WO1985003953A1 - Alliage a base de molybdene resistant a haute temperature - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a heat-resistant molybdenum alloy and the use thereof.
- molybdenum Because of its high melting point and high heat resistance, molybdenum is often used for molded parts that are intended to withstand high temperatures. The 'molded parts get their high heat resistance through ' strong mechanical shaping of the molybdenum starting material. A widespread application is that of glass melting electrodes.
- Glass melting electrodes made of pure molybdenum which, depending on the type of glass, temperatures between approx. 1200 ° C and approx. 2000 ° C and which are also mechanically stressed by the movement of the viscous glass melt, therefore often have an unsatisfactorily short lifespan due to the properties mentioned above.
- the alloy described above is in no way suitable for glass melting electrodes due to the proportions of nickel, iron, cobalt, copper or vanadium.
- the metals mentioned would contaminate the glass melt and thus cause highly undesirable color changes.
- Molybdenum alloys, which could be expected to increase the creep resistance appreciably, are listed in the above-mentioned reference "Metallurgy of the rarer metals, No. 5, Molybdenum", page 94 ff. Silicon is not mentioned as an alloy element.
- the object of the present invention is now to provide an alloy based on molybdenum which is particularly suitable for the production of articles which have a high creep resistance even at temperatures above 1300 ° C.
- the alloy should also be suitable for the production of objects which have a high corrosion resistance to glass or ceramic melts, without contaminating the glass or ceramic melts.
- a molybdenum alloy which fulfills this task consists of " > 0.3 - ⁇ 20% by weight silicon, the rest being molybdenum.
- Alloying silicon to the molybdenum in the concentration range according to the invention results in values for the creep resistance of this material which far exceed the values of pure molybdenum and all known molybdenum alloys. This result is completely surprising and unpredictable.
- the preferred proportion of silicon is between 0.5% and 2% by weight. However, even with silicon values of 0.3% by weight, significant improvements in creep behavior compared to pure molybdenum can be seen. Silicon proportions of more than 20% by weight also result in an increase in creep resistance, at the same time the melting point of the alloy decreases however, so much so that molybdenum alloys with over 20% silicon content no longer appear technically interesting for high-temperature applications.
- the alloy according to the invention is particularly suitable for the production of solid rod-shaped or plate-shaped parts as well as for containers, base plates and supports which operate at high temperatures, in particular in the range from 1300 ° C. to 2000 ° C are used.
- Such parts are e.g. Thrust plates for sinter boats for nuclear fuels or base plates and internals for high-temperature, high-vacuum and high-temperature protective gas furnaces.
- the use of the alloy according to the invention is particularly advantageous where, in addition to good creep resistance at high temperatures, good corrosion resistance to glass or ceramic melts is also important and where disruptive contamination of these melts is to be avoided.
- Examples of such applications are electrodes, linings, wear plates, pipelines, shields, base plates, outlets and deflections for glass and ceramic melting furnaces.
- the elements titanium, zirconium, hafnium, boron, carbon, aluminum, thorium, chromium, manganese, niobium, tantalum, rhenium and tungsten are - as mentioned at the beginning - known as alloy components to molybdenum and already cause a certain increase in creep resistance compared to pure molybdenum.
- One or more of these elements can therefore optionally be present in the alloy according to the invention without significantly influencing its outstanding creep resistance.
- other elements which would deteriorate the creep resistance properties of the alloy per se can be tolerated as additional trace proportions in the alloy according to the invention, unless they would interfere with contact with glass melts.
- the silicon fraction is always in the range between ⁇ 0.3 - ⁇ 20% by weight of the molybdenum fraction.
- the alloy according to the invention can be produced both by powder metallurgy and by melt metallurgy by arc melting.
- the silicon can be introduced both in pure form and in the form of molybdenum silicides.
- the alloy according to the invention cannot be deformed without cutting, which means that it is not possible to manufacture thin sheets, foils and wires.
- the application will therefore generally remain restricted to large, solid bodies which have their desired shape in the case of powder metallurgy manufacture by pressing, or in the case of melt metallurgy manufacture by solidification of the alloy melted in the arc or in the electron beam preserved in the mold. If necessary, the shaped objects are still machined. In pu vermetallurgi Fixed production, this machining can take place both before and after the sintering process. In the powder metallurgical manufacture of objects by pressing and sintering under hydrogen or in vacuum, the objects have a residual porosity which can be eliminated if necessary by subsequent hot isostatic pressing.
- the articles can be produced without their own sintering process by hot isostatic pressing of the pre-pressed bodies.
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Description
HITZEBESTÄNDIGE MOLYBDÄN-LEGIERUNG
Die Erfindung betrifft eine hitzebeständige Molybdän-Legierung sowie deren Verwendung.
Molybdän wird wegen seines hohen Schmelzpunktes und seiner hohen Warm- festigkeit häufig für Formteile verwendet, die hohen Temperaturen stand¬ halten sollen. Die' Formteile erhalten ihre hohe Warmfestigkeit durch' starke mechanische Umformung des Molybdän-Ausgangsmaterials. Eine weit¬ verbreitete Anwendung ist die von Glasschmelzelektroden.
Für Anwendungen, wo es auf eine hohe Kriechfestigkeit, das heißt auf gute mechanische Stabilität bei hohen Temperaturen während langer Zeit¬ räume ankommt, ist reines Molybdän in vielen Fällen jedoch nicht mehr verwendbar. Reines, umgeformtes Molybdän rekristallisiert bereits bei einer Temperatur von etwa 1000°C innerhalb ca. 1,5 Stunden. Das Molybdän weist nach dieser Behandlung ein feinkörniges Gefüge auf; die Kriech¬ festigkeit hat abgenommen. Weitergehende Rekristallisation führt zu dis¬ kontinuierlichem Kornwachstum und somit generell zur Abnahme der Festig¬ keitseigenschaften von Molybdän.
Dieses Verhalten von reinem Molybdän ist beispielsweise in Fig. 22, S.73, "Metallurgy of the rarer metals, No. 5, Molybdenum", by L.Northcott, London, Butterworths Scientific PubTications 1956, dar¬ gestellt.
Glasschmelzelektroden aus reinem Molybdän, die je nach der Glasart Tempe¬ raturen zwischen.ca. 1200°C und ca. 2000°C ausgesetzt sind und die durch die Bewegung der zähflüssigen Glasschmelze auch mechanisch beansprucht werden, haben daher wegen der oben genannten Eigenschaften häufig un- befriedigend kurze Lebensdauer.
Um die Warmfestigkeit und die Kriechfestigkeit des reinen Molybdäns zu steigern ist es bekannt, feinst dispergierende Teilchen, z.B. Ti, Zr und C im Molybdän-Grundmaterial einzulagern. Derartige Molybdän-Legierungen, die typischerweise ca.0,5 % Ti, 0,07 % Zr und 0,05 % C enthalten, sind unter der Bezeichnung "TZM" bekannt.
Diese Legierungen beginnen zwar erst bei ca. 1300°C unter Verlust ihrer Kriechfestigkeit zu rekristallisieren. Für verschiedene Anwendungsfälle ist aber auch die Kriechfestigkeit dieser Legierungen bereits unterhalb 1300°C nicht ausreichend. "TZM" ist wegen seines Kohlenstoffgehalts für die Verwendung in Glasschmelzelektroden nicht geeignet. Der Kohlenstoff¬ anteil würde die Glasschmelze in unerwünschter Weise verunreinigen.
Die DE-0S 2001 341 beschreibt eine Molybdän-Legierung mit mindestens 80 % Molybdän und mindestens zwei weiteren zusätzlichen Metallen. Allen
in dieser Vorveröffentlichung beschriebenen Molybdän-Legierungen ist gemeinsam, daß diese durch Sinterung in flüssiger Phase hergestellt werden, wodurch die daraus gefertigten Gegenstände ein feinkörniges Ge¬ füge erhalten. Konkret sind unter anderem auch solche Legierungen ge- nannt, die neben Molybdän und Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer oder Vanadium auch Silizium enthalten. In diesem Fall haben die neben dem Silizium noch vorhandenen wesentlichen Anteile an Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer oder Vanadium sicherzustellen, daß bei der Sinterung eine Flüssig¬ phase auftritt. Das aber hat die Entstehung von Erzeugnissen mit fein- körnigem Gefügeaufbau und somit grundsätzlich nur geringer Kriechfestig¬ keit zur Folge.
Aus dem aufgeführten, bevorzugten Verwendungszweck dieser Legierungen für Spritzgußdüsen sowie für Kerne und Formen zum Gießen verschiedener Metalle und Legierungen geht jedoch bereits hervor, daß von diesen keine hohe Kriechfestigkeit erwartet wird. Die Einwirkung der hohen Tempera¬ turen erfolgt bei derartigen Anwendungen nur kurzzeitig, da die Schmelze rasch abkühlt. Die mechanische Beanspruchung derartiger Teile ist nicht sehr groß.
Darüberhinaus sind die vorbeschriebenen Legierung aufgrund der Anteile von Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer oder Vanadium keinesfalls für Glas- schmelzelektroden geeignet. Die genannten Metalle würden die Glas¬ schmelze verunreinigen und damit höchst unerwünschte Farbveränderungen hervorrufen.
Molybdän-Legierungen, welche eine nennenswerte Erhöhung der Kriechfestig¬ keit erwarten ließen, sind in der eingangs erwähnten Literaturstelle "Metallurgy of the rarer metals, No. 5, Molybdenum", Seite 94 ff, auf¬ geführt. Silizium ist als Legierungselement nicht erwähnt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Legierung auf Molybdän-Basis zu schaffen, die insbesondere für die Herstellung von Gegenständen geeignet ist, die auch bei Temperaturen über 1300°C eine hohe Kriechfestigkeit aufweisen. Gleichzeitig soll die Legierung auch für die Herstellung von Gegenständen geeignet sein, die eine hohe Kor¬ rosionsbeständigkeit gegenüber Glas- oder Keramikschmelzen aufweisen, ohne die Glas- oder Keramikschmelzen zu verunreinigen.
Eine dieser Aufgabe genügende Molybdän-Legierung besteht entsprechend der Erfindung aus "> 0,3 - < 20 Gew.% Silizium, Rest Molybdän.
Durch das Zulegieren von Silizium zum Molybdän im erfindungsgemäßen Konzentrationsbereich ergeben sich Werte für die Kriechfestigkeit dieses Werkstoffes, welche die Werte von reinem Molybdän und aller bekannten Molybdän-Legierungen bei weitem übertreffen. Dieses Ergebnis ist völlig überraschend und nicht vorhersehbar.
Der bevorzugte Anteil an Silizium liegt zwischen 0,5 Gew.% und 2 Gew.%. Jedoch auch schon bei Silizium-Werten 0,3 Gew.% lassen sich deutliche Verbesserungen im Kriechverhalten gegenüber reinem Molybdän erkennen. Silizium-Anteile von über 20 Gew.% ergeben zwar auch noch eine Zunahme der Kriechfestigkeit, gleichzeitig nimmt der Schmelzpunkt der Legierung
jedoch so stark ab, daß Molybdän-Legierungen mit über 20 % Silizium- Anteil für Hochtemperaturanwendungen technisch nicht mehr interessant erscheinen.
Die erfindungsgemäße Legierung ist aufgrund ihrer guten Kriechfestigkeit und demzufolge der guten Verwindungssteifigkeit insbesondere für die Herstellung massiver stab- oder plattenförmiger Teile sowie für Behäl¬ ter, Unterlagsplatten und AbStützungen geeignet, die bei hohen Tempera¬ turen, insbesondere im Bereich 1300°C bis 2000°C zum Einsatz kommen. Solche Teile sind z.B. Stoßplatten für Sinterschiffchen für Kernbrenn¬ stoffe oder Grundplatten und Einbauten für Hochte peratur-Hochvakuum- und Hochtemperatur-Schutzgasöfen.
Darüberhinaύs ist die Verwendung der erfindungsgemäßren Legierung ins- besondere auch dort vorteilhaft, wo es neben einer guten Kriechfestig¬ keit bei hohen Temperaturen gleichzeitig auf eine gute Korrosionsbestän¬ digkeit gegenüber Glas- oder keramischen Schmelzen ankommt und wo eine störende Verunreinigung dieser Schmelzen zu vermeiden ist. Beispiele für derartige Anwendungen sind Elektroden, Auskleidungen, Verschleißplatten, Rohrleitungen, Abschirmungen, Unterlagsplatten, Ausläufe und Umlenkungen für Glas- und Keramikschmelzöfen.
Die Elemente Titan, Zirkon, Hafnium, Bor, Kohlenstoff, Aluminium, Thorium, Chrom, Mangan, Niob, Tantal, Rhenium und Wolfram sind - wie eingangs erwähnt - als Legierungskomponenten zu Molybdän bekannt und bewirken bereits eine gewisse Zunahme der Kriechfestigkeit gegenüber reinem Molybdän. Eines oder mehrere dieser Elemente können daher wahl¬ weise in der erfindungsgemäßen Legierung vorhanden sein, ohne deren herausragende Kriechfestigkeit wesentlich zu beeinflussen.
Aber auch andere Elemente, welche die Kriechfestigkeitseigenschaften der Legierung an sich verschlechtern würden, sind als zusätzliche Spuren¬ anteile in der erfindungsgemäßen Legierung tolerierbar, ausgenommen sie würden bei der Berührung mit Glasschmelzen stören.
Wegen dieser Einschränkung empfiehlt sich für letztgenannte Anwendungen daher die Verwendung einer reinen Molybdän-Silizium-Legierung.
Wesentlich ist in beiden Fällen, daß der Silizium-Anteil immer im Bereich zwischen ^ 0,3 - <20 Gew.% des Molybdänanteiles liegt.
Die Legierung nach der Erfindung kann sowohl pulvermetallurgisch als auch schmelzmetallurgisch durch Lichtbogenerschmelzung hergestellt werden.
Die Einbringung des Siliziums kann sowohl in reiner Form als auch in Form von Molybdän-Siliziden, erfolgen.
Die erfindungsgemäße Legierung ist nicht spanlos verformbar, das heißt, die Fertigung von dünnen Blechen, Folien und Drähten ist nicht möglich. Die Anwendung wird daher in der Regel auf große massive Körper be¬ schränkt bleiben, die ihre gewünschte Form im Falle einer pulvermetal¬ lurgischen Herstellung durch Pressen, oder im Falle einer schmelzmetal¬ lurgischen Herstellung durch Erstarren der im Lichtbogen oder im Elek- tronenstrahl erschmolzenen Legierung in der Kokille erhalten. Falls er¬ forderlich, werden die geformten Gegenstände noch spanabhebend bearbei¬ tet. Bei der pu vermetallurgisehen Herstellung kann diese spanabhebende Bearbeitung sowohl vor als auch nach dem Sintervorgang erfolgen.
Bei der pulver etallurgisehen Herstellung von Gegenständen durch Pressen und Sintern unter Wasserstoff oder im Vakuum weisen die Gegenstände eine Restporösität auf, die im Bedarfsfall durch anschließendes isostatisches Heißpressen beseitigt werden kann.
Desgleichen ist eine Herstellung der Gegenstände ohne eigenen Sintervor¬ gang durch isostatisches Heißpressen der Vorpreßkörper möglich.
Im folgenden wird an Hand eines Beispiels einer Legierung entsprechend der Erfindung die Erhöhung der Kriechfestigkeit gegenüber der von reinem Molybdän dargestellt.
99 Gew.% Molybdän Metallpulver mit einer Korngröße von 5,um wurden mit 1 Gew.% Silizium-Pulver mit einer Korngröße von 5,um vermischt und kalt- isostatisch bei 2000 bar zu Stäben verpreßt. Danach wurden die Stäbe unter H^-Schutzgas bei 2000°C während 10 Stunden gesintert. Stäbe gleicher Abmessungen aus reinem Molybdän wurden wie oben gepreßt und gesintert und anschließend durch Gesenkschmieden über 60 % mecha¬ nisch verformt. Die derart gefertigten Stäbe aus reinem Molybdän-und der Molybdän- Silizium-Legierung wurden dann im Vergleich bei 1100°C einem Kriechtest unterzogen. Die Zugfestigkeit von reinem Molybdän liegt bei dieser Tempe-
2 ratur bei 143 N/mm . Eine Kriechbelastung von 80 % dieser Zugfestigkeit,
2 das heißt 114 N/mm , führte bei den Stäben aus reinem Molybdän im Schnitt bereits nach 16 Minuten zum Kriechbruch.
Bei derselben Kriechbelastung wurde der Versuch an Stäben aus der Molybdän-Silizium-Legierung nach 17. Stunden abgebrochen, da es zu keinem Bruch kam.
Aus diesem Vergleichsversuch ist zu ersehen, daß die Kriechfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen bei 1100°C im Schnitt mindestens um den Faktor 70 besser ist als diejenige von reinem Molybdän. Eine Kriech- festigkeitserhöhung in diesem enormen Ausmaß war völlig überraschend und aufgrund des bekannten Standes der Technik keinesfalls zu erwarten.
Um eine Vorstellung zu vermitteln, wie der eingangs wegen seiner gegen¬ über reinem Molybdän erhöhten Kriechfestigkeit erwähnte Werkstoff "TZM" bei gleichen Versuchstemperaturen einzuordnen ist, seien die nach- folgenden Daten genannt:
Reines Molybdän: Temperatur 1100°C, Kriechbruch nach 50 sec bei
2
175 N/mm Belastung
"TZM": - Temperatur 1100°C, Kriechbruch nach 50 sec bei
2 450 N/mm Belastung.
"TZM" zeigt somit gegenüber reinem Molybdän bei weitem nicht die Steigerung in der Kriechfestigkeit wie die erfindungsgemäße Legierung.
Claims
1. Hitzebeständige Molybdän-Legierung, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß sie aus ) 0,3 - < 20 Gew.% Silizium, Rest Molybdän besteht.
2. Hitzebeständige Molybdän-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sie 0,5 - 2 Gew.% Silizium aufweist.
3. Verwendung einer Molybdän-Legierung nach Anspruch 1 oder 2 zur Her¬ stellung von Gegenständen mit hoher Kriechfestigkeit bei Temperaturen zwischen 1300°C und 2000°C.
4. Verwendung einer Molybdän-Legierung nach Anspruch 1 oder 2 zur Her¬ stellung von Gegenständen, die mit Glas- oder Keramikschmelzen in Berührung kommen.
5. Hitzebeständige Molybdän-Legierungen nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein Teil des Molybdäns durch eines oder mehrere der Elemente Ti, Zr, Hf, B, C, AI, Th, Cr, Mn, Nb, Ta, Re oder W ersetzt ist, wobei der Anteil an Silizium zwischen ^ 0,3 - < 20 Gew.% des Molybdänanteiles liegt.
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