WO2007087786A1 - Eisen-nickel-kobalt-legierung - Google Patents

Eisen-nickel-kobalt-legierung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the use of an iron-nickel-cobalt alloy.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • tools for the production of such components tools (forms) are required in which the viscous resin carbon fiber scrim is cured at a temperature of about 180 ° C.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • carbon fiber textiles are placed in the mold, the mold is evacuated and then the resin is injected into the mold. After curing at about 180 0 C, the component is removed from the tool.
  • the materials used for these forms is either C-steels or an alloy having a low expansion coefficient (iron with 36% nickel, Ni36) is used, which typically has an average thermal expansion coefficient between 1, 6 and 2.5 x 10 "6 K '1.
  • the invention is therefore based on the object to provide an alloy for these forms, with said difficulties can be overcome easily.
  • the Ni content can be set in ranges of 32 to 34.5, if necessary also 32.5 to 33.5%.
  • a preferred alloy is characterized by the following composition (in
  • Another advantageous alloy to use is characterized by the following chemical composition (in mass%):
  • the molds are machined as a milled part from thermoformed (forged or rolled) or cast solid material and then annealed.
  • the alloy can also be used in the form of wire material, in particular as a welding additive in the production of the mold.
  • the alloy can be used as a molded component, in particular for the production of CFRP fittings with the RTM technology.
  • Other aircraft components, which are also made of lightweight CFRP, can also be produced with components of the proposed alloy.
  • components made from shapes of this alloy can be easily removed, since the thermal shrinkage of the mold after the curing process is lower.
  • the component can be removed so that it will fulfill its function without reworking.
  • Table 1 lists exemplary chemical compositions for iron-nickel-cobalt alloys according to the invention (E1, E2, E3, E4, E5, E6) in comparison to other investigated iron-nickel-cobalt alloys (T1, U1). Element (%) i E1 E2 E3 E4 E5 E6
  • the alloys according to the invention E1-E3 and E6 reach thermal expansion coefficient in the range of 1, 5- ⁇ 2.0x10 "-6 / K in the temperature range of 20-200 ° C.
  • the alloys E4 and E5 according to the invention achieve an even lower expansion coefficient of about 1.3 ⁇ 10 -6 / K in the temperature range from 20 to 200 ° C., so that a combination of increased strength and simultaneously low thermal expansion was achieved with the alloys E4 and E5 ,

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Abstract

Verwendung einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung im CFK-Formbau mit (in Masse %) Ni 30 bis 35 % Co 3 bis 6 % AI 0,001 bis 0,1 % Mn 0,005 bis 0,5 % Si 0,005 bis 0,5 % C max. 0,1 % Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 200°C einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten < 2,0 x 10-6/K aufweist.

Description

Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisen-Nickei-Kobalt-Legierung.
In zunehmendem Maße werden Bauteile auch für sicherheitsrelevante Produkte, wie im Flugzeugbau, aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen (CFK) hergestellt. Für die Produktion derartiger Bauteile werden Werkzeuge (Formen) benötigt, in denen das viskose Harz-Kohlefaser-Gelege bei einer Temperatur von ca. 180°C ausgehärtet wird. Beim sog. RTM (Resin Transfer Molding) - Verfahren werden Kohlefasertextilien in die Form eingelegt, die Form evakuiert und anschließend das Harz in die Form injiziert. Nach dem Aushärten bei ca. 1800C wird das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen. Als Werkstoffe kommen für diese Formen entweder C-Stähle oder eine Legierung mit geringem Ausdehnungskoeffizient (Eisen mit 36% Nickel, Ni36) zum Einsatz, die typischerweise einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 1 ,6 und 2,5 x 10"6 K"1 hat.
Der Einsatz dieser RTM-Formen ist mit Schwierigkeiten und einem erheblichen Aufwand verbunden, da sich nach dem Aushärten das Bauteil schwer aus der Form wieder zu lösen ist und zusätzlich das Bauteil aufwändigen Nacharbeiten unterzogen werden muss, damit es den Ansprüchen an seine Funktion gerecht werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, für diese Formen eine Legierung bereitzustellen, mit der genannte Schwierigkeiten einfach überwunden werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Eisen-Nickel-Kobalt- Legierung im CFK-Formbau mit (in Masse %) Ni 30 bis 35 % Co 3 bis 6 % AI 0,001 bis 0,1 % Mn 0,005 bis 0,5 % Si 0,005 bis 0,5 %
C max. 0,1 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten < 2,0 x 10"6/K aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Je nach Anwendungsbereich kann der Ni-Gehalt in Bereiche von 32 bis 34,5, bedarfsweise auch 32,5 bis 33,5 % eingestellt werden.
Eine bevorzugte Legierung zeichnet sich durch folgende Zusammensetzung (in
Masse %) aus:
Ni 32,5 bis 34,5 %
Co > 3,0 bis 5,5 %
AI 0,001 bis 0,5 %
Mn 0,005 bis 0,1 %
Si 0,005 bis 0,1 %
C 0,005 bis 0,05 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1 ,5 x 10"6/K aufweist.
An Begleitelementen in der zu verwendenden Legierung können vorteilhafter Weise nachstehende Elemente mit folgenden Max.-Gehalten vorgesehen werden: Cr max. 0,1 % Mo max. 0,1 % Cu max. 0,1 % Ti max. 0,1 % Mg max. 0,005 % B max. 0,005 % N max.0,006 %
O max.0,003 %
S max.0,005 %
P max.0,008 %
Ca max.0,005 %
Zr max.0,05 %.
Eine weitere vorteilhaft einzusetzende Legierung zeichnet sich durch folgende chemische Zusammensetzung (in Masse %) aus:
Ni 32,5 bis 34,5 %
Co > 3,5 bis < 4,5 %
Mo max. 0,05 %
Cr max. 0,05 %
C max. 0,009 %
Mn max. 0,04 %
Si max. 0,03 %
S max. 0,003 %
N max. 0,004 %
Ti max. 0,01 %
Cu max. 0,05 %
P max. 0,005 %
AI 0,001 bis 0,05 %
Mg max. 0,0008 %
Ca max. 0,001 %
Zr max. 0,03 %
O max. 0,006 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1 ,3 x 10~6/K aufweist. Vorteilhafterweise werden die Formen als Frästeil aus warmgeformtem (geschmiedetem oder gewalztem) oder gegossenem Massivmaterial herausgearbeitet und anschließend geglüht. Auch kann die Legierung in Form von Drahtmaterial, insbesondere als Schweißzusatzstoff bei der Herstellung der Form eingesetzt werden.
Ein bevorzugter Anwendungsfall für die Legierung wird im Flugzeugbau gesehen, wobei die Legierung als Formbauteil, insbesondere zur Erzeugung von CFK- Beschlägen mit der RTM-Technologie, eingesetzt werden kann. Andere Flugzeugbauteile, die ebenso in CFK-Leichtbauweise ausgeführt werden, können mit Bauteilen aus der vorgeschlagenen Legierung ebenfalls erzeugt werden.
Gegenüber bisher zum Einsatz gelangenden Legierungen auf Basis von Ni 36 können Bauteile aus Formen dieser Legierung leicht entnommen werden, da die thermische Schrumpfung der Form nach dem Aushärtungsvorgang geringer ist. Durch eine geeignete Konstruktion der Form kann das Bauteil so entnommen werden, dass es seiner Funktion ohne Nacharbeiten gerecht wird.
Durch die einfachere Entnahme des Bauteils aus der Form wird außerdem die Lebensdauer der Form erhöht, da keine scharfkantigen Werkzeuge zum Einsatz kommen müssen, um das Bauteil aus der Form zu lösen
In der Tabelle 1 sind beispielhafte chemische Zusammensetzungen für erfindungsgemäße Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen (E1 , E2, E3, E4, E5, E6) im Vergleich zu weiteren untersuchten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen (T1 , U1 ) aufgelistet. Element (%) i E1 E2 E3 E4 E5 E6
C 0,002 0,047 0,002 0,008 0,002 0,036
S 0,0023 0,0009 0,0006 0,0015 0,0004 0,0011
N 0,001 0,001 0,001 0,001
Cr 0,02 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 0,01
Ni 34,20 34,25 32,75 32,80 32,80 32,55
Mn <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Si 0,07 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Mo 0,01 0,02 0,01 0,01 0,05
Ti <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Cu 0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
P 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002
Al 0,004 0,007 0,001 0,005 0,005 0,014
Mg 0,0004 0,0003 0,0003 0,0003 0,0002 0,0003
Ca 0,0004 <0,001 0,0006 0,0006 0,0007 <0,001
Co 3,1 3,1 3,38 3,9 4,45 4,9
Fe Rest Rest Rest Rest Rest Rest
Element (%) i T1 U1
C 0,004 0,002
S 0,0008 0,0025
N 0,001
Cr 0,01 0,02
Ni 35,50 34,20
Mn 0,03 <0,01
Si 0,04 0,11
Mo 0,09
Ti <0,01 <0,01
Cu 0,05 0,01
P 0,002 0,003
AI 0,011 0,010
Mg 0,0006 0,0005
Ca 0,0002 0,0003
Co 1 ,44 2,3
Fe Rest Rest
Die erfindungsgemäßen Legierungen E1-E3 sowie E6 erreichen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 1 ,5-< 2,0x10"6/K im Temperaturbereich von 20-200° C. Die erfindungsgemäßen Legierungen E4 und E5 erzielen einen noch niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten von etwa 1 ,3 x 10"6/K im Temperaturbereich von 20 und 2000C, so dass mit den Legierungen E4 und E5 eine Kombination von gesteigerter Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeausdehnung erreicht wurde.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung im CFK-Formbau mit (in Masse %) Ni 30 bis 35 % Co 3 bis 6 % AI 0,001 bis 0,1 % Mn 0,005 bis 0,5 % Si 0,005 bis 0,5 % C max. 0,1 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten < 2,0 x 10'6/K aufweist.
2 Verwendung nach Anspruch 1 mit einem Ni-Gehalt von (in Masse %) 32,0 bis 34,5 %.
3. Verwendung nach Anspruch 1 mit einem Ni-Gehalt von (in Masse %) 32,5 bis 33,5 %.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Masse %) aus:
Ni 32,5 bis 34,5 %
Co > 3,0 bis 5,5 %
AI 0,001 bis 0,5 %
Mn 0,005 bis 0,1 %
Si 0,005 bis 0,1 %
C 0,005 bis 0,05 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1 ,5 x 10"6/K aufweist.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Max.- Gehalten an Begleitelementen (in Masse %)
Cr max. 0,1 %
Mo max. 0,1 %
Cu max. 0,1 %
Ti max. 0,1 %
Mg max. 0,005 %
B max. 0,005 %
N max. 0,006 %
O max. 0,003 %
S max. 0,005 %
P max. 0,008 %
Ca max. 0,005 %
Zr max. 0,05 % .
6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgender Zusammensetzung (in Masse %)
Ni 32,5 bis 33,5 %
Co > 3,5 bis < 4,5 %
Mo max. 0,05 %
Cr max. 0,05 %
C max. 0,009 %
Mn max. 0,04 %
Si max. 0,03 %
S max. 0,003 %
N max. 0,004 %
Ti max. 0,01 %
Cu max. 0,05 %
P max. 0,005 %
AI 0,001 bis 0,05 %
Mg max. 0,0008 % Ca max. 0,003 %
Zr max. 0,05 %
O max. 0,005 %
Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen, wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20 bis 2000C einen mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1 ,3 x 10"6/K aufweist.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bedarfsweise zusätzlich enthaltend (in Masse %) Nb in Gehalten 0,001 bis 0,1 %.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei großformatige Halbzeuge in Blech-, Band- oder Rohrmaterial eingesetzt werden.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Draht, insbesondere in Form eines Schweißzusatzwerkstoffes, eingesetzt wird.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Formbauteil zur Erzeugung von Flugzeugbauteilen aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Schmiedeteile.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Gussbauteile.
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