DEP0050381DA

DEP0050381DA - Nickel-iron-chromium alloy that can be hardened by precipitation hardening

Info

Publication number: DEP0050381DA
Authority: DE
Inventors: Boden Norman Pilling; Mc Coy Albert Talbot
Original assignee: Mond Nickel Co Ltd
Current assignee: Mond Nickel Co Ltd
Publication date: 1951-01-11

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.The irregular thermal expansion of iron-nickel alloys with approximately 30 to 50% nickel content is known. Iron-nickel alloys with around 36% nickel have very low coefficients of thermal expansion, which come close to zero at a temperature range of up to 150 ° C or 200 ° C. If the nickel content is taken to be less than 36%, the coefficient of thermal expansion increases rapidly and the temperature range in which the material expands little becomes lower. If the nickel content is increased beyond 36%, the coefficient of thermal expansion increases more slowly and the temperature range in which the material expands little is increased.

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.Modified alloys containing chromium, i.e. 30 to 48% nickel, up to 12% chromium and the remainder iron, are also known and are used in production by apparatuses of high accuracy that have to withstand shocks or impacts, such as clocks, weight scales, etc. used. Some of the chromium therein can be replaced by one or more of the elements tungsten, molybdenum, vanadium, aluminum and silicon in amounts of traces, i.e. 0.001% up to 4% or more. These elements and also the chromium itself (hereinafter referred to as chromium-like elements) lower the temperature coefficient of the modulus of elasticity of iron-nickel alloys, which contain around 35% nickel (meaning the change in the modulus of elasticity per degree of temperature change) to around zero at normal temperatures, ie at a temperature of the outside air up to approx. 93 ° C. Tungsten, molybdenum and vanadium also increase the basic hardness of the alloys. These alloys are known as fixed modulus alloys and can have a small positive or negative temperature coefficient. Because the alloys are austenitic, they can only be hardened by cold working and, as a result, have been found unsuitable for many uses because of their undesirably low strength properties. Cold working to about 75% has been 90% unsatisfactory.

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.The addition of titanium to these alloys has been proposed. The present invention is based on the finding that the presence of titanium, which makes the alloys age hardenable, does so enables significantly better strength values to be achieved; In this case, however, it is necessary to carefully coordinate the entire composition with one another if the desired heat-elastic properties and low coefficients of thermal expansion are to be retained.

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.In particular, the presence of titanium influences the nickel content, so that in order to achieve the same effect as is achieved with an approximately 36 percent nickel content of normal alloys, the nickel content must be greater than 36%. A part of the total nickel content, which depends on the titanium and carbon content, can be regarded as the effective nickel content. Furthermore, the thermo-elastic properties of an alloy with a certain nickel content are not only dependent on the total proportion of chromium-like elements, but rather on the ratio of the chromium-like elements to the titanium and carbon present.

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:According to the invention, the alloys contain 38.5 to 47% nickel, 2 to 9% chromium-like elements, chromium, tungsten, molybdenum, vanadium, aluminum, silicon (of which at least 2% is chromium), 1 to 4% titanium, 0 to 0.2 % Carbon, remainder iron with the proviso that the ratio of the proportions of nickel (Ni), titanium (Ti), chromium-like elements (Cr) and carbon (C) to one another is given by the following formulas:

(1) Ni-2,4(Ti-4C)=34,5 bis 37,5(1) Ni-2.4 (Ti-4C) = 34.5 to 37.5

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

Der durch die erste dieser Formeln bestimmte Nickelgehalt ist der wirksame (effektive) Nickelgehalt.The nickel content determined by the first of these formulas is the effective nickel content.

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.Carbon can be absent, but it is practically impossible to avoid the occurrence of carbon entirely. It is therefore advisable to keep the carbon content low, for example to no more than 0.08%, so that the titanium is used most profitably; however, a carbon content of up to 0.2% is permissible.

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%The alloys can also contain small amounts of unimportant elements and impurities, just as the term "remainder iron" does not exclude the occurrence of small amounts of such elements as cobalt, manganese, zirconium, sulfur and phosphorus, as is commercially available. The quality of the alloys is not impaired as a result. The alloys can contain up to 1.5% manganese, which is often used to improve forgeability. As has already been said, some of the chromium can be replaced by other elements which have a chromium-like effect in amounts of 0.001% up to 4% or more; however, the effect caused by silicon or aluminum is greater than that achieved by the same amount of chromium. Preferably, therefore, the chromium-like elements consist essentially of chromium itself, although the alloys of the type in question usually contain small amounts of aluminum and silicon, for example 0.3%

Aluminium und 0,5% Silizium. Vorzugsweise ist Cr+(ti . 4C) = 7 bis 8.Aluminum and 0.5% silicon. Preferably Cr + (ti. 4C) = 7 to 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: It is recommended to keep the titanium content between 2 and 3.25%, preferably around 2.7%. The chromium content is preferably measured at 4.7 to 6%, on average around 5%. Usual amounts of the unimportant elements that can be found commercially are around 0.06% carbon and around 0.6% manganese. Some examples of alloys with fixed values according to the invention are given below:

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.The influence of the effective nickel content on the temperature coefficient of the modulus of elasticity of alloys is shown in FIG. 1 of the accompanying drawings. Figure 2 of these drawings shows the effect of chromium on the temperature coefficient of the modulus of elasticity of an alloy containing 42% nickel, 2.6% titanium, 0.45% molybdenum, chromium in various amounts, the remainder being iron, and that of an aging hardening treatment at 676 ° C for 4 hours and then cooled in the oven. The specified temperature coefficient values of the modulus of elasticity, i.e. the thermo-elastic coefficients, were determined by using a rotary pendulum and by changing the reference temperatures. The im Correct ratio, changed modulus with temperature in relation to the modulus value at zero degrees Fahrenheit, gives the temperature coefficient.

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.As already mentioned, the alloys are age-hardenable, and utility objects can advantageously be produced from them by cold working with subsequent age hardening. It is recommended that, after a moderate reduction in cross-section through cold deformation, it is subjected to homogenization and then aged at temperatures between around 595 and 730 ° C. The usual homogenization consists of heating to approximately 925 to 950 ° C and rapid cooling, for example quenching in oil. A slow cooling down from the aging temperatures is desirable from the point of view of uniform properties.

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.Aging hardening without cold deformation improves the strength properties. It is sometimes more convenient, especially for alloys containing approximately 1.5 to 2% titanium, to cold work after the aging treatment. Cold-formed material with or without previous aging treatment must be relaxed in order to achieve uniform thermoplastic properties. A cross-section reduction of 35 to 50% achieved by cold working is very suitable for achieving high strength values, whereas alloys of the normal known type require an exaggerated cross-section reduction by cold working (by 75 to 99%), to generate high strength values.

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.For general purposes, a titanium content of around 2.4 to around 2.8% in the alloys is sufficient to achieve high strength values. By increasing the titanium content to, for example, 3.5%, somewhat higher strengths can be achieved.

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.High strength values are achieved through age hardening at temperatures between approximately 595 and 730 ° C. However, by changing the temperatures within this range, it is possible to vary the temperature coefficient of the modulus of elasticity as desired within certain limits. For a given alloy, the temperature coefficient of the module is higher as the aging temperature is increased and also as the aging treatment takes longer. Furthermore, the more the alloy is cold worked, the lower the temperature coefficient of the module. Slow cooling down from aging temperatures usually results in noticeably higher proportional limits and more uniform elastic properties. The tables below show corresponding various treatments of an alloy containing 43.4% nickel, 5% chromium, 2.4% titanium, 0.06% carbon, the remainder iron with the usual impurities, and the values achieved by these treatments became. The treatment was carried out by quenching the alloy in water at a temperature of 950 ° C.

In jedem Fall wurde die Legierung nach der Alterungsbehandlung im Ofen abgekühlt.In each case the alloy was cooled in the furnace after the aging treatment.

P = Festigkeit an der Proportionalitätsgrenze in kg/cm2P = strength at the proportional limit in kg / cm2

F = Festigkeit an der Fließgrenze in kg/cm2F = strength at the yield point in kg / cm2

B = Bruchfestigkeit in kg/cm2B = breaking strength in kg / cm2

t-e K = Thermo-elastischer Koeffizient pro Grad Fahrenheit Elastizitätsmodul in kg/cm2t-e K = thermo-elastic coefficient per degree Fahrenheit of elasticity module 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.Many and varied articles of daily use can advantageously be made from the alloys according to the invention. However, these alloys are particularly suitable for the manufacture of high-precision apparatus or instruments that have to withstand shocks or impacts, as well as parts for such apparatus or instruments. Typical examples are springs, clock springs, springs for spring carriages, as well as tuning forks, Bourdon tubes, test rings for testing machines, torsion and tension dynamometers, etc.

Claims

1. Nickel-iron-chromium alloy that can be hardened and tempered by precipitation hardening, characterized by the following composition:

38.5 to 47% nickel

2 to 9% chromium

1 to 4% titanium

0 to 0.2% carbon

Remainder iron

with the proviso that the ratio between the contents of nickel, titanium, chromium and carbon is determined by the following formulas:

Ni-2.4 (Ti-4C) = 34.5 to 37.5

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

2. Alloy according to claim 1, characterized in that the chromium is partially replaced by one or more of the elements tungsten, molybdenum, vanadium, aluminum and silicon, but the chromium content is at least 2%.

3. The alloys according to claims 1 and 2, characterized in that they contain 4.7 to 6% chromium.

4. Alloy according to claims 1 to 3, characterized in that it contains 2 to 3.25% titanium and up to 0.08% carbon.

5. Alloy according to claims 1 to 4, characterized in that the content of Cr + (Ti-4C) = 7 to 8.

6. Age-hardened objects made of an alloy according to one of the preceding claims.

7. A method for producing objects with a fixed modulus of elasticity, characterized in that an alloy according to either of Claims 1 and 5 is cold-worked and age-hardened thereon.