-
Warmfeste Nickellegierung Die Erfindung betrifft warmfeste Nickellegierungen,
insbesondere Legierungen, die sich für Zwecke eignen, bei denen sehr gute Bruchdehnungseigenschaften
bei hohen Temperaturen erforderlich sind.
-
Der Bedarf an warmfesten Legierungen, die erhöhten Beanspruchungen
widerstehen und eine längere Lebensdauer haben, steigt ständig. Dank der Forschung
und Entwicklung in den letzten Jahren zeigen viele handelsübliche Legierungen ein
außergewöhnlich gutes Verhalten bei viel höheren Temperaturen als die vor einem
Jahrzehnt hergestellten Legierungen. Die heutigen Verbesserungen werden in kleineren
Schritten vorgenommen. Beispielsweise wird eine Erhöhung der Wärmebeständigkeit
einer Legierung um nur 14 bis 28° C heute von Verbrauchern und Herstellern der in
Frage kommenden Legierung als ein großer Erfolg angesehen.
-
Einige warmfeste Legierungen haben ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit,
andere haben eine außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit oder sehr gute
Dauerstandsfestigkeit und Bruchdehnung. Ganz allgemein hat jede Legierung eine oder
zwei spezielle Eigenschaften, die hervorragend sind, während sie in anderer Hinsicht
Mängel aufweist. Diese Situation ist zwar ungünstig, wird jedoch von den meisten
Verarbeitern anerkannt, die diese Beschränkungen hinnehmen. Beispielsweise haben
gewisse Nickellegierungen die gewünschte Bruchdehnung und Zugfestigkeit, jedoch
keine ausreichende Schlagfestigkeit und/oder Duktilität. Andere Legierungen ähnlicher
Art haben zwar annehmbare Schlagfestigkeit und Duktilität, erfüllen jedoch nicht
die Forderungen von Verarbeitern und Verbrauchern auf dem Gebiet der warmfesten
Legierungen in bezug auf Bruchdehnung und Zugfestigkeit.
-
Als Beispiel sei eine Legierung genannt, die 5 bis "01/o Chrom, 5
bis 151/o Molybdän und 4,5 bis 64/o Aluminium, Rest im wesentlichen Nickel, enthält.
Die Festigkeit dieser Legierung ist so hoch, daß sie eine Belastung von etwa 3515
kg/cm2 100 Stunden bei 816° C, von 1919 kg/em2 1000 Stunden bei 816°
C, von 668 kg/cm2 100 Stunden bei 982° C und von nahezu 352 kg/cm2 1000 Stunden
bei 982° C aushält. Jedoch erfüllen die Duktilität und die Stoßfestigkeit dieser
Legierung bei Temperaturen bis zu 1038° C nicht einmal die Mindesterfordernisse
für gewisse Zwecke, z. B. für Gasturbinenteile. Eine andere Nickellegierung, die
18 bis 221/o Chrom; 8 bis 101/o Molybdän, 2 bis 3% Titan, 0,5 bis 20/0 Aluminium,
Rest im wesentlichen Nickel, enthält, hat eine gute Temperaturwechselbeständigkeit
und ausreichende Festigkeit für einige Verwendungszwecke, ist jedoch bei Temperaturen
bis zu 1038° C völlig ungeeignet, wenn gleichzeitig Duktilität und Schlagfestigkeit
gefordert werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist eine Legierung mit höherer Zugfestigkeit,
Bruchdehnung und Dauerstandsfestigkeit als die zur Zeit verwendeten Legierungen
und einer solchen Duktilität und Schlagfestigkeit, daß sie für die verschiedensten
Zwecke bei Temperaturen oberhalb der zur Zeit erreichbaren Betriebstemperaturen
bis zu etwa 1038° C verwendet werden kann. Die Legierung gemäß der Erfindung hat
eine hohe Oxydationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Sie kann unter scharfen
Beanspruchungen verwendet und mit verhältnismäßig niedrigen Kosten hergestellt werden.
Ihre Bestandteile sind leicht als Rohstoffe erhältlich.
-
Die vorstehend genannten Eigenschaften weist eine Nickellegierung
auf; die aus 10 bis 20 Gewichtsprozent Chrom, 4 bis 74/o Molybdän, 6 bis 8,5% Aluminium,
0,01 bis 0,15% Bor, 0,01 bis 0,500/0 Zirkonium, Rest im wesentlichen Nickel, besteht,
Mangan und Silicium können in der Legierung in Mengen bis zu je 1,00% vorliegen.
Kohlenstoff kann in Mengen bis zu 0,054/o, Eisen in Mengen bis zu 5,0% vorhanden
sein, und die Verunreinigungen Phosphor und Schwefel können in Mengen bis zu 0,030
bzw. 0,015 % vorliegen.
Die bevorzugten Bereiche der wesentlichen
Bestandteile dieser Legierung sind folgende: Chrom ............... 14 bis 16 % Molybdän
............ 4,25 bis 5,75% Aluminium ........... 6,40 bis 7,1011/o Bor .............
. .... 0,05 bis 0,12% Zirkonium ........... 0,1 bis 0,20"7o Nickel ...............
Rest Die bevorzugte Zusammensetzung der Legierung ist 15% Chrom, 5'% Molybdän, 6,711/o
Aluminium, 0,07% Bor, 0,10% Zirkonium, Rest Nickel.
-
Es wurde festgestellt, daß die richtige Einstellung des Zirkongehalts
die Duktilität und Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessert und Änderungen dieser
Eigenschaften sowohl in der gegossenen als auch der geschmiedeten Form auf ein Minimum
herabdrückt. In Abwesenheit von Zirkonium oder bei sehr niedrigem Zirkoniumgehalt
ist die Legierung verhältnismäßig spröde. Bei höherem Zirkoniumgehalt wird die Legierung
jedoch duktiler und kann geschmiedet werden. Zirkonium ist somit in dem vorgeschriebenen
Bereich ein wesentlicher Bestandteil der Legierung gemäß der Erfindung.
-
Der Chromgehalt muß im Bereich von 10 bis 20 % gehalten werden und
beträgt vorzugsweise 150/0, um das Aluminium in der Verleihung der Oxydationsbeständigkeit
zu ergänzen. Chromgehalte über 20% würden die Nickelmenge verringern, die zur Bildung
von intermetallischen Nickel- Aluminium-Verbindungen, die hauptsächlich die Warmfestigkeit
bedingen, verfügbar sind.
-
Molybdän wird als festigkeitserhöhendes Element zugesetzt, muß jedoch
zwischen 4 und 7 und vorzugsweise bei etwa 5% gehalten werden, da durch Molybdängehalte
oberhalb dieser Grenzen die Oxydationsbeständigkeit und Duktilität in unerwünschtem
Maße gesenkt werden. Molybdän erhöht ferner die Dichte und steigert die Kosten.
-
Eisen kann als Verunreinigung toleriert werden, darf jedoch in der
Legierung nicht in Mengen über 5% vorhanden sein, da es nicht zur Festigkeit beiträgt.
Oberhalb von 511/o wirkt Eisen als Verdünnungsmittel und verringert die zur Bildung
von intermetallischeni Verbindungen verfügbare Nickelmenge.
-
Es wurde festgestellt, daß Kohlenstoff nicht in Mengen über 0,05%
vorhanden sein darf, da er die Sprödigkeit bei Raumtemperatur verstärkt und die
Warmfestigkeit nicht erhöht.
-
Bor in Mengen über 0,15% verringert die Duktilität bei Raumtemperatur.
Als vorteilhaftester Borgehalt ergab sich ein Wert von etwa 0,07%.
-
Aluminium erhöht die Festigkeit von Nickellegierungen durch Bildung
einer intermetallischen Verbindung Ni jAl, die über die ganze Legierung verteilt
ist. Die Festigkeit der Nickellegierungen nimmt mit höher werdendem Aluminiumgehalt
bis zu 7,311/o zu. Bei Aluminiummengen über 7,3% pflegen diese Legierungen an Warmfestigkeit
zu verlieren, jedoch behalten sie ihre Festigkeit bei Raumtemperatur.
-
Die Legierung gemäß der Erfindung hat infolge der Kombination der
genannten Bestandteile in den angegebenen Bereichen bei Aluminiumgehalten über 6
bis zu 8,511/o eine ausgezeichnete Warmfestigkeit. Dies stellt eine unerwartete
Verbesserung gegenüber bekannten Legierungen dar. Die höheren Aluminiumgehalte in
Nickellegierungen bringen viele metallurgische Vorteile mit sich. Als Beispiele
seien erhöhte Festigkeit, erhöhte Oxydationsbeständigkeit, niedrigere Kosten und
niedrigere Dichte genannt.
-
In den Untersuchungen, die zur Erfindung der Legierung für Dauerbeanspruchung
zwischen 926 und 1038 C unter hohen Belastungen führte, wurde festgestellt, daß
einige gewöhnlich in Nickellegierungen enthaltenen Elemente, z. B. Titan, Niob und
Tontal, nicht nur keinen Vorteil für die Legierungen mit sich bringen, sondern in
einigen Fällen vielmehr die Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen verschlechtern
oder auf andere Weise die Legierung nachteilig beeinflussen.
-
Titan fehlt in der Legierung, da dieses Element die Löslichkeit des
Aluminiums in fester Form in der Matrix erhöht und dadurch die Menge der Ni.;AI-Ausscheidung
verringert. Die Verringerung des Ni3A1-Gehalts schwächt die Legierung, wie die Ergebnisse
einer Reihe von Versuchen mit einer Legierung folgender Zusammensetzung ergaben:
15 °,/c Chrom, 5% Molybdän, 6,6% Aluminium, 0,13% Bor, 0,1% Zirkon, 5 % Eisen, Rest
Nickel plus schwankender Titanmengen.
| Zeitstandverhalten |
| Ermittelt bei 927° C und 15,5 kg/mm'= |
| Titan, % Standzeit, Stunden |
| 0 127,5 |
| 0,38 19,4 |
| 0,39 30,6 |
| 0,88 46,9 |
Ein Gehalt an Niob ist ebenfalls in der Legierung zu vermeiden, und zwar nicht nur
wegen der Dichte und hohen Kosten des Niobs, sondern weil es auch die Duktilität
bei Raumtemperatur und hoher Temperatur verschlechtert, wie die nachstehenden Ergebnisse
von Versuchen mit einer Legierung folgender Zusammensetzung zeigen: 150/c Chrom,
6% Molybdän, 5,9% Aluminium, 0,12% Bor, 0,1% Zirkonium, 511/o Eisen, bis zu 2% Niob,
Rest im wesentlichen Nickel.
| Festigkeitswerte bei Raumtemperatur |
| Streckgrenze |
| geholt Zugfestigkeit (0,2o!o Dehnung Ein |
| Dehnung) schE rung |
| 0/0 kg/mm= kg'mm- 0,/0 0/0 |
| 0 92,8 78,0 6 13 |
| 2 91,4 84,46 3 7 |
| Zeitstandverhalten |
| Ermittelt bei 927° C und 15,5 kg/mm' |
| Niobgehalt Standzeit Dehnung Einschnürung |
| 0 Stunden 0'0 0/0 |
| 0 96,2 19 15 |
| 2 124,9 2 2 |
Zwar verbessert Niob leicht die Standzeit, jedoch wurde die Duktilität bis zu einem
Punkt verschlechtert,
bei dem die Legierung für schwere Beanspruchungen
im Temperaturbereich von 816 bis 1038° C praktisch unbrauchbar ist. Ohne Niob ist
die Legierung so duktil und geschmeidig, daß sie bei Temperaturen von etwa 1120°
C geschmiedet werden kann.
-
Die verbesserte Nickellegierung gemäß der Erfindung kann auf beliebige
Weise, z. B. im Lichtbogen oder durch Induktion, geschmolzen werden. Das Schmelzen
kann in normaler Atmosphäre erfolgen, jedoch lassen sich zusätzliche Vorteile durch
Schmelzen im Vakuum oder in einer Schutzatmosphäre aus Inertgas erzielen. Wärmebehandlungen
verbessern die Eigenschaften der Legierung, sind aber für die allgemeine Verwendung
der Legierung nicht wesentlich. Die Legierung läßt sich in der Form verwenden, wie
sie nach dem Gießen erhalten wird.
-
Die folgenden durchschnittlichen Eigenschaften wurden für geschmiedete
Proben der Legierung mit der bevorzugten Zusammensetzung nach halbstündiger Wärmebehandlung
bei 1.135° C und Kühlung an der Luft ermittelt:
| Eigenschaften des geschmiedeten Produkts |
| Festigkeitswerte bei Raumtemperatur |
| Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung Ein- |
| (0,217o Dehnung) schnürung |
| kg/mm2 kg/mm2 0/0 0/0 |
| 128,9 I 90,4 I 18,5 I 17,5 |
| Zeitstandverhalten bei 982° C und einer Belastung |
| von 11,25 kg/mm2 |
| Standzeit Dehnung Einschnürung |
| Stunden |
| °/o |
| °/o |
| 12 I 11,0 I 21,0 |
Das Zeitstandverhalten der gegossenen Legierung nach halbstündiger Wärmebehandlung
bei 1149° C und Kühlung an der Luft sind besonders hervorstechend. Die Legierung
hatte folgende Zusammensetzung: 1.5 0/a Chrom, 5% Molybdän, 6,71/o Aluminium, 0,07%
Bor, 0,1'% Zirkon, Rest Nickel.
| Durchschnittliche Zeitstandfestigkeit |
| 816° C 982° C |
| Standzeit Standzeit Standzeit Standzeit |
| 100 Stunden 1000 Stunden 100 Stunden 1000 Stunden |
| i |
| 38,7 kg/mm2 32,3 kg/mm21 12,3 kg/mm2 # 8,8 kg/mm2 |
Die durchschnittlichen Zugfestigkeitswerte dieser Legierung nach halbstündiger Wärmebehandlung
bei 1150° C und anschließender Luftkühlung sind folgende:
| Zugfestigkeitswerte |
| Streck- |
| Zug- grenze Ein- |
| Temperatur festigkeit (0,2 % Dehnung schnürung |
| Dehnung) |
| ° C kg/mm! kg/mm2 0/0 0/0 |
| Raum- |
| temperatur 87,9 80,0 5 11 |
| 538 85,8 72,0 5 11 |
| 649 81,2 65, 1 5 9 |
| 899 56,0 45,0 5 13 |
| 982 39,2 34,2 8 15 |
Die Kerbzähigkeitswerte nach C h a r p y wurden ebenfalls für die Legierung der
Erfindung nach Wärmebehandlung (30 Minuten bei 1149° C und Luftkühlung) bestimmt.
Die folgenden Ergebnisse stellen den Durchschnitt mehrerer Untersuchungen dar und
unterstreichen den hohen Grad der Schlagfestigkeit der Legierung bei Raumtemperatur
und hoher Temperatur.
| Prüftemperatur, ° C Schlagfestigkeit, m kg |
| Raumtemperatur 1,42 |
| 649 1,19 |
| 816 1,28 |
| 927 1,66 |
| 1038 2,07 |