DE10159408B4

DE10159408B4 - Fe-Cr-Ni-Al-Legierung mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit und hoher Festigkeit sowie aus dieser Legierung hergestellte Platte

Info

Publication number: DE10159408B4
Application number: DE10159408A
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Yonago Uehara; Yoshihiro Yasugi Minagi; Kenichi Yasugi Inoue
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2021-12-05
Also published as: DE10159408A1; US6692585B2; US20020124913A1

Abstract

Ferritische Fe-Cr-Ni-Al-Legierung mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit und hoher Festigkeit, die, massebezogen, Folgendes aufweist
– 0,003 bis 0,08 % C, 0,03 bis 2,0 % Si, nicht mehr als 2,0 Mn, von mehr als 1,0 % bis nicht mehr als 8,0 % Ni, von nicht weniger als 10,0 % bis weniger als 19,0 % Cr, 1,5 bis 8,0 Al, 0,05 bis 1,0 Zr, mit Fe als Rest und zufälligen Verunreinigungen;
– wobei ein durch die folgende Gleichung (1) definierter Wert F nicht kleiner als 12 % ist und ein durch die folgende Gleichung (2) definierter Wert S nicht größer als 25 % ist
(1) F = –34.3 C + 0,48 Si – 0,012 Mn – 1,4 Ni + Cr + 2,48 Al
und
(2) S = Ni + Cr + Al,
– und wobei die ferritische Fe-Cr-Ni-Al-Legierung nach einer tempernden Wärmebehandlung bei 600 bis 1050°C bei einem...

Description

Die Erfindung betrifft eine ferritische Fe-Ni-Cr-Al-Legierung mit sowohl hervorragender Oxidationsbeständigkeit als auch hoher Festigkeit, die zur Verwendung hauptsächlich in atmosphärischer Umgebung auf Raumtemperatur nach Ausbildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche der Legierung, nachdem sie bei hoher Temperatur einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wurde, geeignet ist, und sie betrifft eine aus einer solchen Legierung hergestellte Platte.
Es ist bekannt, dass Fe-Cr- und Ni-Cr-Heizleiterlegierungen, wie sie in JIS C2520 definiert sind, hervorragende Oxidationsbeständigkeit aufweisen, wenn sie in atmosphärischer Umgebung in einem Temperaturbereich von der Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur verwendet werden. Diese Legierungen zeigen hervorragende Oxidationsbeständigkeit, und sie werden in weitem Umfang für Hochtemperatur-Heizelemente verwendet.

Andererseits offenbart JP-A-9-263906 eine ferritische Fe-Ni-Cr-Al-Legierung und ein Verfahren zum Herstellen derselben, wobei diese Legierung hervorragende Eigenschaften hinsicht lich der Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenem Metall sowie hervorragende Abnutzungsbeständigkeit aufweist.

Indessen ist hinsichtlich Fe-Cr- und Ni-Cr-Heizleiterlegierungen, wie sie in JIS-C2520 definiert sind, der elektrische Widerstand derselben ein wichtiger Faktor, und wegen ihrer Verwendung um die Raumtemperatur herum wurde ihrer Festigkeit keine spezielle Aufmerksamkeit geschenkt. Wenn daher diese Legierungen für Bauelemente zu verwenden sind, für die Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit bei Raumtemperatur erforderlich sind, müssen diese Teile erhöhte Größe aufweisen, so dass es schwierig ist, die Teile kompakt und leicht auszubilden.

Ferner ist die ferritische Fe-Ni-Cr-Al-Legierung gemäß JP-A-9-263906 ein Material, das hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenem Material, der Abnutzungsbeständigkeit usw. dadurch verbessert ist, dass ein Film hauptsächlich aus Aluminiumoxiden dadurch auf der Oberfläche der Legierung hergestellt wird, dass die Legierung in oxidierender Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1300°C erhitzt wird. Wie es aus in JP-A-9-263906 beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich ist, weist die innere Metallstruktur der Legierung eine sehr hohe Vickershärte von nicht unter 413 HV auf.

Da jedoch die Legierung gemäß diesem Dokument als Werkzeugmaterial dienen soll, auf dem ein hauptsächlich aus Aluminiumoxiden bestehender Film ausgebildet wird, um die Eigenschaften der Oxidationsbeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit gegenüber geschmolzenem Metall, der Abnutzungsbeständigkeit usw. zu verbessern, ist den Zugfestigkeitseigenschaften keinerlei spezielle Aufmerksamkeit geschenkt, wozu die 0,2-%-Streckgrenze und die Dehnung, wie durch einen Zugtest bestimmt, gehören, wobei diese Eigenschaften für Konstruktionselemente erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ferritische Fe-Cr-Ni-Al-Legierung zu schaffen, die über sowohl hervorragende Oxidationsbeständigkeit als auch gute mechanische Eigenschaften insbesondere bei Raumtemperatur verfügt und die bei Konstruktionselementen angewandt werden kann, und eine Legierungsplatte aus einer solchen Legierung und ein Material für ein Substrat aus einer solchen Legierung zu schaffen.

Hinsichtlich einer solchen ferritischen Fe-Cr-Ni-Al-Legierung haben die Erfinder Anstrengungen unternommen, ein Gleichgewicht zwischen chemischen Komponenten zu erzielen, gemäß dem die Zugfestigkeit auf einen geeigneten Wert einstellbar ist, während gute Oxidationsbeständigkeit aufrechterhalten bleibt. Im Ergebnis hat es sich herausgestellt, dass dann, wenn die Mengen an Ni, Cr und Al in der ferritischen Fe-Ni-Cr-Al-Legierung in geeigneten Bereichen eingestellt werden, die Matrix auf einer einphasigen Ferritstruktur gehalten werden kann, wobei eine intermetallische Ni-Al-Verbindung fein ausfällt, die stark zur Verfestigung der Legierung durch Ausfällung in der Ferritmatrix beiträgt, wodurch hohe Festigkeit ohne Beeinträchtigung guter Oxidationsbeständigkeit, Kaltbearbeitbarkeit und Verformbarkeit erzielt werden kann.

Es hat sich auch herausgestellt, dass dann, wenn die Legierung kleine Mengen an C und Zr enthält, Carbide gebildet werden, um die Ferritkristallkörner des Fe-Ni-Cr-Al fein zu halten, um es dadurch zu ermöglichen, die 0,2-%-Streckgrenze der Legierung zu verbessern, während die Verformbarkeit und die Zähigkeit auf geeigneten Werten gehalten werden.

Ferner hat es sich herausgestellt, dass dann, wenn wahlweise eines oder mehrere aus der aus Hf, V, Nb, Ta, Y und SEM (Seltenerdmetall) bestehenden Gruppe ausgewählte Elemente hinzugefügt werden, die Haftfähigkeit eines Oxidfilms auf dem Legierungsträger verbessert ist, wobei der Oxidfilm haupt sächlich aus Aluminiumoxiden besteht und er sich auf der Oberfläche der Legierung bildet, wenn diese hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Darüber hinaus hat es sich herausgestellt, dass es erforderlich ist, das Cr-Äquivalent, das durch einen Wert F bestimmt wird, der auf Grundlage des Ergebnisses experimenteller Untersuchungen durch die Erfinder ermittelt wurde, auf einen speziellen Wert einzustellen und auch die Menge jeweiliger Legierungselemente einzustellen, und dass es erforderlich ist, die durch einen Wert S definierte Menge gelöster Elemente auf einen speziellen Wert einzustellen, um eine gute Kaltbearbeitbarkeit der Legierung zu erhalten.

Aus diesen Erkenntnissen heraus wurde die Erfindung geschaffen.

Die oben genannte Aufgabe ist durch die Legierung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Legierung zeigt hervorragende Kaltbearbeitbarkeit, so dass eine Platte aus dieser ferritischen Legierung und eine Platte für Substrate leicht hergestellt werden können.

Es sei darauf hingewiesen, dass eine derartige Platte durch ein pulvermetallurgisches Verfahren aus einem Pulver einer erfindungsgemäßen Legierung hergestellt werden kann.

Nachfolgend werden Funktionen der Legierungselemente in der erfindungsgemäßen Legierung beschrieben.

C (Kohlenstoff) bildet mit Cr und Zr in der erfindungsgemäßen Legierung Carbide, was Wirkungen der zugesetzten Legierungselemente beeinträchtigt. So ist der Kohlenstoffgehalt vorzugsweise niedrig. Ferner macht viel Kohlenstoff die Ferritphase instabil, da Kohlenstoff ein die Austenitstruktur bildendes Element ist. Andererseits können Ferritkörner in der Legierung fein gehalten werden, wenn die Kohlenstoffmenge klein ist, da Carbide die Korngrenzen des Ferrits festhalten, so dass die Ferritstruktur aufrechterhalten wird. Wenn die Kohlenstoffmenge kleiner als 0,003 % ist, kann kein Verfeinerungseffekt durch Carbide erzielt werden. Wenn die Kohlenstoffmenge größer als 0,08 % ist, nehmen grobe Carbide zu, um die Verformbarkeit und die Bearbeitbarkeit der Legierung zu beeinträchtigen. So wird die Kohlenstoffmenge von 0,003 bis 0,08 %, vorzugsweise von 0,003 bis 0,06 % eingestellt.

Si wird in kleiner Menge als Deoxidationsmittel zugesetzt, und es hat die Wirkung einer Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit. Wenn jedoch die Si-Menge kleiner als 0,03 %, kann die obige Wirkung nicht ausreichend erzielt werden. Wenn jedoch die Si-Menge größer als 2,0 % ist, kann keine weitere merkliche Verbesserung der obigen Wirkung erzielt werden. So wird die Si-Menge auf 0,03 bis 2,0 %, vorzugsweise von 0,03 bis 1,0 % eingestellt.

Mn, das als Deoxidationsmittel und Entschwefelungsmittel wirkt, wird zugesetzt, um die Reinheit der Legierung zu verbessern. Eine übermäßig hohe Menge von mehr als 2,0 % Mn beeinträchtigt die Bearbeitbarkeit der Legierung. Die Mn-Menge beträgt vorzugsweise nicht mehr als 2,0 %, bevorzugter nicht mehr als 1,0 %.

Ni ist ein unabdingbares Legierungselement für die erfindungsgemäße Legierung. Es löst sich in der Ferritmatrix, um diese zu verfestigen, während ein Teil des Ni gemeinsam mit Al eine intermetallische Ni-Al-Verbindung bildet, die in der Ferritmatrix fein ausfällt und sich verteilt, um dadurch die Matrix zu verfestigen. Wenn die Ni-Menge nicht mehr als 1,0 % beträgt, ist der oben genannte Verfestigungseffekt unzureichend. Wenn dagegen die Ni-Menge mehr als 8,0 % beträgt, wird die Legierungsfestigkeit zu hoch, was zu beeinträchtigter Verformbarkeit derselben führt, und gelegentlich bildet sich bei hoher Temperatur eine Austenitphase, wodurch die Ferritphase instabil wird. So wird die Ni-Menge im Bereich von mehr als 1,0 % bis nicht mehr als 8,0 %, vorzugsweise von mehr als 1,0 % bis weniger als 5,0 % eingestellt.

Cr ist ein Ferritbildungselement, und es ist unabdingbar, um die Matrix der ferritischen Fe-Ni-Cr-Al-Legierung mit Ferritstruktur auszubilden. Es ist auch wichtig, um gute Oxidationsbeständigkeit zu erzielen, da es auf der Legierungsoberfläche einen gleichmäßigen und feinen Oxidfilm bildet, der bei hoher Temperatur entsteht und hauptsächlich aus Aluminiumoxiden besteht und gute Haftfestigkeit zur Legierungsoberfläche aufweist. Wenn die Cr-Menge weniger als 10,0 % beträgt, kann kein ausreichender Effekt erzielt werden. Wenn dagegen die Cr-Menge größer als 19 % ist, sind die Kalt- und die Heißbearbeitbarkeit der Legierung beeinträchtigt. So wird die Cr- Menge im Bereich von nicht weniger als 10,0 % bis weniger als 19,0 %, vorzugsweise von 10,0 % bis 17,0 %, noch bevorzugter von 13,0 bis 17,0 % eingestellt.

Al kombiniert mit Ni, um eine intermetallische Ni-Al-Legierung zu bilden, die in der Ferritmatrix fein ausfällt, um sie zu verfestigen. Es ist auch wesentlich, um gute Oxidationsbeständigkeit zu erzielen, da es auf der Legierungsoberfläche einen gleichmäßigen und feinen Oxidfilm bildet, der bei hoher Temperatur entsteht und hauptsächlich aus Aluminiumoxiden besteht und gute Haftfestigkeit zur Legierungs oberfläche aufweist. Wenn die Al-Menge kleiner als 1,5 % ist, kann keine ausreichende Wirkung erzielt werden. Wenn dagegen die Al-Menge 8,0 % überschreitet, sind nicht nur die Kalt- und die Heißbearbeitbarkeit der Legierung beeinträchtigt, sondern sie kann auch zu hohe Festigkeit aufweisen, so dass ihre Verformbarkeit beeinträchtigt ist. So wird die Al-Menge auf 1,5 bis 8,0 %, vorzugsweise von nicht weniger als 1,5 % bis weniger als 4,0 % eingestellt.

Zr ist unabdingbar, da es bedeutenden Einfluss beim Herstellen von Oxidteilchen in einer Ferritphase dicht unter dem Film aufweist, der hauptsächlich aus Aluminiumoxiden besteht und sich bei hoher Temperatur an der Legierungsoberfläche bildet, wodurch die Haftfestigkeit des Films, der hauptsächlich aus Aluminiumoxiden besteht, merklich verbessert wird, und da sich Carbide bilden, die die Ferritkörner verfeinern, um dadurch die Zugeigenschaften zu verbessern. Wenn jedoch die Zr-Menge kleiner als 0,05 % ist, sind die obigen Effekte nicht ausreichend. Wenn dagegen die Zr-Menge 1,0 % überschreitet, werden die Oxidteilchen grob, was in umgekehrter weise die Haftfähigkeit des Films beeinträchtigt, und ein Teil des Zr kombiniert mit Kohlenstoff, um grobe Carbide zu bilden, was zu einer Beeinträchtigung der Kaltbearbeitbarkeit und der Verformbarkeit führt. So wird die Zr-Menge von 0,05 bis 1,0 %, vorzugsweise von 0,05 % bis 0,8 % eingestellt.

Hf, V, Nb und Ta sind optionale Elemente. Sie bilden Carbide, um die Ferritkörner zu verfeinern, um dadurch die Zugeigenschaften zu verbessern und Haftfestigkeit des Oxidfilms, der hauptsächlich aus Aluminiumoxid besteht, zu verbessern. Wenn jedoch diese Menge kleiner als 0,05 % ist, sind die obigen Wirkungen nicht ausreichend. Wenn dagegen die zugesetzte Menge 1,0 % überschreitet, werden die Carbide grob, was die Verformbarkeit beeinträchtigt. So werden von den Elementen Hf, V, Nb und Ta eines oder mehrere mit einer Gesamtmenge von 0,05 bis 1,0 % in der Legierung zugesetzt.

Y und SEM sind optionale Elemente, und mindestens eines wird der Legierung zugesetzt. Sie bilden in der Ferritphase dicht unter dem Film, der hauptsächlich aus Aluminiumoxiden besteht und sich bei hoher Temperatur an der Legierungsoberfläche bildet, Oxidteilchen, um die Hafteigenschaften des hauptsächlich aus Aluminiumoxiden bestehenden Films merklich zu verbessern. Wenn jedoch diese Menge weniger als 0,05 beträgt, ist die obige Wirkung nicht ausreichend. Wenn dagegen diese Menge 1,0 % überschreitet, werden die Oxidteilchen grob, was in umgekehrter Weise die Haftfähigkeiten des Films beeinträchtigt. So werden Y und SEM der Legierung mit einer Gesamtmenge von 0,05 bis 1,0 % zugesetzt.

Um die Matrixstruktur der erfindungsgemäßen Legierung zu einem einphasigen Ferrit zu machen, ist es erforderlich, nicht nur die Komponenten der Legierung innerhalb der jeweils spezifizierten Mengenbereiche einzustellen, sondern es ist auch das Gleichgewicht zwischen den Komponenten zu optimieren.

Hierbei ist ein durch die folgende Gleichung (1) definierter Wert F ein Cr-Äquivalent, das die Stabilität der Ferritphase der erfindungsgemäßen Legierung anzeigt: F = –34.3 C + 0,48 Si – 0,012 Mn – 1,4 Ni + Cr + 2,48 Al

Das durch die Gleichung (1) erhaltene Cr-Äquivalent wird dadurch erhalten, dass diejenigen Werte zueinander addiert werden, die dadurch erhalten werden, dass der Massenprozentsatz von Cr, Si und Al, die die ferritbildenden Elemente sind, mit einem Koeffizienten für jedes ferritbildende Element multipliziert werden, der die Leichtigkeit der Bildung der Ferritphase repräsentiert, und Werte subtrahiert werden, die dadurch erhalten werden, dass die Massenprozentsätze von Ni, C und Mn, die austenitbildende Elemente sind, mit einem Koeffizienten für jedes austenitbildende Element multipliziert werden, der die Leichtigkeit der Bildung der Austenitphase repräsentiert. Wenn der Wert F niedriger als 12 % ist, kann die Matrixstruktur ein einphasiger Ferrit sein, und es liegen eine Martensit- und/oder eine Austenitphase in Koexistenz vor, so dass keine stabile Eigenschaften der Legierung erzielt werden können. So wird der Wert F auf nicht weniger als 12 % eingestellt.

Der durch die folgende Gleichung (2) definierte Wert S repräsentiert die in Massenprozentsätzen angegebenen Gesamtmengen von Ni, Cr und Al, die die Hauptlegierungselemente in der erfindungsgemäßen Legierung sind: S = Ni + Cr + Al

Um die Kalt- und die Heißbearbeitbarkeit der Legierung zu verbessern und für gute Zugfestigkeit und Verformbarkeit der Legierung zu sorgen, ist es erforderlich, die Mengen der zugesetzten Legierungselemente auf niedrige Werte einzustellen, ohne dass die Legierungseigenschaften beeinträchtigt werden. Wenn der Wert S 25 % überschreitet, besteht die Tendenz, dass während Kalt- und Heißbearbeitungsprozessen Risse auftreten, was zu einer Beeinträchtigung der Ausbeute während der Bearbeitung führt. So wird der Wert S auf nicht mehr als 25 %, vorzugsweise nicht mehr als 23 % eingestellt.

Ferner verfügt die Erfindung über Fe als Hauptkomponente und zufällige Verunreinigungen. wenn die erfindungsgemäße Legierung nicht nur über Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur, sondern auch über Hochtemperaturfestigkeit verfügen muss, kann sie eines oder mehrere der Elemente Mo, W und C mit einer Gesamtmenge von nicht mehr als 2,0 % aufweisen.

Um Korngrenzen zu verfestigen und Sulfide zu bilden, um Schwefel zum Verbessern der Heißbearbeitbarkeit zu fixieren, kann die Legierung eines oder mehrere der Elemente B, Mg und Ca mit einer Gesamtmenge von nicht mehr als 0,05 % enthalten.

Hinsichtlich Verunreinigungselementen P, S, N und 0, deren Gehalt vorzugsweise so niedrig wie möglich ist, werden, um die Mengen extrem abzusenken, streng ausgewählte, teure Rohmaterialien verwendet, und es wird raffinierendes Schmelzen angewandt, was zu hohen Kosten führt. Jedoch kann die Legierung die folgenden Verunreinigungen enthalten: P ≤ 0,04 %, S ≤ 0,01 %, N ≤ 0,04 % und 0 ≤ 0,01 %. Bei diesen Mengen treten hinsichtlich der Materialeigenschaften und der Produktivität keine Probleme auf.

Nach einer plastischen Bearbeitung, die eine Heiß- oder Kaltbearbeitung ist, wird die erfindungsgemäße Legierung vorzugsweise bei einer geeigneten Temperatur im Bereich von 600 bis 1050°C getempert, um ungleichmäßige Spannungen zu beseitigen, wie sie während der plastischen Bearbeitung auftreten, um dadurch die Verformbarkeit der Legierung zu verbessern und Ferritkörner gleichmäßig und fein zu machen. Wenn die Temperungstemperatur unter 600°C liegt, ist mehr Zeit zum Beseitigen der Spannungen erforderlich. Wenn dagegen die Temperungstemperatur höher als 1050°C ist, können zwar die Spannungen innerhalb kurzer Zeit beseitigt werden, jedoch werden Kristallkörner grob, was die Zähigkeit der Legierung beeinträchtigt. So wird die Temperungstemperatur im Bereich von 600 bis 1050°C eingestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Temperungszeit vorzugsweise so eingestellt wird, dass sie bei niedriger Temperatur länger und bei hoher Temperatur kürzer ist.

Wenn z. B. die Temperungsbehandlung bei 700°C ausgeführt wird, wird die Legierung vorzugsweise für 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, und wenn sie bei 950°C ausgeführt wird, reichen ungefähr 3 Minuten aus. Die geeignete Temperungsbehandlung erlaubt ein Einstellen der 0,2-%-Streckgrenze der erfindungsgemäßen Legierung in einem Bereich, in dem sie für Konstruktionselemente verwendet werden kann. Wenn die 0,2-%-Streckgrenze weniger als 550 MPa beträgt, ist die Festigkeit unzureichend, um die Legierung für Konstruktionselemente zu verwenden, bei denen hohe Festigkeit erforderlich ist, während andererseits die Verformbarkeit und die Zähigkeit beeinträchtigt sind, wenn der Wert höher als 1000 MPa ist. Demgemäß wird die 0,2-%-Streckgrenze im Bereich von 550 bis 1000 MPa eingestellt.

Die Härte ist eine Eigenschaft, die dazu erforderlich ist, die Legierung für Konstruktionselemente zu verwenden, ähnlich wie die 0,2-%-Streckgrenze. Wenn die Härte weniger als 250 HV beträgt, ist sie unzureichend, um die Legierung für Konstruktionselemente zu verwenden, bei denen hohe Festigkeit erforderlich ist, während andererseits die Anzahl von Schritten bei der Kaltbearbeitung und der maschinellen Bearbeitung zunimmt, wenn der Wert höher als 410 HV ist, wobei dann auch Bedenken hinsichtlich einer Beeinträchtigung der Verformbarkeit und der Zähigkeit der Legierung stehen. Demgemäß wird die Härte im Bereich von 250 bis 410 HV eingestellt.

Der Wärmeexpansionskoeffizient der Legierung befindet sich in geeigneter Weise nahe bei dem eines anderen Materials, wie Kohlenstoffstahl, eines Legierungsstahls, eines keramischen Materials, Glas oder eines Harzes, das damit zu verbinden ist, wenn die Legierung für Konstruktionselemente verwendet wird, insbesondere für eine Legierungsplatte für ein Substrat. Jedoch kann bei der erfindungsgemäßen Legierung ein geeigneter Wärmeexpansionskoeffizient dadurch erzielt werden, dass die Matrixstruktur in die Ferrit-Einzelphase gebracht wird. Der Wärmeexpansionskoeffizient wird im Allgemeinen häufig durch einen Mittelwert für Temperaturen von der Raumtemperatur zu höheren Temperaturen repräsentiert, und hier ist er durch den mittleren Wärmeexpansionskoeffizient von 20 bis 800°C repräsentiert. Wenn die Matrixstruktur der erfindungsgemäßen Legierung in diejenige eines einphasigen Ferrits gebracht wird, befindet sich der Wärmeexpansionskoeffizient im Bereich von 11 × 10^–6 bis 14 × 10^–6/°C.

Ferner kann die erfindungsgemäße Legierung relativ leicht durch Heiß- oder Kaltbearbeitung plastisch zu einer Platte bearbeitet werden. Außerdem kann, wenn eine Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt, ein Oxidfilm mit guten Hafteigenschaften hauptsächlich aus Aluminiumoxiden auf der Oberfläche einer Legierungsplatte ausgebildet werden. Daher kann die genannte Platte geeignet bearbeitet werden, um eine Legierungsplatte für ein Substrat zu erhalten, wobei der Platte das Merkmal verliehen werden kann, dass sie sich kaum von einem anderen Material ablöst, wenn sie mit diesem verbunden wird.

BEISPIEL
Erfindungsgemäße und Vergleichslegierungen wurden in einem Vakuum-Induktionsschmelzofen geschmolzen, um einen Barren von 10 kg herzustellen, gefolgt von einem Warmschmiedevorgang. Während dieses Warmschmiedens traten in keiner der Legierungen irgendwelche Risse auf, und die Heißbearbeitung war gut. Ferner wurde ein Heißwalzen ausgeführt, um eine Legierungsplatte von ungefähr 2 mm Dicke zu erhalten, und dann wurde eine Temperungsbehandlung bei 680°C ausgeführt. Nach dem Entfernen von Oxidzunder von der Oberfläche der Legierungsplatte wurde ein Kaltwalzvorgang ausgeführt, um eine Legierungsplatte mit einer Dicke von ungefähr 1 mm herzustellen. Danach erfolgte eine Temperungsbehandlung bei einer geeigneten Temperatur im Bereich von 850°C bis 950°C für 3 Minuten, gefolgt von schnellem Abkühlen.
Die Tabelle 1 zeigt chemische Zusammensetzungen erfindungsgemäßer Legierungen Nr. 1 bis 12 und von Vergleichslegierungen Nr. 21 bis 27.
Ferner zeigt die Tabelle 2 die Kaltbearbeitbarkeit der jeweiligen Legierungen, wenn sie einem Kaltwalzvorgang unterzogen wurden, Matrixstrukturen nach der Temperungsbehandlung, Werte der 0,2-%-Streckgrenze, der Vickershärte und des mittleren Wärmeexpansionskoeffizienten von 20 bis 800°C sowie die Oxidationsbeständigkeit für den Fall, dass für 10 Minuten auf 900°C erwärmt wurde. Hierbei wurde die Kaltbearbeitbarkeit durch den Zustand von Rissen beurteilt, wie sie während der Kaltbearbeitung auftraten. Der Buchstabe A repräsentiert einen Zustand, in dem keinerlei Risse auftraten und die Bearbeitung leicht möglich war; B repräsentiert einen Zustand, in dem keinerlei Risse auftraten, aber die Beständigkeit gegen Verformung etwas groß war; und C repräsentiert einen Zustand, in dem einige Risse auftraten. Darüber hinaus wurde die Oxidationsbeständigkeit durch die Haftungseigenschaften von Oxidzunder beurteilt, nachdem erwärmt und anschließend durch Luft gekühlt wurde. Der Buchstabe B repräsentiert einen Zustand, in dem die Hafteigenschaften des Oxidzunders gut waren, und C repräsentiert einen Zustand, in dem sich der Oxidzunder abschälte.
Die Tabelle 2 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 1 bis 12 alle hervorragende Kaltbearbeitbarkeit aufweisen und die Matrixstruktur nach der Temperungsbehandlung eine Einzelphase eines Ferrits (α) ist. Außerdem befinden sich hinsichtlich der erfindungsgemäßen Legierungen Nr. 1 bis 12 die Werte der 0,2-%-Streckgrenze im Bereich von 550 bis 1000 MPa, und die Werte der Vickershärte befinden sich im Bereich von 250 bis 410 HV. Ferner befinden sich die Werte der Wärmeexpansionskoeffizienten der erfindungsgemäßen Legierungen im Bereich von 11 × 10^–6 bis 14 × 10^–6/°C, und es ist auch die Oxidationsbeständigkeit hervorragend.
Andererseits sind die Vergleichslegierungen Nr. 21 bis 24 mit Werten S von mehr als 25 hinsichtlich der Kaltbearbeitbarkeit etwas beeinträchtigt. Ferner enthalten von den Vergleichslegierungen mit Werten F von unter 12 die Nr. 22 und 24 gemeinsam eine Ferritphase (α) und eine Austenitphase (γ), und die Nr. 25 und 26 enthalten eine Martensitphase (α') zusätzlich zu einer Ferritphase (α). Bei diesen Legierungen wird keine einphasige Ferritstruktur erhalten. Darüber hinaus sind bei der Vergleichslegierung Nr. 21, die eine zu große Ni-Menge enthält, aber über einphasige Ferritstruktur verfügt, die 0,2-%-Streckgrenze und die Härte zu hoch. Jede der Vergleichslegierungen Nr. 22 und 24, die viel Ni und eine Austenitphase enthält, weist einen großen Wärmeexpansionskoeffizienten auf. Umgekehrt sind bei den Vergleichslegierungen Nr. 25, 26 und 27, die eine kleinere Menge an Ni oder Al, mit dem Effekt einer Verfestigung der Ausfällung, enthalten, die 0,2-%-Streckgrenze und die Härte niedrig. Außerdem ist bei den Vergleichslegierungen Nr. 25 und 26, die eine kleinere Menge an Al enthalten, die Oxidationsbeständigkeit etwas beeinträchtigt.
Wie oben beschrieben, erlaubt eine erfindungsgemäße ferritische Fe-Ni-Cr-Al-Legierung eine einfache Ausführung von Heiß- und Kaltbearbeitungsvorgängen, und sie verfügt über sowohl hohe Festigkeit als auch gute Oxidationsbeständigkeit. Wenn sie für Konstruktionselemente verwendet wird, die in atmosphärischer Umgebung im Bereich von der Raumtemperatur bis zu hoher Temperatur eingesetzt werden, trägt diese Legierung auch zur Miniaturisierung und leichten Herstellung der Teile bei, und sie zeigt gute Beständigkeit. Demgemäß ist zu erwarten, dass erfindungsgemäße Legierungen erhebliche industrielle Effekte zeigen.

Claims

Ferritische Fe-Cr-Ni-Al-Legierung mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit und hoher Festigkeit, die, massebezogen, Folgendes aufweist – 0,003 bis 0,08 % C, 0,03 bis 2,0 % Si, nicht mehr als 2,0 Mn, von mehr als 1,0 % bis nicht mehr als 8,0 % Ni, von nicht weniger als 10,0 % bis weniger als 19,0 % Cr, 1,5 bis 8,0 Al, 0,05 bis 1,0 Zr, mit Fe als Rest und zufälligen Verunreinigungen; – wobei ein durch die folgende Gleichung (1) definierter Wert F nicht kleiner als 12 % ist und ein durch die folgende Gleichung (2) definierter Wert S nicht größer als 25 % ist (1) F = –34.3 C + 0,48 Si – 0,012 Mn – 1,4 Ni + Cr + 2,48 Al und (2) S = Ni + Cr + Al, – und wobei die ferritische Fe-Cr-Ni-Al-Legierung nach einer tempernden Wärmebehandlung bei 600 bis 1050°C bei einem Zugtest bei Raumtemperatur eine 0,2-%-Streckgrenze von 550 bis 1000 MPa aufweist.
Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den oben genannten Legierungselementen die folgenden bevorzugt mit den folgenden Mengen vorhanden sind: C bis 0,06 %, Si bis 1,0 %, Ni bis weniger als 5,0 %, Cr mit 10,0 bis 17,0 %, Al mit nicht weniger als 1,5 bis weniger als 4,0 und bis zu 0, 8 % Zr, wobei die Legierung nach der genannten tempernden Wärmebehandlung eine Vickershärte von 250 bis 410 HV und von 20 bis 800°C einen mittleren Wärmeexpansionskoeffizienten von 11 × 10^–6 bis 14 × 10^–6/°C aufweist.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie insgesamt 0,05 bis 1,0 % mindestens eines Elements enthält, das aus der aus Hf, V, Nb und Ta bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie insgesamt 0,05 bis 1,0 % mindestens eines Elements enthält, das aus der aus Y und Seltenerdmetall bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Legierungsplatte, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer ferritischen Fe-Cr-Ni-Al-Legierung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche besteht.
Verwendung einer Legierungsplatte gemäß Anspruch 5 für ein Substrat.