EP1188845A1 - Nickelbasislegierung für die Hochtemperaturtechnik - Google Patents

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EP1188845A1 EP01890180A EP01890180A EP1188845A1 EP 1188845 A1 EP1188845 A1 EP 1188845A1 EP 01890180 A EP01890180 A EP 01890180A EP 01890180 A EP01890180 A EP 01890180A EP 1188845 A1 EP1188845 A1 EP 1188845A1
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nickel
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Markus Dr. Speidel
Josef Dipl-Ing. Bernauer
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Boehler Edelstahl GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/053—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 30% but less than 40%

Definitions

  • the invention relates to a creep-resistant, corrosion-resistant nickel-based alloy for Applications in high temperature technology.
  • a nickel-based alloy with the short name NiCr 7030 accordingly DIN material number 2.4658 is considered heat-resistant and is used for heating conductors, Furnace components and the like used. Although such a material depends on Silicon and aluminum content has good oxidation resistance, this shows however low strength and low creep properties as well as high Creep values at operating temperatures around 1000 ° C.
  • DE-C-4411228 discloses a high-temperature nickel base alloy become.
  • This highly heat-resistant, oxidation-resistant, massively embroidered, warm and cold-formable nickel-based alloy essentially consists of (in Mass%) 0.001 to 0.15 carbon, 0.10 to 3.0 nitrogen, 25.0 to 30.0 chromium, more than 0.3 to 1.2 nitrogen, 0.001 to 0.01 boron, 0.01 to 0.5 yttrium, cerium, Lanthanum, hafnium and tantalum, individually or in combination, the rest nickel with one Proportion of at least 64.0%. Due to the carbon content one can Mixed crystal strengthening can be achieved, the main effective elements However, the above alloy in terms of high temperature properties Chromium and nitrogen. Chromium and nitrogen form chromium nitrides, which are the Improve creep rupture strength, with nitrogen additionally Solid crystal strengthening provides. With the alloy according to DE-C-4411228 significantly improved creep rupture strength and heat resistance values appear reachable.
  • the object of the present invention is to overcome this defect eliminate and an improved nickel base alloy for To create high temperature applications.
  • the elements of groups 4, 5 and 6 are in the essential titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and tungsten (W) have a solid solution strengthening and have different activities related to non-metallic elements Carbon and nitrogen.
  • Ti titanium
  • Zr zirconium
  • hafnium Hf
  • V vanadium
  • Nb tantalum
  • Mo molybdenum
  • W tungsten
  • Ta and Nb form thermally highly stable Nitrides, on the other hand, is the nitrogen affinity of the strong carbide formers Mo and W low.
  • a degree of solidification can be determined by the carbon content and the content of strong carbide formers can be adjusted. For example, if Low carbon content of the alloy, the strong carbide-forming elements increasingly installed in the crystal lattice of the mixed crystals and brace it.
  • Another decisive advantage of the alloy according to the invention is that the elements mentioned above, in particular the elements Mo and W, shift the peritectic conversion of the II phase to higher temperatures by substitution of Cr atoms and thereby stabilize the II precipitates under conditions of use is effected.
  • the addition of Mo does not result in volume changes even at high operating temperatures, which improves the high-temperature corrosion resistance because there is no initiation to flake off parts of the chrome spinel surface layer.
  • Carbon with a content of more than 0.0015 wt .-% promotes the nitride and Carbonitride formation, but withdraws at a content of greater than 0.6 wt .-% Alloy too large amounts of carbide-forming elements, which one Counteracts matrix consolidation. Carbon contents of 0.16 are preferred up to 0.5% by weight.
  • the ratio value nitrogen - to carbon content in the Alloy in the range of 0.5 to 5.5, preferably 1.0 to 4.0, optionally 1.0 up to 3.0, are particularly effective and stable Carbonitride precipitates formed and an efficient solid solution strengthening reached.
  • Chromium contents in% by weight of 25 to 30 are preferred High temperature corrosion, it is important that the material at least 0.03 wt .-% Al and contains at least 0.4 wt .-% Si. Levels higher than 3.0% by weight of Al lead to disadvantageous excretion behavior, stress cracks and one Coarse grain formation and contents higher than 3.0% Si deteriorate the Hot formability of the alloy.
  • the corrosion resistance at high temperatures can be increased if the material with elements of group 3 of the periodic table, that is Scandium (Sc), yttrium (Y) lanthanum (La) and lantanide up to a concentration of 0.15% by weight is alloyed.
  • the contents are between 0.01 and 0.12% by weight. prefers.
  • Nickel-based alloys with a composition according to the invention can with the help of pressure metallurgy, in which the liquid melt to solidification it is kept under high pressure (e.g. DESU process) or be produced by powder metallurgy.
  • pressure metallurgy in which the liquid melt to solidification it is kept under high pressure (e.g. DESU process) or be produced by powder metallurgy.
  • PM technology first a metal powder with the desired content of metallic elements prepared, then this powder via the gas phase at elevated temperature embroidered on and hot isostatically pressed.
  • the cast or sintered block is usually deformed after one Homogenization of the material at 1250 ° C with forming at 1200 ° C. Grain sizes from 35 to 80 ⁇ m and nitride precipitates with a Diameters of 1 to 5 ⁇ m created in the material.
  • the transition temperature of the II phase is determined by a Presence of elements of groups 4,5 and 6 (except Cr) increased.
  • Tab. 1 are the determined dissolution and formation temperatures, the composition of the II phase and that of the - mixed crystal for a Mo-free Ni-Cr-N alloy and for those with a Mo content of 4 and 8% by weight and one with 4% by weight W specified.
  • concentrations of 8% by weight Mo and 0.7% by weight N are for example, both temperature values for a ⁇ ⁇ ⁇ conversion above 1300 ° C.
  • the II phase has a reduced chromium content of 45% by weight with a molybdenum concentration of 11% by weight. With a reduced nickel concentration, the ⁇ mixed crystal has increased chromium values of 29% by weight and a molybdenum content of 6.5% by weight. Influence of the molybdenum and tungsten content on the interval of the ⁇ + Cr 2 N transition temperature ⁇ T (dilatometer - examinations) Chemical composition [wt.
  • Table 2 shows the chemical composition of the invention Alloys (alloys 1 to 5) and comparative alloys (alloys 6 to 9).
  • Table 3 shows the mechanical properties of the alloys at 800 ° C. at 1000 ° C and at 1100 ° C.
  • the resistance to high temperature corrosion was improved in the alloys according to the invention by approximately 16% (alloy 3 by more than 22%) compared to those in the prior art.

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Abstract

Die Erfindung stellt eine kriechfeste korrosionsbeständige Nickelbasislegierung für eine Anwendung in der Hochtemperaturtechnik dar, bestehend aus in Gew.-% 0,0015: bis 0,60 Kohlenstoff ( C); 0,20: bis 0,90 Stickstoff (N); 22,0: bis 32,0 Chrom (Cr); 5,0: bis 20,0 Elemente der Gruppe 4,5 und 6 des Periodensystems ausgenommen Cr; 0,03: bis 3,0 Aluminium (Al); 0,4: bis 3,0 Silizium (Si) bis 0,15 Elemente der Gruppe 3 des Periodensystems ausgenommen Actinoide bis 0,60 Mangan (Mn) bis 14,8 Eisen ( Fe) bis 0,01 Bor (B) max 0,014 Phosphor (P) max 0,004 Schwefel (S) min 51 Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine kriechfeste korrosionsbeständige Nickelbasislegierung für Anwendungen in der Hochtemperaturtechnik.
An metallische Werkstoffe, insbesondere für Warmarbeitswerkzeuge, für Komponenten von Gasturbinen und Motoren, für Elemente im Ofenbau sowie in der chemischen Industrie, werden in zunehmendem Maße erhöhte mechanische und korrosionschemische Anforderungen bei Einsatztemperaturen von über 900°C gestellt. Der Korrosionsbeanspruchungen wegen, aber auch im Hinblick auf die Festigkeit und die Zeitstandseigenschaften des Werkstoffes eignen sich chromhältige Nickelbasislegierungen gut für einen Einsatz bei höchsten Temperaturen.
Eine Nickelbasislegierung mit der Kurzbezeichnung NiCr 7030 entsprechend DIN-Werkstoffnummer 2.4658 gilt als hitzebeständig und wird für Heizleiter, Ofenbauteile und dergleichen eingesetzt. Obwohl ein derartiger Werkstoff je nach Silizium- und Aluminiumgehalt gute Oxidationsbeständigkeit besitzt, weist dieser jedoch geringe Festigkeit und niedrige Dauerstandseigenschaften sowie hohe Kriechwerte bei Einsatztemperaturen um 1000°C auf.
Aus der DE-C- 4411228 ist eine hochwarmfeste Nickelbasislegierung bekannt geworden. Diese hochwarmfeste, oxidationsbeständige, massiv aufgestickte, warm- und kaltverformbare Nickelbasislegierung besteht im wesentlichen aus ( in Masse-%) 0,001 bis 0,15 Kohlenstoff, 0,10 bis 3,0 Stickstoff, 25,0 bis 30,0 Chrom, mehr als 0,3 bis 1,2 Stickstoff, 0,001 bis 0,01 Bor, 0,01 bis 0,5 Yttrium, Cer, Lanthan, Hafnium und Tantal, einzeln oder in Kombination, Rest Nickel mit einem Anteil von mindestens 64,0 %. Durch den Kohlenstoffgehalt kann zwar eine Mischkristallverfestigung erreicht werden, die hauptsächlich wirksamen Elemente obiger Legierung im Hinblick auf die Hochtemperatureigenschaften sind jedoch Chrom und Stickstoff. Chrom und Stickstoff bilden Chromnitride, welche die Zeitstandsfestigkeit verbessern, wobei Stickstoff zusätzlich eine Mischkristallverfestigung erbringt. Mit der Legierung gemäß DE-C-4411228 erscheinen deutlich verbesserte Zeitstandsfestigkeits- und Warmfestigkeitswerte erreichbar.
Bei den bekannten Nickelbasiswerkstoffen, die in zunehmendem Maße höheren Beanspruchungen ausgesetzt werden, treten im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1200°C ein sogenanntes Kriechen des Werkstoffes unter Belastung und eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei zyklischer Beanspruchung auf. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Mangel zu beseitigen und eine verbesserte Nickelbasislegierung für Hochtemperaturanwendungen zu schaffen.
Diese Aufgabe löst eine kriechfeste korrosionsbeständige Nickelbasislegierung bestehend aus in Gew.-%
0,0015
bis 0,60 Kohlenstoff (C)
0,20
bis 0,90 Stickstoff (N)
22,0
bis 32,0 Chrom (Cr)
5,0
bis 20,0 Elemente der Gruppe 4,5 und 6 des Periodensystems ausgenommen Cr
0,03
bis 3,0 Aluminium (Al)
0,4
bis 3,0 Silizium (Si)
bis 0,15 Elemente der Gruppe 3 des Periodensystems ausgenommen Actinoide
bis 0,60 Mangan (Mn)
bis 14,8 Eisen (Fe)
bis 0,01 Bor (B)
max 0,014 Phosphor (P)
max 0,004 Schwefel (S)
min 51 Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co)
und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin begründet, daß im Werkstoff bei Temperaturen bis 1200°C ein Korngrenzengleiten durch stabile Ausscheidungen in den Korngrenzenbereichen weitgehend verhindert und eine gesteigerte Mischkristallverfestigung erreicht werden. Weiters ist die Haftfestigkeit der Chrom-Spinelle oder dergleichen Schichten an der Oberfläche erhöht, wodurch eine verbesserte Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der Teile gegeben ist.
Nachfolgend sollen die Wirkung und Wechselwirkung der Elemente der erfindungsgemäßen Nickelbasislegierung näherbeschrieben werden.
Die Elemente der Gruppe 4,5 und 6 ( ausgenommen Chrom), das sind im wesentlichen Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Vanadin (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Wolfram (W) wirken mischkristallverfestigend und besitzen unterschiedliche Aktivitäten bezüglich der nichtmetallischen Elemente Kohlenstoff und Stickstoff. Ta und Nb bilden beispielsweise thermisch hochstabile Nitride, hingegen ist die Stickstoffaffinität der starken Karbidbildner Mo und W gering. Es hat sich gezeigt, daß die Elemente der Gruppe 4,5 und 6 ( ausgenommen Cr) mit einer Konzentration im Werkstoff von mindestens 5, höchstens jedoch 20 Gew.-% teilweise festigkeitssteigernd im Atomgitter der Matrix eingelagert sind und teilweise Nitrid- und/oder Karbonitridausscheidungen bilden, welche die Korngrenzenfestigkeit erhöhen und somit eine Korngrenzengleiten bei Temperaturen über 1000°C erschweren. Weiters verhindern die Ausscheidungen ein Kornwachstum bei diesen Bedingungen wirkungsvoll.
Ein Ausmaß der Mischkristallverfestigung kann dabei durch den Kohlenstoffgehalt und den Gehalt an starken Karbidbildnern eingestellt werden. Ist beispielsweise der Kohlenstoffanteil der Legierung gering, werden die stark karbidbildenden Elemente verstärkt im Kristallgitter der Mischkristalle eingebaut und verspannen dieses.
Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung besteht darin, daß die oben angeführten Elemente, insbesondere die Elemente Mo und W, die peritektische Umwandlung der II-Phase durch Substitution von Cr-Atomen zu höheren Temperaturen verschieben und dadurch eine Stabilisierung der II-Ausscheidungen unter Anwendungsbedingungen bewirkt wird. Eine mit steigender Temperatur bei etwa 1000°C stattfindende Umwandlung
γ + π → γ + ε entsprechend γ + Cr13Ni7N4 → γ + Cr2N
in Ni-Cr-N- Legierungen,welche mit einer Volumsänderung von etwa 1 x 10-3 % verbunden ist, wird beispielsweise, wie aus Tabelle 1 ersehen werden kann, durch eine Mo-Konzentration von 4 Gew.-% auf eine Temperatur von über 1210°C angehoben. Bei zyklischer Temperaturbeaufschlagung und Materialbeanspruchung sind durch den Zusatz von zum Beispiel Mo Volumsänderungen auch bei hohen Einsatztemperaturen nicht gegeben, was eine Verbesserung der Hochtemperaturkorrosions- Beständigkeit bewirkt, weil keine Initiation zum Abplatzen von Teilen der Chrom-Spinell-Oberflächenschicht vorliegt.
Kohlenstoff mit einem Gehalt von größer als 0,0015 Gew.-% fördert die Nitrid- und Karbonitridbildung, entzieht jedoch bei einem Gehalt von größer als 0,6 Gew.-% der Legierung zu große Mengen an karbidbildenden Elementen, was einer Matrixverfestigung entgegenwirkt. Bevorzugt werden Kohlenstoffgehalte von 0,16 bis 0,5 Gew.-%.
Wenn in günstiger Weise der Verhältniswert Stickstoff - zu Kohlenstoffgehalt in der Legierung im Bereich von 0,5 bis 5,5, vorzugsweise 1,0 bis 4,0, gegebenenfalls 1,0 bis 3,0, liegt, werden besonders wirkungsvolle und stabile Karbonitridausscheidungen gebildet und eine effiziente Mischkristallverfestigung erreicht.
Um eine möglichst stabile π- Phase bei hohen Verwendungstemperaturen des Werkstoffes , aber auch gleichzeitig eine wirksame Mischkristallhärtung zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Nickelbasislegierung eine Summenkonzentration von Molybdän und Wolfram in Gew.-% gemäß dem Zusammenhang
Mo + W / 2 = 3,0 bis 10, vorzugsweise 4,0 bis 8,0 aufweist.
Bevorzugt werden Chromgehalte in Gew.-% von 25 bis 30. Zur Minimierung der Hochtemperaturkorrosion ist es wichtig, daß der Werkstoff mindestens 0,03 Gew.-% Al und mindestens 0,4 Gew.-% Si enthält. Höhere Gehalte als 3,0 Gew.-% Al führen zu einem nachteiligen Ausscheidungsverhalten, zu Spannungsrissen und zu einer Grobkornbildung und höhere Gehalte als 3,0 % Si verschlechtern die Warmverformbarkeit der Legierung.
Die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen kann gesteigert werden, wenn der Werkstoff mit Elementen der Gruppe 3 des Periodensystems, das sind Scandium (Sc), Yttrium ( Y) Lanthan ( La) und Lantanide bis zu einer Konzentration von 0,15 Gew.-% legiert ist. Dabei sind Gehalte zwischen 0,01 und 0,12 Gew.-% bevorzugt.
Im folgenden soll die Erfindung weiter erläutert werden:
Nickelbasislegierungen mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung können mit Hilfe der Druckmetallurgie, bei welcher die flüssige Schmelze bis zur Erstarrung derselben unter hohem Druck gehalten wird, (z. B. DESU- Verfahren) oder pulvermetallurgisch hergestellt werden. Bei Anwendung einer PM- Technologie wird erst ein Metallpulver mit den gewünschten Gehalten an metallischen Elementen hergestellt, anschließend dieses Pulver über die Gasphase bei erhöhter Temperatur aufgestickt und heißisostatisch gepreßt.
Eine Verformung des Guß- oder Sinterblockes erfolgt meist nach einer Homogenisierung des Materials bei 1250 °C bei einem Umformen bei 1200°C. Dabei werden Korngrößen von 35 bis 80µm und Nitridausscheidungen mit einem Durchmesser von 1 bis 5 µm im Werkstoff erstellt.
Wie früher erwähnt, wird die Umwandlungstemperatur der II-Phase durch eine Anwesenheit von Elementen der Gruppe 4,5 und 6 ( außer Cr) erhöht. In Tab. 1 sind die ermittelten Auflösungs- und Bildungstemperaturen, die Zusammensetzung der II-Phase und jene des - Mischkristalles für eine Mo-freie Ni-Cr-N- Legierung und für solche mit einem Mo- Gehalt von 4 und 8 Gew,-% sowie eine mit 4 Gew.-% W angegeben. Bei Konzentrationen von 8 Gew.-% Mo und 0,7 Gew.-% N liegen beispielsweise beide Temperaturwerte für eine π ↔ ε - Umwandlung über 1300°C.
Die II- Phase weist dabei einen erniedrigten Chromgehalt von 45 Gew.-% bei einer Molybdänkonzentration von 11 Gew.-% auf. Der γ- Mischkristall besitzt bei einer verminderten Nickelkonzentration erhöhte Chromwerte von 29 Gew.-% und einen Molybdängehalt von 6,5 Gew.-% .
Einfluß des Molybdän-und Wolframgehaltes auf das Intervall der γ + Cr2N Umwandlungstemperatur ΔT (Dilatometer - Untersuchungen)
Chemische Zusammensetzung [Gew. %] Ni 30Cr 0,9N Ni 30Cr
4W 0,7N		 Ni 30Cr
4Mo 0,7N		 Ni 30Cr
8Mo 0,7N
ΔT (Erwärmen) 1120-1185°C 1160-1180°C 1210-1280°C >1300°C
ΔT (Abkühlen) 1180-1195°C 1180-1240°C 1260-1280°C >1300°C
π-Phase 42Ni 41Ni 41Ni 43Ni
Zusammensetzung 58Cr 53Cr 51Cr 45Cr
[Gew. %] 4,5W 8Mo 11Mo
γ-Matrix 77Ni 68Ni 69Ni 65Ni
Zusammensetzung 23Cr 26Cr 28Cr 29Cr
[Gew. %] 5W 3,5Mo 6,5Mo
Die Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung von erfindungsgemäßen Legierungen ( Leg. 1 bis 5) und Vergleichslegierungen ( Leg. 6 bis 9).
In Tabelle 3 sind die mechanischen Eigenschaften der Legierungen bei 800°C. bei 1000° C und bei 1100°C angeführt.
Im Vergleich ist festzustellen, daß durch die erfindungsgemäßen legierungstechnischen Maßnahmen die 0,2% Dehngrenzen ( Rp0,2) des Werkstoffes wesentlich erhöht sind und die Bruchdehnung (A) jeweils geringere Werte aufweist. Gegenüber dem Stand der Technik ist insbesondere die Kriechfestigkeit bei 1% Dehnung der Nickelbasislegierungen nach der Erfindung wesentlich verbessert.
Die Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion war bei den erfindungsgemäßen Legierungen um etwa 16% (Legierung 3 um mehr als 22%) gegenüber jenen des Standes der Technik verbessert.
Figure 00070001

Claims (7)

  1. Kriechfeste korrosionsbeständige Nickelbasislegierung für eine Anwendung in der Hochtemperaturtechnik bestehend aus in Gew.-%
    0,0015
    bis 0,60 Kohlenstoff (C)
    0,20
    bis 0,90 Stickstoff (N)
    22,0
    bis 32,0 Chrom (Cr)
    5,0
    bis 20,0 Elemente der Gruppe 4,5 und 6 des Periodensystems, ausgenommen Cr
    0,03
    bis 3,0 Aluminium (Al)
    0,4
    bis 3,0 Silizium (Si)
    bis 0,15 Elemente der Gruppe 3 des Periodensystems, ausgenommen Actinoide
    bis 0,60 Mangan (Mn)
    bis 14,8 Eisen (Fe)
    bis 0,01 Bor (B)
    max 0,014 Phosphor (P)
    max 0,004 Schwefel (S)
    min 51 Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co)
    und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1, enthaltend in Gew.-% 0,16 bis 0,5 C
  3. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß der Verhältniswert Stickstoff zu Kohlenstoff 0,5 bis 5,5, vorzugsweise 1 bis 4, gegebenenfalls 1 bis 3, beträgt
        N / C = 0,5 bis 5,5, vorzugsweise 1,0 bis 4,0, gegebenenfalls 1 bis 3
  4. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend eine Summenkonzentration von Molybdän und Wolfram in Gew.-% gemäß dem Zusammenhang:
    Mo + W / 2 = 3,0 bis 10,0, vorzugsweise 4,0 bis 8,0
  5. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend in Gew.-% 25,0 bis 30,0 Cr
  6. Nickelbasislegierung nach Anspruch 1 bis 5, enthaltend in Gew.-% 0,5 bis 1,0 Si
  7. Nickelbasislegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 enthaltend in Gew.-% 0,01 bis 0,12 Elemente der Gruppe 3 des Periodensystens, ausgenommen Actinoide.
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