TECHNISCHES GEBIET
[0001] Legierungen für den mittleren Temperaturbereich für thermische Maschinen auf der
Basis von intermetallischen Verbindungen, welche sich für gerichtete Erstarrung eignen,
nichtrostende Stähle ersetzen und zum Teil die konventionellen Nickelbasis-Superlegierungen
ergänzen oder andere intermetallische Verbindungen ersetzen.
[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung und Verbesserung der auf einer
intermetallischen Verbindung des Typs Eisenaluminid Fe
3A1 basierenden Legierungen mit weiteren, die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit,
Zähigkeit, Dehnbarkeit) verbessernden Zusätzen.
[0003] Im engeren Sinne betrifft die Erfindung eine oxydations- und korrosionsbeständige
Legierung für Bauteile für einen mittleren Temperaturbereich auf der Basis von dotiertem
Eisenaluminid Fe
3Al.
STAND DER TECHNIK
[0004] Intermetallische Verbindungen und von ihnen abgeleitete Legierungen gewinnen in letzter
Zeit mehr und mehr an Bedeutung als einsatzfähige Werkstoffe im Gebiet mittlerer und
höherer Temperaturen. Allgemein bekannt sind Nickelaluminide und Titanaluminide, welche
zum Teil klassische Nickelbasis-Superlegierungen ergänzen bzw. ersetzen.
[0005] Seit längerer Zeit sind die verschiedenen Aluminide des Eisens, vor allem als oxydations-
und zunderbeständige Schutzschichten auf Bauteilen aus Eisen und Stahl bekannt. Man
hat diese durch Aufspritzen von Aluminium auf Körper aus Stahl und nachfolgendes Glühen
hergestellten intermetallischen Verbindungen wegen ihrer verhältnismässigen Sprödheit
jedoch kaum als Konstruktionsstoffe in Betracht gezogen. In letzter Zeit wurden jedoch
vor allem die eisenreichen, in der Nähe der Phase Fe
3A1 befindlichen Legierungen auf ihre Geeignetheit als Werkstoffe für den Temperaturbereich
Raumtemperatur bis ca. 600 °C näher untersucht. Es wurde auch schon vorgeschlagen,
ihre Eigenschaften durch Zulegieren weiterer Elemente zu verbessern. Derartige Werkstoffe
könnten erfolgreich in Wettbewerb mit den klassischen korrosionsbeständigen Stählen
im Temperaturbereich um ca. 500 °C herum treten. Im folgenden werden zum Stand der
Technik die veröffentlichten Dokumente zitiert:
- H. Thonye, "Effects of D03 transitions on the yield behaviour of Fe-Al Alloys", Metals and ceramics division,
Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, Mat. Res. Soc. Symp. proc.
Vol 39, 1985 Materials Research Society.
- S.K. Ehlers and M.G. Mandiratta, "Tensile behaviour of polycrystalline Fe-31 at.-%
AI Alloy", Systems Research Laboratories Inc., Dayton, OH 45440, TMS Annual Meeting
February 1982, The Journal of Minerals, Metals and Materials Society.
[0006] Die bekannten, auf Fe
3A1 basierenden Legierungen genügen den technischen Anforderungen noch nicht vollumfänglich.
Es besteht daher ein Bedürfnis zu ihrer Weiterentwicklung.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vergleichsweise preiswerte Legierung
mit hoher Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit im mittleren Temperaturbereich (300
bis 700 C) und gleichzeitig hinreichender Warmfestigkeit und genügender Zähigkeit
bei Raumtemperatur und im unteren Temperaturbereich anzugeben, die leicht vergiessbar
ist und sich zudem für gerichtete Erstarrung eignet. Die Legierung soll im wesentlichen
aus einer vergleichsweise hochschmelzenden intermetallischen Verbindung mit weiteren
Zusätzen bestehen.
[0008] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Legierung die nachfolgende Zusammensetzung
aufweist:
AI = 24 - 28 At.-%
Nb = 0,1 - 2 At.-%
Cr = 0,1 - 10 At.-%
B = 0,1 - 1 At.-%
Si = 0,1 - 2 At.-%
Fe = Rest
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0009] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele
beschrieben.
[0010] Dabei zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Einflusses von B-Zusatz auf die Vickershärte
HV (kg/mm2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe3A1 bei Raumtemperatur,
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Einflusses von B-Zusatz auf die Bruchdehnung
5 (%) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe3Al bei Raumtemperatur,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einflusses von Si-Zusatz auf die Vickershärte
HV (kg/mm2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe3Al bei Raumtemperatur,
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Einflusses von Nb-Zusatz auf die Vickershärte
HV (kg/mm2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe3Al bei Raumtemperatur,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Einflusses von Nb-Zusatz auf die Bruchdehnung
5 (%) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe3Al bei Raumtemperatur,
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Fliessgrenze 6 0,2 (MPA) in Funktion der Temperatur für eine Gruppe von Legierungen auf der Basis
der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid Fe3Al.
[0011] Fig. 1 ist eine graphische Darstellung des Einflusses von V-Zusatz auf die Vickershärte
(kg/mm
2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe
3Al bei Raumtemperatur.
[0012] Es wurden folgende Grundlegierungen untersucht:
Kurve 1:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
Der B-Zusatz bewegte sich zwischen 0,1 At.-% und maximal 3 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Kurve 2:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
Der B-Zusatz bewegte sich zwischen 0,1 At.-% und maximal 4 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
[0013] Bei kleinen B-Zusätzen konnte zunächst ein geringer Abfall der Vickershärte festgestellt
werden, woraus sich bereits auf eine gewisse Duktilisierung schliessen liess. Bei
B-Gehalten von über ca. 1,5 At.-% nahm die Vickershärte wieder zu, was warscheinlich
auf die Ausscheidung harter Boride zurückzuführen ist.
[0014] Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung des Einflusses von B-Zusatz auf die Bruchdehnung
s - (%) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe
3Al bei Raumtemperatur.
[0015] Es wurden folgende Grundlegierungen untersucht:
Kurve 3:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
Der B-Zusatz bewegte sisch zwischen 0,1 At.-% und maximal 3 At.-% auf Kosten des Fe-Gehaltes.
Kurve 4:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
Der B-Zusatz bewegte sich zwischen 0,1 At.-% und maximal 4 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Durch den B-Zusatz konnte zunächst eine Steigerung der Bruchdehnung beobachtet werden,
wobei bei ca. 2 At.-% je ein Maximum auftrat. Bei weiterer Erhöhung des B-Zusatzes
nahm die Bruchdehnung zufolge Versprödung (Borid-Ausscheidungen) wieder ab.
[0016] In Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Einflusses von Si-Zusatz auf die Vickershärte
HV (kg/mm
2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe
3Al bei Raumtemperatur wiedergegeben.
[0017] Es wurden folgende Grundlegierungen untersucht:
Kurve 5:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
Der Si-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Kurve 6:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Fe = Rest.
Der Si-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Kurve 1:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
B = 1 At.-%
Fe = Rest.
Der Si-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
[0018] Der Si-Zusatz bewirkte eine Steigerung der Vickershärte in allen Legierungen.
[0019] Dabei konnte beobachtet werden, dass der durch ca. 1 At.-% B-Zugabe bewirkte Härteverlust
durch Si-Zusatz mehr als wettgemacht werden konnte.
[0020] Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Einflusses von Nb-Zusatz auf die Vickershärte
HV (kg/mm
2) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe
3Al bei Raumtemperatur.
[0021] Es wurden folgende Grundlegierungen untersucht:
Kurve 8:
AI = 28 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
Der Nb-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 At.-% und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Kurve 9:
AI = 28 At.-%
Cr = 5 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
Der Nb-Zusatz bewegte sich zwischen 0,6 At.-% und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
[0022] Bis zu einem Gehalt von ca. 1 At.-% Nb nahm die Vickershärte in geringem Mass ab,
um bei ca. 1 At.-% Nb den ursprünglichen Wert der Nb-freien Legierungen wieder zu
erreichen bzw. zu überschreiten.
[0023] Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung des Einflusses von Nb-Zusatz auf die Bruchdehnung
s - (%) einiger Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid
Fe
3A1 bei Raumtemperatur.
[0024] Es wurden folgende Grundlegierungen untersucht:
Kurve 10:
AI = 28 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
Der Nb-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 At.-% und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
Kurve 11:
AI = 28 At.-%
Cr = 5 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
Der Nb-Zusatz bewegte sich zwischen 0,5 At.-% und maximal 2 At.-% auf Kosten des Fe-Gehalts.
[0025] Die Bruchdehnung der Legierung nach Kurve 10 durchlief bei ca. 1 At.-% Nb ein ausgeprägtes
Maximum, um bei höheren Nb-Gehalten wieder abzufallen. Dieses Verhalten konnte bei
der Sihaltigen Legierung nach Kurve 11 nicht beobachtet werden. Ausserdem blieben
die Bruchdehnungswerte beträchtlich unter denjenigen der Legierung gemäss Kurve 10.
[0026] Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Fliessgrenze
ao,2 (MPa) in Funktion der Temperatur T (°C) für eine Gruppe von Legierungen auf der
Basis der intermetallischen Verbindung Eisenaluminid Fe
3Al. Als Vergleich ist die Fliessgrenze für das reine Eisenaluminid Fe
3Al mit 25 At.-% AI dargestellt. Damit kann der Einfluss der weiteren Legierungselemente
überblickt werden.
[0027]
Kurve 12: 25 At.-% Al, Rest Fe
Kurve 13: 28 At.-% Al, 1 At.-% Nb, 5 At.-% Cr, 1 At.-% B, Rest Fe
Kurve 14: 28 At.-% Al, 1 At.-% Nb, 5 At.-% Cr, 1 At.-% B, 2 At.-% Si, Rest Fe.
Kurve 15: 28 At.-% Al, 1 At.-% Nb, 2 At.-% Cr, Rest Fe.
Kurve 16: 28 At.-% Al, 2 At.-% Nb, 4 At.-% Cr, Rest Fe.
Kurve 17: 28 At.-% Al, 2 At.-% Nb, 4 At.-% Cr, 0,2 At.-% B, 2 At.-% Si, Rest Fe.
[0028] Alle Kurven zeigen ein ähnliches Verhalten des Werkstoffs. Bis zu einer Temperatur
von ca. 400 ° C nimmt die Fliessgrenze zunächst stärker, dann weniger stark auf ca.
50 % des Wertes bei Raumtemperatur ab. Hier durchläuft die Fliessgrenze ein Minimum
und steigt bis zu einer Temperatur von ca. 550 °C wieder vergleichsweise steil auf
ca. 65 % des Wertes bei Raumtemperatur an. Dieses Maximum ist typisch für das Verhalten
der intermetallischen Verbindungen des Typs Fe
3Al. Nach diesem Maximum fällt die Fliessgrenze zu niedrigen Werten steil ab. Die höchsten
Festigkeitswerte wurden bei mit Nb und Cr dotierten Legierungen beobachtet.
Ausführungsbeispiel 1:
[0029] In einem Lichtbogenofen wurde unter Argon als Schutzgas eine Legierung der nachfolgenden
Zusammensetzung erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
[0030] Als Ausgangsmaterialien dienten die einzelnen Elemente mit einem Reinheitsgrad von
99,99 %. Die Schmelze wurde zu einem Gussrohling von ca. 60 mm Durchmesser und ca.
80 mm Höhe abgegossen. Der Rohling wurde unter Schutzgas wieder aufgeschmolzen und
ebenfalls unter Schutzgas zur Erstarrung in Form von Stäben mit ca. 8 mm Durchmesser
und ca. 80 mm Länge gezwungen.
[0031] Die Stäbe wurden ohne anschliessende Wärmebehandlung direkt zu Druckproben für Kurzzeitversuche
verarbeitet. Die damit erreichten mechanischen Eigenschaften wurden in Funktion der
Prüftemperatur gemessen.
[0032] Eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch eine geeignete Wärmebehandlung
liegt im Bereich des Möglichen. Ausserdem besteht die Möglichkeit zur Verbesserung
durch gerichtete Erstarrung, wofür sich die Legierung besonders eignet.
Ausführungsbeispiel 2:
[0033] Analog Beispiel 1 wurde die nachfolgende Legierung unter Argon erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
B = 0,1 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
[0034] Die Schmelze wurde analog zum Ausführungsbeispiel 1 abgegossen, unter Argon wieder
aufgeschmolzen und in Stabform zur Erstarrung gezwungen. Die Dimensionen der Stäbe
entsprachen dem Ausführungsbeispiel 1. Die Stäbe wurden ohne anschliessende Wärmebehandlung
direkt zu Druckproben verarbeitet. Die damit erreichten Werte der mechanischen Eigenschaften
in Funktion der Prüftemperatur entsprachen annähernd denjenigen von Beispiel 1. Diese
Werte können durch eine Wärmebehandlung weiter verbessert werden.
Ausführungsbeispiel 3:
[0035] Genau gleich wie in Beispiel 1 wurde die folgende Legierung unter Argonatmosphäre
erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
B = 1 At.-%
Si = 2 At.-%
Fe = Rest.
[0036] Die Schmelze wurde analog Beispiel 1 abgegossen, unter Argon wieder aufgeschmolzen
und zu Prismen von quadratischem Querschnitt (8 mm x 8 mm x 100 mm) vergossen. Aus
diesen Prismen wurden Probekörper für Druck-, Härte- und Schlagproben hergestellt.
Die mechanischen Eigenschaften entsprachen ungefähr denjenigen der vorangegangenen
Beispiele. Eine Wärmebehandlung ergab
[0037] eine weitere Verbesserung dieser Werte.
Ausführungsbeispiel 4:
[0038] Unter Argon wurde die nachfolgende Legierung erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 5 At.-%
Fe = Rest.
[0039] Es wurde genau gleich wie unter Beispiel 1 verfahren.
Ausführungsbeispiel 5:
[0040] Es wurde unter Argon folgende Legierung erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 0,5 At.-%
Cr = 6 At.-%
B = 0,5 At.-%
Si = 1,5 At.-%
Fe = Rest.
Das Vorgehen war analog zu Beispiel 1.
Ausführungsbeispiel 6:
[0041] Unter Argon wurde folgende Legierung erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 1,5 At.-%
Cr = 3 At.-%
B = 0,7 At.-%
Si = 1 At.-%
Fe = Rest.
[0042] Das Verfahren entsprach demjenigen von Beispiel 1.
Ausführungsbeispiel 7:
[0043] Es wurde folgende Legierung erschmolzen:
AI = 26 At.-%
Nb = 2 At.-%
Cr = 1 At.-%
B = 1 At.-%
Si = 0,5 At.%
Fe = Rest.
[0044] Es wurde gemäss Beispiel 1 vorgegangen.
Ausführungsbeispiel 8:
[0045] Unter Argonatmosphäre wurde im Induktionsofen folgende Legierung erschmolzen:
AI = 24 At.-%
Nb = 1 At.-%
Cr = 10 At.-%
B = 0,5 At.-%
Si = 2 At.-% Fe = Rest.
[0046] Die Verfahrensweise entsprach derjenigen von Beispiel 1.
[0047] Ausführungsbeispiel 9:
[0048] Es wurde unter Argon folgende Legierung erschmolzen:
AI = 28 At.-%
Nb = 0,8 At.-%
Cr = 5 At.-%
B = 0,8 At.-%
Si = 1 At.-%
Fe = Rest.
[0049] Es wurde wie unter Beispiel 1 angegeben verfahren.
Wirkung der Elemente:
[0050] Durch Zulegieren des Elements Cr Wird der Oxydationswiderstand weiter erhöht. Der
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Warmhärte)
scheint unterschiedlich zu sein, je nachdem welche weiteren Legierungskomponenten
noch vorhanden sind und welcher Art die Kristallstruktur im Detail angehört. Im Verein
mit Nb scheint bei gewissen Gehalten an weiteren zusätzlichen Dotierelementen das
Cr eine günstige Wirkung zu haben. Zugaben von mehr als 10 At.-% Cr verschlechtern
im allgemeinen die mechanischen Eigenschaften wieder.
[0051] Das Element Nb erhöht in gewissen Bereichen die Härte und die Festigkeit. Die Dehnbarkeit
(Bruchdehnung) durchläuft für gewisse Legierungen bei 1 At.-% Nb ein Maximum.
[0052] Durch Zulegieren von B wird allgemein versucht, die Duktilität zu erhöhen. Doch scheint
seine Wirkung nur bei Anwesenheit bestimmter anderer Elemente insgesamt vorteilhaft
zu sein. Bei niedrigen B-Gehalten geht die Härte leicht zurück, um bei Gehalten von
über 2 At.-% wieder anzusteigen. Bei sehr hohen B-Gehalten scheint dies auf die Bildung
harter Boride zurückzuführen zu sein. Die Bruchdehnung gewisser Legierungen läuft
bei 2 At.-% B durch ein charakteristisches Maximum. B-Gehalte von mehr als 2 At.-%
sind daher wenig sinnvoll. Meistens kann man sich mit max. 1 At.-% begnügen.
[0053] Si verbessert die Giessbarkeit und wirkt sich günstig auf die Oxydationsbeständigkeit
aus. Es wirkt in praktisch allen Legierungen härtesteigernd und kompensiert durchweg
den durch B-Zusätze hervorgerufene Festigkeitsabfall wieder.
[0054] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
[0055] Ganz allgemein weist die oxydations- und korrosionsbeständige Legierung für Bauteile
für einen mittleren Temperaturbereich auf der Basis von Eisenaluminid Fe
3A1 die nachfolgende Zusammensetzung auf:
AI = 24 - 28 At.-%
Nb = 0,1 - 2 At.-%
Cr = 0,1 - 10 At.-%
B = 0,1 - 1 At.-%
Si = 0,1 - 2 At.-%
Fe = Rest.