NO132400B - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår aldringsherdbare dispersjonsforsterkede nikkel-baserte legeringer og tar sikte på å tilveiebringe slike legeringer med en kombinasjon av god korrosjonsmotstand, spesielt mot oksydasjon, og god bruddstyrke ved høye temperaturer, samtidig som de relativt lett lar seg forarbeide.

Det er blitt foreslått at de ønskede styrkeegenskaper

ved høye temperaturer kan oppnås ved at et dispersoidmateriale, f.eks. thoriumoksyd, inkorporeres i metaller eller legeringer. Dispersjonsherdede og -forsterkede nikkel-krom-legeringer er

kjent, men slike kjente dispersjonsforsterkede nikkel-krom-

legeringer er - såvidt vites - ikke egnet til bruk ved indu-striell fremstilling av platemateriale som skal være meget motstandsdyktig mot oksydasjon.

Det ble nå funnet at dispersjonsforsterkede nikkel-baserté legeringer med en særdeles god oksydasjonsmotstand og høyptemperatur-styrke kan fremstilles i plateform o.l. og for-arbeides til forskjellige former, forutsatt at legeringen i tillegg til en viss mengde av dispersoidmaterialet inneholder krom, aluminium, jern og titan i nærmere bestemte andeler. Videre ble det funnet at visse legeringssammensetningen innenfor oppfinnelsens ramme dessuten gir en meget god sulfideringsmotstand. Denne kombinasjon av egenskaper menes å utgjøre en forbedring i forholdet til kjente dispersjonsherdede legeringer og oppnås til reduserte kostnader og med en mengde av dispersoidmateriale som er mindre enn halvparten av det som normalt anbefales i forbindelse med kjente nikkel-krom-legeringer.

Oppfinnelsen angår således en aldringsherdbar, dispers jonsforsterket legering, karakterisert ved at den på vektbasis inneholder 10 - 50 % jern, 3,75 - 6 % metallisk aluminium, 10 - 30 % krom, 0 - 1 % titan, 0 - 0,3 % zirkonium, 0 - 1 % niob, 0 - 0,5 % silisium, resten, bortsett fra forurensninger og tilfeldige bestanddeler, nikkel i en mengde på minst 25 %, hvor de metalliske bestanddeler krom, jern, aluminium og titan er slik innbyrdes avpasset at de faller innenfor området definert ved WXYZW på tegningens fig. 3, og hvor jerninnholdet ikke overstiger 37 % når krominnholdet overstiger 13 %, hvilken legering er dispers jonsforsterket ved et lite innhold, av. et varmefast dispersoidmateriale med fin partikkelstørrelse .■

En foretrukken utførelsesform går ut på at forholdet mellom dé metalliske bestanddeler er slik avpasset at det faller innenfor området definert ved VDUZYV på fig. 3. .'En annen foretrukken utførelsesform går ut på at forholdet melloØ; de metalliske bestanddeler er slik avpasset at det faller inrvé$for området definert ved EWTSRYVDE på fig. 3. ..'"_*■'''"' En ytterligere foretrukken utførelsesform går ut på at f^holdet mellom de metalliske bestanddeler er slik avpasset at cfpt faller innenfor området definert ved DEWZYVD på fig. 3.

I henhold til et ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et mekanisk legert metallpulver omfattende individuelle partikler med hårdhet hovedsakelig tilsvarende metningshårdhet, og som på vektbasis består av 10-50% jern,

3,75-6% metallisk aluminium, 10-30% krom, 0-1% titan, resten, bortsett fra forurensninger og tilfeldige bestanddeler, nikkel i en mengde på minst 25%, og en liten men effektiv mengde av et varmefast dispersoidmateriale med en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på. 5-500 nm fforøvrig med de i krav 1 angitte begrensninger.

Legeringen fremstilles fortrinnsvis ved mekanisk legeringsdannelse, hvoretter den behandles slik at den består av forholdsvis grove korn, som er avlange i en eller to bearbeidingsretninger. Kornene har fortrinnsvis dimensjonsforhold på 3:1 til 100:1, med gjennomsnitlig bredde på 15-2000 . ^um og gjennomsnitlig lengde på 150-12000 : ^um, idet korntykkelsen er mindre enn bredden og mindre enn lengden.

For å lette forståelsen av oppfinnelsen og for å vise hvordan

denne kan bringes til utførelse, skal nå tegningen forklares:

Fig. 1 er et diagram som illustrerer et innbyrdes forhold mellom bestanddelene jern, aluminium og nikkel i forbindelse med sulfideringsmotstand. Fig. 2 viser grafisk oksydasjonsmotstanden hos legerings-sammensetninger ifølge oppfinnelsen, og ifølge teknikkens stand. Fig. 3 er et diagram som illustrerer et innbyrdes forhold mellom krom, nikkel og jern i legeringen ifølge oppfinnelsen, hvor kromkonsentrasj orien er avpasset under hensyntagen til aluminium?^' og titan-innholdet. Det avpassede krominnhold, beregnet som Cr + 6 + (Al - 3) + Ti tar i betraktning aluminiumets og titanets

virkninger på faseforholdene i Fe-Ni-Cr-systemet. Det avpassede krominnhold benevnes Cr . (kromekvivalent).

eq

En aldringsherdbar, austenitisk nikkel-basert legering ifølge oppfinnelsen inneholder på vektbasis 10-30% krom, 10 til 40 eller 50% jern, hvor krom- og jern-innholdet med fordel er avpasset til hverandre, slik at de representerer et punkt på eller over linjen ABC på fig. 1, 3,75-6% aluminium, 0-1% titan, resten, bortsett fra forurensninger og tilfeldige bestanddeler, nikkel i en mengde på minst 25%, samt i det minste ett varmefast dispersoidmateriale i liten men effektiv mengde, f.eks. 0,2 eller 0,3 volum%, tilstrekkelig til å gi forbedret bruddstyrke ved temperaturer av størrelsesorden 1038 eller 1093°C, og hvor dispersoidmaterialet har en liten gjennomsnitlig partikkelstørrelse, fortrinnsvis en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 5-500 nm.

Legeringen ifølge oppfinnelsen kombinerer utskillings-

og dispersjonsherding og gir en god kombinasjon av høy styrke og sulfiderings- og oksydasjonsmotstand ved temperaturer opp til minst 1093°C, samtidig som den gir relativt høy duktilitet, som letter forarbeidelsen av legeringen.

Ved den praktiske utførelse av oppfinnelsen er det vesentlig at bestanddelene anvendes i de foreskrevne mengder.

Aluminium tjener generelt til å gi legeringen oksydasjonsmotstand, som er et resultat av dannelse av et sterkt vedheftende skikt av A^O^-basert oksyd på legeringens overflate når denne utsettes for oksyderende omgivelser. Oksydskiktet hindrer oksydasjon av områder under overflaten og er meget stabilt.

I almindelighet oppnås god oksydasjonsmotstand med et foretrukket aluminiuminnhold på minst 4,1-4,3% og derover, og en særlig god oksydasjonsmotstand oppnås med mer foretrukne aluminiuminnhold på 5% eller mer, hvilket vil fremgå av fig. 2 for legering 1, 2 og 3, som er beskrevet nedenfor. Aluminiuminnholdet kan være mindre enn 4%, f.eks. 3,9%, men oksydasjonsmotstanden blir da mindre. Aluminiuminnholdet bør ikke være under 3,75%. Legeringer som fremstilles i henhold til oppfinnelsen, er også meget ensartet med hensyn til sammensetning, dvs. de viser høy homogenitet, endog med de vesentlige mengder aluminium som er tilstede.

Når den opprinnelige pulvercharge legeres mekanisk under betingelser som tillater oksydasjon av endel aluminium, bør man tilpasse aluminiuminnholdet for å kompensere for sådan fortynning, slik at innholdet av metallisk aluminium ikke er under det ønskede minimum. Det er imidlertid ønskelig å begrense innholdet av metallisk aluminium til mindre enn 6% for at muligheten for utfelling av større mengder av aluminiumrike faser som forårsaker skjørhet, skal bli minst mulig. Et meget tilfredsstillende område er fra 4,3 til 5,5% aluminium, fortrinnsvis 4",5-5,5%.

Krom og jern betraktes sammen. Krom er viktig fordi det

gir sulfideringsmotstand, mens oksydasjonsmotstanden generelt varierer som en funksjon, av krominnholdet. Det anvendes fortrinnsvis minst 12% krom. For oppnåelse av en så god sulfideringsmotstand som det her er tale om, ville krominnholdet i de tidligere kjente legeringer måtte være overmåte høyt. Slike store mengder krom kunne imidlertid være skadelige, og krominnholdet i legeringen

ifølge oppfinnelsen er mer begrenset. For nærmere forklaring vises til fig. 1, hvorav det vil sees at nikkel-krom-legeringer under kurven ABC viser relativt lav sulfideringsmotstand. For å finne om en legering ligger over eller under kurven ABC behøver man bare å se på verdiene for %Cr og %Fe på fig. 1. I en legering med lavt jerninnhold, f.eks. en legering inneholdende mindre enn 15% jern,

bør således krominnholdet være høyere enn 25% for oppnåelse av høy sulfideringsmotstand. I en legering inneholdende mer enn 15% jern må krominnholdet avpasses til jerninnholdet. Eksempelvis nevnes at når jerninnholdet er 35 eller 37%, kan krominnholdet være så lavt som henholdsvis 15 og 13%, og legeringen vil fremdeles ha god sulfideringsmotstand.

Skjønt forklaringen ikke er helt klarlagt, er det blitt

funnet at regulerte mengder av jern i dispersjonsforsterkede legeringer ifølge oppfinnelsen uventet gir den betydelige fordel å forbedre sulfideringsmotstanden markant, hvilket i sin tur til-

later bruk av et langt lavere krominnhold, og å forbedre legeringens bearbeidbarhet. Nærværet av jern i den angitte mengde gjør også legeringen lettere å forarbeide, dvs. bøye, forme,

trekke, hvorved legeringen kan^ormes på forskjellige måter i kold tilstand. Nærværet av jern i regulerte mengder forsinker eller nedsetter dessuten legeringens herdning. Et jerninnhold på

minst 15%, f.eks. 20 eller 25% og opp til ca. 33 eller 35%, er særlig fordelaktig. Som nenvt ovenfor skal jern- og krom-innholdet avpasses til hverandre slik at de gir et punkt på eller over kurven ABC på fig. 1.

Det er kjent at ved midlere temperaturer, dvs. i området fra

ca. 650 til ca. 815°C og ved visse konsentrasjoner i Ni-Fe-Cr-

systemet kan krom bevirke dannelse av de kromrike faser alfa-

primær (kubisk romsentrert) og sigma (tetragonal). Disse to faser

er meget hårde og kan gjøre legeringer av den foreliggende type

meget skjøre. Av denne grunn har man tradisjonelt ansett slike sammensetninger i hvilke disse to faser, spesielt sigma-fasen,

kan dannes, for uønsket. Det er blitt funnet at det er mulig å redusere dannelsen av alfa-primær- og sigma-^fasene i legeringen ifølge oppfinnelsen til et minimum ved passende regulering av

jern-, krom-, aluminium- og titaninnholdet. Det er også blitt

funnet at alfa-primær- og/eller sigma-fasen kan tolereres i legeringer ifølge oppfinnelsen når innholdet ikke er altfor høyt.

Disse legeringer er definert under henvisning til fig. 3.

Fig. 3 er et pseudo-ternært fasediagram ved 704°C for Ni-Cr-Fe-legeringer inneholdende 4-6% aluminium og 0,5% titan. Krominnholdet er gitt som kromekvivalenter, jfr. ovenfor, og er

lik vekt% krom + 6 + (vekt% aluminium - 3) + vekt% titan.

Implisitt i denne ligning ligger den antagelse at de første 3% aluminium har dobbelt så stor virkning som 3% krom, herav verdien 6 i ligningen. Når aluminiuminnholdet er høyere enn 3%, synes aluminium å være ekvivalent med krom, med hensyn til innvirkningen på fasestabiliteten, herav termen (Al-3). Titan synes å være ekvivalent med krom med hensyn til virkningen på fasestabiliteten.

Når det gjelder fig. 3, inneholder de der omhandlede legeringer jern og krom i ekvivalente mengder som faller innenfor grensene WXYZW, og legeringens nikkelinnhold er ikke mindre enn 25%. Som névnt ovenfor inneholder slike legeringer dessuten en effektiv mengde dispersoidmateriale og har tilfredsstillende oksydasjonsmotstand og høytemperatur-styrke.

Som nevnt kan sigma- og alfa-primær-fasene tolereres i noen grad, og disse faser vil dannes i noen av legeringene med Fe-Cr sammensetning innenfor det gitte område WXYZW. I forskjellige foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen kan muligheten for dannelse av sigma- og/eller alfa-primær-faser reduseres til et minimum ved passende justering av de metalliske bestanddeler.

Linjen MVDUN på fig. 3 skiller således legeringer, uttrykt ved metalliske bestanddeler, i hvilke tendensen til å danne alfa-primær- og sigma-faser er redusert til et minimum eller muligens ikke foreligger (dvs. under MVDUN), fra legeringer i hviike en del alfa-primær- eller sigma-fase kan dannes, om enn bare i tolerable mengder. I området innenfor VDUZYV reduseres således tendensen til dannelse av alfa-primær- eller sigma-

fase til et minimum. Muligheten for dannelse av sigmafase reduseres når jerninnholdet ikke overstiger grensen DE (37% Fe)

når kromekvivalentene overstiger MVDUN. De metalliske bestanddeler av legeringene som faller innenfor sistnevnte system, er begrenset ved DEWUD. Slike legeringer kan danne en tolerabel mengde av alfa-primærfase, men tendensen til å danne sigmafase er begrenset eller ikke tilstede. I legeringer som faller innenfor området DEWZYVD, er tendensen til å danne sigmafase i almindelighet hemmet eller ikke tilstede.

Jerninnholdet i legeringene ifølge oppfinnelsen kan være så høyt som 40 eller 50%, forutsatt at kromekvivalentene avpasses tilsvarende. Når krom- og aluminiuminnholdet overstiger henholdsvis 15 og 3,75%, bør jerninnholdet ikke overstige 35% når man vil hindre dannelse av sigmafase etter oppheting til høye temperaturer. De forholdsvis høye aluminium- og krom-innhold anvendes i forbindelse med lavere jerninnhold, f.eks. så meget som 38% Creq n^r jern-innholdet er 10%.

Grenselinjen RST på fig. 3 kan sammenlignes med grenselinjen ABC på fig. 1, passende justert med hensyn til kromekvivalenter. Følgelig vil de sammensetninger på fig. 3 som ligger over RST,

være mer resistente mot sulfidering enn de som ligger under denne linje. I en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen faller således sammensetningen av legeringens metalliske bestanddeler innenfor EWTSRYVDE på fig. 3. Dette område er vist som et tverr-skravert område på fig. 3. Slike legeringer er-karakterisert ved oksydasjons- og sulfideringsmotstand og en minimal tendens til å danne sigma-fase.

En legering som inneholder lite eller intet jern, men ellers faller innenfor oppfinnelsens ramme, har en tendens til å vise hurtige og sterke aldringsreaksjoner og dannelse av Ni^Al, gamma-primærfasen. Tilsetning av jern i de ønskede mengder synes å nøytralisere eller undertrykke forsterkningsvirkningen av denne utskillingsreaksjon og muligens reaksjonsgraden, hvorved bearbeidingsevnen forbedres.

Under enhver omstendighet er prøvestykker utskåret av en

3,2 mm tykk plate fremstilt av en jernfri legering inneholdende 14,8% krom, 4,6% aluminium, 0,41% titan, 0,22% yttriumoksyd,

resten hovedsakelig nikkel, ganske stiv, særdeles vanskelig å bøye, og den brekker lett når den bøyes, etter at den er oppløsnings-behandlet ved eksempelvis 1092-1315°C i 15 eller 30 minutter eller derover og deretter luftkjølt, mens lignende prøvestykker av en jernholdig legering ifølge oppfinnelsen inneholdende 31,9% jern, 17,9% krom, 4,9% aluminium, 0,45% titan, 0,25% yttriumoksyd,

resten nikkel, godt lot seg bøye 180° uten å brekke etter en lignende oppløsningsbehandling og luftkjøling.

Videre er det blitt funnet at meget god høytemperaturstyrke oppnås med et lavt innhold av dispersoidmateriale, f.eks. ca. 0,5 volum%. Dette var heldig, for ved høyere innhold av iallfall visse dispersoidmaterialer vil forarbeidelsen bli vanskelig, om enn akseptabel. I ethvert tilfelle oppnås forbedret forarbeidelsesevne med de reduserte mengder av dispersoidmateriale, men uten at dette

går utover . brtidd^levetiden ved meget høye temperaturer,

f.eks- 1040 til 1093°C. Høyere dispersoidinnhold kan anvendes, innbefattende opp til 2 eller 3 volum% eller mer, f.eks. 5 eller

1036, men på bekostning av bearbeidningsevnen. F.eks. viste plater «smed grove korn som var avlange i to retninger (dvs. generelt elliptiske), inneholdende gjennomsnitlig 35% jern, 18,5% krom,

4,2% aluminium, 0,45% titan og 0,65 vekt% (1 volum%) dispersoid-materiale av yttriumoksyd, resten nikkel, høy bruddstyrke ved 1093°C, nemlig 100 timer levetid ved påkjenninger av størrelses-

orden 72,4 MN/m 2, men var noe vanskelige å forarbeide.

Et redusert dispersoidinnhold forbedret forarbeidelsesevnen

og ga overraskende også meget god bruddstyrke. Det kan spesielt nevnes at plater av en legering som nominelt inneholdt 33% jern,

18% krom, 5% aluminium, 0,45% titan og 0,25 vekt% (ca. 0,5 volum%) yttriumoksyd-dispersoid, resten nikkel, og med generelt elliptiske korn (sett todimensjonalt) relativt lett lot seg forarbeide og viste brudd-levetid ved 1093°C på 100 timer ved påkjenninger mellom 41,1 og 48,3 MN/m 2. Det høye nivå for den høytemperatur-styrke som kan oppnås med legeringer ifølge oppfinnelsen,

illustreres ytterligere ved en lignende legering med grove korn nomineit inneholdende 33% jern, 18% krom, 5% aluminium, 0,4% titan, 0,35% (ca. 0,5 volum%) dispersoidmateriale av lanthanoksyd resten nikkel, hvilken legering har en 100 timers brudd-levetid ved 1093°C og en påkjenning på 58,6 MN/m^ og denne legeringssammensetning er også relativt lett å forarbeide.

Det er fordelaktig om dispersoidmaterialet har en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 5-500 nm, fortrinnsvis 10 til lOO eller 150 nm. Forholdsvis høye prosentandeler av jern, f.eks. 35%, foretrekkes vanligvis sammen med et relativt høyt innhold av dispersoidmateriale, f.eks. 2 volum%, idet dette reduserer de bearbeidelsesproblemer som skyldes høyt dispersoidinnhold. Tilfredsstillende dispersoidmaterialer innbefatter de som har smeltepunkter på minst 1370°C og fri energi på minus 120 kcal pr. gramatom oksygen, eller en nummerisk høyere verdi,

ved 1000°C, f.eks. sjeldne jordartsoksyder så som lanthanoksyd, yttriumoksyd, og ceriumoksyd, thoriumoksyd, aluminiumoksyd og magnesiumoksyd. Lanthanoksyd og yttriumoksyd ansees å være de beste dispersoidmaterialer da hvert av disse synes å forbedre korrosjonsmotstanden og andre egenskaper hos legeringen.

Når legeringen inneholder vesentlige mengder nitrogen,

f.eks. ca. 0,004 vekt% eller mer, er det fordelaktig å tilsette minst så meget titan som skal til for å binde hovedsakelig alt nitrogen, hvorved nitrogenets skadelige virkning på legeringens kold-duktilitet blir minst mulig. Titaninnholdet overstiger ikke 1%, og 0,1-0,6% titan er tilfredsstillende i de fleste tilfelle. Eksempelvis vil mekanisk legering under nitrogen inneholdende

0,7% oksygen i ca. 20 timer resultere i et; nitrogeninnhold på 0,1-0,15%, slik at det vil være ønskelig å bruke 0,4-0,6% titan for nøytralisering av nitrogenet ved dannelse av et stabilt nitrid, eksempelvis TiN. I tillegg til titan finnes det andre materialer som danner stabile nitrider og som kan tilsettes til legeringen, så som opp til 0,3% zirkonium, opp til 1% niob og opp til 0,5% silicium. Når man ønsker et minimalt nitrogeninnhold,

kan pulveret legeres mekanisk under en atmosfære av argon og oksygen. De tilfeldige bestanddeler kan omfatte mangan, kobolt, molybden, wolfram og/eller tantal i mengder og kombinasjoner som ikke i betydelig grad gjør legeringene skjøre eller reduserer bearbeidingsevnen. De forurensninger som kan være tilstede er f.eks. opp til 0,03% av hvert av elementene svovel og fosfor og opp til 0,5% kobber.

Fremstillingen av legeringen ifølge oppfinnelsen utføres med fordel ved mekanisk legering, dvs. høyenergetisk møllebehandling,

av en pulverblanding av den ønskede'sammensetning, slik at de opprinnelige pulverbestanddeler dispergeres innbyrdes, findeles og sveises sammen til sammensatte partikler. Pulverchargen kan omfatte pulver av elementene og/eller legeringer, generelt med fine partikkelstørrelser ikke overstigende 1,7 ^um. Mekanisk legering er generelt beskrevet i patentsøknad nr. 3428/69.

Den mekaniske legeringsprosess utføres slik at man får smidde sammensatte pulverpartikler som er knaherdet til en hårdhet på minst gjennomsnittet av partikkelsammensetningens grunn- og metnings-hårdheter, og som har en sammenhengende, ikke-porøs indre struktur

i hvilken bestanddelene, innbefattende det opprinnelige dispersoid-materiale, er intimt forenet til en homogen gjensidig dispersjon

av findelte fragmenter av utgangsbestanddelene, og sammensetningen av de individuelle pulverpartikler tilsvarer det endelige legerings-produkt. Mekanisk legering utføres med fordel til en slik grad at de sammensatte pulvere viser hovedsakelig metningshårdhet. Slike sammensatte pulvere er hovedsakelig homogene med hensyn til sammensetning, og de dispergerte partikler er hovedsakelig jevnt fordelt

i de forskjellige pulverpartikler med en gjennomsnitlig avstand som ikke overstiger 1^um.

Mekanisk legering kan utføres under tørre betingelser i en høyenergi-mølle så som Szegvari-møllen. De foretrukne betingelser ved bruk av en 15 liters Szegvari-mølle er ca. 16-24 timer og en rotorhastighet på ca. 250-350, f.eks. 290, omdr. pr. minutt, med en atmosfære av nitrogen inneholdende 0,7% oksygen og 9,5 mm stålkuler i en mengde tilstrekkelig til å gi et vektforhold mellom kuler og pulver på ca. 15:1 til 20:1.

Det mekanisk legerte pulver kan så varmkonsolideres, f.eks.

ved varmekstrudering eller varmpressing. I almindelighet kan pulverkonsolideringen utføres ved ekstrudering av pulver ifylt en beholder av metall, f.eks. stål, ved en temperatur innen området 980-1205°C, f.eks. 1066°C, med et ekstruderingsforhold på ca. 5:1

til 20:1, f.eks. 10:1. Det konsoliderte materiale kan gis en vidtgående varmbearbeidelse, f.eks. kan det varmvalses over et temperaturområde på 980°C eller 1040°C til 1205°C eller 1260°C,

med varmreduksjoner på opp til 75 eller 90% eller høyere. Det konsoliderte materiales varmbearbeidingsevne gjør at man lett kan fremstille plater, bånd eller andre former for varmvalseprodukter.

Det varmbeairbeidede produkt blir så opphetet til en tilstrekkelig

høy sekundær rekrystallisasjonstemperatur som gir grove korn, f.eks. til omkring 1205°C eller 1315°C og' under temperaturen for begynnende smelting av legeringen. Det er viktig at det konsoliderte produkt bearbeides tilstrekkelig til at det mottar nok energi for sekundær rekrystallisasjon etter påfølgende varmebehandling. Hvis produktet bearbeides altfor meget, vil man få grove, hovedsakelig likeaksede korn, mens en for liten grad av bearbeidelse resulterer i en struktur av relativt fine likeaksede korn.

Produktet med grove korn kan senere underkastes annen varm-bearbeiding og varmebehandling med de ovenfor nevnte begrensninger uten at dette er til hinder for oppnåelse av strukturen med sekundært rekrystalliserte korn som gir legeringen gode høytemperaturegenskaper.

Den konsoliderte legering gis en slik behandling at den inneholder relativt grove korn som er avlange i en eller to bearbeidingsretninger og har dimensjonsforhold, ved todimensjonal betraktning, på 3:1 til 100:1, med gjennomsnitlig bredde på 15-2000 , ^um . og gjennomsnitlig lengde på 150-12.000 ^um, hvor korntykkelsen er mindre enn bredde- og lengde-dimensjonene.

Korn som er avlange i to dimensjoner (dvs. generelt elliptiske) kan fremstilles ved bearbeiding av legeringen i to retninger, f.eks. ved tverrvalsing ved en forhøyet temperatur, idet kornenes to hovedakser er anordnet på langs og på tvers i valseplanet, mens korn som er avlange i en enkelt retning, dvs. fibrøse korn, kan fremstilles ved bearbeidelse i en retning.

Et mekanisk legert pulver ifølge oppfinnelsen inneholder individuelle partikler med hårdhet som hovedsakelig tilsvarer metningshårdhet, og pulveret inneholder på v :tbasis 10-5C% jern, 3,75-6% aluminium, 10-30% krom, 0-1% titan, ...-sten, bortsett fra forurensninger og tilfeldige bestanddeler, nikkel i en mengde på minst 25%, samt en liten men effektiv mengde av et varmefast dispersoidmateriale med en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 5-500 rim.. Et mekanisk legert pulver ifølge oppfinnelsen inneholder fortrinnsvis på vektbasis 15-35% jern, 10-20% krom, 4,3-5,5% aluminium, opp til 0,6% titan, 0,2-1 volum% varmefast dispersoidmateriale og resten nikkel.

Dé følgende eksempler vil ytterligere belyse oppfinnelsen.

Eksempel I

Forskjellige legeringer med sammensetning som vist i tabell I ble fremstilt ved mekanisk legering av 4,25 kg charger av tørt pulver i en 15 liters Szegvari-mølle, som ble kjørt med en rotorhastighet på 250 omdr. pr. minutt og 85 kg stålkuler med 9,5 mm diameter i en atmosfære av nitrogen inneholdende 0,7% oksygen i 20 timer. Pulverchargen for legering 1 inneholdt 1430 g karbonylnikkel-pulver med partikkelstørrelse mindre enn 43 ^um,

1095 g ferrokrom med lavt karboninnhold og partikkelstørrelse mindre enn 74 ^um og et krominnhold på 74%, 78 g av en forlegering av nikkel, aluminium og titan inneholdende 16,5% Al og 28% Ti med partikkelstørrelse mindre enn 74 yum, 1200 g av et høyrent jernpulver med partikkelstørrelse mindre enn 147 ^uti,

435 g av en foriegering av nikkel og aluminium inneholdende 46% Al med en kornstørrelse mindre enn 74 :^um, samt 10,6 g yttriumoksyd med en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 25 nm../ Pulverchargen for legering 2 inneholdt 1431 g karbonylnikkel,

1095 g ferrokrom med lavt karboninnhold, 73 g av den ovennevnte forlegering av nikkel, aluminium og titan, 1200 g av det høyrene jernpulver, 435 g av ovennevnte forlegering av nikkel og aluminium, samt 15 g lanthanoksyd med en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 40 nm. Nitrogen-oksygen-atmosfæren forsinket sveising av pulverne, slik at man kunne fremstille sammensatte pulvere som

var homogene med hensyn til sammensetning og struktur ved 200 gangers forstørrelse, innbefattende en relativt ensartet fordeling av dispersoidpartiklene. Det sammensatte pulver av legering 1 hadde et totalt oksygeninnhold på ca. 0,63%.

De mekanisk legerte pulvere ble deretter hver for seg omgitt av en hylse av bløtt stål og 76,2 mm diameter og ble etter for-segling av hylsen ekstrudert ved 1066°C med et ekstruderingsforhold på 10:1, og stykker av det ekstruderte produkt ble deretter varmvalset ved 1066°C til 3,2 mm tykke plater, idet den totale tverrsnittsreduksjon tilsvarte ekstrudering med et forhold på

ca. 22:1. Platene ble så varmebehandlet ved 1315°C i ca. 1 time under dannelse av en grovkornet struktur. Stykker skåret fra hver plate (legering 1 og 2 ifølge oppfinnelsen i tabell I,

sammen med den kjente legering A) ble undersøkt ved 927°C med hensyn til sulfideringsmotstand i en smeltet oppløsning av 99% Na2S0^-l%NaCl. Dette medium, om enn sterkt korroderende, ble anvendt for å simulere korrosjon slik man finner den i gassturbin-motorer som et resultat av omdannelse av inntatt sjøsalt. Under slike strenge betingelser kondenseres Na2S0^ i turbinen og forårsaker en katastrofal form for korrosjon som kalles sulfidering. Resultatene av sulfideringsprøvene er vist i tabell I, hvor 16 timer og 100 timer i kolonnen til høyre angir eksponeringstiden.

Det vil sees av tabell I at legeringene 1 og 2 ifølge foreliggende oppfinnelse er langt bedre enn den kjente legering under de betingelser som ble anvendt i de mer langvarige forsøk.

Eksempel II

En pulvercharge av hovedsakelig samme sammensetning som for legering 1 i eksempel I ble mekanisk legert og ekstrudert på den i eksempel I beskrevne måte, hvorved man fikk et ekstrudert produkt som faller innenfor oppfinnelsens ramme og betegnes som legering 3 i nedenstående tabell II. Det sammensatte pulver av legering 3 hadde et totalt oksygeninnhold på ca. 0,62%. Andre stykker erholdt fra ekstruderingsprodukter av legeringene 1 og 2 såvel som prøve-stykker av ekstrudert legering 3 ble varmvalset ved 1066°C til 3,2 mm tykke plater og varmebehandlet ved 1315°C i 1 time under dannelse av grove korn. Stykker utskåret fra disse 3,2 mm tykke plater og stykker av kjente legeringer B, C og D som vist i tabell II ble undersøkt med hensyn til oksydasjonsmotstand ved cyklisk forandring av temperaturen med 24 timers intervaller over et tidsrom på 288 timer ved 1260°C i luft inneholdende 5% H20,

og resultatene er illustrert på fig. 2 og vist i tabell II. Legeringene B, C og D, som faller utenfor oppfinnelsens ramme,

er tatt med i tabell II for sammenligningsformål. Den ovennevnte cyklus på 24 timer omfatter en 23 timers behandling ved forhøyet temperatur, dvs. 1260°C, fulgt av kjøling i rolig luft i 1 time. Avskallingen av de forskjellige prøvestykker ble utført ved at slipepulver av aluminiumoksyd med partikkelstørrelse på 50^,um ble blåst mot prøvestykkene ved hjelp av karbondioksyd, og avskallingen ble fortsatt inntil alt oksyd var fjernet og det rene metall kom frem.

Det vil sees av fig. 2 og tabell II at legeringene 1, 2 og

3 viste meget god oksydasjonsmotstand sammenlignet med legeringene B, C og C. Den spesielt gode oksydasjonsmotstand som legeringene

1, 2 og 3 viser, er av særlig betydning da måling av oksydasjonsmotstanden hos materialer i pla;eform ansees å være en spesielt streng prøve på grunn av kanteffekter.

Legeringene 1 og 2 dannet et védheftende glødeskall og viste liten vektforandring selv etter 288 timer, mens legering 3 viste noe tap av skall til å begynne ned, men dannet deretter et védheftende skall med liten vektforandring; ingen av disse legeringer viste noen tendens til katastrofal oksydasjon i forsøkstiden.

Til sammenligning viste legeringene B og C (fig. 2) katastrofal oksydasjon etter mindre enn 96 cimerj, og legering D viste et stadig økende vekttap mellom 120 og j288 timer.

Et sylindrisk prøvestykke med |4,8 mm diameter og 19,1 mm lengde av en annen nikkelbasert legering inneholdende på vektbasis 36,0% jern, 18,4% krom, 0,49% titanj 0,64% yttriumoksyd, men bare 3,9% aluminium ble undersøkt med hensyn til oksydasjonsmotstand på samme måte, dvs. med 24 timers perioder ved 677°c i luft inneholdende 5% vann. Denne legering viste etter 288 timer en vektforandring på ca. -50 mg/cm 2 ikk<I>e avskallet (til tross for at en oksydasjonsmotstandsprøve med et sylindrisk prøvestykke er en mindre streng prøve enn når prøvestykket har plateform). Dette viser virkningen av aluminiuminnholdet. Som nevnt ovenfor foretrekkes at aluminiuminnholdet i legeringer ifølge oppfinnelsen er minst 4%.

Eksempel III

En 3,2 mm tykk plate av materiale med grovkornet struktur og betegnet som legering 4 i tabell Ilt ble fremstilt på samme måte som de tilsvarende plater av legeringene 1 og 2 i eksempel I og II. Den opprinnelige pulvercharge som bjle mekanisk legert ved frem-stillingen av legering 4, inneholdt 1555 g karbonylnikkel-pulver med partikkelstørrelse mindre enn 43 ^um, 1155 g ferrokrom med lavt . karboninnhold og inneholdende 74% lirom og med partikkelstørrelse mindre enn 74 ^um, 74 g av en forlegering av nikkel, aluminium og titan inneholdende 16,5% Al og 28% Ti med partikkelstørrelse mindre enn 74 ^um, 1275 g høyrent jernpulver med partikkel-størrelse mindre enn 147 ^um, . 412 g av en forlegering av nikkel og aluminium inneholdende 46% Al og med partikkelstørrelse mindre enn 74 . ^um, samt 27 g yttriumoksyd med gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 25 nm.

Andre stykker av de 3,2 ;nm tykke plater av de i eksempel II beskrevne legeringer 1 og 2 og platestykker av den ovennevnte legering 4 ble - sammen med de kjente legeringer A, B og D - undersøkt med hensyn til bruddstyrkeegenskaper ved 1093°C, og resultatene er gjengitt i tabell III. Legering 1 inneholdt korn som generelt hadde lengde mellom 500 og 1200 ^um og bredde mellom 30 og 100 ^um, mens legering 2 inneholdt korn som stort sett hadde lengde mellom 150 og 3000 ^um . og bredde mellom 15 og 100 ^um. Legering 4 inneholdt korn som stort sett hadde lengde mellom 400 og 2000 ^um og bredde mellom 80 og 200 yum.

Det vil sees av tabell III at bruddstyrken ved 1093°C for legeringene 1, 2 og 4 er ganske god, idet alle disse er langt bedre enn de kjente legeringer A og B. Det er spesielt bemerkelsesverdig at legering 2 er noe bedre enn legering D til tross for at dispersoidinnholdat bare er ca. 1/8 a v innholdet i legering D på vektbasis. Legering 2 viste dessuten en langt bedre oksydasjonsmotstand enn iegex-ing D.

Eksempel IV

Ytterligere legeringer ifølge oppfinnelsen er angitt i tabell IV. Disse legeringer ble hensiktsmessig fremstilt under anvendelse av den i eksempel I beskrjevne fremgangsmåte.

Kolonnen "Creg" er beregnet på basisj av formelen

Cr = Cr + 6 + (Al-3) + Ti + elementer med lignende virkning som krom, fi eks. niob, wolfram og lignende.

i

Legeringer ifølge foreliggende oppfinnelse er egnet til bruk innen et vidt anvendelsesområde, herunder anvendelser som medfører at legeringen utsettes for oksyderende eller sulfiderende betingelser og/eller høye temperaturer. Noen spesielle anvendelser er turbinmotorer, herunder forbrenJingskammere og etterbrennere; hud for romfartøy og overlydsfly; og spesielle ovner og kjemisk prosessutstyr.

Claims (15)

1. Aldringsherdbar dispersjonsforsterket legering, karakterisert ved at den på vektbasis inneholder 10 - 50 % jern, 3,75 - 6 % metallisk aluminium, 10 - 30 % krom,

0 - 1 % titan, 0 - 0,3 % zirkonium, 0 - 1 % niob, 0 - 0,5 % silisium, resten, bortsett fra forurensninger og tilfeldige bestanddeler, nikkel i en mengde på minst 25 %, hvor de metalliske bestanddeler krom, jern, aluminium og titan er slik innbyrdes avpasset at de faller innenfor området definert ved WXYZW på tegningens fig. 3, og hvor jerninnholdet ikke overstiger 37 % når krominnholdet overstiger 13 %, hvilken legering er dispersjonsforsterket ved et lite innhold av et varmefast dispersoid-materiale med fin partikkelstørrelse.

2. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom de metalliske bestanddeler er slik avpasset at det faller innenfor området definert ved VDUZYV på fig. 3.

3. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom de metalliske bestanddeler er slik avpasset at det faller innenfor området definert ved EWTSRYVDE på fig. 3.

4. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom de metalliske bestanddeler er slik avpasset at det faller innenfor området definert ved DEWZYVD på fig. 3.

5. Legering ifølge krav l,,hvor jerninnholdet ikke overstiger 40%, karakterisert ved at det varmefaste dispersoid-materiale har en gjennomsnitlig partikkelstørrelse på 5 - 500 nm og jerninnholdet ikke overstiger 35 % når krominnholdet overstiger 15 %.

6. Legering ifølge hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at aluminiuminnholdet er 4 - 6 %.

7. Legering ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at jerninnholdet og krominnholdet er slik avpasset til hverandre at sammensetningen representerer et punkt på eller over- linjen ABC på fig. 1.

8. Legering ifølge et av kraven^ 5-7, karakterisert ved at dispersoid-mat' rialet er ett eller flere av følgende: sjeldne jordarter, thoriumoksyd, aluminiumoksyd og magnesiumoksyd.

9. Legering ifølge et av kravene 5-8, karakterisert ved at den inneholder 15 - 35 % jern, 10 - 20 % krom, 4,3 - 5,5 % aluminium, 0 - 0,6 % titan og 0,2 - 1 volumpr<o->sent av det varmefaste dispersoid-materiale.

10. Legering ifølge et av kravene 5-8, karakterisert ved at aluminiuminnholdet er 4,5 - 5,5 %.

11. Legering ifølge et av kragene 5-10, karakterisert ved at krominnholdet er minst 12 %.

12. Legering ifølge et av kravene 5-11, karakterisert ved at jerninnholdet er 25 - 35 %.

13. Legering ifølge et av kravene 5-12, karakterisert ved at innholdet av varmefast dispersoid-materiale går opp til 10 volumprosent, fortrinnsvis opp til 2 volumprosent.

14. Legering ifølge et av kravene 5-13, karakterisert ved at innholdet av varmefast dispersoid-materiale er 0,5 - 1 volumprosent.

15. Legering ifølge et av kravene 5 - 14, fremstilt ved mekanisk legeringsdannelse, karakterisert ved at den har forholdsvis grove, avlange korn med et gjennomsnitlig dimensjonsforhold på 3:1 til 100:1 og en gjennomsnitlig bredde på 15 - 2000^um og en gjennomsnitlig lengde på 150 - 12 000 yum, hvor kornene har en tykkelsesdimensjon mindre enn bredden og lengden.