebeileti Legierung auf 105o° C für 4 bis fi Stunden
finit unmittelbar darauffolgender Temperaturerhöhung auf iioo° C zur Warmverformung
(ohne Zwischenabkühlung angeführt.
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Die iibigen Beispiele beziehen sich auf Legierungen mit einer Grundzusammensetzung
aus 8o0;0 Nickel und 2o0, o Chrom. Sie lassen sich aber auch auf andere Legierungen
der eingangs beschriebenen Typen anwenden, wobei die Temperatur und Erwärmungsdauer
der Warmbehandlung entsprechend abgewandelt werden muß. Legierungen mit besonders
guter Eignung für die gewünschten Kombinationen guter Festigkeitswerte sind solche
der Grundzusammensetzung: Nickel + Kobalt
.......... mindestens 7o0/0, Chrom
................... 8 bis 25%. Beispiele von Ergebnissen, die mit den letztgenannten
Legierungen durch achtstündiges Erhitzen auf io5o' C und 16stündiges Wiedererhitzen
auf 700 C erhalten wurden, sind in der nachstehenden Tabelle wiedergegeben:
| Mindest- Zeit bis |
| Legierung Belastung kriechrate zum Bruch |
| Prozent je |
| h-g/rm z; Stunde Stunden |
| 53% Ni ... 1 |
| 2001, Cr ... 4 |
| 200!o Co ... -vN@ 0,0002 1,850 |
| 2,30;o Ti . . |
| (),40,, A1. . J |
| 780 \ i ... 1 |
| io0i', C. |
| 50/0 ',r,' . . le .@19 0,00005 1,400 |
| 2,3% Ti . . |
| 0,4% Al . . |
| 810,1o N1 ... 07 |
| 120i, Cr ... .12-G8 0,0002 i,6oo |
| 2,3°/o Ti . . |
| i?.4°: o Al . .I , |
In allen angeführten Legierungen besteht der Rest aus verschiedenen Verunreinigungen,
insbesondere Nfangan, Silicium und Eisen.