NO139405B - Motordrevet sag med sirkelblad. - Google Patents

Description

Sveisbar varme- og sigemotstandsdyktig nikkel-krom-kobolt -

titan-aluminium-legering.

Varme- og sigemotstandsdyktige nikkel-krom-kobolt-legeringer, som inneholder titan og aluminium for å tilveiebringe en utfellbar fase av Ni3(Ti,Al)-typen, og som også innholder molybden, er alminne-lig kjent. I legeringer av denne type viser det seg imidlertid at duktiliteten avtar med økende temperaturer og har i alminnelighet et minimum i temperaturområdet

700—850°C. Disse legeringer kan sveises i form av tynne plater som ikke overskrider en tykkelse av 3 mm under milde forhold og uten belastning eller påkjenning, men duktiliteten av de sveisete sammen-føyninger avtar i en ennå større utstrek-ning i dette temperaturområde og forlen-gelsen av de sveisete sammenføyninger ved høytemperaturstrekkforsøk kan falle under det i praksis ønskete minimum av 5 eller 7 pst. For å avhjelpe dette tap av duktilitet har det hittil vært nødvendig å anvende høytemperaturs-varmebehandlinger etter sveisningen. Vanskeligheten ved å fabrikere komponenter ved sveisning er særlig stor når legeringene er i plateform og anvendes for å fremstille arbeidsdeler eller komponenter som. jet-rør for gass-turbinmotorer i fly, da komponentene ved de høye temperaturer som må brukes for varmebehandlingene, har en tendens til å bryte itu eller endre sin form. Videre er det ofte vanskelig eller umulig å anvende en etter-sveisevarmebehandling når komponentene repareres under bruk ved forhold hvor varmebehandlingshjelpemidler i

stor målestokk ikke er tilgjengelige. Med tykkere seksjoner og under mer alvorlige forhold med hensyn til belastning og temperatur, slik som foreligger i SIGMA-prosessen, (argon-beskyttet forbrukbar elek-trode), har sveisning hittil vist seg fullstendig ubrukbar i praksis.

Et formål ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe varme- og sigemotstandsdyktige legeringer, som er i besittelse av forbedret sveisbarhet og som for en stor del bibeholder styrken og duktiliteten etter sveisning med en enkel etter-sveise-varmebehandling eller endog uten noen slik behandling.

Den vanlige praksis ved fremstilling av nikkel-krom-kobolt-legeringer er å smelte legeringen i luft og å desoxydere smeiten ved tilsetning av ett av eller begge elemen-tene magnesium og kalsium, og små mengder av disse elementer, f. eks. 0,008 til 0,012 pst., forblir i legeringen etter stivningen.

Vi har nu overraskende nok funnet at endog disse små prosentmengder av magnesium og kalsium har den virkning at de bevirker både sprekking av sveisemetallet og også at legeringene når de sveises blir svekket og sprø, og i henhold til et trekk ved oppfinnelsen skal derfor det totale innhold av disse elementer holdes under 0,005 pst., og fortrinnsvis under 0,004 pst. eller endog under 0,003 pst.

For å holde kalsium- og magnesium-innholdet på dette meget lave nivå skal rå-materialene som anvendes og særlig eventuelt avfall som anvendes for" pånysmelt-ning, utvelges meget omhyggelig. På den annen side er tilstedeværelsen av spormengder av kalsium eller magnesium eller begge nødvendig for å hindre dannelsen av oxydfilmer i støpebarrene og i sveisemetallet og herav følgende ikke feilfrie sveise-steder. Det er imidlertid nesten uunngåelig at slike spormengder, f. eks. 0,0005 til 0,001 pst., vil bli innført i legeringen fra rå-materialene, så i alminnelighet er det ikke nødvendig å utføre noen tilsiktet tilføring av disse elementer. Eventuelt kan imidlertid foretas ytterligere tilsetninger av kalsium eller magnesium under smeltningen, f. eks. som kalsiumsilicid eller nikkel-magnesium.

For å sikre at legeringene er sveisbare i tykke seksjoner og også har en høy styrke og duktilitet ved høye temperaturer, både i selve legefingsmetallet og i sveisesonen. må innholdet av de andre legeringsbestand-deler også reguleres innenfor snevre grenser, og legeringer i henhold til oppfinnelsen inneholder foruten de ovennevnte mengder kalsium eller magnesium eller begge, fra 0,04 til 0,1 pst. carbon, fra 18 til 22 pst. krom, fra 10 til 20 pst. kobolt, fra 3 til 5,5 pst. molybden, fra 2 til 2,75 pst. titan, fra 0,75 til 1,3 pst. aluminium — totalinn-holdet av titan og aluminium skal være fra 2,75 til 3,5 og forholdet mellom titan og aluminium fra 1,75 til 2,8 fra 0,001 til 0,004 pst. bor og fra 0,002 til 0,1 pst. zirkonium, og resten utgjøres av nikkel. Legeringene kan også inneholde fra 0 til 0,5 pst. silisium, fra 0 til 1 pst. mangan og fra 0 til 5 pst. jern uten noen alvorlig innvirkning på legeringenes egenskaper.

Carboninnholdet i legeringene skal være så lavt som mulig for å oppnå optimal sigemotstahdsevne. På deri annen side er fioe carbon av vesentlig betydning for å sikre duktilitet i sveisestedehe. I praksis har vi funnet at det oppnåes et tilfreds-stillende kompromiss mellom disse mot-stridende krav ved et carboninnhold fra 0,05 til 0,08 pst.

Kobolt tjener til å gjøre legerihgsmas-sen stivere og øke legeringenes sigemot-standsevne ved høye temperaturer. For optimal duktilitet skal koboltinnholdet ikké overskride 15 pst., og ved over 20 pst. kobolt har oxydasjonsmotstandsevnen en tendens til å falle.

Hovedtilsetriingene for å styrke legeringene er titan og aluminium. Den styr-kende effekt økes med progressive tilsetninger av disse elementer, men strekk-duktiliteteri av legeringene ved høye temperaturer reduseres på samme tid og tapet av duktilitetet er mer alvorlig i sveisesonen enn i selve legeringsmetallet. Totalinnhol-det av disse elementer må derfor begrenses til å ligge innenfor det snevre område 2,75 til 3,5 pst., og fortrinnsvis skal det ikke overskride 3,1 pst. Dessuten må Ti/Al-forholdet være innenfor området 1,75 til 2,8. Virkningen ved en økning av Ti/Al-forholdet ved et bestemt (Ti+Al)-innhold er at duktiliteten økes: hvis forholdet er for lavt, vil duktiliteten være utilfredsstillende, men hvis det er for høyt, vil det kunne dannes en sprø fase.

Bor og zirkonium bidrar begge til sigemotstandsevnen og duktiliteten av legeringene ved høye temperaturer. Det tillatelige område for borinnholdet er imidlertid over-ordentlig snevert, da det overraskende nok har vist seg at mengden av bor som kan være til stede hvis legeringene skal være sveisbare, er meget liten. Hvis borinnholdet således overskrider 0,004 pst., har legeringen en tendens til å sprekke ved sveisning, særlig i tykke seksjoner, f. eks. slike som er større enn 4 mm. For å sikre at maksi-iriuihinnholdet av 0,004 pst. ikke overskri-des, må man ta slike forholdsregler at ut-føringen i ovnen som brukes for smeiten, er fri for bor. Den ønskete tilsetning fremstilles da fortrinnsvis i form av én legering som inneholder en liten mengde bor, f. eks. en legering som inneholder 4 pst. bor og 96 pst. nikkel, hvilket gir en nesten kvan-titativ utnyttelse av boret.

Hvis det er til stede mer enn 0,1 pst. zirkonium, blir det nesten umulig å sveise legeringene uten sprekkdannelser, selv véd seksjoner som er mindre enn ca. 5 mm tykke.

Molybden ér særlig viktig for legerin-geriés egenskaper, da vi har funnet at hvis molybden ikke er til stede, sprekker legeringene ved sveisning i tykke seksjoner Under belastede forhold, selv om de inneholder kalsium, magnesium, bor og zirkonium innenfor de angitte områder. En mo-lybdenfri legering som inneholder 0,002 pst. Ca, 0,002 pst. Mg, 0,004 pst. B og 0,06 pst. Zr som forøvrig var innenfor sammensetnings-området for foreliggende oppfinnelse, opp-viste således en alvorlig sprekkdannelse hår det ble fremstilt en butt-sVeis mellom to 16 mm tykke plater under belastning ved SIGMA-prosessen. På den annen side kan det i molybdenfrié legeringer, hvor bor og zirkonium heller ikke er til stede, tåles meget større innhold av kalsium og magnesium, f. eks. 0,02 pst., uten at det oppstår sprekkdannelse i lignende sveiser, men styrken av disse legeringer er lavere enn hvis bor og zirkonium er til stede1.

Foruten å gi en forbedret sveisbarhet i nærvær av bor og zirkonium øker molybden legeringenes styrke, målt ved deres spennings-brudd-levetider, i en grad som mah ellers bare kunne oppnå ved å øke titan- og aluminiuminnholdet i en slik ut-strekning at dette ville resultere i en alvorlig nedsettelse av duktiliteten ved høye temperaturer.

For å oppnå disse fordeler må minst 3 pst. molybden være til stede, men da økende mengder av molybden innvirker uheldig på legeringenes korrosjonsmot-standsevne, skal innholdet ikke overskride 5,5 pst. Vi har funnet at optimumsmengden er 4,0 til 4,5 pst. Molybdenet kan helt eller delvis erstattes av en tilsvarende atomprosent wolfram. Under praktiske forhold er silisium, mangan og jern i alminnelighet til stede som forurensninger, og disse elementer tilsettes ikke med hensikt til smeiten. For å oppnå de beste sveiseegen-skaper begrenses silisiuminnholdet fortrinnsvis til mindre enn 0,3 pst.

Legeringene skal være mest mulig fri for andre sporelementer som kan innvirke uheldig på deres høytemperaturduktilitet, og for å fjerne disse elementer og for å sikre den størst mulige renhet skal legeringene smeltes og fortrinnsvis også støpes under vakuum. For å oppnå den størst mulige styrke og duktilitet av sveiser som fremstilles i legeringene, skal legeringene holdes under vakuum i smeltet tilstand i noen tid når smeltningen er fullstendig. Oppholdstiden er fortrinnsvis minst 10 minutter, f. eks. 10 til 30 minutter, ved en temperatur av minst 1500°C og under et trykk ikke overskridende 0,5 mm Hg.

For å utvikle optimale egenskaper må legeringene varmebehandles ved oppløs-nings-opphetning ved 1050 til 1150°C og derpå luftkjøles. Varigheten av opphetnin-gen beror på seksjonsstørrelsen og kan væ-re fra 2 til 30 minutter for seksjoner opp til 5 mm og fra 2 til 8 timer for tykkere seksjoner. Denne behandling skal etter-følges av eldning ved 650 til 850 °C i 2 til 16 timer. Hvis legeringene skal sveises, skal de oppløsnings-opphetes før sveiseproses-sen utføres, men eldningen før sveisningen er unødvendig. Etter sveisningen er en ytterligere varmebehandling i alminnelighet nødvendig, men når det kreves en mak-simumsstyrke, kan det være ønskelig å ut-føre en eldningsbehandling etter sveisningen bestående av opphetning i 2 til 16 timer ved 650 til 900°C, fortrinnsvis i den høyere del av dette tempera turområdet.

Som eksempel ble det fremstilt fire legeringer med de i tabell 1 angitte sam-mensetninger (som vektsprosent). Legering nr. 1 var i overensstemmelse med oppfinnelsen, mens legeringene 2, 3 og 4 ikke var det.

Alle fire legeringer ble fremstilt fra rå-materialer uten noen tilsetning av avfall. Legering nr. 1 ble smeltet under vakuum, holdt i smeltet tilstand i 40 minutter ved et trykk av 0,001 mm Hg ved en minimums-temperatur av 1500°C, og derpå støpt under vakuum. Legeringene nr. 2, 3 og 4 ble smeltet i luft, overført til vakuumovnen og holdt i 30 minutter i smeltet tilstand ved 1520 til 1580°C under et trykk av 0,3 mm Hg, og derpå støpt i luft.

Støpte barrer av legeringene ble over-ført til plater med en tykkelse av 1,2 mm

ved smiing og varmvalsing og oppløsnings-opphetning. Legering nr. 1 ble opphetet i 8 minutter ved 1150°C og legeringene nr. 2, 3 og 4 i 5 minutter ved 1150°C. Prøvestyk-kene ble prøvet på spennings-brudd under en belastning av 26,7 kg/mm.2. Deler av de varmebehandlete plater ble derpå butt-sveiset uten fyllmateriale ved argonlys-bueprosessen og eldet i 4 timer ved 750 °C og derpå påny undersøkt under de samme forhold, og belastningen var transversal til sveisen. Resultatene av disse forsøk er vist i tabell 2.

Strekkprøver på ligende usveisete og sveisete prøvestykker ved 750°C, hvor belastningen også ble utført transversalt på sveisningen, ga resultater som er vist i tabell 3.

Resultatene i disse to tabeller viser at spenningsbrudd-egenskapene av legering nr. 1 i sveiset tilstand bare var noe dårligere enn egenskapene i usveiset tilstand, og at denne legering ble utsatt for et fall i strekk-brudd-fasthet og strekkstyrke av bare 2 pst. når den ble sveiset. I motsetning til dette oppviser alle de andre legeringer en utpreget dårligere spennings-brudd-levetid og strekkduktiliteter i den sveisete tilstand. Alle disse legeringer inneholdt mindre enn 0,001 pst. bor.

En sammenligning av egenskapene av legeringene nr. 2, 3 og 4 viser også virkningen av (Ti+Al)-innholdet. Spennings-brudd-egenskapene og strekkforlengelsen av legering nr. 3 som hadde et (Ti+Al) - innhold større enn 3,1 pst., ble ved sveisningen nedsatt i en meget større utstrek-ning enn egenskapene av legeringene nr. 2 og 4, som hadde et (Ti+Al)-innhold mindre enn 3,1 pst.

Legeringene nr. 1 og 2 ble også utsatt for termiske utmatningsforsøk under en belastning av 12,6 kg/mm2 og en maksi-mumstemperatur av 780°C. Under disse forhold hadde en sveiset og eldet prøve av legering nr. 1 en levetid før brudd av 4000 belastnings-vekslinger, mens en lignende prøve av legering nr. 2 ble utsatt for brudd bare etter 800 belastnings-vekslinger.

Legeringene i henhold til oppfinnelsen er særlig egnet for bruk i form av plater, men de kan også med fordel anvendes i andre smidde former. Særlig kan de anvendes ved fremstillingen av sammensatte sveisete strukturer, f. eks. platekomponen-ter med smidde avstivende elementer sveiset til dem.

Det skal sluttelig bemerkes at det fra fransk patentskrift 1 106 620 er kjent legeringer som har en viss likhet med legeringene i henhold til foreliggende oppfinnelse.

I henhold til dette patentskrift inneholder legeringene en eller begge av ele-mentene wolfram og bor i områdene 2 til 15 pst. wolfram og 0,001 til 0,05 pst. bor for å forbedre sigemotstandsevnen ved for-høyete temperaturer. Foreliggende opp-finnere har imidlertid overraskende nok funnet at bor også på en alvorlig måte re-duserer sveisbarheten av disse legeringer og at borinnholdet må begrenses til å ligge innenfor snevre grenser for å sikre at legeringene kan sveises. Den øvre grense for borinnholdet i de foreliggende legeringer er derfor 0.004 pst. Hovedmengden av de legeringer som er åpenbart eller fore-slått i Jessop-patentet, har et borinnhold som er meget større enn dette og disse legeringer vil det være meget vanskelig, om ikke helt umulig å sveise ved normale frem-gangsmåter som nu for tiden kan brukes, og de vil derfor være helt uegnet for de formål som foreliggende legeringer skal brukes til.

Et annet trekk ved foreliggende legeringer er at mens tilstedeværelsen av en ekstremt liten mengde av kalsium eller magnesium er av essentiell betydning, må det totale innhold av disse elementer ikke overskride 0,005 pst., ellers vil sveisbarheten av legeringene atter bli alvorlig re-dusert. På lignende måte er det med innholdet av zirkonium, som også er en essentiell bestanddel i legeringene, og ikke må overskride 0,1 pst.

I motsetning til dette angir Jessop-patentet at hvilke som helst av en eller flere av de kjente desoksyderende elementer, innbefattet kalsium, manesium og zirkonium, kan være til stede i en mengde opp til 3 pst.

Claims (6)

1. Sveisbar, varme- og sigemotstandsdyktig nikkel-krom-titan-aluminium-legering, karakterisert ved at den inneholder fra 18 til 22 pst. krom, fra 10 til 20 pst. kobolt, fra 3 til 5,5 pst. molybden, fra 0,04 til 0,1 pst. carbon, fra 2 til 2,75 pst. titan, fra 0,75 til 1,3 pst. aluminium — det totale innhold av titan og aluminium er fra 2,75 til 3,5 pst. og forholdet av titan til aluminium er fra 1,75 til 2,8 —, kalsium eller magnesium eller begge i en totalmeng-de ikke overskridende 0,005 pst., fra 0,001 til 0,004 pst. bor, fra 0,002 til 0,1 pst. zirkonium, fra 0 til 0,5 pst. silisium, fra 0 til 1 pst. mangan og fra 0 til 5 pst. jern, mens resten er nikkel.

2. Legering som angitt i påstand 1, karakterisert ved at det totale innhold av kalsium og magnesium ikke overskrider 0,003 pst.

3. Legering som angitt i påstand 1 eller 2, karakterisert ved at koboltinnholdet ikke overskrider 15 pst. og silisiuminnholdet ikke overskrider 0,3 pst.

4. Legering som angitt i en av de foregående påstander, karakterisert ved at molybden er helt eller delvis erstattet ved en tilsvarende atomprosent wolfram.

5. Legering som angitt i en av de foregående påstander, karakterisert ved at det totale innhold av titan og aluminium ikke overskrider 3,1 pst.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av sveisbare nikkel-krom-kobolt-titan-aluminium-legeringer, karakterisert ved at en legering av sammensetningen i henhold til påstand 1 vakuumsmeltes, holdes under vakuum i smeltet tilstand i minst 10 minutter ved en temperatur av minst 1500°C og ved et trykk ikke overskridende 0,5 mm Hg., støpes til barrer og barrene bearbeides til plater.