DE3000913C2

DE3000913C2 -

Info

Publication number: DE3000913C2
Application number: DE3000913A
Authority: DE
Inventors: Paul Dr. Fairford Gloucestershire Gb Crook
Original assignee: Cabot Stellite Europe Ltd
Current assignee: Deloro Stellite LP
Priority date: 1979-01-11
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1989-04-27
Also published as: DE3000913A1; SE7910505L; BE881086A; CA1153222A; SE428937B; FR2446325B1; IT8047577A0; NL8000195A; FR2446325A1; FI794039A7; BR8000170A; AU5434980A; IT1126887B; AU518317B2; ZA796975B; US4430297A; JPS55122848A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hartlegierung auf Nickelbasis, welche abnutzungs- und korrosionsbeständig ist.

Für Legierungen auf Nickelbasis sind in der Technik vielfältige Verwendungen bekannt. Einige der am häufigsten verwendeten Legierungen auf Nickelbasis sind die sogenannten "Superlegierungen", die normalerweise durch die intermetallische γ′-Phase verfestigt sind. Derartige Legierungen sind nicht so abnutzungsbeständig wie z. B. Hartlegierungen, die unter dem Warenzeichen "Stellite" vertrieben werden.

Eine andere allgemein bekannte Gruppe von Legierungen auf Nickelbasis umfaßt solche, die Silizium und Bor und manchmal auch Chrom enthalten. Diese Legierungen sind durch borhaltige Fällungen gehärtet. Sie sind jedoch spröde und somit bei zyklischer Belastung von beschränktem Wert.

Versuche, abnutzungsbeständige Legierungen für allgemeine Zwecke auf Nickelbasis herzustellen, die Chrom, Cobalt und Molybdän oder Wolfram enthalten, haben sich auf solche Legierungen konzentriert, die einen verhältnismäßig hohen Kohlenstoffgehalt aufweisen. Dieser hohe Kohlenstoffgehalt hat jedoch eine beschränkte Zähigkeit und Zugfestigkeit zur Folge.

Hartmetallegierungen auf der Basis von Cobalt sind allgemein bekannt. Sie enthalten neben Cobalt typischerweise Wolfram, Chrom und Kohlenstoff. Eine Reihe von solchen Legierungen ist im Handel unter dem Warenzeichen "Stellite" erhältlich. Bei diesen Legierungen nehmen die Anteile an Chrom und Wolfram mit einer Erhöhung des Kohlenstoffs zu.

Es besteht jedoch auch ein Bedarf für harte abnutzungsbeständige Legierungen, die frei von Cobalt sind. Solche Legierungen sind insbesondere in der Kernenergietechnik von Nutzen, wo die Anwesenheit von Cobalt wegen der ungünstigen radioaktiven Halbwertzeit unerwünscht ist.

Aus der FR-OS 23 46 462 ist eine Gruppe von Legierungen für die Verwendung im kerntechnischen Bereich bekannt. Die aus der FR-OS 23 46 462 bekannte Legierung enthält dabei 5 bis 14% Mo, 19 bis 32% Cr, 2 bis 8% W, 6 bis 50% Ni, 0,2 bis 2,8% C, Rest Eisen. Sie kann ferner ggf. auch noch 0,3 bis 3% Si und/oder 0,3 bis 3% Mn, 0,3 bis 5% V, 0,3 bis 5% Zr, 0,3 bis 5% Nb-Ta enthalten. In der DE-AS 22 11 229 wird ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl beschrieben, der besteht aus 0,1 bis 1% C, 0,01 bis 3% Si, 0,01 bis 10% Mn, 13 bis 35% Cr, 15 bis 50% Ni, Rest Eisen und üblichen Verunreinigungen. Die Anwesenheit von Cobalt ist bis zu Mengen von 30% zugelassen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine cobaltfreie Hartlegierung auf Nickelbasis zu schaffen, die Eigenschaften aufweist, die denjenigen von herkömmlichen Legierungen auf Cobaltbasis (Co-Cr-W-C) ähnlich sind, insbesondere eine hohe Härte aufweisen, wobei mit "hart" Legierungen bezeichnet werden, die eine Härte von mehr als ungefähr 300 VPN aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch eine Hartlegierung auf Nickelbasis gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die folgende Zusammensetzung (ausschließlich unvermeidliche Verunreinigungen) aufweist:


Gew.-%
Chrom
34
Kohlenstoff	1,2
Molybdän	10
Eisen	3
Silizium	1
Niob	3
Nickel	Rest.

Als cobaltfreie Legierung von hoher Härte, Abnutzungs- und Korrosionsbeständigkeit ist sie ganz besonders für die Herstellung von in der Kernindustrie zu verwendenden Bauteilen und Maschinenteilen geeignet.

In der erfindungsgemäßen Legierung wirken Chrom und Molybdän als Carbidbildner. Sie sind im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen auf Nickelbasis in verhältnismäßig hohen Mengen vorhanden.

Ferner enthält die erfindungsgemäße Legierung Nb. Nb ist ein hochaktiver Carbidbildner, der die Art und die Morphologie der Carbide modifiziert und mehr Molybdän und Chrom in die feste Lösung überführt. Das hochaktive Carbid ermöglicht die Herstellung einer Hartlegierung auf Nickelbasis, die kein Cobalt (abgesehen von zufälligen Verunreinigungen) enthält und Kohlenstoff nicht in derart hohen Mengen enthält, daß die Legierung unerwünscht spröde wird.

Die Anwesenheit von Niob erlaubt eine Alterungshärtung unter Bildung von Ni₃Nb.

Das anwesende Silizium erhöht die Fluidität der geschmolzenen Legierung.

Der Nickelgehalt der erfindungsgemäßen Legierung beträgt 47,8 Gew.-%.

Die erfindungsgemäße Legierung besitzt im gegossenen Zustand eine Härte von etwa 380 VPN (Vickers-Pyramiden-Nummer), eine endgültige Zugfestigkeit von 59 h bar und eine Dehnfähigkeit von 1%.

Sie kann daher als abnutzungsbeständige Legierung für allgemeine Zwecke verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Legierung kann dadurch hergestellt werden, daß man ihre Bestandteile mischt und das erhaltene Gemisch auf eine Temperatur der Größenordnung von 1550°C erhitzt. Das Aufschmelzen kann in einer Inertgasschutzatmosphäre, wie z. B. unter Argon oder Stickstoff, oder unter Vakuum ausgeführt werden.

Maschinenteile oder andere Bauteile aus der erfindungsgemäßen Legierung können als Gußstücke oder ggf. Schmiedestücke hergestellt werden. Sie können aber auch durch Verdichten und/oder Sintern eines Pulvers der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt werden.

Die Legierung kann praktisch bei allen Anwendungen herangezogen werden, bei denen gegenwärtig herkömmliche abnutzungsbeständige Legierungen auf Cobaltbasis verwendet werden. Sie kann beispielsweise bei der Oberflächenvergütung von Motorventilen, Dampfregelventilen und Strömungsregelventilen in der chemischen Industrie verwendet werden. Ihre besondere Eignung auf dem Gebiet der Kernenergieindustrie wurde bereits erwähnt.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung umfaßt der Ausdruck "Verunreinigungen" sowohl zufällige Verunreinigungen als auch alle Elemente, die bewußt zugegeben werden, jedoch die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung nicht wesentlich beeinflussen.

Es ist jedoch erwünscht, bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung verhältnismäßig reine Ausgangsmaterialien zu verwenden.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung (Legierung Nummer 2) und einer sehr ähnlichen Legierung (Legierung 1), die die Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 aufweisen, sind in Tabelle 2 wiedergegeben.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Methoden, die zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften verwendet wurden, waren wie folgt.

Härte bei Raumtemperatur

Die Härte bei Raumtemperatur wurde unter Verwendung eines Standard-Vicker-Hardness-Testers (von der Vickers Limited beziehbar) bestimmt. In parallelseitigen Proben (Präzisionsguß und auf einer Seite unter aufeinanderfolgender Verwendung von Siliziumcarbidpapier und Diamantenpolierrädern poliert) wurden unter einer Belastung von 30 kg Einkerbungen gemacht. Die angegebenen Resultate sind die Durchschnitte von 5 Ablesungen.

Endgültige Zugfestigkeit (EZF) und Dehnfähigkeit

Die Zugfestigkeitsprüfung der Legierungen wurde unter Verwendung eines Hounsfield-Tensometers (von Monsanto Limited beziehbar) und Präzisionsgußprüflingen ausgeführt, wobei die letzteren die in British Standard 18 (beschrieben in Methode for Tensile testing of metals, herausgegeben vom British Standards Institute) angegebenen Abmessungen aufwiesen. Jeder Legierungsprüfling wurde zunächst mit Röntgenstrahlen untersucht. Es wurden 3 Versuche ausgeführt. Es ist die durchschnittliche endgültige Zugfestigekeit und die durchschnittliche prozentuale Dehnfähigkeit aus diesen 3 Tests angegeben.

Korrosion bei Raumtemperatur in Königswasser

Zur Bestimmung der Beständigkeit einer jeden Legierung gegenüber Königswasser bei Raumtemperatur wurde ein Präzisionsgußprüfling bekannten Gewichts und mit annähernd der Oberfläche von 30 cm² vollständig 100 h in 100 cm³ Königswasser eingetaucht. Nach dem Eintauchen wurde die Probe gewogen, etwas abgebürstet, um Zunder zu entfernen, und erneut gewogen. Der Gewichtsverlust, als Prozentsatz des ursprünglichen Gewichts, wurde als Maß für die Beständigkeit genommen.

Oxidation in ruhiger Luft

Um die Beständigkeit einer jeden Legierung gegenüber Oxidation in ruhiger Luft zu bestimmen, wurde ein Präzisionsgußprüfling bekannten Gewichts und mit annähernd der Oberfläche 30 cm² 25 h in einen Muffelofen mit 900°C eingebracht. Die Temperaturkontrolle im Muffelofen lag innerhalb +/-2°C.

Um die Einsammlung von abgeblättertem Oxidzunder und die Berücksichtigung in der endgültigen Gewichtszunahme zu ermöglichen, wurde jede Probe während der Oxidation in eine hochwandige Platinschale eingebracht. Die gesamte Gewichtszunahme als Prozentsatz des ursprünglichen Gewichts wurde als Maß für die Oxidationsbeständigkeit genommen.

Wie sich aus den Tabellen 1 und 2 ergibt, besitzt die erfindungsgemäße Legierung eine annehmbare Härte und annehmbare Zugeigenschaften und eine vorzügliche Beständigkeit gegenüber Korrosion (als Folge der Anwesenheit eines hohen Chromgehalts in der festen Lösung) und adäquate Oxidationsbeständigkeit.

Wenn Nb nicht anwesend ist (wie z.B. in der Vergleichslegierung Nr. 1), um die Carbidsekundärphase zu modifizieren und um mehr Chrom und Molybdän in feste Lösung zu überführen, dann sind die Zugeigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit wesentlich schlechter.

Ein Vergleich der Eigenschaften der Legierung Nr. 1 aus Tabelle 1 mit einer von Carbidbildern freien Legierung (Vergleichslegierung 1) und einer Co-Cr-W-C-"Stellite"-Legierung (Vergleichslegierung 2) ist in Tabelle 4 angegeben. Die Zusammensetzung der Legierungen ist dabei aus Tabelle 3 ersichtlich.

Tabelle 3

Zusammensetzung in Gew.-%

Tabelle 4

Die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung (Nr. 3) und einer ähnlichen Vergleichslegierung wie Vergl. 2 (Vergl. 3) bei erhöhten Temperaturen werden in der folgenden Tabelle 6 verglichen. Die Zusammensetzung der Legierungen ist in Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5

Tabelle 6

Die Eigenschaften bei erhöhter Temperatur wurden wie folgt bestimmt.

Zugeigenschaften bei erhöhter Temperatur

Die Zugeigenschaften bei erhöhter Temperatur wurden bestimmt unter Verwendung eines Hounsfield-Tensometers und dessen Hochtemperaturzusätze. Diese umfassen einen Muffelofen (erhältlich von Wild Barfield Limited) mit einer geeigneten heißen Zone und eine Gruppe von Dehnstäben und Klemmhülsen, die aus einer gegenüber Oxidation bei hoher Temperatur beständigen Legierung hergestellt sind. Die Temperatur der heißen Zone im Ofen wurde während der Prüfung auf +/-5°C gehalten. Die Proben wurden vor dem Spannen 10 min auf Prüftemperatur gehalten (um eine vollständige Erhitzung zu ermöglichen). Für jede Legierung und Temperatur wurden mindestens 2 Prüfungen durchgeführt. Die Resultate sind als Durchschnittswerte angegeben.

Die obigen Resultate zeigen, daß bei einer Temperatur in der Größenordnung von 700°C eine erfindungsgemäße Legierung und eine entsprechende Legierung auf Cobaltbasis ähnliche Härtewerte und endgültige Zugfestigkeiten aufweisen. Diese Eigenschaften können dem Vermögen der Legierungen, einer Deformation zu widerstehen, zugeschrieben werden.

Claims

1. Hartlegierung auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgende Zusammensetzung (ausschließlich unvermeidbare Verunreinigungen) aufweist: Gew.-% Chrom 34 Kohlenstoff 1,2 Molybdän 10 Eisen 3 Silizium 1 Niob 3 Nickel Rest.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 für die Herstellung von in der Kernindustrie zu verwendenden Bauteilen und Maschinenteilen.