NL8005465A - Legeringen op nikkelbasis, werkwijze voor de uitvoering van een hittebehandeling ervan alsmede de toepassing ervan in ovenelementen. - Google Patents

Description

ί,

N.O. 29.4OI

legeringen op nikkelbasis, werkwijze voor de uitvoering van een hittebehandeling ervan alsmede de toepassing ervan in oven-elementen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op tegen oxydatie bestandzijnde legeringen op nikkelbasis, in het bijzonder op Ni-Cr-Al-Y-legeringen, werkwijzen voor de hittebehandeling ervan voor toepassing als hulpovenelementen, componenten en dragersystemen 5 van ovens, die gebruikt worden bij de vervaardiging van keramische produkten.

In de techniek is een klasse superlegeringen bekend als NICRALY, welke legeringen chroom, aluminium en yttrium in een nikkelbasis bevatten. Legeringen van deze klasse zijn beschreven in vele 10 Amerikaanse octrooischriften en in het bijzonder in het Amerikaanse octrooischrift 3·754·902·

Bij de vervaardiging van gebruikelijke keramische produkten (veelal aardewerk genoemd), worden de keramische produkten, klei-soorten en andere niet-metallieke mineralen tezamen met verenigde 15 glazuren gewoonlijk driemaal tot verhoogde temperaturen verhit.

De uitdrukking "keramische produkten" (en aardewerk) zoals hier gebruikt omvat aardewerk, porselein, steen, glas, salpeterachtige glazuren en dergelijke produkten.

De drie baktrajecten omvatten: 20 1. "porseleinbakken" waarbij natuurlijke verontreinigingen verwijderd worden en waarbij de kleimengsels worden omgezet tot onomkeerbare chemische verbindingen. Baktemperaturen zijn gewoonlijk 1150-1220°C, 2. "glazuurbakken" waarbij de glanzende glazuurlaag gefixeerd 25 wordt op het keramische substraat bij temperaturen van ongeveer 1000 tot 1100°0 en 3. ."decoratiebewerking" gedurende welke decalcomania's, kleuren, met de hand aangebrachte verf of andere decoraties gefixeerd worden op het aardewerk. De temperatuurtrajecten voor deze 30 bewerkingen zijn gewoonlijk ongeveer 750 tot 1000°C.

Omdat de keramische voortbrengsels tijdens het proces breekbaar zijn en geen plotselinge temperatuursveranderingen kunnen doorstaan zonder scheuren, beginnen verwarmingscycli gewoonlijk bij of nabij omgevingstemperatuur en worden langzaam opgevoerd tot de vereiste 35 baktemperatuur. Gebruikelijke cycli hebben een duur in de orde-grootte van 24 tot 48 uren in een oxyderende atmosfeer hoewel een verminderde druk of atmosferen met een laag zuurstofgehalte doel- 80 05 46 5 2 matig kunnen worden gebruikt.

Tijdens de bakbewerkingen dienen de keramische voortbrengsels te worden ondersteund, zodat de voortbrengsels hun eigen vorm behouden, terwijl de beweging van de delen en het ondersteunings-5 systeem worden mogelijk gemaakt vanwege thermische uitzetting, zonder de oppervlakte-afwerking van het keramische produkt te bederven. Om dit uit te voeren kan de levering worden voortgebracht in de vorm van een plaat, staaf of draad en gevormd tot verschillende dragende frame-inrichtingen om de keramische voorwerpen tijdens het proces 10 gedurende de bakcyclus vast te houden. Tot voorbeelden van dergelijke inrichtingen behoren voetstukken, draagcilinders, wiegen en dergelijke.

Volgens de stand der techniek worden deze dragersystemen of "oven-elementen" geconstrueerd uit materialen van het vuurvaste type 15 tot componenten, die op hun beurt een voorvorming en bakbehandeling vereisen om ze dienstbaar te maken. De uitdrukking "oven-elementen" zoals hier gebruikt heeft betrekking op componentdelen en dragersystemen met betrekking tot ovens, die gebruikt worden voor de keramische verwerking.

20 Deze vuurvaste oven-elementcomponenten hebben talrijke fouten, tekortkomingen en nadelen. Zij zijn moeilijk te vervaardigen en te verenigen, kostbaar, breekbaar, bros en volumineus. Yoorts hebben de tegenwoordige oven-elementen van het vuurvaste type doorgaans een korte levensduur en in vele gevallen slechts één ovencyclus.

25 Voorts is de verhouding van het gewicht niet verkoopbare vuurvaste dragersystemen tot verkoopbare produkten gewoonlijk ongeveer 2:1 en reikt veelal tot 3:1. Bij het beschouwen van het noodzakelijke energieverlies van dergelijke systemen wordt het noodzakelijk meer energie-efficiënte methoden ter vervaardiging van keramische 30 produkten te bedenken en te ontwikkelen. Voor het bereiken van de vereiste doelmatigheid zijn dragersystemen vereist, die sneller in kringloop kunnen worden gebracht en die minder volume hebben.

Haast de vereiste energiedoelmatigheid is het eveneens gewenst de neiging van de systemen te verminderen tot plotseling scheuren 35 en breken (waarbij vaak de totale ovenvulling aan produkt vernietigd wordt) of eenvoudig te breken tijdens de normale hantering van deze breekbare systemen.

Een duidelijk voor de hand liggende oplossing voor de hiervoor beschreven moeilijkheden zou een dragersysteém van metaal zijn en 40 dit is in feite zonder succes geprobeerd.

80 05 46 5 § -: 3

Roestvrij staalsoorten werden geprobeerd, maar op de lange duur hebben de staalsoorten geen voldoende sterkte en bestandheid tegen oxydatie.

Hoge temperatuur "superlegeringen" van het nikkel-chroomtype, 5 bijvoorbeeld 80-20 legeringen, geven geschikte sterkteniveaus, maar laten een onaanvaardbare verkleuring op het afgewerkte produkt achter vanwege de wisselwerking van de keramische voortbrengsels tijdens de werkwijze en de keramische glazuur systemen met de natuurlijke vormingsoxiden van de onderzochte legeringen. Metaallegeringen 10 bekleed met verschillende preparaten werden eveneens onderzocht.

Tegenstrijdige resultaten en een slechte betrouwbaarheid resulteerde, de

Wat dusYvoor de hand liggende eenvoudige oplossing leek voor het probleem van de keramische industrie bewees in feite in het geheel geen oplossing te zijn.

15 Het is een oogmerk van de onderhavige uitvinding voortbrengsels te verschaffen, die bijzonder geschikt zijn voor gebruik als oven-element.

Het is een ander oogmerk van de onderhavige uitvinding een hittebehandelingsmethode te verschaffen, die de eigenschappen van 20 de oven-element-voortbrengsels vergroot.

Andere oogmerken en doelen blijken uit de volgende beschrijving en conclusies.

De onderhavige uitvinding verschaft in ruime zin een ÏÏTCRALY legeringsvoortbrengsel en een oxyderende hiitebehandeling om het 25 voortbrengsel uitstekend geschikt te maken voor toepassing als oven-element.

Door experimenteren werd gevonden, dat een overwegend uit aluminiumoxide bestaand afzetsel op een legeringsoppervlak in hoofdzaak inert is ten opzichte van de meeste grondstofmengsels 30 en glazuren binnen de temperatuurtrajecten, die door de keramische industrie worden gebruikt.

Yerder werd gevonden, dat legeringen van het type Ni-Cr-A-Y een zodanig aluminiumoxide-afzetsel verschaffen dat bij blootstelling aan hoge temperaturen deze afztesels in hoofdzaak zelf herstellend 35 zijn en dat de afzetseis of oxiden bestand zijn tegen afbladderen.

Tenslotte werd gevonden, dat de beste resultaten zijn bereikt, wanneer de Hi-Cr-Al-Y-1egering vooraf geoxydeerd is bij hoge temperaturen om vooraf het isolerende, beschermende en niet-reactieve oxide-afzetsel te vormen voorafgaande aan het contact van het 40 oppervlak met de te ondersteunen keramische produkten tijdens het 80 05 46 5 4 proces.

Een reeks hittebehandelingen werd uitgevoerd op een NICRALY legering om de verhittingsparameters vast te stellen, die op geschikte wijze het gewenste afzetselgrensvlak vormen voor toepassing 5 tussen legering en de keramische produkten tijdens het proces.

De bij deze proeven gebruikte legeringen waren in hoofdzaak samengesteld uit 15% chroom, 5% aluminium, 0,02% yttrium en de rest nikkel. Een werkzaam traject van deze legeringen kan variëren van ongeveer 10 tot 20% chroom, ongeveer 3 tot 7% aluminium en 10 een werkzame hoeveelheid van ongeveer 0,005 tot 0,055% yttrium en de rest nikkel plus verontreinigingen en modificerende elementen, op voorwaarde dat de modificerende elementen het oxide-afzetsel niet beschadigen, dat bestand is tegen verkleuring van keramische waren tijdens het proces. Echter kunnen vele modificaties van de 15 basis NICEALY legering worden gedaan binnen het traject van 8 tot 25% chroom, 2,5 tot 8% aluminium, een klein, evenwel doelmatig yttriumgehalte van niet meer dan 0,04% en de rest nikkel en verontreinigingen plus modificerende elementen, die gewoonlijk gekozen zijn uit de groepen: tot 15% totaal Mo, Rh, Hf, W, Ta en Nb; tot 20 0,5% totaal C, B, Mg, Zr en tot 1% Si; tot 2% Mn; tot 20% Co; tot 5% Ti en tot 30% Fe, mits de legering een overwegend uit aluminium-oxide bestaand afzetsel vormt. De legeringen werden 1) voor het samenstellen gesmolten; 2) elektroslag opnieuw gesmolten (ESR) tot vormen voor een verdere metaalverwerking en 3) tot de eindvorm 25 verwerkt.

Het experimentele programma voor het evalueren van geschikte hittebehandelingen resulteerde in de volgende grondconclusies.

1. Hittebehandeling van de betreffende legering gedurende één uur bij 1150°C gaf een geschikte oxidefilm, 30 2. De verhittingssnelheid tot 1150°C was niet kritisch.

3. Koudwalsen van de betreffende legering tot een vermindering van nominaal 20% en vervolgens blootstelling van de legering aan 1095°C gedurende 7 uren gaf een geschikte oxidefilm.

4. Oppervlakteslijping van de vooraf getemperde legering tot een

35 polijsting met korrels 120 en blootstelling ervan aan 1095°C

gedurende 7 uren gaf slechts een machinaal aanvaardbare oxidefilm.

5. Eenvoudige blootstelling van de betreffende legering aan temperaturen beneden 1095°C gaf geen geschikte (een overheersende 40 aluminiumoxide)film. Bij deze temperaturen ontstond een mengsel 80 05 46 5 '5

-V

van groene (waarschijnlijk Cr20^) en zilvergrijze (waarschijnlijk AlgOj) oxiden.

6. Blootstelling van de "betreffende legering gedurende 20 minuten aan stromende argon (een gesimuleerde glanzende temperbehandeling) 5 gaf, wat een film van AlgO^ leek te zijn, evenwel van een twijfelachtige dikte om het gewenste grensvlak te verschaffen.

7· Een met ESR verwerkte legering is de produktiemethode, die de voorkeur verdient.

Uit deze resultaten wordt geconcludeerd, dat de betreffende 10 legering het beste oppervlakoxide voor grensvlakvorming met keramische delen tijdens het bakken zal bereiken door vooraf geoxydeerd te zijn in een zuurstof bevattende atmosfeer bij een temperatuur boven ongeveer 1095°C, bijvoorbeeld boven 1150°C en bij voorkeur boven 1175°C> evenwel beneden de smelttemperatuur van de 15 legering die afhangt van de toestand van het legeringsoppervlak, het zuurstofpotentieel van de atmosfeer en de temperatuur (een exponentiële factor).

NICRALY-legeringen kunnen bereid worden volgens verschillende methoden, poedermetallurgie, gieten, smeedprocessen en dergelijke, 20 zoals in de techniek bekend is. Het verdient voor optimum-resultaten de voorkeur de legering te bereiden volgens het elektroslak hersmel-tingsproces (ESR), vervolgens heet en/of koudwalsen tot het gewenste voortbrengsel, voorafgaande aan de kritische oxydatietrap.

Terwijl verschillende methoden zijn beschreven als resultaat 25 van onderzoek, kunnen andere modificaties worden uitgevoerd in het kader van de uitvinding.

80 05 46 5

Claims (6)

1. Legering, in hoofdzaak bestaande uit 8 tot 25 gew.% chroom, 2,5 tot 8 gealuminium, een klein, evenwel doelmatig yttrium-gehalte van niet meer dan 0,04 gew.% en de rest nikkel en veront- 5 reinigingen plus eventueel modificerende elementen zoals tot 15 gew. % in totaal Mo, Eh, Hf, ¥, Ta en Fb; tot 0,5 gew.% in totaal C, B, Mg, Zr en Ca; tot 1 gew.% Si, tot 2 gew.% Mn, tot 20 gew.% Co, tot 5 gew.% Ti en tot 50 gew. Fe,met het kenmerk, dat de legering een overwegend uit aluminiumoxide bestaand afzetsel bevat, 10 dat inert is ten opzichte van keramische voortbrengsels tijdens een werkwijze voor de vervaardiging daarvan.

2. Legering volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de legering ongeveer 10 tot 20 gew.% chroom, ongeveer 5 tot 7 gevt% aluminium en ongeveer 0,005 tot 0,055 gew.^ó yttrium bevat.

5. Legering volgens conclusie 1 in.de vorm van een ovenelement geschikt voor toepassing bij de vervaardiging van keramische pro-dukten.

4. Legering volgens conclusie 1, onderworpen aan een hittebehandeling boven 1095°C, voor het verkrijgen van een overwegende 20 aluminiumoxidelaag op het oppervlak van de legering.

5. Legering volgens conclusie 4 in de vorm van een ovenelement geschikt voor toepassing bij de vervaardiging van keramische produkten.

6. Legering volgens conclusie 1 vervaardigd volgens ESR, gevormd 25 en met hitte behandeld voor het verkrijgen van een overwegende aluminiumoxidelaag op het oppervlak van de legering. 80 05 46 5