DE1295851B

DE1295851B - Verwendung einer Chrom-Nickel-Legierung als Werkstoff fuer Geraete zur Glasfaserherstellung

Info

Publication number: DE1295851B
Application number: DEO10476A
Authority: DE
Inventors: Heitmann Arthur C
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1963-10-30
Filing date: 1964-10-28
Publication date: 1969-05-22
Also published as: DK116397B; BE654656A; GB1041930A; NL126516C; FI43500B; NL6412470A; LU47189A1; US3318694A; DE1758721B1

Description

ren zur Herstellung thermisch und mechanisch bean- ίο Niob oder Tantal und Niob die Bildung von Chromspruchter Teile, wie z. B. Turbinenschaufeln aus einer karbiden an den Korngrenzen nicht verhindern. Wird

solchen Legierung. Dabei sind aber nur ganz grobe Grenzen für ganze Gruppen von Legierungsbestandteilen angegeben, innerhalb deren noch eine unübersehbare Fülle von Möglichkeiten verbleibt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, solchen Legierungen bei genauer Angabe ihrer Zusammensetzung ein neues Anwendungsgebiet zu erschließen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Stoffen

wiederum weniger als 0,1% Kohlenstoff benutzt, können sich die Karbide von Wolfram, Eisen und Molybdän nicht bilden, und das Material verliert seine Festigkeit.

Zweckmäßig ist nach der Erfindung die Verwendung einer Legierung der vorstehenden Zusammensetzung mit 45 bis 55% Nickel für den angegebenen Zweck.

Sofern die Legierung gegossen wird, ist ein Zusatz

sich durchaus unterschiedlich zur allgemeinen Wider- von Silizium oder Mangan bzw. von Silizium und Standsfähigkeit gegenüber Oxydation verhält. Eine Mangan zweckmäßig. Die Erfindung schlägt also die Chrom-Nickel-Legierung, die an sich gegen Oxyda- Verwendung einer Legierung der genannten Art mit tion sehr widerstandsfähig ist, braucht keineswegs zusätzlich bis zu 5% Silizium oder mit zusätzlich bis notwendigerweise ebenso widerstandsfähig gegenüber 25 zu 5% Mangan für den genannten Zweck vor. Die bestimmten Stoffen zu sein. bevorzugten Bereiche liegen hier bei einem Zusatz Die Erfindung besteht nun in der Verwendung von 0 bis 1,5% Silizium oder Mangan. Bei Zusatz einer Legierung aus 33 bis 37% Chrom, 3 bis 3,5% von beiden Bestandteilen liegt die Erfindung in der Wolfram, 3 bis 3,5% Molybdän, 1 bis 3% Niob Verwendung einer vorstehend genannten Legierung oder Tantal und Niob, 0,1 bis 0,35 % Kohlenstoff, 30 mit einem Anteil von Silizium und Mangan im Ver-2 bis 10% Eisen, Rest Nickel als Werkstoff für ther- hältnis 3 :1 bis 6 :1 für den angegebenen Zweck, misch und mechanisch beanspruchte Geräte zur Glas- Und schließlich schlägt die Erfindung noch die faserherstellung, insbesondere nach dem Zentrifugal- Verwendung einer der vorstehenden Legierungen mit verfahren. Anteilen von etwa 52% Nickel, 35% Chrom, 3,5% Umfangreiche Versuche haben ergeben, daß der 35 Eisen, 3% Wolfram, 3% Molybdän, 1% Niob, Abgriff von geschmolzenem Glas in erster Linie 0,25% Kohlenstoff, 1,25% Silizium und 1% Mandurch die Ausscheidung von Chromkarbiden an den gan für den angegebenen Zweck vor. Korngrenzen erfolgt. Offensichtlich werden diese Um ein Bild über die bei der vorgeschlagenen Ver-Chromkarbide durch Sauerstoff in Chromoxyde um- wendung auftretenden Beanspruchungen und Bedingewandelt, und letztere werden durch das geschmol- 40 gungen zu erhalten, sei noch kurz darauf hingewiesen, zene Glas sehr leicht ausgeschwemmt, so daß in die- daß Glasfasern nach dem sogenannten Dreh- oder sem Zustand die Legierung dem geschmolzenen Glas Zentrifugalverfahren hergestellt werden können. Dakeinen ausreichenden Widerstand leisten kann. Es hat bei wird ein geschmolzener Glasstrom bei einer Temsich weiter herausgestellt, daß nur ein bestimmter peratur oberhalb der Schmelztemperatur in eine sich Chromgehalt in Lösung im Nickel die Widerstands- 45 drehende Zentrifuge eingeführt. Diese hat Umfangsfähigkeit der Gießform gegenüber dem Glas verbes- Öffnungen, durch die das geschmolzene Glas in kleisert. Um dieses Problem zu lösen, wird ein empfind- nen Strömen durch die Zentrifugalkraft herausgeliches Gleichgewicht des Chromgehaltes vorgeschla- drückt wird. Die Glasströme werden dann Üblichergen. Der letztere soll so hoch wie möglich sein, ohne weise noch zu feinen Fasern geschwächt. Die Zentrijedoch die merkbare Bildung von Chromkarbiden an 50 fuge kann eine im wesentlichen zylindrische Umden Korngrenzen zur Folge zu haben. Wenn z. B. fangswand haben, in der die Öffnungen oder Löcher der Chromgehalt den angegebenen Wert von 37% vorgesehen sind. Wirtschaftliche und praktisch überschreitet, ist es nicht mehr länger möglich, die brauchbare Leistungen können jedoch nur dann erAusscheidung von Chromkarbiden zu verhindern, zielt werden, wenn mehrere tausend solcher öffnun- und der geschilderte Angriff des geschmolzenen 55 gen vorhanden sind, und nur dann, wenn die Zentri-Glases findet ungehindert statt. Wird andererseits die fuge mit mindestens mehreren tausend Umdrehungen untere Grenze von 33% an Chrom unterschritten,
so hat die Gießform nicht mehr die nötige Widerstandsfähigkeit.

Der Zusatz von Wolfram, Molybdän und Eisen hat den Zweck, die Legierung so nahe wie möglich an das
Eutektikum zu verschieben, ohne dabei die Bildung
einer merkbaren Menge von Chromkarbiden zur
Folge zu haben. Es werden nämlich Eisenkarbide,

Molybdänkarbide und Wolframkarbide bevorzugt vor 65 peratur erfordern und bei denen ein hoher Widerden Chromkarbiden gebildet. Jedoch werden die stand gegenüber geschmolzenem Glas und gegenüber ersteren nicht in derselben Art und Weise durch das Luft, hohe Zeitstandfestigkeit und eine hohe Warmgeschmolzene Glas angegriffen wie Chromkarbide. festigkeit erforderlich ist.

pro Minute rotiert. Eine solche Einrichtung wird
außerdem noch bei einer Temperatur von mindestens
etwa 1093° C betrieben.

Die angegebene Legierung ist für die nach der
Erfindung vorgeschlagene Verwendung bei dieser
Form von Zentrifugen vorteilhaft. Sie kann ferner
in günstiger Weise für solche Geräte bei der Glasfaserherstellung benutzt werden, die eine hohe Tem-

Die nachfolgende Beschreibung gibt Beispiele für erfindungsgemäße Anwendungen und die hierfür speziell geeigneten Legierungen an.

Eine derartige Legierung hat eine Zusammensetzung, die in der folgenden Tabelle angegeben ist.

Zusammen setzung	Menge in Gewichtsprozent
Ni	breiter Bereich 45 bis 55 33 bis 37 3 bis 3,5 2 bis 10
Cr	0,1 bis 0,35 0 bis 5
W	0 bis 5
Fe	3 bis 3,5 1 bis 3
C
Si
Mn
Mo
Nb

Diese Legierung kann nach den üblichen und be- 20 kannten Schmelzverfahren für Nickel-Legierungen hergestellt werden, jedoch sind möglichst reine Bestandteile erwünscht, um Verunreinigungen auszuschließen und die endgültige Legierungszusammensetzung sorgfältig zu steuern. Vorzugsweise werden 25 Die Legierung C hatte folgende Zusammensetzung:

Eine Prüfstange aus dieser Legierung wurde in geschmolzenes Glas bei 1204° C 2 Stunden lang eingetaucht und hatte dann einen Gewichtsverlust von 0,6%.

Aus dieser Legierung wurden Hauben bzw. Trommeln für Vorrichtungen für die Herstellung von Glasfasern im Zentrifugalverfahren gegossen und bearbeitet. Diese Trommeln hatten einen durchschnittlichen äußeren Durchmesser von 203,2 mm, wobei mehrere tausend radiale strahlbildende Öffnungen in der senkrechten, im wesentlichen zylindrischen äußeren Umfangswand vorhanden waren, die ungefähr 31,75 mm hoch und 3,175 bis 6,35 mm breit war. Die äußere Umfangswand wurde von einer oberen konischen Wand gehalten, die sich nach innen bis zu einem geeigneten Befestigungsmittel zur Befestigung an einer sich drehenden Hohlwelle einer rotierenden Faserbildungsvorrichtung erstreckt. Diese Gefäße hatten im Durchschnitt eine Lebensdauer von 107 Stunden.

Zum Vergleich wurden die Gefäße für die gleiche Vorrichtung aus der nachstehend erläuterten Legierung C hergestellt. Sie hatten dann nur eine durchschnittliche Lebensdauer von ungefähr 90 Stunden.

deshalb die meisten Bestandteile in der Form von relativ reinen Metallen hinzugefügt, obgleich auch Vorlegierungen, wie beispielsweise Ferrochrom, Ferromangan, Ferrosilizium u. dgl., verwendet werden können. Zweckmäßig geht der Schmelzprozeß in einem neutralen Tiegel unter einer Argonatmosphäre vor sich. Gegebenenfalls kann jedoch die Charge in geschmolzenem Zustand auch durch Schlacke bekannter Art abgedeckt und geschützt werden, wie sie für Nickel-Legierungen geeignet ist. Andere und zusätzliche Bestandteile, wie beispielsweise zusätzliche Chargen von Chrom, Mangan, Silizium, Wolfram, Molybdän, Niob u. dgl., wie sie für die gewünschte Legierungszusammensetzung erforderlich sind, können bei Schmelztemperaturen oberhalb von 1480 bis 1540° C oder auch mit der ursprünglichen Charge von Chrom und Nickel zugefügt werden. Die Erwärmung wird dann fortgesetzt, und im allgemeinen erfolgt der Schmelzvorgang zwischen ungefähr 1555 und 1648° C, wenn der Guß erfolgt. Ferner kann ein geeignetes Flutmittel noch kurz vor dem Gießen hinzugefügt werden, um so der Schmelze die Fließbarkeit zu verleihen.

Diese Legierung eignet sich gut für Hauben, Zentrifugengehäuse oder -trommeln, Buchsen, Düsenträgergestelle od. dgl. Die gegossene Legierung kann

Nickel 62,45%

Chrom 26,6%

Wolfram 5,55%

Eisen 3,3%

Kohlenstoff 0,25%

Silizium 1,25%

Mangan 1,1 %

35

40

geschweißt und spanabhebend bearbeitet werden.

Beispiel

Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wurde nun ein spezielles Ausführungsbeispiel der Legierung hergestellt. Diese Legierung bestand gemäß der Analyse im wesentlichen aus den folgenden, in Gewichtsprozent angegebenen Teilen:

Nickel 52%

Chrom 35%

Eisen 3,5%

Wolfram 3,0%

Molybdän 3,0%

Niob 1,0%

Kohlenstoff 0,25%

Silizium 1,25%

Mangan 1,0%

Vergleichsweise hatte eine gegossene Stange in der Legierung C einen Gewichtsverlust von 0,7 %.

Silizium und Mangan sind an sich für die Festigkeit oder den Korrosionswiderstand nicht erforderlich, brauchen also nur hinzugefügt werden, wenn das Metall gegossen werden soll. Für gute Gießeigenschaften sollte das molare Verhältnis von Silizium zu Mangan mindestens 3 :1 und nicht mehr als 6:1, vorzugsweise ungefähr 5:1, sein.

Diese Legierungen lassen sich gemäß der Erfindung mit ihrer einzigartigen Kombination von erwünschten Eigenschaften in bester Weise für den vorgeschlagenen Zweck verwenden. Die Herstellung und Auswertung einer Anzahl solcher Legierungen, die mehr oder weniger der verschiedenen Komponenten aufweisen, hat ergeben, daß die angegebenen begrenzten und ausgeglichenen Mengen notwendig sind, um die Vorteile zu erreichen. Die überragende Lebensdauer und die ausgezeichnete Korrosionswiderstandsfähigkeit gegenüber Glas rühren bei dieser Legierung wahrscheinlich von einer einmaligen Ausgewogenheit der Mengen der verschiedenen Bestandteile her. Metallographische Studien und Mikrogefügenanalysen der Legierung unterstützen diesen Schluß.

Im allgemeinen hat die Legierung eine dentritische Struktur aus komplexen Karbiden in einem austenitisehen Gefüge aus Nickel, Chrom, Eisen und Wolfram. Der optimale Kohlenstoffgehalt der Legierung ist ungefähr 0,25%. Bei 0,25 % Kohlenstoffgehalt hat das Legierungsmikrogefüge eine willkürliche, beliebige feine und nichtsphärische Karbidausfällung, die gleichmäßig verteilt ist. Im Gegensatz hierzu wurden massive Primärkarbide und lange fortlaufende, nadeiförmige Karbidteilchen in Legierungen gefunden, die einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt hatten. Bei

geringeren Kohlenstoffgehalten ist das ausgeschiedene Karbidgefüge feiner und willkürlicher verteilt. Aus dem Studium der Mikrogefüge von Versuchs-Legierungen mit verschiedenen Kohlenstoffgehalten hat sich ergeben, daß der angegebene Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,35% in einer optimalen Menge von karbidbildenden Elementen, wie Eisen, Chrom und Wolfram, im Gefüge erhalten bleiben muß, um die mechanische Festigkeit und den ausnahmsweise hohen Korrosionswiderstand bei hohen Temperaturen zu erzielen. Die Gegenwart von Karbiden in dem Gefüge verfestigt die Legierung in einer Art, wie dies bei der Dispersionshärtung der Fall ist. Ein optimaler Korrosionswiderstand gegenüber geschmolzenem Glas wird bei ungefähr 0,25% Kohlenstoffgehalt erzielt, bei dem die Legierung eine diskontinierliche, feine Karbidausscheidung im ganzen Gefüge zeigt. Höhere Kohlenstoffgehalte ergeben eine erheblich erhöhte Korrosionsanfälligkeit. Das Legierungsgefüge schützt sich selbst in bezug auf Luftoxydierung und ist relativ beständig gegen den Angriff von Glas.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung aus 33 bis 37% Chrom, 3 bis 3,5% Wolfram, 3 bis 3,5% Molybdän, 1 bis 3 % Niob oder Tantal und Niob, 0,1 bis 0,35% Kohlenstoff, 2 bis 10% Eisen, Rest Nickel als Werkstoff für thermisch und mechanisch beanspruchte Geräte zur Glasfaserherstellung, insbesondere nach dem Zentrifugalverfahren.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 45 bis 55% Nickel für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 und mit zusätzlich bis zu 5% Silizium für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 und mit zusätzlich bis zu 5 % Mangan für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 und 3 mit 0 bis 1,5% Silizium für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

6. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 und 4 mit 0 bis 1,5% Mangan für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

7. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 mit einem Anteil von Silizium und Mangan im Verhältnis 3 :1 bis 6 :1 für den im Anspruch 1 genannten Zweck.

8. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Anteilen von etwa 52% Nickel, 35% Chrom, 3,5% Eisen, 3% Wolfram, 3% Molybdän, 1% Niob, 0,25% Kohlenstoff, 1,25% Silizium und 1% Mangan für den im Anspruch 1 genannten Zweck.