DEP0050380DA - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Nickel-Eisen-Legierungen - Google Patents

Description

Die unregelmäßige Wärmeausdehnung von Eisen-Nickel-Legierungen mit 30 bis 50% Nickelgehalt ist bekannt. Eisen-Nickel-Legierungen mit ungefähr 36% Nickelgehalt haben sehr niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten, die bis zu einem Temperaturbereich von 150 bis 200°C nahe bei 0 liegen. Beträgt der Nickelgehalt weniger als 26%, so steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient schnell, während der Temperaturbereich, worin sich das Material wenig ausdehnt, niedriger liegt. Wird der Nickelanteil über 36% hinaus gesteigert, dann steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient langsamer, während der Temperaturbereich, worin sich das Material wenig ausdehnt, höher liegt. Durch eine vorherige Bestimmung des Nickelgehalts zwischen 36 und 50% kann jeder erwünschte Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 0,3 x 10-(exp)6 und 3,0 X 10-(exp)6 pro Grad Celsius erreicht werden. Dieses ist alles bekannt. Die 36-prozentige

Nickellegierung ist unter der Handelsbezeichnung "Invar" eingeführt; eine 46-prozentige Nickellegierung mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Platin ist als "Platinit" bekannt. Diese austenitischen Legierungen können durch Kaltverformung gehärtet werden, jedoch haben sie dann nicht die hohe Festigkeit, Härte, Elastizität, Verschleißfestigkeit usw., die für viele Verwendungszwecke benötigt werden. Es ist bekannt, daß richtig bemessene Titanbeigaben eine große Anzahl von austenitischen Nickel-Eisen- und Eisen-Nickel-Legierungen alterungshärtbar machen. Wenn aber Titan den "Invar-"Legierungen beigegeben wurde, waren die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Legierungen völlig verschieden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Nickel-Eisen-Legierungen ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Kaltverformen und nachfolgendes Alterungshärten erzielt werden können, wenn diese Legierungen Nickel- und Titangehalte in bestimmten Grenzen enthalten. Die Alterungshärtung besteht bekanntlich in einer Wärmebehandlung einer Legierung bei niedrigen Temperaturen, nachdem sie von einer hohen Temperatur derart herabgekühlt wurde, daß eine Ausscheidungshärtung erfolgte. Da die nutzbringenden Wirkungen der Kaltverformung anscheinend durch innere Spannungen hervorgerufen werden, muß die Kaltbearbeitung nach der Hochtemperaturbehandlung vorgenommen werden, da eine Hochtemperaturbehandlung nach der Kaltbearbeitung die inneren Spannungen wieder aufheben würde. Die Härte einer Legierung wird fast in jedem Fall durch Kaltbearbeitung gesteigert. Dieses ist aber bei der vorerwähnten Legierung nicht das einzige Ergebnis, da festgestellt wurde, daß die Kaltbearbeitung auch den Wärmeausdehnungskoeffizienten senkt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient einer titanhaltigen Legierung ist nicht allein vom Gesamt-Nickelgehalt einer Legierung abhängig, wie es bei den gewöhnlichen Eisen-Nickel-Legierungen der Fall ist. Der Nickelgehalt muß gegenüber dem Titan und etwa vorhandenem Kohlenstoff genau abgestimmt werden. Die Legierungen, aus denen Gegenstände gemäß der Erfindung hergestellt werden, enthalten 34,4 bis 60% Nickel, 1 bis 5% Titan, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, Rest Eisen, wobei das Verhältnis der Nickel-, Titan- und Kohlenstoffgehalte zueinander durch folgende Formeln gegeben ist:

(1) Ni - 2,4 (Ti-4C) = 32 bis 50%

(2) Ti-4C = 1 bis 4,25%

worin Ni, Ti und C die vorhandenen Nickel, Titan und Kohlenstoffgehalte bedeuten.

Die Formel (1) gibt den wirklich vorhandenen Nickelgehalt der Legierung an, und die Formel (2) das nichtkarbidische Titan, d.h. Titan, das mit Kohlenstoff nicht zu TiC verbunden ist.

Neben Nickel, Eisen und Titan, sowie gewöhnlich Kohlenstoff, können die Legierungen auch noch bis 5% Kobalt, bis 1,5% Mangan, bis 1,5%, vorzugsweise etwa 0,3% Silizium, bis 0,5% Aluminium und als Verunreinigungen Schwefel und

Phosphor enthalten.

Die erwünschte Brinellhärte und die erwähnten Festigkeitseigenschaften bestimmen den Titangehalt, und die erwünschten Wärmeausdehnungswerte bestimmen den effektiven Nickelgehalt.

Wenn ein sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient verlangt wird, müßte die Zusammensetzung der Legierung innerhalb nachstehender Grenzen liegen:

Wirklicher Nickelgehalt 34,5 bis 36,5%

Gesamt-Nickelgehalt 39,3 bis 44,3%

Nichtkarbidischer Titangehalt 2 bis 3,25%

Gesamt-Titangehalt 2 bis 3,5%

Kohlenstoffgehalt 0,01 bis 0,07%

Eisengehalt Rest

Nach der Kaltbearbeitung und der Alterungshärtung haben die Legierungen sehr verbesserte Festigkeitseigenschaften und die erwünschten niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. So werden Brinellhärten bis zu 400 erreicht, verglichen mit ungefähr 130 bei gewöhnlichen titanfreien Eisen-Nickel-Legierungen, die ungefähr 36% Nickel enthalten. Die Festigkeitswerte, insbesondere die Proportionalitätsgrenze, die bei einer voll alterungsgehärteten Legierung erzielt werden können, hängen von der Menge des in der Legierung vorkommenden nichtkarbidi- schen Titans ab. Allgemein werden die Festigkeitseigenschaften von alterungsgehärteten Legierungen mit einer Steigerung der nichtkarbidischen Titanmenge verbessert. Figur 1 der beigefügten Zeichnung zeigt die Wirkung des nichtkarbidischen Titans auf die Härte der Legierungen. Der Höchstwert der Härte wird theoretisch bei ungefähr 4%, praktisch bei 3,25% nichtkarbidischen Titans erreicht. Darüber hinaus senkt eine Steigerung des Gehalts an nichtkarbidischem Titan die Umwandlungstemperatur; eine hohe Umwandlungstemperatur ist aber erwünscht, weil hierdurch der Bereich der geringen Wärmeausdehnung auf eine höhere Temperatur ausgedehnt wird. Figur 2 der beigefügten Zeichnung stellt eine charakteristische Wärmeausdehnungskurve dar, die den Bereich der geringen Wärmeausdehnungswerte in Beziehung zur Umwandlungstemperatur zeigt. Figur 3 der Zeichnung gibt an, wie eine Steigerung des nichtkarbidischen Titangehalts auch den Wärmeausdehnungskoeffizienten größer werden läßt. Ferner steigt auch der Nickelgehalt, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient am niedrigsten ist, in dem Maße, wie der nichtkarbidische Titangehalt größer wird. Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, beträgt dieser Gehalt ungefähr 35% bei 1,4% nichtkarbidischen Titans. Jedoch ist die Kurve in der Nähe des niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten verhältnismässig flach und ist so ein Bereich von wirksamen Nickelgehalten vorhanden, bei denen sich im wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben. Wenn dieser Bereich angewendet wird, so sind vorzugsweise die höheren Umwandlungs- temperaturen zu wählen. Die Umwandlungstemperatur steht in keiner augenfälligen Beziehung zum Gesamt-Nickelgehalt, es ist aber eine Beziehung der Umwandlungstemperatur zum Nickelgehalt vorhanden, die in Figur 4 der beigefügten Zeichnungen angegeben ist.

Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die erwünschte Härte oder andere Festigkeitseigenschaften und der erwünschte niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient aufeinander abgestimmt werden müssen. Wenn beispielsweise Wärmeausdehnungswerte unter 1.1 X 10-(exp)6 je Grad Celsius benötigt werden, soll die Menge des nichtkarbidischen Titans nicht grösser als nötig sein, um die erwünschte Härte oder andere Festigkeitseigenschaften zu erreichen. Wenn die Legierung z.B. eine hohe Härte, zum Beispiel 365 Brinell, mit dem niedrigstmöglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vereinigen muss, ist ein nichtkarbidischer Titangehalt von ungefähr 2,6% und ein wirksamer Nickelgehalt von ungefähr 34,5 bis 36,5% ausreichend. Wenn eine Härte von ungefähr 325 Brinell und ein möglichst niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient erwünscht sind, ergeben ein nichtkarbidischer Titangehalt von ungefähr 2,1% und ein Nickelgehalt von ungefähr 34,5 bis 36,5% zufriedenstellende Ergebnisse.

Aluminium hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten, senkt jedoch die Umwandlungstemperatur. Silizium steigert den Wärmeausdehnungswert und senkt auch die Umwandlungstemperatur. Wenn eins oder beide dieser Elemente vorkommen müssen, sollte daher

Aluminium dem Silizium vorgezogen und der Siliziumgehalt niedrig gehalten werden, beispielsweise auf 0,1 bis 0,2%. Mangan erhöht den Wärmeausdehnungskoeffizienten und sollte daher nur in einer solchen Menge, als zur Erzielung der Schmiedbarkeit erforderlich ist, vorhanden sein, d.h. 0,3 bis 0,5%.

Bei der Herstellung von Gegenständen aus Legierungen gemäss der Erfindung muss jede vorkommende Warmverformung vorzugsweise bei Temperaturen von 985 bis 1260°C vorgenommen werden. Der nächste Arbeitsgang nach dem Warmverformen ist gewöhnlich die Hochtemperaturbehandlung, die üblicherweise bei Temperaturen von 900 bis 1000°C durchgeführt wird, wobei die niedrigeren Temperaturen vorzugsweise für Legierungen mit nichtkarbidischen Titangehalten angewandt werden. Die niedrigeren Temperaturen können auch sonst, insbesondere bei geringen Titangehalten benutzt werden, es wird dann aber längere Zeit benötigt, die Legierungen weich zu machen. Höhere Temperaturen, beispielsweise bis zu 1130°C können angewendet werden. Figur 5 der beigefügten Zeichnungen gibt die Temperaturen an, die vorzugsweise für Legierungen mit verschiedenen nichtkarbidischen Titangehalten gebraucht werden. Eine Wärmebehandlung von 2 bis 3 Stunden ist gewöhnlich ausreichend. Für Gußstücke sind längere Zeiten erwünscht.

Abschrecken in Oel ergibt für die meisten Querschnittsgrössen zufriedenstellende Ergebnisse, wenn Teile weich gemacht werden sollen. Die Legierungen können jedoch auch in Wasser abgeschreckt werden. Im allgemeinen ist jede Kühlung anwendbar, die schnell genug erfolgt, um eine Legierung mit einer nicht höheren Härte als 150 bis 160 Brinell zu erzeugen.

Die Kaltbearbeitung, die vor der Alterungshärtung durchgeführt wird, steigert die endgültige Brinellhärte um mindestens 40 bis 45 bei einer Querschnittsverminderung um 20 bis 40% oder mehr. Es hat den Anschein, daß jede Behandlung, die innere Spannungen erzeugt, für die Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten nutzbringend ist.

Die Alterungshärtung wird innerhalb des etwas engen entscheidenden Temperaturbereichs von 593 bis 718°C (1100 bis 1325°F) ungefähr 1 bis 25 Stunden lang durchgeführt. Je höher die Menge des nichtkarbidischen Titans ist, desto höher muss die Temperatur sein. Die vorzugsweise anzuwendenden Alterungshärte-Temperaturen sind in Figur 5 angegeben und liegen in einem Bereich von 580 bis 620°C (1075 bis 1150°F) für einen nichtkarbidischen Titangehalt von 1% und von 688 bis 718°C (1270 bis 1325°F) für einen nichtkarbidischen Titangehalt von 4,25%. Die Legierungen werden vorzugsweise 8 bis 12 Stunden lang gealtert, obgleich der weitaus grösste Teil der Härtung sich innerhalb der ersten Stunde vollzieht. Je niedriger der Titangehalt ist, desto länger sollte im allgemeinen die Alterungszeit sein. Beispiele ausreichender Alterungshärtungs-Temperaturen für verschiedene nichtkarbidische Titangehalte seien nachstehend gegeben:

Eine stufenweise 2- bis 3-stündige Alterungsbehandlung bei jeder von einer Reihe aufeinander folgenden niedrigen Temperaturen ergibt im wesentlichen ähnliche Hörten, wie eine Alterungsbehandlung von 8 bis 12 Stunden bei einer einzigen angemessenen Temperatur. Nach der Alterungsbehandlung können die Legierungen in irgendeiner Weise abgekühlt werden, es ist jedoch zu empfehlen, diese schnell abzukühlen, beispielsweise durch Abschrecken in Wasser, da sich hierdurch niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben.

Die verschiedenen Festigkeitsarten erreichen ihre Höchstwerte nicht in der gleichen Zeit der Alterungsbehandlung. Die Höchstwerte der Proportionalitätsgrenze werden in der Alterungsbehandlung sehr bald erreicht und lassen während der weiteren Behandlung leicht nach, wogegen die Höchstwerte von Zugfestigkeit und Härte in der normalen Alterungszeit erzielt werden und die Fließgrenze bei weiterer Alterungsbehandlung der Legierung fortwährend langsam steigt. So wurde beispielsweise die Streckgrenze einer Legierung, die 2,1% nichtkarbidischen Titans enthielt, nach einer elfstündigen Alterungsbehandlung von 1530 kg/cm(exp)2 auf einen Höchstwert von 5300 kg/cm(exp)2 gesteigert; die Zugfestigkeit wurde nach einer ungefähr einstündigen Alterungsbehandlung von ungefähr 5600 kg/cm(exp)2 auf ungefähr 9940 kg/cm(exp)2 vergrössert und auf einen Höchstwert von ungefähr 11200 kg/cm(exp)2 nach 9stündiger Behandlung gebracht. Die Fließgrenze war nach einer einstündigen Alterungsbehandlung von 2940 kg/cm(exp)2 auf 6850 kg/cm(exp)2, nach neunstündiger Behandlung auf 7980 kg/cm(exp)2 und nach achtzehnstündiger Behandlung auf 8250 kg/cm(exp)2 gesteigert werden.

Der niedrige erreichte Wärmeausdehnungskoeffizient von alterungsgehärtetem und abgeschrecktem Material, das gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wird durch eine kurze Zeit dauernde Erwärmung auf Temperaturen bis zu ungefähr 342°C (650°F) oder durch eine Erwärmung für längere Zeit auf Temperaturen bis zu 177°C (350°F) nicht merklich vergrößert. So ergab sich, als alterungsgehärtetes Material gemäß vorliegender Erfindung 10 Tage lang auf 177°C (350°F) erwärmt wurde, nur eine sehr geringfügige Steigerung des niedrigen erreichten Wärmeausdehnungskoeffizienten beispielsweise von 1.0 X 10-(exp)6 auf 1.2 X 10-(exp)6 je Grad Celsius.

Die Legierungen gemäß der Erfindung können zur Herstellung von Gegenständen aller Art verwendet werden, für die ein vorher zu bestimmender niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient und gute Festigkeitseigenschaften erforderlich sind. Charakteristische Anwendungsbeispiele von Geiß- oder Knetlegierungen sind Turbinenwellen, Kolloidmühlen, Webstühle, Schneide- und Meßgeräte, Präzisions-Zahnräder, Gesenke, Räumnadeln, Bohrstangen, Lehren, Diesel-Injektorpumpen und Ventile, Thermostaten, Walzen, Walzwerksrahmen und Spindeln, mit Platin, Tantal und Glas ausgekleidete Autoklaven, Plattier-Material, Diamant- und Hartemetallwerkzeugträger einschliesslich Bohrern, Pumpenmeßuhren und hochpolierte Gegenstände, wie Reflektoren, wo Leichtpolierbarkeit und Verzugsfreiheit im Gebrauch wichtig sind.

Claims (3)

1) Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten aus einer Nickel-Eisen-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit 34.4 bis 60% Nickel, 1 bis 5% Titan, 0 bis 0.2% Kohlenstoff, Rest Eisen, wobei das Verhältnis zwischen den Nickel-, Titan- und Kohlenstoffgehalten durch die Formeln

Ni - 2.4 (Ti - 4C) = 32 bis 50%,

Ti - 4 C = 1 bis 4,25%

bestimmt ist, kaltbearbeitet und darauf alterungsgehärtet wird.

2) Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Legierungen, die neben den im Anspruch genannten Bestandteilen noch bis 5% Kobalt, bis 1,5% Mangan, bis 1,5% Silizium und bis 0,5% Aluminium einzeln oder zu mehreren enthalten.

3) Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung aus 39.3 bis 44.3% Nickel, 2 bis 3,5% Titan, 0.01 bis 0.07% Kohlenstoff, Rest Eisen.