DD298950A5 - Ferritische stahllegierung - Google Patents

Abstract

Es wird eine warmverformbare, ferritische Stahllegierung mit 20 bis 25% Chrom, 5 bis 8% Aluminium, max. 0,01% Phosphor, max. 0,01% Magnesium, max. 0,5% Mangan, max. 0,005% Schwefel, Rest Eisen, einschlieszlich unvermeidbarer Verunreinigungen, vorgeschlagen, die erfindungsgemaesz noch 0,03 bis 0,08% Yttrium, 0,004 bis 0,008% Stickstoff, 0,02 bis 0,040% Kohlenstoff und zu etwa gleichen Teilen 0,035 bis 0,07% Titan, 0,035 bis 0,07% Zirkonium enthaelt, mit der Maszgabe, dasz die Summe der Gehalte an Titan und Zirkonium in Prozent 1,75 bis 3,5 mal so grosz ist wie die Summe der Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff in Prozent. Die Legierung weist deutlich bessere Gebrauchseigenschaften auf als die Basislegierung.{Stahllegierung, warmverformbar, ferritisch; Heizelemente; Katalysatortraeger; Lebensdauer; Warmfestigkeit; Kornwachstum; Yt-, N-, C-, T- und Zr-Zusatz}

Description

einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legiorung noch

0,03 bis 0,08 % Yttrium 0,004 bis 0,008% Stickstoff 0,020 bis 0,040% Kohlenstoff

und zu etwa gleichen Teilen

0,035 bis 0,07% Titan 0,035 bis 0,07% Zirkonium

enthält sowie mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Ti und Zr in Prozent 1,75 bis 3,5mal so groß ist wie die Summe der Gehalte an C und N in Prozent.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zugabemengen von Titan und Zirkonium im Dereich von 0,6 bis 1,4 liegt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Titan und Zirkonium ganz oder teilweise durch Hafnium und/oder Tantal oder Vanadin ersetzt werden.

4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens zwei der Elemente Ti, Zr, Hf, Ta und V zugesetzt worden.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mindestens drei der genannten Elemente verwendet werden.

Hierzu 5 Seiten Zeichnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine wamiverformbare, ferritische Stahllegierung mit

20 bis 25 % Chrom

5 bis 8 % Aluminium

max. 0,01 % Phosphor

max. 0,01 % Magnesium

max. 0,5 % Mangan

max. 0,005% Schwefel Rest Eison,

einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen.

Derartige Legierungen werden zur Herstellung von elektrischen Heizelementen und hochwarmfestcn Katalysatorträgern verwendet. Sie bilden festhaftende Oxidschichton und weisen deswegen eino sehr gute Zunderboständigkeit auf.

Selbstverständlich hat es nicht an Vorsuchen gefohlt, die Basisiusammonsetzung durch Zugabo woiterer Elemente oder durch Reduzierung der unvermeidbaren, herstellungsbedington Verunreinigungen weiter zu verbessern.

So wird beispielsweise in der GB-A-2070642 vorgeschlagen, noch bis zu 2% Yttrium, Hafnium, Zirkonium, Cer oder Lanthan sowie 0,1 bis 2% Titan zuzusetzen, um das Gußgefüye feinkörniger zu machen und die Warmverformbarkeit zu vorbessern. Die Zusätze an Yttrium, Hafnium, Zirkonium und Mischmetall (CE + La) sollen vorzugsweise jeweils bis zu 1 % betragen (Ansprücho 7,8,10 und 11). Diebesten Ergebnisse worden mit 0,34% Ti und 0,46% Nb erzielt (Boi^r iiol B). Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Lehre der GB-A-2070642 noch mit Nachteilen verbunden ist.

Sieht man einmal davoi; ab, daß einige der vorgeschlagenen Zusätzo sehr teuer sind und bei Anteilen ' ; zu 1 % die Wirtschaftlichkeit der Stahllegierung erheblich beeinträchtigen, so ist festzustellen, daß Titan in der vorgeschriebenen Menge zwar eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bewirkt, gleichzeitig aber das Verhalten unter zyklisch wechselnden

Oxidationsbodingungon verschlechtert. Dio Loboiudauor sanV im VIW-T"sf von 5000 Wechseln für djo titonlroio Probo auf 2800 Wechsel für dio Vorglclchsprobo mit 0,47% Titan. Oios ist huf die Amoichorung von Titanoxid in der äußoron Oxidschicht zurückiulühron, die oin Abplatzen dor Oxidschichton vo.ursacht (vgl. Corrosion Scionco, Vol.24, No.7,1984, pp 013 027). Außordcm wurdon boi oinor Probo mit 0,47% Ti In dor Wmmformstufo starko, ungloichmäßlg vortoilto Titankarbidausschoidungon boobachtot, dio stark unterschiedliche mochnnischo Eigenschaften bowirkon und olno oinhoitlicho Knltformgobung orschworon odor gar unmöglich machen.

Dio Zugnbo von Niob bowirkt in forritischon Fo-Cr-Loglorungon nicht nur oinon loichton Anstiog dor 475°C-Vorsprödung (vgl. Boron, Calcium, Columbium and Zirconium in Iron nnd Stool, pogo 199, John Wiloy & Sons, Now York, 196G), sondorn vorschlochtort auch dio Boständigkoit untor zyklisch wochsolndon Oxidationsbodingungon. Mit r.toigondor Tomporotur entstohon vorschiodone Nioboxido (Nb, NbOj, Nb₂O₆), was mit Volumonzunohmo, Wachstumssppnnungon und daraus resultierenden Oxidabplatzungon vorbunclon ist. Außordom ist dio Hochtomporaturvorsion dos Nioboxids nicht sehr stabil, da ihr Schmelzpunkt vergleichsweise niodrig, d.h. boi ca. 1BOO⁰C liegt (vgl. P. Kofstud: High Temperature Oxidation of Metals, pago 215,JohnWiloy&Sons, New York, 1966).

Nach dor EP-BO091 526 onthält die Basislogiorung neben 0,002 bis 0,06% Soltonon Erdon und höchstons 0,0Ί% Phosphor und 0,03% Schwefel noch Zirkonium und Niob zur Stabilisierung und Verbesserung dor Dauorstundfostigkoit. Zr und NL soll· η danach in Abhängigkeit vom Gehalt an Kohlons" H (max. 0,05%) und Stickstoff (max. 0,05%) bis zu 1,068 bzw. 1,928% zugesetzt werden und immer noch bis zu 0,364 bzw. 1,209% Nb, wenn Kohlenstoff und Stickstoff gänzlich fohlon sollton (vgl. Anspruch 1).

Auch nach dieser Lohro horgostollto Stahllogiortingnn woison noch Nachtoilo auf. Sowoit Soltono Erdon zugosotzt worden, muß mit der Bildung relativ niedrig schmolzondor Oxido porochnot wordon, so daß die Stahllegierung nur bis zu bestimmten Höchsttemperaturen anwondbar ist. Auch Phosphorgohalte bis zu 0,04% und Schwefolgohalto bis 0,03% sind nach den Feststellungen der Anmoldorin nicht toloriorbar. Insbesondere nbor müssen boi Zirkongohalten bis ca. 1 % und Niobgohalton bis ca. 2% orhoblicho Nachteile in Kauf genommen wordon. Für Niob ergibt sich das boroits aus den Ausführungen zur GB-A-2070642. Bei höheren Zirkongohalton nimmt dio Vorbossorung dor Oxidationsbeständigkeit rasch ab und vorkehrt sich sogar ins Gegenteil (H.Pfeiffer und H.Thomas: Zundorfosto Legierungen, S.260, Springer-Verlag, 1963). Außordom treten boi Zirkongohalten, die weit oborhalb dos Lösungsvermögens dor forritischen Fe-Matrix liegen, grobdisperse Ausscheidungen von Zirkonnitridon, -karbidon und -karbonnitridon auf, dl· keine nachhaltigo Hemmung des Kornwachstums und keine nennenswerte Festigkeitsstoigorung bowirkon.

Dor Erfindung liogt die Aufgabe zugrunde, die lange bokannto Basislegierung weiter zu verbessern und dabei die Im Stand der Technik gefundenen Ncchtoilo zu vermeiden. Insbesondere soll dos Kornwachstum deutlich eingeschränkt und die Lebensdauer im zyklischen Oxidationstost nennenswort vorbessert wordon. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Legierung mit

20 bis 25 %	Chrom
5 bis 8 %	Aluminium
max. 0,01 %	Phosphor
max. 0,01 %	Magnosium
max. 0,5 %	Mangan
max. 0,005%	Schwofol
Rost	Eisen,

einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, noch

0,03 bis 0,08 % Yttrium 0,004 bis 0,008% Stickstoff 0,020 bis 0,040% Kohlenstoff

und zu otwa gleichen Teilen

0,035 bis 0,07% Titan 0,035 bis 0,07 Zirkonium

onthalt sowie mit der Maßgabe, daß die Summe der Gehalte an Ti und Zr in Prozent 1,75 bis 3,5mal sogroß ist wiodic ^ummo der Gehalte an C und N in Prozent.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in don Unteransprüchen boschrieben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgedankens werden in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 nähor erläutert.

Fig. 1 a u. 1 b: zeigen stark vereinfacht die benutzte Prüfeinrichtung,

Fig. 2: zeigt dio orreichton Lebensdauerworte,

Fig. 3: zeigt dio erreichten Warmfostigkeitswerto,

Fig. 4: zeigt die erreichten Lebunsdauerwerte unter Zugspannung,

Fig. 5a u. 5 b: zeigen Werte für das Ko.'nwachstum bzw. für die Biegezahlen.

Beim VIW-Test worden kleine Prüfwendeln aus 0,4mm dickem Daht durch direkten Stromdurchgang an Luft erhitzt. Die Stromzufuhr wird in ständigem Wechsel für je 2 Minuten ein- und ausgeschaltet. Die dabei erreichte rr.aximale Temperatur wird optisch gemessen und bei gleichbleibender SchaUfrequenz durch Ändotung der angelegton Spannung während der ganzen Prüfdauer konstant gohalton (K. E. Volk: Nickel und Nickellegierungen, S. 145, Springer-Verlag, 1970).

Flg. 1 α zeigt stark voroinfacht oino Einrichtung zur Prüfung dor Lobonsdauor olnos horizontal angoordnoton, schrnubonformig gowickolton Hoizloitors (1), dor ondsoitig in oino HaHoruny (2) oingospannt und mit oinor Spannungsquollo (3) vorbundon ist. Im vorliogondon Fall bostand dor Hoizloitor aus oinor 50mm longon Wondol mit 12 Wirulungon und oinom Innondurchmussor von 3 mm. Dor Drahtdurchmossor botrug 0,4 mm. Dor Hoizloitor wurdo im Wocltsol von jo zwoi Minuten oin- und ausgoschnltot, wobol mittels Strahlungspyromotor ilio wrthrond dor Hoizphaso orreichto Tomporatur berührungslos gomosson und durch Ändorung dor angelegten Spannung auf einen konstanten Wort geregelt wurdo.

Dorartigo Vorsucho worden in normalor Luftotmosphäro bis zum Durchbronnon dos Hoizloitors fortgoführt, woboi dio Anzahl dor Zyklon oin diroktos Maß für dio Lobonsdauor ist. Dio boi allon Workstoffon unvormoidbaro, mohr odor wonigor starke Vorzundorung führt dazu, daß dor für dio Loitung dos oloktrischon Stroms zur Verfügung stohondo metallische Querschnitt im Laufo der Zoit immer kloinor wird, woboi sich dor oloktrischo Widorstand ontsprochond vorgrößort und oino vorgogobono Prüftomperatur boi unvorändortom Schaltrhythmus nur eingehalten worden kann, worin dio Spannung heraufgesetzt wird. Dio vorwondoto Prüfapparatur bosaß oino selbsttätig arboitonde Tomporatur-Regoleinrichtung, so daß dio für dio Hoizphaso vor{|ogobono Prüftomporatur während dor gosamton Prüfdauor bis zum Durchbmnnon unabhängig von der fortschroitondon Verzundorung dos Hoizloitors oingohalton worden konnte

Fig. 1 b zeigt - obonfalls stark voroinfacht - oino Einrichtung zur Prüfung der Lobonsdauor olnos sonkrocht hängenden Heizloitordrahtos (4) von oinom Motor Länge, der mit soinom oboron Endo in oino Haltorung (5) oingospannt, mit oinom variablon Gowicht (6) bulastot und mit oinor Spannungsquolle (7) vorbundon ist.

Mit dieser Einrichtung wurdo oin 0,4mm dicker Hoizloitordraht im Wochsol jo zwoi Minuten oin- und ausgoschaltot. Auch liior wurde, wio boi dor Einrichtung nach Fig. 1 a, dio wahrend der Hoizphase orroichte Temperatur berührungslos gomosson und auf oinon konstanten Wort gorogelt.

Die in den Fig. 2 bis 5 wiodorgogobonon Ergebnisse beziohon sich auf oino Vorgleichslegiorung (Probo 1) und oino erfindungsgemäß modifizierte Legierung (Probe ?) folgondor Zusammensotzung:

Probe 1

Probo 2

Cr	20,10	20,45
Al	4,91	5,05
P	0,009	0,007
Mg	< 0,01	5 0,01
Mn	0,22	0,15
S	0,003	0,002
Y	-	0,04
N	0,010	0,007
C	0,045	0,037
Ti	-	0,07
Zr	0,16	0,06
Fe	Rost	Rest

In Fig. 2 sind die in einer Einrichtung gemäß Fig. 1 a erreichten Lebensdauerworte, ausgedrückt durch die bis zum Durchbrennen erreichte Zyklonzahl, dargestellt. Dabei wurden die Proben jeweils 2 Minuten ein- und ausgeschaltet und dio wahrend dor Heizphase erreichte Tomporatur berührungslos gemossen und durch Ändorung der angelegten Spannung dafür gosorgt, daß während der gesamten Prüfdauor in jodem Zyklus eine konstante Prüftemperatur von 1200'C oingohalton wurdo. Dio Probe 1 hat 5343 Zyklen ausgohalten, während dio Probo 2 erst bei 6213 Zyklen durchgebrannt ist. Das entspricht einor Steigerung von über 15%.

In Fig. 3 sind die ermittelten Warmfestigkeitswerto aufgetragen und man sieht, daß dieerfindungsgomäß modifizierte Legierung im gesamten Temperatur-Prüfbereich höhere Warmfestigkeitswerte aufweist.

Fig. 4 gibt die erreichten Zykluszahlon boi einer Prüfung gomöß Fig. 1b in Abhängigkeit von der aufgebrachten Spannung wieder. Die modifizierte Legierung zeichnet sich durch eine bei allen Belastungen deutlich höhere Lebensdauer aus. Bei einer Spannung von 2N/mm' wird die 6fache, boi 3N/mm² annähernd dio 5fache und boi 4N/mm² immerhin noch dio 3,5fache Lebensdauer erreicht.

Auch die Duklilität eines Werkstoffs nach langzoitigem Einsatz boi hohen Temperaturen ist ein wichtiges Konstruktionsmerkmal. Die Abnahme der Duktilität bei ferritischen Fe-Cr-Al-Legiorungon beruht auf dem starkon Kornwachstum boi hohen Temperaturen. In Fig. 5a sind die Korngrößonworte für die Probo 1 nach 6,5 Tagen Auslagerung boi 950 bis 1050⁰C in pm angegeben (oberer Kurvonzug). Außerdem sind dio Korngrößenwerte für die modifizierte Legierung nach einor Auslagerungszeit von 13 Tagen bei 950,1050 und 1150°C angegeben (unterer Kurvonzug). L^ ist ohne weiteres ersichtlich, daß die modifizierte Legierung selbst bei doppelt so hoher Auslagurungsdauer deutlich feinkörniger ist als die Vergleichslegierung. Es ist daher nicht überraschend, daß die Biegezahlen (Anzahl der Biegungen um 180° bis zum Bruch) gemäß Fig.5b bei der erfindungsgemäß modifizierten Legierung wegen ihres foinkörnigoron Gefüges deutlich höher liegen als die der Vergleichslegiorung für die bei 13 bzw. 6,r. Tagen bei 950,1075 und 1175°C ausgelagerten Probon. Die Gegenüberstellung zeigt, daß die modifizierte Legierung eine wesentlich höhere Duktilität aufweist als die Vergleichslegierung.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. W'imvor formbare, forritischo Stohllogiorting mit

   20 bis

   2Ü
   8

   max. 0,01
   max. 0,01
   max. 0,5

   % Chrom
   % Aluminium
   % Phosphor
   % Magnosium
   % Mangan

   max. 0,005% Schwofol
   Rost Eison,