DE2812487A1

DE2812487A1 - Nickel-chrom-stahllegierung

Info

Publication number: DE2812487A1
Application number: DE19782812487
Authority: DE
Inventors: Edward Frederick Clatworthy; Jun Darrell Franklin Smith
Original assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Current assignee: Huntington Alloys Corp
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1978-09-28
Also published as: ATA206278A; US4165997A; AT372408B; SE7803395L; FR2384857A1; FR2384857B1; IT1156171B; SE423725B; IT7848540A0; GB1551804A

Description

"Nickel-Chrom-Stahllegierung"

Die Erfindung bezieht sich af eine Nickel-Chrom-Stahllegierung mit hoher Hitzebeständigkeit für Kraftfahrzeugturbinen und andere, Zwischentemperaturen ausgesetzte Teile.

Gasturbinen und andere wärmebeaufschlagte Maschinen erfordern Legierungen, die ihre Festigkeit und Zähigkeit sowie Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei der jeweiligen Arbeitstemperatur beibehalten. So sind beispielsweise für Kraftfahrzeugturbinen Legierungen mit einer Streckgrenze über 689,5 N/mm[hoch]2 erforderlich, die bei einer Betriebstemperatur von 650°C ihre Zähigkeit und Gefügestabilität für 5000 bis 10 000 Stunden beibehalten. Während es für Flugzeugturbinen bereits geeignete Nickel-Legierungen gibt, fehlt es an einer reisgünstigeren Stahllegierung für Kraftfahrzeugturbinen und bestimmte andere Flugzeugteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für Kraftfahrzeugturbinen und andere bei Zwischentemperaturen eingesetzte Gegenstände geeignete hitzebeständige

Stahllegierungen mit bleibender Duktilität und Gefügestabilität bei hohen Temperaturen zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Niob und Titan enthaltenden Nickel-Chrom-Stahllegierung. Im einzelnen besteht die Erfindung in einer Stahllegierung mit 29 bis 34% Nickel, 10 bis 14% Chrom, 1,5 bis 2,5% Titan, 0,095 bis 4,3% Niob und/oder Tantal, bis 0,015% Bor, bis 2 % Mangan, bis 0,5% Silizium, bis 0,8 % Aluminium, bis 0,1 % Kohlenstoff, bis 0,5 % Molybdän und bis 0,5 % Wolfram, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 45% Eisen, die den Bedingungen

(%Nb)+1/2(%Ta) = 0,95 bis 2,15 %

und

(%Ti)+1/3[(%Nb+1/2(%Ta) ] größer/gleich 2 %

genügt. Vorzugsweise beträgt der letztgenannte Gleichungswert mindestens 2,5%.

Die Legierung sollte so wenig wie möglich Molybdän und Wolfram, d.h. insgesamt unter 0,8 %, vorzugsweise unter je 0,3 % Molybdän und Wolfram enthalten.

Anstelle von Niob kann die Legierung je zwei Gewichtsteile Tantal je Gewichtseil Niob entsprechend den vorerwähnten Gleichungen enthalten. Andererseits kann die Legierung jedoch auch nur übliche Spuren von Tantal, beispielsweise etwa 1% des Niobgehaltes enthalten.

Zu den Verunreinigungen gehören bis 0,015 % Schwefel, bis 0,01 % Phosphor, bis je 0,02% Zirkonium, Kalzium und Magnesium sowie bis 1% Kupfer.

Im Hinblick auf eine optimale Festigkeit und Duktilität sollte die Legierung vorzugsweise 1,8% bis 2,5 % Titan, 1,25 bis 2,1 % Niob und 0,002 bis 0,010 % Bor, 0,06 % Kohlenstoff und 0,40 % Aluminium einzeln oder nebeneinander enthalten. Geringe Aluminiumgehalte von mindestens 0,02 % wirken sich günstig auf die Duktilität der Legierung aus.

Um eine langzeitige Gefügestabilität zu gewährleisten, genügt die Stahllegierung vorzugsweise der Bedingung:

(%Ti)+1/3[(%Nb+1/2(%Ta) ] kleiner/gleich 4,4 %

Die vorgeschlagene Legierung besitzt insbesondere im ausgehärteten Zustand eine hohe Gefügestabilität und behält ihre Festigkeit und Duktilität in einem sehr weiten Temperaturbereich von Minustemperaturen, beispielsweise -200°C, bis zu Zwischentemperaturen von 593 bis 649°C, bei denen es ansonsten zu einem Zähigkeitseinbruch kommt.

Im Falle eines Schmiedens wird die Legierung vor dem Aushärten vorzugsweise einem Lösungs- und Rekristallisationsglühen unterworfen, beispielsweise je nach Wanddicke 15 Minuten bei mindestens 899°C oder vorzugsweise 15 Minuten bis 1 Stunde bei 927 bis 1066°C geglüht. Die Glühtemperatur beeinflusst die Korngröße und die Eigenschaften, weswegen sie im Hinblick auf ein feinkörniges Gefüge mit einer ASTM-Korngröße von 6,5 oder mehr und damit eine hohe Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit vorzugsweise 982°C beträgt. Im Gegensatz dazu ergeben höhere Glühtemperaturen von beispielsweise 1038°C ein gröberkörniges Gefüge, beispielsweise mit einer ASTM-Korngröße von 5,5 oder darunter und damit eine bessere Zeitstandfestigkeit. Höhere Glühtemperaturen bewirken ein besseres Lösen der Ausscheidungsphase und eine weitergehende Rekristallisation. Eine Glühtemperatur von etwa 1010°C führt zu einer sehr guten Eigenschaftskombination.

Vorzugsweise beträgt die Glühtemperatur beim Aushärten 593 bis 732°C. Ein zweistufiges Aushärten beginnt mit einem achtstündigen Glühen bei 718°C oder 732°C mit einem Ofenabkühlen auf 621°C bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 55,55°C/h, gefolgt von einem achtstündigen Glühen bei 621°C und einem abschließenden Luftabkühlen auf Raumtemperatur.

Bei einem dreistufigen Glühen wird die Legierung zwischen dem Glühen und Aushärten 0,5 bis 6 Stunden, vorzugsweise eine Stunde bei 760 bis 871°C, beispielsweise bei 843°C, geglüht und anschließend an Luft auf Raumtemperatur oder die Aushärtetemperatur von beispielsweise 718°C abgekühlt. Auf diese Weise ergeben sich insbesondere eine bessere Bruchzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit. Im allgemeinen ändert sich die Korngröße während des Aushärtens und des Zwischenglühens kaum. Das Gefüge einer gekneteten Legierung besteht im ausgehärteten Zustand aus einer duktilen Matrix mit einer Raumtemperatur-Härte von 75 R[tief]b und einer gleichmäßig darin verteilten Gamma-Primärphase (A[tief]3B) suboptischer Größe.

Die vorgeschlagene Legierung besitzt im ausgehärteten Zustand bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von mindestens 758,4 N/mm[hoch]2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 33,89 Nm sowie bei 649°C, einer Belastung von 517 N/mm[hoch]2 und bei 3,5 K[tief]t einer Spritzkerbprobe eine Standzeit von 23 Stunden sowie eine Bruchdehnung von 3%. Die Gefügestabilität der Legierung zeigt sich unter anderem an einer Raumtemperatur-Kerbschlagzähigkeit von 13,56 Nm nach einem 1000-stündigen Glühen bei 649°C oder einer mindestens 25%-igen Einschnürung nach einem langzeitigen Glühen beim Zugversuch.

Vorzugsweise enthält die Legierung 29 bis 37% Nickel, 10 bis 14% Chrom, 1,8 bis 2,5 % Titan und 1,25 bis 2,1 % Niob bei

(%Ti)+1/3(%Nb)größer/gleich 2,5, 0,002 bis 0,010% Bor, bis 2 % Mangan, bis 0,4% Aluminium, bis 0,35% Silizium, bis 0,06 % Kohlenstoff, insgesamt höchstens 0,6 % Molybdän und Wolfram, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen. Diese Legierung besitzt eine Raumtemperatur-Streckgrenze von mindestens 861 N/mm" sowie bei 649°C und einer Belastung von 655 N/mm[hoch]2 eine Standzeit von mindestens 23 Stunden und eine Zeitbruchdehnung von mindestens 5%.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

Beispiel 1

Im Vakuuminduktionsofen wurde eine Legierung 1 mit nominell 31% Nickel, 12% Chrom, 2,5% Titan, 1,5% Niob, 0,02% Kohlenstoff, 0,9% Mangan und 0,005 % Bor, Rest Eisen eingeschmolzen und anschließend zu einem Block vergossen. Die Analysenergebnisse sind aus der nachfolgenden Tabelle I ersichtlich. Der Block wurde 12 bis 16 Stunden bei 1121°C ausgleichsgeglüht und zu einem Stab mit einem Durchmesser von 5,71 cm ausgeschmiedet. Ein Teilstück dieses Stabes wurde alsdann auf eine Kantenlänge von 1,43 x 1,59 cm ausgeschmiedet. Dabei erwies sich die gute Schmiedbarkeit der Legierung. Der Schmiedestab besaß im geglühten und ausgehärteten Zustand eine Streckgrenze über 965 N/mm[hoch]2 bei Raumtemperatur und von 827 N/mm[hoch]2 bei 649°C. Um die geringe Anisotropie der Legierung zu belegen, wurden aus dem Stab mit dem Durchmesser von 5,71 cm Querproben 1-T mit einer Länge von 18,16 mm und einem Durchmesser von 4,52 mm herausgearbeitet und untersucht. Die gute Gefügestabilität nach einer langzeitigen Temperaturbeaufschlagung zeigte sich an geglühten und ausgehärteten Proben, die bis 12000 Stunden geglüht und anschließend hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit und Kernschlagzähigkeit untersucht wurden. Die Ergebnisse der Versuche mit der Legierung 1 sind in den nachfolgenden Tabellen II und III zusammengestellt.

Beispiel 2

Im Induktionsofen wurde eine Legierung 2 mit nominell 31% Nickel, 12 % Chrom, 2,25% Titan, 1% Niob, 0,02% Kohlenstoff, 1 % Mangan und 0,005% Bor, Rest Eisen erschmolzen und zu einem Block vergossen. Aus dem Block wurde nach einem Ausgleichsglühen bei 1149°C bei 1093°C ein Quadratstab mit einer Kantenlänge von 1,43 cm geschmiedet. Die chemische Analyse und die mechanischen Eigenschaften ergeben sich aus den Tabellen I bis III.

Beispiel 3

Im Induktionsofen wurden an Luft Legierungen 3 und 5 sowie im Vakuum Legierungen 4,6 und 7 mit den aus Tabelle I ersichtlichen Zusammensetzungen erschmolzen. Die Legierungen wurden zu Blöcken vergossen und diese zu Stäben mit Kantenlängen von 5,71 cm, 1,59 cm oder 1,43 cm entsprechend den Beispielen I und II geschmiedet. Die chemischen Analysen und mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich von -196 bis 704°C sind aus den Tabellen I bis III ersichtlich. Die unterschiedlichen Glüh- und Aushärtebedingungen zeigen, dass die vorgeschlagene Legierung für unterschiedliche Wärmebehandlungen geeignet ist. So kann die Legierung zunächst 30 Minuten bei 982°C geglüht, auf 718°C wiedererwärmt und acht Stunden bei dieser Temperatur ausgehärtet, im Ofen mit einer Geschwindigkeit von 55,6°C/h auf 621°C abgekühlt sowie bei dieser Temperatur acht Stunden gehalten und anschließend an Luft abgekühlt werden.

Einige Zeitstandproben der Legierung 4 wurden bei 982°C, andere bei 1038°C geglüht. Proben der Legierung 6 wurden dreistufig ausgehärtet und dabei zunächst bei 982°C geglüht, für ein dreistündiges Zwischenglühen bei 843°C wiedererwärmt, an Luft abgekühlt und alsdann mit einer Ausgangstemperatur von 718°C zweistufig ausgehärtet.

Bei der metallografischen Untersuchung der Proben aus den Beispielen 1 bis 3 ergab sich jeweils ein feinkörniges Gefüge mit feinen sphärolithischen intrakristallinen Karbiden und sauberen regelmäßigen Korngrenzen ohne unerwünschte Phasen wie Eta-, Delta-, Sigma- oder Laves-Phasen. Die Härtungsphase war so fein, dass sie sich auch bei einer tausendfachen Vergrößerung nicht auflösen ließ.

Tabelle I

Tabelle II

Längsproben aus geschmiedeten Quadratstäben mit einer Kantenlänge von 1,43 x 1,59 cm mit Ausnahme von 1-T und 4-T

T: Querproben von geschmiedeten Quadratstäben mit einer Kantenlänge von

5,71 cm, im Kern geglüht und an den Kanten ausgehärtet

Gl: dreißigminütiges Glühen bei 982°C und Luftabkühlen

Gl-2: einstündiges Glühen bei 1066°C und Luftabkühlen

Aush: achtstündiges Glühen bei 732°C, Ofenabkühlen mit 55,6°C/h auf 621°C und

achtstündiges Halten, Luftabkühlen

Aush-1: Aushärtetemperatur 718°C, sonst wie Aush.

ZG: dreistündiges Zwischenglühen bei 843°C und Luftabkühlen vor dem Aushärten

Die Einschnürung bezieht sich auf einen Probendurchmesser von 6,4 mm.

* Probenlänge 18,2 mm, Probendurchmesser 4,52 mm.

Tabelle III

Kerb-Probe aus einem Schmiedestab mit einer Kantenlänge von 1,43 x 1,59 cm, K[tief]t = 3,6, Länge der Probe 1,82 cm, Probendurchmesser 4,52 mm.

Gl-1: dreißigminütiges Glühen bei 1038°C und Luftabkühlen.

* Zunehmende Belastung von 48 Stunden bei 551,6 N/mm[hoch]2,

anschließend 8 bis 12 Stunden bei 586 N/mm[hoch]2 und abschließend 620

N/mm[hoch]2.

Eine Legierung mit 31 bis 34% Nickel und 2 bis 2,5% Titan bei (%Ti)+1/3(%Nb) von mindestens 2,6 und (%Ti)+(%Nb) von mindestens 3,3% besitzt eine Streckgrenze von mindestens 826,3 N/mm[hoch]2 bei Raumtemperatur und von mindestens 75,86 N/mm[hoch]2 bei 649°C sowie bei einer Temperatur und einer Standzeit von mindestens 23 Stunden eine Zeitstandfestigkeit von mindestens 620 N/mm[hoch]2 oder auch von 689,5 N/mm[hoch]2 bei ausgezeichneter Duktilität. Die vorgeschlagene Legierung ist verhältnismäßig alterungsträge und besitzt daher eine gute Schweißbarkeit bei geringer Gefahr einer Reckalterung im Vergleich zu anderen Titan und Aluminium als Härter enthaltenden Legierungen. Im Hinblick auf eine gute Schweißbarkeit sollte die Legierung höchstens 0,010%, vorzugsweise höchstens 0,005% Bor enthalten.

Die gute Zerspanbarkeit der Legierung bei verschiedenen Geschwindigkeiten erwiesen Zerspanungsversuche mit karbidischen Werkzeugen bei Umfangsbeschwindigkeiten von 45,7 bis 54,87 m/min, einer Schneidtiefe von 1,27 mm und einem Vorschub von 0,21 mm je Umdrehung mit einer Werkzeugstandzeit von 12 Minuten bis zu einem Verschleiß von 0,038 mm an Proben von Stahllegierungen mit 1,5 und 2,2% Niob. Für ein Hochgeschwindigkeitszerspanen eignen sich insbesondere Legierungen mit Niobgehalten von 1 bis 1,75 %.

Die vorgeschlagene Legierung eignet sich insbesondere zum wirtschaftlichen Herstellen von Turbinenteilen mit hoher Festigkeit und Duktilität für eine langzeitige Beanspruchung bei Temperaturen von 650°C, beispielsweise für Kompressorschaufeln und Dichtringe von Kraftfahrzeugturbinen, stationären oder Flugzeugturbinen. Des weiteren eignet sich die Legierung als Werkstoff für Verschraubungen, Stauringe elektrischer Generatoren und Kompressorgehäuse.

Claims

1. Nickel-Chrom-Stahllegierung mit 29 bis 34% Nickel, 10 bis 14% Chrom, 1,5 bis 2,5% Titan, 0,95 bis 4,3% Niob und/oder Tantal bei (%Nb) + ½ (%Ta) = 0,095 bis 2,15 % und (%Ti) + 1/3 [(%Nb) + ½ (%Ta)] größer/gleich 2%, 0,002 bis 0,015% Bor, bis 2% Mangan, bis 0,5% Silizium, bis 0,8 % Aluminium, bis 0,1% Kohlenstoff, bis 0,5% Molybdän und bis 0,5% Wolfram, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen mindestens 45% Eisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, die jedoch der Bedingung (%Ti) + 1/3 [(%Nb) + ½ (%Ta)] größer/gleich 2,5 genügt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 1,8 bis 2,5% Titan enthält.

4. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch 1,25 bis 2,1 % Niob enthält.

5. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die jedoch 0,002 bis 0,010% Bor enthält.

6. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, die jedoch der Bedingung (%Ti) + (%Nb) + ½ (%Ta) kleiner/gleich 4,4 genügt.

7. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, die jedoch insgesamt höchstens 0,8 % Molybdän und Wolfram enthält.

8. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, die jedoch unter 0,3 % Molybdän und unter 0,3 % Wolfram enthält.

9. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, die jedoch unter 0,06 % Kohlenstoff und/oder unter 0,40 % Aluminium enthält.

10. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, die jedoch mindestens 0,02 % Aluminium enthält.

11. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit 29 bis 34 % Nickel, 10 bis 14 % Chrom, 1,8 bis 2,5% Titan, 1,25 bis 2,1% Niob bei (%Ti) + 1/3 (%Nb) größer/gleich 2,5%, bis 0,010% Bor, bis 2% Mangan, bis 0,4% Aluminium, bis 0,35% Silizium, bis 0,06% Kohlenstoff, bis insgesamt 0,6% Molybdän und Wolfram, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Eisen.

12. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, die jedoch bei 593 bis 732°C ausgehärtet worden ist.

13. Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, die jedoch acht Stunden bei 718°C oder 732°C geglüht, im Ofen mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 55,55°C/h auf 621°C abgekühlt und anschließend acht Stunden bei 621°C geglüht sowie an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist.

14. Legierung nach Anspruch 13, die jedoch vor dem Aushärten 30 Minuten bis 6 Stunden bei 760 bis 871°C zwischengeglüht worden ist.

15. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Knetwerkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von mindestens 758,4 N/mm[hoch]2 besitzen müssen.

16. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Knetwerkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von 861 N/mm[hoch]2 besitzen müssen.

17. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Werkstoff für Gegenstände, die beim Raumtemperatur eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 33,89 Nm und bei 649°C und einer Standzeit von 23 Stunden eine Zeitstandfestigkeit von mindestens 517 N/mm[hoch]2 und eine Zeitbruchdehnung von 3% besitzen müssen.

18. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 15, die nach 1000-stündigem Glühen bei 649°C bei Raumtemperatur eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 13,56 Nm besitzen müssen.

19. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 11 als Werkstoff für Gegenstände, die bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von mindestens 861 N/mm[hoch]2 und bei 649°C und einer Standzeit von 23 Stunden eine Zeitstandfestigkeit von mindestens 655 N/mm[hoch]2 sowie eine Bruchdehnung von mindestens 5% besitzen müssen.

20. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 14 als Werkstoff für Kraftfahrzeug-, Flugzeug- und stationäre Turbinen, Verschraubungen, Stauringe elektrischer Generatoren und Kompressorgehäuse.

21. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüche 1 bis 14 als Werkstoff für geschweißte Gegenstände.