DE2420362A1

DE2420362A1 - Festloesungsgehaertete austenitlegierungen

Info

Publication number: DE2420362A1
Application number: DE2420362A
Authority: DE
Inventors: Yositaka Chiba; Rikizo Watanabe
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1973-05-30
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1974-12-19
Also published as: DE2420362B2; DE2420362C3; GB1471958A; SE415279B; JPS5018315A; SE7405726L; US3937628A

Description

Patentanwälte - . * _{n o} ο _o

Dlpt.-Ing. R₁BHETZ sen. £. U₁ L U O O L

Dlpl-Ing. K. LAMPRECHT

Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr. t M α η oh· η 22, SMradorfttr. If

81-22.539P 26. 4. 1974

HITACHI METAIS, LTD., Tokio (Japan)

Festlösungsgehärtete Austenitlegierungen

Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen mit ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit und guter Verformbarkeit, die sich als Material von Wärmeaustauschern für Atomenergie-Eisenherstellungsprozesse eignen.

Das Material dieser Wärmeaustauscher soll eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und eine gute Verformbarkeit aufweisen. Unter den bekannten Hochtemperaturwerkstoffen haben einige der Nickelbasis-Ausscheidungshärtungslegierungen oder feuerfeste Metalle, wie

81-(A 56-03)-T-r (7)

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z.B. Molybdänbasislegierungen eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, sind jedoch hinsichtlich der Verformbarkeit unterlegen, während bekannte festlösungsgehärtete Eisenbasis- oder Nickelbasis-Legierungen allgemein eine gute Verformbarkeit aufweisen, jedoch hinsichtlich der Hochtemperaturfestigkeit unterlegen sind, so daß alle diese Werkstoffe nicht als Material der Wärmeaustauscher für Atomenergie-Eisenherstellungsprozesse geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer bekannten Nickel-Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung mit Titan- oder Niobzusatz eine festlösungsgehärtete Austenitlegierung zu entwickeln, die gleichzeitig eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit und eine gute Verformbarkeit aufweist und sich somit als Werkstoff von Wärmeaustauschern für Atomenergie-Eisenherstellungsprozesse eignet.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine festlösungsgehärtete Austenitlegierung ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit auf Basis einer Nickel-Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung mit Titan- oder Niobzusatz, mit dem Kennzeichen, daß sie gewichtsmäßig aus höchstens 0,1 % Kohlenstoff, 4 (#C) bis 1 % Titan und/oder Niob, höchstens 75 % Kobalt, höchstens 26 % Chrom, 8 bis 40 % Wolfram bei Einhaltung der Summe von 1/5 (%Co) -+ (%Cr) + (#W) im Bereich von 38 bis 46 % und Rest Nickel sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen besteht.

Vorteilhaft enthält diese erfindungsgemäße Legierung zusätzlich gewichtsmäßig wenigstens ein Element der Gruppe ναι je höchstens 0,1 % Magnesium, 0,1 % Bor, 0,5 % Yttrium, 0,5 % Zirkonium und 1 % Hafnium.

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Vorzugsweise werden die Gehalte der erfindungsgemäßen Legierung an Kobalt, Chrom und Wolfram so eingestellt, daß die Legierung gewichtsmäßig 25 bis 55 % Kobalt, 10 bis 22 % Chrom und 13 bis 25 % Wolfram bei Einhaltung der Summe von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) im Bereich von 40 bis 44 % enthält.

Vorteilhaft enthält die Legierung mit den zuletzt genannten Bereichen zusätzlich gewichtsmäßig wenigstens ein Element der Gruppe von je höchstens 0,05 % Magnesium, 0,02 % Bor, 0,2 % Zirkonium, 0,2 % Yttrium und 0,5 % Hafnium.

Die am meisten bevorzugte Legierung gemäß der Erfindung besteht gewichtsmäßig aus etwa 0,05 % Kohlenstoff, entweder etwa 0,4 % Titan oder 0,6 % Niob, etwa 30 % Kobalt, etwa 16 % Chrom, etwa 20 # Wolfram, etwa 0,01 % Magnesium, etwa 0,05 % Zirkonium, Rest im wesentlichen Nickel.

Die Begründung der Begrenzung der einzelnen Bestandteile der Legierung auf die genannten Bereiche bzw. Werte ist folgende:

Da Kohlenstoff durch Verbindung mit Titan oder Niob einen MC-Karbidtyp bildet und das Kornwachstum verhindert, ist eine geringe Menge von Kohlenstoff erforderlich. Jedoch bildet Kohlenstoff bei einem Gehalt von mehr als 0,1 % eine übermäßige Karbidmenge und verschlechtert die Warm verformbarkeit der Legierungen. Daher wird die Kohlenstoff menge auf höchstens 0,1 % begrenzt. Da Titan und Niob unter Verbindung mit Kohlenstoff einen MC-Karbidtyp bilden und ein übermäßiges Kornwachstum verhindern, soll der Mindestgehalt an Titan und/ oder Niob 4 (%C) sein. Andererseits verursacht eine übermäßige Menge

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von Titan und/oder Niob eine Gefügeinstabilität in den Legierungen, und daher ist der Höchstgehalt an Titan und/oder Niob (allein oder in Kombination) auf 1 % festgesetzt.

Kobalt reduziert die Stapelfehlerenergie und erhöht die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen, so daß der Höchstgehalt an Kobalt 75 % sein kann, obwohl der Kobaltgehalt in Verbindung mit den Gehalten an Chrom und Wolfram unter dem Gesichtspunkt der Gefügestabilität der Legierungen zu beschränken ist. Vorzugsweise liegt die Menge des Kobalts im Bereich von 25 bis 55 %.

Chrom erniedrigt die Stapelfehlerenergie und den Diffusionskoeffizienten der Legierungen, so daß es die Hochtemperaturfestigkeit erhöht, und verbessert darüber hinaus die Oxydationsbeständigkeit der Legierungen. Daher darf Chrom in den Legierungen bis zu 26 % enthalten sein, obwohl auch die Chrommenge in Verbindung mit den Gehalten an Kobalt und Wolfram unter Berücksichtigung der Gefügestabilität der Legierungen zu begrenzen ist. Der vorzugsweise Bereich des Chromgehalts in den erfindungsgemäßen Legierungen liegt von 10 bis 22 %.

Auch Wolfram senkt die Stapelfehlerenergie und insbesondere den Diffusionskoeffizienten und erhöht somit die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen. Die Mindestmenge an Wolfram soll 8 % sein, während der Maximalgehalt an Wolfram 40 % beträgt, obwohl auch der Wolframgehalt in Verbindung mit den Kobalt- und Chromgehalten unter Berücksichtigung der Gefügestabilität der Legierungen zu begrenzen ist. Die Vorzugsmenge an Wolfram liegt im Bereich von 13 bis 25 %.

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Der wesentliche Gedanke der Erfindung ist die Beschränkung der zulässigen Kombination unter den Gehalten an Kobalt, Chrom und Wolfram. Obwohl jedes dieser Elemente die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen bis zu bestimmten Werten steigern kann, erhöhen sie alle die Durchschnittsdefektelektronenzahl der Legierungen. Wenn die Defektelektronenzahl einen gegebenen Wert übersteigt, wird das Gefüge der Legierung unter gleichzeitiger Ausscheidung ungünstiger intermetallischer Verbindungen instabil. Daher existiert eine bestimmte Obergrenze für die summierten Gehalte an diesen drei Elementen. Das wichtigste Merkmal der Erfindung ist der Befund, daß, wenn die Menge von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) innerhalb des Bereichs von 38 bis 46 % gehalten wird, eine Legierung mit ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit sowie guter Gefügestabilität erhalten wird. Mit anderen Worten muß die Menge von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) mindestens 38 % betragen, damit die Legierungen eine ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit aufweisen, darf jedoch höchstens 46 % betragen, damit die Legierungen eine gute Gefügestabilität erhalten. Aus diesen Gründen ist der Bereich der Menge von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) auf 38 bis 46 % festgesetzt. Vorzugsweise beträgt dieser Bereich 40 bis 44 %. Der am meisten bevorzugte Wert dieser Summe ist 42 %. Die folgende Tabelle 1 zeigt einige Beispiele der am meisten zu bevorzugenden Kombinationen von Kobalt-, Chrom- und Wolframgehalten.

Tabelle 1

Co	Cr	W	1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W)
10	8	32	42
10	12	28	42
10	16	24	42

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10	20	20	42
20	24	14	42
30	4	32	42
30	8	28	42
30	12	24	42
30	16	20	42
30	20	16	42
40	20	14	42
40	24	1Ö	42
SO	4	28	42
50	8	24	42
50	12	20	42
50	16	16	42
60	20	10	42
70	4	24	42
70	8	20	42
70	12	16	42
70	16	12	42

Wenn die Legierung bei äußerst hohen Temperaturen unter Belastung verwendet wird, darf man das durch Korngrenzendiffusion hervorgerufene Kriechen nicht vernachlässigen. Dementsprechend ist der Zusatz von Legierungselementen, die die Korngrenzendiffusion unterdrücken, wichtig, um die Hochtemperaturfestigkeit der Legierung zu verbessern. Die Atomanordnung an den Korngrenzen ist unregelmäßig, und es existieren zahlreiche Hohlstellen längs den Korngrenzen, so daß eine Atomdiffusion durch solche Hohlräume insbesondere bei hohen Temperaturen erfolgt. Daher ist es sehr zweckmäßig, solche

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Elemente zuzusetzen, die diese Hohlräume ausfüllen, um so das Ausmaß der Korngrenzendiffusion zu verringern. Die Atomradien solcher Elemente sollten von denen der Elemente, die die Matrix bilden, verschieden sein, damit sie sich vorzugsweise längs der Korngrenzen ausscheiden. Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium sind die Elemente, die sich vorzugsweise längs der Korngrenzen auszuscheiden vermögen, wenn sie in geringer Menge zugesetzt werden, da ihre Löslichkeiten in der Matrix sehr gering sind. Die Atomradien von Magnesium und Bor sind kleiner als die der die Matrix bildenden Elemente, während jene des Zirkoniums, Yttriums und Hafniums größer sind, so daß alle diese Elemente die Hohlräume an den Korngrenzen ausfüllen. Wenn diese Elemente jedoch in erhöhter Menge zugesetzt werden, bilden sie intermetallische Verbindungen und senken den Schmelzpunkt der Legierung. Daher sind die Mengen von Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium auf höchstens 0,1 % bzw. höchstens 0,1% bzw. höchstens 0,5 % bzw. höchstens 0,5 % bzw. höchstens 1 % begrenzt. Vorzugsweise Gehalte an Magnesium, Bor, Zirkonium, Yttrium und Hafnium sind jeweils höchstens 0,05 % bzw. 0,02 % bzw. 0,2 % bzw. 0,2 % bzw. 0,5 %.

(Tabelle 2, Seite 8) 409851/0681

Tabelle 2

Gewichts-%)

■ρ-ο co OO cn

CD OO

	No.	C	Cr	Mo	W	Co	Al	Ti	Nb	Fe	Ni	Mg	B	Zr	Y
	1	0,03	20,1	-	15,6	29,1	-	0,15	—	—	Rest	—	—	_	—
	2	0,05	15,9	-	19,8	29,4	-	0,33	-	-	Il	-	-	-	-
	3	0,05	12,0	-	23,9	29,0	-	0,37	-	-	It	-	-	-	-
	4	0,04	15,0	-	16,4	47,7	-	0,34	-	-	It	-	-	-	-
	5	0,05	15,8	-	20,0	30,5	-	-	0,77	-	Il	-	-	-	-
Legierung gemäß	6	0,05	15,8	-	19,2	30,1	-	0,36	-	-	Il	0,003	-	-	-
der Erfindung	7	0,04	15,9	-	19,6	30,2	-	0,49	-	-	Il	0,003	0,013	-	-
	8	0,04	16,0	-	18,5	30,1	-	0,49	-	-	Il	0,002	-	0,05	-
	9	0,06	15,6	-	19,8	28,8	-	0,38	-	-	Il	0,003	-	-	0,05
	10	0,03	19,4	-	15,9	10,2	-	0,42	-	-	Il	0,002	-	-	-
	11	0,06	20,3	-	13,9	30,3	-	0,48	-	-	Il	0,004	0,015	-	-
	12	0,03	20,0	-	15,4	30,3	-	0,49	-	-	Il	0,002	-	0,04	-
	13	0,04	19,9	-	16,3	29,8	-	0,28	-	-	π	0,002	-	-	0,08
	14	0,03	19,8	9,8		29,5		0,30		mm	M	....
Versuchslegierung	15	0,04	17,9	5,2	7,6	29,6	-	0,24	-		Il	-	-	-	-
	16	0,03	20,5	8,5		12,0	1,2	0,4		-m	It			_
Bekannte Legierung	17	0,05	20,0	-	4,6	9,2	0,3	0,3	1,0	Rest	39,7	-	-	-	-

00 I

ro

CO cn ro

Die Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung der Probenlegierungen, die verwendet und untersucht wurden, um die Hochtemperaturfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen mit der bekannter handelsüblicher Legierungen und zweier Versuchslegierungen zu vergleichen. Die Legierung Nr. 16 ist eine der festesten herkömmlichen festlösungsgehärteten Nickelbasis-Legierungen, und die Legierung Nr. 17 ist eine der festesten herkömmlichen festlösungsgehärteten Eisenbasis-Legierungen .

Die Proben wurden hergestellt, indem man das Material zu runden oder vierkantigen Stäben von 15 bis 30 mm warmverformte und einer Lösungsglühung unterwarf. Die Proben der erfindungsgemäßen Legierungen und zweier Versuchslegierungen wurden durch Erhitzen auf 1225 oder 1250 C und Halten während einer oder zwei Stunden bei dieser Temperatur lösungsgeglüht und in Öl abgekühlt, während die Proben der bekannten Legierungen nach den jeweiligen Standard-Lösungsglühbedingungen lösungsgeglüht wurden.

(Tabelle 3, Seite 10) 4098 5 1/0681

Tabelle

	TSI/-1	Bruch	5 kg/mrr	Ein	4 kg/mm²	Bruch	Dehnung	Ein	I
	XNO .	lebens	Dehnung	schnürung	lebens	(%)	schnürung	I
		dauer (h)	(%)	(%)	dauer (h)		(%)	O I
	1	43,8		21,4	116,1	16,7	18,5
	2	83,0	25,0	32,9	241,7	29,1	32,0
	3	72,0	39,2	42,3	165,4	47,5	51,8
	4	43,8	51,3	38,5	105,3	54,2	43,9
	5	63,7	53,3	23,4	122,5	31,5	29,0
	6	93,3	26,0	28,0	262,5	26,7	27,6
Legierung	7	140,3	30,4	41,6	296,9	29,2	30,0
gemäß der		7	50,9					ro
Erfindung	8	147,7		48,8	532,0	46,2	50,6	ro
	9	43,6	47,5	33,0	103,8	30,5	20,0	O
	10	49,4	35,4	27,3	202,1	30,0	27,8	co
	11	135,0	32,5	45,8	339,7	23,3	36,2	ro
	12	86,7	40,8	76,4	269,7	49,6	66,0
	13	48,1	70,8	30,4	147,6	29,2	25,0
			31,7
	14	14,8		26,1	31,8	26,3	26,1
Versuchs	15	19,2	31,0	10,7	76,0	9,6	7,8
legierung			9,2
	16	7,1		54,7	21,8	76,5	57,1
Bekannte	17	4,2	37,5	55,0	10,5	27,8	31,8
Legierung		50,8

Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse von Belastungs-Bruchversuchen bei 1000 C. Wie sich aus der Tabelle ablesen läßt, weisen die erfindungsgemäßen Legierungen im Vergleich mit den Versuchslegierungen und den bekannten Legierungen eine äußerst hohe Belastungs-Bruchfestigkeit auf.

Nach der vorstehenden Beschreibung erhält man also erfindungsgemäß festlösungsgehärtete austenitische Legierungen mit ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit sowie guter Verformbarkeit.

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Claims

Patentansprüche

1. Festlösungsgehärtete -Austenitlegierung ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit auf Basis einer Nickel-Kobalt-Chrom-Wolfram-Legierung mit Titan- oder Niobzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig aus höchstens 0,1 % Kohlenstoff, 4 (%C) bis 1% Titan und/oder Niob, höchstens 75 % Kobalt, höchstens 26 % Chrom, 8 bis 40 % Wolfram bei Einhaltung der Summe von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) im Bereich von 38 bis 46 % und Rest Nickel sowie herstellung sbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewichtsmäßig 25 bis 55 % Kobalt, 10 bis 22 % Chrom und 13 bis 25% Wolfram bei Einhaltung der Summe von 1/5 (%Co) + (%Cr) + (%W) im Bereich von 40 bis 44 % enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich gewichtsmäßig wenigstens ein Element der Gruppe von je höchstens 0,1 % Magnesium, 0,1 % Bor, 0,5 % Yttrium, 0,5 % Zirkonium und 1 % Hafnium enthält.

4. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich gewichtsmäßig wenigstens ein Element der Gruppe von je höchstens 0,05 % Magnesium, 0,02 % Bor, 0,2 % Zirkonium, 0,2 % Yttrium und 0,5 % Hafnium enthält.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie

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gewichtsmäßig aus etwa 0,05 % Kohlenstoff, entweder etwa 0,4 % Titan oder 0,6 % Niob, etwa 30 % Kobalt, etwa 16 % Chrom, etwa 20 % Wolfram, etwa 0,01 % Magnesium, etwa 0,05 # Zirkon, Rest im wesentlichen Nickel besteht.

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