DE1608185A1

DE1608185A1 - Chrom-Nickel-Legierung

Info

Publication number: DE1608185A1
Application number: DE19681608185
Authority: DE
Inventors: Bieber Clarence George; Galka John Joseph
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1967-02-20
Filing date: 1968-02-16
Publication date: 1972-03-23
Also published as: AT275886B; BE711015A; ES350629A2; GB1144622A; CH501058A; NL6801847A; US3459545A

Description

"Chrom-Nickel-Legierung" Zusatz zum Patent ....... (Patentanmeldung I 31 170 Via/4Ob)

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Nickel-Chrom-Legierung, die insbesondere als Werkstoff für Gußteile geeignet ist, die im Gebrauch einer hohen Belastung bei hohen Temperaturen in korrodierender Atmosphäre, beispielsweise in Verbrennungsgasen schwefelhaltiger Brennstoffe, ausgesetzt ist.

Die Hauptanmeldung I 31 170 VIa/40b bezieht sich auf' eine Chrom-Nickel-Legierung mit 16 bis 20$ Chrom, 0,5 bis 2,5# Molybdän, 0,5 bis 2# Niob, 1 bis 3# Wolfram, 1 bis Tantal, 5,5 bis 7$ Aluminium, 0 bis 0,75$ Titan, 0 bis

Kobalt, 0,025 bis 0,08$ Kohlenstoff, 0,01 bis 0,05# Bor und 0,01 bis 0,2$ Zirkonium, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Yerunreinigungen. Innerhalb dieser Gehaltsgrenzen besitzen die kobaltfreien'Legierungen besonders gute Eigenschaften, so daß der Werkstoff vorzugsweise kobaltfrei ist.

Durch weiter© Untersuchungen wurd© nan fsstge-

stellt, daß sich eine wesentlich bessere Kombination von Zeitstandfestigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit ergibt, wenn die legierung 4 bis 12% Kobalt, einen höheren Kohlenstoffgehalt, geänderte Gehalte an Aluminium und Titan sowie einen verringerten Chrom- und Molybdängehalt besitzt. Eine derartige Legierung besitzt nicht nur eine hohe Festigkeit bei 980⁰C, sondern .auch eine bessere ZeitStandfestigkeit bei niedrigeren Temperaturen von beispielsweise 732⁰C sowie eine gute Duktilität bei Raumtemperatur, selbst wenn sie im Hinblick auf ein feinkörniges Gefüge geimpft abgegossen wird. Außerdem besitzt eine solche Legierung die langzeitige Gefügestabilität der oben erwähnten kobaltfreien Legierung.

Die erfindungsgemäße Legierung enthält 15 bis 18% Chrom, 4 bis 12% Kobalt, 0,75 bis 2,2% Molybdän, 1 bis 3% Wolfram, 0,5 bis 2% Niob, 1 bis 3% Tantal, 0,1 bis 0,25% Kohlenstoff, 3 bis 7% Aluminium, mindestens das Sechsfache des Kohlenstoffgehaltes, jedoch höchstens 4,5% Titan, einen Gesamtgehalt an Aluminium und Titan von 6 bis 8%, 0,01 bis 0,05% Bor und 0,01 bis 0,2% Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel,,

Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Legierung 15,5 bis 17% Chrom, 0,75 bis 2,2% Molybdän, 1,8 bis 3% Wolfram, 0,75 bis 1,25% Niob, 1 bis 2% Tantal, 3 bis 4% Aluminium, 3 bis 4% Titan, 0,14 bis 0,2% Kohlenstoff, 0,01

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bis O,O5# Bor und 0,05 bis 0,15# Zirkonium.

Mit steigendem Kobaltgehalt wird die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schwefel verbessert, so daß der Kobaltgehalt vorteilhafterweise 8 bis 11# beträgt. Kobalt ist jedoch teuer, und es ergeben sich bereits mit 4 bis 696 Kobalt ausgezeichnete Zeitstandfestigkeiten.

Der Gesamtgehalt an Aluminium und Titan ist von wesentlicher Bedeutung und beträgt vorzugsweise 6 bis 7»5$.

liiob_r Tantal und Wolfram tragen zu den gewünschten Eigenschaften der Legierung bei, jede Abweichung von den oben angegebenen Gehaltsgrenzen führt jedoch zu einer Beeinträchtigung der Festigkeit und/oder Duktilität. Bor und Zirkonium erhöhen die Zeitstandfestigkeit ebenso wie Kohlenstoff, so daß der Kohlenstoffgehalt mindestens 0,156 betragen muß. Dabei müssen die Gehalte an Titan und Kohlenstoff so aufeinander abgestimmt werden, daß der Titangehalt mindestens das Sechsfache des Kohlenstoffgehaltes beträgt.

Die Gehalte an schädlichen Verunreinigungen wie beispielsweise Blei, Wismut, Tellur, Schwefel, Selen, Phosphor, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Arsen, Antimon, Zinn und Thallium sollten so niedrig wie möglich liegen. Eisen verringert die Gefügebeständigkeit der Legierung bei langzeitiger Wärmebeanspruchung, so daß der Eisengehalt höchstens 1# betragen darf. Silizium und Mangan sind ebenfalls schädliche Verunreinigungen und sollten daher einen

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...!!..Chr..QmrJii.cJceLr:Legier.ung..iL

Gehalt von.je 0,3$ oder vorteilhafterweise 0,1$ nicht übersteigen.

Die erfindungsgemäße legierung wird vorzugsweise unter Vakuum erschmolzen und vergossen, obgleich, wenn eine im Vakuum erschmolzene Legierung umgeschmolzen werden muß, das Umschmelzen und Gießen unter Argon erfolgen kann.

Die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Gußstücke können wegen ihrer guten Eigenschaften im Gußzustand verwendet werden, können aber vorteilhafterweise auch einer Wärmebehandlung unterworfen werden. So können die Gußstücke zur Verbesserung der Zeitstandfestigkeit einem ein- bis zehnstündigen Lösungsglühen bei 1050 bis "1135⁰C unterworfen werden. Dem Lösungsglühen kann sich ein · vierundzwanzig- bis sechzehnstündiges Aushärten bei 815 bis 900⁰C anschließen. Das Lösungsglühen besteht vorteilhafterweise aus einem zweimaligen Glühen von zwei bis sechs Stunden im Temperaturbereich von 1050 bis 1135°C, wobei das erste Glühen bei einer höheren Temperatur als das zweite Glühen stattfindet. Gute Ergebnisse wurden erzielt bei einem vierstündigen Glühen bei 1120⁰C, anschließendem vierstündigem Glühen bei 1080⁰C und nachfolgendem Aushärten.

Die erfindungsgemäße Legierung besitzt nach der vorerwähnten Wärmebehandlung allgemein eine Standzeit von mindestens 30 Stunden bei einer Temperatur von 980⁰C und einer Belastung von 15»5 kg/mm sowie von mindestens 100

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Stunden bei 730 C und einer Belastung von 63,3 kg/mm . Eine bevorzugte Legierung enthält 3 bis 4$ Aluminium und 3 bis 4$ !Titan; sie besitzt im Durchschnitt eine Standzeit von mindestens 50 Stunden oder mindestens 200 Stunden unter entsprechenden Versuchsbedingungen, ^v '

Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Legierung bei Raumtemperatur im allgemeinen eine O,2#-Streckgrenze von etwa 84_f4 kg/mm bei einer Dehnung von 3 bis 5# oder mehr»

Zu Vergleichszwecken wurden 12 Legierungen nach der Erfindung unter Vakuum erschmolzen und vergossen. Die Zusammensetzungen dieser Legierungen sind in der nachfolgenden Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Legie	Cr	Oo	Mo	1	W	Nb	1	Ta	Al	6	Ti	σ
rung	(50	CjO		1	(Ji)	(jO	1	(Ji)	(JO	5	(Ji)	(JO
1	16	10	2	2.5	1	1.25	4	1.1	0.18
2	16	10	1	2	1.03	1	5.25	2	0.16
3 ·	16	10	1.25	2	0.75	2	5.25	3	0.15
4	16.4	10o1	1.1	2.35	0.9	1.20	5.2	1.75	0.15
5	16.5	7.5	1.1	2.5	0.9	1.5	4	1.75	0.18
6	16 -	10	2	2.4	1	1.25	4	1.8	0.17
7	16	10	0.99	2.4	0.86	1.25	5.2	3	0.17
8	16	5	2	2.5	1	2 '	4	3	0.18
9	16	9	2	2.3	1	1.20	4	1.57	0.18
10	16	10	2	2.5	1	1.25	5	3	0.18
11	16	5	2.5	1.25	3	0.18
12	16	10	2«5	2	4	0.18

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Über die in der Tabelle I aufgeführten Legierungsbestandteile hinaus enthielt jede Legierung noch je unter 0,156 Eisen, Mangan und Silizium, etwa 0,1$ Zirkonium und etwa 0,02# Bor sowie als Rest Nickel, Die Zeitstandfestigkeiten auf Endabmessungen vergossener Zugstäbe mit einem Durchmesser von 6,35 mm und einer Länge von 31,8 mm wurde im Anschluß an die in Tabelle II angegebenen Wärmebehandlungen unter verschiedenen Versuchsbedingungen, d.h. bei 98O⁰C und einer Belastung von 15,5 kg/mm , bei 925⁰C unter einer Belastung von 23,2 kg/mm und bei 730 C unter einer Belastung von 63,3 kg/mm ermittelt. Die entsprechenden Versuchsergebnisse sind in der Tabelle III zusammengestellt.

Tabelle II

	Wärmeb ehandlung
A	Gußzustand
B	sechsstündiges Glühen bei 108O⁰C, vierundzwanzigstündiges Glühen bei 845 C;
C	zweistündiges Glühen bei 112O⁰C, vierundzwanzigatündiges Glühen bei 845 C;
D	zweistündiges Glühen bei 112O⁰C, sechsstündiges Glühen bei 1080 C und sechzehnstündiges Glühen bei 900 C;
Ξ	sechsstündiges Glühen bei 1080°C. sechzehnstündiges Glühen bei 900 C.

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· ·*·«···Ι|· ifeftffc Λί·ΤΠΛ · ·Β·π**ΐΆ(ι?)Α Am«T!· ttt*» *■·■ 4πΑ·ΐ1· β^^ **ΗΚ*·1*·ηϊ··ηπ& · · 4^^· · ■«·>

Tabelle III

Legierung	Wärmebehandlung	Standzeit	54.6	Dehnung
	980⁰C - 15»5 kg/mm²	37
1	B	31.2	13
	C	43.4	11
	D	43	13
2	E	35.2	11
3	A	51.7	10
4	C	49	22
5	C	62	9.7
6	C	56.5	12
7	C	58.9	t7
8	C	78.7	13.5
9	C	73.6	15
10	C	110.6	18
11	C	5,2 kfi/mm²	17
12	C	60.2	14
	925⁰C - 23	73.9
9	C	76.7	14
10	C	133.5	13.3
11	C	5,3 kR/mm²	8
12	C	162	11.6
	730⁰C - 63	163
1	B	278	4.8
	C	109.6	3
	D	263.4	4.4
CVl	Ξ	231.3	2.7
4	C	2.7
5	C	3o6

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ί. m^f _

Tabelle IIP

Legierung	Wärmebehandlung	Standzeit (h)	235.6 135.6 213.3 373.4 303.6 345.4 *53O+	Dehnung (*)
6 7 8 9 10 11 12	73O⁰C - 63,3 kg/mm²	4.4 4.4 5.3 - 4.4 5.6 5.3
QQOOOOO

* kein Probenbruch

Die Versuchsergebnisse der Tabelle III zeigen, daß die erfindungsgemäßen legierungen eine bessere Zeitstandfestigkeit besitzen als die Legierungen der Hauptanmeldung. Sie besitzen außerdem eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, wie'sich anhand zahlreicher Korrosionsversuche nachweisen ließ, bei denen Probestücke in Luft und Berührung mit einem geschmolzenen sulfidierenden Salzgemisch erhitzt wurden, das 90$ Natriumsulfat und 10$ Natriumchlorid enthielt und eine Temperatur von 925⁰C besaß. Die Legierungen widerstanden diesen schweren Versuchsbedingungen mindestens 8 Stunden. Die Legierung 10 war auch nach 50 Stunden noch nicht angegriffen, zeigte jedoch eine leichte Korrosion nach 200 Stunden, während Legierung 12 auch nach 200 Stunden noch keinen Korrosionsangriff aufwies. Die-

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se Legierung bewährte sich, wie sich aus Tabelle III ergibt bei allen Versuchen und besaß nach einem langzeitigen Glühen bei hohen Temperaturen eine hervorragende Gefügestabilität, d.iu sie entwickelte keine spröden Phasen, wie beispielsweise die Sigmaphase« ■, \

Aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gußstücke eignen sich insbesondere für Gasturbinen, die mit unreinen und schwefelhaltigen Brennstoffen betrieben werden, insbesondere in maritimer Umgebung, wenn das Aggregat mit Natriumchlorid und anderen Salzen in Berührung kommt. Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich nicht nur als Werkstoff für Flugzeug-, Industrie- ₉ Schiffs- und Ersftfahrzeugturbinenschaufein, sondern auch für Gußteile von stationären Gasturbinen, wie beispielsweise Ventile, Düsenteile und andere Gußteile für Turbinen, die korrodierenden Medien bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

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Claims

1R08185

...!!..CJbx.Qmrr.Ii.cl

International Nickel Limited, Thames House, Millbank,

London, S. W. 1, England

Patentansprüche:

1, Chrom-Nickel-Legierung nach Patentanmeldung I 31 170 VIa/40b,

AU 21 V-ZfT . ■ ς. -

die jedoch aus 15 bis 18# Chrom, 4 bis 12$ Kobalt, 0,75 Ws IS * - J t r - ι λ - ζ 2,2# Molybdän, 1 bis 3# Wolfram, 0,5 bis 2£ Niob, 1 bis 3%

ff, 01Γ ~ Of Qj S₁ i" - ^

Tantal, 0,1 bis 0,25?S Kohlenstoff, 3 bis 1% Aluminium, mindestens das Sechsfache des Kohlenstoffgehaltes, jedoch hoch-

0-0,75"
stene 4,5^ an Titan bei einem Gesamtgehalt an Aluminium und

Oj ο ^Λ - 5 D " ο- '"j -oz Titan von 6 bis 856, 0,01 bis 0,05# Bor und 0,01 bis 0,2# Zirkonium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch 15,5 bis 17$ Chrom, 0,75 bis 2,2# Molybdän, 1,8 bis 3% Wolfram, 0,75 bis 1 Niob, 1 bis 2% Tantal, 3 bis 4$> Aluminium, 0,14 bis 0,2$ Kohlenstoff, 3 bis 4# Titan, 0,01 bis 0,05$ Bor und 0,05 bis 0,15# Zirkonium enthält.

3. Legierung nach den Ansprüchen 1 oder 2, deren Kobaltgehalt jedoch 8 bis 11# beträgt.

4. Legierung nach den Ansprüchen 1 oder 2, deren Kobaltgehalt jedoch 4 bis 6# beträgt.

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5« Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4* deren Gesamtgehalt an Aluminium und Titan jedoch höchstens 7_t5# beträgt.

6* Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Werkstoff für Gußteile, die bei hohen Temperaturen und hoher Belastung eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen müssen«

7. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Werkstoff für Gußteile, die wie Teile von Gasturbinen, bei hohen Temperaturen einer starken Belastung in Anwesenheit von Natriumchlorid unterworfen sind.

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