DE2905885A1

DE2905885A1 - Verfahren zur waermebehandlung von eisen-nickel-chrom-legierungen

Info

Publication number: DE2905885A1
Application number: DE19792905885
Authority: DE
Inventors: Michael K Korenko
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1979-02-16
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2905885C2; US4225363A; ES8704549A1; IT7941518A0; SE447999B; FR2434206A1; GB2023649A; ES478889A0; CA1123720A; NL7901357A; JPS552786A; IT1125952B; GB2023649B; SE7902557L; FR2434206B1; BE874256A

Description

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 14. Feb. 1979

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

•Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen

•Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von durch Alterung härtbaren Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen.

In der US-Patentanmeldung 917 832 wird eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung beschrieben, die große mechanische Festigkeit und gleichzeitig hohe Schwellwiderstandskraft unter dem Einfluß von Bestrahlung aufweist und außerdem Neutronen wenig absorbiert. Diese Legierung als solche ist besonders günstig als Leitungsund Abdecklegierung für schnelle Brutreaktoren geeignet.

Wie sich aus der genannten Anmeldung ergibt, ist die hohe Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen durch eine Morphologie zu erklären, gemäß der die Gamma"-Phase, {$ "), (gamma-double prime phase) die Gamma'-Phase, (/')r (gamma-prime phase) umhüllt und in der irgendwelche Deltaphase, (.& ) , an oder nahe den Korngrenzen verteilt ist. Während der Alterung wird die beschriebene Legierung sich in Form von drei unterschiedlichen Phasen niederschlagen, nämlich in einer hochtemperaturfesten Deltaphase, die dazu neigt, an oder nahe den Korngrenzen Kerne zu bilden und zu wachsen, der härtenden Gamma'-Sphäroidalphase (gammaprime spheroidal strengthening phase) und der härtenden gamma"-

Postschecks Berlin west (BLZ 10010010) 132736-109 · deutsche bank (BLZ 300 7OO 10) 6 16O2S3

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plattenartigen Phase (gamma-double prime platelet strengthening phase). Um möglichst gute mechanische Eigenschaften zu erhalten, ist es wünschenswert, nur die Gamma¹- und die Gamma"-Phase niederzuschlagen, wobei die Deltaphase sich an oder nahe der Korngrenzen befindet.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmebehandlungsverfahrens für derartige Legierungen, bei dem sich optimale Eigenschaften für den gewünschten späteren Verwendungszweck ergeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von alterungshärtbarer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, die im wesentlichen aus 40 bis 50 % Nickel, 7,5 bis 14 % Chrom, 1,5 bis 4 % Niob, 0,25 bis 0,75 % Silizium, 1 bis 3 % Titan, 0,1 bis 0,5 % Aluminium, 0,02 bis 1 % Kohlenstoff, 0,02 bis 0,0015 % Bor, 0 bis 0,1 % Zirkon, 0 bis 3 % Molybdän, Rest Eisen besteht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Kaltbearbeiten der Legierung um 20 bis 60 %, gefolgt durch Erhitzen auf einen Temperaturbereich von 1000 bis 1100 C bis zu 1 Stunde, mit Luftkühlung, und danach Erhitzen der Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 750 bis 850° C für 1 1/2 bis 2 1/2 Stunden.

Die Festigkeit läßt sich noch weiter dadurch verbessern, daß die Legierung ungefähr 12 Stunden lang : lassen wird, gefolgt durch Luftkühlung.

die Legierung ungefähr 12 Stunden lang bei 600 bis 650° C ange-

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Strukturkarte von Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen, die gemäß der Erfindung wärmebehandelt wurden, und zwar in Abhängigkeit von der Alterungszeit und der

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Temperatur;

Fig. 2 eine Darstellung der Zeit bis zum Bruch über der Alterungszeit bei Testbelastungen von 621 MPa; und

Fig. 3 eine Darstellung der prozentualen Schwellung über der Temperatur.

Die erfindungsgemäß wärmebehandelten Legierungen waren vorzugsweise mit den folgenden Bestandteil-Bereichen zusammengesetzt:

Tabelle I

vorzugsweiser Prozentanteil

Nickel 43-47

Chrom 8-12

Niob 3-3,8

Silizium 0,3-0,4

Zirkon 0 - 0,05

Titan 1,5-2

Aluminium 0,2-0,3

Kohlenstoff 0,02 - 0,05

Bor 0,002 - 0,006

Molybdän 0-2

Eisen Rest

Zusätzlich können kleine Mengen von Mangan und Magnesium hinzugefügt werden,, um Einflüsse der Korngrenzen zu verringern. Eine besonders günstige Zusammensetzung der Legierung enthält 45 % Nickel, 12 % Chrom, 3,6 % Niob, 0,35 % Silizium, 0,2 % Mangan, 0,01 % Magnesium, 0,05 % Zirkon, 1,7 % Titan, 0,3 % Aluminium, 0,03 % Kohlenstoff, 0,005 % Bor, während der gesamte Rest im wesentlichen aus Eisen besteht.

Um die optimale erfindungsgemäße Wärmebehandlung zu ermitteln, wurde ein Anzahl von Durchsichtelektronenmikroskopproben mit den oben angegebenen Bereichen für die Zusammensetzung wärme-

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behandelt, um die sich ergebenden Phasen und deren Alterungseigenschaften zu ermitteln. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 wiedergegeben. Es wurden drei härtende Phasen ermittelt. Die erste ist eine hochtemperaturfeste Deltaphase (<£ ), die dazu neigte, an Korngrenzen Kerne zu bilden oder zu wachsen. Die zweite Phase ist die gamma¹- (^")-sphäroidale härtende Phase, die dritte Phase ist die gamma"-(/")-plattenartige härtende Phase. Die schwarzen Punkte in Fig. 1 repräsentieren eine Probenuntersuchung bei der angegebenen Temperatur und Alterungszeit. Die Niederschlagsbewegungen der drei Phasen sind in der Form von C-Kurven wiedergegeben. Es sei bemerkt, daß sich die Deltaphase bei hohen Temperaturen, oberhalb von 775 C, niederschlägt. Die Gamma¹- und die Gamma"-Phase schlagen sich fast simultan bei niedrigeren Temperaturen nieder, und zwar im Bereich von etwa 500 bis 850 C. Es ist möglich, ausschließlich Deltaphasenniederschlag dadurch zu erreichen, daß eine Alterung bei 900 C durchgeführt wird, oder lediglich Gamma¹- oder Gamma"-Phase durch Alterung bei Temperaturen zwischen 650 und 750° C zu bekommen. Durch Alterung bei etwa 800 C erzeugt man alle drei Phasen.

Ein Lösungsanlassen bei 1050° C ist ausreichend hoch, um alle sekundären Phasen in Lösung zu bringen. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, schlägt sich die Deltaphase im Bereich von 775 bis 975 C nieder. Der Niederschlag erfolgt durch Kernbildung an den Korngrenzen und durch Einwachsen in die Körner. Die Deltaphase wird gewöhnlich als unerwünscht angesehen. Wie jedoch noch zu erkennen sein wird, ist ein gewisses Maß an Deltaphase günstig, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Aus diesem Grunde wird eine Wärmebehandlung bei 800° C statt bei 750° C beispielsweise für optimale Ergebnisse gewählt. Mikroskopfotografien zeigen, daß bei 800° C die Deltaplättchen sich an den Korngrenzen kernartig bilden und von kleinen sphärischen Gamma¹-Niederschlägen umgeben werden, wobei in der näheren Umgebung keine Gamma"-Teilchen vorhanden sind. Diese von Gamma"-Phase freie Zone ist das Ergebnis der niobreichen Deltaphase, die das Niob aus der Matrix absorbiert und dadurch die Bildung der niobreichen Gamma"-Plättchen verhindert. Weiter weg von den Korngrenzen existieren sowohl

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Gamma'- als auch Gamma"-Phasen zusammen und in vielen Fällen sind sie zueinander assoziiert. Bei Temperaturen von 750° C oder niedriger nukleiert die Gamma¹-Phase zuerst, sehr schnell gefolgt durch die Gamma"-Phase.

Die Ergebnisse der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung der Legierung bei 750 C sind in Fig. 2 wiedergegeben. Man beachte, daß eine Wärmebehandlung bei 750 C, illustriert durch die durchgezogene Linie, viel bessere Resultate liefert, als eine Wärmebehandlung bei tieferen Temperaturen, wie beispielsweise bei 700° C oder bei 600° C. Dies ist deshalb der Fall, weil bei diesen tieferen Temperaturen die Gamma'/Gamma"-Struktur nicht ausreichend gealtert ist. Somit ergibt eine einzige Alterung bei tieferer Temperatur selbst nicht die gewünschte Festigkeit. Bei einer Alterungstemperatur von 750° C beträgt die optimale Alterungszeit, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, 8 Stunden. Dies ergibt eine Zeit bis zum Bruch von e
und einer Testbelastung von 621 MPa.

ergibt eine Zeit bis zum Bruch von etwa 175 Stunden bei 650 C

Die Daten, die die Darstellung der Fig. 2 lieferte, wurden aus der folgenden Tabelle II entnommen, aus der zu entnehmen ist, daß die meisten Proben, die bei 750° C 24 Stunden lang gealtert wurden, beispielsweise viel schlechtere Belastungsfestigkeitseigenschaften aufweisen, als die gleiche Legierung, die bei 750 C 8 Stunden lang gealtert wurde.

Tabelle II	Alterungs- Temperatur	Alterungs- Test zeit belastung (Stunden) (MPa)	621	Zeit bis zum Bruch (Stunden·)
Probe- Nr.	750	1	621	1/3
6801	750	8	758	178,4
6802	750	24	586	0,9
6803	750	24	621	207,6
6804	600	24	621	1,0
6805	700	24	621	1,1
6808	775	24	621	47,5
6810	800	24	621	53,0
6811	800 + FC bis 625	2 12*	724	279,9
6813	800 + FC bis 625	2	621	2,9
6814	750 + FC bis 625	2 12*	^"zusätzliche Stunden mit Ofenkühlung (FC =	2,3
6815		**bei 650° C	furnace coo

(1 MPa = 1 Megapascal)

Probe Nr. 6810 wurde bei 775° C 24 Stunden lang gealtert. Es ist zu bemerken, daß bei einer Testbelastung von 621 MPa die Zeit bis zum Bruch wesentlich höher ist, als bei dem Fall, wo die Temperatur 750 C für eine Alterungszeit von 24 Stunden betrug. Probe 6811 wurde bei 800 C 24 Stunden lang gealtert und unter den gleichen Bedingungen wie die Probe 6810 getestet. Man beachte, daß bei einer auf 800 C erhöhten Temperatur und einer Alterungszeit von 24 Stunden die Zeit bis zum Bruch von 47,5 Stunden auf 53,0 Stunden erhöht wird.

Die Probe 6813 wurde bei 800
dann auf 625

C 2 Stunden lang gealtert und C ofengekühlt und bei dieser Temperatur 12 Stunden

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lang gehalten. Dies ergab die optimalen Belastungsbrucheigenschaften von 279,9 Stunden bis zum Bruch bei einer Temperatur von 650° C und einer Testbelastung von 621 MPa. Bei Testbelastungen von 724 MPa. (Probe Nr. 6814) betrug die Zeit bis zum Bruch 2,9 Stunden. Im Falle der Probe Nr. 6815, die die gleiche Wärmebehandlung wie die Probe 6813 erhielt, mit der Ausnahme, daß die Alterungstemperatur bei 750° C statt bei 800° C lag, verringerte sich die Zeit bis zum Bruch von 279,9 Stunden auf 2,3 Stunden bei 650° C und einer Belastung von 621 MPa.

Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung erzeugt nicht nur optimale Hochtemperaturfestigkeitseigenschaften, sie führt auch zu einem Material, das bei Bestrahlung außerordentliche Schwellwiderstandskraft besitzt. Dies ergibt sich aus Fig. 3, wo die prozentuale Schwellung über der Temperatur bei einer Bestrahlungsdosis von 300 dpa aufgetragen ist. Die niedrigere Kurve 10 repräsentiert den Schwellwiderstand für die erfindungsgemäße Legierung, die nur bei etwa 1050° C 1/2 Stunde lang lösungsbehandelt wurde. Die obere Kurve 12 stellt die prozentuale Schwellung für eine lösungsbehandelte Legierung dar, die bei 800 C 2 Stunden lang gealtert wurde, gefolgt durch 12stündige Ofenkühlung bei 625 C. Es ist zu bemerken, daß sowohl die lediglich lösungsbehandelte als auch die zusätzlich den Alterungsbedingungen ausgesetzte Legierung außerordentlich widerstandsfähig gegenüber Schwellung ist. Somit ist die oben beschriebene Legierung nach erfindungsgemäßer Wärmebehandlung außerordentlich fest und widerstandsfähig gegenüber Schwellung. Es ist zu erkennen, daß zwar eine 2stündige Alterung bei 800 C einen optimalen Zustand ergibt, sich jedoch gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ergebnisse auch dann noch erzielen lassen, wenn eine Erhitzung im Bereich von 750 bis 850° C für eine Zeit von 1,5 bis 2,5 Stunden durchgeführt wird, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Eigenschaften der Legierung an den oberen und unteren Enden der angegebenen Bereiche nicht mehr ganz optimal sind.

ES/jn 3

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Claims

PATENTANWALT D-4000 DÜSSELDORF 1 - SCHADOWPLATZ 9 .Düsseldorf, 14. Feb. 1979 47,090 7904 Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. Patentansprüche ;

1. Verfahren zur Wärmebehandlung einer alterungshärtbaren Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, die im wesentlichen aus bis 50 % Nickel, 7,5 bis 14 % Chrom, 1,5 bis 4 % Niob, 0,25 bis 0,75 % Silizium, 1 bis 3 % Titan, 0,1 bis 0,5 % Aluminium, 0,02 bis 1 % Kohlenstoff, 0,002 bis 0,0015 % Bor, 0 bis 0,1 % Zirkon, 0 bis 3 % Molybdän, Rest Eisen, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zunächst 20 bis 60 %ig kaltbearbeitet wird, dann bis zu 1 Stunde auf 1000 bis 1100 C erhitzt wird, mit Luftkühlung, und daß danach für 1 1/2 bis 2 1/2 Stunden die Legierung auf eine Temperatur von 750 bis 850° C erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung schließlich für etwa 12 Stunden bei einer Temperatur von 600 bis 650° C angelassen wird, gefolgt durch eine Luftkühlung»

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Kaltbearbeitung ein Lösungsanlassen der Legierung bei einer Temperatur von etwa 1050° C durchgeführt wird, gefolgt durch etwa 2stündiges Altern der Legierung bei etwa 800 C, mit Ofenkühlung auf etwa 625° C, und daß schließlich die Legierung bei etwa 625° C angelassen wird»

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Postscheck: berlin west (BLZ 100 100 10) 132736-109 · deutsche bank (BLZ 300700 10) 0 160253

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung ungefähr 1/2 Stunde lang lösungsangelassen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus 43 bis 47 % Nickel, 8 bis 12 % Chrom, 3 bis 3,8 % Niob, 0,3 bis 0,4 % Silizium, 0 bis 0,05 % Zirkon, 1,5 bis 2 % Titan, 0,2 bis 0,3 % Aluminium, 0,02 bis 0,05 % Kohlenstoff, 0,002 bis 0,006 % Bor, 0 bis 2 % Molybdän, Rest Eisen, besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung im wesentlichen aus 45 % Nickel, 12 % Chrom, 3,6 % Niob, 0,35 % Silizium, 0,05 % Zirkon, 1,7 % Titan, 0,3 % Aluminium, 0,03 % Kohlenstoff, 0,005 % Bor, Rest Eisen, besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auch Mangan und Magnesium in Mengen enthält, die ausreichen, um die Korngrenzeneffekte zu reduzieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mangan in einer Menge von 0,2 % und Magnesium in einer Menge von 0,01 % vorhanden sind.

Beschreibung:

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