CH287292A

CH287292A - Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen aus hitzebeständigen Legierungen.

Info

Publication number: CH287292A
Authority: CH
Inventors: Limited Rolls-Royce
Original assignee: Rolls Royce
Priority date: 1949-02-17
Filing date: 1950-02-16
Publication date: 1952-11-30
Also published as: CH303563A

Description


  Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen aus hitzebeständigen Legierungen.    Die     Erfindung    betrifft ein Verfahren zur  Herstellung von Maschinenteilen aus hitze  beständigen     Chrom-Nickel-Legierungen.     



  Als hitzebeständige Legierungen kommen  zum Beispiel in Betracht: Legierungen auf       der        Basis        (die        mindestens        50%        der        Legierung     beträgt) von Nickel oder Nickel plus Kobalt       (wobei        Kobalt        nicht        über        40%        der        Legierung     beträgt) mit einem     CTehalt    an Chrom bis zu       45%,

          welche        Legierungen        zu        einer        Ausschei-          dungshärtungsbehandlung    geeignet sind, da  sie eines oder mehrere der Elemente     1Tolvil-          dän,    Wolfram, Eisen, Mangan, Aluminium,       Vanadium,    Titan,     Niob,    Silicium und Kohlen  stoff enthalten, und wobei Kohlenstoff zu  nicht mehr als 10/0, weder Titan noch     Silicium          zu        mehr        als        :

  5        %        und        keines        der        andern        Zusatz-          elemente    zu mehr als<B>2514</B> und von allen     Zu-          satzelementen        zusammen        weniger        als        -10%        vor-          handen    sind.

   Ausser den oben genannten Ele  menten und unwesentlichen Verunreinigungen  können die beispielsweise erwähnten Legie  rungen noch geringe Mengen von Stickstoff,  Magnesium, Kupfer,     Caleium    und seltenen  Erdmetallen (einschliesslich Mischmetall), wo  von jedes einzelne Element aber nicht mehr       als        1%        und        alle        diese        Elemente        nicht        mehr     als insgesamt     31/o    betragen, enthalten.  



  Den Fachleuten ist. eine Reihe von Legie  rungen bekannt, die in den oben genannten  Rahmen passen und die einer     sogenannten       Lösungsbehandlung bei Temperaturen von  1050 bis 1200  C und einer     Ausseheidungshär-          tungsbehandl.ung    bei Temperaturen zwischen  700 und $00  C unterworfen werden.  



  Bei Verwendung von aus solchen hitze  beständigen Legierungen hergestellten Ma  schinenteilen wird als wünschenswerte Eigen  schaft eine hohe Kriechfestigkeit verlangt, und  die Lösungsbehandlung. sowie die     Ausschei-          dungshärtungsbehandlung,    wie sie oben ange  führt wurden, sind so geleitet worden, dass  diese wünschenswerte     Eigenschaft    erhalten  wurde. Ein typischer Verwendungszweck sol  cher Legierungen liegt in der Herstellung von  Teilen von Verbrennungsgasturbinen, die  hohem Druck bei     hoher    Temperatur ausgesetzt  sind. wobei die Eigenschaft des Kriechvermö  gens von überragender Bedeutung ist.  



  Es wurde gefunden, dass die Härtung, die  durch Kaltverformung eintritt, besonders  wenn diese Kaltverformung zwischen der Lö  sungsbehandlung und der     Ausseheidungshär-          tungsbehandlung    erfolgt, der Kriechfestigkeit  sehr abträglich ist.  



  Dies wird durch den Vergleich in der nach  folgenden Tabelle A an Hand von Versuchen  an     -Mustern    einer typischen Legierung der be  schriebenen Art in folgender Zusammenset  zung veranschaulicht: Chrom     201/o,    Kobalt       20%,        Molybdän        611/o,        Titan        21/204,        Alumi-          nium        1"/o,    und Nickel als Rest.

      
EMI0002.0001     
  
    Lösungs- <SEP> Kaltverformung <SEP> Ausscheidungs- <SEP> Stunden <SEP> bis <SEP> Versuchs  behandlung <SEP> härtungsbehandlung <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> bedingungen
<tb>  Zeit <SEP> Temperatur <SEP> e <SEP> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Belastung <SEP> Temperatur
<tb>  <B>Std.</B> <SEP> ^ <SEP> <B>C</B> <SEP> @c <SEP> <B>Std.</B> <SEP> c <SEP> <B>C</B> <SEP> in <SEP> kg; <SEP> cm= <SEP> e <SEP> C
<tb>  6 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 90-<B>1</B>20 <SEP> 2360 <SEP> 815
<tb>  6 <SEP> 1150 <SEP> 20 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 15- <SEP> 30 <SEP> 2360 <SEP> 815       Die in der Tabelle A angegebene prozentuale  Kaltverformung wird als prozentuale Redu  zierung in einem durchschnittlichen Quer  schnitt bezeichnet.

   Die     Diamant-Pyramiden-          härte        der        11luster        vor        und        nach        der        20%igen     Kaltverformung war 270 bzw. 480.  



  Es ist bekannt, dass die maschinelle Bear  beitung, insbesondere das Walzen oder Schlei  fen, zu einer Härtung der Oberfläche des fer  tigen Maschinenteils führt. Es     wurde    zum  Beispiel gefunden, dass die Oberflächenhärte  eines maschinell bearbeiteten Maschinenteils  aus einer typischen Legierung 450 bis 500   betragen kann, während die Härte des Ker  nes nur 270 bis 300  beträgt. Solche Versuche  haben auch gezeigt, dass die gehärtete Ober  flächenschicht bis zu einer Tiefe von 0,3556  bis 0,4064 mm, bestimmt durch die Ermitt  lung der Gitterverzerrung, und bis zu einer  Tiefe von 0,2540 mm, bestimmt durch die Dia  manthärteprobe, eindringen kann.

   Diese     Ober-          flächenhärte        kann        durch        eine        20%ige        Kaltver-          formung    erzeugt werden. So können auf nor  male Weise hergestellte Maschinenteile, wie  Turbinenschaufeln, eine Oberflächenschicht  mit stark verminderter Kriechfestigkeit auf  weisen, wie dies in Tabelle A veranschaulicht  ist, und bei Turbinenschaufeln mit dünnen  Kanten kann der Effekt im Bereich der Kan  ten sich durch die ganze Dicke der Schaufeln  auswirken.  



  Das     erfindungsgemässe    Verfahren zur Her  stellung von Maschinenteilen aus hitzebestän  digen     Chrom-Nickel-Legierungen    ist dadurch  gekennzeichnet, dass     a)    die Legierung bei er  höhter Temperatur verformt, b) der Formkör  per einer     Lösungsbehandlung    während 5 bis  7:0 Stunden bei 1050 bis 1200  C, c) einer ma  schinellen Bearbeitung zur fertigen Grösse,    wobei eine Härtung der Oberfläche erfolgt,  d) einer     Wärmebehandlung    bis zu 1 Stunde  bei 850 bis 1050  C, und e) einer     Ausschei-          dungshärtungsbehandlung    während 10 bis 20  Stunden bei 700 bis 800  C unterworfen wird.  



  Es wurde festgestellt, dass es vorteilhaft  ist, bei der Behandlung nach d) nur so lange  zu erhitzen, als notwendig ist, um die Ober  fläche des Maschinenteils auf die gewünschte  Temperatur zu bringen, z. B. etwa 30 Sekun  den, was durch Induktionsheizung erreicht  werden kann. Bei Ofenheizung kann eine Zeit  spanne von<B>10</B> Minuten bis 1 Stunde als geeig  net angesehen werden. Die     Wärmebehandlung     des fertigen Maschinenteils nach Stufe d) er  folgt     zweckmässigerweise    derart., dass keine  unerwünschte Verbiegung oder     Oxydation    er  folgt, und die schädliche Oberflächenhärtung,  die durch die maschinelle Bearbeitung ent  steht, beseitigt wird.  



  Im Schweizer Patent Nr. 284504 wird ein  Verfahren beansprucht., bei welchem eine Lö  sungsbehandlung während 5 bis 10 Stunden  bei 1050 bis 1200  C stattfindet, auf die ein  spezieller     Kornverfeinerungsprozess    folgt. Bei  diesem Verfahren wird die Verformung des       1Haschinenteils    in der Wärme unterbrochen,       vorzugsweise        wenn        75        bis        95        %        der        Formung     in der     'Wärme    ausgeführt sind,

   worauf die  Lösungsbehandlung und der     Kornverfeine-          rungsprozess,    bestehend aus dem Rest der Ver  formung in der Wärme und einer Erhitzung  des Maschinenteils während 5 Minuten bis  1 Stunde bei 850 bis     1050     C folgt.  



  Es hat sieh als vorteilhaft erwiesen, bei  der Ausführung des vorliegenden Verfahrens  gewisse Operationen des Verfahrens des  Schweizer Patentes Nr. 284504 ebenfalls aus  zuführen, besonders wenn eine     Temperatur         von mehr als 1100  C für die Lösungsbehand  lung angewendet wird.

   In diesem Falle wird  die     Verformung    der Legierung in der     Wärme     (Stufe     u        hiervor)    unterbrochen, vorzugsweise       wenn        sie        zu        75        bis        95        %        ausgeführt        ist,        und     nach der Lösungsbehandlung (Stufe     h)    ver  vollständigt.

   Es ist dann möglich, zur maschi  nellen Bearbeitung (Stufe c) zu Sehreiten, in       welellein    Falle die kurzfristige     Wärmebehand-          lung    (Stufe d)     aueli    zur     Kornverfeinerung     dient. Man kann aber auch eine     Kornverfei-          nerungs-Wärinebehandlung    bis zu 1 Stunde  bei 850 bis     10:50     C     vor    der maschinellen Be  arbeitung (Stufe c) ausführen, wenn die  nachfolgende kurze Warmbehandlung (Stufe  d) von der     Kornverfeinerungs-Wärmebehand-          lung    getrennt wird.  



  Im ersteren Falle, in welchem eine kurze       Wärmebehandlung    nach der maschinellen     Be-          arbeitun-    sowohl die Funktion der     Kornver-          feinerun,    als auch der Verminderung der  Oberflächenhärte übernimmt, sollte die    Wärmebehandlung (Stufe d) mindestens     51Ii-          nuten    dauern.

   Die Erfindung ist insbesondere       anwendbar    auf Legierungen, die als härtende  Elemente     Molybdä.n,        Aluminium    und Titan  enthalten, wie sie im Schweizer Patent 275503  beschrieben sind, nämlich auf Legierungen  auf der Basis von Nickel, Kobalt und Chrom,       enthaltend:

          10        bis        40%        Kobalt,        10        bis        301/o          Chrom,    ?     bis        18%        Molybdän,        0.2        bis        8,6%        Alu-          ininium,        0,2        bis        -1,.1%        Titan,

          wobei        die        Summe     des     llol-,#-bdängehaltes,    des doppelten     Aluini-          niumgehalt.es    und des vierfachen     Titangehal-          tes        in        Prozenten        insgesamt        16        bis        20%        ergibt.     



  Eine vorzugsweise kurze Wärmebehand  lung nach der maschinellen Bearbeitung für  diese Legierungen erfolgt bis zu 1 Stunde bei  950 bis 1050<B>0</B> C.  



  Zur Erläuterung der Erfindung gibt die  Tabelle B     Versnehsresultate    von einer dieser       tt-pisehen    Legierungen mit der bevorzugten  kurzfristigen     Wärmebehandlung    an.  
EMI0003.0076     
  
    <I>Tabelle <SEP> B</I>
<tb>  kurzfristige <SEP> Ausscheidungs- <SEP> Std
<tb>  Versuch <SEP> Lösungs- <SEP> Kalt- <SEP> Wärme- <SEP> härtungs- <SEP> . <SEP> bis <SEP> Versuchs  behandlung <SEP> Bearbeitung <SEP> <U>Behandlung <SEP> Behandlung</U> <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Bedingungen
<tb>  <B>Zeit <SEP> Temperatur</B> <SEP> ". <SEP> <B>Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Belastung <SEP> Temperatur</B>
<tb>  Std. <SEP> . <SEP> C <SEP> Std. <SEP> O <SEP> C <SEP> Std.

   <SEP> @ <SEP> C <SEP> in <SEP> kg, <SEP> 'cm= <SEP> 0 <SEP> C
<tb>  A <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 97 <SEP> 2360 <SEP> 815
<tb>  B <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 30 <SEP> 2360 <SEP> 815
<tb>  C <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 20 <SEP> 1 <SEP> 1000 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 95 <SEP> 2360 <SEP> 815
<tb>  D <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 20 <SEP> 1/2 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 121 <SEP> 2350 <SEP> 815       Die Bedeutung der Anwendung der kurzfristi  gen     Wärmebehandlung    geht aus dieser Tabelle  klar hervor.  



  So hat der     Versueli    A ein Muster     geseliaf-          fen,    das eine hohe Kriechdauer     aufweist,    aber  nicht einer     Kaltbearbeitung    unterworfen  wurde.     Wird,    wie bei Versuch B, eine Kalt  bearbeitung ausgeführt., so wird die     Krieeli-          dauer    wesentlich vermindert.

   Bei C und D  ist die Kriechbeständigkeit wieder verbessert  worden, indem man. die     Kaltbearbeitung    mit  einem     nachfolgenden    kurzen     Wä.rrnebehand-          lung    ergänzte, wobei die Dauer derselben sich  nach der Temperatur richtete.

      Eine weitere typische Legierung, die für  (las erfindungsgemässe Verfahren in Betracht  kommt, hat folgende Zusammensetzung: 18       bis        \_'2%        Chrom,        2,2        bis        2,8%        Titan,        etwa          0,5%        Aluminium        und        Nickel        als        Rest,

          doch     kann in diesem Falle die kurze     Wärmebehand-          lung-    bei nur 850 bis 1000  C stattfinden.  



  Wie in. Tabelle B veranschaulicht.     wurde,     wird die Kriechfestigkeit der Legierung stark  herabgesetzt, wenn die     Legiertin-",    kalt bearbei  tet wird. Wie schon erwähnt,     entsteht.    bei der       inasehinellen    Bearbeitung, beispielsweise einer       Turbinenschaufel,    eine kaltbearbeitete     Ober-          fläehensehieht.    So ist es zu erklären, dass bei      normaler Herstellung die     Turbinenschaufeln     eine Oberflächenschicht von erheblich vermin  derter Kriechfestigkeit haben.

   Aus dieser Ver  minderung der Kriechfestigkeit beim durch  maschinelle Bearbeitung erhärteten     Oberflä-          chenschiehtbelag    können sich Risse in der  Oberfläche bilden. Diese Oberflächenrisse  sind zwar nicht von solcher Bedeutung, dass  ein Bruch bei Zugbeanspruchung     erfolgt,       doch wurde festgestellt, dass dadurch ein De  fekt durch Ermüdung     begünstigt    werden  kann.  



  Es wurde festgestellt, dass die Anwendung  einer kurzen     Wärmebehandlun        c    nach der ma  schinellen Fertigbearbeitung die Bearbei  tungshärtung der Oberfläche nach der Dar  stellung in     untenstehender    Tabelle C     beseitigt     
EMI0004.0010     
  
    <I>Tabelle <SEP> C</I>
<tb>  Beschaffenheit <SEP> der <SEP> Turbinenschaufel <SEP> Oberflächenhärte <SEP> Kernhärte
<tb>  bei <SEP> normaler <SEP> Maschinenbehandlung <SEP> 466 <SEP> 260
<tb>  bei <SEP> normaler <SEP> Maschinenbehandlung
<tb>  -I- <SEP> 1 <SEP> Std. <SEP> bei <SEP> 950 <SEP> 0 <SEP> C <SEP> 340 <SEP> 280
<tb>  bei <SEP> normaler <SEP> Maschinenbehandlung
<tb>  1/K <SEP> Std.

   <SEP> bei <SEP> 10000 <SEP> C <SEP> 280 <SEP> <B>2</B>80       Die mär     teziffern    beziehen sich auf     Diamant-Pyramidenhärte.

Claims

PATENTANTSPRUCH Verfahren zur Herstelhuig von Maschinen teilen aus hitzebeständigen Chrom-@Tickel- Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei erhöhter Temperatur verformt, der Formkörper einer Lösungsbehandlung während 5 bis 10 Stunden bei 1050 bis 1200 C,. einer maschinellen Bearbeitung zur fertigen Grösse, wobei eine Härtung der Oberfläche er folgt, einer Wärmebehandlung bis zu 1 Stunde bei 850 bis 1050 C und einer Ausscheidungs- härtungsbehandlung während 10 bis 20 Stun den bei 700 bis 800 C unterworfen wird. UNTERANSPRÜCHE: 1.

Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Warmverfor mung unterbrochen wird, wenn sie zu 75 bis 95 % ausgeführt ist, worauf die Lösungs- behandlung folgt und auf diese ein Kornver- feinerungsprozess, bestehend in der Voll endung der Warmverformung und einer Er hitzung des Maschinenteils bis zu 1 Stunde bei 850 bis 1050 C, worauf die maschinelle Bearbeitung zur fertigen Grösse,

die Wärme behandlung bis zu 1 Stunde bei 850 bis 1050 C und die Ausseheidungshärtimgsbe- handlung stattfinden. 2. Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die 'Warmverfor- mung unterbrochen wird, wenn sie zu 75 bis <B>9514</B> ausgeführt ist, worauf die Lösungs behandlung und auf diese die restliche Warm verformung erfolgen, wonach der Reihe nach die maschinelle Bearbeitung zur fertigen Grösse, die Wärmebehandlung bei 850 bis 1050 C während mindestens 5 Minuten und die Aisseb.eidungshärtungsbehandlung statt finden. 3.

Verfahren nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass eine Chrom-Nickel- Legierung verwendet wird, die 10 bis 40% Kobalt, 10 bis 301/o Chrom, 2 bis 18% Molyb- dän, 0,2 bis 8,61/o Aluminium und 0,2 bis 4,

4% Titan enthält, wobei die Summe des Molybdängehaltes, des doppelten Aluminium gehaltes und des vierfachen Titangehaltes in Prozenten insgesamt 16 bis 201/o ergibt und die nach der maschinellen Bearbeitung vor genommene Wär mebehandlung bis zu 1 Stunde bei einer Temperatur von 950 bis 1050 C er folgt. 4.

Verfahren nach Patentansprueli, da durch gekennzeichnet., dass eine Legierung fol gender Zusammensetzung verwendet wird: 18 bis 22% Chrom, 2,2 bis 2,81/o Titan, etwa 1/2% Aluminium, Rest Nickel,

wobei die nach der maschinellen Bearbeitung vorgenommene Wärmebehandlung bis zu 1 Stunde bei einer Temperatur von 850 bis 1000 C erfolgt.