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Nickel-Chrom-Kobaltlegierung und Verfahren zu ihrer
Wärmebehandlung
EMI1.1
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Verunreinigungen und Desoxydationsrückstände soll 2% nicht übersteigen. Der Gehalt an Verunreinigun- gen soll so niedrig gehalten werden, als dies praktisch möglich ist ; insbesondere ist es wünschenswert, den Siliziumgehalt unter 0, 3% zu halten.
Zur Erzielung einer entsprechenden Dehnbarkeit ist etwas Kohlenstoff notwendig, der jedoch sorg- fältig überwacht werden muss. Wenn er zu niedrig ist, ist die Legierung nicht verarbeitbar ; es sollen da- her mindestens 0, 03% und vorzugsweise mindestens 0, 040/0 Kohlenstoff vorhanden sein. Da mit steigen- dem Kohlenstoffgehalt die Schlag- und Zugfestigkeit sinkt, soll aus diesem Grunde der Kohlenstoffgehalt nicht höher als 0, 09% sein.
Einerseits fällt bei Chromgehalten unter 14% der Widerstand der Legierungen gegenüber der Oxyda- tion und dem Angriff der Verbrennungsprodukte des Turbinenkraftstoffes. Anderseits neigt eine Erhöhung des Chromgehaltes dazu, die Warmverarbeitbarkeit der Legierung zu vermindern. Der Chromgehalt darf daher nicht grösser sein als 22%. Kobalt hat einen günstigen Einfluss auf den Kriechwiderstand und verbes- sert auch die Warmverarbeitbarkeit. es kann gewöhnlich in Mengen von 10 bis 20% vorhanden sein. Molybdän hat einen günstigen Einfluss sowohl auf die Bruch-und Kriechdehnbarkeit und ist zur Vermeidung der Kerbempfindlichkeit sehr erwünscht.
Anderseits führen übermässige Zugaben von Molybdän zu einer erhöhten Kriechgeschwindigkeit und einer. verminderten Bearbeitbarkeit, so dass dessen Gehalt daher nicht über 10% und vorzugsweise nicht über 8% betragen soll. Das Molybdän kann teilweise oder ganz durch gleiche Atomprozente Wolfram bis zu einem maximalen Wolframgehalt von 10 Gew.-% ersetzt werden.
Jeder der Gehalte an Titan, Aluminium und Niob ist sehr wichtig. Um die erwünschte Höhe der Festigkeitseigenschaften zu erhalten, ist ein Gesamtgehalt von Titan und Aluminium von mindestens 2, 5% erforderlich. Während jedoch eine Erhöhung dieses Gesamtgehaltes zu Legierungen noch höherer Festigkeit führt, vermindert sich dementsprechend die Dehnbarkeit der Legierungen. Aluminium hat einen besonders schädlichen Einfluss auf die Dehnbarkeit und darf daher davon nicht mehr als 0, 8% anwesend sein.
Andern Fällen entsprechend wird in Gegenwart von viel Eisen eine niedrige Dehnbarkeit erhalten ; wenn der Eisengehalt über 10% beträgt, darf der Aluminiumgehalt vorzugsweise 0, 5% nicht übersteigen. Eine Erhöhung des Titangehaltes führt zu einem Absinken der Schlagfestigkeit der Legierungen bei Raumtem peratur, weshalb der Titangehalt 3, 5% nicht übersteigen darf.
Innerhalb des oben angegebenen Bereiches führt die gemeinsame Gegenwart von Titan und Niob zu einer bemerkenswerten Vereinigung von Festigkeit und Dehnbarkeit, während ausserhalb dieses Bereiches ein merklicher Abfall einer oder beider dieser Eigenschaften eintritt. 1m Hinblick auf den Eisengehalt führen übermässige Gehalte an Niob ebenfalls zu einer beachtlichen Versprödung der Legierung.
Die besten Eigenschaften werden erhalten, wenn Eisen abwesend oder nur als Verunreinigung, vorzugsweise in 5% nicht übersteigenden Mengen, anwesend ist und der Niobgehalt an der oberen Grenze des angegebenen Bereiches gelegen ist. Wenn der Eisengehalt erhöht wird, muss der Niobgehalt erniedrigt werden ; es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass die Gehalte dieser beiden Elemente so in Beziehung stehen, dass sie innerhalb des Feldes ABCDE der Zeichnung gelegen sind. Ein Ersatz des Nickels durch Eisen macht die Legierungen billiger, vermindert aber auch einigermassen ihre Zug- und Schlagfestigkeit bei hohen Temperaturen. Die eisenhaltigen Legierungen sind jedoch geeignet, wenn die Betriebsbedingungen nicht so aussergewöhnlich schwer sind.
Das im Handel verfügbare Niob ist gewöhnlich mit Tantal verunreinigt, das im wesentlichen hinsichtlich seines Einflusses dem Niob gleichwertig ist ; das Niob kann ganz oder teilweise durch eine entsprechende Gewichtsmenge Tantal bis zu einem Maximalgehalt an Tantal von 3% ersetzt werden.
Geringe Zugaben von Bor und Zirkon haben einen merklich günstigen Einfluss auf die Dehnbarkeit der Legierung bei Temperaturen von 6000C und darüber ; beide Elemente müssen anwesend sein. Wenn der Gehalt jedoch erhöht wird, fällt der Schmelzpunkt der Legierungen, und wenn mehr als 0, 01% Bor oder 0, 1% Zirkon anwesend ist, verschlechtert sich die Warmverarbeitbarkeit der Legierung beträchtlich.
Bevorzugte Zusammensetzungen von eisenfreien und eisenhaltigen Legierungen sind die folgenden :
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EMI3.1
<tb>
<tb> Eisenfreie <SEP> Legierungen <SEP> Eisenhaltige <SEP> Legierungen
<tb> C <SEP> 0, <SEP> 04-0, <SEP> 09% <SEP> 0, <SEP> 04-0, <SEP> 09% <SEP>
<tb> Cr <SEP> 18-22% <SEP> 14-16% <SEP>
<tb> Co <SEP> 13-15% <SEP> 13-15% <SEP>
<tb> Mo <SEP> 4-6, <SEP> 5% <SEP> 4-6, <SEP> 5% <SEP>
<tb> Nb <SEP> 4, <SEP> 5-5% <SEP> 2-2, <SEP> 5% <SEP>
<tb> Ti <SEP> 2, <SEP> 25-2, <SEP> 75% <SEP> 2, <SEP> 75-3, <SEP> 25% <SEP>
<tb> Al <SEP> 0, <SEP> 3-0, <SEP> 8% <SEP> bis <SEP> zu <SEP> 0, <SEP> 35% <SEP>
<tb> Fe <SEP> 0-1% <SEP> 18-22% <SEP>
<tb> B <SEP> 0, <SEP> 001-0,01% <SEP> 0,001-0,01%
<tb> Zr <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> -0, <SEP> 1% <SEP> 0, <SEP> 01 <SEP> -0,
<SEP> 1% <SEP>
<tb> Ni <SEP> Rest <SEP> Rest
<tb>
EMI3.2
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Zahlentafel I Zusammensetzung in Gel.-%
EMI4.1
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Nr. <SEP> C <SEP> cr <SEP> Co <SEP> Mo <SEP> Ti <SEP> Al <SEP> Nb <SEP> Fe <SEP> B <SEP> Zr <SEP> Mn <SEP> Si <SEP> Ni
<tb> 1 <SEP> 0,06 <SEP> 18,7 <SEP> 14,25 <SEP> 3,95 <SEP> 2,65 <SEP> 0,73 <SEP> 4,5 <SEP> < 0,2 <SEP> 0,005 <SEP> 0,09 <SEP> < 0. <SEP> 05 <SEP> < 0. <SEP> 2 <SEP> Rest
<tb> 2 <SEP> 0,08 <SEP> 20, <SEP> 4 <SEP> 14, <SEP> 4 <SEP> 3,75 <SEP> 2, <SEP> 62 <SEP> 0,52 <SEP> 4,75 <SEP> < 0,2 <SEP> 0,004 <SEP> 0,06 <SEP> < 0,05 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP> Rest
<tb> 3 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 13,9 <SEP> 13,5 <SEP> 4,1 <SEP> 3,1 <SEP> 0,1 <SEP> 2,4 <SEP> 20,3 <SEP> 0,005 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> < 0.
<SEP> 05 <SEP> < 0, <SEP> 2 <SEP> Rest
<tb> 4 <SEP> 0.06 <SEP> 15.9 <SEP> 13.8 <SEP> 4,5 <SEP> 2,76 <SEP> 0,27 <SEP> 2,36 <SEP> 19,7 <SEP> 0,003 <SEP> 0,02 <SEP> 0.07 <SEP> 0,13 <SEP> Rest
<tb>
Zahlentafel II
EMI4.2
<tb>
<tb> Versuchsbedingungen <SEP> Kriechverhalten
<tb> Legierung <SEP> Nr.
<tb>
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4
<tb> 70,9kg/mm2 <SEP> bei <SEP> 575 C <SEP> Keine <SEP> Dehnung <SEP> 0,05% <SEP> Dehnung <SEP> Keine <SEP> Dehnung <SEP> 0, <SEP> 05% <SEP> Dehnung
<tb> nach <SEP> 338 <SEP> h <SEP> nach <SEP> 197 <SEP> h <SEP> (+) <SEP> nach <SEP> 230 <SEP> h <SEP> nach <SEP> 275 <SEP> h
<tb> 67,7 <SEP> kg/mm2 <SEP> bei <SEP> 6000C <SEP> Keine <SEP> Dehnung--nach <SEP> 150 <SEP> h
<tb> 50, <SEP> 4kg/mm2 <SEP> bei <SEP> 650 C <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,04%Dehnung
<tb> nach <SEP> 170 <SEP> h
<tb> 63,0 <SEP> kg/mm2 <SEP> bei <SEP> 6500C <SEP> Bruch <SEP> nach <SEP> Bruch <SEP> nach-Bruch <SEP> nach
<tb> 750 <SEP> h <SEP> 1556 <SEP> h <SEP> (+) <SEP> 1063 <SEP> h
<tb> Bruchdehnung <SEP> Bruchdehnung
<tb> 5, <SEP> 9% <SEP> 3,1%
<tb> 50,4kg/mm2 <SEP> bei <SEP> 700 C <SEP> Bruch <SEP> nach <SEP> - <SEP> - <SEP> -
<tb> 95 <SEP> h.
<SEP> Bruchdehnung <SEP> 21%
<tb>
(+) = Vergütet durch 24 h bei 6500C.
EMI4.3
<tb>
<tb>
Dehnungsverhalten <SEP> bei <SEP> 200C
<tb> Legierung <SEP> Nr.
<tb>
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> - <SEP> 94,0 <SEP> - <SEP> 83,0
<tb> Zugfestigkeit <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> - <SEP> 123,0 <SEP> - <SEP> 124,0
<tb> Bruchdehnung <SEP> in <SEP> % <SEP> - <SEP> 9 <SEP> - <SEP> 25
<tb> Dehnungsverhalten <SEP> bei <SEP> 600 C
<tb> Legierung <SEP> Nr.
<tb>
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP>
<tb> 0,1% <SEP> Dehngrenze <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> 90, <SEP> 0 <SEP> 83, <SEP> 0 <SEP> 79, <SEP> 0 <SEP> 76, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> in <SEP> kg/mm2 <SEP> 134,0 <SEP> 120,0 <SEP> 101,0 <SEP> 102,0
<tb> Dehnung <SEP> in <SEP> % <SEP> 16 <SEP> 15 <SEP> 14 <SEP> 17
<tb>
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Die Eigenschaften weiterer Beispiele der Legierungen Nr. 2 und 4, welche in der Nähe des Randes der Käse abgeschnitten wurden, waren ähnlich jenen, wie sie in der Zahlentafel II angegeben sind ; ausgenommen, dass die Bruchdehnungen etwas grösser waren.
Die folgenden drei Zahlentafeln zeigen den Einfluss der Änderung der Gehalte an Titan, Aluminium und Niob in einigen eisenfreien und eisenhaltigen Legierungen auf die Festigkeitseigenschaften, wie sie mit dem Hounsfield-Tensometer bei 6000C bestimmt wurden. Die angegebenen Zusammensetzungen sind die errechneten, ausgenommen dort, wo sie anders ermittelt wurden. Alle Proben wurden entweder bei 1000 C durch 1 h lösungsgeglüht, luftabgekühlt und bei 7000C durch 16 h (Wärmebehandlung A) vergütet oder bei 10500C durch 1 h lösungsgeglüht, luftabgekühlt und bei 7000C durch 16 h (Wärmebehandlung B) vergütet.
Zahlentafel III a) Einfluss der Änderung des Titangehaltes in einer eisenfreien Legierung.
Grundzusammensetzung der Legierung : 0, 05% C, 20% Cr, 14% Co,
5%Mo, 0,4%Al5%Nb.0%Fe,0,003%B,0,03%Zr,RestNi.
Von geschmiedeten Stangen abgeschnittene Proben.
Wärmebehandlung B.
EMI5.1
<tb>
<tb>
Legierung <SEP> Nr. <SEP> Ti <SEP> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung
<tb> (%) <SEP> (kg/mm2) <SEP> kg/mm2) <SEP> (%)
<tb> 5 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 88 <SEP> 113 <SEP> 8
<tb> 6 <SEP> 2, <SEP> 25 <SEP> 88 <SEP> 135 <SEP> 16
<tb> 7 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 88 <SEP> 123 <SEP> 12
<tb> 8 <SEP> 2, <SEP> 75 <SEP> 94 <SEP> 142 <SEP> 12
<tb> 9 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 104 <SEP> 139 <SEP> 5
<tb> 10 <SEP> 3, <SEP> 25 <SEP> 120 <SEP> 148 <SEP> 8
<tb>
b) Einfluss der Änderung des Titangehaltes in einer eisenhaltigen Legierung.
Grundzusammensetzung der Legierung : 0, 05% C, 15% Cr, 14% Co, 5% Mo, bis 0, 3% Al, 2% Nb. 201o Fe, 0, 003% B, 0, 03% Zr, Rest Ni.
Von Pressstangen abgeschnittene Proben.
EMI5.2
<tb>
<tb>
Legierung <SEP> Nr. <SEP> Wärme-Ti <SEP> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> Kerbschlagbehandlung <SEP> (%) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (%) <SEP> festigkeit
<tb> (kgm)
<tb> 11 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 53 <SEP> 87 <SEP> 25
<tb> 12 <SEP> A <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 63 <SEP> 96 <SEP> 21
<tb> 13 <SEP> A <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 72 <SEP> 107 <SEP> 17 <SEP> - <SEP>
<tb> 14 <SEP> B <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 79 <SEP> 113 <SEP> 19 <SEP> 5, <SEP> 53 <SEP>
<tb> 15 <SEP> B <SEP> 3, <SEP> 25 <SEP> 82 <SEP> 117 <SEP> 17 <SEP> 3, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 16 <SEP> B <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP> 77 <SEP> 113 <SEP> 13 <SEP> 3, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
Alle Legierungen in Zahlentafel III, ausgenommen Nr. 5, 11 und 12, sind erfindungsgemäss zusammengesetzt.
In Nr. 5, 11 und 12 beträgt der Gesamtgehalt an Titan und Aluminium weniger als 2, 50/0 ; ein merkbares Absinken der Zugfestigkeit wurde beobachtet. Die Ergebnisse in der letzten Spalte zeigen, wie die Schlagfestigkeit mit steigendem Titangehalt abnimmt.
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Zahlentafel IV Einfluss der Änderung des Aluminiumgehaltes in einer eisenfreien Legierung.
Grundzusammensetzung der Legierung : 0, 05% C, 20% Cr, 14% Co, 4% Mo, 2,5%Ti, 4,5%Nb,0%Fe,0,003%B.0,03%Zr,RestNi.
Von Pressstangen abgeschnittene Proben.
EMI6.1
<tb>
<tb>
Legierung <SEP> Nr. <SEP> Wärme-AI <SEP> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung
<tb> behandlung <SEP> (%) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (%)
<tb> 17 <SEP> A <SEP> 0, <SEP> 2'72 <SEP> 113 <SEP> 12
<tb> 1 <SEP> B <SEP> 0, <SEP> 73 <SEP> 90 <SEP> 134 <SEP> 16
<tb> 18 <SEP> A <SEP> 1, <SEP> 2 <SEP> 82 <SEP> 117 <SEP> 4
<tb> 18 <SEP> B <SEP> 1. <SEP> 2 <SEP> 79 <SEP> 88 <SEP> 1
<tb>
= Analysenwerte.
Der Abfall in der Dehnbarkeit der Legierung Nr. 18, in welcher der Aluminiumgehalt zu hoch ist, im Vergleich zu den erfindungsgemässen Legierungen Nr. 17 und 1 ist sehr bemerkenswert.
Zahlentafel V a) Einfluss der Änderung des Niobgehaltes in einer eisenfreien Legierung.
Grundzusammensetzung der Legierung : 0. 05% C, 20% Cr, 14% Co,
EMI6.2
Von Pressstangen abgeschnittene Proben.
Wärmebehandlung B.
EMI6.3
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Nr. <SEP> Nb <SEP> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung
<tb> (lu) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (0/0)
<tb> 19 <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> 72 <SEP> 110 <SEP> 23
<tb> 1 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 90 <SEP> 134 <SEP> 16
<tb> 20 <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 98 <SEP> 120 <SEP> 2
<tb>
= Analysenwerte. b) Einfluss der Änderung des Niobgehaltes in einer eisenhaltigen Legierung.
EMI6.4
Von Pressstangen abgeschnittene Proben.
Wärmebehandlung B.
EMI6.5
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Nr. <SEP> Nb <SEP> 0, <SEP> 1% <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung <SEP> Kerbschlag-
<tb> (%) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (%) <SEP> festigkeit
<tb> (kgm)
<tb> 21 <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> 77 <SEP> 104 <SEP> 19
<tb> 22 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 79 <SEP> 113 <SEP> 19 <SEP> 5, <SEP> 53 <SEP>
<tb> 23 <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> 88 <SEP> 131 <SEP> 11 <SEP> 2, <SEP> 8 <SEP>
<tb> 24 <SEP> 3, <SEP> 0 <SEP> 85 <SEP> 118 <SEP> 10 <SEP> 2. <SEP> 0 <SEP>
<tb> 25 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP> 94 <SEP> 123 <SEP> 10
<tb>
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Die Abnahme der Bruchdehnung und der Schlagfestigkeit zeigt, wie die Legierungen verspröden, wenn der Niobgehalt zu hoch ist.
Die Legierungen Nr. 22-24 sind erfindungsgemäss zusammengesetzt, während die Legierungen Nr. 21 und 25 dies nicht sind.
Die Ergebnisse in Zahlentafel VI zeigen das Erfordernis eines gewissen Kohlenstoffgehaltes in den Le- gierungen, um diese schmiedbar zu machen, sowie die Tendenz des Abfalles der Dehngrenze und der Zugfestigkeit, wenn der Kohlenstoffgehalt zunimmt. Die Legierung Ni. 26 enthält zu wenig Kohlenstoff und die Legierung Nr. 30 zu viel. Die andern sind erfindungsgemäss.
Zahlentafel VI
Einfluss der Änderung des Kohlenstoffgehaltes in einer eisenfreien Legierung.
Grundzusammensetzung der Legierung: 20% Cr, 14% Co, 6% Mo, 2,25%Ti, 0, 6% Al, 0% Fe, 4, 5% Nb, 0, 003% B, 0, 05% Zr.
Von geschmiedeten Stangen abgeschnittene Proben.
Wärmebehandlung B.
EMI7.1
<tb>
<tb>
Legierung <SEP> Nr. <SEP> C <SEP> 0, <SEP> 10/0 <SEP> Dehngrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Dehnung
<tb> () <SEP> (kg/mm2) <SEP> (kg/mm2) <SEP> (%)
<tb> 26 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> nicht <SEP> schmiedbar
<tb> 27 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> 94 <SEP> 140 <SEP> 12
<tb> 28 <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 98 <SEP> 137 <SEP> 17
<tb> 29 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 83 <SEP> 118 <SEP> 18
<tb> 30 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 79 <SEP> 117 <SEP> 18
<tb>
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Nickel-Chrom-Kobaltlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0, 03-0, 09% Kohlenstoff, 14 bis 22% Chrom. 10 - 20% Kobalt, 3 - 10% Molybdän, 2 - 3,5% Titan, bis 0,8% Aluminium, wobei die
Summe der Titan- und Aluminiumgehalte grösser als 2, 5% ist, 2-5, 25% Niob, bis 25% Eisen, wobei die Gehalte an Eisen und Niob einander so zugeordnet sind, dass sie innerhalb des Feldes ABCDE der Zeichnung liegen, 0, 001-0, 01% Bor und 0, 01-0, lao Zirkon, Rest Nickel, enthält.