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Nickel-Chrom - Legierung
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Legierungen des Nickel-Chrom-Typs, welche sich für die Verwendung als elektrisches Widerstands-Material bei hohen Temperaturen besonders gut eignen.
Widerstands-Materialien des erwähnten Typs lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen :
1. Legierungen sehr schwachen Eisengehalts, worin Eisen nur als eine Verunreinigung vorkommt,
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der Restgehalt hauptsächlich aus Nickel besteht.
3. Legierungen mit einem Eisengehalt von etwa 45% und einem Chromgehalt von etwa 209to, wobei der Restgehalt hauptsächlich aus Nickel besteht.
Die im folgenden näher erläuterte Erfindung ist auf jede der drei obigen Legierungsgruppen anwendbar.
Zur Verbesserung der Widerstands-Materialien des Nickel-Chrom-Typs ist bisher schon eine grosse Anzahl von Patenten erteilt worden. Diese Patente beabsichtigten, durch Zusätze verschiedener Elemente die Lebensdauer der Legierung zu verbessern, wie dies nach jenen Normen bestimmt wird, welche von der "American Society for Testing Materials (A. S. T. M.)"in der Publikation "Accelerated Life Test for Metallic Materials", B. 76 - 39, angegeben sind. Die älteren Patente gründen sich zum Teil auf den Zusatz von Zirkonium und einer Kombination aus Zirkonium und andern Elementen, wie Calcium, Aluminium usw., und zum Teil auf den Zusatz von seltenen Erden, welche auch mit andern Elementen kombiniert werden können. So gibt die brit.
Patentschrift Nr. 451, 601 nur den Zusatz von seltenen Erdmetallen an. Die brit. Patentschrift Nr. 488, 926 behandelt den Zusatz von seltenen Erdmetallen in Kombination mit Calcium, und die USA-Patentschrift Nr. 2, 687, 956 gibt Zusätze von seltenen Erdmetallen in Kombination mit Calcium und Aluminium an.
Ferner ist es bereits bekannt, Nickel-Chrom-Legierungen Bor zuzusetzen. So beschreibt die franz.
Patentschrift Nr. 1. 056. 911 eine wärmefeste Nickel-Chrom-Legierung, die Bor sowie höhere Gehalte der Elemente Molybdän, Titan und Aluminium enthält. Auch die USA-Patentschriften Nr. 2, 236, 899, Nr. 2, 289, 640 und Nr. 2, 289, 641 beschreiben Chrom-Nickel-Legierungen, denen Bor zugesetzt ist.
Der Borzusatz hat den Zweck, die Bearbeitungsfähigkeit der Legierung in der Hitze zu verbessern und Zusätze von grösseren Mengen an z. B. Calcium, was die Lebensdauer verlängert, zu erlauben.
Bei den eigenen Versuchen, Widerstands-Materialien des Nickel-Chrom-Typs durch Zusatz seltener Erdmetalle zu verbessern, hat es sich gezeigt, dass dieser Zusatz die Bildung eines dicllteren und anhaftenden Oxyds verursacht. Diese Verbesserung des Oxyds ist mit einer beträchtlichen Verlängerung der nach den erwähnten A. S. T. M. -Normen bestimmten Lebensdauer verknüpft. Es ist jedoch festgestellt worden, dass Legierungen des Nickel-Chrom-Typs mit einem Zusatz von seltenen Erdmetallen bei hohen Temperaturen eine grössere Neigung zur Oxydation längs der Korngrenzen aufweisen als Legierungen ohne diesen Zusatz. Diese Erscheinung ist am stärksten ausgeprägt bei Legierungen schwachen Eisengehalts, kommt aber auch bei Legierungen höherer Eisengehalte vor.
Es ist aber zu beachten, dass eine solche Korngrenzenoxydation in grösserem Umfang erst bei höheren Temperaturen eintritt, als sie bei
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der Lebensdauerprüfung nach A. S. T. M, normalerweise angewendet werden. So werden z. B. die eisenfreien Nickel-Chrom-Legierungen bei 11750 C geprüft, während im'vorliegenden Falle erst bei Temperaturen über 12000 C die erhöhte Neigung zur Korngrenzenoxydation beobachtet werden konnte.
Diese Korngrenzenoxydation verursacht eine Herabsetzung der Anwendbarkeit des Materials als Widerstandslegierung, zum Teil weil die Oxydation eine Veränderung des elektrischen Widerstandes der Legierung bedingt und zum Teil deshalb, weil die Korngrenzenoxydation einen Zuwachs und dadurch eine Dimensionsänderung des Materials mit sich bringt. Falls die Möglichkeit bestunde, die Neigung zur Korngrenzenoxydation herabzusetzen, würde man daher die Qualität besonders dadurch wesentlich verbessern können, dass eine Erhöhung der maximalen Arbeitstemperatur möglich wäre.
Unsere Versuche haben zur Erkenntnis geführt, dass ein Zusatz von Bor sich sehr günstig und auf die Neigung zur Korngrenzenoxydation stark herabsetzend auswirkt. Da sich das zugesetzte Bor zum Teil verflüchtigt und zum Teil mit andern Bestandteilen der Schmelze reagiert, muss die zugesetzte Bormenge wesentlich grösser sein als die Menge hievon, die danach in der fertiggestellten Legierung zu finden ist. Es hat sich gezeigt, dass, auch wenn nach dem Zusatz von Bor nur Spuren dieses Elements in der fertigen Legierung zu finden sind, der Zusatz trotzdem eine merkbare Verbesserung der Beständigkeit der Legierung gegen Korngrenzenoxydation herbeigeführt hat. Der Gehalt an Bor in der fertigen Legierung darf nicht allzu gross sein, denn dies könnte die Lebensdauer der Legierung herabsetzen.
Es wird also für unzweckmässig gehalten, einen restlichen Borgehalt höher als etwa 0, 01% zuzulassen.
Die der Legierung zugesetzte Menge an seltenen Erdmetallen kann in Form von sogenanntem MischMetall vorliegen, welches eine ungefähre Zusammensetzung von 50 bis 55% Cer, 22 bis 25% Lanthan, 15 bis 171/0 Neodym und 8 bis 10% anderer seltener Erdmetalle hat. Es ist jedoch mit darunter verstanden, dass auch andere Legierungen aus seltenen Erdmetallen, oder auch reine solche Metalle, sowie auch Oxyde derselben Metalle zusammen mit einem die Oxyde in die metallische Form überführenden Reduktionsmittel, Verwendung finden können.
Als ein weiteres Legierungselement wird Silicium in Mengen von 0, 2 bis 2% verwendet.
Bei der Herstellung von Widerstandslegierungen des Nickel-Chrom-Typs ist es zweckmässig, für die Desoxydierung und Entgasung der Legierung Metalle wie Mangan, Aluminium, Zirkonium in Mengen bis 0, 50/0, Magnesium und Calcium in Mengen bis 0, 05%, sowie für die Kohle-Stabilisierung Metalle wie Vanadin, Titan, Niob und Tantal in Mengen bis 0, 5% zuzusetzen. Allgemein kommt ferner ein gewisser Gehalt an Kobalt als Verunreinigung des Nickels vor. Der im folgenden benutzte Ausdruck "Rest Nickel" schliesst das Vorhandensein der oben erwähnten Metalle einzeln oder in Kombinationen in Gehalten von Bruchteilen von 1 Prozent ein.
Die folgenden Beispiele für die Zusammensetzung von Legierungen gemäss der Erfindung können angegeben werden :
1. 15-30% Chrom, 0, 2-2% Silicium, 0, 01-0, 5% seltene Erdmetalle, Spuren bis 0, 01% Bor und Rest Nickel.
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bis 0, 01% Bor und Rest Nickel.
3. 10-25% Chrom, 40-60% Eisen, 0, 2-2% Silicium, 0, 01-0, 5% seltene Erdmetalle, Spuren bis 0, 01% Bor und Rest Nickel.
Um die Bedeutung des Borzusatzes näher zu erläutern, können einige Ergebnisse der von uns ausgeführten Untersuchungen angegeben werden. Das zu untersuchende Material wurde zu 0, 3 mm dicken und 10 mm breiten Bändern ausgewalzt. Aus diesen Bändern wurden 35 mm lange Probestücke abgeschnitten und wurden in einem elektrischen Ofen bis auf eine Temperatur von 12100 C erhitzt. Die Probestücke wurden periodisch zwei Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dazwischen 11/2 Stunden abkühlen gelassen. Jeder dritte Arbeitsgang wurde aber von längerer Dauer gewählt, und die Probestücke wurden dabei 15 1/2 Stunden auf der hohen Temperatur gehalten, wonach eine Abkühlungszeit von 11/2 Stunden folgte. Die Gesamtzeit, während welcher die Probestücke bei der hohen Temperatur gehalten wurden, betrug 425 Stunden.
Als ein Mass für die Korngrenzenoxydation kann die Verlängerung der Probestücke nach der eben beschriebenen Behandlung benutzt werden.
Die folgenden Ergebnisse seien angegeben : Legierung I : 19, 5% Chrom, 1, 5% Silicium, 0, O'lo Cer und Rest Nickel. Verlängerung nach der
Prüfung : 10, 3%.
Legierung II : 19, 5% Chrom, 1, 5% Silicium, 0, 07% Cer, 0, 002% Bor und Rest Nickel. Verlängerung nach der Prüfung : 2%.
In den beiden obigen Legierungen wurde als Desoxydationsmittel Aluminium verwendet.