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DE1608401B1 - Verwendung einer kaltformbaren Kobaltlegierung als Werkstoff fuer den rohrfoermigen Mantel von Selenelektroden - Google Patents

Verwendung einer kaltformbaren Kobaltlegierung als Werkstoff fuer den rohrfoermigen Mantel von Selenelektroden

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DE1608401B1
DE1608401B1 DE19601608401 DE1608401A DE1608401B1 DE 1608401 B1 DE1608401 B1 DE 1608401B1 DE 19601608401 DE19601608401 DE 19601608401 DE 1608401 A DE1608401 A DE 1608401A DE 1608401 B1 DE1608401 B1 DE 1608401B1
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cobalt
cold
nickel
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iron
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DE19601608401
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Faulkner William Harrison
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Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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Publication date
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Description

Kobaltlegierungen werden in großem Umfange als Konstruktionsmaterialien, wärme- und korrosionsbeständige Werkstoffe, in Magneten, als Aufschweißlegierungen und verschleißfeste Werkstoffe verwendet. Wegen ihrer schlechten Verarbeitbarkeit werden Kobalt und Kobaltlegierungen im allgemeinen nur in gegossener Form angewendet. Die Schwierigkeit, aus Kobalt und Kobaltlegierungen Artikel durch Kaltformen herzustellen, stellt eine starke Beschränkung in der Verwendung dieses sonst so vielseitigen Metails dar.
Daß Kobalt und die meisten Legierungen mit hohem Kobaltgehalt nicht kaltgeformt werden können, ist auf eine Kalthärtung des Metalls zurückzuführen, die die Duktilität verringert und eine weitere Kaltformung unmöglich macht, bis die Metallteile durch Warmbehandlung entspannt worden sind. Kobalt hat bei Raumtemperatur normalerweise ein hexagonales Kristallgitter sogenannter dichtester Packung, und bekanntlich führt die Kaltformung eines Metalls von solcher Kristallstruktur zu Kalthärtung oder inneren Spannungen. Hingegen hat Kobalt bei Temperaturen über 415° C ein flächenzentriertes kubisches Kristallgitter, das eine Kaltformung zulassen würde, wenn es auch bei Normaltemperaturen vorhanden wäre. Jedoch findet bei etwa 415° C eine allotrope Umwandlung der Kristallstruktur von der kubischen zur hexagonalen Form statt.
Die durch Kaltformung von Kobalt entstehenden Spannungen können nur durch Glühen beseitigt werden. Die Herstellung von kaltgeformten Kobaltblechen oder -drähten ist daher umständlich und teuer. Die Reduzierung beim Walzen muß in vielen kleinen Stufen erfolgen, wobei nach jeder Stufe durch Glühen entspannt werden muß, um die Kalthärtung zu beseitigen und die Legierung für den nächsten Formungsgang weich zu machen.
Ein wichtiger Verwendungszweck für kaltformbares Kobalt und kaltformbare Kobaltlegierungen ist die Herstellung von rohrförmigen Seelenelektroden, d. h. einer rohrförmigen Hülle, die im Innern Legierungsbestandteile enthält. Dadurch, daß Kobalt und Kobaltlegierungen nicht durch Kaltformen zu solchen rohrförmigen Mänteln verarbeitet werden können, wird die Verwendung von Kobalt in dieser Form verhindert, obwohl Kobalt als ausgezeichneter Werkstoff für diese Schweißmethoden bekannt ist.
Es wurde nun gefunden, daß sich überwiegend aus Kobalt bestehende Legierungen des Kobalts mit Kohlenstoff, Eisen und/oder Nickel leicht durch Kaltverformen verarbeiten und als Werkstoff für den rohrförmigen Mantel von Seelenelektroden verwenden lassen.
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer kaltverformbaren Kobaltlegierung, die aus wenigstens 70 Gewichtsprozent Kobalt und 0,5 bis 0,75 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 6 bis 11 Gewichtsprozent Eisen und/oder 24 bis 30 Gewichtsprozent Nickel besteht, als Werkstoff für den rohrförmigen Mantel von Seelenelektroden.
Gemäß der Erfindung wird weiterhin die Verwendung von kaltverformbaren Kobaltlegierungen vorgesehen, die wenigstens 70 Gewichtsprozent Kobalt und Eisen und Nickel nebeneinander enthalten und in welchem die Mindestmenge von Eisen und Nickel durch die Gleichung
%Fe + |/%Ni = 4,7
bestimmt ist, wobei wenigstens eines der Elemente Eisen und Nickel in Mengen von mindestens 1 % anwesend ist.
In^ den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen wird" der Punkt der allotropen Umwandlung des Kobalts vom flächenzentrierten kubischen Kristallgitter zum dicht gepackten hexagonalen Kristallgitter bis zu einem Punkt unterhalb der Raumtemperatur verschoben.
Es wurde festgestellt, daß ein Zusatz von 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff zum Kobalt diese Änderung der Umwandlungstemperatur, die gewöhnlich bei 415° C liegt, hervorrufen kann. Weiterhin ist es mit einem Eisenzusatz von 6 % möglich, das kubische Kristallgitter von Kobalt beizubehalten. Die Nickelmenge, die zur Erzielung der gleichen Wirkung erforderlich ist, beträgt wenigstens 24 Gewichtsprozent, wenn Nickel als einziges Element dem Kobalt zugegeben wird. Werden Nickel und Eisen zugegeben, sind die erforderlichen Nickelmengen geringer, weil die Effekte der Elemente Nickel und Eisen sich synergistisch steigern. Werden Eisen und Nickel gemeinsam dem Kobalt zugesetzt, ist die erforderliche Mindestmenge durch die Gleichung
% Fe+7% Ni =4,7
bestimmt, wobei wenigstens eines der Zusatzmetalle in Mengen von mindestens 1 % anwesend ist.
Die maximalen Mengen dieser Elemente, die dem Kobalt zugegeben werden dürfen, liegen bei 0,75% Kohlenstoff, 11% Eisen und 3010Zo Nickel.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kobaltlegierungen widerstehen auf Grund ihres kubischen Kristallgitters mäßiger bis starker Kaltformung ohne starke Beeinträchtigung der Duktilität oder schädliche Erhöhung der Härte. Obwohl diese Legierungen ferner ein kubisches Kristallgitter aufweisen, das in reinem Kobalt bei Raumtemperatur nicht vorhanden ist, haben sie ähnliche physikalische und mechanische Eigenschaften wie reines Kobalt, so daß sie in vielen Fällen an Stelle von reinem Kobalt gebraucht werden können.
Tabelle A
Legierung Mo SoU-Zu
Cr		 sammensetzun
Fe		 g in Gewichtsj
Ni		 irozent
C		 Co Kristall
gitter*		 KaIt-
formbarkeit
A 100 H schlecht
B 0,3 99,7 H schlecht
C 0,6 99,4 K gut
D 2,5 0,6 96,9 K gut
E 4,0 96 H schlecht
F 1 4 95 H schlecht
G 4 4 92 K gut
H 4 4 0,1 91,9 K gut
I 6 94 K gut
J 24 76 K gut
* H = hexagonales Kristallgitter dichtester Packung.
K = flächenzentriertes kubisches Kristallgitter.
In der vorstehenden Tabelle A sind die Kristallstruktur bei Raumtemperatur und die Kaltformbarkeit einer Reihe von Kobaltlegierungen aufgeführt. Aus den Werten dieser Tabelle ist ersichtlich, daß durch Zusatz von Eisen, Kohlenstoff und Nickel zu Kobalt die allotrope Umwandlung des Kobalts auf einen Punkt unterhalb Raumtemperatur gedrückt wird. Das Vorhandensein des flächenzentrierten kubischen Kristallgitters bei Raumtemperatur ist durch den Zusatz dieser Elemente bedingt.
Zwar kann handelsübliches Kobalt eine geringe Menge Nickel, Eisen, Kohlenstoff oder andere Verunreinigungen enthalten, die während der Raffination des Metalls nicht vermieden werden können, jedoch sind diese Elemente weder in genügenden Mengen noch im richtigen Verhältnis vorhanden, um das flächenzentrierte kubische Kristallgitter bei Raumtemperatur zurückzuhalten.
Die Duktilität einiger dieser Legierungen nach einer Kaltformung wurde mit Hilfe von Härte- und Biegeprüfungen bestimmt. Diese Prüfungen wurden mit gewöhnlichen Kobaltlegierungen und den überwiegend aus Kobalt bestehenden Legierungen gemäß der Erfindung vorgenommen. In den Biegeprüfungen wurden Bleche der genannten Legierungen gebogen und die Winkel gemessen, bei denen die konvexe Seite an der Biegestelle brach. Werkstoffe, die ohne Bruch um 180° gebogen werden können, weisen hohe Duktilität auf. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in der Tabelle B aufgeführt, wo die Legierungszusammensetzungen C, D usw. den in Tabelle A genannten Legierungen entsprechen.
Tabelle B
Bleibende Duktilität nach Kaltformung
Zusammen
setzung		 Zustand nach Kaltformung Härte,
Standard-		 Biegungswinkel
der Legierung Rockwell-B-Test VOr ßrUCD.
C Durch Glühen entspannt 80 180°*
C Kaltgeformt, Reduzierung 10 °/o, kein Entspannungsglühen 91 160°
D Durch Glühen entspannt 74 180°*
D Kaltgeformt, Reduzierung 10 °/o, kein Entspannungsglühen 91 180°*
E Durch Glühen entspannt 83 180°
E Kaltgeformt, Reduzierung 10 °/o, kein Entspannungsglühen Rc = 24** 90°
H Durch Glühen entspannt 50 180°*
H Kaltgeformt, Reduzierung 10 °/o, kein Entspannungsglühen 75 180°*
H Kaltgeformt, Reduzierung 30%, kein Entspannungsglühen 79 180°*
* Die Proben wurden ohne Bruch flach geknickt.
** Entspricht einem Rockwell-B-Wert von 101.
Da bereits verhältnismäßig geringe Mengen Kohlenstoff, Eisen oder Nickel das flächenzentrierte kubische Kristallgitter in Kobalt bei Raumtemperatur
hervorrufen können, besteht die erhaltene Legierung 40 chen Eigenschaften von reinem Kobalt gegenüberüberwiegend aus Kobalt und weist viele Eigenschaften gestellt,
des reinen Kobalts, jedoch eine bessere Verarbeitbar-
keit als reines Kobalt auf. In Tabelle C sind einige physikalische und mechanische Eigenschaften von mehreren der hier erwähnten Legierungen den glei-
Tabelle C
Eigenschaften einiger typischer Legierungen
Legierung
Härte, RockwellB
Curie-Temperatur, ° C
Zugfestigkeit, kp/mm2
Erichsen-Wert, mm***
Überwiegende Kristallstruktur
Dichte, g/cm3
79* 1116 60,46**
8,9 79
1110
73,82
6,0
K
8,9
76
1093
80,85
6,45
K
8,7
92
3,5
H
8,7
83
1019
61,16
6,5
K
8,5
* Gußkobalt gemäß »Cobalt« von R. S. Young, Reinhold Publishing Corp. 1948, S. 66.
** Geknetet und geglüht gemäß »Metals Reference Book« von C. J. Smithells, Interscience Publisher, Inc. 1955, Bd. 2, S. 803. *** Erichsen-Wert ist die Tiefung in mm, die in Blech mit einer Standard-Dornpresse ohne Riß gebildet werden kann.
Die Legierungen können nach den üblichen Verfahren erschmolzen werden. Bevorzugt wird Schmelzen im Vakuum, wenn möglichst wenig Oxyde und Gaseinschlüsse gewünscht werden. Um gute Warmformbarkeit der Legierung sicherzustellen, muß der Schwefel- und Phosphorgehalt möglichst niedrig gehalten werden, da diese Elemente die Formbarkeit stark beeinträchtigen.
Die wesentliche Gleichartigkeit der Eigenschaften dieser überwiegend aus Kobalt bestehenden Legierungen und der Eigenschaften von reinem Kobalt ermöglicht die Herstellung von rohrförmigen Seelenelektroden. Diese Schweißdrähte bestehen aus einem rohrförmigen Mantel, der im Innern Legierungsbestandteile enthält. Bei der Verarbeitung dieser Schweißdrähte nach den gewöhnlichen schweißtech-
rüschen Verfahren besteht die Schweißraupe aus einer Legierung des Metalls des rohrförmigen Mantels mit den darin enthaltenen Elementen. Typische Elemente, die in solchen Rohren enthalten sind, sind Kohlenstoff, Nickel, Kobalt, Wolfram, Molybdän und andere Legierungsbestandteile.
Die Verwendung solcher rohrförmiger Seelenelektroden zur Bildung von Schweißraupen, die aus Eisen- oder Nickellegierungen bestehen, ist in der Technik weit verbreitet, da diese Werkstoffe sich beide leicht zu dünnwandigen Rohren von kleinem Durchmesser kaltformen lassen. Die Schwierigkeit, Legierungen mit hohem Kobaltgehalt zu dünnwandigen Rohren von kleinem Durchmesser zu verarbeiten, schloß die praktische und wirtschaftliche Herstellung von Kobaltschweißdrähten dieser Art aus. Zur Zeit werden aus Kobaltguß- und -knetlegierungen bestehende Schweißdrähte in massiver Stabform hergestellt. Sie werden zur Herstellung verschleißfester und/oder korrosionsbeständiger Oberflächen durch Auftragsschweißung verwendet. Mit Hilfe der Verwendung kaltformbarer Kobaltlegierungen gemäß der Erfindung ist es nunmehr wirtschaftlich möglich, aus diesen Legierungen bestehende Mäntel für rohrförmige Seelenelektroden herzustellen. Diese bisher nur in kurzen Gußlängen hergestellten rohrförmigen Seelenelektroden können jetzt als ununterbrochene Schlangen aus den härteren und verschleißfesteren Sorten der Kobaltauf schweißlegierungen erzeugt werden.
Eine rohrförmige Seelenelektrode mit einem Mantel aus der duktilen Kobaltlegierung gemäß der Erfindung könnte beispielsweise ein Füllmaterial folgender Zusammensetzung enthalten: 72% Chrom, 14% Wolfram, 1% Eisen, 3,5% Kohlenstoff und 3,5% Kobalt. Mit einem rohrförmigen Schweißdraht dieser Art konnte eine Schweißraupe gelegt werden, wie sie bisher nur mit gegossenen Schweißdrähten erzielbar war.
Eine kaltformbare Kobaltlegierung könnte ferner zu Mänteln für rohrförmige Seelenelektroden verarbeitet werden, die Wolframcarbid als Füllmaterial enthalten. Ein aus 8'% Chrom und 92% Wolframcarbid bestehendes Füllmaterial wurde in einen überwiegend aus Kobalt bestehenden rohrförmigen Mantel gegeben. Ein solches Material eignet sich zur Herstellung verschleißfester Oberflächen durch Auftragschweißung. Während des Aufschweißens löste die geschmolzene Kobaltlegierung des Mantels einen Teil des Wolframcarbids und schied nach Abkühlung Wolframcarbid in fester Form aus. Auf diese Weise wurde eine Auflage erhalten, die große Teilchen von ungeschmolzenem Wolframcarbid, die in einer kobaltreichen Masse zurückgehalten wurden, aufwies. Diese Auflage hatte ausgezeichnete Verschleißfestigkeit.
Das Füllmaterial kann die Form eines vorlegierten Pulvers haben oder in Form von Teilchen der reinen Elemente verwendet werden.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verwendung einer kaltverformbaren Kobaltlegierung, bestehend aus wenigstens 70 Gewichtsprozent Kobalt und 0,5 bis 0,75 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 6 bis 11 Gewichtsprozent Eisen und/ oder 24 bis 30 Gewichtsprozent Nickel als Werkstoff für den rohrförmigen Mantel von Seelenelektroden.
2. Verwendung einer Kobaltlegierung aus wenigstens 70 Gewichtsprozent Kobalt sowie Eisen und Nickel, wobei die Mindestmengen von Eisen und Nickel durch die Gleichung
%Fe
bestimmt ist und wenigstens eines der Elemente Eisen und Nickel in Mengen von mindestens 1 % anwesend ist, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Kobaltlegierung aus 91,9% Kobalt, 0,1 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 4 Gewichtsprozent Eisen und 4 Gewichtsprozent Nickel für den Zweck nach Anspruch 1.
DE19601608401 1959-03-25 1960-03-22 Verwendung einer kaltformbaren Kobaltlegierung als Werkstoff fuer den rohrfoermigen Mantel von Selenelektroden Pending DE1608401B1 (de)

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