DE1239107B

DE1239107B - Legierung auf Eisen-Nickel-Kobalt-Basis mit einem im ausgehaerteten Zustand von der Temperatur im wesentlichen unabhaengigen Elastizitaetsmodul

Info

Publication number: DE1239107B
Application number: DEJ24605A
Authority: DE
Inventors: Herbert Louis Eiselstein; James Kermit Bell
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1962-10-22
Filing date: 1963-10-21
Publication date: 1967-04-20

Description

Legierung auf Eisen-Nickel-Kobalt-Basis mit einem im ausgehäfteten Zustand von der Temperatur im wesentlichen unabhängigen Elastizitätsmodul Die Erfindung bezieht sich auf eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, die außerdem Niob und/oder Tantal enthalten muß und im ausgehärteten Zustand einen über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen konstanten Elastizitätsmodul besitzt.
Das Verhalten vieler Gegenstände, beispielsweise von Federn und Vibrationselementen, über einen großen Temperaturbereich ist deutlich vom Temperaturkoeffizienten abhängig. Zur Kennzeichnung der aus der Thermoelastizität und der Wärmedehnung resultierenden Einflüsse dient der sogenannte thermoelastische Koeffizient (TEC). Dieser thermoelastische Koeffizient entspricht der Summe aus dem Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls und der linearen Wärmeausdehnung. Soll ein schwingendes Element eine konstante Resonanzfrequenz oder eine Feder eine konstante Durchbiegung je Belastungseinheit über einen bestimmten Temperaturbereich besitzen, dann muß der thermoelastische Koeffizient für diesen Temperaturbereich Null sein.
Es sind bereits Legierungen bekannt, bei denen der thermoelastische Koeffizient in einem Bereich von Raumtemperatur bis etwa 157° C im wesentlichen konstant bleibt. Bei höheren Temperaturen sind diese Legierungen jedoch nicht mehr verwendbar. Aus der britischen Patentschrift 364 696 ist auch eine Legierung mit konstantem Ausdehnungskoeffizienten bekannt, die 23 bis 53 % Nickel, weniger als 34 % Kobalt, weniger als 2% Titan und 46 bis 70% Eisen enthält.
Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine aushärtbare Legierung mit bis zu 500° C konstantem thermoelastischem Koeffizienten und hoher Zugfestigkeit zu schaden, deren thermoelastischer Koeffizient von der Zusammensetzung bestimmt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aushärtbare Legierung mit mindestens 16% Nickel, mindestens 12,5 % Kobalt, mindestens einem der Elemente Niob und Tantal in Gehalten von 0 bis 6% Niob und 0 bis 12% Tantal, 0,5 bis 1,5% Titan, je 0 bis 1% Silizium, Mangan und Aluminium, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 0 bis 0,1% Kalzium, Rest mindestens 31% Eisen, wobei die Gehalte an Nickel und Kobalt der Gleichung 1,235 Ni -f- Co = 55,8 bis 66,8 und die Gehalte in Niob und Tantal der Gleichung Nb -f- 0,5 Ta = 2,4 bis 6 genügen. Der Tantalgehalt beträgt 1 bis 20 0/0, vorzugsweise 5 bis 15 % des Gesamtgehaltes an Niob und Tantal. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Legierung auch die üblichen B egleitelemente in ihre Eigenschaften nicht beeinträchtigenden Mengen wie bis 1% Kupfer, bis 0,05 % Schwefel und bis 0,05 0/0 Phosphor enthalten. Chrom, Molybdän und Wolfram beeinträchtigen die thermoplastischen Eigenschaften der Legierung, so daß der Höchstgehalt jedes dieser Elemente unter 1% liegen muß. Bei der erfindungsgemäßen Legierung beträgt der Höchstgehalt an Nickel 44% und der Höchstgehalt an Kobalt 470/0. Titan und Aluminium steigern die Aushärtbarkeit und die Festigkeit der Legierung, so daß der Titangehalt 0,5 bis 1% und der Aluminiumgehalt 0 bis 1%, vorzugsweise 0,25 bis 0,751/o betragen sollen.
Vor der Kaltverformung oder Bearbeitung der erfindungsgemäßen Legierung findet ein Glühen bei 760 bis 1150° C je nach Abmessung des Werkstückes statt. Daraufhin werden diese Werkstücke rasch abgeschreckt und bei 595 bis 705° C ausgehärtet.
Um der Legierung einen über einen weiteren Temperaturbereich konstanten thermoelastischen Koeffizienten zu verleihen, ist es vorteilhaft, das Aushärten bei 590 bis 705° C während einer Dauer von 4 bis 24 Stunden durchzuführen. Im ausgehärteten Zustand besitzt diese Legierung eine hohe Festigkeit und einen bis mindestens 315°C im wesentlichen konstanten thermoelastischen Koeffizienten. Die thermoelastischen Koeffizienten von geglühten und ausgehärteten Legierungen nach der Erfindung bewegen sich in einem Bereich von etwa -90. 10-6/IC bis etwa 225 - 10-6/°C. Um eine Legierung mit negativem thermoelastischem Koeffizienten zu erzeugen, muß der Gleichgewichtsindex, d. h. der Wert (1,235 Ni -I- Co) in dein Bereich von 55,8 bis 66,8, verhältnismäßig hoch liegen, während. Legierungen mit einem positiven thermoelastischen Koeffizienten niedrigere Gleichgewichtsindizes aufweisen müssen.
Die Erfindung gestattet es, durch Wahl der Zusammensetzung und Wärmebehandlung eine Legierung zu erzeugen, die im ausgehärteten Zustand einen vorbestimmten thermoelastischen Koeffizienten aufweist. Wird der Gleichgewichtsindex der Legierung von 55,8 auf 66,8 erhöht, dann ändert sich der thermoelastische Koeffizient der geglühten und ausgehärteten Legierung entsprechend von etwa 225-10-6/IC bis etwa -90-10-6/'C innerhalb etwa ±36-1Q 6/' C entsprechend der Gleichung TEC = 29,3 (63,5 - X) - 10-6/o C In dieser Gleichung stellt X den Gleichgewichtsindex dar. Bei einer genaueren Einstellung des thermoelasti.schen Koeffizienten muß darauf geachtet werden, daß ein erhöhter Titangehalt dazu neigt, den thermoelastischen Koeffizienten geringfügig in positive Richtung zu verschieben, und daß ein Aushärten bei einer Temperatur nahe der oberen Grenze von 7051 C einen thermoelastischen Koeffizienten ergibt, der positiver ist als ein durch Aushärten bei niedrigerer Temperatur bestimmter Koeffizient. Die Kaltverformung der ausgehärteten Legierungen führt je nach der Kaltverfestigung zu einem mehr negativen Koeffizienten und zu einer geringen Erhöhung der Abknicktemperatur. Um den Einfluß der Kaltverformung auszugleichen, kann die Aushärttemperatur gesteigert oder zwischen der Kaltverformung und dem Aushärten eine einstündige Wärmebehandlung bei 815 bis 870° C mit raschem Abkühlen vorgenommen werden.
Wenn eine Legierung nach der Erfindung mit einer etwa 45%igen Querschnittsabnahme kaltverformt und anschließend bei etwa 650° C ausgehärtet werden muß, dann soll ihr Kobaltgehalt vorzugsweise 12,5 bis 28 0io und der Gleichgewichtsindex 57 bis 65,5 betragen. Dabei kann der genaue Gleichgewichtsindex für den geforderten thermoelastischen Koeffizienten aus der Beziehung TEC = 20,9 (61,2 - X) -10-6/o C errechnet werden. Bei einer Legierung, die nach der Kaltverformung mit einer Querschnittsabnahme von etwa 45% und dem Aushärten einen thermoelastischen Koeffizienten aufweist, der bis mindestens 385° C nicht größer ist als 90 - 10-E/° C, muß der Kobaltgehalt der Legierung 12,5 bis 28 % betragen und der Gleichgewichtsindex im Bereich von 60,4 bis 65,5 liegen. Der Nickelgehalt einer solchen Legierung muß mindestens 26,2% betragen.
Wenn dagegen eine Legierung ohne Kaltverformung im ausgehärteten Zustand einen thermoelastischen Koeffizienten von beispielsweise höchstens 90 - 10-6/°C aufweisen soll, dann muß der Gleichgewichtsindex im Bereich von 60,4 bis 66,8 liegen. Soll der thermoelastische Koeffizient jedoch etwa Null sein, d. h. nicht größer als 36 - 10-6/° C, dann muß der Gleichgewichtsindex im Bereich von 62,2 bis 64,8 liegen. Liegt der Gleichgewichtsindex bei 60,4 bis 66,8, dann beträgt die Abknicktemperatur der Legierung mindestens 385° C.
Legierungen mit höherem, im Bereich von 90 -10-6-° C bis 225 - 1.0-61° C liegenden thermoelastischem Koeffizienten erhält man durch Einstellen des Gleichgewichtsindex auf 55,8 bis 60,4. Derartige Legierungen sind brauchbar für Zwecke, bei denen die Steifigkeit mit der Temperatur zunehmen oder die Thermoelastizität anderer Teile kompensiert werden soll.
Eine bevorzugte Legierung nach der Erfindung enthält mindestens 16 % Nickel und mindestens 24 0/0 Kobalt. Sie hat einen Gleichgewichtsindex von 62,2 bis 64,8. Diese Legierung besitzt im geglühten und ausgehärteten Zustand einen thermoelastischen Koeffizienten von etwa Null und eine Abknicktemperatur, die über 480° C liegt.
Die Legierung nach der Erfindung besitzt im ausgehärteten Zustand bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von mindestens 88 kg/mm- und eine Zeitstandfestigkeit von mindestens 10 Stunden bei einer Zugbelastung von 63 kg/mm° und 480' C. Höhere Zugfestigkeiten und höhere Zeitstandfestigkeiten lassen sich durch ein Einstellen des Niob- und/oder Tantalgehaltes nach der Gleichung (Nb -I- 0,50i0 Ta) = 3 bis 6% erreichen. Eine noch höhere Zugfestigkeit ergibt sich, wenn (Nb -I-- 0,5 Ta) = 4,5 bis 6,00/9 beträgt.

Nachstehende Zahlentafel enthält zehn Legierungen nach der Erfindung und veranschaulicht auch die Zusammensetzung von zwei Legierungen A und B, von denen man bisher annahm, daß ihr Elastizitätsmodul bereits über einen unerwartet großen Temperaturbereich konstant sei.

Zahlentafel

Legierung Zusammensetzung in Gewichtsprozent

Ni I Co I Fe 1) Nb + Ta s) I Ti I A1 I C I Cr

1 20,0 33,4 Rest f 4,7 0,8 0,6 0,02 -

2 33,6 14,7 Rest 3,3 0,7 0,6 0,01 -

3 25,7 25,5 Rest 4,8 0,7 0,7 0,02 -

4 34,0 14,8 Rest 5,1 0,7 0,6 0,02 -

5 33,4 17,3 Rest 5,2 1 5 0,6 0,02

6 [ 20,7 35,1 Rest 5,1 0,7 0,6 0,01

(Fußnoten am Schluß der Tabelle.)

(Fortsetzung)

. Legierung Zusammensetzung in Gewichtsprozent

- Ni Co Fe 1) Nb -h Ta 2) I Ti I Al I C I Cr

7 25,6 30,1 Rest 5,0 0,6 0,6 I 0,02 -

8 33,2 22,1 Rest 2,7 1,5 0,6 0,02 -

9 16,2 42,6 Rest 4,6 0,6 0,3 0,02 -

10 36,3 18,2 Rest 2,6 1,5 0,5 0,02 -

11 36,1 18,2 Rest 5,2 0,5 0,6 0,01 -

12 39,1 14,9 Rest 5,3 0,7 0,6 0,01 -

13 39,0 15,2 Rest 3,3 0,7 0,6 0,02 -

14 32,9 22,1 Rest 5,3 0,5 0,6 0,01 -

15 20,4 40,1 Rest 5,2 0,7 0,5 0,02 -

16 33,1 24,8 Rest 3,3 0,7 0,6 0,02 -

17 33,2 25,2 Rest 5,2 0,7 0,6 0,01 -

18 25,3 35,4 Rest 5,1 0,7 0,6 0,01 -

19 36,1 22,2 Rest 5,4 1,4 0,6 0,01 -

A Rest - 6,8 1,0 2,5 0,8 0,05 15,1

B 42,5 - Rest - 2,4 0,4 0,02 5,0

1) Der Rest der Legierungen 1 bis 19 schließt 0,5% Silizium, 0,4% Mangan, 0,03 % Kupfer und 0,03 bis 0,13 % Schwefel

ein.

2) In sämtlichen Legierungen beträgt der Tantalgehalt etwa 5 bis 15% des Gesamtgehaltes an Niob und Tantal.

In der Zeichnung ist der Elastizitätsmodul der Legierungen Nr. 11, A und B dargestellt. Man sieht, daß der Elastizitätsmodul der Legierung 11 im Gegensatz zu den Legierungen A und B praktisch konstant und die geringfügige Abweichung über den Temperaturbereich Raumtemperatur bis 425° C gleichmäßig bleibt.

Die thermoelastischen Koeffizienten und die Abknicktemperatur der in der Zahlentafel verzeichneten Legierungen wurden durch Messung der Resonanzfrequenzen einer querschwingenden Probe ermittelt. Die in der Zahlentafel veranschaulichten Werte sind bei der niedrigsten Temperatur von 27° C ermittelt worden. Die thermoelastischen Koeffizienten der Legierungen nach der Erfindung ändern sich bei niedrigen Temperaturen nicht wesentlich. So wurde z. B. der thermoelastische Koeffizient der Legierung Nr. 13 über ein Temperaturgebiet von -73° bis -440° C bestimmt und mit 40 - 10-07° C ermittelt.

Claims

Patentansprüche: 1. Legierung auf Eisen-Nickel-Kobalt-Basis, die im ausgehärteten Zustand einen von der Temperatur im wesentlichen unabhängigen Elastizitätsmodul aufweist, bestehend aus 16 bis 441/o Nickel, 12,5 bis 471/o Kobalt, mit der Maßgabe, daß die Nickel- und Kobaltgehalte die Beziehung 1,235 Ni -I- Co = 55,8 bis 66,8 erfüllen, 0,5 bis 1,5% Titan, je 0 bis 1% Silizium, Mangan und Aluminium, 0 bis 0,2% Kohlenstoff, 0 bis 0,1% Kalzium, 0 bis 6% Niob und 0 bis 12% Tantal, einzeln oder gemeinsam wobei jedoch entweder Niob oder Tantal anwesend sein muß und ihre Gehalte der Beziehung Nb -I- 0,5 Ta = 2,4 bis 6 genügen müssen, Rest mindestens 31% Eisen sowie erschmelzungsbedingte Begleitelemente von bis zu 1% Kupfer, bis zu 0,05% Schwefel, bis zu 0,05% Phosphor und je bis zu unter 1'°/o Chrom, Molybdän und Wolfram.
2. Legierung nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß bei Anwesenheit von Tantal und Mob der Gehalt an Tantal 1 bis 20 % des Gesamtgehaltes an Tantal und Mob beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 364 696.