-
Die Erfindung betrifft die Verwendung
einer verformbaren, ferritischen Stahllegierung.
-
Derartige Legierungen werden unter
anderem zur Herstellung von elektrischen Heizelementen und Katalysatorträgern verwendet.
Diese Werkstoffe bilden eine dichte, festhaftende Aluminiumoxidschicht,
die sie vor Zerstörung
schützt.
Dieser Schutz wird verbessert durch Zugaben von sogenannten reaktiven
Elementen wie beispielsweise Ca, Ce, La, Y, Zr, Hf, Ti, Nb, die
die Haftfähigkeit
verbessern und/oder das Schichtwachstum verringern, wie es im „Handbuch
der Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Ralf Bürgel, Vieweg Verlag, Braunschweig
1998", ab Seite
274 beschrieben wird.
-
Die Aluminiumoxidschicht schützt den
metallischen Werkstoff vor schneller Oxidation. Dabei wächst sie
selbst, wenn auch sehr langsam. Dieses Wachstum findet unter Verbrauch
des Aluminiumgehaltes des Werkstoffes statt. Ist kein Aluminium
mehr vorhanden, so wachsen andere Oxide (Chrom- und Eisenoxide). Der
Metallgehalt des Werkstoffes wird sehr schnell verbraucht und der
Werkstoff versagt. Die Zeit bis zum Versagen heißt Lebensdauer. Eine Erhöhung des
Aluminiumgehaltes verlängert
somit die Lebensdauer.
-
In der
DE-A 19928842 wird eine
Legierung mit (in Masse-%) 16 bis 22 % Cr, 6 bis 10 % Al und Zugaben
von 0,02 bis 1,0 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,02 bis 0,1 % Hf, 0,02 bis
0,1 % Y, 0,001 bis 0,01 % Mg, max. 0,02 % Ti, max. 0,03 % Zr, max.
0,02 SE, max. 0,1 % Sr, max. 0,1, max. 0,5 % Cu, max. 0,1 % V, max.
0,1 % Ta, max. 0,1 % Nb, max. 0,03 % C, max. 0,01 % N, max. 0,01
% B, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für die Verwendung
als Trägerfolie
für Abgaskatalysatoren,
als Heizleiter, als Bauteil im Industrieofenbau und in Gasbrennern
beschrieben.
-
In der
EP-B 0387670 wird eine Legierung mit (in Masse-%)
20 bis 25 % Cr, 5 bis 8 % Al und Zugaben von 0,03 bis 0,08 % Yttrium
0,004 bis 0,008 % Stickstoff, 0,020 bis 0,040 % Kohlenstoff, sowie
zu etwa gleichen Teilen 0,035 bis 0,07 % Ti und 0,035 bis 0,07 %
Zirkonium, und max. 0,01 % Phosphor, max. 0,01 % Magnesium, max.
0,5 % Mangan, max. 0,005 % Schwefel, Rest Eisen angesprochen, wobei
die Summe der Gehalte an Ti und Zr in % 1,75 bis 3,5 mal so groß ist, wie
die Summe der Gehalte an C und N in Masse % sowie erschmelzungsbedingte
Verunreinigungen. Ti und Zr kann ganz oder teilweise durch Hafnium
und/oder Tantal oder Vanadium ersetzt werden.
-
In der
EP-B 0290719 wird eine Legierung mit (in Masse-%)
12 bis 30 % Cr, 3,5 bis 8 % Al, 0,008 bis 0,10 % Kohlenstoff, max.
0,8 % Silizium, 0,10 bis 0,1 % Mangan, max. 0,035 % Phosphor, max.
0,020 % Schwefel, 0,1 bis 1,0 % Molybdän, max. 1 % Nickel, und den
Zusätzen
0,010 bis 1,0 % Zirkonium, 0,003 bis 0,3 % Titan und 0,003 bis 0,3
% Stickstoff, Kalzium plus Magnesium 0,005 bis 0,05 %, sowie seltene
Erdmetalle von 0,003 bis 0,80 %, Niob von 0,5 %, Rest Eisen mit üblichen
Begleitelementen beschrieben, die zum Beispiel als Draht für Heizelemente
für elektrisch
beheizte Öfen
und als Konstruktionswerkstoff für
thermisch belastete Teile sowie als Folie zur Herstellung von Katalysatorträgern verwendet
wird.
-
In der
US-A 4277374 wird eine Legierung mit (in Masse-%)
bis zu 26 % Chrom, 1 bis 8 % Aluminium, 0,02 bis 2 % Hafnium, bis
zu 0,3 % Yttrium, bis zu 0,1 % Kohlenstoff, bis zu 2 % Silizium,
Rest Eisen, mit einem bevorzugten Bereich von 12 bis 22 % Chrom
und 3 bis 6 % Aluminium abgehandelt, die als Folie zur Herstellung
von Katalysatorträgern
Verwendung findet.
-
Die obigen Druckschriften gehen von
traditionellen Herstellungsverfahren, nämlich dem konventionellen Gießen der
Legierung und dem anschließenden
Warm- und Kaltverformen aus. Da diese Verfahren mit hohen Ausfällen u.
a. durch Versprödungserscheinungen
beim Warmwalzen verbunden sind, wurden in den letzten Jahren Alternativen
entwickelt, bei welchen ein Chrom-Stahl, der reaktive Elemente enthält, mit
Aluminium oder auch Aluminium-Legierungen beschichtet wird. Derartige
Verbundwerkstoffe werden dann an Enddicke gewalzt und anschließend diffusionsgeglüht, wobei
bei Einstellung geeigneter Glühparameter
ein homogener Werkstoff entsteht.
-
Derartige Verfahren sind beispielsweise
in den Druckschriften
EP-B
0640390 ,
EP-B 0204423 und
WO 99/18251 beschrieben worden und sind hervorragend geeignet, die
Verarbeitungsprobleme, für
die Anwendungen zu verringern, wo ein hoher Aluminiumgehalt technisch
erforderlich ist und die Anwendung in Form von Folie oder Band erfolgt.
-
Eine andere Möglichkeit die Ausfälle und
die Kosten durch die Versprödungserscheinungen
zu verringern, wird bei dem Einsatz von Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen für Haushaltsgeräte wie z.
B. Toaster, Haartrockner, u. ä.,
praktiziert, die in der Regel bei geringeren Temperaturen unterhalb
von 800°C
eingesetzt werden und sehr stark unter Kostengesichtspunkten produziert
werden. Da hier der Einsatz in der Regel in Form von Draht erfolgt,
sind die beschriebenen Lösungen
durch Beschichten nicht möglich.
Dort werden auf Grund der geringeren Temperaturbelastungen Legierungen
mit (in Masse-%) einem verringerten Aluminiumgehalt von unter 5
% eingesetzt, wie z. B. eine Legierung mit ca. 14,5 % Cr, ca. 4,5
% Al, Zugaben von reaktiven Elementen, Rest Eisen, wie sie in der
DIN Norm 17470 in Tabelle 3 mit 14 % Chrom und 4 % Aluminium, Rest
Eisen (Cr Al 14 4) beschrieben ist und produziert wird, wie aus „Drähte von
Krupp VDM für
die Elektroindustrie",
Druckschrift N563, Ausgabe November 1998 auf Seite 24, Werkstoff
Aluchrom W, mit 14 bis 16 % Chrom, 3,5 bis 5,0 % Aluminium, max.
0,08 % Kohlenstoff, max. 0,6 % Mangan, max. 0,5 % Silizium, max.
0,3 % Zirkonium, andere erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
Rest Eisen bekannt ist. Diese Legierung dient im folgenden als Vergleichslegierung
und wird kurz mit Cr Al 14 4 bezeichnet.
-
Die Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung
Cr Al 14 4 läßt sich
zwar durch den auf ca. 4 bis 4,5 Masse % abgesenkten Aluminiumgehalt
leichter fertigen, als die oben beschriebene Legierungen mit über 5 Masse
% Aluminium. Sie zeigt aber immer noch Versprödungserscheinungen, die zu
einem erhöhten
Fertigungsaufwand bei der Warmformgebung führen.
-
Bisher war es Stand der Technik,
dass in Fe Cr Al Legierungen mit circa 14 bis 15 Masse % Chrom ein
Mindestgehalt von circa 4 Masse % Al benötigt wird, um eine schützende Aluminiumoxidschicht,
aufzubauen, wie es zum Beispiel in „Handbuch der Hochtemperatur-Werkstofftechnik,
Ralf Bürgel,
Vieweg Verlag, Braunschweig 1998" auf
Seite 272 in Bild 5.13 gezeigt wird.
-
Der
GB-A 476,115 ist eine Eisenlegierung, insbesondere
einsetzbar als elektrischer Widerstand, zu entnehmen, die folgende
Elemente beinhaltet: 6,1–30
% Cr, 3–12
% Al, 0,07–0,2
% C, ≤ 4
% Ti, Rest Fe sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Der
Ti-Gehalt ist hierbei dergestalt an den C-Gehalt gebunden, daß er nicht
weniger als das 3-fache des C-Gehaltes betragen soll. Bevorzugte
Bereiche für
Cr sind > 8 %, für Al > 5 %, für C > 0,085 %.
-
In der
DE-A 196 52 399 ist ein
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Metallverbundfolie
sowie deren Verwendung beschrieben. Die Metallverbundfolie beinhaltet
eine Trägerschicht
aus ferritischem Stahlband, das beidseitig mit einer Außenschicht
aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung versehen ist. Die Trägerschicht
wird aus einer Legierung gebildet, mit (in Masse-%) 16–25 % Cr,
Seltenen Erden, Y oder Zr in Gehalten zwischen 0,01–0,1 %,
Fe Rest. Ferner kann Al in Gehalten zwischen 2 und 6 % hinzulegiert
werden. Bevorzugte Cr-Gehalte
sind oberhalb von 20 % angesiedelt.
-
Schließlich offenbart die
EP-A 0 402 640 eine
rostfreie Stahlfolie als Trägerelement
für Katalysatoren sowie
deren Herstellung. Die Folie wird gebildet aus einer Legierung folgender
Zusammensetzung (in Masse-%): 1,0–20 % Al, 5–30 % Cr, bis zu 2 % Mn, bis
zu 3 % Si, bis zu 1 % C, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Bevorzugte Bereiche für
Al liegen zwischen 5,5 und 20 %. Des weiteren können Y, Sc oder Seltene Erden
in Grenzen bis 0,3 % hinzulegiert werden, wobei auch mindestens
eines der Elemente Ti, Nb, Zr, Hf, V, Ta, Mo, W in Gehalte bis zu
2 % vorgesehen sein kann. Gehalte < 4
% Al bedingen hierbei Cr-Gehalte > 25 %.
-
Der
FR-A 724 561 ist eine Legierung zu entnehmen,
die folgende Zusammensetzung aufweisen kann und die auch für einen
Heizleiter einsetzbar ist: 23 % Cr, 71 % Fe, 4 % Si, 2 % Al. Reaktive
Elemente sind hier nicht angesprochen.
-
In der
US-A 2,635,164 wird eine elektrische Heizeinrichtung
abgehandelt, die einen mehrschichtigen Aufbau beinhaltet. Eines
der Bestandteile kann aus folgender Zusammensetzung bestehen: 15–25 % Cr,
3–6 %
Al, 0–3
% Co, Rest Fe. Auch hier sind keine reaktiven Elemente angesprochen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
für einen
konkreten Anwendungsfall eine kostengünstige Eisen-Chrom-Aluminium
Legierung bereitzustellen, die eine ähnliche oder bessere Lebensdauer
wie Cr Al 14 4 hat, aber eine noch geringere Sprödigkeit und damit verbesserte
Umformbarkeit aufweist, zugleich aber die gleiche technische Funktionalität wie Cr
Al 14 4 hat.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung mit hoher Lebensdauer, mit
(in Masse-%) > 2 bis
3,6 % Aluminium und > 10
bis < 20 % Chrom
sowie Zugaben von 0,1 bis 1 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,01 bis 0,2 %
Yttrium und/oder 0,01 bis 0,2 % Hf und/oder 0,01 bis 0,3 % Zr, max. 0,01
% Mg, max. 0,01 % Ca, max. 0,08 % Kohlenstoff, max. 0,04 % Stickstoff,
max. 0,04 % Phosphor max. 0,01 % Schwefel, max. 0,05 % Kupfer und
jeweils max. 0,1 % Molybdän
und/oder Wolfram sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, Rest
Eisen, als Heizleiter in einem Heizelement.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der
verwendeten Legierung und ihrem Verwendungszweck sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
-
Bevorzugt kann der Al-Gehalt in Grenzen
von 2,5–3,55
% und der Cr-Gehalt in Grenzen von 13–17 % eingestellt werden.
-
Eine Verringerung der Sprödigkeit
läßt sich
am effektivsten durch Verringerung des Aluminiumgehaltes erreichen.
Dies hat allerdings den Nachteil, dass der spezifisch elektrische
Widerstand sich auch verringert und die Lebensdauer abnimmt.
-
Die Sprödigkeit wird ebenfalls durch
Chrom, Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff erhöht, weshalb auch diese Elemente
so niedrig wie möglich
gehalten werden sollten.
-
Die gleiche technische Funktionalität für einen
Heizleiter, der zur elektrischen Erzeugung von Wärme dient, erreicht man, wenn
die Oberflächenleistung,
die Leistung am Heizelement, der Gesamtwiderstand des Heizelementes
und die Lebensdauer des Heizelementes bei einer wie auch immer gearteten
Veränderung
des Werkstoffes konstant bleibt.
-
Verringert man nun bei konstanter
Oberflächenleistung,
konstanter Leistung und konstantem Widerstand den spezifisch elektrischen
Widerstand, so muss man, um obige Bedingungen einhalten zu können, den Durchmesser
des Drahtes verringern und die Drahtlänge um den gleichen Prozentsatz
wie den Durchmesser erhöhen.
Insgesamt verringert sich das Volumen damit um diesen Prozentsatz.
Das heißt,
man spart Material bei Verringerung des spezifischen elektrischen
Widerstandes. Dies ist auch in H. Pfeifer, H. Thomas, Zunderfeste
Legierungen, Springer Verlag, Berlin 1963, auf Seite 387 nachzulesen.
-
Folgende Rechnung demonstriert diesen
Sachverhalt:
Es werden bei Drähten die Durchmesser-, Längen- und
Gewichtsänderung
bei Austausch des Werkstoffs A durch B berechnet, wobei Oberflächenleistung,
Leistung und Widerstand konstant gehalten werden.
-
Es gelten mit den obigen Randbedingungen
folgende Formeln
-
-
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung
als Draht, z. B. für
ein Heizelement mit einem nach
veränderten
Durchmesser D
B und einer nach
veränderten
Längen
L
B, wird bei dem Draht mit dem spezifischen
elektrischen Widerstand ρ
B, der im Vergleich zu dem aus einer Legierung
A mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ
A, dem
Durchmesser D
A und der Länge L
A,
die gleiche Funktionalität
hat, jedoch, wenn ρ
B kleiner als ρ
A ist
und näherungsweise γ
A ≅ γ
B,
eine um
geringere
Materialmenge einer Legierung B benötigt.
-
Beispiel:
-
- Material A: ρA = 1,25 Ωmm2/m
Material B: ρB =
1,05 ΩmmZ/m
DB/DA = 0,94; d. h. Verringerung des Durchmessers
um 6 Masse
LB/LA =
1,06; d. h. Erhöhung
der Länge
um 6 Masse
MB/MA =
0,94; d. h. Verringerung des Gewichts um 6 Masse %
wobei für diese
beispielhafte Vorüberlegung
für die
Dichten noch γA ≅ γB angenommen
wird. Die Gültigkeit
dieser Annahme ist im konkreten Fall zu prüfen.
-
Dieser Weg wurde aber bisher nicht
beschritten, weil mit der Verringerung des Durchmessers eine Reduzierung
der Lebensdauer einher geht.
-
Im folgenden wird die Lebensdauerverringerung
durch Verringerung des Drahtdurchmessers abgeschätzt:
Nach I. Gurrappa,
S. Weinbruch, D. Naumenko, W. J. Quadakkers, Materials and Corrosions
51 (2000), Seiten 224 bis 235 lässt
sich die Lebensdauer t eines Drahtes berechnen zu
- γ = Dichte der Legierung
- C0 = Aluminiumkonzentration der Legierung
vor Beginn der Oxidation bzw. des Einsatzes einer Heizwendel
- CK = kritische Aluminiumkonzentration
bei der die „Break
away" Oxidation,
das heißt
die Bildung anderer Oxide als der Aluminiumoxide, startet. Dies
zeigt das Ende der Funktionsfähigkeit
eines Heizleiters an und führt
zum schnellen Durchschmelzen des Heizleiters und ist somit als Lebensdauerende
anzusehen ist.
- k = Oxidationskonstante
- n = Oxidationsratenexponent, mit einer Größe von circa 0,5
-
Die Oxidationskonstante k ist ein
Maß für die Qualität der Oxidschicht.
Bei einer Oxidschicht mit sehr guter Schutzwirkung, ist k kleiner
als bei einer schlechteren Oxidschicht. Je kleiner k ist, desto
größer ist
die Lebensdauer.
-
Verringert man, wie in der obigen
Vorüberlegung,
nun bei einer Legierungen den Drahtdurchmesser um den Faktor 0,94,
so verringert sich die Lebensdauer, da die Oxidationskonstante k,
die Dichte γ,
C
0 und C
K unverändert bleiben,
wie folgt:
- mit t1 =
Lebensdauer beim größerem Drahtdurchmesser
D1.
- und t2 = Lebensdauer beim kleineren
Drahtdurchmesser D2.
-
Das heißt eine Legierung mit gleicher
Funktionalität
müsste
eine mindestens 12% größere Lebensdauer
haben, um den Nachteil des geringeren Drahtdurchmessers zu kompensieren.
Darüber
hinausgehende Lebensdauern bieten noch zusätzlich den Vorteil einer längeren Lebensdauer,
das heißt
eine verbesserte Funktionalität.
-
Überraschenderweise
zeigte es sich, dass Legierungen mit (in Masse-%) > 2 bis 3,6 % Aluminium
und > 10 bis 20 %
Chrom, und Zugaben von 0,1 bis 1 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,01 bis 0,2
% Yttrium, und/oder 0,01 bis 0,2 % Hf und/oder 0,01 bis 0,3 % Zr,
max. 0,01 % Mg, max. 0,01 % Ca, max. 0,08 % Kohlenstoff, Rest Eisen
und den üblichen
verfahrensbedingten Verunreinigungen eine wesentlich bessere Lebensdauer
aufweisen, als die bisher eingesetzte Legierung mit circa 14,5 %
Cr, circa 4,5 % Al, und Zugaben von max. 0,3 % Zirkonium, max. 0,08
% Kohlenstoff, max. 0,6 % Mangan, max. 0,5 % Silizium, Rest Eisen
und andere erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
-
Der Erfindungsgegenstand ist neben
Heizleitern für
Heizelemente, z. B. einem Haushaltsgerät, oder als Konstruktionswerkstoff
im Ofenbau auch als Folie, beispielsweise als Trägerfolie für Katalysatoren einsetzbar.
-
Die Vorteile der Erfindung werden
in den folgenden Beispielen näher
erläutert:
-
In Tabelle 1 sind verschieden Eisen-Chrom
Aluminium-Legierungen zusammengestellt, wobei die Tabelle sowohl
großtechnisch
als auch labormäßig erschmolzene
Chargen enthält.
-
Für
Heizelemente (Heizleiter) in Form von Draht sind beschleunigte Lebensdauertests
zum Vergleich von Werkstoffen untereinander zum Beispiel mit folgenden
Bedingungen möglich:
Der
Test wird an Drähten
mit dem Durchmesser 0,40 mm durchgeführt, aus denen Drahtwendeln
mit 12 Windungen, einem Wendeldurchmesser von 4 mm und einer Wendellänge von
50 mm gefertigt werden. Die Drahtwendeln werden zwischen 2 Stromzuführungen
eingespannt und durch Anlegen einer Spannung bis auf 1200°C erhitzt.
Die Erhitzung erfolgt jeweils für
2 Minuten, dann wird die Stromzufuhr für 15 Sekunden unterbrochen.
Am Ende der Lebensdauer versagt der Draht dadurch, dass der restliche
Querschnitt durchschmilzt. Als Lebensdauer wird die Gesamtzeit,
die der Draht erhitzt wurde, ohne die Unterbrechungszeiten angegeben, im
folgenden Brenndauer genannt.
-
Die großtechnische Charge T1 und die
Laborchargen T2 und T3 stellen den Stand der Technik für Cr Al
14 4 dar, mit (in Masse-%) ca. 14,5 % Chrom, 4,5 % Aluminium, ca.
0,3 % Mangan, ca. 0,2 % Silizium und als reaktives Element 0,17
bis 0,18 % Zirkon. Sie haben Lebensdauern von 49 Stunden für die Laborcharge T3,
63 Stunden für
die Laborcharge T2 und 77 Stunden für die großtechnische Charge T1. Die
Chargen H1 bis H6 sind Chargen mit einem Aluminiumgehalt von über 5 Masse
% und unterschiedlichen Beigaben von Silizium; Mangan, Zirkon, Titan,
Hafnium und Yttrium und anderen Beimengungen wie zum Beispiel Kalzium, Magnesium,
Kohlenstoff und Stickstoff. Sie zeigen, wie zu erwarten war, alle
eine deutlich vergrößerte Lebensdauer
im Vergleich zum zu den Chargen T1 bis T3 auf Grund des erhöhten Aluminiumgehaltes.
Unterschiede in der Lebensdauer bei H1 bis H6 sind insbesondere
auf die unterschiedlichen Gehalte an Aluminium, Silizium, Zirkon,
Titan, Hafnium und Yttrium zurückzuführen.
-
Bei der Laborcharge K1 ist im Vergleich
zur Laborcharge nach dem Stand der Technik T2 der Aluminiumgehalt
von 4,5 auf 3,55 Masse-% abgesenkt worden. Die Lebensdauer verringerte
sich damit, wie erwartet, von 63 Stunden auf 34 Stunden.
-
Anders ist dies bei den erfindungsgemäßen mit „E" gekennzeichneten
Chargen L2, L3, M1, M2 und M4. Sie haben im Vergleich zu den Laborchargen
T3 und T2 nach dem Stand der Technik eine um den Faktor 1,5 bis
2 vergrößerte Lebensdauer,
obwohl sie deutlich verringerte Aluminiumgehalte von 2,5 bis 3,6
Masse % enthalten. Ihr gemeinsames Kennzeichen ist, dass sie, neben
Zirkonium noch Yttrium und/oder Hafnium enthalten. Dabei erreicht
Charge L2 mit einem Aluminiumgehalt von (in Masse-%) 2,55 % und
einem Zirkongehalt von 0,05 % und einem Hafniumgehalt von 0,04 %
und einem Yttriumgehalt von 0,02 % eine Lebensdauer von 109 Stunden.
Die Charge L3 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 3,55 % und
einen Zirkongehalt von 0,053 % und einem Hafniumgehalt von 0,042
% und einem Yttriumgehalt von 0,02 % eine Lebensdauer, von 90 Stunden.
Die Charge M1 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,78 % und
einen Zirkongehalt von 0,05 % und einem Hafniumgehalt von 0,03 %
und einem Yttriumgehalt von 0,02 % eine Lebensdauer von 92 Stunden.
Die Charge M2 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,71 % und
einen Zirkongehalt von 0,05 und einem Hafniumgehalt von 0,03 % und
einem Yttriumgehalt von 0,04 % eine Lebensdauer von 126 Stunden.
Die Charge M4 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,8 % und einen
Zirkongehalt von 0,03 % und einem Hafniumgehalt von 0,03 und einem
Yttriumgehalt von 0,03 % eine Lebensdauer von 85 Stunden.
-
Diese Beispiele zeigen, dass mit
ganz geringen Zugaben von Zirkon, Hafnium und Yttrium zu der Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung
auch bei niedrigen Aluminiumgehalten von 2,5 % sehr hohe Lebensdauern, die
denen von Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen
mit über
5 % Aluminium entsprechen, erreicht werden können.
-
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erfindungsgemäße Legierung
Zugaben von 0,01 bis 0,2 % Yttrium, und/oder 0,01 bis 0,2 % Hf und/oder
0,01 bis 0,3 % Zr enthalten muss.
-
Charge L1 zeigt, dass auch bei Zugabe
von Zirkon, Hafnium und Yttrium bei einem Aluminiumgehalt von 1,55
% nur noch eine Lebensdauer von 9,3 Stunden erreicht wird. Auch
Charge M3 hat trotz Zugabe von Zirkon, Hafnium und Yttrium bei einem
Aluminiumgehalt von nur 2,24 % nur noch eine Lebensdauer von 72 Stunden,
die im Bereich der Chargen nach dem Stand der Technik liegen. Die
erfindungsgemäße Legierung sollte
also einen Aluminiumgehalt von mehr als 2 haben.
-
Chromgehalte zwischen 14 und 17 %
haben keinen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer wie der
Vergleich der Zirkon, Hafnium und Yttrium enthaltenden Chargen M1
mit 14,85 % Chrom und 2,78 % Aluminium und Charge L2 mit 16,86 Chrom
und 2,55 % Aluminium zeigt. Allerdings ist ein gewisser Chromgehalt nötig, da
Chrom die Bildung der besonders stabilen und schützenden α – Al2O3 Schicht fördert. Nach H. M. Herbelin,
M. Mantel, Colloque C7, Suppleément
au Journal de Physique III, Vol. 5, Novembre 1995, Seiten C7-365
bis 374 geschieht dies noch bei einem Chromgehalt von 13 %, ein
Chromgehalt von 6 % reicht aber nicht mehr aus.
-
Nach J. Klöwer, Materials and Corrosion
51 (2000), Seiten 373 bis 385 erhöhen Zugaben von Silizium von
circa 0,3 Masse-% und mehr die Lebensdauer durch eine Verbesserung
der Haftung der Deckschicht. Es ist deshalb ein Gehalt von mindestens
0,1 Masse-% Silizium erforderlich.
-
In Tabelle 1 ist die Kerbschlagarbeit
bei Raumtemperatur, 50°C,
100°C und
150°C an
DMV Normproben (Siehe dazu W. Domke, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Verlag
W. Gerardet, Essen, 1981, ab Seite 336) aufgelistet. Die Kerbschlagarbeit
ist bei einem ferritischen Stahl bei dem bei niedrigen Temperaturen
auftretenden Sprödbruch
gering (Tieflage), bei dem bei höheren Temperaturen
duktilen, gut verformbaren Verhalten hoch (Hochlage) mit einem steilen
Anstieg innerhalb weniger Grad von der Tieflage in die Hochlage.
Dabei kann in diesem Bereich die Kerbschlagarbeit stark streuen.
Die Temperatur, bei der der Übergang
von der Hochlage in die Tieflage erfolgt, heißt Kerbschlagübergangstemperatur.
Ein Werkstoff ist zum Beispiel um so spröder, je größer die Korngröße ist oder
bei den Eisen-Chrom-Aluminium-Werkstoffen, je höher der Gehalt an Legierungselementen
wie Aluminium, Chrom, Silizium, Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor
und Schwefel ist. Auf Grund Ihres Herstellungsweges als Laborcharge
haben alle Kerbschlagproben in Tabelle 1 eine sehr große Korngröße von circa
200 bis 400 μm,
was sehr ungünstig
ist. Deshalb befinden sich alle Proben bei Raumtemperatur in der
Tieflage, wobei die Proben mit dem niedrigsten Aluminiumgehalt,
dem niedrigsten Chromgehalt und dem niedrigsten Kohlenstoffgehalt
die höchste
Kerbschlagarbeit haben, wie es die Chargen M1, M2, M3, M4 und L1
zeigen. Die Charge M4 hat eine etwas schlechtere geringere Kerbschlagarbeit
als die Charge M2 mit einem ähnlichen
Aluminium- und Chromgehalt, da diese einen höheren Kohlenstoffgehalt hat.
Die Charge L2 hat eine etwas geringere Kerbschlagarbeit, als die
Charge M2, da sie einen höheren
Chromgehalt hat. Ähnlich
wie Kohlenstoff wirken Stickstoff, Phosphor und Schwefel, deren
Gehalte deshalb vorteilhafterweise gering gehalten werden sollten.
Es zeigt sich, das der Aluminiumgehalt 3,6 % nicht übersteigen
darf, um die versprödenden
Wirkung des Aluminiums so gering wie möglich zu halten.
-
Das gleiche Bild zeigt sich bei den
bei 50°C
und 100°C
gemessenen Kerbschlagarbeiten, nur dass die Verbesserung der Kerbschlagarbeiten
bei den niedrigen Aluminiumgehalten noch ausgeprägter ist und auch die Verringerung
der Kerbschlagarbeit durch einen erhöhten C-Gehalt bei M4 im Vergleich
zu M1 und M2 noch besser zu erkennen ist. Hier ist auch zu erkennen,
dass die Charge M1, die sich von der Charge M2 durch einen höheren Siliziumgehalt
unterscheidet, eine etwas geringere Kerbschlagarbeit hat. Bei 150°C befinden sich
alle Kerbschlagarbeiten in der duktilen Hochlage, wobei die Chargen
M2, M3 und M4 mit einem Aluminiumgehalt von 2,2 bis 2,8 % die höchsten Kerbschlagarbeiten
aufweisen.
-
Zusammenfassend läßt sich sagen, dass das spröde Verhalten
der Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen deutlich
verringert wird durch Absenkung des Aluminiumgehaltes auf unter
3,6 %. Dies wird noch zusätzlich
unterstützt
durch geringe Gehalte an Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor
und Schwefel. Der Kohlenstoffgehalt wird deshalb auf max. 0,08 %,
der Stickstoffgehalt auf max. 0,04 %, der Phosphorgehalt auf max.
0,04 % und der Schwefelgehalt auf max. 0,01 Masse-% begrenzt. Phosphor
und Schwefel wirken sich noch zusätzlich ungünstig auf die Lebensdauer aus,
so dass möglichst
geringe Gehalte an diesen Elementen auch aus dieser Sicht vorteilhaft
sind.
-
Wegen der versprödenden Wirkung sollte auch
der Chromgehalt so niedrig wie möglich
vorgesehen werden. Wegen der Anforderungen an die Lebensdauer kann
der Silizium- und der Chromgehalt nicht auf nahezu Null abgesenkt
werden, sondern muss mindestens 0,1 % Silizium und 10 % Chrom betragen.
Es sollten aber nicht mehr als 20% Chrom und 1 % Silizium zugegeben
werden, um eine möglichst
geringe Sprödigkeit zu
erreichen.
-
Bei Ersatz einer Legierung Cr Al
14 4, wie sie in Tabelle 1 zum Beispiel durch die Chargen T1, T2
und T3 vertreten ist, durch eine erfindungsgemäße Legierung, wie zum Beispiel
durch Chargen M2 oder M4, verringert sich der spezifische elektrische
Widerstand von 1,21 Ωmm
2/m (Legierung A) auf 1,04 Ωmm
2/m. (Legierung B). Gleiche Funktionalität ist nach
dem vorher Gesagtem gewährleistet,
wenn Oberflächenleistung,
Leistung und Widerstand der Heizwendel konstant gehalten werden.
näherungsweise γ
A ≅ γ
B -
Die Dichte der Legierung A ist γ
A =
7,12 g/cm
2, die Dichte der Legierung B ist γ
B =
7,30 g/cm
2. Mit Berücksichtigung der Dichteänderung
ergibt sich das Gewichtsverhältnis
nur unwesentlich größer zu
-
Das heißt die näherungsweise Abschätzung mit γA ≅ γB war
in diesem Fall erlaubt.
-
Die Lebensdauerabschätzung nach
I. Gurrappa, S. Weinbruch, D. Naumenko, W. J. Quadakkers, Materials
and Corrosions 51 (2000), Seiten 224 bis 235 durch Verringerung
des Drahtdurchmessers bei der erfindungsgemäßen Legierung B ergibt
-
Das heißt die erfindungsgemäße Legierung
muss eine mindestens 10% größere Lebensdauer
haben, um den Nachteil des geringeren Drahtdurchmessers zu kompensieren.
Da die erfindungsgemäßen Chargen jedoch
alle eine mindestens 50 % größere Lebensdauer
aufweisen, bringt die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung
noch zusätzlich
den Vorteil einer erhöhten
Lebensdauer.
-
Mangan wird auf 0,5 Masse-% begrenzt,
da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. Das Gleiche
gilt für
Kupfer.
-
veränderten Längen LB, wird bei dem Draht mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρB, der im Vergleich zu dem aus einer Legierung A mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρA, dem Durchmesser DA und der Länge LA, die gleiche Funktionalität hat, jedoch, wenn ρB kleiner als ρA ist und näherungsweise γA ≅ γB, eine um
geringere Materialmenge einer Legierung B benötigt.
näherungsweise γA ≅ γB
