DE2352704A1

DE2352704A1 - Schweissbare, oxidationsbestaendige kobaltlegierung

Info

Publication number: DE2352704A1
Application number: DE19732352704
Authority: DE
Inventors: Robert B H Herchenroeder; Howard Joseph Klein
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Haynes International Inc
Priority date: 1972-10-24
Filing date: 1973-10-20
Publication date: 1974-04-25
Also published as: JPS4994517A; NL7314619A; CS204976B2; ZA737850B; FR2203884B1; JPS5733331B2; AU473828B2; AU6164373A; BE806402A; CA1000076A; DD107949A5; LU68682A1; BR7308241D0; AT329888B; FR2203884A1; SE390423B; CH585796A5; US3802875A; GB1440835A; HU166191B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft schweißbare, oxiöationsbe— ständige Kobaltlegierungen? insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Kobaltlegieriragen_s welche geringen, jedoch bedeutsamen Lanthangehalt aufweisen»

In der US-Patentschrift 3 ^iS ill werden-Kobaltlegierungen beschrieben, welche Lanthan als modifiziereiaöes Element enthalten, um die Oxidationsbeständigkeit dieser Klasse von Superlegierungen zu verbessern» Obwohl diese Legierungen vom Markt gut aufgenommen worden sind, führten die ständig steigenden Anforderungen an metallische Werkstoff© au einem Bedarf nach noch besseren Kobaltlegientmgen«

Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind neue Kotoaltlegierumgen mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit,, Ein© besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ₉ ©ine Kobaltlegierung mit verbesserter Schweißbarkeit uad erhöhter Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Tenperatüren, bereitzustellen.

Weitere Aufgaben, Besonderheiten und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.

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Die Zeichnungen zeigen:

Pig» 1 in graphischer Darstellung die mittlere Rißlänge an einem etwa 6 cm starken Startblock gegen den Lanthangehalt;

Fig. 2 in graphischer Darstellung die mittlere Rißlänge an einem etwa iO cm starken Sfcaazblodk gegen den Lanthangeüalt;

Fig. 3 in graphischer Darstellung das bei statischer Oxidation bei 1150°C verlorene Material (in mm Sehiehttiefe) gegen den Aluminiumgehalt bei Protoen mit unterschiedlichen Lanthangehaltenj und

Fig. % in graphischer Darstellung das bei dynamischer Oxidation bei HOO⁰C verlorene Material (in mm Scfeiciittiefe) gegen den Aluminiumgehalt bei Proben mit unterschiedlichem Lanthangehalt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß sieh bei Superlegierungen auf Kolj&ltbasis die Gehalte an Lanthan und Aluminium gegenseitig beeinflussen. Besonders gute Ergebnisse wurden dann erzielt, wenn der Lanthangehalt im Bereich von 0,0Oi bis 0,018 ⁰Jo liegt, während der Aluminiumgehalt gleichzeitig im Bereich von 0,02 bis 0,7 % gehalten wird (alle Prozentangaben betreffen Gewichtsprozent). Wird der Lanthangehalt in diesem sehr engen Bereich gehalten, und beträgt der Aluminium— gehalt zumindestens 0,02 %, so werden Legierungen mit verbesserten Eigenschaften erhalten. Die erfindungsgemäßen, schweißbaren, oxidationsbeständigen Kobaltlegierungen bestehen im wesentlichen

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aus 0,Oi bis 0,53 % Kohlenstoff, bis zu 2 % Mangan, bis zu 1 % Silicium, bis maximal 0,02 % Phosphor, bis maximal 0,015 % Schwefel, 18 bis 30 % Chrom, 8 bis 30 % Nickel, 8 bis 18 % Wolfram, 0,00i bis 0,018 % Lanthan, 0,02 bis 0,7 % Aluminium, bis zu 0,02 % Bor, bis zu 10 % Eisen, und als Rest bis maximal 6l % Kobalt, mit üblichen produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.

im wesentlichen

Eine bevorzugte Legierung besteht/aus 0,01 bis 0,15 % Kohlenstoff, bis zu 2 % Mangan, bis zu 0,6 %~Silicium, maximal 0,02 % Phosphor, maximal 0,015 % Schwefel, 19 bis 28 % Chrom, 10 bis 25 fo Nickel, 12 bis 18 % Wolfram, 0,001 bis 0,018 % Lanthan, bis zu 0,02 % Bor, bis au ungefähr. 5 % Eisen, 0,02 bis 0,5 % Aluminium, und als Best bis maximal 6l % Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.

Eine weitere, bevorzugte Legierung besteht im- wesentlichen aus 0,05 bis. 0,15 % Kohlenstoff j bis zu 1,25 % Mangan, 0,2 bis 0,5 % Silicium, maximal 0,02 % Phosphor, maximal 0,015 % Schwefel, 20 bis 24 % Chrom, 20 bis 24 % Nickel, 13 bis 16 % Wolfram, 0,001 bis 0,018 % Lanthan, bis zu O₉015 % Bor, bis zu 3 % Eisen, 0,02 bis 0,5 % Aluminium, und als Rest maximal 6i % Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.

Eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Legierung besteht im wesentlichen aus 0_si0 % Kohlenstoffs, 0,65 % Mangan, 0,35 % Silicium, maximal 0,02 % Phosphor, maximal 0_?015 % Schwefel, 22 % Chrom, 22 % Nickel, 14_s5 % Wolfram, 0,001 bis 0,018 % Lanthan, bis zu 0,015 % Bor₉ O₉O2 bis 0,5 % Aluminium, bis zu

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3 % Eisen, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner die Verwendung der oben genannten Legierungen als Werkstoffe zur Herstellung von Gegenständen, welche hohe Beständigkeit gegen Rißbildung beim Schweißen und hohe Oxidationsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, aufweisen müssen.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen kann nach üblichen, dem Fachmann geläufigen Schmelzverfahren erfolgen; erfindungsgemäß wurde jedoch eine besonders gleichmäßige Steuerung der Zusammensetzung und besonders ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit dann erhalten, wenn die Hauptschmelze zuerst durch ein Induktions-Schmelzverfahren Im Vakuum, oder durch eis Lichtbogen-Schmelsverfahren an Luft hergestellt wurde, und im Anschluß daran diese Hauptscinaelze einer erneuten Schmelz— behandlung (electroslag remelt step) ausgesetzt wird.

Zur Erläuterung der unüblichen Eigenschaften der erfindungs— gemäßen Legierungen wurde eine Reihe von Legierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Lanthan und Aluminium hergestellt. Alle diese Legierungen wurden zuerst an Luft oder unter Vakuum im Induktionsofen erschmolzen und daran anschließend eine Elektroslag-Behandlung durchgeführt, um die fertigen Legierungen zu erhalten. Die Zusammensetzungen dieser Probelegierungen sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt:

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Tabelle I Chemische Zusammensetzung der Legierungen (Gew.-

Legierung

A
B
C
D
E

0,08 0,66

0,08 0,62

0,10 0,64

0,09 0,54

0,09 0,64

0,09 0,70

0,09 0,68

0,12 0,80

0,08 0,66

0,12 0,50

J-I 0,08 0,70

K 0,08 0,66

L 0,08 0,66

M 0,09; 0,65

N 0,10· 0,59

0,09 0,62

ρ ο,ιο 0,66

Q 0,07 0,58 NB = nicht bestimmt

	F
O
CD	G
CO
_x	H
	I
O	I-l
CD
—i	J
00.

Si 0,34

0,33 0,36 0,36 0/47 0,46 0,47 0,48 0,26 0,32 0,28 0,35 0,34 0,31 0,24 0,22 0,29 0,44 0,35

0,010
0,009
0,003
0,003
0,006
0,006
0,006

0,007

NB

0,006

NB
0,006

NB

0,010
0,001
0,001

Cr

21,60

21,50

21,20

22,40

22,50

22,30

21,90

22,10

21,90

21,60 22,00 21,50 21,94

0,006 20,60 0,001 21,82 0,005 21,90

0,012
0,008
0,010
0,010
0,011
0,010

0,19 0,31 0,43

Ni W La

22,30 14,05 <0,005

22,30 14,05

22,80 13,85

22,70 13,85

22,30 14,25

22,30 14,20

22,10 14,15

22,20 14,15

21,20 13,80 «cO,005 "S0,02 22,40 14,05 <0,010^0,01 21,20 13,80 ^0,005 <0,02 22,30 14,05 <0,005 ^0,02 22,30 14₉O5 ^0,005 0,01 22,30 14,15 0,005^:0,01 21,80 14,00

22,15 14,11

22,70 13,45

21,87 13,85

21,90 14,35

Al B 0,23 <0,001 0,04 <0,00i 0,16 0,002 0,43 0,08

0,02
0,03
0,04
0,05
0,06

0,003 0,004 0,003 0,002 0,003 NB NB NB NB

0,001 0,001 0,001

0,05 <0,001 0,28 0,004 0,19 0,001 0,11 0,002

0,08

Fe

2,21

1,96

1,50

1,46

1,48

2,10

2,33 3,22 2,36 2,21 2,24 1,90 1,38 2,06 1,40 2,06

Co*

Rest

* Rest Kobalt und übliche, herstellungsbedingte Verunreinigungen

CO K) CD

An den ersten zwölf Legierungen aus der Tabelle I wurden Untersuchungen zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit durchgeführt; die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle Il aufgeführt.

	100-stündige	Tabelle II	trockener Luft
	dynamisch Gewichtsver lust durch Oxidation bei 1100⁰C (mg/cm )	Oxidation mit	statisch Tiefe der oxidierten Schicht bei 1150 C (mm)
Legierung	-1,75	dynamisch Tiefe der oxidierten Schicht bei 1100⁰C (mm)	0,0124
A	-3,75	0,0078	0,020Ji
B	-2,6	NB	0,0081
C	-1,45	0,0087	0,0088
D	-3,13	0,0074	0,0102
E	-2,47	0,0104	0,0088
F	-1,65	0,0094	0,0093
G	-1,58	0,0085	0,0102
H	-126,0	0,0081	0,0220
I	-12,7	0,1433	0,0267
I-l	-78,0	NB	0,0485
J	-8,0	0,1011	0,0100
J-I	" -17,85	NB	0,0386
K	-21,1	0,0297	0,0366
L	0,0307

NB - nicht bestimmt

Alle in der Tabelle II genannten Verbindungen wurden den
gleichen Versuchen zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit ausgesetzt. In jedem Falle waren die Proben 1,5 mm dick, etwa

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27 mm lang und etwa 9 mm breit. Bei der "dynamischen Oxidation" würde eine Gruppe der Proben für 100 Stunden bei wechselnden Temperaturen einem trockenen Luftstrom ausgesetzt! das Temperaturprogramm bestand aus acht 3-Stunden~Perioden bei IiOO⁰C und vier i9-Stunden-Perioden bei il00°C, wobei die Proben nach jeder Erwärmungsperiοde auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Im Anschluß daran wurde die oxidierte Schicht in einem Salzbad entfernt und aus dem Gewichtsverlust unter Berücksichtigung der Dichte und der Oberfläche die Menge oder die Tiefe der oxidierten Schicht bestimmt.

Bei der "statischen Oxidation" wurde eine andere Gruppe Proben für eine Zeitspanne von iOO Stunden (25-Stunden~Perioden)bei 115O°C kontinuierlich einem trockenen Luftstrom ausgesetzt. Die Bestimmung der Tiefe der oxidierten Schicht erfolgte wie oben angegebene

Die Teststüeke A bis H₉ und M bis Q wurden auch Untersuchungen zur Bestimmung der Schweißbarkeit ausgesetzt| ein© entsprechende Methode ist der Fachwelt als "Tig-a->ma<=.jig"-Test bekannt und in der Zeitschrift Metal Progress, Metal Progress News Supplement, Vol. iOO, No, 2, August 197i_s Seite 7_V beschrieben«. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der folgenden Tabelle III aufgeführt.

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- 8 Tabelle III

"TIG-A-MA-JIG^Schweiflbarkeit mittlere Rißlänge (mm)

Legierung	60 mm Stanzblock	bestimmt	100 mm Stanzblock
A	0	0
B	0,056	0
C	0,065	0
E	0,102	0,037
F	NB	0
Q	0,213	0
H	NB	0
L	0,046	0
M	0,399	0,071
N	0,323	0,249
O	0,551	0,122
P	0,389	0,056
Q	0,975	0,206
NB - nicht

Ein Blick auf die Versuchsergebnisse zur Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit und den Untersuchungen zur Schweißbarkeit belegt die ganz außerordentliche Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierungen, insbesondere beim Vergleich der erfindungsgemäßen Legierungen A bis H mit anderen Legierungen I bis Q. Diese völlig unerwartete Überlegenheit wird auch eindeutig mit den Zeichnungen belegt; so geht aus den Fig. 1 und 2 hervor, daß bei Lanthangehalten unter 0,018 % sehr kurze mittlere Riß-

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längen erhalten werden, während bei Lanthangehalten über 0,018 % diese Rißlängen stark ansteigen. Den Fig. 3 und h ist zu entnehmen, daß die Oxidationsbeständigkeit bedeutsam verbessert wird, wenn der Aluminiumgehalt und der Lanthangehalt im erfindungsgemäß beanspruchten Bereich gehalten werden. Gerade die Kombination des kritischen Lanthangehaltes mit dem Aluminiumgehalt führt zu neuen Legierungen mit völlig überraschenden Eigenschaften, welche sich dann besonders vorteilhaft auswirken, wenn geschweißte Gegenstände aus diesen Legierungen einer oxidativen Umgebung, besonders bei hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Gerade dann zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen und die daraus hergestellten, geschweißten Gegenstände überlegene Oxidationsbeständigkeit.

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Claims

- 10 Patentansprüche

1. Schweißbare, oxidationsbeständige Legierung, die im wesentlichen aus 0,01 bis 0,33 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-% Mangan, bis zu 1 Gew.-$ Silicium, maximal 0,02 Gew.-% Phosphor, maximal 0,015 Gew.-^ Schwefel, 18 bis 30 Gew.—% Chrom, 8 bis 30 Gew.-$> Nickel, 8 bis 18 Gew.-% Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-% Lanthan, 0,02 bis 0,7 Gew.-^ Aluminium, bis zu 0,02 Qev,-% Bor, bis zu 10 Gew.-# Eisen, Rest bis zu maximal 6l Gew.-% Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,01 bis 0,15 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-% Mangan_s bis zu 0,6 Gew.-$ Silicium, maximal 0,02 Gew.-% Phosphor, maximal 0,015 Gew.-% Schwefel, 19 bis 28 Gew.-% Chrom, 10 bis 25 Gew.-% Nickel, 12 bis 18 Gew.-% Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-% Lanthan, bis zu 0,02 Gew.-^ Bor, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 0,02 bis 0,5 Gew.-$ Aluminium, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreini-, gungen in geläufigen Anteilen besteht.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,05 bis 0,15 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 1,25 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 0,5 Gew.-% Silicium, maximal

,0,02 Gew.-% Phosphor, maximal 0,015 Gew.-% Schwefel, 20 bis 2k Gew.-^ Chrom, 20 bis 24 Gew.-% Nickel, 13 bis i6 Gew.-% Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-% Lanthan, bis zu 0,015 Gew.-% Bor, bis zu 3 Gew.-% Eisen, 0,02 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen besteht.

4 0 9 8 -1 7 / 0 9■ "1 "8

. Legierung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 0,10 Gew.-% Kohlenstoff, 0,65 Gew.-% Mangan, 0,35 Gew.-% Silicium, maximal 0,02 Gew. —% Phosphor, maximal 0,015 Gew.-^ Schwefel, 22 Gew.-% Chrom, 22 Gew.-$ Nickel, 14,5 Gew.-% Wolfram, 0,001 Ms 0,018 Gew.-$ Lanthan, Ms zu 0,015 Gew.-% Bor, 0,02 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, bis zu 3 Gew.-$> Eisen, Rest Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteile besteht.

5. Verwendung einer Legierung aus im wesentlichen 0,01 bis 0,33 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-^ Mangan, bis zu 1 Gew.-% Silicium, bis maximal 0,02 Gew.-% Phosphor, bis maximal 0,015 Gew.-% Schwefel, 18 bis 30 Gew.-$ Chrom, 8 bis 30 Gew.-% Nickel, 8 bis 18 Gew.-^ Wolfram, 0,001 bis 0,018 Gew.-% Lanthan, 0,02 bis 0,7 Gew.»^» Aluminium, bis zu 0,02 Gew.-% Bor, bis zu 10 Gew.-% Eisen, Rest bis maximal 6l Gew.-% Kobalt mit üblichen, produktionsbedingten Verunreinigungen in geläufigen Anteilen, als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, welche hohe Beständigkeit gegen Rißbildung beim Schweißen und hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen müssen.

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