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Verwendung einer im Vakuum erschmolzenen Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung
zum Herstellen von durch Schweißen zu verbindenden Teilen Warmverformbare, hitzebeständige
und zeitstandfeste Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen mit 4 bis 30'°/o Chrom, 0,5 bis
8% Titan, 0,3 bis 81/o Aluminium, 0 bis 55'% Kobalt, 0,001 bis 0,01% Bor, 0,01 bis
0,2 % Zirkon, 0 bis 40,1/9 Eisen, 0 bis 0,5 0/0 Kohlenstoff, 0 bis 20% Molybdän,
0 bis 5% Wolfram, 0,1% Mangan, 0 bis 2% Silizium und 0 bis 1'% Niob und/oder Tantal,
Rest Nickel sind aus der australischen Patentschrift 166814 bekannt. Ähnliche
Legierungen mit 10 bis 251/o Chrom, 1,8 bis 4,0% Titan, 0,5 bis 40/ö Aluminium,
0 bis 25'% Kobalt, 0 bis 10% Eisen, 0,03 bis 0,15'% Kohlenstoff, bis 1% Silizium,
bis 2% Kupfer, bis 10% Molybdän, bis 10'% Wolfram, bis 51/o Niob, Tantal und Vanadin
einzeln oder nebeneinander, bis 0,3% Zirkonium und bis 0,05 @% Bor, Rest Nickel
sind in der britischen Patentschrift 715140 beschrieben.
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Die vorerwähnten Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen bilden eine Ausscheidungsphase
vom Typ Nis (Ti, Al), die sich bei der Wärmebehandlung aus der festen Lösung ausscheidet
und insbesondere die Zeitstandfestigkeit der Legierungen verbessert. Die Zähigkeit
der bekannten Legierungen nimmt jedoch mit zunehmender Temperatur ab, wobei sich
im Temperaturbereich von 700 bis 850° C ein Minimum ergibt. Die Legierungen lassen
sich bis zu einer Blechdicke von etwa 3,5 mm bei mäßigen Anforderungen schweißen,
doch nimmt die Zähigkeit der Schweißung in dem vorerwähnten Temperaturbereich stark
ab, so daß ihre Dehnung bei hohen Temperaturen bis unter das zulässige Minimum von
5 bis 7 % abfällt.
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Zum Ausgleich des Zähigkeitsverlustes hat man auch bereits versucht,
die geschweißten Werkstücke nach dem Schweißen einer Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen
zu unterwerfen. Beim Schweißen von Blechen aus Legierungen der vorstehenden Zusammensetzung
beispielsweise für Düsen von Flugzeugturbinen treten jedoch besonders große Schwierigkeiten
auf, weil die geschweißten Teile bei den hohen Wärmebehandlungstemperaturen zum
Brechen oder Verziehen neigen. Häufig müssen jedoch auch eingebaute Teile durch
Schweißen ausgebessert werden, wobei keine Möglichkeit besteht, die reparierten
Teile im Anschluß an das .Schweißen einer besonderen Wärmebehandlung zu unterwerfen.
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Des weiteren hat sich das Schweißen unter schwierigen Einbau- und
Temperaturverhältnissen, wie sie beispielsweise beim Schweißen mit sich verzehrender
Elektrode unter Argon gegeben sind, als völlig undurchführbar erwiesen. Dies dürfte
auch für die aus der deutschen Auslegeschrift 1061521 bekannten austenitischen korrosions-
und hitzebeständigen Legierungen mit 30 bis 35"/o Nickel, 12 bis 15% Chrom, 5,5
bis 7,5'% Wolfram, 2,5 bis 5 % Molybdän, 1,5 bis 3'% Titan, bis 0,50-% Aluminium,
0,1 bis 0,50% Zirkonium, bis 0,10% Kohlenstoff, einem Höchstgehalt an Mangan, Silizium,
Schwefel und Phosphor von insgesamt 0,2%, Rest Eisen gelten, obgleich in der Auslegeschrift
über die Schweißbarkeit dieser Legierungen nichts ausgeführt ist. Schließlich ist
es nach »Metal Industry«, Bd.92 (1958), S.53 bis 66, auch bekannt, hitzebeständige
Legierungen der in Rede stehenden Art im Vakuum zu erschmelzen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand nun darin, eine
Legierung höchster Festigkeit, insbesondere hoher Zeitstandfestigkeit bei hohen
Temperaturen, wie sie beispielsweise in Gasturbinen auftreten, zu schaffen, die
schweißbar ist und beim Schweißen ihre Zähigkeit nicht verliert, so daß eine sich
an das Schweißen anschließende Wärmebehandlung
zur Wiedererlangung
ihrer Zähigkeit nicht erforderlich ist. Die Lösung dieser Aufgabe geht von der Feststellung
aus, daß, obgleich Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen üblicherweise an Luft erschmolzen
und dann durch Magnesium und/oder Calcium desoxydiert werden, die Restgehalte dieser
Desoxydationsmittel in der Größenordnung von beispielsweise 0,08 bis 0,012% das
Schweißmetall rissig machen und zu einer Versprödung der geschweißten Legierung
führen: Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, liegt der Gesamtgehalt an Calcium
und Magnesium erfindungsgemäß unter 0,0051/o, vorzugsweise unter 0,004% oder sogar
0,003%. Im einzelnen wird mit der Erfindung die Verwendung einer im Vakuum erschmolzenen
Nickel-Chrom-Kobalt-Legierung mit 18 bis 221/o Chrom, 10 bis 20% Kobalt, 3 bis 5,5119
Molybdän, 0,04- bis 0,1% Kohlenstoff, 2 bis 2,75% Titan,. 0,75 bis 1,30% Aluminium,
bis 0,005% Calcium und/oder Magnesium, 0,002 bis 0,1% Zirkonium, 0,001 bis 0,0041/o
Bor, bis 0,5 % Silizium, bis 1% Mangan, bis 5 % Eisen, Rest Nickel vorgeschlagen,
bei der die Gehalte an Titan und Aluminium so aufeinander abgestimmt sind, daß ihre
Summe 2,75 bis 3,50% und das Verhältnis von Titan zu Aluminium 1;75:.1 bis 2,80:
1 beträgt. Die überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich zu den
aus der deutschen Auslegeschrift bekannten ergibt sich aus ihrer besseren Zeitstandfestigkeit
im Temperaturbereich von 700 bis 850° C, wie zahlreiche Versuche ergeben haben.
Die Verwendbarkeit der bekannten Legierung ist dagegen auf den Temperaturbereich
bis etwa 730° C beschränkt.
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Um die Gehalte an Calcium und Magnesium in den Legierungen nach der
Erfindung so niedrig wie möglich zu halten, müssen die Rohmaterialien und insbesondere
der Umschmelzschrott sorgfältig ausgewählt werden. Andererseits sind jedoch Spuren
von Calcium und/oder Magnesium erforderlich, um in den Gußblöcken und dem Schweißmetall
die Bildung von Oxydfilmen und damit schadhafte Schweißengen zu vermeiden. Im allgemeinen
ist es nicht zu vermeiden, daß Spuren, beispielsweise 0,0005 bis 0,001% Calcium
und/oder Magnesium mit den Rohmaterialien in die Legierungen eingeführt werden,
so daß ein besonderer Zusatz dieser Elemente in der Regel nicht erforderlich ist.
Falls nötig, kann jedoch Calcium und Magnesium in Form von Calcium-Silizium- bzw.
Nickel-Magnesium in die Schmelze gegeben werden.
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Der - Kohlenstoffgehalt soll im Hinblick auf eine optimale Zeitstandfestigkeit
so niedrig wie möglich sein. Andererseits ist ein gewisser Kohlenstoffgehalt erforderlich,
um eine ausreichende Zähigkeit der Schweißverbindungen sicherzustellen. Es ergab
sich, daß beiden Bedingungen durch einen Kohlenstoffgehalt von 0;05 bis 0;08 1/o
genügt wird.
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Kobalt dient dazu, die Grundmasse der Legierengen zu verfestigen und
ihre Zeitstandfestigkeit bei hohen Temperaturen zu erhöhen.. Für eine optimale Zähigkeit
soll der Kobaltgehalt 15 % nicht überschreiten. Bei einem Kobaltgehalt von über
20% beginnt die nachzulassen: Die die Festigkeit am meisten begünstigenden Elemente
sind Titan und Aluminium. Ihr Einfuß wächst mit zunehmenden Anteilen- dieser Elemente,
doch wird durch sie die Zähigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen gleichzeitig
verringert. Die Verringerung der Zähigkeit wirkt sich dabei in der Schweißzone stärker
aus als in der Legierung selbst.
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Der Gesamtgehalt der Elemente Titan und Aluminium muß- daher so bemessen
sein, daß er- in- den engen Grenzen von 2,75 bis 3,51/o liegt und vorzugsweise 3,1%
nicht übersteigt. Dabei müß das -Verhältnis von Titan: Aluminium im Bereich von
1,75 bis 2,8 liegen. Durch die Steigerung des Verhältnisses von Titan zu Aluminium
wird bei einem gegebenen Gesamtgehalt an Titan und Aluminium die Zähigkeit der Legierung
erhöht. Wenn das Verhältnis von Titan zu Aluminium zu klein ist, dann reicht die
Zähigkeit nicht aus oder es entsteht--eine spröde Phase.
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Bor und Zirkon fördern beide die Zeitstandfestigkeit und Zähigkeit
der Legierungen bei hohen -Temperaturen. Der zulässige Bereich an Bär ist: jedoch
außerordentlich eng, da dies für :die Schweißbarken der Legierung von großer Wichtigkeit
ist. Wenn der Borgehalt 0,004'% übersteigt, dann neigt die Legierung beim Schweißen
dazu, rissig -zu Werden,.-1n-sbesondere bei dicken Querschnitten,. d. h. bei Querschnitten
über etwa 5 mm. Um sicherzustellen, daß der Höchstgehalt an. Bor 0,004o/ö-nicht.
übersteigt, darf die Auskleidung der Schmelzöfen kein Bor enthalten. Das Bor wird
dann vorzugsweise durch eine Legierung eingebracht, die nur wenig Bär enthält, z.
B. eine Legierung mit 4 % Bor und. 96 % Nickel, die ein optimales Ausbringen des
Bors.gewährleistet: Wenn die -Legierung. mehr als 0,1:0/ö Zirkon enthält, ist ein
Verschweißen der Legierung. ohne das Entstehen von Schweißrissen selbst bei Querschnitten
unter etwa 5 mm ausgeschlossen.
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Molybdän leistet einen besonders-wertvollen Bei trag zu den Eigenschaften
der Legierung. Es wurde festgestellt, daß die Legierung in Abwesenheit von Molybdän
-beim Verschweißen dicker Querschnitte im eingespannten Zustand selbst dann rissig
wurde wenn sie Calcium, Magnesium, Bor und Zirkon in den vorstehend angegebenen
Grenzen enthielt. So wies eine molybdänfreie Legierung, die 0,002°/o Calcium, 0,002%-
Magnesium, 0,004% Bor und 0,6 'P/o Zirkon enthielt und. mit den übrigen Elementen
innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen lag, beim Stumpfschweißen zweier eingespannter,
16 mm dicker Platten nach denn Sigma-Verfahren eine be= trächtliche Rißbildung auf.
Andererseits können in molybdän-, bor- und zirkonfreien Legierungen wesentlich größere
Anteile an Calcium und Magnesium, z. B. 0,02%, zugelassen werden; ohne daß Rißbildungen
an den Schweißengen auftreten, doch ist die Festigkeit dieser Legierungen geringer
als bei der Anwesenheit von Bor und Zirkon. Abgesehen davon, daß bei Anwesenheit
von Bor und Zirkon eine gute Schweißbarkeit der Legierung erzielt wird; steigert
Molybdän die Zeitstandfestigkeit der Legierung, und zwar in einer Weise, die sonst
nur durch die Steigerung des Gesamtgehaltes -an Titan -und Aluminium in einem Ausmaß
-erreicht werden würde, bei dem eine stärke Abnahme der Zähigkeit bei höheren Temperaturen
eintritt. -Um diese Vorteile zu erzielen, soll die Legierung mindestens 3 0/ü Molybdän
enthalten. Da mit Zunehmendem Gehalt an Molybdän jedoch die Korrosionsbeständigkeit
der Legierung beeinträchtigt wird, sollte der Gehalt an Molybdän 5,5110 nicht
über; schreiten, wobei das Optimum des Molybdängehaltes
bei 4 bis
4,5 % liegt. Das Molybdän kann ganz oder teilweise durch gleiche Atomprozente Wolfram
ersetzt werden. Praktisch sind in der Legierung Silizium, Mangan und Eisen nur als
Verunreinigungen enthalten. Diese Elemente sollten daher der Legierung nur vorsichtig
zugesetzt werden. Zur Erzielung guter Schweißbedingungen soll der Siliziumgehalt
der Legierung weniger als 0,3 % betragen.
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Die Legierung soll so weit wie möglich frei von Spurenelementen sein,
die ihre Zähigkeit bei hoher Temperatur beeinträchtigen. Zur Entfernung solcher
Elemente und um Legierungen von möglichst großem Reinheitsgrad zu erzielen, müssen
sie unter Vakuum erschmolzen und vorzugsweise auch vergossen werden. Um beim Schweißen
der Legierungen Schweißverbindungen von hoher Festigkeit und Bildsamkeit zu erzielen,
sollen die Legierungen dem Vakuum noch einige Zeit ausgesetzt bleiben, nachdem der
Schmelzvorgang beendet ist, und zwar vorzugsweise mindestens 10 bis 30 Minuten bei
einer Temperatur von mindestens 1500° C und unter einem Vakuum von nicht mehr als
0,5 mm Hg.
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Im Hinblick auf optimale technologische Eigenschaften müssen die Legierungen
durch ein Lösungsglühen bei 1050 bis 1150° C mit anschließender Luftabkühlung wärmebehandelt
werden. Die Glühdauer hängt vom Querschnitt der Teile ab. Bei Querschnitten bis
zu 5 mm soll der Glühzeit 2 bis 30 Minuten und bei dickeren Querschnitten 2 bis
8 Stunden betragen. An diese Behandlung schließt sich ein 2- bis 16stündiges Auslagern
bei 650 bis 850° C an. Wenn die Legierungen geschweißt werden sollen, dann müssen
sie vor dem Schweißen einem Lösungsglühen unterworfen werden. Ein Aushärten ist
vor dem Schweißen nicht erforderlich. Nach dem Schweißen braucht im allgemeinen
auch keine weitere Wärmebehandlung zu erfolgen. Wenn jedoch ein Maximum an Festigkeit
verlangt wird, dann empfiehlt es sich, an das Schweißen ein Aushärten anzuschließen,
das in einem 2- bis 16stündigen Glühen bei 650 bis 900° C besteht und vorzugsweise
im oberen Teil des Temperaturbereiches erfolgt.
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In nachstehender Zahlentafel 1 sind vier Legierungen gekennzeichnet,
von denen die Legierung Nr.1 eine Zusammensetzung nach der Erfindung aufweist, während
die Legierungen Nr. 2, 3 und 4 der Erfindung nicht entsprechen.
| Zahlentafel 1 |
| Legierung Nr. |
| 1 I 2 I 3 I 4 |
| in °/o |
| C ....... 0,04 0,07 0,1 0,08 |
| Cr ...... 19,1 18,6 18,8 18,7 |
| Co ...... 13,9 11,1 11,2 10,7 |
| Mo ..... 5,0 5,02 5,03 4,62 |
| Ti ...... 2,13 2,0 2,14 2,05 |
| Al...... 1,13 0,77 1,08 0,95 |
| Si ...... < 0,3 0,24 0,19 0,13 |
| Mn ..... < 0,05 < 0,03 0,03 < 0;02 |
| B ....... 0,003 < 0,001 < 0,001 < 0,001 |
| Zr ...... 0,06 0,02 0,02 < 0,02 |
| Fe ...... Spuren 0,28 0,25 0,17 |
| Ca ...... < 0,002 < 0,002 0,002 < 0,002 |
| Mg ..... < 0,002. < 0,002 0,002 < 0,002 |
| Ni ...... Rest Rest Rest Rest |
Die vier Legierungen wurden aus jungfräulichen Rohmaterialien ohne Schrottzusatz
hergestellt. Die Legierung Nr.1 wurde bei mindestens 1500° C unter Vakuum erschmolzen,
bei einem Druck von 0,001 mm Hg 40 Minuten im schmelzflüssigen Zustand gehalten
und dann unter Vakuum vergossen. Das Einschmelzen der Legierungen Nr. 2, 3 und 4
fand an Luft statt. Nach dem Aufschmelzen wurden die Legierungen in einen Vakuumofen
gebracht, dort im geschmolzenen Zustand bei 1520 bis 1580° C 30 Minuten unter einem
Druck von 0,3 mm Hg gehalten und dann an Luft vergossen.
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Die aus den Legierungen gegossenen Blöcke wurden durch Schmieden und
Warmwalzen zu Blechen einer Dicke von 1,2 mm verarbeitet und die Bleche anschließend
einem Lösungsglühen unterzogen. Dabei wurde die Legierung Nr. 1 8 Minuten bei 1150°
C und die Legierungen Nr. 2, 3 und 4 5 Minuten lang bei der gleichen Temperatur
geglüht. Die Proben wurden bei 750° C unter einer Belastung von 26,7 kg/mm2 auf
ihre Zeitstandfestigkeit untersucht. Teile der wärmebehandelten Bleche wurden ohne
Zusatzschweißstoff unter Argon-Schutzgas stumpfgeschweißt, 4 Stunden bei 750° C
ausgehärtet und unter den gleichen Bedingungen nochmals geprüft. Dabei wirkte die
Last quer zur Schweißverbindung. Die Ergebnisse dieser Versuche sind aus nachstehender
Zahlentafel 2 zu erkennen.
| Zahlentafel 2 |
| Legie- Ungeschweißte Proben Geschweißte Proben |
| rung Lebensdauer Dehnung Lebensdauer Dehnung |
| bis zum Bruch bis zum Bruch |
| Nr. in Stunden |
| % in Stunden |
| % |
| 1 220 4,1 198 3,2 |
| 2 177 3,9 36 5,5 |
| 3 122 4,3 0,7 1,4 |
| 4 203 4,1 35 3,0 |
In die Zahlentafel 3 sind die Ergebnisse von Zugversuchen wiederum an ungeschweißten
und geschweißten Proben bei 750° C eingetragen. Auch hier wirkte die Last quer zur
Schweißverbindung.
| Zahlentafel 3 |
| Legierung Ungeschweißte Proben Geschweißte Proben |
| Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung Zugfestigkeit Streckgrenze
Dehnung |
| Nr. kg/mm2 kg/mm2 % kg/mm2 kg/mm2 0/0 |
| 1 72,3 53,5 11 75,5 51,9 9 |
| 2 72,3 56,6 9 61,2 45.,5 5 |
| 3 70,6 56,6 10 66,0 55,0 4 |
| 4 58,1 39,3 17 67,6 51,9 5 |
Die Ergebnisse aus den Zahlentafeln 2 und 3 zeigen, daß die Zugfestigkeit der Legierung
Nr. 1 im geschweißten Zustand nur geringfügig unter der im üngeschweißten Zustand
liegt und die Legierung im geschweißten Zustand einen Dehnungsabfall von nur etwa
2% aufweist. Demgegenüber besitzen die anderen Legierungen eine merklich geringere
Lebensdauer bis zum Bruch und auch eine geringere Dehnung im geschweißten Zustand.
Die Legierungen enthielten sämtlich weniger als 0,001% Bor.
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Ein Vergleich der Eigenschaften der Legierungen Nr. 2, 3 und 4 zeigt
auch den Einfluß des Gesamtgehaltes der Legierungen an Titan und Aluminium. Die
Zugfestigkeit und die Dehnung der Legierung Nr. 3 mit einem Gesamtgehalt an Titan
und Aluminium von mehr als 3,1% verschlechtert sich beim Schweißen in wesentlich
größerem Maße als diejenigen der Legierungen Nr. 2 und 4, die Titan und Aluminiumgehalte
von weniger als 3,1% aufwiesen.
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Die Legierungen Nr. 1 und 2 wurden auch einer Dauerschwingungsbeanspruchung
in der Wärme unterworfen, und zwar bei einer Last von 12,6 kg/mm2 und einer Temperatur
von max. 780° C. Unter diesen Bedingungen hielt eine geschweißte und ausgehärtete
Probe aus der Legierung Nr. 1 4000 Lastwechsel aus, während eine gleichartige Probe
aus der Legierung Nr. 2 bereits nach 800 Lastwechseln brach.
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Die Legierungen nach der Erfindung sind vornehmlich für Bleche geeignet.
Sie können aber auch mit ähnlichem Vorteil nach einer anderen Verarbeitungsform
Verwendung finden. Besondere Brauchbarkeit weisen sie bei der Herstellung von durch
Schweißen zusammengesetzten Teilen auf, z. B. bei aus Blechen bestehenden Gegenständen,
die durch Anschweißen von geschmiedeten Teilen versteift werden müssen.