DE1608222C - Verwendung einer warmfesten aussehet dungshartenden Kobalt Nickel Chrom Eisen Legierung als Werkstoff fur Federn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer warmfesten ausscheidungshärtenden Kobalt-Nickel-Chrom-Eisen-Legierung als Werkstoff für Federn, die bis zu Temperaturen von 600⁰C und mehr einsetzbar sind.

Für Gegenstände und Teile, die bei hohen Temperaturen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, sind Werkstoffe erforderlich, die sich durch ihre Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Zusätzlich haben Werkstoffe zur Herstellung stark beanspruchter Federn, Federsysteme und Vibrationselemente der Forderung nach günstigen elastischen Eigenschaften sowie nach ausreichender Dauerwechselfestigkeit bis zu möglichst hohen Temperaturen zu genügen. Federlegierungen sollen ferner eine möglichst geringe elastische Nachwirkung besitzen, keiner Alterung unterliegen und verschleißfest sein. Schließlich wird, insbesondere in der Feinwerktechnik, häufig die Bedingung gestellt, daß der zu verwendende Federwerkstoff nicht ferromagnetisch ist.

Um der Forderung nach Warmfestigkeit zu entsprechen, sind bereits zahlreicheausscheidungshärtende Legierungen auf Nickel-Basis vorgeschlagen worden (Werkstoff-Handbuch »Nichteisen-Metalle«, 2. Auflage, 1960, Abschnitt III Ni/5, S. 1 bis 7). Diese Werkstoffe enthalten in der Regel Nickel, Chrom und Eisen als Hauptkomponenten, härtesteigernde Zusätze wie Molybdän, Wolfram oder Niob und außerdem einen die Aushärtung bewirkenden Bestandteil wie beispielsweise Titan. Der Forderung nach günstigen elastischen Eigenschaften unter statischer und dynamischer Beanspruchung sowie nach niedriger mechanischer Hysterese selbst bei hohen Anwendungstemperaturen genügen diese Werkstoffe indessen nicht. .

Aus der deutschen Patentschrift 723 911 ist auch schon bekannt, für Werkstücke, die bei hohen Temperaturen eine geringe Dehngeschwindigkeit bzw. eine hohe Kriechgrenze besitzen müssen, Legierungen zu verwenden, die aus 50 bis 70 7o Kobalt und Nickel, aber mindestens 15 °/₀ Kobalt, 12 bis 25 % Chrom, 2,5 bis 15% Molybdän oder Wolfram, einzeln oder zusammen, 0 bis 30% Eisen und einem oder mehreren der Elemente Titan (0,3 bis 12%. insbesondere bis 5%), Tantal (bis 15%), Niob (bis 15%), Thorium (bis 8 7o> insbesondere bis 5 %) sowie gegebenenfalls bis 1 % an üblichen Desoxydations- und Verarbeitungszusätzen, nämlich Silicium, Magnesium, Mangan, Beryllium, Aluminium, Alkali- und Erdalkalimetallen, be-' stehen.

Um die erstrebte Warmfestigkeit zu erzielen, wird eine Härtung durch Kaltverformung bzw. eine Hochtemperaturvorglühung vorgesehen. Dieser Druckschrift ist jedoch nicht zu entnehmen, daß die genannten Legierungen auch bis zu Temperaturen von 600° C und darüber noch elastisch bleiben, so daß sie bis zu diesen Temperaturen als Federwerkstoff eingesetzt werden können.

Zum Stand der Technik gehören ferner nicht ferromagnetische warmfeste Federlegierungen auf Kobalt-Basis mit einem Kobalt-Anteil von 38 bis 45 7o> einem Nickel-Gehalt von 16 bis 26%. einem Chrom-Gehalt von 12 bis 21 ⁰I₀, einem Eisen-Anteil von 5 bis 16 °/₀ und einem Molybdän- und Wolfram-Anteil von zusammen 6 bis 10°/₀; als Aushärtungszusatz enthalten diese Werkstoffe Titan oder Titan und Beryllium, und zwar rund 1 ⁰J₀ Titan und gegebenenfalls einige Zehntel Prozent Beryllium (»Zeitschrift für Metallkunde«, Bd. 57, Jahrgang 1966, S. 635).

Im hart ausgehärteten Zustand fallen die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul derartiger Kobalt-Legierungen mit Titan- und Beryllium-Zusatz bis zur Dauerverwendungstemperatur von 450⁰C nur um knapp 157o gegenüber dem Wert ab, den diese Werkstoffkenngrößen bei Raumtemperatur aufweisen (Tabelle 1; F i g. 1 und 2: Legierung A). Die Federkraft einer aus diesem Werkstoff gefertigten Feder, weiche dauernd einer Temperatur von 450°C ausgesetzt wird, geht also bei dieser Temperatur nur um rund ¹I₁ ihres Wertes bei Raumtemperatur zurück, wobei diese Änderung reversibel ist.

Obgleich solche Federlegierungen demnach bereits hohen mechanisch-thermischen Beanspruchungen genügen, reichen sie aber nicht aus, wenn bis zu Temperaturen von 600°C und mehr günstige Federeigenschaften und eine hohe Korrosionsbeständigkeit gefordert werden.

Erfindungsgemäß werden diese Anforderungendurch die Verwendung einer warmfesten ausscheidungshärtenden Kobalt-Nickel-Chrom-Eisen-Legierung erfüllt, die aus

38	bis	45%	Kobalt,
22	bis	28%	Nickel,
10	bis	14%	Chrom,
5	bis	10%	Eisen,
3	bis	5%	Molybdän,
3	bis	5%	Wolfram,
1,6	bis	4%	Titan,
0,4	bis	2%	Aluminium,
0,3	bis	1,5%	Mangan,
0,2	bis	1,5%	Silizium und
weniger als 0,1%	Kohlenstoff

δο besteht.

In der nachstehenden Tabelle sind eine zum Stand der Technik gehörende warmfeste Federlegierung auf Kobalt-Basis mit Beryllium-Zusatz (Legierung A), drei nur einen Titanzusatz enthaltende Legierungen (Legierungen B bis D) und acht erfindungsgemäß zu verwendende Legierungen mit Titan- und Aluminium-Zusatz (Legierungen E bis M) aufgeführt. Von diesen Legierungen wurden nach einer Homogenisierungsglühung

bei 1100 bzw. 1150⁰C 1 mm dicke Blechstreifen hergestellt, wobei der Schlußverformungsgrad 80 bzw. 60% betrug. Die Aushärtung wurde bei 550, 600 und 700⁰C vorgenommen, die Anlaßzeit betrug jeweils einige Stunden, vornehmlich 2 bis 4 Stunden. Bei einer Reihe von Proben wurde außerdem die Aushärtung aus dem homogenisierten Zustand, also ohne vorherige Kaltverformung, durchgeführt.

Tabelle

Warmfeste Federlegierungen auf Kobalt-Basis Zusammensetzung in Gewichtsprozent

Legierung

Co	Ni	Cr	Fe	Mo	W	Be	Ti	Al	Mn	Si
41,50	25,80	12,0	10,0	4,0	3,9	0,25	1,0		0,90	0,50
41,80	26,00	12,05	9,95	4,11	3,84	—	0,83	—	0,57	0,60
41,60	25,95	12,05	9,75	4,19	3,87	—	1,02	—	0,71	0,56
41,60	25,95	12,15	9,20	4,42	3,87	—	1,55	—	0,77	0,56
41,45	25,95	12,15	8,20	4,19	3,92	—	1,95	0,73		—
41,00	26,50	12,05	8,70	3,95	3,90	.—	2,00	0,63	0,90	0,53
41,40	26,95	11,50	7,35	4,18	4,00	—	2,24	0,68	0,98	0,82
41,70	26,10	12,10	8,10	4,10	3,74	—	1,9	1,10	0,83	0,64
41,60	26,10	12,10	7,30	4,07	3,74		2,28	1,28	0,83	0,58
41,60	26,0	12,10	6,65	4,13	3,77	—.	2,84	1,40	0,84	0,57
41,8	25,9	12,2	5,9	4,12	3,77	—	3,24	1,68	0,85	0,57
41,8	26,1	12,1	5,25	3,92	3,77	—	3,8	1,77	0,83	0,58

A .
B .
C .
D .
E .
F .
G .
H.
J .
K.
L .
M.

<0,05
0,01
0,007
0,01

0,02

Überraschenderweise hat die Untersuchung der technologischen, physikalischen und physikalisch-chemischen Werkstoff-Kenngrößen ergeben, daß durch die Erhöhung des Titangehaltes von etwa 1 °/o ^auf 1,6 bis 4°/₀ und die Verwendung von Aluminium in einer Konzentration von 0,4 bis 2°/o ^an Stelle des in hochwertigen Federlegierungen gebräuchlichen, aushärtungsbestimmenden Elementes Beryllium nicht nur die elastischen Eigenschaften dieser Werkstoffe erhalten bleiben, sondern sich ihre Dauerverwendungstemperatur beträchtlich erhöht.

Der Aushärtungsvorgang in den erfindungsgemäß zu verwendenden titan- und aluminiumhaltigen Federlegierungen auf Kobalt-Basis (Legierungen E bis M) ist gegenüber dem der beryiliumhaltigen Federlegierung (Legierung A) völlig verändert: An Stelle von Guinier-Preston-Zonen und aushärtungsverursachenden dünnen Ausscheidungen parallel zu {100]-Ebenen (»Zeitschrift für Metallkunde«, Bd. 57, Jahrgang 1966, S. 635 bis 641) treten in den Kobalt-Legierungen mit Aluminium- und erhöhtem Titanzusatz Ausscheidungen der kubisch-flächenzentrierten y'-Phase und — vornehmlich nach Aushärtung aus dem kaltverformten Zustand — parallel zu {lll}-Ebenen angeordnete Primärausscheidungen der hexagonalen ?7-Phase auf.

Beryllium- und aluminiumfreie Federlegierungen auf Kobalt-Basis mit einem Titangehalt zwischen 0,8 und 1,55 Gewichtsprozent (Legierungen B, C und D) härten hingegen aus dem weichen Zustand nur geringfügig aus.

F i g. 1 zeigt die Kurzzeit-Warmzerreißfestigkeit der vorbekannten Legierung A und der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung F im harten, maximal vergüteten Zustand. Zum Vergleich ist deren normierte Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur aufgetragen. Dem Kurvenverlauf ist zu entnehmen, daß die Zugfestigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung selbst bei 600⁰C nur um rund 2O°/o ihres Wertes bei Raumtemperatur abfällt.

Die Streckgrenze der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen erreicht im maximal vergüteten Zustand bis über 99 % des jeweiligen Zugfestigkeitswertes. Beispielsweise betrug die Streckgrenze eines 7,5 mm dicken Stabes der Legierung M im hart ausgehärteten Zustand 236 kp/mm² und die zugehörige Zugfestigkeit 238 kp/mm².

Die Federbiegegrenze σ^ε nach DIN 50 151 wurde an einer hart ausgehärteten Probe der Legierung G zu GbE = 160 kp/mm² ermittelt. Im Dauerschwingversuch ergab sich an 0,8 mm dicken, hart ausgehärteten Proben der Legierung G bei 3 · 10 Lastspielen eine Biegewechselfestigkeit von Obxv = ±38 kp/mm².

Der Elastizitätsmodul der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen verringert sich annähernd linear mit wachsender Temperatur. Er beträgt im Falle der Legierungen F und G bei 600° C rund 18 500 kp/ mm² gegenüber 22 000 kp/mm² bei Raumtemperatur, so daß die Kraft einer mittels dieser Legierung gefertigten Feder bei 600° C nur um etwa Ve kleiner ist als bei Raumtemperatur; auch diese Veränderung hat sich als reversibel erwiesen.

F i g. 2 zeigt die an hart und weich ausgehärteten Proben der Legierung A und der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen L und M ermittelte Vickers-Härte nach verschiedenen Glühzeiten (1 bzw. 100 Stunden) in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Verlauf der »Erweichungskurven« veranschaulicht die erhebliche Verbesserung, die durch einen bestimmten Titan- und Aluminium-Zusatz erreicht wird: Gegenüber der beryiliumhaltigen Federlegierung A erhöht sich die Erweichungstemperatur um mehr als 200⁰C. Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, insbesondere die Legierungen mit erhöhtem Titan- und Aluminiumgehalt, auch ein wesentlich günstigeres Aushärtverhalten aus dem weichen Zustand. Während die Legierung A in weich ausgehärtetem Zustand nur eine Vickers-Härte von 275 kp/mm² erreicht, beträgt die Vickers-Härte der weich ausgehärteten Legierungen L und M 375 kp/mm². Die Aushärtung aus dem weichen Zustand führt bei den Ti- und Al-haltigen Legierungen auch zu einer höheren Anlaßbeständigkeit. So fällt die Härte weich ausgehärteter Proben der Legierungen L und M selbst bei 160stündiger Erwärmung bei 800⁰C noch nicht ab.

Alle erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind nicht ferromagnetisch und besitzen eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Wegen der auch bei Temperaturen bis wenigstens 600⁰C noch günstigen elastischen Eigenschaften eignen sie sich insbesondere zur Herstellung stark mechanisch-thermisch belasteter Federn, Federsysteme und Vibrationselemente, wie beispielsweise Blatt-, Schnapp-, Schrauben- und Spiralfedern oder Spannbänder, Spanndrähte, Membranen und Bourdonsysteme.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung einer warmfesten ausscheidungshärtenden Kobalt-Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, bestehend aus

   38 bis 45 7o Kobalt, 22 bis 28% Nickel, 10 bis 14% Chrom, 5 bis 10 % Eisen, 3 bis 5% Molybdän, 3 bis 5% Wolfram, 1,6 bis 4% Titan, 0,4 bis 2% Aluminium, 0,3 bis 1,5% Mangan, 0,2 bis 1,5% Silizium, weniger als 0,17o Kohlenstoff,

   als Werkstoff für Federn, die bis zu Temperaturen von 600⁰C und mehr einsetzbar sind.