EP2047004B1 - Nickelbasislegierung - Google Patents

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EP2047004B1
EP2047004B1 EP07785601A EP07785601A EP2047004B1 EP 2047004 B1 EP2047004 B1 EP 2047004B1 EP 07785601 A EP07785601 A EP 07785601A EP 07785601 A EP07785601 A EP 07785601A EP 2047004 B1 EP2047004 B1 EP 2047004B1
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Jutta KLÖWER
Frank Scheide
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VDM Metals GmbH
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ThyssenKrupp VDM GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
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    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/058—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W

Definitions

  • the invention relates to a nickel-based alloy with silicon, aluminum and reactive elements as alloying constituents.
  • Nickel-base alloys are used inter alia to produce electrodes of ignition elements for internal combustion engines. At wear of such electrodes are two damage mechanisms to consider, namely the high temperature corrosion and spark erosion.
  • the wear caused by high-temperature corrosion can be determined by mass loss measurements as well as by metallographic investigations after aging at given test temperatures.
  • Spark erosion is a material burn caused by the spark. At each flashover, a limited volume of material is melted out of the electrodes and partially evaporated.
  • various alloying elements are known in nickel-based alloys.
  • aluminum has a positive effect on the oxide layer formation.
  • reactive elements can improve the adhesion of the forming oxide layer and then increase the lifetime.
  • a nickel alloy has been disclosed consisting of (in mass%) about 0.2 to 3% Si, about 0.5% or less Mn, at least two metals selected from the group consisting of about 0.2 to 3% Cr , about 0.2 to 3% Al and about 0.01 to 1% Y, balance nickel.
  • nickel-based alloy which contains (in mass%) 1.8 to 2.2% silicon, 0.05 to 0.1% yttrium and / or hafnium and / or zirconium, 2 to 2.4% aluminum, Rest has nickel.
  • Such alloys can be processed only in difficult conditions with respect to the high aluminum and silicon contents and are therefore not very suitable for large-scale industrial use.
  • the object of the subject invention is to provide a nickel-based alloy, by which an increase in the life of components made therefrom by increasing the spark erosion and oxidation resistance at the same time good formability and weldability can be brought about.
  • This goal is achieved by a nickel-based alloy containing (in% by mass) al 1.2 - ⁇ 2.0% Si 1.2 - ⁇ 1.8% C 0.001 - 0.1% S 0.001 - 0.1% Cr 0.03 - 0.1% Mn 0.03 - 0.1% Cu Max. 0.1% Fe 0.02 - 0.2% mg 0.005 - 0.06% pb Max. 0.005% Y 0.05-0.15% and Hf 0.05-0.10% or Y 0.05-0.15% and La 0.05-0.10% or Y 0.05-0.15% and Hf 0.05-0.10% and La 0.05-0.10% Ni Remainder and production-related impurities.
  • Nickel-based alloy with (in% by mass)
  • Nickel-based alloy with (in% by mass)
  • Nickel-based alloy with (in% by mass)
  • the nickel-based alloy according to the invention is preferably usable as a material for electrodes of spark plugs for gasoline engines.
  • an improvement in the lifetime of electrode materials can be achieved by increasing the resistance to spark erosion and oxidation while at the same time providing good formability and weldability become.
  • the element Mg is of particular importance for the setting of sulfur, so that it is possible to selectively set low sulfur contents in the nickel-based alloy according to the invention.
  • Preferred aluminum contents are (in% by mass) in the range of 1.2-1.5%.
  • Preferred silicon contents are (in mass%) in the range between 1.2 and 1.8%, in particular between 1.2 and 1.5%, while the preferred Mg content (in% by mass) is between 0.008 and 0, 05% is set.
  • Table 1 shows a comparison of four inventive laboratory batches in comparison with two related to the prior art large-scale batches.
  • the laboratory batch 1132 represents an example in which the reactive elements Y + Hf are given in the nickel-based alloy according to the invention.
  • Lab batch 1140 shows an example in which the reactive elements Y + La are present in the alloy of the invention.
  • the two comparative alloys show flaking at 900 ° C of the pre-built oxide layer. Although this also applies to the alloys according to the invention at 1,000 ° C., it does not apply to the same extent as in the case of the comparative alloys.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Nickelbasislegierung mit Silizium, Aluminium und reaktiven Elementen als Legierungsbestandteile.
  • Nickelbasislegierungen werden unter anderem dazu eingesetzt, Elektroden von Zündelementen für Verbrennungskraftmaschinen zu erzeugen. An Verschleiß derartiger Elektroden sind zwei Schadensmechanismen zu betrachten, nämlich die Hochtemperaturkorrosion und die Funkenerrosion.
  • Der Verschleiß durch Hochtemperaturkorrosion lässt sich durch Masseverlustmessungen sowie durch metallographische Untersuchungen nach Auslagerung bei vorgegebenen Prüftemperaturen bestimmen.
  • Funkenerrosion ist ein Materialabbrand, der durch den Zündfunken verursacht wird. Bei jedem Funkenüberschlag wird ein begrenztes Materialvolumen aus den Elektroden herausgeschmolzen und teilweise verdampft.
  • Für beide Schadensmechanismen ist die Art der Oxidschichtausbildung von besonderer Bedeutung.
  • Um eine optimale Oxidschichtausbildung für den konkreten Anwendungsfall zu erreichen, sind bei Nickelbasislegierungen verschiedene Legierungselemente bekannt. So wirkt sich zum Beispiel Aluminium positiv auf die Oxidschichtausbildung aus. Auch ist bekannt, dass reaktive Elemente die Haftung der sich ausbildenden Oxidschicht verbessern können und dann die Lebensdauer erhöhen.
  • Durch die GB-A 2031950 ist eine Nickellegierung bekannt geworden, bestehend aus (in Masse-%) etwa 0,2 bis 3 % Si, etwa 0,5 % oder weniger Mn, wenigstens zwei Metallen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus etwa 0,2 bis 3 % Cr, etwa 0,2 bis 3 % Al und etwa 0,01 bis 1 % Y, Rest Nickel.
  • In der DE-A 102 24 891 wird eine Legierung auf Nickelbasis vorgeschlagen, welche (in Masse-%) 1,8 bis 2,2 % Silizium, 0,05 bis 0,1 % Yttrium und/oder Hafnium und/oder Zirkonium, 2 bis 2,4 % Aluminium, Rest Nickel aufweist. Derartige Legierungen lassen sich bezüglich der hohen Aluminium- und Siliziumgehalte nur unter schwierigen Bedingungen bearbeiten und sind somit für den technischen Großeinsatz wenig geeignet.
  • Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es, eine Nickelbasislegierung bereitzustellen, durch welche eine Erhöhung der Lebensdauer von daraus hergestellten Bauteilen durch Erhöhung der Funkenerrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit und Schweißbarkeit herbeiführbar ist.
  • Dieses Ziel wird erreicht durch eine Nickelbasislegierung, beinhaltend (in Masse-%)
    Al 1,2 - < 2,0 %
    Si 1,2 - < 1,8 %
    C 0,001 - 0,1 %
    S 0,001 - 0,1 %
    Cr 0,03 - 0,1 %
    Mn 0,03 - 0,1 %
    Cu max. 0,1 %
    Fe 0,02 - 0,2 %
    Mg 0,005 - 0,06 %
    Pb max. 0,005 %
    Y 0,05 - 0,15 % und Hf 0,05 - 0,10 % oder
    Y 0,05 - 0,15 % und La 0,05 - 0,10 % oder
    Y 0,05 - 0,15 % und Hf 0,05 - 0,10 % und La 0,05 - 0,10 %
    Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  • Bevorzugte alternative Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen wie folgt zu entnehmen.
    • Nickelbasislegierung mit (in Masse-%)
  • Al 1,2 - < 2,0 %
    Si 1,2 - < 1,8 %
    C 0,001 - 0,05 %
    S 0,001 - 0,05 %
    Cr 0,03 - 0,1 %
    Mn 0,03 - 0,1 %
    Cu max. 0,1 %
    Fe 0,02 - 0,2 %
    Mg 0,005 bis 0,06 %
    Pb max. 0,005 %
    Y 0,10 - 0,15 % und Hf 0,05 - 0,10 %
    Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
    • Nickelbasislegierung mit (in Masse-%)
  • Al 1,2 - < 2,0
    Si 1,2 - < 1,8%
    C 0,001 - 0,05 %
    S 0,001 - 0,05 %
    Cr 0,03 - 0,1 %
    Mn 0,03-0,1 %
    Cu max. 0,1 %
    Fe 0,02- 0,2 %
    Mg 0,005 - 0,06 %
    Pb max. 0,005 %
    Y 0,10 - 0,15 % und La 0,05 bis 0,10 %
    Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
    • Nickelbasislegierung mit (in Masse-%)
  • Al 1,2 - < 2,0
    Si 1,2 - < 1,8 %
    C 0,001 - 0,05 %
    S 0,001 - 0,05 %
    Cr 0,03 - 0,1 %
    Mn 0,03 - 0,1 %
    Cu max. 0,1 %
    Fe 0,02 - 0,2 %
    Mg 0,005 - 0,06 %
    Pb max. 0,005 %
    Y 0,10 - 0,15 % und Hf 0,05 bis 0,10 % und La 0,05 - 0,10 %.
  • Bezüglich der reaktiven Elemente sind somit drei Varianten denkbar, nämlich
    Y + Hf,
    Y + La sowie
    Y + Hf + La.
  • Die erfindungsgemäße Nickelbasislegierung ist bevorzugt einsetzbar als Werkstoff für Elektroden von Zündkerzen für Benzinmotoren.
  • Durch gezielte Einstellung einerseits der Elemente Al, Si, Cr, Mn, Mg und andererseits der reaktiven Elemente Y, Hf, La in ihren jeweiligen Kombinationen kann eine Verbesserung der Lebensdauer von Elektrodenwerkstoffen durch Erhöhung der Funkenerrosions- und Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit und Schweißbarkeit herbeigeführt werden.
  • Dem Element Mg kommt bezüglich der Abbindung von Schwefel eine besondere Bedeutung zu, so dass hier gezielt geringe Schwefelgehalte in der erfindungsgemäßen Nickelbasislegierung eingestellt werden können.
  • Bevorzugte Aluminiumgehalte werden (in Masse-%) gesehen im Bereich von 1,2 - 1,5 %.
  • Bevorzugte Siliziumgehalte werden (in Masse-%) gesehen im Bereich zwischen 1,2 und 1,8 %, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5 %, während der bevorzugte Mg-Gehalt (in Masse-%) zwischen 0,008 und 0,05 % eingestellt wird.
  • Tabelle 1 zeigt als Gegenüberstellung vier erfindungsgemäße Laborchargen im Vergleich mit zwei dem Stand der Technik zugehörigen großtechnischen Chargen.
  • Die Laborcharge 1132 stellt ein Beispiel dar, bei welchem die reaktiven Elemente Y + Hf in der erfindungsgemäßen Nickelbasislegierung gegeben sind.
  • Die Laborcharge 1140 zeigt ein Beispiel, bei welchem die reaktiven Elemente Y + La in der erfindungsgemäßen Legierung vorhanden sind.
  • Die Laborchargen 1141 und 1142 offenbaren Beispiele, bei welchen als reaktive Elemente Y + La + Hf in der erfindungsgemäßen Nickelbasislegierung eingestellt wurden.
    Element LB 1132 LB 1140 LB 1141 LB 1142 NiCr2MnSi NiAI1Si1Y
    Ni 96,83 96,91 96,89 96,79 96,24 97,56
    Si 1,47 1,36 1,36 1,42 0,49 0,96
    Al 1,38 1,43 1,44 1,40 0,02 0,98
    Zr
    Y 0,15 0,12 0,14 0,13 0,17
    Hf 0,08 0,078 0,073
    La 0,09 0,096 0,096
    Ti 0,1 0,01 0,01
    C 0,002 0,006 0,004 0,003 0,003 0,03
    S 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002
    Co 0,04 0,05
    Cu 0,01 0,01
    Cr 0,04 0,03 0,06 0,04 1,57 0,01
    Zr 0,01
    Mg 0,02 0,03 0,01 0,03 0,02 0,04
    Mn 0,06 0,03 0,03 0,06 1,48 0,02
    Fe 0,03 0,03 0,03 0,04 0,08 0,13
    Pb 0,001 0,001
    Die Figuren 1 und 2 zeigen für die Legierungen gemäß Tabelle 1 Masseverlustuntersuchungen bei Temperaturen von einerseits 900° C und andererseits 1.000° C.
  • Die beiden Vergleichslegierungen zeigen bereits bei 900°C Abplatzungen der vorab aufgebauten Oxidschicht. Bei 1.000°C trifft dies zwar auch auf die erfindungsgemäßen Legierungen zu, nicht jedoch in gleichem Umfang, wie bei den Vergleichslegierungen.

Claims (11)

  1. Nickelbasislegierung, bestehend aus (in Masse-%) Al 1,2 - < 2,0 % Si 1,2 - < 1,8 % C 0,001 - 0,1 % S 0,001 - 0,1 % Cr 0,03 - 0,1 % Mn 0,03 - 0,1 % Cu max. 0,1 % Fe 0,02 - 0,2 % Mg 0,005 - 0,06 % Pb max. 0,005 % Y 0,05 - 0,15 % und Hf 0,05 - 0,10 % oder Y 0,05 - 0,15 % und La 0,05 - 0,10 % oder Y 0,05 - 0,15 % und Hf 0,05 - 0,10 % und La 0,05 - 0,10 % Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, beinhaltend (in Masse-%) Al 1,2 - < 2,0 % Si 1,2 - < 1,8 % C 0,001 - 0,05 % S 0,001 - 0,05 % Cr 0,03 - 0,1 % Mn 0,03 - 0,1 % Cu max. 0,1 % Fe 0,02 - 0,2 % Mg 0,005 bis 0,06 % Pb max. 0,005 % Y 0,10 - 0,15 % und Hf 0, 05 - 0,10 % Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  3. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, beinhaltend (in Masse-%) Al 1,2 - < 2,0 Si 1,2 - < 1,8 % C 0,001 - 0,05 % S 0,001 - 0,05 % Cr 0,03 - 0,1 % Mn 0,03 - 0,1 % Cu max. 0,1 % Fe 0,02- 0,2 % Mg 0,005 - 0,06 % Pb max. 0,005 % Y 0,10-0,15 % und La 0,05 bis 0,10 % Ni Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  4. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, beinhaltend (in Masse-%) Al 1,2 - < 2,0 Si 1,2 - < 1,8 % C 0,001 - 0,05 % S 0,001 - 0,05 % Cr 0,03 - 0,1 % Mn 0,03 - 0,1 % Cu max. 0,1 % Fe 0,02 - 0,2 % Mg 0,005 - 0,06 % Pb max. 0,005 % Y 0,10 - 0,15 % und Hf 0,05 bis 0,10 % und La 0,05 - 0,10 %.
  5. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Gehalt (in Masse-%) Al 1,2 -1,5 % Si 1,2 - 1,5 %.
  6. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Gehalt (in Masse-%) Mg 0,008 - 0,05 %.
  7. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gehalt (in Masse-%) Y+Hf 0,11 - 0,18 %.
  8. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gehalt (in Masse-%) Y+La 0,11 - 0,18 %
  9. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Gehalt (in Masse-%) Y+Hf+La 0,18 - 0,22 %
  10. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Gehalt (in Masse-%) Y+Mg 0,11 - 0,13 %.
  11. Verwendung der Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Elektrodenwerkstoff für Zündelemente von Verbrennungskraftmaschinen.
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