DE2421680A1

DE2421680A1 - Nickel-kobalt-eisen-gusslegierung mit niedrigem ausdehnungskoeffizienten und hoher streckgrenze

Info

Publication number: DE2421680A1
Application number: DE19742421680
Authority: DE
Inventors: John Jefferson Mason; Peter John Penrice
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1973-05-04
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1974-11-21
Also published as: NL166281C; NL7405967A; SE409729B; IT1011325B; FR2228117A1; BE814527A; DE2421680B2; NL166281B; ES425925A1; CH602949A5; DE2421680C3; AU6855374A; JPS5030729A; JPS575867B2; FR2228117B1; CA1038205A; GB1401259A

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dr.-lrg. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4dqo Düsseldorf 30 ■ Cecilienallee 7S ■ Telefon 432732

3. Mai 1974 29 407 K

International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S₀W₀I, Großbritannien

"Niekel-Kobalt-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Streckgrenze"

Die Erfindung bezieht sich auf eine aushärtbare Nickel-Kobalt-Eisen-Gußlegierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und hoher Streckgrenze zur Verwendung bei Temperaturen bis etwa 600°C.

Nickel-Eisen-Gußlegierungen mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten sind bekannt; so besitzt beispielsweise eine 36% Nickel und 64% Eisen enthaltende Legierung im Temperaturbereich von 0 bis etwa 200⁰C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Null. Andererseits weisen diese Nickel-Eisen-Legierungen im Temperaturbereich von bis 600⁰C eine niedrige Festigkeit auf, wenngleich sich die Festigkeit durch einen Titanzusatz und Aushärten erhöhen läßt.

Bekannte Knetlegierungen enthalten daher 0,75 bis 2,5% Titan. Durch umfangreiche Versuche konnte nun festgestellt werden, daß eine vergleichbare Erhöhung der Festigkeit bei einer Gußlegierung wesentlich höhere Titangehalte von 1,5 bis 5% erfordert. Die damit erreichbare Festigkeitssteige-

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rung geht jedoch auf Kosten des Ausdehnungskoeffizienten, der sich mit steigendem Titangehalt erhöht.

Überraschenderweise konnte nun festgestellt werden, daß sich im Temperaturbereich von 20 bis 30O⁰C eine optimale Kombination von Festigkeit und thermischem Ausdehnungskoeffizienten bei vorzugsweise ausgehärteten Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierungen ergibt, wenn deren Gehalte an Nikkei, Titan und Kobalt sowie gegebenenfalls Niob in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt werden«,

Im einzelnen ist die Erfindung auf eine Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung gerichtet, die im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 . 10 /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C und bei 20⁰C eine Streckgrenze über 350 N/mm besitzt,, Dies ist der Fall bei einer Legierung mit 27 bis 47% Nickel, 5 bis 16% Kobalt, 1 bis 4% freies Titan, 0 bis 1,5% Niob, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0 bis 0,2% Aluminium und 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der Bedingung

(% Ni) + 0,7(96 Co) - 1,25 P& Ti + O.35(% - 2(% Ti)/(% Ti + % Nb) = 37 bis 39%

genügen.

Die Anwesenheit von Silizium, Mangan, Magnesium und/oder Aluminium ist besonders günstig, wenn die Legierung an Luft erschmolzen oder vergossen wird.

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Vorzugsweise enthält die Legierung 32 bis 38% Nickel, 7 bis 14% Kobalt, 1,5 bis 3,5% freies Titan, höchstens 0,04% Kohlenstoff und höchstens 0,3% Mangan. Besondere Vorteile besitzt eine Gußlegierung mit 36,5 bis 37»5% Nickel, 7,5 bis 8,5% Kobalt, 1,9 bis 2,2% freies Titan und 0,3 bis 0,6% Niob oder mit 37% Nickel, 8% Kobalt, 2% freies Titan, 0,5% Niob, höchstens 0,04% Kohlenstoff, höchstens 0,3% Silizium, höchstens 0,2% Aluminium und höchstens 0,3% Mangan.

Die hohe Festigkeit der vorerwähnten Gußlegierung ist durch eine sich beim Aushärten bildende Ni^(Ti)-AuS-scheidungsphase bedingt, in die karbidisches Titan nicht eingeht«, Aus diesem Grunde kommt es entscheidend auf den Gehalt an freiem, d.h_e nicht an Kohlenstoff gebundenem Titan an und übersteigt der Gesamtgehalt an Titan vorzugsweise den Gehalt an freiem Titan um das 4-fache des Kohlenstoffgehaltes, der jedoch 0,1% nicht übersteigen darf und vorzugsweise höchstens 0,04%, besser noch höchstens 0,02% oder gar 0,002% beträgt,,

Die in Rede stehende Legierung wird vorzugsweise 1 bis Stunden bei 550 bis 700⁰C ausgehärtet, wobei die optimale Glühtemperatur vom Gehalt an freiem Titan abhängig ist. Bei niedrigeren Gehalten an freiem Titan lassen sich optimale technologische Eigenschaften durch ein Glühen im unteren Teil des angegebenen Temperaturbereichs, beispielsweise durch ein 24-stündiges Glühen bei 575 bis 625⁰C erreichen, während das Glühen bei höheren Gehalten an freiem Titan vorzugsweise im oberen Teil des angegebenen Temperaturbereichs stattfindet wie,beispielsweise im Falle eines 24-stündigen Glühens bei 625 bis 675⁰C, vorzugsweise bei 650⁰C₀

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Ein 5-stündiges Glühen bei 65O⁰C führt zu einem leicht erhöhten Ausdehnungskoeffizienten und etwas niedrigerer Streckgrenze, was,, iedoch in vielen Fällen ohne Bedeutung ist. Darüber hinaus läßt auch für zahlreiche Anwendungsfälle eine ausreichende Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient**|ruch ohne ein besonderes Aushärten erreichen, wenn die Gußstückabmessungen ausreichend sind und/oder das Gußstück im Temperaturbereich des Aushärtens langsam genug abgekühlt wird. Dem Aushärten kann auch ein Lösungsglühen voraufgehen,,

Die Zugfestigkeit der Gußlegierung ist abhängig vom Gehalt an freiem Titan. So ist näherungsweise der dopptelte Titangehalt erforderlich, um einer ausgehärteten Gußlegierung dieselbe Festigkeit zu verleihen, wie einer entsprechenden ausgehärteten Knetlegierung«, Eine 34% Nickel und 13% Kobalt enthaltende Legierung erfordert beispielsweise etwa 3% freies Titan, um im Gußszustand eine Festigkeit zu erreichen, die eine entsprechende Knetlegierung bereits bei einem Titangehalt von etwa 1,5% besitzt. Die in Rede stehende Gußlegierung muß daher 1 bis 4% freies Titan enthalten, vorzugsweise enthält sie 1,5 bis 3,5%, besser noch 1,7 bis 2,7% oder gar 1,9 bis 2,2% freies Titan. Titangehalte unter 1% verringern die Festigkeit, während Titangehalte über 4% die Duktilität beeinträchtigen und zu einer Verpsrödung führen.

Die Legierung braucht kein Niob zu enthalten, wenngleich Niobgehalte bis 1,5% zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beitragen.

Die Legierung enthält 27 bis 47% Nickel. Nickelgehalte außer-

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halb dieser Grenzen erhöhen den Ausdehnungskoeffizienten. Von entscheidender Bedeutung für eine optimale Kombination von Festigkeit und Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 20 bis 30O⁰C ist die gegenseitige Abhängigkeit derGehalte an Nickel und freiem Titan. Um dem Rechnung zu tragen, müssen die Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der obenerwähnten Bedingung genügen bzw. deren Gleichungswert«, Ausgehärtete Gußlegierungen, die dieser Bedingung nicht genügen, können zwar je nach ihrem Titangehalt bei 20⁰C eine Streckgrenze über 350 N/mm erreichen, jedoch nicht einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 . 10"" /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C,

Durch Versuche konnte nachgewiesen werden, daß eine 2,5% Titan und 13,5% Kobalt enthaltende Gußlegierung einen Nickelgehalt von 32,5 bis 34,5% erfordert, um im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten von 5 ο 10 /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 30O⁰C zu erreichen. Liegt der Nickelgehalt unter 32,5%, dann besteht bei dieser Legierung die Gefahr einer Martensitbildung als Folge einer Tieftemperaturbehandlung oder eines Kaltverformens und damit eines höheren Ausdehnungskoeffizienten«, Nickelgehalte über 34,5% führen zu einer Erhöhung des Ausdehnungskoeffizienten über 5 ₀ 10 /⁰C. Vorzugsweise enthält die Legierung daher 32 bis 38%, besser noch 36,5 bis 37,5%, beispielsweise 37% Nickel«,

Die in Rede stehende Legierung enthält 5 bis 16% Kobalt, da das Kobalt den thermischen Ausdehnungskoeffizienten insbesondere im Temperaturbereich von 300 bis 600⁰C verminderte Kobaltgehalte über 16% führen dagegen zu einer

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Erhöhung des Ausdehnungskoeffizienten,, Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 7 bis 14%, besser noch 10 bis 15% und mit besonderem Vorteil 7,5 bis 8,5%, beispielsweise 8% Kobalt.

Die in Rede stehende Legierung eignet sich insbesondere als Werkstoff zum Herstellen verwickelter Feingußstücke mit ausgezeichneter Oberfläche und demzufolge niedrigen Bearbeitungskosten. Nickel-Eisen- und Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierungen, die kein Titan enthalten, unterliegen der Gefahr von Oberflächenrissen, die teils durch Warmsprödigkeit und teils durch eine geringe Oxydationsbeständigkeit bedingt sind. Solche Oberflächenrisse beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Wechselfestigkeito Dem wirkt jedoch die Anwesenheit von Titan entgegen, so daß Gußstücke aus eir ner titanhaltigen Legierung der in Rede stehenden Art eine weitaus bessere Oberflächenbeschaffenheit besitzen als titanfreie Legierungen Die gute Oberflächenbeschaffenheit ist besonders bemerkenswert bei Gußstücken mit hohem Gehalt an freiem Titan, von beispielsweise mindestens 2%„

Um fehlerfreie Gußstücke herzustellen, sollten die Gehalte an Silizium, Mangan und Aluminium sorgfältig eingestellt werden. Siliziumgehalte unter 0,3%, vorzugsweise unter 0,1% verbessern die Vergießbarkeit an Luft, während Siliziumgehalte über 0,3% zwar die Streckgrenze erhöhen, darüber hinaus aber nachteiligerweise auch zu einem höheren Ausdehnungskoeffizienten führen.

Das Mangan verbessert die Desoxydation, Vergießbarkeit und Streckgrenze; dies geht jedoch auf Kosten eines niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, weswegen der Mangangehalt 0,4%

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nicht übersteigen darf.und für eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient höchstens 0,3% beträgt.

Auch das Aluminium trägt zur Verbesserung der Gußstückqualität beim Erschmelzen und Vergießen an Luft bei, wenngleich Aluminiumgehalte über 0,2% den Ausdehnungskoeffizienten erhöhen. Im Hinblick auf eine optimale Kombination von Streckgrenze und Ausdehnungskoeffizient sollte der Aluminiumgehalt daher 0,1% nicht übersteigen,,

Obgleich sich die Legierung an Luft erschmelzen und vergießen läßt, wird sie doch vorzugsweise im Vakuum oder unter Inertgas erschmolzen und vergossen. Sofern die Legierung an Luft unter Inertgas erschmolzen und vergossen wird, sollte sie vorzugsweise höchstens 0,1% Magnesium enthalten, um das Entstehen von Magnesiumdampf und Poren zu vermeiden. Üblicherweise wird das Magnesium als Nickel-Magnesium-Vorlegierung zur abschließenden Desoxydation zugesetzt.

Die -Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel 1

Eine Legierung 1 mit 33% Nickel, 13,4% Kobalt, 2,5% freies Titan, unter 0,002% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, mit einem Gleichungswert von 37,26% wurde im Vakuum erschmolzen und bei 150O⁰C zu Feingußstücken vergossen. Die Gußstücke wurden

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24 Stunden bei 65O⁰C ausgehärtet und anschließend untersucht, wobei sich die Daten der nachfolgenden Tabellen I und II ergaben.

	890 610	*	750 500	4 9
		Tabelle II
	Versuchstemp eratur (°c)
Tabelle I	20 - 100 20 - 200 20 - 300 20 - 400 20 - 500 20 - 600	Ausdehnungskoeffizi ent (χ 10"⁶/°Ο
	4.2 3.8 3.9 5.5 7.4 9.1


Versuchstempe- Zugfestig- Streckgrenze Dehnung ratur keit (⁰C) (N/mm²) (N/mm²) {%)
20 500

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Die Daten der Legierung 1 zeigen, daß der Ausdehnungskoeffizient Im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C unter 5 . 10"⁶/⁰C und die Streckgrenze bei 20⁰C über 350 N/mm² liegen.

Beispiel 2

Eine Legierung 2 mit 37% Nickel, 8% Kobalt, 2,1% freiem Titan und 0,002% Kohlenstoff, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen mit einem Gleichungswert von 37,9% wurde im Vakuum erschmolzen und zu Feingußstücken vergossen. Die Feingußstücke wurden anschließend 24 Stunden bei 65O⁰C ausgehärtet und untersuchtj wobei sich die aus den nachfolgenden Tabellen III und IV ersichtlichen Daten ergaben.

Tabelle III

Versuchstempera- Dehnung Zugfestigkeit Streckgrenze tür

(⁰C) (%) (N/mm²) (N/mm²)

20 7 820 680

500 11 700 490

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Tabelle IV

Versuchstemp eratur Ausdehnungsko effizient (⁰C) (x 10~⁶/⁰C)

20 - 100 4.6

20 - 200 4.3

20 - 300 4.3

20 - 350 4.6

20 - 400 5.6

20 - 500 7.7

20 - 600 9.4

Auch die Daten der vorstehenden Tabellen III und IV zeigen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Versuchslegierung im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C unter 5 . 10~⁶/°C und die Streckgrenze bei 20⁰C über 350 N/mm² liegen.

Vorzugsweise besteht die Legierung aus 36,5 bis 37,5% Nickel, 7,5 bis 8,5% Kobalt, 1,9 bis 2,2% freiem Titan, 0,3 bis 0,6% Niob, höchstens 0,04% Kohlenstoff, höchstens 0,3% Silizium, höchstens 0,2% Aluminium und höchstens 0,3% Mangan, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen«,

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Beispiel 5

Eine Legierung 3 mit 37,3% Nickel, 7,9% Kobalt, 2,02% freiem Titan, 0,54% Niob, 0,002% Kohlenstoff und 0,05% Aluminium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen mit einem Gleichungswert von 38,49% wurde im Vakuum ersdimolzen und bei 1500 bis 155O°C zu Feingußstücken vergossen. Die Feingußstücke wurden 24 Stunden bei 650⁰C ausgehärtet und anschliessend mit den aus den nachfolgenden Tabellen V und VI ersichtlichen Ergebnissen untersucht.

Tabelle V

Versuchstemperatür Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung (⁰C) (N/mm²) (N/mm²) (%)

20 820 710 5

500 650 510 · 9

Tabelle VI

Versuchstemperatur Ausdehnungskoeffizient (⁰C) (x 10"⁶/°C)

20 - 100 4.3

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Fortsetzung der Tabelle VI

20 - 200 4.5

20 - 300 4.6

20 - 350 4.9

20 - 400 6.0

Die Daten der vorstehenden Tabellen V und VI zeigen, daß die Versuchslegierung 3 im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C einen Ausdehnungskoeffizienten unter

5 . 1O"⁶7°C und bei 20⁰C eine Streckgrenze über 350 N/mm² besitzt.

Die Legierung eignet sich insbesondere als Werkstoff für Konstruktionsteile zur Verwendung bei hohen Temperaturen, die eine hohe Festigkeit und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzen müssen«. So eignet sich die Legierung beispielsweise als Werkstoff für Gegenstände wie beispielsweise Kolbenboden von Schiffs-Diesänotoren und Aluminiumguß-Formen sowie für rotierende oder hin- und herbewegte Maschinenteile, wie beispielsweise Turbinenwellen und -schaufeln, die im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 30O⁰C und mehr, beispielsweise bis 500⁰C gleichbleibende und enge Toleranzen besitzen müssen. Dies gilt insbesondere für Triebwerke von Land-, See- und Luftfahrzeugen.

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Claims

242Ί680 International Nickel Limited, Thames House, Millbank, London, S.W. 1, Großbritannien Patentansprüche;

1. Aushärfbare Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung, bestehend aus 27 bis 47% Nickel, 5 bis 16% Kobalt, 1 bis 4% freies Titan, 0 bis 1,5% Niob, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0 bis 0,2% Aluminium und 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, deren Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob der Bedingung

(% Ni) + 0,7(% Co) - 1,25 f% Ti + O.35(% Nbl7 - 2(% Ti) / (% Ti + % Nb) = 37 bis 39%

genügen.

2. Gußlegierung nach Anspruch 1, deren Gesamtgehalt an Titan den Gehalt an freiem Titan um das Vierfache des Kohlenstoffgehaltes übersteigt_β

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 32 bis 38% Nickel, 7 bis 14% Kobalt, 1,5 bis 3,5% freies Titan, höchstens 0,04% Kohlenstoff und höchstens 0,3% Mangan enthält,,

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch 1,7 bis 2,7% freies Titan enthält.

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5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch 36,5 bis 37,5% Nickel, 7,5 bis 8,5% Kobalt, 1,9 bis 2,2% freies Titan und 0,3 bis 0,6% Niob enthält.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, die jedoch 37% Nickel, 8% Kobalt, 2% freies Titan und 0,5% Niob enthält.

7. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die jedoch 1 bis 24 Stunden bei 550 bis 700⁰C ausgehärtet worden ist.

8. Legierung nach Anspruch 7, die jedoch 24 Stunden bei 650⁰C ausgehärtet ist.

9. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1

bis 8 als Werkstoff für Gegenstände, die im ausgehärteten Zustand einen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 τ 10 /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C und bei 20⁰C eine Streckgrenze über 350 N/mm besitzen müssen.

10. Verfahren zum Herstellen einer Nickel-Eisen-Kobalt-Gußlegierung mit einem Ausdehnungskoeffizienten unter 5 . 10" /⁰C im Temperaturbereich von 20 bis 300⁰C und einer Streckgrenze über 350 N/mm bei 20⁰C, bestehend aus 27 bis 47% Nickel, 5 bis 16% Kobalt, 1 bis 4% freiem Titan, 0 bis 1,5%.Niob, 0 bis 0,1% Kohlenstoff, 0 bis 0,3% Silizium, 0 bis 0,4% Mangan, 0 bis 0,2% Aluminium, 0 bis 0,1% Magnesium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen, dadurch g e -

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kennzeichnet, daß die Gehalte an Nickel, Kobalt, freiem Titan und Niob, entsprechend der Bedingung

(J6 Ni) + 0,70« Co) - 1,25 £V ^Ti + 0,350« m>)J - 2(% Ti) / (Ji Ti + % Nb) = 37 bis 39%

aufeinander abgestimmt werden.

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