DEP0050381DA - Durch Ausscheidungshärtung vergütbare Nickel-Eisen-Chrom-Legierung - Google Patents

Description

Die unregelmäßige Wärmeausdehnung von Eisen-Nickel-Legierungen mit ungefähr 30 bis 50% Nickelgehalt ist bekannt. Eisen-Nickel-Legierungen mit rund 36% Nickel haben sehr niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten, die bei einem Temperaturbereich bis zu 150°C oder 200°C dem Nullwert nahekommen. Wenn der Nickelgehalt geringer als 36% genommen wird, steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient schnell und der Temperaturbereich, in dem sich das Material wenig ausdehnt, wird niedriger. Wird der Nickelgehalt über 36% hinaus gesteigert, dann steigt der Wärmeausdehnungskoeffizient langsamer und der Temperaturbereich, worin sich das Material wenig ausdehnt, wird erhöht.

Abgeänderte Legierungen, die Chrom enthalten, d.h. 30 bis 48% Nickel, bis zu 12% Chrom und der Rest Eisen, sind gleichfalls bekannt und werden zur Herstellung von Apparaten hoher Genauigkeit, die Stöße bzw. Schläge auszuhalten haben, wie Uhren, Gewichtsskalen usw., verwendet. Ein Teil des Chroms darin kann durch eines oder mehrerer der Elemente Wolfram, Molybdän, Vanadin, Aluminium und Silizium in Mengen von Spuren, d.h. 0,001% bis zu 4% oder mehr, ersetzt werden. Diese Elemente und auch das Chrom selbst (im Folgenden chromartige Elemente genannt) senken den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls von Eisen-Nickel-Legierungen, die ungefähr 35% Nickel enthalten (gemeint ist die Veränderung des Elastizitätsmoduls pro Grad Temperaturänderung) auf rund Null bei üblichen Temperaturen, d.h. bei Wärmegraden der Außenluft bis zu ungefähr 93°C. Wolfram, Molybdän und Vanadin steigern auch die Grundhärte der Legierungen. Diese Legierungen werden als Legierungen mit festgelegtem Elastizitätsmodul bezeichnet und können einen kleinen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten haben. Da die Legierungen austenitisch sind, können sie nur durch Kaltbearbeitung gehärtet werden und sind infolgedessen für viele Verwendungszwecke, wegen ihrer unerwünschten niedrigen Festigkeitseigenschaften, als ungeeignet befunden worden. Kaltbearbeitung auf ungefähr 75% hat sich zu 90% als nicht befriedigend erwiesen.

Der Zusatz von Titan zu diesen Legierungen ist bereits vorgeschlagen worden. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Vorhandensein von Titan, das die Legierungen alterungshärtbar macht, es ermöglicht, wesentlich bessere Festigkeitswerte zu erzielen; hierbei ist es aber erforderlich, die gesamte Zusammensetzung sorgfältig aufeinander abzustimmen, wenn die erwünschten wärmeelastischen Eigenschaften und niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten erhalten bleiben sollen.

So beeinflusst insbesondere das Vorhandensein von Titan den Nickelgehalt, so dass, um die gleiche Wirkung zu erzielen, wie sie bei einem ungefähr 36-prozentigen Nickelgehalt normaler Legierungen erreicht wird, der Nickelgehalt größer als 36% sein muss. Vom Gesamt-Nickel-Gehalt kann ein Teil, der von Titan- und Kohlenstoffgehalt abhängt, als effektiver (wirksamer) Nickelgehalt angesehen werden. Ferner sind die warmelastischen Eigenschaften einer Legierung mit einem bestimmten Nickelgehalt nicht allein vom Gesamtanteil der chromartigen Elemente abhängig, sondern vom Verhältnis der chromartigen Elemente zum vorhandenen Titan und Kohlenstoff.

Erfindungsgemäß enthalten die Legierungen 38,5 bis 47% Nickel, 2 bis 9% chromartige Elemente, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadin, Aluminium, Silizium (wovon mindestens 2% Chrom sind), 1 bis 4% Titan, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, Rest Eisen mit der Maßgabe, dass das Verhältnis der Anteile an Nickel (Ni), Titan (Ti), chromartige Elemente (Cr) und Kohlenstoff (C) zueinander durch nachstehende Formeln gegeben sind:

(1) Ni-2,4(Ti-4C)=34,5 bis 37,5

(2) Cr+(Ti-4C) = 4 bis 9

Der durch die erste dieser Formeln bestimmte Nickelgehalt ist der wirksame (effektive) Nickelgehalt.

Kohlenstoff kann fehlen, praktisch ist es aber unmöglich, das Vorkommen von Kohlenstoff ganz zu vermeiden. Es ist daher zu empfehlen, den Kohlenstoffgehalt niedrig zu halten, beispielsweise auf nicht mehr als 0,08%, damit das Titan am nutzbringendsten verwandt wird; ein Kohlenstoffgehalt bis zu 0,2% ist jedoch zulässig.

Die Legierungen können gleichfalls kleine Mengen unwichtiger Elemente und Verunreinigungen enthalten, wie auch der Begriff "Rest Eisen" das Vorkommen kleiner Mengen derartiger Elemente wie Kobalt, Mangan, Zirkon, Schwefel und Phosphor, wie es handelsüblich ist, nicht ausschließt. Die Legierungen werden hierdurch in ihrer Güte auch nicht beeinträchtigt. So können die Legierungen bis zu 1,5% Mangan, das oft zur Verbesserung der Schmiedbarkeit angewandt wird, enthalten. Wie schon gesagt wurde, kann ein Teil des Chroms durch andere Elemente, die eine chromähnliche Wirkung haben, in Mengen von 0,001% bis zu 4% oder mehr ersetzt werden; die durch Silizium oder Aluminium hervorgerufene Wirkung ist aber größer, als die durch die gleiche Menge Chrom erzielt wird. Vorzugsweise bestehen daher die chromartigen Elemente im wesentlichen aus Chrom selbst, obgleich die Legierungen der in Frage stehenden Art gewöhnlich kleine Mengen von Aluminium und Silizium enthalten, zum Beispiel 0,3%

Aluminium und 0,5% Silizium. Vorzugsweise ist Cr+(ti . 4C) = 7 bis 8.

Es ist zu empfehlen, den Titangehalt zwischen 2 bis 3,25%, vorzugsweise auf rund 2,7%, zu halten. Der Chromgehalt wird vorzugsweise auf 4,7 bis 6%, durchschnittlich auf rund 5%, bemessen. Übliche Mengen der unwichtigen Elemente, die handelsüblicherweise vorkommen können, sind rund 0,06% Kohlenstoff und rund 0,6% Mangan. Einige Beispiele von Legierungen mit festgelegten Werten gemäß der Erfindung seien nachstehend gegeben:

Der Einfluss des wirksamen Nickelgehaltes auf den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls von Legierungen ist in Figur 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Figur 2 dieser Zeichnungen zeigt die Wirkung von Chrom auf den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls einer Legierung, die 42% Nickel, 2,6% Titan, 0,45% Molybdän, Chrom in verschiedenen Mengen, Rest Eisen enthielt, und die einer Alterungshärtebehandlung bei 676°C von 4 Stunden Dauer unterzogen und dann im Ofen abgekühlt worden war. Die angegebenen Temperaturkoeffizientwerte des Elastizitätsmoduls, d.h. die thermo-elastischen Koeffizienten, wurden durch Anwendung eines Drehpendels und mittels Veränderung der Bezugstemperaturen ermittelt. Der im richtigen Verhältnis veränderte Modul mit der Temperatur in Beziehung zum Modulwert bei Null Grad Fahrenheit gebracht, ergibt den Temperaturkoeffizienten.

Wie bereits erwähnt wurde, sind die Legierungen alterungshärtbar, aus ihnen können durch Kaltverformung mit nachfolgender Alterungshärtung, vorteilhaft Gebrauchsgegenstände hergestellt werden. Es ist zu empfehlen, sie, nach einer mäßigen Querschnittsverminderung durch Kaltverformung, einer Homogenisierung zu unterziehen und sie dann bei Temperaturen zwischen rund 595 und 730°C zu altern. Die übliche Homogenisierung besteht aus Erwärmen auf ungefähr 925 bis 950°C und schnellem Abkühlen, beispielsweise Abschrecken in Öl. Ein langsames Erkalten von den Alterungstemperaturen ist, vom Gesichtspunkt gleichmäßiger Eigenschaften, erwünscht.

Alterungshärten ohne Kaltverformung verbessert die Festigkeitseigenschaften. Es ist zuweilen angenehmer, insbesondere für Legierungen, die ungefähr 1,5 bis 2% Titan enthalten, die Kaltverformung nach der Alterungsbehandlung vorzunehmen. Kalt verformtes Material mit oder ohne vorhergehende Alterungsbehandlung muss entspannt werden, um gleichmäßige thermo-plastische Eigenschaften zu erzielen. Eine mittels Kaltbearbeitung erzielte Querschnittsverminderung um 35 bis 50% ist zur Erzielung hoher Festigkeitswerte sehr geeignet, wogegen bei Legierungen der normalen bekannten Art eine übertriebene Querschnittsverminderung durch Kaltbearbeitung (um 75 bis 99%) erforderlich ist, um hohe Festigkeitswerte zu erzeugen.

Für allgemeine Zwecke ist ein Titangehalt der Legierungen von rund 2,4 bis rund 2,8% zur Erzielung hoher Festigkeitswerte ausreichend. Durch Steigerung der Titangehalte auf beispielsweise 3,5% können etwas höhere Festigkeiten erreicht werden.

Hohe Festigkeitswerte werden durch Alterungshärten mit Temperaturen, die zwischen ungefähr 595 bis 730°C liegen, erreicht. Es ist jedoch durch Änderung der Temperaturen innerhalb dieses Bereichs möglich, den Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls wie gewünscht in gewissen Grenzen abzuwandeln. Für eine gegebene Legierung ist der Temperaturkoeffizient des Moduls höher, wenn die Alterungstemperatur gesteigert wird und auch wenn die Alterungsbehandlung länger dauert. Ferner wird der Temperaturkoeffizient des Moduls geringer, je mehr die Legierung kaltverformt wird. Langsames Herunterkühlen von den Alterungstemperaturen ergibt gewöhnlich merkbar höhere Proportionalitätsgrenzen und gleichmäßigere Elastizitätseigenschaften. Die nachstehenden Zahlentafeln zeigen entsprechende verschiedenartige Behandlungen einer Legierung, die 43,4% Nickel, 5% Chrom, 2,4% Titan, 0,06% Kohlenstoff, Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen enthielt, und die Werte, die durch diese Behandlungen erzielt wurden. Die Behandlung wurde durch Abschrecken der Legierung in Wasser bei einer Temperatur von 950°C durchgeführt.

In jedem Fall wurde die Legierung nach der Alterungsbehandlung im Ofen abgekühlt.

P = Festigkeit an der Proportionalitätsgrenze in kg/cm2

F = Festigkeit an der Fließgrenze in kg/cm2

B = Bruchfestigkeit in kg/cm2

t-e K = Thermo-elastischer Koeffizient pro Grad Fahrenheit Elastizitätsmodul in kg/cm2

Viele und verschiedenartige Gebrauchsgegenstände können vorteilhaft aus den Legierungen gemäß der Erfindung hergestellt werden. Diese Legierungen sind jedoch besonders zur Herstellung von Apparaten hoher Genauigkeit oder Instrumenten, die Stöße oder Schläge auszuhalten haben, sowie von Teilen für derartige Apparate oder Instrumente geeignet. Als kennzeichnende Beispiele seien Federn, Uhrfedern, Federn für Federwagen, sowie Stimmgabeln, Bourdonröhren, Prüfringe für Prüfmaschinen, Torsions- und Spannungs-Dynamometer usw. genannt.

Claims (7)

1. Durch Ausscheidungshärtung vergütbare Nickel-Eisen-Chrom-Legierung, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung:

38,5 bis 47% Nickel

2 bis 9% Chrom

1 bis 4% Titan

0 bis 0,2% Kohlenstoff

Rest Eisen

mit der Maßgabe, dass das Verhältnis zwischen den Gehalten an Nickel, Titan, Chrom und Kohlenstoff durch die folgenden Formeln bestimmt ist:

Ni-2,4(Ti-4C) = 34,5 bis 37,5

Cr+(Ti-4C) = 4 bis 9.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Chrom zum Teil durch eines oder mehrere der Elemente Wolfram, Molybdän, Vanadin, Aluminium und Silizium ersetzt ist, wobei der Chromgehalt jedoch mindestens 2% beträgt.

3. Die Legierungen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4,7 bis 6% Chrom enthält.

4. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 3,25% Titan und bis zu 0,08% Kohlenstoff enthält.

5. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Cr+(Ti-4C) = 7 bis 8 beträgt.

6. Altersgehärtete Gegenstände aus einer Legierung gemäß einem der voraufgehenden Ansprüche.

7. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit festgelegtem Elastizitätsmodul, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung nach jedem der Ansprüche 1 und 5 kaltverformt und darauf altersgehärtet wird.