DE2922638A1

DE2922638A1 - Verschleissfeste nickellegierung

Info

Publication number: DE2922638A1
Application number: DE19792922638
Authority: DE
Inventors: William L Silence
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Deloro Stellite LP
Priority date: 1978-06-19
Filing date: 1979-06-02
Publication date: 1980-01-03
Also published as: US4191562A; FR2429268B1; GB2023656A; IT7923702A0; AU520812B2; IT1121840B; CA1116891A; AU4801879A; JPS627257B2; JPS552800A; DE2922638C2; BE877071A; FR2429268A1; BR7903802A; GB2023656B

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste Nickellegierung, insbesondere eine zum Auftragschweißen oder Panzern von metallischen Werkstoffen geeignete verschleißfeste Legierung.

Das Aufpanzern von Metallteilen wird seit vielen Jahren angewendet, um den Metallteilen hervorragende Verschleißfestigkeit zu verleihen.'Die zum Panzern verwendeten Legierungen sind im allgemeinen Kobaltlegierungen, die zur Erzielung optimaler Verschleißfestigkeit Chrom und Wolfram enthalten. Die HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 ist für diesen Zweck allgemein bekannt. Kobalt und Wolfram verleihen die außergewöhnlichen Warmhärteeigenschaften und andere Eigenschaften, die für die Verschleißfestigkeit notwendig sind. Wolfram und Kobalt sind entscheidend wichtige strategische Werkstoffe in der Volkswirtschaft. Aus diesem Grunde ist es entscheidend wichtig, daß diese Metalle in jeder wirksamen Weise schonend verbraucht werden.

In Tabelle 1 sind repräsentative bekannte Legierungen der Klasse, zu der die erfindungsgemäßen Legierungen gehören, genannt. Alle Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent ausgedrückt.

Die US-PS 3 068 096 beschreibt Gußteile aus einer ver- ^l schleißfesten Nickellegierung. Wie Tabelle 1 zeigt, ist für diese Legierung als wesentliches Merkmal ein hoher Wolframgehalt erforderlich. In den in dieser Patentschrift beschriebenen Legierungen A und B ist ein noch höherer

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- 4 Wolframgehalt notwendig.

Bekannt sind ferner die DS-Legierung F und die Legierung E, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 genannt sind. Diese Legierungen sind als Gußstäbe für Auftragschweißungen lieferbar. Auch bei diesen Legierungen ist ein wesentlicher Gehalt an Wolfram und Kobalt erforderlich, während sie frei von Molybdän sind.

Der Markt für Legierungen dieser Klasse ist seit der Erfindung der HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 durch Elwood Haynes vor mehr als siebzig Jahren sehr lebhaft. Heute sind zahlreiche Legierungen verfügbar, jedoch wird ständig eifrig nach neuen Legierungen gesucht. Seit vielen Jahren besteht auf diesem Gebiet der Technik ein dringender Bedarf für Legierungen, deren Kosten und Gehalt an strategisch wichtigen Elementen niedrig sind, die sich leicht herstellen lassen und hervorragende technische Eigenschaften, insbesondere Verschleißfestigkeit, aufweisen. Dieser Bedarf besteht weiterhin unverändert.

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Chrom

Wolfram

25 - 30

5 —

Kohlenstoff 0,8 - 1,6
Silicium max. 1,5

2,0

Mangan

Kobalt

Nickel

Eisen

Molybdän

Tabelle 1 bekannte Legierungen in Gew.-%

US-PS 3 068 096

offenbart beansprucht Legierung 208

HAYNES STELLITE- DS-Legierung F Legierung E
Legierung Nr. 6

max,

max. 12

Rest mindestens 20

10 - 17,5

5-12

26

10 1,4 0,7 0,2

10

Rest 12,5 10

25,09 9,9 1,55 0,50 0,22 9,48

30
4,5
1,7

max. 2

ca. 60

max. 3
max. 3
max. 1,5

25

18

22

20

29

12	,0	(Jl	,4	ι (Jl
1	,75	2	,7	I
O	,7	0

10

39

max. 6,5

ro cn co oo

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Nickellegierung verfügbar zu machen, bei der im Vergleich zu bekannten Kobaltlegierungen ein hoher Gehalt an Kobalt und Wolfram nicht erforderlich ist, und die im Vergleich zu bekannten Kobaltlegierungen hervorragende Verschleißeigenschaften und im wesentlichen die gleiche Härte und gleiche technische Eigenschaften aufweist.

Diese und andere Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Legierung der in Tabelle 2 genannten Zusammensetzung gelöst.

Tabelle 2 Legierung gemäß der Erfindung in Gew.-'

	weiter Bereich	- 3,5	bevorzugter Bereich	-3,0	typisches Beispiel
Kohlenstoff	2,0	- 15	2,3	- 15	2,
Kobalt	7	- 35	7,5	- 30	1O₁
Chrom	20	- 30	25	- 27	27
Eisen	20	- 16	20	- 16	23
Mo + W	5,5	- 16	8	- 16	10
Molybdän	5	4,5	5	4	8
Wolfram	max.	zu 1 ,5	max.	- 1,5	max.
Silicium	bis	1,0	0,3	1,0	0,
Mangan	max.	max.	0,
,7
_r5




2,5
7
.4

Kobalt kann in der Legierung gemäß der Erfindung in einer Menge in dem in Tabelle 2 genannten Bereich verwendet werden, um die Warmhärteeigenschaften der Legierung zu verbessern. Ein Kobaltgehalt in der Nähe der unteren Grenzen wird bevorzugt und empfohlen, um dieses Metall zu sparen. Durch einen Gehalt von mehr als 15% wird kein genügend großer Vorteil erzielt, um die höheren Kosten zu

30 rechtfertigen.

Wolfram ist in der Legierung gemäß der Erfindung nicht erforderlich. Es kann zufällig nur als Verunreinigung, die in Legierungen dieser Klasse üblich ist, vorhanden sein.

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Um die Verwendung einer gewissen Menge Schrottmetall zu ermöglichen, kann Wolfram bis zu 4,5%, vorzugsweise nicht über 4%, vorhanden sein, wobei ein Gehalt von etwa 2,5% typisch ist. In gewissen Legierungen ist sowohl Wolfram als auch Molybdän erforderlich. Ein Beispiel hierfür ist die in der US-PS 3 068 096 beschriebene handelsübliche Legierung 208. Bei der Legierung gemäß der Erfindung braucht weder Wolfram noch Molybdän in entscheidend wichtigen Mengen enthalten zu sein.

Eisen muß in der Legierung gemäß der Erfindung in einer Menge innerhalb der in Tabelle 2 genannten Bereiche vorhanden sein, um die beste Kombination guter technischer Eigenschaften mit der geringstmöglichen Verwendung von teureren und strategisch wichtigen Zusatzelementen in der Legierung zu erzielen.,Niedrigere Eisengehalte erhöhen die Kosten, während höhere Eisengehalte die Verschleißfestigkeit der Legierung zu verschlechtern pflegen. Ein Eisengehalt im empfohlenen Bereich ist somit ein entscheidend wichtiges Merkmal der Erfindung.

Kohlenstoff ist ein wesentliches Element in der Legierung gemäß der Erfindung. Er muß immer in einer Menge über 2%, vorzugsweise über 2,3%, vorhanden sein, wobei zur Erzielung maximaler Vorteile ein Gehalt von 2,7% besonders bevorzugt wird. Kohlenstoff kann in einem Anteil bis zu 3,5%, vorzugsweise von etwa 2,7%, vorhanden sein. Er ist wesentlich, um die optimale Kombination technischer Eigenschaften zu erzielen. Die hier genannte Menge erweist sich als ausreichend, um die notwendigen Metallcarbide in der Legierung zu bilden. Kohlenstoff verbindet sich mit Molybdän, Eisen, Chrom, Kobalt, Silicium und anderen Metallen unter Bildung der Carbide in der Legierung.

Molybdän muß in der Legierung gemäß der Erfindung in einer Menge innerhalb der hier vorgeschlagenen Bereiche vorhanden sein. Wolfram ist in diesem Fall nicht gegen Molybdän

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austauschbar. Molybdän ist in der Legierung vorhanden, um Molybdäncarbide zu bilden und zur Mischkristallhärtung der Metallmatrix beizutragen.

Die Legierung gemäß der Erfindung kann außerdem andere 5 Elemente einschließlich Bor, Tantal, Niob, Kupfer und

Vanadium, in verschiedenen Mengen enthalten, um in bekannter Weise gewisse Eigenschaften zu verbessern. Diese Elemente können als absichtliche Zusätze oder als zufällige Elemente in den beim Legieren vorhandenen Ausgangsmaterialien vorhanden sein.

Die Erfindung liegt somit im wesentlichen in der ganz bestimmten Kombination und in den hier vorgeschriebenen ganz bestimmten Gehalten an Legierungselementen. Die Elemente in der Legierung gemäß der Erfindung sind sämtlich in verschiedenen Kombinationen und Anteilen in bekannten Legierungen enthalten. Der genaue Mechanismus ist noch nicht völlig geklärt, jedoch wird angenommen, daß durch die in Tabelle 2 genannte ganz bestimmte Zusammensetzung in überraschender Weise eine optimale Kombination von Legierungsmetallstruktur und technischen Eigenschaften ausgebildet wird.

Die Verschleißfestigkeit von Metallen steht im allgemeinen in Beziehung zur Härte. Diese Konzeption ist jedoch nicht immer unbedingt richtig. Versuchslegierungen gemäß der Erfindung wurden auf Härte, Verschleißfestigkeit, adhäsiven Verschleiß und andere technische Eigenschaften geprüft.

Die Härteprüfung wurde mit den bekannten Rockwell-Prüfmaschinen durchgeführt. Die Härte wurde, falls nicht anders angegeben, in der Rockwell-C-Skala bei den Raumtemperatur-Härtetests ermittelt.

Der hier genannte Abriebtest wurde unter Verwendung einer Trockensand-Prüfmaschine durchgeführt, die in "ASME 1977

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Proceedings", Wear of Materials, Seite 77, ASME, New York, beschrieben wird. Bei dieser Prüfung wird der Prüfkörper gegen eine rotierende Gummischeibe gepreßt, während trockener Sand zwischen Prüfkörper und Scheibe gestreut wird. Zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit wird der Metallverlust von der Oberfläche des Prüfkörpers gemessen. Der Standardtext umfaßte eine Gleitstrecke von 1439 m.

Der hier genannte adhäsive Verschleißtest wurde mit einer Reib- und Verschleißprüfmaschine Modell LFW-1 (Hersteller Fayville-LaValley Corporation, Downers Grove, Illinois) durchgeführt. Die Prüfung wird in ASTM-Specification D-2714-68 beschrieben. Diese Prüfmethode war ursprünglich als "Dow Corning"-Verschleißprüfung bekannt. Bei der adhäsiven Prüfung handelt es sich im wesentlichen um den Verschleiß von Metall gegen Metall. Bei dieser Prüfung wird ein Prüfkörper (Block) unter verschiedenen Belastungen gegen ein rotierendes Laufrad (Ring) aus Metall gepreßt. Der .Metallverlust von der Verschleißfläche ist ein Hinweis auf die Metall-gegen-Metall-Verschleißeigenschaften

20 der geprüften Legierung.

Die Legierung gemäß der Erfindung kann zu Gußteilen zur Verwendung für Zwecke, bei denen es auf Verschleißfestigkeit ankommt, verarbeitet werden. Sie kann in Form von Metallpulver für die Verarbeitung zu Sinterformteilen, für die Verwendung bei gewissen Aufpanzerungsverfahren und für andere Verfahren der Pulvermetallurgie vorliegen. Die Legierung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut für die Herstellung von gegossenen oder geschmiedeten Schweiß- und Aufschweißstäben, Elektroden u.dgl.

Eine Reihe von Versuchslegierungen gemäß der Erfindung, die in Tabelle 3 genannt sind, wurde hergestellt. Die Legierungen konnten ohne besondere Probleme geschmolzen und gegossen werden. Diese Legierungen erfordern keine komplizierte Verarbeitung, da sie leicht vergießbar sind. Die in

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Tabelle 3 genannten Versuchslegierungen (mit Ausnahme der Legierungen 4 und 8) wurden im Induktionsofen im Vakuum geschmolzen und an der Luft vergossen. Die Legierungen 4 und 8 wurden im Induktionsofen geschmolzen und durch Sauggießen in ein Glasrohr (Kokille) zu einem gegossenen Schweißstab verarbeitet. Eine Probe der im Handel erhältlichen HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 wurde ebenfalls durch Sauggießen verarbeitet. Die HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 hatte im wesentlichen die in Tabelle 1 genannte Zusammensetzung.

Tabelle 3

Versuchslegierungen gemäß der Erfindung Chemische Zusammensetzung, Gew.-%

Le 'gier ung

C	1	,98	2	,82	2	,11	2	,85	2	,61	2,	49	2	,74	2	,66
Co	7	,75	7	,34	7	,03	9	,06	7	,97	8,	93	8	,81	13	,72
Cr	28	,89	28	,82	27	,47	28	,53	26	,85	29,	28	28	,59	25	,70
Fe	22	,13	22	,13	26	,40	21	,9O	22	,70	22,	78	20	,90	21	,18
Mn	0	,44	O	,43	0	,44	0	,28	0	,46	0,	36	0	,40	0	,10
Mo	5	,97	6	,03	5	,98	5	,00	5	,67	5,	57	5	,79	9	,63

Ni 28,08 27,88 27,58 28,22 29,32 28,19 28,23 22,26 P 0,023 0,024 0,021 O,O11 0,018 0,008 0,005

S 0,009 0,010 0,009 0,012 0,008 0,016 0,015

0,79

2,46

Si	0,	95	0,	91	0,	86
W	2,	56	2,	62	2,	38

ο,	72	0,	93	0,	83	0,	61
2,	39	<o,	10	2,	43	2,	43

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Tabelle 4 Ergebnisse der Härte- und Abriebverschleißprüfungen

Legierung Nr. 4

HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6

Autogenes Schweißen

Volumen- Rockwellverlust, Härte C

nun

15,1

35

42

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (TIG)

Volumen- Rockwellverlust, Härte C

mm

35,0

58

45

44

In Tabelle 4 sind die Ergebnisse der Härte- und Abriebprüfungen für die Legierung 4 gemäß der Erfindung mit der in Tabelle 3 genannten Zusammensetzung und für die HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 genannt. Beide Legierungen wurden durch Sauggießen zu Stäben für die Auftragschweißung verarbeitet. Die Auftragschweißungen wurden durch autogenes Schweißen und das TIG-Verfahren vorgenommen und in der genannten Weise geprüft. Die Ergebnisse zeigen, daß die Legierung gemäß der Erfindung der HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 überlegen ist.

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Tabelle 5

Ergebnisse der Härte- und Verschleißprüfungen (Auftragschweißungen durch autogenes Schweißen)

Volumenverlust, mm _Ab . , _ adhäsiver Verschleiß

verschleiß Block Ring Härte

Legierung 4 14,3 0,08 0,65 Rc 39

14.2 0,06 0,61

HAYNES STELLITE-

Legierung Nr. 6 29,4 0,46 NG Rc 38

27.3 0,43 NG

■χ*
NG = nicht gemessen

In Tabelle 5 sind die Ergebnisse einer weiteren Reihe von Prüfungen von autogen aufgebrachten Auftragschweißungen

15 aus der Legierung 4 gemäß der Erfindung und der HAYNES

STELLITE-Legierung Nr. 6 genannt. Durch Sauggießen hergestellte Stäbe wurden aufgeschweißt und in der genannten Weise geprüft. Der Ring für den adhäsiven Verschleißtest wurde aus einsatzgehärtetem SAE 4620-Stahl mit einer Rockwell-C-Härte von 60 hergestellt. Diese Prüfergebnisse zeigen ebenfalls, daß durch die Legierung gemäß der Erfindung eine Verbesserung der Metall-gegen-Metall-Verschleißeigenschaften auf dem Gebiet des Auftragschweißens erzielt wird.

Die Legierungen 1 und 2 gemäß der Erfindung und die Legierung 208 wurden auf Oxidationsbeständigkeit nach der bekannten Prüfmethode geprüft. Der Oxidationstest wurde 100 Stunden bei 982°C durchgeführt. Die Durchflußmenge der Luft betrug 198,24 l/h. Entfeuchtete Luft wurde verwendet. Die Ergebnisse der Oxidationsprüfung in Tabelle 6 zeigen, daß die Legierungen 1 und 2 einen geringeren Ein-

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brand, durch Oxidation und einen geringeren Metallverlust als die handelsübliche Legierung 208 hatte. Die Oxidationsgeschwindigkeiten sind entscheidend wichtig, wenn Legierungen unter Bedingungen, bei denen starker Verschleiß und hohe Temperaturen auftreten, verwendet werden.

	Tabelle	6	982°C	Metallverlust,	9,	40
	Ergebnisse der Oxidationsprüfungen		8,64 bis	11,	18
	100 Stunden bei		9,65 bis	12,	19
	Einbrand durch Oxidation, μια		11,94 bis
Legierung	1 7,62
Legierung	2 10,16
Legierung	208 19/56

Warmhärteprüfungen wurden an der Legierung 8 gemäß der Erfindung und der HAYNES STELLITE-Legierung Nr. 6 durchgeführt. Die Legierungen wurden durch Sauggießen zu Schweißstäben verarbeitet, und Auftragschweißungen wurden autogen vorgenommen. Beide Legierungen wurden nach der bekannten Methode in einer Vakuum-Härteprüfapparatur unter Verwendung einer Belastung von 1590 g mit einem 136°-Saphir-Eindringkörper geprüft. Die Warmhärtedaten sind in Tabelle 7 als durchschnittliche Warmhärtewerte in Vickers-Härtezahlen (DPH) angegeben. Die in Tabelle 7 genannten Werte für Raumtemperatur wurden durch Prüfen in einer Kentron-Mikrohärteprüfapparatur unter Verwendung einer Belastung von 1590 g mit einem 136°-Diamant-Eindringkörper ermittelt.

Diese Werte lassen erkennen, daß die Legierung gemäß der Erfindung hervorragende Warmhärteeigenschaften aufweist. Die Warmhärte ist eine wichtige Verschleißfestigkeitseigenschaft.

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Tabelle 7

Durchschnittliche Warmhärte
Werte in DPH-Zahlen*

Prüftemperatur in ⁰C

Raum-

tempe- 427 538 649 760

ratur

Legierung Nr. 8 428 399 372 320 227

HAYNES STELLITE-

Legierung Nr. 6 418 278 267 257 189

DPH = Vickers-Härte

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Claims

Patentansprüche

1. Verschleißfeste Legierung, bestehend im wesentlichen aus 2 bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff, 7 bis 15 Gew.-% Kobalt, 20 bis 35 Gew.-% Chrom, 20 bis 30 Gew.-% Eisen, 5 bis 16 Gew.-% Molybdän, bis zu 4,5 Gew.-% Wolfram, 5,5 bis 16 Gew.-% Molybdän plus Wolfram, bis zu 1,5 Gew.-% Silicium, bis zu 1 Gew.-% Mangan, Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 2,3 bis 3 Gew.-% Kohlenstoff, 7,5 bis 15 Gew.-% Kobalt, 25 bis 30 Gew.-% Chrom, 20 bis 27 Gew.-% Eisen, 8 bis 16 Gew.-% Molybdän plus Wolfram, bis zu 4 Gew.-% Wolfram und 0,3 bis 1,5 Gew.-% Silicium enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus etwa 2,7 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 10,5 Gew.-% Kobalt, etwa 27 Gew.-% Chrom, etwa

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Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 dopa d · Telegramm: Dompatent Köln

23 Gew.-% Eisen, etwa 10 Gew.-% Molybdän plus Wolfram, bis zu etwa 2,5 Gew.-% Wolfram, etwa 0,1 Gew.-% Silicium, etwa 0,4 Gew.-% Mangan, Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen, besteht.

4. Legierung nach Anspruch 1 bis 3 in Form eines Formteils zur Durchführung von Auftragschweißungen.

5. Legierung nach Anspruch 1 bis 3 in Form eines Gußteils.

6. Legierung nach Anspruch 1 bis 3 in Form eines gegossenen Schweißstabes für die Verwendung zur Auftragschweißung.

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