EP0136998A1 - Wrought nickel-base alloy and process for its thermal treatment - Google Patents

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EP0136998A1 EP84890149A EP84890149A EP0136998A1 EP 0136998 A1 EP0136998 A1 EP 0136998A1 EP 84890149 A EP84890149 A EP 84890149A EP 84890149 A EP84890149 A EP 84890149A EP 0136998 A1 EP0136998 A1 EP 0136998A1
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wrought
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    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a wrought nickel alloy with the alloy components C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti and Fe with the aim of making a substantial increase in strength possible by a special heat treatment by changing the percentage composition.
  • This alloy is generally used in the solution-annealed state, whereby (the mechanical characteristics refer to RT in the following) a tensile strength of about 600 to max. 700 N / mm 2 and a 0.2% proof stress from about 230 to max. 270 N / mm 2 .
  • the work hardened condition is also common for pipes and rods, with the work hardening achieved being of the order of magnitude as is the case for austenitic Cr-Ni steels; the tensile strength is accordingly for cold-formed pipes up to about 800 N / mm 2 and the 0.2% proof stress up to about 500 N / mm 2 .
  • Such an alloy also has a permeability below 1.010, with which it can be described as non-magnetic.
  • the wrought alloy according to the invention also up to 0.7%, preferably up to 0.5% Al and / or 0.3 to 1, 2%, preferably 0.5 to 1.2% Nb / Ta.
  • the invention also includes the heat-treated alloy.
  • a preferred method for the heat treatment of this wrought nickel alloy is characterized in that after solution annealing in the temperature range from 980-1170 ° C. with a holding time of at least 5 minutes in order to achieve a further increase in strength, the temperature is preferably set to 650-800 ° C. 680 - 770 ° C, is carried out for a period of 3 to 20 h, preferably from 6 to 16 h.
  • a further increase in these mechanical parameters can still be achieved in that, after solution annealing, a cold deformation with a degree of deformation of 5 to 15% is interposed.
  • the strength-increasing effect of the heat treatment is improved because an even finer distribution of the particles separated out at the grain boundaries is thereby achieved. While in this case cooling to room temperature is mandatory after solution annealing, the strength-increasing heating can also be carried out without such cooling, that is, directly from the temperature range of solution annealing.
  • the invention further relates to the use of the alloy as a material for non-magnetic parts, such as housing parts, etc. Bohrstan g fleeth., Particularly for opening up and / or extracting gaseous and / or liquid fossil fuels. It was quite surprising that with the increased addition of titanium, in addition to the possible increase in strength values, a permeability is also achieved which allows this material to be used for such components, while the low susceptibility to stress corrosion cracking makes this material suitable for use in drilling and conveyor technology, for example as non-magnetic collars or as a housing for corresponding magnetic measuring devices and the like, is outstandingly suitable.
  • melt no. 1 the composition of eleven test melts is compared to that of melt no. 1, the alloys according to the invention, beginning with melt no. 2, differing in particular from an increasing titanium content.
  • the permeability decreases with increasing titanium content, the permeability coming below approximately 1.01 from a titanium content of 1.2%, so that here there is a material that can be technically designated as non-magnetic.

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Abstract

1. A wrought nickel-based alloy with the alloy constituents C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti and Fe, characterized in that it comprises max. 0.1% C, max. 1% Si, max. 1.5% Mn, 36.5 to 46.0% Ni, 18.5 to 26.0% Cr, 1.0 to 4.0% Mo, 1.0 to 4.0% Cu, 1.35 to 2.60% Ti, optionally up to 0.7% Al, and/or 0.3 to 1.2% Nb/Ta, and the rest essentially Fe and impurities determined by production.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickel-Knetlegierung mit den Legierungsbestandteilen C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti und Fe mit der Zielsetzung, durch eine Abänderung der prozentualen Zusammensetzung eine wesentliche Festigkeitssteigerung durch eine spezielle Wärmebehandlung möglich zu machen.The invention relates to a wrought nickel alloy with the alloy components C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti and Fe with the aim of making a substantial increase in strength possible by a special heat treatment by changing the percentage composition.

Die Erfindung geht von einer Nickel-Knetlegierung aus, die im Deutschen Normenblatt DIN 17 744 (Feb. 1983) unter dem Kurzzeichen Ni Cr 21 Mo /Werkstoff-Nr. 2.4858 angeführt ist, u.zw. mit nachfolgender Zusammensetzung:

  • max. 0,025 % C, max. 0,5 % Si, max. 1,0 % Mn,
  • 38,0 - 46,0 % Ni, 19,5 - 23,5 % Cr, 2,5 - 3,5 % Mo, 1,5 - 3,0 % Cu, 0,6 - 1,2 % Ti, gegebenenfalls noch
  • max. 0,2 % Al bzw. max. 1,0 % Co (wobei es sich jeccch bei Al und Co - siehe die Seiten 106 bzw. 107
  • cer "Stahl-Eisen-Liste", 6. Auflage, 1977 - bloß um zulässige Verunreinigungen handelt), Rest im wesentlichen Fe.
The invention is based on a wrought nickel alloy, which is described in the German standard DIN 17 744 (Feb. 1983) under the abbreviation Ni Cr 21 Mo / material no. 2.4858 is cited, etc. with the following composition:
  • Max. 0.025% C, max. 0.5% Si, max. 1.0% Mn,
  • 38.0 - 46.0% Ni, 19.5 - 23.5% Cr, 2.5 - 3.5% Mo, 1.5 - 3.0% Cu, 0.6 - 1.2% Ti, if necessary
  • Max. 0.2% Al or max. 1.0% Co (although it is Al and Co - see pages 106 and 107
  • cer "Stahl-Eisen-Liste", 6th edition, 1977 - only concerns permissible impurities), the rest essentially Fe.

Diese Legierung wird grundsätzlich im lösungsgeglühten Zustand angewendet, wobei sie (die mechanischen Kennwerte beziehen sich im folgenden grundsätzlich auf RT) eine Zugfestigkeit von etwa 600 bis max. 700 N/mm2 und eine 0,2 %-Dehngrenze von etwa 230 bis max. 270 N/mm2 aufweist. Für Rohre und Stangen ist auch der kaltverfestigte Verwendungszustand gebräuchlich, wobei die erzielte Kaltverfestigung in der Größenordnung derjenigen liegt, wie sie für austenitische Cr-Ni-Stähle gilt; die Zugfestigkeit beträgt demgemäß für kaltverformte Rohre bis etwa 800 N/mm2 und die 0,2 %-Dehngrenze bis etwa 500 N/mm2.This alloy is generally used in the solution-annealed state, whereby (the mechanical characteristics refer to RT in the following) a tensile strength of about 600 to max. 700 N / mm 2 and a 0.2% proof stress from about 230 to max. 270 N / mm 2 . The work hardened condition is also common for pipes and rods, with the work hardening achieved being of the order of magnitude as is the case for austenitic Cr-Ni steels; the tensile strength is accordingly for cold-formed pipes up to about 800 N / mm 2 and the 0.2% proof stress up to about 500 N / mm 2 .

Wegen ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit auch in heißen Säuren bzw. Mischsäuren und gegenüber oxidierenden Einflüssen, beispielsweise seien Mischungen aus Salpeter-, Phosphor- und Schwefelsäure genannt, sowie der sehr guten Beständigkeit gegen Lochfraß und Spannungsrißkorrosion erfolgt die Anwendung insbesondere dort, wo ausnehmend heikle Korrosionsprobleme auftreten, wie beispielsweise bei Sulfonieranlagen, für Beizausrüstungen in der Metallindustrie sowie für Anwendungszwecke in der Zellstoff- und Kunstfaserindustrie und anderes mehr.Because of their excellent corrosion resistance even in hot acids or mixed acids and against oxidizing Influences, for example mixtures of nitric, phosphoric and sulfuric acid, as well as the very good resistance to pitting and stress corrosion cracking, are used particularly where there are particularly sensitive corrosion problems, such as in sulfonation plants, for pickling equipment in the metal industry and for applications in the pulp and synthetic fiber industry and more.

Eine Beschränkung von Anzahl und Umfang der Anwendungsarten erfährt diese Nickel-Legierung vorwiegend durch den verhältnismäßig hohen Preis und daraus folgert, daß mit einer Festigkeitssteigerung und den damit erzielbaren Einsparungen und der Erschließung neuer Anwendungsgebiete ein sehr bedeutender technischer Fortschritt zu erreichen wäre.A limitation of the number and scope of the types of application experiences this nickel alloy mainly due to the relatively high price and it follows that with an increase in strength and the savings that can be achieved and the opening up of new areas of application, a very significant technical advance could be achieved.

Zur Lösung des Problems und der gestellten Aufgabe wird gemäß dem Erfi: dungskennzeichen folgende Legierungszusammensetzung für die neue Nickel-Knetlegieruna vorgeschlagen:

  • max. 0,1 % C,
  • max. 1 %, vorzugsweise max. 0,6 % Si,
  • max. 1,5 %, vorzugsweise max. 1,2 % Mn,
  • 36,5 bis 46,0 %, vorzugsweise 38,0 bis 44.0 % Ni,
  • 18,5 bis 26,0 %, vorzugsweise 19,0 bis 24,0 % Cr,
  • 1,0 bis 4,0 %, vorzugsweise 2,0 bis 3,5 % Mo,
  • 1,0 bis 4,0 %, vorzugsweise 1,0 bis 3,0 %Cu,
  • 1,35 bis 2,60 % Ti,
  • Rest im wesentlichen Fe und
  • herstellungsbedingte Verunreinigungen.
To solve the problem and the task, the following alloy composition is proposed for the new wrought nickel alloy according to the invention code:
  • Max. 0.1% C,
  • Max. 1%, preferably max. 0.6% Si,
  • Max. 1.5%, preferably max. 1.2% Mn,
  • 36.5 to 46.0%, preferably 38.0 to 44.0% Ni,
  • 18.5 to 26.0%, preferably 19.0 to 24.0% Cr,
  • 1.0 to 4.0%, preferably 2.0 to 3.5% Mo,
  • 1.0 to 4.0%, preferably 1.0 to 3.0% Cu,
  • 1.35 to 2.60% Ti,
  • Rest essentially Fe and
  • manufacturing-related impurities.

Eine derartige Legierung weist weiters eine Permeabilität unter 1,010 auf, womit sie als amagnetisch bezeichnet werden kann.Such an alloy also has a permeability below 1.010, with which it can be described as non-magnetic.

Nach einer Abwandlung ist weiters vorgesehen, daß die erfin- dungsgemäße Knetlegierung auch bis 0,7 %, vorzugsweise bis 0,5 % Al und/oder 0,3 bis 1,2 % vorzugsweise 0,5 bis 1,2 % Nb/Ta enthält.After a modification, it is further provided that the wrought alloy according to the invention also up to 0.7%, preferably up to 0.5% Al and / or 0.3 to 1, 2%, preferably 0.5 to 1.2% Nb / Ta.

Unter Bezugnahme auf den Aluminiumgehalt wird darauf verwiesen, daß geringe, meistens in der Größenordnung von einigen Hunders-el-Prozent liegende Gehalte dieses Legierungselementes oft herstellungsbedingt vorhanden sind, weshalb ein als Legierungszusatz zu wertender Anteil jedenfalls dann vorliegt, wenn ein Prozentanteil von 0,2 % Al in der Legierungszusammensetzung überschritten ist.With reference to the aluminum content, reference is made to the fact that low contents of this alloy element, usually in the order of a few Hunders-el percent, are often present due to production, which is why a proportion to be regarded as an alloy additive is present when a percentage of 0.2 % Al in the alloy composition is exceeded.

Dem alternativ eingeräumten Zusatz von Al kommt insbesondere die Bedeutung zu, daß es sich beim Erschmelzen der Legierung erübrigt, auf eine kritische Einstellung dieses Legierungsbestandteiles hinsichtlich einer einzuhaltenden Höchstmenge etwa bei der Desoxidation Bedacht nehmen zu müssen.The alternatively added addition of Al is of particular importance that, when the alloy melts, there is no need to consider critical setting of this alloy component with regard to a maximum amount to be observed, for example during deoxidation.

Die Abwandlung mit Bezug auf einen Zusatz von Nb/Ta erbringt eine kornfeinernoe Wirkung, die sich positiv auf die 0,2 %-Dehngrenze auswirkt.The modification with regard to the addition of Nb / Ta produces a grain-fine effect, which has a positive effect on the 0.2% proof stress.

Wie schon eingangs erwähnt, liegt die Bedeutung des neuen Werkstoffes, insbesondere in der Möglichkeit, durch eine Wärmebehandlung eine beträchtliche Festigkeitssteigerung erreichen zu können. Die Erfindung umfaßt auch die wärmebehandelte Legierung. Ein bevorzugtes Verfahren zur Wärmebehandlung dieser Nickel-Knetlegierung ist dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Lösungsglühen im Temperaturbereich von 980 - 1170 °C mit einer Haltezeit von zumindest 5 min zur Erzielung einer weiteren Festigkeitssteigerung eine Einstellung der Temperatur auf 650 - 800 °C, vorzugsweise auf 680 - 770 °C, während eines Zeitraumes von 3 bis 20 h, vorzugsweise von 6 bis 16 h, vorgenommen wird.As already mentioned at the beginning, the importance of the new material lies in particular in the possibility of being able to achieve a considerable increase in strength through heat treatment. The invention also includes the heat-treated alloy. A preferred method for the heat treatment of this wrought nickel alloy is characterized in that after solution annealing in the temperature range from 980-1170 ° C. with a holding time of at least 5 minutes in order to achieve a further increase in strength, the temperature is preferably set to 650-800 ° C. 680 - 770 ° C, is carried out for a period of 3 to 20 h, preferably from 6 to 16 h.

Es gelingt so, eine Erhöhung der Zugfestigkeit bis auf über 1.000 N/mm2 und der 0,2 %-Dehngrenze auf 800 N/mm2 zu erreichen.It is possible to increase the tensile strength up to over 1,000 N / mm 2 and the 0.2% proof stress to 800 N / mm 2 .

Eine weitere Steigerung dieser mechanischen Kennwerte ist gemäß einem weiteren Verfahrensmerkmal noch dadurch erzielbar, daß nach dem Lösungsglühen noch eine Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von 5 bis 15 % zwischengeschaltet wird.According to a further feature of the method, a further increase in these mechanical parameters can still be achieved in that, after solution annealing, a cold deformation with a degree of deformation of 5 to 15% is interposed.

Es hat sich nämlich unerwarteterweise gezeigt, daß dadurch der festigkeitssteigernde Effekt der Wärmebehandlung verbessert wird, weil eine noch feinere Verteilung der an den Korngrenzen ausgeschiedenen Partikel damit erreicht wird. Während in diesem Falle eine Abkühlung auf Raumtemperatur nach dem Lösungsglühen zwingend vorgenommen werden muß, kann ansonsten die festigkeitssteigernde Erwärmung gegebenenfalls auch ohne eine solche Abkühlung, also unmittelbar aus dem Temperaturbereich vom Lösungsglühen, vorgenommen werden.It has been shown, unexpectedly, that the strength-increasing effect of the heat treatment is improved because an even finer distribution of the particles separated out at the grain boundaries is thereby achieved. While in this case cooling to room temperature is mandatory after solution annealing, the strength-increasing heating can also be carried out without such cooling, that is, directly from the temperature range of solution annealing.

Die Erfindung bezieht sich weiters auf die Verwendung der Legierung als Werkstoff für amagnetische Teile, z.B. Gehäuseteile, Bohrstangenteile u.dgl., insbesondere für die Erschließung und/oder Förderung von gasförmigen und/oder flüssigen fossilen Brennstoffen. Es war durchaus überrasc -ind, daß mit dem erhöhten Zusatz von Titan neben der möglichen Steigerung der Festigkeitswerte auch eine Permeabilität erreicht wird, die es erlaubt, diesen Werkstoff für derartige Bauteile anzuwenden, wobei gleichzeitig die niedrige Spannungsrißkorrosionsanfälligkeit diesen Werkstoff für den Einsatz in der Bohr- und Fördertechnik, z.B. als amagnetische Schwerstangen oder auch als Gehäuse für entsprechende Magnetmeßvorrichtungen u.dgl., hervorragend geeignet ist.The invention further relates to the use of the alloy as a material for non-magnetic parts, such as housing parts, etc. Bohrstan g fleeth., Particularly for opening up and / or extracting gaseous and / or liquid fossil fuels. It was quite surprising that with the increased addition of titanium, in addition to the possible increase in strength values, a permeability is also achieved which allows this material to be used for such components, while the low susceptibility to stress corrosion cracking makes this material suitable for use in drilling and conveyor technology, for example as non-magnetic collars or as a housing for corresponding magnetic measuring devices and the like, is outstandingly suitable.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen im Vergleich mit der Basislegierung (Schmelze Nr. 1) näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in comparison with the base alloy (melt No. 1).

In der Tabelle ist die Zusammensetzung von elf Versuchsschmelzen derjenigen von Schmelze Nr. 1 gegenübergestellt, wobei die erfindungsgemäßen Legierungen, beginnend mit Schmelze Nr. 2 sich insbesondere durch einen jeweils steigenden Titan-Gehalt unterscheiden.In the table, the composition of eleven test melts is compared to that of melt no. 1, the alloys according to the invention, beginning with melt no. 2, differing in particular from an increasing titanium content.

Alle Proben wurden in gleicher Weise einer Wärmebehandlung gemäß dem Verfahrensanspruch 3 unterzogen, und zwar nach einem Lösungsglühen bei 1150 °C mit einer Haltezeit von 30 min, Abkühlung (durch Abschrecken in Wasser) auf RT und Aushärtung während zwölf Stunden bei 740 °C, wonach langsam an ruhender Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wurde.

Figure imgb0001
In den Schaubildern 1 und 2 sind die von den einzelnen Proben ermittelten Werte der Zugfestigkeit bzw. der 0,2%-Dehngrenze in Relation zum Titangehalt dargestellt, und es zeigt sich, daß die Vergleichsprobe (Schmelze Nr. 1) mit 1,12 % Ti im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Schmelzen 2 - 12 praktisch keine auf die Wärmebehandlung zurückgehende Festigkeitssteigerung erkennen läßt.All samples were subjected in the same way to a heat treatment according to method claim 3, namely after solution annealing at 1150 ° C with a holding time of 30 min, cooling (by quenching in water) to RT and curing for 12 hours at 740 ° C, after which was slowly cooled to room temperature in still air.
Figure imgb0001
 Diagrams 1 and 2 show the tensile strength and the 0.2% proof stress values determined from the individual samples in relation to the titanium content, and it can be seen that the comparative sample (melt No. 1) with 1.12% In contrast to the melts 2 to 12 according to the invention, Ti shows practically no increase in strength due to the heat treatment.

Um auch noch den Einfluß der Aushärtetemperatur auf die Erhöhung der 0,2 %-Dehngrenze aufzuzeigen, sind in Figur 3 die bei verschiedenen Aushärtetemperaturen erzielten Werte für die Schmelzen 1, 3, 7 und 12 sowie die Ausgar,swerte im lösungsgeglühten Zustand angegeben; man ersieht daraus, daß im bevorzugten Temperaturbereich von 680 - 770 °C die besten Ergebnisse erhalten wurden.In order to show the influence of the curing temperature on the increase of the 0.2% proof stress, the values for the melts 1, 3, 7 and 12 and the cooking values in the solution-annealed state are given in FIG. 3 at different curing temperatures; it can be seen that the best results were obtained in the preferred temperature range of 680-770 ° C.

Wie der Figur 4 zu entnehmen, sinkt die Permeabilität mit steigendem Titangehalt, wobei ca. ab einem Titangehalt von 1,2 % die Permeabilität unter 1,01 zu liegen kommt, sodaß hier ein technisch als amagnetisch zu bezeichnender Werkstoff vorliegt.As can be seen from FIG. 4, the permeability decreases with increasing titanium content, the permeability coming below approximately 1.01 from a titanium content of 1.2%, so that here there is a material that can be technically designated as non-magnetic.

Claims (5)

1. Nickel-Knetlegierung mit den Legierungsbestandteilen C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti und Fe, dadurch gekennzeichnet, daß sie max. 0,1 % C, max. 1 %, vorzugsweise max. 0,6 % Si, max. 1,5 %, vorzugsweise max. 1,2 % Mn, 36,5 bis 46,0 %, vorzugsweise 38,0 bis 44,0 % Ni, 18,5 bis 26,0 %, vorzugsweise 19,0 bis 24,0 % Cr, 1,0 bis 4,0 %, vorzugsweise 2,0 bis 3,5 % Mo, 1,0 bis 4,0 %, vorzugsweise 1,0 bis 3,0 % Cu, 1,35 bis 2,60 % Ti, Rest im wesentlichen Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen. aufweist. 1. Wrought nickel alloy with the alloy components C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ti and Fe, characterized in that they Max. 0.1% C, Max. 1%, preferably max. 0.6% Si, Max. 1.5%, preferably max. 1.2% Mn, 36.5 to 46.0%, preferably 38.0 to 44.0% Ni, 18.5 to 26.0%, preferably 19.0 to 24.0% Cr, 1.0 to 4.0%, preferably 2.0 to 3.5% Mo, 1.0 to 4.0%, preferably 1.0 to 3.0% Cu, 1.35 to 2.60% Ti, Rest essentially Fe and manufacturing-related impurities. having. 2. Nickel-Knetlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis 0,7 %, vorzugsweise bis 0,5 % Al und/oder 0,3 bis 1,2 %, vorzugsweise 0,5 bis 1,2 % Nb/Ta enthält.2. Wrought nickel alloy according to claim 1, characterized in that it contains up to 0.7%, preferably up to 0.5% Al and / or 0.3 to 1.2%, preferably 0.5 to 1.2% Nb / Ta contains. 3. Verfahren zur Wärmebehandlung der Nickel-Knetlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Lösungsglühen im Temperaturbereich von 980 - 1170 °C mit einer Haltezeit von zumindest 5 min zur Erzielung einer Festigkeitssteigerung eine Einstellung der Temperatur auf 650 - 800 °C, vorzugsweise auf 680 - 770 °C, während eines Zeitraumes von 3 bis 20 h, vorzugsweise von 6 bis 16 h, vorgenommen wird.3. A method for heat treatment of the wrought nickel alloy according to claim 1 or 2, characterized in that after solution annealing in the temperature range of 980-1170 ° C with a holding time of at least 5 minutes to achieve an increase in strength, an adjustment of the temperature to 650-800 ° C, preferably to 680-770 ° C, over a period of 3 to 20 h, preferably from 6 to 16 h. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Lösungsglühen eine Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von 5 bis 15 % zwischengeschaltet wird.4. The method according to claim 3, characterized in that after solution annealing, a cold working with a degree of deformation of 5 to 15% is interposed. 5. Verwendung einer Legierung nach einem cer Ansprüche 1 bis 4 als Werkstoff für amagnetische Teile, z.B. Gehäuseteile, Bohrstrangteile u.dgl., insbesondere für die Erschließung und/oder Förderung von gasförmigen und/oder flüssigen fossilen Brennstoffen.5. Use of an alloy according to a cer claims 1 to 4 as a material for non-magnetic parts, e.g. Housing parts, drill string parts and the like, in particular for the development and / or extraction of gaseous and / or liquid fossil fuels.
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