-
Austenitische, temperatur- und korrosionsbeständige Legierung Die
Erfindung betrifft Legierungen, welche Temperaturen bis. zu und über 650° C aushalten
und leicht zu geschmiedeten Gegenständen sowie zu Blechen verarbeitet werden können
und günstige 5ch_ weißeigenschaften besitzen.
-
Die Entwicklung von Gasturbinen und ähnlichen Maschinen schaffte das
Bedürfnis nach Stoffen mit höherer Festigkeit und größerer Stabilität bei erhöhten
Temperaturen als die derzeit zur Verfügung stehenden Legierungen mit brauchbaren
Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Bestimmte Bestandteile solcher Maschinen,
z. B. Turbinenschaufeln, sind über lange Zeiträume sehr hohen Beanspruchungen in
stark korrodieren.derAtmosphäre bei einer bleibenden Temperatur von etwa 820° C
oder höher ausgesetzt. Andere Bestandteile, z. B. Teile des Turbinenrads, welche
die Schaufeln tragen, das das Abgasrohr oder den Konus desselben bildende Blech
q. dg1., sind ebenfalls hohen Beanspruchungen und korrodierenden Atmosphären bei
ständigen Temperaturen von etwa 650° C öder höher ausgesetzt. Im@ällgem.enen wurden
Gegenstände, welche die vorstehend erwähnten höheren Beanspruchungen und Temperaturen
aushalten müssen, entweder nach einer Präzisionsgußtechnik hergestellt, oder sie
wurden aus Legierungen geschmiedet, welche aus Gußstücken oder -blöcken in die endgültige
Form übergeführt werden können. Die bearbeitbaren Legierungen dieser Art waren in
der Regel vergütbare Materialien und enthielten auch meistens größere Mengen. »strategischer«
Stoffe, wie Kobalt und Niob, und besaßen in der Regel als Hauptbestandteil z. B.
in einer Menge bis zu 40-°/o und mehr Nickel. Diese Elemente sind verhältnismäßig
schwer zugänglich und teuer. Obwohl diese die genannten strategischen Elemente enthaltenden
hochfesten Legierungen bis zu einem gewissen Grad verarbeitbar sind, lassen sie
sich doch nicht leicht auf übliche Weise zu Blechen auswalzen. Ferner sind diese
Materialien nur schwer schweißbar und zeigen in der Regel an der Schweißstelle eine
schwache Zone.
-
Legierungen, welche für den an zweiter Stelle vorstehend eTwähnten,
niedrigeren Temperaturbereich verwendet wurden, besaßen einen geringeren Gehalt
an strategischen Elementen und waren leichter verarbeitbar-. Diese Materialien waren
in der Regel modifizierte, rostfreie Stähle und nur schlecht schweißbar. Im allgemeinen
besaßen die leichter und erfolgreicher schweißbaren Materialienminderwertigere mechanische
Eigenschuften, wie z. B. Bruchfestigkeit und weniger günstige Streckgrenzep bei
erhöhter Tempefatur, während die mit den besseren mechanischen Eigenschaften, insbesondere
bei Temperaturen von etwa 650° C und höher, schwieriger zu verarbeiten und nicht
so gut zu sehweißen waren. Hauptaufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer
Legierung mit :hoher mechanischer Festigkeit und Beständigkeit .gegen Korrosion
bei erhöhten Temperaturen, die leicht durch Schmieden oder Walzen verarbeitet werden
kann und leicht schweißbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine leicht zu Blech
auswalzbare Legierung.
-
Die Erfindung wird: an Hand der folgenden Beschreib@ung erläutert.
-
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine austenitische Legierung
hergestellt, welche aus etwa 30,0 bis 35,0 Gewichtsprozent Nickel, etwa 12 bis etwa
15 Gewichtsprozent Chrom, etwa 5,5 bis 7,5 °/o Wolfram, etwa 2,5 bis 5 °/o Molybdän,
etwa 1,5 bis etwa 3,0 Gewichtsprozent Titan, bis zu etwa 0,50 Gewichtsprozent Aluminium,
bis zu etwa 0,50 Gewichtsprozent Zi.rkonum, bis zu etwa 0,10 Gewichtsprozent Kohlenstoff
und im wesentlichen aus Eisen besteht. Diese Legierung besitzt hochwertigere mechanische
Eigenschaften als bisher mit ähnlichen bekannten Stoffen erhältliche Legierungen
und ist .leichter verformbar und verschweißbar als andere- Legierungen ähnlicher
mechanischer Festigkeit.
-
Genauer-ausgedrückt wurde gefunden, daß eine aus etwa 31,0 bis 34,0
und vorzugsweise etwa 33 Gewichtsprozent Nickel, etwa 12,5 bis 15,Q und vorzugsweise
etwa 13 Gewichtsprozent Chrom, etwa. ö,0 bis 7,0 und vorzugsweise etwa 6 Gewichtsprozent
Wplfram, etwa 3,0 bis 4,6 und vorzugsweise etwa 3,5 Gewichtsprozent
Molybdän,
etwa 1,75 bis etwa 2,5 und vorzugsweise etwa 2,0 Gewichtsprozent Titan, etwa 0,2
bis etwa 0,5 und vorzugsweise etwa 0,45 Gewichtsprozent Aluminium, nicht mehr als
etwa 0,4 und vorzugsweise etwa 0,35 Gewichtsprozent Zirkonium, nicht mehr als etwa
und vorzugsweise weniger als etwa 0,08 Gewichtsprozent Kohlenstoff und im übrigen
im wesentlichen aus Eisen bestehende Legierung eine überraschend höhere Zugfestigkeit
und Duktilität; eine höhere Bruchfestigkeit und Duktilität bei hoher Temperatur
besitzt und leicht verformt und geschweißt werden kann. Natürlich umfaßt der Ausdruck
»und im übrigen im wesentlichen Eisen« kleinere Mengen von üblicherweise in Eisenlegierungen
dieser Art vorkommenden Verunreinigungen, wie Mangan, Silizium, Schwefel und Phosphor.
Es wurde gefunden, daß die Gesamtheit dieser besonderen Verunreinigungen bis zu
etwa 0,2 Gewichtsprozent dieser Legierungen betragen kann, ohne d'aß dadurch deren
mehanischeEigenschaften ungünstig beeinflußt werden. Diese Verunreinigungen sollen
jedoch zweckmäßig nicht mehr als etwa 0,05 Gewichtsprozent Mangan, 0,05 Gewichtsprozent
Silizium, 0,04 Gewichtsprozent Schwefel und 0,04 Gewichtsprozent Phosphor betragen.
Natürlich können auch noch andere verunreinigende Elemente in sehr kleinen Mengen
zugegen sein, wie sie in solchen Stoffen üblich sind.
-
Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Legierungen am besten
durch Schmelzen und Vergießen der verschiedenen Bestandteile dieser Legierungen
unter Vakuum hergestellt werden. Die gegossenen Barren können dann entweder zu geschmiedeten
Gegenständen, z. B. Turbinenschaufeln, oder zu einem stangenförmigen Gut geschmiedet
werden, oder sie können durch übliche Schmiede- und Walzverfahren zu Blechen verarbeitet
werden. Das fertige Material wird dann einer Lösungs- und Vergütungsbehandlung unterworfen,
wie nachstehend ausführlich beschrieben wird.
-
Beispielsweise wurden Legierungen mit den folgenden spezifischen Zusammensetzungen,
wie vorstehend erläutert, hergestellt:
| Tabelle 1 |
| Legierung Nr. Ni Cr W Mo Ti A1 Zr C Fe |
| 1 .............. 32,9 13,0 6,4 3,1 2,2 0,35 0,20 0,04 42,0 |
| 2 .............. 32,9 13,1 6,7 3,6 1,6 0,39 0,16 0,04 Rest |
| 3 .............. 31,7 14,7 6,8 2,6 2,1 0,27 0,01 0,04 42,3 |
| 4 .............. 32,2 12,8 6,3 3,5 2,1 0,50 0,05 0,10 Rest |
Aus diesen verschiedenen Legierungen wurden Barren gegossen und zu rundstangenförmigem
Gut und zu Blechmaterial nach üblichen Schmiede- und Walzverfahren verarbeitet.
Aus diesem Material wurden dann Proben zur Bestimmung der Zugfestigkeit und der
Bruchfestigkeit hergestellt und vergütet. Übliche Zugfestigkeitsteste wurden an
bestimmten dieser Proben bei Raumtemperatur und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt.
Die folgenden Daten zeigen die Ergebnisse dieser an Proben aus stangenförmigem Gut
durchgeführten Versuche.
| Tabelle 2 |
| Versuchstemperatur Zugfestigkeit 0,2-Grenze Dehnung |
| Legierung Nr. (2,5 cm Meßlänge) |
| (° C) (kg/--') (kg/-ml) (o/o) |
| 1 . . . . . . . . . , . . . . Raumtemperatur 124,60 83,30 24,0 |
| 730 81,90 70,00 21,0 |
| Raumtemperatur 114,46 81,06 23,0 |
| 2 .............. 650 94,85 72,94 23,0 |
| 730 75,25 66,78 25,5 |
| Raumtemperatur 131,39 90,37 18,5 |
| 3 . . . . . . . . . . . . . . 650 100,73 81,76 19,0 *) |
| 730 77,98 65,17 18,5 *) |
| Raumtemperatur 125,65 75,46 23,0 |
| 4.............. 650 100,87 73,50 21,0 |
| 730 80,36 70,98 20,0 |
| *) Die Probe brach in der Klammer oder an den Meßmarken. |
Die obigen Testergebnisse wurden von Proben erhalten, welche die folgenden Wärmebehandlungen
erfahren hatten: Probe Nr. 1 wurde 4 Stunden auf 1100' C erhitzt, es folgte eine
Ölabschreckung und 24stündige Vergütung bei
730' C und Luftabkühlung.
-
Probe Nr. 2 wurde 4 Stunden auf 1040' C erhitzt, mit Ö1 abgeschreckt
und 24 Stunden bei 730' C vergütet und in Luft abgekühlt. Probe Nr. 3 wurde
1 Stunde auf 1010' C erhitzt, mit Öl abgeschreckt, 24 Stunden bei
730' C vergütet und in Luft abgekühlt.
-
Probe Nr.4 erfuhr eine 1stündige Erhitzung auf 1070' C, Ölabschreckung,
24stündige Vergütung bei 730' C und Luftabkühlung.
-
Die folgenden Daten zeigen die Ergebnisse solcher an aus Blechmaterial
erhaltenen Proben durchgeführten Versuche.
| Tabelle 3 |
| Versuchstemperatur Zugfestigkeit - 0,2-Grenze Dehnung |
| Legierung Nr. (2,5 cm Meßlänge) |
| (° C) (kg/-M2) (kg/mm2) (%) |
| Raumtemperatur 129,15 89,60 18,0 |
| 2 .............. 650 88,27 77,00 20,0 |
| 730 64,05 62,58 29,0 |
| Raumtemperatur 121,48 91,14 16,5 |
| 3 ..............@ 650 92,61 ' 79,17 16,5 |
| 730 71,26 62,58 17,5 |
Die Testproben Nr. 2 wurden aus einem 1,575 mm starken Blech parallel zur Walzrichtung
ausgeschnitten, 20 Minuten in einer Schutzatmosphäre auf
1010' C erhitzt,
in Luft abgekühlt, 24 Stunden bei
730' C vergütet und anschließend mit Luft
abgekühlt. Die Proben Nr. 3 wurden aus 1,625 mm starkem Blech quer zur Walzrichtung
ausgeschnitten, 30 Minuten in einer Schutzatmosphäre auf 1040' C erhitzt, in Luft
abgekühlt, 24 Stunden bei
730' C vergütet und anschließend in Luft abgekühlt.
-
Übliche Zeitstandversuche wurden an einigen dieser Proben bei erhöhten
Temperaturen durchgeführt. Die folgenden Daten zeigen die Ergebnisse dieser an aus
stangenförmigem Gut erhaltenen Proben durchgeführten Teste.
| Tabelle 4 |
| Versuchstemperatur Belastung Lebensdauer Dehnung |
| Legierung Nr. (2,5 cm Meßlänge) |
| (° C) (kg/--') (Stunden) (°/o) |
| 1 730 35,00 307 |
| 730 35,00 343 7,0 |
| 650 63,00 27 30,0 |
| 650 59,50 53 31,0 |
| 2 730 44,10 4 32,0 |
| 730 31,50 47 43,0 |
| 650 63,00 229 12,0 |
| 730 49,00 58 18,0 |
| 3 730 38,50 120 22,0 |
| 730 31,50 404 28,0 |
| 650 60,90 200 12,0 |
| 4 .............. 730 38,50 124 12,0 |
| 730 38,50 129 19,0 |
Die zuerst aufgeführte Probe in der vorstehenden Tabelle, die aus der Legierung
Nr. 1 bestand, wurde 4 Stunden auf
1180' C erhitzt, mit Öl abgeschreckt und
24 Stunden bei
650' C vergütet und luftgekühlt. Die an zweiter Stelle aufgeführte
Probe aus der Legie,rung Nr. 1 wurde 4 Stunden auf
1180' C erhitzt, mit Öl
abgeschreckt, 24 Stunden bei
730' C vergütet und in Luft abgekühlt. Die Proben
aus der Legierung Nr. 2 wurden 4 Stunden auf
1010' C erhitzt, mit Öl abgeschreckt,
24 Stunden bei
730' C vergütet und in Luft abgekühlt. Die Proben aus der
Legierung Nr. 3 wurden 1 Stunde auf 1100' C erhitzt, mit Öl abgeschreckt, 24 Stunden
bei
730' C vergütet und in Luft abgekühlt. Die Proben aus der Legierung Nr.
4 wurden 1 Stunde auf
11250 C erhitzt, mit Öl abgeschreckt, 24 Stunden bei
730' C vergütet und Luftgekühlt.
-
Die folgenden Daten zeigen die Ergebnisse dieser Versuche bei Verwendung
von Blechmaterial als Proben.
| Tabelle 5 |
| Versuchs- Belastung Lebensdauer Dehnung |
| Legierung Nr. temperatur (2,5 cm Meßlänge) |
| (° C) (kg/mm2) (Stunden) (%) |
| 2 650 53,50 305 17,0 |
| ........,.....@ 730 38,50 29 37,0 |
| 650 63,00 72,5 9,0 |
| 3 650 50,40 211 *) |
| .............. 730 38,50 98 17,0 |
| 730 31,50 352 *) - |
| *) Versuch unterbrochen, Probe nicht gebrochen. |
Die vorstehenden Proben aus der Legierung Nr. 2 wurden aus 1,575 mm starkem Blech
parallel zur Walzrichtung ausgeschnitten, 20 Minuten in einer Schutzatmosphäre auf
1100' C erhitzt, luftgekühlt
und 24 Stunden bei 730° C mit
anschließender Luftkühlung vergütet. Die aus der Legierung Nr. 3 bestehenden Proben
wurden aus 1,625 mm starkem Blech quer zur Walzrichtung ausgeschnitten und 30 Minuten
in einer Schutzatmosphäre auf 1100° C erhitzt, luftgekühlt und 24 Stunden unter
anschließender Luftkühlung bei 730° C vergütet.
-
Aus diesen und anderen Testdaten ergab sich, daß die erfindungsgemäße
Legierung bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von etwa 126,00 kg/mm2 oder mehr,
eine 0,2-Grenze von etwa 82,60 kg/mm2 oder mehr besitzt, und die Duktilität äußert
sich in.einer etwa 221/eigen Dehnung. Bei 650° C zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen
eine Zugfestigkeit von etwa 98,70 kg/mm2 oder mehr, eine 0,2-Grenze von etwa 76,50
kg/mmg oder mehr, und die Duktilität kommt in einer etwa 21a/eigen Dehnung zum Ausdruck.
Bei 730° C beträgt die endgültige Zugfestigkeit etwa 78,40 kg/mm2 oder mehr, die
0,2-Grenze beträgt etwa 68,25 kg/mm2 oder mehr, und die Duktilität zeigt sich in
etwa einer 21%igen Dehnung.
-
Die Zeitstandvecrsuche ergaben durch Extrapolation, daß die erfindungsgemäßen
Legierungen eine andauernde Belastung von etwa 53,20 kg/mm2 während 1000 Stunden
bei 650° C und eine Belastung von etwa 28,70 kg/mm2 während 1000 Stunden bei 730°
C aushalten, bevor sie brechen.
-
Im Vergleich damit zeigt eine bisher bekannte Legierung ähnlicher
Zusammensetzung, und zwar eine handelsübliche Legierung, bestehend aus etwa 440/0
Nickel, 34,5°/o Eisen, 12,8% Chrom, 5,7% Molybdän, 2,40/0 Titan, 0,45% Mangan, 0,230/0
Silizium, 0,03% Kupfer, 0,01% Schwefel und 0,0'4% Kohlenstoff, die folgenden mechanischen
Eigenschaften
| Tabelle 6 |
| Versuchstemperaturen (° C) |
| Raum ` |
| tempe- 650 730 |
| ratur |
| Zugfestigkeit, kg/mm2 ... 121,80 94,50 71,70 |
| 0,2-Grenze, kg/mm2 ..... 71,40 68,60 57,40 |
| Dehnung, 0/0 . . . . . . . . . . . . 19 20 11 |
Stangenförmige Proben aus diesem Material ergaben bei 1000 Stunden eine Zeitstandfestigkeit
von etwa 38,50 kg/mm2 bei 650° C und bei 1000 Stunden und einer Temperatur von 730°
C von etwa 21,00 kg/mm2.
-
Eine andere ähnliche, handelsübliche Legierung, die im wesentlichen
aus 261/o Nickel, 15% Chrom, 1,51/o Molybdän, 1,6'% Titan, 0,17% Aluminium, 0,2%
Vanadin, 0,05% Kohlenstoff und im übrigen im wesentlichen aus Eisen bestand:, besaß
die folgenden Eigenschaften
| Tabelle 7 |
| Versuchstemperaturen (° C) |
| Raum |
| tempe- |
| 650 730 |
| ratur |
| Zugfestigkeit, kg/mm2 ... 109,90 77,00 51,80 |
| 0,2-Grenze, kg/mm2 ..... 68,60 65,10 47,60 |
| Dehnung, °/o . . . . . . . . . . . . 25 10 10 |
Aus diesem Material hergestellte stangenförmige Proben besaßen eine Zeitstandfestigkeit
während 1000 Stunden von etwa -35,00 kg/mm2 bei 650° C und bei 730'° C während 1000
Stunden von etwa 16,10 kg/mm2.
-
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß die mechanischen
Eigenschaften-der erfindungsgemäßen Legierungen denen von bekannten, vergleichbaren
Legierungen weit überlegen sind. Ferner behalten die erfindungsgemäßen Legierungen
ihre Festigkeit bei erhöhten Temperaturen viel weitgehender bei als solche bekannten
Legierungen. Die erfindungsgemäßen Legierungen können leicht zu Blechmaterial verformt
und leicht geschweißt werden, wobei die Schweißstellen ihre Festigkeit und Duktilität
beibehalten. Da außerdem die erfindungsgemäßen Legierungen austenitisch sind, sind
sie bei erhöhten Temperaturen äußerst korrosionsbeständig.