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Nickelbasis-Hartlegierungen

Für die Eigenschaften von selbstfließenden Nickelbasishartlegierungen sind die Legierungselemente Chrom, Bor und Silizium charakteristisch. Die Bor- und Siliziumgehalte liegen meist zwischen 2 und 4 Gew.-%, die Chromkonzentration beträgt 5 bis 17 Gew.-%. Kohlenstoff und Eisen sind in technischen Legierungen meist nur deshalb enthalten, weil aus Kostengründen bei der schmelzmetallurgischen Herstellung der Legierungen die Elemente Chrom, Bor und Silizium in Form von den Ferroverbindungen verarbeitet werden.

Im Unterschied zum Eisen ist Nickel über den gesamten Temperaturbereich kubisch flächenzentriert, so dass Umwandlungen mit Löslichkeitssprüngen ausgenutzt werden können. Da Nickel insbesondere mit Chrom im Mischkristall über eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit verfügt, ist es als Basiselement für nass- und hochtemperaturkorrosionsbeständige Legierungen von Interesse. Da die Löslichkeit für die Metalloide Kohlenstoff, Bor und Stickstoff sehr gering ist, sind diese Elemente zur Mischkristallhärtung ungeeignet. Deshalb sind in der Hauptsache substitionell eingelagerte Elemente wie Chrom, Silizium, Molybdän und Kobalt interessant. Die Anwendung der Ni-Basishartlegierungen bei erhöhter Temperatur macht eine Betrachtung der Härtesteigerung durch diese Elemente in Abhängigkeit von der Temperatur plausibel.

Die Ausscheidung von primären und eutektischen Hartphasen ergibt nur eine geringfügige Verbesserung des Verschleißwiderstandes gegenüber dem hartphasenfreien Zustand. Die metallische Matrix ist zu weich. Gleichwohl ist sie als verschleißbeständiger Werkstoff geeignet, da sich zwischen 20 und 850 °C keine Änderung im Verschleißwiderstand ergibt. Die Verformungs- und Verfestigungsfähigkeit bleiben im gesamten Temperaturbereich erhalten. Oberhalb 750 °C ist die Verschleißbeständigkeit sogar besser als bei den kfz Fe-Basiswerkstoffen mit Hartphasen, da die Ni-Basismatrix warmfester ist.

Bei der Mischkristallhärtung während Si unterhalb 600 °C effektiv ist, zeigt Cr seine Wirksamkeit bei Temperaturen oberhalb 600 °C. Aus diesem Grund sind hochwarmfeste Ni-Basislegierungen meist mit Chrom legiert. Besonders wirksam ist auch die Kombination von Chrom und Silizium, wie sie bei den Legierungen des Systems Ni-Cr-Si-B (selbstfließende Ni-Basishartlegierungen) ausgenutzt wird. In der Metallmatrix befinden sich bis zu 8 Gew.-% Cr und 4,5 Gew-% Si, die die Härte bei Raumtemperatur auf bis zu 450 HV 0,5 anheben.

Die Legierungselemente Bor und Silizium sind für die starke Absenkung der Schmelztemperatur von Nickelbasishartlegierungen verantwortlich. Die Schmelzbereiche bzw. -temperaturen handelsüblicher Legierungen liegen zwischen ca. 960 und 1220 °C (Reinnickel = 1452 °C). Außerdem verleihen diese Elemente der Legierung ihren selbstfließenden Charakter.

In dieser Gruppe zeigen die Legierungen mit Molybdän als weiterem Legierungselement den höchsten Verschleißwiderstand. Durch die Ausscheidung von σ-Phasen ist die Stützwirkung der Metallmatrix im gesamten Temperaturbereich stärker. Dies führt dazu, dass diese Legierungen bei 700 °C verschleißbeständiger sind als Schnellarbeitsstähle. Aus der Tatsache, dass bei 900 °C die Verschleißwiderstände eng beieinander liegen, kann man entnehmen, dass der Einfluss der Hartphasen mit steigender Temperatur abnimmt.

Insgesamt ist zu sagen, dass das Basiselement Ni etliche Merkmale aufweist, die den Ni-Werkstoffen von allen Hochtemperaturmaterialien die günstigste Kombination von mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit verleihen:

  • Die Gitterstruktur ist bis zum Schmelzpunkt durchgehend kfz. Dadurch brauchen keine gitterstabilisierenden Elemente wie bei Fe und Co zugegeben zu werden, die Nachteile mit sich bringen können. Die dichtest gepackte kfz Struktur weist einen niedrigeren Diffusionskoeffizienten auf als das krz Gitter.
  • Es lassen sich sowohl genügend hohe Cr-Gehalte als auch Al-Gehalte realisieren, um Korrosionsschutz bis zu sehr hohen homologen Temperaturen zu erzielen.
  • Kein anderes Basiselement ermöglicht im Hochtemperaturbereich eine so hohe Festigkeitssteigerung durch Legierungsmaßnahmen.
  • Der quasiisotrope E-Modul ist mit etwa 210 GPa bei Raumtemperatur etwa so hoch wie der von Fe und Co.