Nioblegierung Die Erfindung bezieht sich auf eine Nioblegie- ru:ng. Diese Legierung besitzt eine aussergewöhnliche Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und ist genügend duktil, um eine Bearbeitung zu erlauben.
Diese Legierung eignet sich als Werkstoff zu Ein richtungen aller Art, die hohen Temperaturen aus- gesetzt werden, wie Gasturbinen, Hochtemperatur- reaktionsgefässe, Anlagen für die Raffination von Öl und Ge.senke für die Metallbearbeitung bei hohen Temperaturen.
Die erfindungsgemässe Nioblegierung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 5010/a 1W, 1 bis 301% Ti und mindestens eines der Elemente Al, Be, C, Co, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ta, W, V oder Zr enthält,
wobei diese Elemente insgesamt 1 bis 2010/a der Legierung ausmachen und wobei die Legierung höchstens je 10% Al, Fe, Mn oder V und höchstens je 5 % Be, Co,
Ni oder W enthält.
Vorzugsweise enthält die Legierung 5 bis 251% Ti, bis zu 5 0110 Al, bis zu 510/a Ni,
bis zu 5 % Fe und bis zu 7 % Mo, wobei der Gesamtgehalt an Al, Ni, Fe und. Mo 4 bis 20 % beträgt.
Wenn die Legierung Si und/oder C enthält, sollte keines dieser Elemente mehr als je 21% :der Legie- rung ausmachen.
Die Metallkomponenten können nach den üb lichen Methoden zusammengeschmolzen werden. Beim Abkühlen erstarrt die Legierung unter Bildung eines nichtspröden bzw. duktilen Gusses. Hierfür kann z. B. ein Lichtbogenofen mit wassergekühltem Kupfertiegel verwendet werden, in welchem die Be schickung geschmolzen wird und erstarrt. Die einzel- nen, in den Ofen eingegebenen Metalle können jede beliebige Form haben, z.
B. als Pulver, Schrot, Draht, Schwamm u.sw. vorliegen. Man kann auch, gege- benenfalls in Kombination,
Lichtbogenöfen mit sich verbrauchenden und nichtverbrauchenden Elektroden oder Öfen mit stetiger Beschickung verwenden. Fer ner kann die Schmelzung durch induktive Beheizung in einem geeigneten Tiefges, z.
B. nach der sogenann- ten Skull-Technik erfolgen. Während des Schmel zens sollten die Metalle vor dem Zutritt der Atmo- sphäre geschützt werden, um eine Verunreinngung mit Sauerstoff oder Stickstoff zu vermeiden. Zu diesem Zweck schmelzt man zweckmässig unter inerten Bedingungen, beispielsweise unter einem Inertgas,
wie Argon, unter einer Schutzschlacke oder nach beiden Methoden.
Die erfindungsgemässen Legierungen sind bei Temperaturen von 100 bis 500 weitaus oxydations- beständiger und behalten ihre mechanische Festig keit in wesentlich stärkerem Masse bei, als die be- kannten Hochtemperaturlegierungen. So verlieren bekannte Hochtemperaturlegierungen bei 1300 ihre Festigkeit oder schmelzen,
während die erfindungsr gemässen Legierungen bei dieser Temperatur Drucke von mehr als 100 kg/mmz aushalten können.
Die erfindungsgemässen Legierungen können bei Erhitzen auf verhältnismässig hohe Temperaturen und Ab kühlung auf ihrer Oberfläche einen festhaftenden Metalloxydfilm bilden.
<I>Beispiel 1</I> Eine homogene Schmelze, die 23 % Ti, 41% Ni, 3 % Al und 701% Nb enthält, wird hergestellt,
indem man die entsprechenden Metallmengen zusammen- schmelzt und die Legierung dann abwechselnd sechs mal erstarren lässt und umschmelzt. Die Schmelzung wird in einem Lichtbogenschmelzofen mit wasser gekühltem Kupfertiegel durchgeführt, wie :
er von Kroll in Transactions of the Electrochemical Society , Band<B>78,</B> 1940, Seite 35 bis 47, beschrie ben ist. Ein Teil der Schmelze wird in eine wasser- gekühlte zylindrische Kupferform von 19,1 mm Innendurchmesser und 50,8 mm Tiefe .gegossen. Während dieser Arbeitsgänge arbeitet man unter Helium, um eine Verunreinigung der Metalle zu ver hindern.
Der aus der Form erhaltene Guss wird ge- schmiedet und zu einer Düse zum Versprühen von Salzschmelzen, wie MgCl2, bei chemischen Verfahren verarbeitet.
Die in diesem Beispiel erhaltene Legierung wird auf ihre Oxydationsbeständigkeit bei hoher Temper ratur in folgender Weise geprüft:
Eine abgewogene Probe der Legierung wird (in einem Porzellantiegel, der mit einem Schlitz ver sehen ist, um einen angemessenen Zutritt der Luft zu dem Rohblock zu erlauben) in einen Ofen der Bauart Globar (geschützte Marke)
eingebracht und mindestens 16 Stunden bei 1000 einem Luft strom von 57 1/Minute ausgesetzt. Die Proben wer den dann abgekühlt und gewogen; der Oxydations- grad entspricht der prozentualen Gewichtszunahme der Probe.
Die Gewichtszunahme der Legierung unter die- sen Bedingungen beträgt 1,5 %, die Gewichtszunahme von nichtlegiertem Niob unter den gleichen Bedin- gungen 20 %.
<I>Beispiel 2</I> Eine Legierung, die 20 0/a Ti, 75 % Nb, 3 % Al und 2 % Co enthält, wird folgendermassen hergestellt:
Die Metallkomponenten werden in dem Ofengemäss Beispiel 1 unter Helium zusammengeschmolzen. Unter Aufrechterhaltung der Heliumatmosphäre wird dann die Legierung sechsmal umgeschmolzen und erstarren gelassen,
wobei man einen homogenen Rohblock erhält. Die Gewichtszunahme bei der in Beispiel 1 beschriebenen Prüfung beträgt 2,5%. <I>Beispiele 3 bis 14</I> Nach dem Verfahren von Beispiel 2 werden weitere Legierungen hergestellt. Zusammensetzung und Gewichtszunahme bei der in Beispiel 1 beschrie benen Prüfung sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.
EMI0002.0094
Beispiel <SEP> Zusammensetzung <SEP> der <SEP> Legierung <SEP> Gewichtszunahme
<tb> <U>0</U>
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> <B>10"/o</B> <SEP> Al, <SEP> <B>700/9</B> <SEP> Nb <SEP> 1,7
<tb> 4 <SEP> 80'% <SEP> Nb, <SEP> 17 <SEP> 0/a <SEP> Ti, <SEP> 1 <SEP> 0/a <SEP> W, <SEP> 0,5 <SEP> 0/a <SEP> <I>Be,</I> <SEP> 1,5 <SEP> 0/a <SEP> Ta <SEP> 2,0
<tb> 5 <SEP> 55 <SEP> % <SEP> Nb, <SEP> 29 <SEP> % <SEP> Ti; <SEP> 5 <SEP> % <SEP> Mn, <SEP> 100/a <SEP> Mo, <SEP> 1% <SEP> Al <SEP> 1,3
<tb> 6 <SEP> 78 <SEP> 0/a <SEP> Nb, <SEP> <B>13,5</B> <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 3 <SEP> % <SEP> Al, <SEP> 2,5 <SEP> 0/a <SEP> Fe, <SEP> 3 <SEP> 0/a <SEP> Mo <SEP> 2,2
<tb> 7 <SEP> 70% <SEP> Nb;
<SEP> 16 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 4 <SEP> % <SEP> Al, <SEP> 20/a <SEP> Fe, <SEP> 5 <SEP> % <SEP> Mo, <SEP> 3 <SEP> % <SEP> Be <SEP> 1,8
<tb> 8 <SEP> 80 <SEP> % <SEP> Nb, <SEP> <B>15,910</B> <SEP> Ti, <SEP> 1% <SEP> Si, <SEP> 4 <SEP> 0/a <SEP> Al <SEP> 2,0
<tb> 9 <SEP> 65 <SEP> '0/a <SEP> Nb, <SEP> 15 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 15 <SEP> 0/a <SEP> Mo, <SEP> 5 <SEP> % <SEP> Al <SEP> 2,2
<tb> 10 <SEP> 90'9/o <SEP> Nb, <SEP> 7 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 3 <SEP> 0/a <SEP> A1 <SEP> 2,5
<tb> 11 <SEP> 75 <SEP> % <SEP> Nb, <SEP> 5 <SEP> "/o <SEP> Ti, <SEP> 15% <SEP> Zr, <SEP> 3%, <SEP> Al, <SEP> 1% <SEP> V, <SEP> 1% <SEP> Ta <SEP> 2,3
<tb> 12 <SEP> 80 <SEP> 0/a <SEP> Nb, <SEP> 5 <SEP> 0/a <SEP> Ti, <SEP> 2,5 <SEP> % <SEP> Fe, <SEP> 2,5 <SEP> 0/a, <SEP> Mo, <SEP> 10 <SEP> 0/a <SEP> Al <SEP> 2,1
<tb> 13 <SEP> 70 <SEP> % <SEP> Nb, <SEP> 10 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 8 <SEP> % <SEP> V,
<SEP> 6 <SEP> % <SEP> Mo, <SEP> 6 <SEP> % <SEP> A1 <SEP> 1,5
<tb> 14 <SEP> 70 <SEP> % <SEP> Nb, <SEP> 15 <SEP> % <SEP> Ti, <SEP> 3,5 <SEP> % <SEP> Fe, <SEP> 4,5 <SEP> % <SEP> Al, <SEP> 7 <SEP> 0/a <SEP> Mo <SEP> 1,9 Für die Herstellung der erfindungsgemässen Legie- rungen werden vorzugsweise Metalle hoher Reinheit verwendet. Anderseits ist eine :gewisse Unreinheit der Komponenten zulässig, ohne dass die Produktquali tät im allgemeinen merklich leidet.
Die erfindungsgemässen Legierungen haben den Vorteil, eine hohe mechanische Festigkeit .bei hohen Temperaturen zu besitzen, leicht verarbeitbar und korrosionsbeständig zu sein. Ausser diesen vorteil- haften Eigenschaften sind die Legierungen den Grundmetallen insofern überlegen, :
als sie gegen oxy- dative Einwirkung bei hohen Tempelnaturen beständig sind. Diese Eigenschaft fehlt besonders dem metalli schen Niob als solchem. Die erfindungsgemässen Legierungen eignen sich für die verschiedensten Ver- wendungszwecke, beispielsweise für die Herstellung von Anlegeteilen, die bei Temperaturen oberhalb 800 eingesetzt werden.
Die Verwendbarkeit der erfindungsgemässen Le gierungen für Hochtemperatur .anlagen, wie Teile von Gasturbinen, ist wegen ihrer aussergewöhnlichen Eigenschaften obenstehend besonders betont.
Niobium alloy The invention relates to a niobium alloy. This alloy has exceptional temperature and corrosion resistance and is sufficiently ductile to allow machining.
This alloy is suitable as a material for all types of equipment that are exposed to high temperatures, such as gas turbines, high-temperature reaction vessels, systems for refining oil and sinks for metalworking at high temperatures.
The niobium alloy according to the invention is characterized in that it contains at least 5010 / a 1W, 1 to 301% Ti and at least one of the elements Al, Be, C, Co, Fe, Mn, Mo, Ni, Si, Ta, W, V or Zr contains,
where these elements make up a total of 1 to 2010 / a of the alloy and where the alloy does not exceed 10% each of Al, Fe, Mn or V and a maximum of 5% Be, Co,
Contains Ni or W.
The alloy preferably contains 5 to 251% Ti, up to 5 0110 Al, up to 510 / a Ni,
up to 5% Fe and up to 7% Mo, the total content of Al, Ni, Fe and. Mo is 4 to 20%.
If the alloy contains Si and / or C, none of these elements should make up more than 21%: of the alloy.
The metal components can be melted together using the usual methods. On cooling, the alloy solidifies, forming a non-brittle or ductile cast. For this, z. B. an electric arc furnace can be used with a water-cooled copper crucible in which the loading is melted and solidified. The individual metals put into the furnace can have any shape, e.g.
B. as powder, shot, wire, sponge, etc. exist. You can also, if necessary in combination,
Use electric arc furnaces with consuming and non-consuming electrodes or furnaces with steady load. Fer ner can melt by inductive heating in a suitable Tiefges, z.
B. be done according to the so-called skull technique. During the melting process, the metals should be protected from exposure to the atmosphere in order to avoid contamination with oxygen or nitrogen. For this purpose, it is expedient to melt under inert conditions, for example under an inert gas,
like argon, under a protective slag or by both methods.
The alloys according to the invention are far more resistant to oxidation at temperatures of 100 to 500 and retain their mechanical strength to a much greater extent than the known high-temperature alloys. Well-known high-temperature alloys lose their strength or melt at 1300,
while the alloys according to the invention can withstand pressures of more than 100 kg / mm 2 at this temperature.
The alloys according to the invention can form a firmly adhering metal oxide film on their surface when they are heated to relatively high temperatures and cooled.
<I> Example 1 </I> A homogeneous melt containing 23% Ti, 41% Ni, 3% Al and 701% Nb is produced,
by melting the corresponding amounts of metal together and then alternately solidifying and remelting the alloy six times. The melting is carried out in an electric arc melting furnace with a water-cooled copper crucible, such as:
it is described by Kroll in Transactions of the Electrochemical Society, Volume 78, 1940, pages 35 to 47. Part of the melt is poured into a water-cooled cylindrical copper mold with an internal diameter of 19.1 mm and a depth of 50.8 mm. During these operations, helium is used to prevent contamination of the metals.
The cast obtained from the mold is forged and processed into a nozzle for spraying molten salts, such as MgCl2, in chemical processes.
The alloy obtained in this example is tested for its resistance to oxidation at high temperature in the following way:
A weighed sample of the alloy is placed (in a porcelain crucible with a slot to allow adequate air access to the ingot) in a Globar type furnace (registered trademark)
introduced and exposed to an air flow of 57 1 / minute at 1000 for at least 16 hours. The samples are then cooled and weighed; the degree of oxidation corresponds to the percentage weight increase of the sample.
The weight increase of the alloy under these conditions is 1.5%, the weight increase of unalloyed niobium under the same conditions is 20%.
<I> Example 2 </I> An alloy containing 20% Ti, 75% Nb, 3% Al and 2% Co is produced as follows:
The metal components are melted together in the furnace according to Example 1 under helium. While maintaining the helium atmosphere, the alloy is then melted and solidified six times,
whereby a homogeneous ingot is obtained. The weight increase in the test described in Example 1 is 2.5%. <I> Examples 3 to 14 </I> Following the procedure of Example 2, further alloys are produced. The composition and weight gain in the test described in Example 1 are given in the table below.
EMI0002.0094
Example <SEP> Composition <SEP> of the <SEP> alloy <SEP> weight increase
<tb> <U> 0 </U>
<tb> 3 <SEP> 20 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> <B> 10 "/ o </B> <SEP> Al, <SEP> <B> 700/9 </B> < SEP> Nb <SEP> 1.7
<tb> 4 <SEP> 80 '% <SEP> Nb, <SEP> 17 <SEP> 0 / a <SEP> Ti, <SEP> 1 <SEP> 0 / a <SEP> W, <SEP> 0, 5 <SEP> 0 / a <SEP> <I> Be, </I> <SEP> 1.5 <SEP> 0 / a <SEP> Ta <SEP> 2.0
<tb> 5 <SEP> 55 <SEP>% <SEP> Nb, <SEP> 29 <SEP>% <SEP> Ti; <SEP> 5 <SEP>% <SEP> Mn, <SEP> 100 / a <SEP> Mon, <SEP> 1% <SEP> Al <SEP> 1,3
<tb> 6 <SEP> 78 <SEP> 0 / a <SEP> Nb, <SEP> <B> 13.5 </B> <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 3 <SEP>% < SEP> Al, <SEP> 2.5 <SEP> 0 / a <SEP> Fe, <SEP> 3 <SEP> 0 / a <SEP> Mo <SEP> 2.2
<tb> 7 <SEP> 70% <SEP> Nb;
<SEP> 16 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 4 <SEP>% <SEP> Al, <SEP> 20 / a <SEP> Fe, <SEP> 5 <SEP>% <SEP> Mo, <SEP> 3 <SEP>% <SEP> Be <SEP> 1.8
<tb> 8 <SEP> 80 <SEP>% <SEP> Nb, <SEP> <B> 15.910 </B> <SEP> Ti, <SEP> 1% <SEP> Si, <SEP> 4 <SEP> 0 / a <SEP> Al <SEP> 2.0
<tb> 9 <SEP> 65 <SEP> '0 / a <SEP> Nb, <SEP> 15 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 15 <SEP> 0 / a <SEP> Mon, <SEP > 5 <SEP>% <SEP> Al <SEP> 2.2
<tb> 10 <SEP> 90'9 / o <SEP> Nb, <SEP> 7 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 3 <SEP> 0 / a <SEP> A1 <SEP> 2.5
<tb> 11 <SEP> 75 <SEP>% <SEP> Nb, <SEP> 5 <SEP> "/ o <SEP> Ti, <SEP> 15% <SEP> Zr, <SEP> 3%, <SEP > Al, <SEP> 1% <SEP> V, <SEP> 1% <SEP> Ta <SEP> 2,3
<tb> 12 <SEP> 80 <SEP> 0 / a <SEP> Nb, <SEP> 5 <SEP> 0 / a <SEP> Ti, <SEP> 2.5 <SEP>% <SEP> Fe, < SEP> 2.5 <SEP> 0 / a, <SEP> Mon, <SEP> 10 <SEP> 0 / a <SEP> Al <SEP> 2.1
<tb> 13 <SEP> 70 <SEP>% <SEP> Nb, <SEP> 10 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 8 <SEP>% <SEP> V,
<SEP> 6 <SEP>% <SEP> Mon, <SEP> 6 <SEP>% <SEP> A1 <SEP> 1.5
<tb> 14 <SEP> 70 <SEP>% <SEP> Nb, <SEP> 15 <SEP>% <SEP> Ti, <SEP> 3.5 <SEP>% <SEP> Fe, <SEP> 4, 5 <SEP>% <SEP> Al, <SEP> 7 <SEP> 0 / a <SEP> Mo <SEP> 1.9 For the production of the alloys according to the invention, metals of high purity are preferably used. On the other hand, a certain impurity of the components is permissible without the product quality generally suffering noticeably.
The alloys according to the invention have the advantage of having high mechanical strength at high temperatures, being easy to process and being corrosion-resistant. In addition to these advantageous properties, the alloys are superior to the base metals in that:
than they are resistant to oxidative action in high temple natures. This property is particularly lacking in metallic niobium as such. The alloys according to the invention are suitable for the most varied of uses, for example for the production of contact parts which are used at temperatures above 800.
The usability of the alloys according to the invention for high-temperature systems, such as parts of gas turbines, is particularly emphasized above because of their exceptional properties.