Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen aus hitzebeständigen Legierungen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen aus hitzebeständigen Legierungen, die Chrom und Nickel enthalten.
Als hitzebeständige Legierungen kommen zum Beispiel in Betracht: Legierungen auf der Basis (die mindestens 50% der Legie rung beträgt) von Nickel oder Nickel und Kobalt (wobei Kobalt nicht über 40% der Legierung beträgt) mit einem Chromgehalt bis zu 45%, die zu einer Ausscheidungshär tungsbehandlung geeignet sind, weil sie eines oder mehrere der Elemente Molybdän, Wolf ram, Eisen, Mangan, Aluminium, Vanadium, Titan, Niob, Silicium und Kohlenstoff ent halten, wobei der Kohlenstoff 1% nicht über steigt und weder das Titan noch das Silicium 5%o übersteigen und keines der genannten Zusatzelemente 25% übersteigt und der Gesamtgehalt aller dieser Elemente nicht rrehr als 40% beträgt.
Ausser den oben ge nannten Elementen und unwesentlicher Ver unreinigungen können die beispielsweise er wähnten Legierungen noch geringe Mengen an Stickstoff, Magnesium, Kupfer, Calcium und seltenen Erdmetallen (einschliesslich Misch- irietall), die im einzelnen nicht über 1% und im gesamten nicht über 31/a betragen, ent halten.
Es ist eine Reihe solcher Legierungen den Fachleuten bekannt, die einer Lösungsbehand lung bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1200" C und einer nachfolgenden Ausschei- dungshärtungsbehandlung unterworfen wer den.
Bei der Festsetzung der Zeit der Lösungs behandlung bei einer ausgesuchten. Tempera tur ist eine Beschränkung im Hinblick auf die Dauer der Behandlung auferlegt worden wegen der Vergröberung des Kornes der Le gierung, besonders bei hohen Temperaturen, wie sie oben genannt sind. Die Vergröberung des Kornes bedeutet nicht unbedingt eine Ver minderung der Kriechfestigkeit des hergestell ten Maschinenteils.
Wird aber die Lösungs behandlung bei Temperaturen in der angege benen Höhe ausgeführt und die Zeit verkürzt, um die Vergröberung des Korns zu verhin dern, so wird keine Verbesserung der Kriech eigenschaften erzielt, ja die Kriechfestigkeit mag sogar geringer sein.
Die Legierungen der beschriebenen Art finden besonders Verwendung bei der Her stellung von Teilen von Verbrennungsgas turbinen, die hohem Druck bei hoher Tempe ratur ausgesetzt sind und die als wünschens werte Eigenschaft des fertigen Teils eine hohe Kriechfestigkeit und hohe Ermüdungsgrenze verlangen.
Wir haben gefunden, dass aus Legierungen der beschriebenen Art hergestellte Maschinen teile bessere Kriecheigenschaften haben, wenn die Lösungsbehandlung über die bisher ange wendete Zeit hinaus verlängert wird, obwohl wir uns dessen bewusst sind, dass eine Ver gröberung des Korns entstehen kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, ver besserte Kriecheigenschaften zu erhalten und eine gröbere Körnung beim fertigen Maschi nenteil zu vermeiden.
Eine bevorzugte Zusammensetzung einer beim vorliegenden Verfahren in Betracht kommenden Legierung ist zum Beispiel folgende Chrom 20%, Kobalt 20%o, Molybdän 6%. Titan 21/2%, Aluminium 1% und Nickel der Rest.
Versuche mit einer solchen Legierung bei einer Zugbeanspruchung von 2360 kg/cm2 bei 815 C, wobei die Muster der Lösungsbehand lung bei verschiedenen Temperaturen, gefolgt von einer Ausscheidungshärtungsbehandlung, unterworfen wurden, ergaben die in Tabelle A v ernerkten Ergebnisse.
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Tabelle <SEP> A
<tb> Lösungsbehandlung <SEP> Ausscheidungshärtungs behandlung <SEP> Stunden <SEP> bis <SEP> Dehnung
<tb> Zeit <SEP> Temp. <SEP> Zeit <SEP> Temp. <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> prozentual <SEP> Körnung
<tb> Std. <SEP> <SEP> G <SEP> Std. <SEP> <SEP> G
<tb> 6 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 78 <SEP> 17 <SEP> fein
<tb> 6 <SEP> 1100 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 92 <SEP> 16 <SEP> mittel
<tb> 6 <SEP> 1150 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 136 <SEP> 9 <SEP> grob
<tb> 6 <SEP> 1200 <SEP> 16 <SEP> 800 <SEP> 146 <SEP> 8 <SEP> grob Daraus geht hervor, dass die Lösungsbe handlung bei höherer Temperatur, ausgeführt während einer Zeit, die genügt, um bei niedri gerer Temperatur ein feines Korn zu ergeben, eine bedeutende Verbesserung der Kriech festigkeit mit einer unerwünschten Vergröbe rung des Korns als Begleiterscheinung ergab.
Es ist in der Herstellung von Maschinen teilen aus Gussstangen aus hitzebeständigen Legierungen der beschriebenen Art üblich, die Stange der Warmbearbeitung zu unterwerfen, wie Schmieden, Walzen und Pressen, um ein Stangenmaterial zu erhalten, dessen Teile schliesslich maschinell bearbeitet werden kön nen, oder dass in gewissen Fällen das Stangen material einer weiteren Heissbehandlung unterworfen werden kann, um die gewünschte Form genau oder annähernd herauszube kommen, wobei die Dauer der maschinellen Bearbeitung reduziert werden kann.
Es ist praktisch üblich gewesen, die Lösungsbehandlung in Ergänzung der Warm bearbeitung vorzunehmen und darnach die Ausscheidungshärtungsbehandlung nach der maschinellen Fertigung auszuführen. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Her stellung von Maschinenteilen aus hitzebestän digen, Chrom und Nickel enthaltenden Legie rungen, wobei eine Verformung des Maschi nenteils in der Wärme und eine Lösungs behandlung in der Wärme stattfinden, ist da durch gekennzeichnet, dass a) die Verformung in der Wärme zum grösseren Teil vor der Lösungsbehandlungstattfindet, b) die Lösungs behandlung während 5 bis 10 Stunden bei 1050 bis 1200 C erfolgt, die Lösungsbehand lung von einem Kornverfeinerungsprozess ge folgt wird, welcher c)
aus der Endphase der Verformung in der Wärme und d.) einer Er hitzung des Maschinenteils während 5 Minuten bis 1 Stunde bei 850 bis<B>10500</B> C besteht, -vorauf e) eine Ausscheidungshärtungsbehand- lung während 10 bis 20 Stunden bei 70.0 bis 800 C stattfindet.
Die Erfindung ermöglicht nicht nur. wegen des Kornverfeinerungsprozesses, eine erhöhte Temperatur bei der Lösungsbehand lung; zum Beispiel 1100-12000 C, für eine längere Zeitspanne, als sie bisher für tunlich betrachtet wurde, anzuwenden, sondern sie ge- stattet auch das Erzielen einer feinen Kör nung mit Bestand, wenn die Lösungsbehand lung bei niedrigerer Temperatur, zum Beispiel bei 1050 bis 1100 C, erfolgt.
Die im Laufe des Verfahrens hergestellten Maschinenteile können noch maschinell behan delt werden. Diese maschinelle Behandlung kann nach der Vollendung des Kornverfeine rungsprozesses und vor Inangriffnahme der Ausscheidungshärtungsbehandlung oder auch nach letzterer Behandlung erfolgen.
Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung ist es empfehlenswert, die Ver formung in der Wärme zu 75 bis 95% vor der Lösungsbehandlung und zu 5 bis 25 % nach der letzteren vorzunehmen. Obige. Pro zentsätze sind hier und an anderer Stelle der Beschreibung ausgedrückt im Verhältnis der Reduktion in einer mittleren Querschnitts fläche, wie sie sich bei der Verformung in der Wärme ergibt.
Bei der Ausführung des Verfahrens kann eine Legierung verwendet werden, die Alumi nium, Molybdän und Titan als Härtungs- elemente enthält, wie sie im Schweizer Patent Nr.275503 beschrieben ist, nämlich eine Legierung auf der Basis von Nickel, Kobalt und Chrom, enthaltend: Kobalt 10 bis 40% Chrom 10 bis 30% Molybdän 2 bis 18 % Aluminium 0,2 bis 8,6%e Titan 0,2 bis 4,4% wobei die Summe des Molybdängehaltes, des doppelten Aluminiumgehaltes und des vier fachen Titangehaltes in % insgesamt 16 bis 20 % ergibt.
In diese Gruppe fallende Legierungen werden hier als Chrom-Nickel-Ausgleichs faktor-Legieringen bezeichnet.
Die untenstehende Tabelle B veranschau licht den bedeutenden Vorteil, der sich bei Maschinenteilen bei der Ausführung des er findungsgemässen Verfahrens mit einer Chrom -Nickel -Ausgleichsfaktor-Legierung von nachfolgender Zusammensetzung ergab: Chrom 20% Kobalt 20%, Molybdän 6%, Titan 21/2%, Aluminium 1%, der Rest Nickel.
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Tabelle <SEP> B
<tb> Kornverfeinerungsprozess <SEP> Stunden
<tb> Ausscheidungs- <SEP> bis <SEP> zum
<tb> _ <SEP> Lösungs- <SEP> Endphase <SEP> An <SEP> die <SEP> Endphase <SEP> bärtungs- <SEP> Bruch
<tb> behandlun <SEP> der <SEP> Warmformung <SEP> behandlung <SEP> unter
<tb> Probe <SEP> g <SEP> der <SEP> Formung <SEP> anschliessende <SEP> Körnung
<tb> in <SEP> der <SEP> Wärme <SEP> Spannung
<tb> Erhitzung <SEP> von <SEP> 2360
<tb> Zeit <SEP> Temp. <SEP> % <SEP> Temp. <SEP> Zeit <SEP> Temp. <SEP> Zeit <SEP> Temp. <SEP> kg/cm2
<tb> Std. <SEP> <SEP> C <SEP> <SEP> C <SEP> Std. <SEP> <SEP> C <SEP> Std.
<SEP> <SEP> C <SEP> bei <SEP> 815 <SEP> C
<tb> A <SEP> _6 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 130 <SEP> grob
<tb> B <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 5 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 49 <SEP> gemischt
<tb> C <SEP> _6 <SEP> 1150 <SEP> 5 <SEP> 1150 <SEP> 5 <SEP> 1050 <SEP> _16 <SEP> 700 <SEP> 121 <SEP> fein.
<tb> D <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 13 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 12 <SEP> gemischt
<tb> E <SEP> _6 <SEP> 1150 <SEP> _13 <SEP> 1150 <SEP> _1 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 156 <SEP> fein
<tb> F <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 22 <SEP> 1150 <SEP> - <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 37 <SEP> gemischt
<tb> G <SEP> 6 <SEP> <U>1150</U> <SEP> 22 <SEP> <U>1150</U> <SEP> 1 <SEP> <U>1050</U> <SEP> 16 <SEP> <U>700 <SEP> 122</U> <SEP> fein Aus den oben erwähnten Versuchsergeb nissen geht hervor,
dass die nach dem erfin dungsgemässen Verfahren erhaltenen Erzeug nisse (siehe Versuche C, E und CT) im wesent lichen gleiche Kriechdauer aufweisen wie die der einfachen Lösungsbehandlung unterworfe-. iien Erzeugnisse (Probe A), aber zugleich noch den Vorteil einer feineren, Körnung bieten. Es ist bekannt, dass feines Korn von grosser Bedeutung ist beim Ermüdungs- und Schlagversuch der Legierung und ganz beson- clers bei Turbinenschaufeln.
Die Erfindung umfasst, wie oben dar gelegt, die beschriebenen und durch die Ver suche C,- E und G veranschaulichten Arbeits weisen, die mit der erwähnten Chrom-Nickel Ausgleichsfaktor-Legierung ausgeführt wur den. Vorzugsweise erfolgt das Schmieden oder sonstige Verformen der Legierung in der Wärme bis zu einem Ausmass vom 75 bis 95 %, gefolgt von einer Lösungsbehandlung von 6 bis 8 Stunden bei 1120 bis 1180 C, wonach der Kornverfeinerungsprozess erfolgt, be stehend in der Vervollständigung der Verfor mung insbesondere bei 1050 bis 1200 C und nachfolgender Erhitzung während 5 Minuten bis 1 Stunde bei 1000 bis 1050 C, worauf die Ausscheidungshärtungsbehandlung während 10 bis 20 Stunden bei 700 bis 800 C statt findet.
Eine andere, mit vorteilhaften Ergebnissen erprobte Legierung ist: Chrom 18 bis 22 0/0, Titan 2,2 bis 2,8%, Aluminium etwa 0,5% und als Rest Nickel. Bei Verwendung dieser Legierung wird die Erhitzung nach der End-. phase der Verformung zweckmässig bei 850 bis 1000 C vorgenommen.
Ferner kann das Verfahren derart durch geführt werden, dass die Legierung bis zu etwa 85% geschmiedet und dann einer Lö sungsbehandlung bei 1080 bis 1150 C unter worfen wird, worauf der Kornverfeinerungs prozess stattfindet, der in der Vervollständi gung der Verformung und einer Erhitzung bei 1000 bis 1050 C besteht. Endlich wird der Mäsehinenteil der Ausscheidungshärtungs behandlung während 10 bis 20 Stunden bei 700 bis 800 C unterworfen.
Eine Ausführungsform des Verfahrens für die Herstellung von Gasturbinenschaufeln schliesst die maschinelle Bearbeitung der Schaufeln aus heiss gewalzten oder gesehinie- deten Stangen ein. Die Warmverformung wird unterbrochen, wenn die Stange im durch schnittlichen Querschnitt 5 bis 25 /o grösser ist, als letzten Endes benötigt wird. Die Lösungs behandlung bei hoher Temperatur wird in diesem Stadium vorgenommen, gefolgt von der Warmverformung bis zur Erreichung der ge wünschten Grösse, das heisst bis die Quer schnittsfläche um 5 bis 25 % reduziert ist.
Der Kornverfeinerungsprozess wird vervollstän digt durch die Erhitzung während 5 Minuten bis 1 Stunde bei 850 bis 1050 C, und die Aus scheidungshärtungsbehandlung wird vor oder nach der maschinellen Bearbeitung zur Über führung der Schaufel in die endgültige Form ausgeführt. Ferner kann man der letztgenann ten maschinellen Bearbeitung noch eine Wärmebehandlung bis 1 Stunde bei 850 bis 1050 C folgen lassen zum Zwecke der Ver meidung einer unerwünschten Oberflächen härtung, herrührend von der maschinellen Be arbeitung.
Die Turbinenschaufeln können auch ma schinell aus Gesenkschmiedestüicken erzeugt werden, wobei die Gesenkschmiedebehandlung in der Wärme unterbrochen wird, wenn das Ge senkstück im durchschnittlichen Querschnitt 5 bis 25 /o grösser ist als die gewünschte End- grösse des Gesenkschmiedestückes. In diesem Stadium erfährt das Schmiedestück die Lö sungsbehandlung, vorzugsweise während 6-8 Stunden bei einer Temperatur von 1120 bis 1180' C. Daraufhin wird die Gesenkschmiede- behandlimg vervollständigt, und es erfolgt die Erhitzung während 5 Minuten bis 1 Stunde bei 850 bis<B>10500</B> C.
Der Ausscheidüngshärtungs- prozess erfolgt nach Belieben vor oder nach der maschinellen Bearbeitung.