AT398244B

AT398244B - Gleitschiene

Info

Publication number: AT398244B
Application number: AT0152089A
Authority: AT
Inventors: Kazuto Terai; Susumu Isobe; Kenji Tsukuda; Hisao Inoue; Hiroshi Kobayashi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Inco Alloys Int
Priority date: 1988-01-26
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1994-10-25
Also published as: JPH0238516A; CA1329320C; ATA152089A; JP2718132B2; EP0326371B1; US4900248A; EP0326371A1

Description

AT 398 244 B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitschiene für Industrieöfen, die aus einem wassergekühlten Gleitrohr besteht, auf welchem Metallsättel aufgeschweißt sind, wobei Gleitelemente an den Sätteln befestigt und alle Teile mit Ausnahme der Gleitelemente mit einem hitzebeständigen bzw. feuerfesten Isoliermaterial bedeckt sind.

Als Material zur Herstellung von Gleitschienen für Wärmeöfen, wie Balkenherdöfen bzw. Schwingbalkenherde (Schrittmacheröfen) oder Durchstoßöfen (Stoßöfen) wurden bisher hitzebeständige bzw. feuerfeste Gußlegierungen verwendet. In der Durchwärmzone eines Ofens sind die Gleitschienen so hohen Temperaturen wie 1200 - 1350*C und damit hoher Beanspruchung und starkem Verschleiß ausgesetzt, daher ist ihre Lebensdauer nur kurz.

Es wurde bisher vorgeschlagen, Keramikmaterialien mit den Eigenschaften hoher Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit als Material für die Gleitschienen oder Gleitknöpfe zu verwenden (z.B. japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 35326/1980), und es wurde versucht, das Material zu verbessern (z.B. JP-PS 89516/1985).

Sogenannte Feinkeramikmaterialien wie SiC und Si3N+, die vom Standpunkt ihrer hohen Schlagfestigkeit zu bevorzugen sind, die eine der für Gleitschienen erforderlichen Eigenschaften ist, werden leicht durch Oxidation beschädigt, wenn sie in einer stark oxidierenden Atmosphäre verwendet werden. Anderseits werden seit einigen Jahren Forschungen an den Superlegierungen des mit Oxiddispersionen verstärkten Typs, d.h. Superlegierungen auf Ni-Basis, in denen feine Teilchen eines Oxids mit hohem Schmelzpunkt wie Y2O3 dispergiert werden, und der Verwendung derselben an Gasturbinen und Strahltriebwerken angestellt (z.B. japanische Patentveröffentlichung Nr. 38665/1981 bzw. entsprechende US-Anmeldung 302 201/1972).

Die US-A-3 922 182 (entspricht der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9610/1984) offenbart eine mittels Dispersion verstärkte Legierung auf Nickelbasis, die für Bestandteile eines Hochofens, wie Maschenbänder, verwendet wird, ln Spalte 1, Zeilen 62-68 der US-A-3 922 182 wird beschrieben, daß ein Cr-Gehalt von mehr als 20 Gew.% zu unerwünschten Beschränkungen in den Kaltbearbeitungsmöglichkeiten in Kombination mit Defekten in der Komstruktur führt und daß ein Cr-Bereich von 13-18 Gew.% besonders günstig ist. Mit den Legierungen gemäß der US-A-3 922 182 lassen sich bei Gleitschienen Kombinationen von geringer Verformung unter Druckbeanspruchung, hoher Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß durch Abrieb, hohem Widerstand gegen Oxidieren bzw. Verzundern und hohem Widerstand gegen Anschweißen von Knüppeln nicht erfüllen.

Die in der US-A-3 874 938 geoffenbarte Legierung enthält Mo, W, Nb, Ta, V, Zr usw., die in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht enthalten sind. Außerdem ist in dieser Veröffentlichung kein Hinweis enthalten, daß die Weglassung dieser Elemente eine Legierung ergibt, die als Material für Industrieöfen-Gleitschienen geeignet ist.

Auch die Legierung gemäß der EP-A1-0 197 347 enthält Ta, Nb, Mo, W, Hf usw., welche in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht enthalten sind. Auch hier ist kein Hinweis enthalten, daß die Weglassung dieser Elemente eine Legierung ergibt, die als Material für Industrieöfen-Gleitschienen geeignet ist.

Die EP-A2-0 223 196 offenbart nur das Verfahren zur Herstellung einer Eisenlegierung, die darin dispergierte, nicht metallische Bestandteile enthält. Auch in dieser Veröffentlichung ist keinerlei Hinweis oder Anregung für die Gleitschiene gemäß der vorliegenden Erfindung zu finden.

Die US-A-3 446 679 offenbart eine dispersionsverstärkte Ni-Cr Folie. Die Legierung enthält weder Ti noch AI; auch in dieser Veröffentlichung ist keinerlei Hinweis auf Gleitschienen enthalten.

Auch in den Patent Abstracts of Japan, unexamined applications, C-field, 13. September 1985, The Patent Office japanese Government Nr. 60-89 516 (A) (DAIDO...); Japanese Patent Reports, Section Ch:Vol.84 No.10, examined, 6.April 1984, Derwent Publications LTD London, J8 40 096 10-B (INT NICKEL CO) und Vol. 81 No.37, 9.0ktober 1981, J 8 103 8665 (INT NICKEL) findet sich keinerlei Hinweis auf Gleitschienen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Gleitschienen für Wärmeöfen zu schaffen, die nicht nur hohe Formbeständigkeit bei hohen Temperaturen, Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit und Schlagfestigkeit aufweisen, sondern auch gute Oxidationsbeständigkeit durch Anwendung der Technologie der Verstärkung der hitzebeständigen Superlegierungen mit dispergierten feinen Oxidteilchen besitzen.

Die erfindungsgemäße Gleitschiene ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Gleitelemente eine mit einer Oxiddispersion verstärkte Superlegierung ist, die mehr als 20 Gew.-% und maximal 40 Gew.-% Cr, bis zu 5 Gew.-% Fe, bis zu 5 Gew.-% AI, bis zu 5 Gew.-% Co, bis zu 5 Gew.-% Ti sowie als Rest Ni und 0,1 bis 2 Gew.-% feiner Teilchen enthält, die aus einem oder mehreren in der austenitischen Matrix dispergierten Metalloxiden mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Y2O3, ZrÜ2 oder AI2O3 bestehen. 2

AT 398 244 B

Bevorzugt ist erfindungsgemäß das Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt Y2O3.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleitschiene dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Gleitelemente eine mit einer Oxiddispersion verstärkte Superlegierung, die mehr als 20 Gew.-% und maximal 40 Gew.-% Cr, bis zu 1 Gew.-% Fe, bis zu 1 Gew.-% AI, bis zu 1 Gew.-% Ti, sowie als Rest Ni und 0,1 bis 2 Gew.-% feiner Teilchen enthält, die aus einem oder mehreren in der austenitischen Matrix dispergierten Metalloxiden mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Y2O3, ZrÜ2 oder AI2O3 bestehen.

Bevorzugt ist dabei erfindungsgemäß das Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt Y2O3.

Die Fig. 1 bis 3 stellen eine typische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleitschiene dar: Fig. 1 ist eine Draufsicht: Fig. 2 stellt einen Aufriß dar; und Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht; die Fig. 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleitschiene: Fig. 4 ist eine Draufsicht entsprechend Fig. 1; und Fig. 5 ist ein Aufriß entsprechend Fig. 2.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich, ist eine typische Ausführung der Erfindung eine Gleitschiene 1A für Industrieöfen, die aus einem wassergekühlten Gleitrohr 2 besteht, auf welchem Metallsättel 3A aufgeschweißt sind, wobei Gleitelemente 4A an den Sätteln befestigt und alle Teile mit Ausnahme der Gleitelemente 4A mit einem hitzebeständigen bzw. feuerfesten Isoliermaterial 5 bedeckt sind.

Eine andere Ausführungsform der Gleitschiene gemäß der Erfindung ist die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Gleitschiene 1B, die zylindrische Sättel 3B verwendet, an denen knopfförmige Gleitelemente 4B befestigt sind.

Um die vorstehend angeführte, mit einer Oxiddispersion verstärkte Superlegierung herzustellen, wird mit Erfolg die sogenannte mechanische Legierungstechnologie angewendet, die von INCO (The International Nickel Co., Inc.) entwickelt wurde. Die Technologie umfaßt das feine Vermahlen und Mischen von Metallbestandteilen und Feinkristallen eines Metalloxids mit hohem Schmelzpunkt in einer hochkinetischen Kugelmühle, um eine innige und einheitliche Mischung aus sehr feinen Teilchen der Bestandteile zu erhalten. Die durch mechanisches Legieren hergestellte Mischung wird dann verdichtet und mittels Heißextrudieren oder heißem isostatischem Pressen gesintert und nach Bedarf maschinell bzw. spanabhebend zum Gleitelement verarbeitet.

Im allgemeinen sind mit Oxiddispersionen verstärkte Superlegierungen selbst bei hohen Temperaturen stabil und die vorstehend angeführten bekannten Legierungen weisen Legierungszusammensetzungen auf, die sie geeignet für die Verwendung als Turbinenschaufeln (japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-38665) oder Siebbänder (japanische Patentveröffentlichung Nr. 59-9610) machen. Die bekannten Legierungen sind jedoch nicht als Material für die Gleitschiene geeignet. Durch Verwendung der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen, mit einer Oxiddispersion verstärkten Superlegierung ist es möglich, wie nachstehend in den Arbeitsbeispielen beschrieben wird, außer der Hitzebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, die den Bedingungen in Wärmeöfen entsprechen, auch eine hohe Komoressionskriechfestigkeit zu erzielen und damit dauerhafte Gleitschienen zu schaffen.

Die Gründe für die Wahl der Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Superlegierung sind folgende:

Cr: 18-40 %

Wenn der Gehalt an Cr unter der unteren Grenze liegt, wird die erforderliche Hitzebeständigkeit nicht erreicht. Wenn anderseits die obere Grenze überschritten wird, wird es schwierig, die austenitische Struktur zu erhalten. Der bevorzugte Bereich des Cr-Gehaltes ist 20-40 %, insbesondere 25 - 35 %.

Fe: bis zu 5%

Der Gehalt an Fe ist vorzugsweise auf 1 % oder weniger beschränkt. Eine Superlegierung mit einem höheren Fe-Gehalt, und zwar von bis zu 5 %, kann als Material für die erfindungsgemäße Gleitschiene ebenfalls verwendet werden. Daher kann auch Schrott als Rohmaterial für die Superlegierung eingesetzt werden. AI: bis zu 5 %, Ti: bis zu 5 %

Bei üblichen Gleitschienen kann der Gehalt an diesen Bestandteilen in der Superlegierung 1 % oder weniger betragen. Wenn jedoch die Oxidationsbeständigkeit erhöht werden soll, z.B. für eine Gleitschiene, die in Wärmeöfen mit einer Atmosphäre von verhältnismäßig hohem 02-Gehalt (bis zu mehreren Prozent) verwendet wird, zeigt eine weitere Zugabe dieser Bestandteile von bis zu 5 % verbesserte Ergebnisse. Die 3

AT 398 244 B

Zugabe höherer Mengen bewirkt eine Vermehrung von schädlichen großen Einschlüssen.

Co: bis zu 5 %

Die Zugabe von Co in einer Menge von bis zu 5 % ist nützlich für die Erhöhung der Warmfestigkeit der Legierung.

Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt: 0,1 - 2 %

Das am meisten bevorzugte Metalloxid ist Y203. Bei Gleitschienen, die in Wärmeöfen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (bis zu etwa 1200*C) verwendet werden, kann ein Teil oder die gesamte Menge an Y2O3 durch ZrC>2 oder AI2O3 ersetzt werden. Selbstverständlich ist auch die Kombination von zwei oder drei der Verbindungen Y2O3, Zr02 und AI2O3 möglich. Der Gehalt an Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt sollte 0,1 % oder mehr betragen, da sonst die Stabilisierungswirkung auf die Superlegierung bei hohen Temperaturen nicht zufriedenstellend ist; bei steigendem Gehalt verringert sich die Wirkung bei etwa 1 % und erreicht ihr Maximum bei 2 %. Es sollte daher ein geeigneter Gehalt in diesem Bereich gewählt werden.

BEISPIEL

Mit Oxiddispersion verstärkte Superlegierungen der INCONEL ALLOY MA758 Gruppe mit der in Tabelle 1 angeführten Zusammensetzung (Gew.-%, die verbleibende Menge aus Ni bestehend) wurden nach dem vorstehend beschriebenen mechanischen Legierungsverfahren hergestellt und die Legierungen wurden heißextrudiert und maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet, um Versuchsmaterialien zu ergeben.

Die vorstehend erhaltenen Materialien und ein herkömmliches Gleitschienenmaterial, "TH101", (0,1 C-32Cr-2l Ni-23Co-2,5W-Zr) wurden einer Kompressionsprüfung bei sehr hohen Temperaturen unterworfen, um die Dauerhaftigkeit als Material für die Gleitschiene zu bestimmen. Die Verformung (%) der Materialien unter verschiedenen Prüfbedingungen ist aus Tabelle 2 ersichtlich. TABELLE 1

Nr. C Fe Cr AI Ti Co Metalloxid 1 0.05 1.0 30 0.3 0.5 - Y2O3 0.6 2 0.05 2.1 19 1.0 3.0 4.1 Y2O3 0.8 3 0.05 1.9 25 0.5 1.7 2.4 Y2O3 0.7 Zr02 0.2 4 0.05 0.9 33 0.5 0.4 - Y2O3 0.8 AI2O3 0.3 4

Claims

AT 398 244 B TABELLE 2 Legierung Prüfbedinounaen Zeitraum (Stunden) 10 20 30 40 60 80 TH1Q1 1200°C 2 0.9kg/nm 3.62 4.94 9.95 13.2 No. 1 0.06 0.13 0.20 0.26 TH101 1250°C 2 0.6kg/na 4.72 7.21 9.83 O « »—* 0.11 0.23 0.34 TH101 130Q°C 2 0.4kg/cn 2.31 4.43 6.14 No. 1 0.09 0.19 0.28 No.
2 0.08 0.16 0.23 No. 3 0.07 0.15 0.22 No. 4 0.09 0.18 0.26 Aus dem Beispiel der Legierung Nr. 1, bei 1300' C, Beanspruchung 0,4 kg/mm1 und 30 Stunden, ist ersichtlich, daß die Verformung des herkömmlichen Materials 6,14 % erreichte, im Gegensatz dazu die Verformung des erfindungsgemäßen Materials jedoch nur 0,28 % betrug. Bei der praktischen Verwendung betrug die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Gleitschiene in den Durchwärmzonen von Stahlwärmeöfen mehr als das Zehnfache der von herkömmlichen Produkten. Im Fall der Legierungen Nr. 3 und 4, bei denen eine Teilmenge des Y2O3 durch ZrCh oder AI2O3 ersetzt wurde, war das Ausmaß der Verformung im Vergleich zur Verwendung von Y2O3 allein selbst bei längeren Prüfzeiten geringer und die Betriebsleistung weit höher als die des herkömmlichen Materials. Es wird weiters angenommen, daß selbst wenn die gesamte Menge an Y2O3 durch ZrC>2, AI2O3 oder eine Kombination derselben ersetzt wird, die entstandene, durch Oxiddispersion verstärkte Superlegierung bei verhältnismäßig geringen Wärmeofentemperaturen von etwa 1200 · C verwendet werden kann. Die erfindungsgemäße Gleitschiene zeigt bei Verwendung in veschiedenen Öfen für die Heißverarbeitung von Stahl ausgezeichnete Eigenschaften der Formbeständigkeit bei Hitze, Oxidationsbeständigkeit, Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit und Wärmeschockfestigkeit und besitzt daher eine lange Lebensdauer. Dadurch wird die Wartungsarbeit an Wärmeöfen verringert und der kontinuierliche Betrieb derselben erleichtert, sodaß durch Einsparungen an Energie- und Wartungskosten die Kosten der Heiß- bzw. Glühbehandlung von Stahl gesenkt werden. Patentansprüche 1. Gleitschiene für Industrieöfen, die aus einem wassergekühlten Gleitrohr besteht, auf welchem Metallsättel aufgeschweißt sind, wobei Gleitelemente an den Sätteln befestigt und alle Teile mit Ausnahme der Gleitelemente mit einem hitzebeständigen bzw. feuerfesten Isoiiermaterial bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Gleitelemente eine mit einer Oxiddispersion verstärkte Superlegierung ist, die mehr als 20 Gew.-% und maximal 40 Gew.% Cr, bis zu 5 Gew.-% Fe, bis zu 5 Gew.-% AI, bis zu 5 Gew.-% Co, bis zu 5 Gew.-% Ti sowie als Rest Ni und 0,1 bis 2 Gew.-% feiner Teilchen enthält, die aus einem oder mehreren in der austenitischen Matrix dispergierten Metalloxiden mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Y2O3, ZrOz oder AI2O3, bestehen. 5 1 Gleitschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt Y2O3 ist. AT 398 244 B
3. Gleitschiene für Industrieöfen, die aus einem wassergekühlten Gleitrohr besteht, auf welchem Metallsättel aufgeschweißt sind, wobei Gleitelemente an den Sätteln befestigt und alle Teile mit Ausnahme der Gleitelemente mit einem hitzebeständigen bzw. feuerfesten Isoliermaterial bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Gleitelemente eine mit einer Oxiddispersion verstärkte Superlegierung ist, die mehr als 20 Gew.-% und maximal 40 Gew.-% Cr, bis zu 1 Gew.-% Fe, bis zu 1 Gew.-% AI, bis zu 1 Gew.-% Ti sowie als Rest Ni und 0,1 bis 2 Gew.-% feiner Teilchen enthält, die aus einem oder mehreren in der austenitischen Matrix dispergierten Metalloxiden mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Y203, Zr02 oder AI2O3, bestehen.
4. Gleitschiene nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid mit hohem Schmelzpunkt Y2O3 ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 6