SE444583C - Legering paa basis av nickel, krom, kol och ev jaern - Google Patents

Description

15 20 25 30 7808909-1 2 tande då mycket höga temperaturer, samt vidare zvexsbarhet.

Redan kända legeringar som uppvisar en god resistens mot uppkolning vid höga temperaturer, exempelvis av storleksordningen l0O0°C, är vidare utsatta för en minskning av dessa egenskaper vid mycket höga temperaturer, exempelvis av storleksordningen 1100-1150°c. ” Det är även att märka, att det redan har föreslagits att skydda högsmältande legeringar som uppvisar en kombination av lämpliga egenskaper med undantag för resistens mot uppkolning och eventuellt resistens mot oxidation, genom ett yttre skikt av aluminium och/eller aluminiumoxid, vilket på något lämpligt sätt anbringats på legeringen. I praktiken är anbringandet av ett sådant ytterskikt besvärligt eller komplicerat att genomföra, och dess vidhäftning till legeringen är dålig eller otillfreds- 4\_ ställande, så att legeringen utsättes för en olämplig återuppkol- Éí ning. __ _,____?___%____________w m” 4 .av - - a, ,. _ ,. , . :f- '_ f ., u- ke-g-a. Jfa-.aflg-sïæ ;.~.s«.-;,;Na,;;:¿ '_ Genom legeringen enligt föreliggande uppfinning undanrö- jes de i det föregående angivna olägenheterna genom det förhål- landet att den har en kombination av lämpliga egenskaper, spe- ciellt för framställning av byggnadselement till petrokemiska anläggningar, och att dess resistens mot uppkolning kan förbätt- ras under användningstiden eller medelst en förbehandling.

Legeringen enligt uppfinningen kännetecknas av att den har följande sammansättning, räknat efter vikt: - kol 0,05 - 0,60 $ - nickel 20 - 55 S - krom 15 - H0 I - kisel ' 0,5 - 2 5 - mangan 0,5 - 2 $ - kväve 0,05 - 0,20 2 - niob ¥“ o - 2 : - volfram och/eller molybdíišj 0 - 5 5 - aluminium M 2 - 8 5 § - koppar 0 - 5 S É - järn och vanligen förekommande f föroreningar i så små mängder } återstoden “ som möjligt Enligt en mera specifik utföríngsform har föreliggande legering följande sammansättning, räknat efter vikt: 10 15 20 25 30 35 Ä0 3 7800909-1 - kol » - 0,05 - 0,60 2 - nickel 30 - 55 2 - krom 20 - HO % - kisel 0,5 - 2 % - mangan 0,5 - 2 % - xväve_ V 0,05 - 0,20 z - niob I - 1 - 2 % - volfram och/eller molybden 0,2 ~ 5 % - aluminium A 2 - 8 1 - koppar 0 -V 5 1 - järn och vanligen förekommande föro- reningar i så små mängder som möjligt återstoden Lämpligen är aluminiumhalten 2,5-6,5 viktprocent, och företrädesvis då 3,5-6 viktprocent.

Det antages att den mycket höga resistens mot uppkolning som erhålles under användningens förlopp eller genom en förbe- handling av den föreliggande, högsmältande legeringen beror på närvaron av aluminium, vilket i ett ytområde av legeringen åtmins- tone till en del föreligger i form av aluminiumoxid, vilken bildar en skärm mot inträngning av kol i legeringen genom att inhibera eller bromsa migreringen av detta element. Pâ detta sätt åstad- kommer denna ytzon eller detta ytskikt med hög halt av aluminium- oxid av endogent ursprung en förbättring av den resistens mot uppkolning hos legeringen som redan normalt är god, eftersom det rör sig om en legering, vars moderfas är av austenitisk natur av karbidtyp.

Det är givet, att den angivna ytzonen till skillnad från ett tillfört skikt icke innefattar någon inre, preciserad gräns eller någon kontinuerlig lösning. g Vidare föreligger ingen som helst risk för att detta yt- skikt skall lossna, såsom fallet är om detta vore av exogen typ, dvs anbringat efteråt på en legering som är fri från aluminium eller innehåller en alltför liten andel av aluminium för att det- ta element skall kunna fylla någon funktion vid resistensen mot uppkolning. Vidare gäller att på grund av möjligheten för om- vandling av en allt större andel av aluminiumet till aluminium- oxid och detta till allt större djup, kan resistensen mot uppkol- ning hos legeringen enligt uppfinningen endast öka med tiden.

En annan fördel hos den föreliggande sammansättningen är, att i fall det oxíderade ytskiktet skulle avlägsnas, exempelvis . __,i _, - 10 15 20 25 30 35 H0 7808909-1 u genom nötning eller på något annat sätt, âterbildas detta skyddan- de oxidskikt genast i det underliggande,*icke oxiderade omrâdet av metallen.

Ytterligare undersökningar som genomförts har lett till det antagandet, att ett skyddsskikt som bildar en barriär mot oxidation och uppkolning är kontinuerligt och ytligt eller mycket nära kontaktytan med den uppkolande eller oxiderande miljön. Det- \ta skikt innehåller icke endast aluminium i mer eller mindre oxi- derad form, utan även kisel och krom.

I enlighet med uppfinningen kännetecknas föreliggande le- gering även av följande, föredragna sammansättning: - kol 0,10 - 0,50 å - nickel 35 ~ 50 % - krom 20 - 35 2 - kisel 0,5 - 2 5 - mangan .0,S - 2 5 - kväve 0,05 - 0,20 É - niob p 1 - 2 5 - volfram och/eller molybden 0,5 - 3,5 1 - aluminium 2,50 - 6,50 5 - koppar 0 - 3 S - järn 0 - M0 1 I denna föredragna komposition är viktandelarna av nickel, krom och aluminium exempelvis i ett första fall av stor- leksordningen 45, respektive 25 och U 1, och i ett andra fall av storleksordningen M0, respektive 20 och 6 %.

Halterna av vissa dyrbara element i legeringen enligt uppfinningen kan speciellt, med syftemål att minska priset, hållas inom relativt begränsade intervall, vilka är belägna vid' de lägre gränserna för de angivna, allmänna intervallen, och detta icke endast för niob, volfram och molybden, utan även för nickel och krom. Legeringen kan även innehålla endast 20-30 5 nickel och/eller 15-20 2 krom och/eller 0-l I niob och/eller 0-0,2 i av (volfram + molybden).

Enligt en speciell utföringsform av uppfinningen har legeríngen följande sammansättning, räknat efter vikt: - kol 0,05 - 0,60 1 - nickel 20 - 35 1 - krom 15 - 25 5 - xisel 0,5 - 2 S LG 15 20 25 30 35 NO ivid hög temperatur, uppvisar de föreliggande legeringarna samti- - mangan e _ 0,5 - 2 2 - kväve 0,03 - 0,10 1 - níob O - l 5 - volfram och/eller molybden 0 - 0,2 % - aluminium ¿ - 8 % - koppar 0 - 5 %' - järn och vanligen förekommande för- återstoden oreningar i så små mängder som möjligt Legeringen enligt uppfinningen kan likaledes, utöver de vanliga föroreningarna, innehålla smärre halter av ett eller flera av elementen Ta, Co, V, Ti och Zr.

Som framgår av de i det föregående angivna sammansätt-V ningarna, kan legeringen enligt uppfinningen eventuellt innehål- la koppar, och närvaron av koppar är speciellt eftersträvad för dem av legeringarna enligt uppfinningen som är avsedda att arbe- ta vid mycket höga temperaturer, exempelvis av storleksordningen 11oo°c eller högre. ' Enligt ett kännetecken av uppfinningen är kolhalten van- ligen av storleksordningen 0,R-0,5 viktprocent, förutom i de fall, då föremålen av legeringen enligt uppfinningen är avlångt forma- de och avsedda att bockas. I fallet med strukturelement som be- , står av bockade rör bör sålunda kolhalten hos legeringen vanli- gen vara lägre än 0,30 1. 0 Den behandling som föremålen eller artiklarna av förelig- gande legering kan underkastas före sin användning utgöres enligt uppfinningen av en behandling för accelererad bildning av det aluminiumoxidrika ytområdet. Enligt ett kännetecken av uppfin- , ningen består denna behandling i afit artiklarna eller föremålen värmes i oxiderande atmosfär.

Förutom sin utmärkta resistens mot uppkolning, speciellt' digt en god svetsbarhet, en utmärkt oxidaticnsresistens, till vilken i stor utsträckning bidrager den aluminiumoxid som bildats i det ovan nämnda ytskiktet eller ytområdet, goda mekaniska egen- skaper vid rumstemperatur i förhållande till andra austenitiska legeringar med eventuell resistens mot uppkolning, och i förhål- lande till dessa legeringar är sålunda draghållfastheten förhöjd, liksom även_duktiliteten, liksom även en förhöjd resistens mot krypning, speciellt vid hög temperatur, samt en god duktilitet i värme (krypningsduktilitet). 7808909-1 6 Aluminiumhalten i föreliggande legering är lämpligen be- gränsad uppåt till 6,5 %, eftersom över denna gräns legeringen skulle bli alltför skör för de flesta av aina användningsområden.

Det är vidare erforderligt att samordna halterna av de olika in~ gående elementen i legeringen enligt uppfinningen inom ramen för de i det föregående givna intervallen för att icke åstadkomma bildning av sigmafas, vilken medför en avsevärd minskning av duk- tiliteten och gör legeringen spröd. I detta avseende är det lämp- ligt att upprätthålla ençmssande jämvikt mellan de element som har en benägenhet att åstadkomma bildning av ferrit, såsom Cr, Si, Nb, Mo, W och Al, och de elemínt som är benägna att gynna bildningen av austenit, såsom C,_ i, Mn, N och Cu, på sådant sätt att den totala strukturen förblir den hos en austenitisk legering.

Andra kännetecken, syftemål eller fördelar hos föreliggan- de uppfinning framgår av den följande beskrivningen, vilken icke har någon begränsande innebörd, under hänvisning till medföljande ritning. _ ' I ritningen utgör figur 1 ett diagram över krypförsök vid 980, 1100 och ll50°C, genomförda med två legeringar enligt upp- finningen, betecknade XA2 och XAN. Figur 2 utgör ett diagram över uppkolningsförsök, genomförda vid ll00°C med legeringen XAÄ och med den kända legeringen HKHO. Figur 3 utgör ett dia- gram över uppkolningsförsök, genomförda vid ll50°C med samma le- geringar XAÄ och HK40. De ovan nämnda försöken med krypning och uppkolning har genomförts med legeringar direkt från gjutning.

I det följande angives några exempel på legeringar enligt uppfinningen.

Exempel 1 (legering XA2): - kol ' c o,n3 1 - nickel H5,08 % - krom 2Ä,87 Z - kisel I 1,51 I - mangan 1,03 % - kväve _ 0,09 1 - niob _ ' 1,22 I - volfram 1,62 1 - molybden ' ~ 0,14 Z - aluminium ' 2,02 Z - koppar I 0,12 Z 1 - järn och föroreningar 2l,87 , _....,.._,,...»-.._f-.....,.~.,----.f-t-x-f*^ 'ff “' 10 15 20 25 30 35 H0 Exemnel 2 (legering XAU): kol nickel krom kisel mangan kvävel niob volfram molybden aluminium koppar järn och föroreningar Exemoel 3: Exempel U (legering KXA6): Exempel 5 (legering K A6): kol nickel krom kisel mangan kväve niob volfram alumirium järn och föroreningar kol 0 nickel krom kisel mangan kväve niob volfram molybden aluminium koppar järn och föroreningar kol nickel 0,11 16,70 25,90 1,17 1,16 0,10 1,25 1,60 0,18 11,20 0,15 16,02 0,5u HO 20 1,20 1,80 0,18 1,80 2,5 6,1 25,88 0,40 25,30 20,10 1,60 1,00 0,06 1,20 1,80 0,15 5,95 0,10 42,3ü 7000909~1 d' /0 5 d P 0' fl % I F % I ß d fi I Å 1 of fl ïlïiiliåï\iiï'ltiäåäfi 0135 I 214,60 §Q\Q\Q§Q\!\Q\QEQI\"IQIIIQ 10 15 20 25 30 7808909-1 8 - krom 19,80 1 - kisel 1,50 5 - mangan 1,20 2 - kväve 0,08 1 = valïraa 0,10 ä - molybden 0,18 % - aluminium 6,51 1 - kvppar 6 0,18 % - järn och föroreningar H5,ü0 % Exempel 6 (leggring TX A6): - kol 0,22 % - nickel 29,70 % - krom 18,20 % - kisel 1,60 % - mangan 1,10 5 - kväve 0,05 % - niob 1,00 % - volfram 1,10 5 - molybden 0,20 5 - aluminium 6,12 % - koppar 0,25 % - järn och föroreningar 40,H6 1 I den följande tabellen I angives några mekaniska egen- skaper vid rumstemperatur hos legeringarna XA2 och XAH.

Tabell I Legering Re Rm _ A Z x A2 31,n 57,8 '21 21 X AH 46,1 68,6 13 15 Re = elasticitetsgräns (N/mmz) Rm = brottgräns (N/mma) A = töjning (%) Z = kontraktionskoeffioient Det har visat sig att de legeringar som har samma sam- mansättning som legeringarna XAÄ och XA6, men som icke innehål- ler aluminium har en sämre duktilitet och även en lägre drag- hållfasthet.

Förhöjningen av draghållfastheten i närvaro av aluminium, använt inom haltintervallet enligt uppfinningen, synes 10 15 9 7808909-1 bero på närvaro av en utfälld fas, vilken i form av fina partik- lar är hømogent fördelad i moderfasen.

I följande tabell II visas resultat från krypprovningar, genomförda med de två föregående legeringarna XA2 och XAN, vid de tre temperaturerna 980, ll00 coh ll50°C. Dessa försök åskådlig- göres även av kurvan i figur 1, vari T betecknar temperaturen i Kelvin och t tiden till brott.

Tabell II Undersökning av krypbrott Cylindriska prevstavar med 8 mm diameter och H0 mm längd Temperatur Belastning Legering Legering ( c) (N/mmë) x A2 x Au Tid ' Tid 980° 30 107,1 22 u1,u 20 1050° v 15 679,9 8 306,2 12 1100° 10 151 8 130,0 10 x Tiden till brott inträffar A = brottöjníng i 2 Det framgår att legeringen XA2 uppvisar en bättre kryp- hâllfasthet än legeringen XAÄ, ehuru kryphållfastheten hos den senare även är mycket tillfredsställande. Även den utmärkta duk- tiliteten i värme eller krypningsduktiliteten är att märka, såsom framgår av värdena på töjningen A, I den följande tabellen III visas resultat från uppkol- ningsförsök, genomförda med legeringen XA4, dels vid ll00°C, dels vid ll509C. Resultat från samma försök, genomförda med den kända legeringen HKUO, angives likaledes i tabellen. Samtliga dessa resultat åskådliggöres även av ritningsfigurerna 2 och 3. 10 15 20 7808909~1 10 Tabell III' Uppkolning med fast uppkolningsmedel under H timmar Cylindriska provstycken med 50 mm längd och 10 mm diameter Avstånd i mm, räk- ökning av kolnalten ökning av kolhalten nat från provstyck- (AC) vid ll0O°C vid ll50°C) ets yttre yta Legering Legering Legering Legering- HK H0 X A0 HK HO X AU 0,2 - 0,5 mm 1,73 1,38 1,00 0,U1 0,5 - 1 1,73 0,68 0,93 0,31 1,5 1,35 0,29 0,85 0,21 2 1,01 0,09 0,12 0,09 2,5 _ 0,71» 0,02 0,65 0,03 _3 0,51 0 0,58 0,01 3,5 0,UÄ 0 0,50 0 ÉEIX 7,48 2,55 5,30 1,07 x§§: = summa av ökningarna AC vid de olika angivna avstånden.

Uppkolningsförsöket genomfördes på cylindriska stavar _med 10 mm diameter och 50 mm längd, och dessa stavar hölls under ü timmar vid den angivna temperaturen i närvaro av ett fast upp- kolningsmedel.

Det framgår att legeringen XA4, vilken innehåller H aluminium, har en resistens mot uppkolning som är mycket starkt förbättrad i förhållande till legeringen HKRO.

De försök, för vilka resultaten visats i tabellerna I-III har genomförts på direkt gjutna legeringar, vilka icke underkastats någon speciell behandling och som icke ännu tagits i bruk.

I F Det inses att ytskiktet hos dessa legeringar vid slutet av försöken innehöll aluminiumoxid på grund av den stora benägen- heten hos aluminium för att bilda aluminiumoxid i stället för Det inses, såsom angivits i det föregående, exempelvis karbider. att resistensen mot uppkolning, liksom även vidare oxidationsre- sistensen endast kommer att förbättras med tiden på grund av möj- ligheten för progressiv bildning av aluminiumoxid i ytskiktet.

Legeringarna från exemplen 3-6 har underkastats uppkol- ningsförsök med fast cementit under 4 dygn vid temperaturer av 980, 1100 och ll50°C. Inga tecken på upptagning av kol kunde 10 15 fihww, .,¶. wiV,.MV .Vw MW _ 11 7808909-1 wfvypw 7.", observeras vid ett djup över l mm från kontaktytan med uppkol- ningsmedlet.

Samtliga av de i det föregående angivna legeringarna har utmärkta egenskaper i fråga om resistens mot oxidation och-mot uppkolning vid hög temperatur, vilket kan förklaras genom bild- ningen av ett skikt som bildar en barriär mot oxidation och upp- É kolning, såsom angivits i det föregående, och detta orsakas icke endast av närvaron av aluminium, utan även av närvaron av krom och av kisel.

Det är givet att uppfinningen icke på något sätt är be- gränsad till de utföringsformer som här angivits som exempel.

Speciellt innefattar uppfinningen samtliga de medel som utgör tekniska ekvivalenter till de beskrivna medlen, liksom även de- V ¿ ras kombinationer i den utsträckning som de genomföras inom ra- 0 men för patentkraven..

Claims (11)

ll Patentkrav

1. l. Legering på basis av nickel, krom, kol och eventuellt av järn, med goda mekaniska egenskaper, god svetsbarhet, hög re- sistens mot krypning och mot oxidation, speciellt vid hög tempe- ratur, samt hög resistens mot uppkolning, speciellt vid hög tem- peratur, k ä n n e t e c kkn a d därav, att den har följande sammansättning, räknat efter vikt: som möjligt .r k0l 0,05 - 0,60 % nickel 20 - 55 z krom 15 - H0 1 *kisel 0,5 - 2 1 mangan 0,5 - 2 % kväve 0,05 - 0,20 z niob 0 - 2 % volfram och/eller molybden 0 - 5 % aluminium 2 - 8 % koppar 0 - 5 % järn, samt vanligen förekommande I föroreningar i så små mängder 0 § återstoden varvid legeringen har en benägenhet att undergå en ökning av re- sistensen mot uppkolning, genom att under användningstiden eller genom en behandling före användningen utbildas en zon eller ett skikt som hindrar inträngning av kol.

2. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den har följande sammansättning, räknat efter vikt: køl 0,05 - 0,50 % nickel 30 - 55 1 krom 20 - H0 1 kisel 0,5 - 2 % mangan 0,5 - 2 % kväve 0,05 - 0,20 % niob 0 1 - 2 % N N volfram och/eller molybden 0'š _ g âfi âêgâïša' aluminium 2 - 8 Z koppar 0 - 5 2 järn, samt vanligen förekommande,} föroreningar i så små mängder återstoden som möjligt

3. Legering enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller 2,5-6,5 viktprocent, företrädesvis då , 444 sas 3,5-6 viktprocent aluminium. 5

4. U. Legering enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c ken a d därav, att den har följande sammansättning, räknat efter vikt: ' k0l 0,10 - 0,50 1 - nickel 35 - 50 1 - krom , 20 - 35 1 - kisel 0,5 _ 2 z - mangan 0,5 - 2 z - kväve 0,05 - 0,20 % - nicb 1 -“ 2 % - volfram och/eller molybden, 0,5 ~- 3,5 % - aluminium 2,50 - 6,50 % ” k°PP&P 0 ~ 3 1 - järn 0 - H0 I

5. Legering enligt krav Å, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller cirka 45 viktprocent nickel, cirka 25 viktprocent krom och cirka U viktprocent aluminium.

6. Legering enligt krav H, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller cirka 40 viktprocent,nickel, cirka 20 viktprocent krom och cirka 6 viktprocent aluminium.

7. Legering enligt krav l,,kLä n n e t e c k n.a d där- av, att den innehåller, räknat efter vikt: - nickel 20 - 35 % - krom 15 - 25 1 - kväve 0,05 - 0,10 I - niob 0 - l % - volfram och/eller molybden 0 - 0,2 1

8. Legering enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller 20-30 viktprocent nickel.

9. Legering enligt krav 1, k å n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller 15-20 viktprocent krom. ,

10. l0. Legering enligt krav 1, k ä n n e.t e c k n a d där- av, att den innehåller 0-l viktprocent niob. _ I

11. ll. Legering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d där- av, att den innehåller 0-0,2 viktprocent molybden. ______.__===._____