DE102011077893A1

DE102011077893A1 - Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung

Info

Publication number: DE102011077893A1
Application number: DE201110077893
Authority: DE
Inventors: Albrecht Geissinger; Simon Schmittinger; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; VDM Metals GmbH
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-27
Also published as: EP2726638A2; CN103620072A; JP2014522450A; WO2012175271A2; JP5774215B2; WO2012175271A3

Abstract

Es wird die Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.- % Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Glührohre von Glühstiftkerzen für Selbstzündermotoren und andere Bauteile, die hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt sind, vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung in Bauteilen, die hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt sind. Beispielsweise kann die Legierung als Werkstoff für die Fertigung von Glührohren von Glühstiftkerzen verwendet werden. Glühstiftkerzen werden für den Kaltstart von Dieselmotoren eingesetzt und sind dabei hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt.
An Glühstiftkerzen werden hohe Anforderungen bezüglich der Aufheizgeschwindigkeit und der Glühtemperatur gestellt. Glühstiftkerzen mit einem metallischen Glührohr erreichen typischerweise Glühtemperaturen im Bereich von ca. 1000 °C bis 1050 °C, wobei kurzzeitig höhere Temperaturen möglich sind. Trotz der hohen Glühtemperaturen muss der verwendete Werkstoff eine gute Kriechbeständigkeit aufweisen, damit das Glührohr formstabil bleibt und sich nicht verbiegt. Die Position der Glühstiftkerze zu den Einspritzstrahlen ist wichtig für die optimale Entflammung des Kraftstoffes. Eine verformte Glühstiftkerze würde deshalb bei einem Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine zu einer ungleichmäßigen Verbrennung mit erhöhtem Schadstoffausstoß führen. Zudem sind die Glühstiftkerzen im Brennraum korrosiven Gasen ausgesetzt, die das Material des Glührohrs angreifen können. Ein durchkorrodiertes Glührohr kann das Eindringen von Luft, Wasser und anderen Substanzen nicht mehr verhindern und führt zur Zerstörung des enthaltenen Widerstandelements und damit zum Ausfall der Glühstiftkerze. Um den hohen Temperaturen und den korrosiven Gasen stand zu halten, werden für die Glührohre Nickelbasis-Legierungen mit sehr hohen Nickelgehalten von über 50 Gew.-% eingesetzt.
Ein solches Glührohr ist beispielsweise aus DE 10 2009 000 751 A1 bekannt. Es wird aus einer Nickelbasis-Legierung durch einen Umformprozess (Tiefziehen) oder durch Extrusion eines Compounds aus einem Metallpulver oder durch Metallpulverspritzgießen hergestellt.
Neben der Anwendung in Glühstiftkerzen werden Bauteile aus heißgaskorrosionsbeständigen Legierungen in weiteren Anwendungen eingesetzt, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich als Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, in Abgasturboladern, in Schutzrohren für Sensoren. In der Heizungstechnik werden aus diesen Legierungen Zündelektroden und verschiedene Sensoren gefertigt.
Nickelbasis-Legierungen sind aufgrund des hohen Preises für Nickel sehr teuer und weisen je nach Zusammensetzung nachteilige Eigenschaften bei der Verarbeitung auf. Beispielsweise weist die Legierung NiCr25FeAlY eine hervorragende Oxidations- bzw. Korrosionsbeständigkeit und auch eine hohe Kriechbeständigkeit auf, kann jedoch nur eingeschränkt in Umformprozessen verarbeitet werden. Bauteile, wie beispielsweise ein Glührohr, können aus dieser Legierung nicht durch z.B. Tiefziehen hergestellt werden. Es müssen andere, aufwändigere Fertigungsmethoden eingesetzt werden. Die Legierung NiCr23Fe hingegen lässt sich gut umformen. Durch deren geringere Oxidations- und Kriechbeständigkeit sind aus dieser Legierung gefertigte Teile jedoch nicht für alle Anwendungen in Verbindung mit korrosiven Gasen und sehr hohen Temperaturen geeignet.
Aus EP 2115179 B1 ist eine Nickel-Chrom-Silizium-Legierung mit verringertem Nickel Gehalt von unter 42 Gew.-% bekannt, die eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Glührohre von Glühstiftkerzen für Selbstzündermotoren und andere Bauteile, die hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt sind, vorgeschlagen. Eine solche Legierung wird unter der Werkstoffnummer 1.4888 (X10NiCrSiLa38-22) angeboten.
Zur Verbesserung der Langzeiteigenschaften des Werkstoffs können jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% zulegiert werden.

Werkstoff Bruchdehnung A5 [%] Bruchdehnung A50 [%]

1.4888 Cronifer 40B ≥ 40 ≥ 35

2.4633 Nicrofer 6025 (NiCr25FeAlY) ≥ 30

2.4851 Inconel 601 (NiCr23Fe) ≥ 35 ≥ 30

Tabelle 1
In der Tabelle 1 ist ein Vergleich der Bruchdehnung zwischen den Nickellegierungen NiCr25FeAlY, NiCr23Fe sowie der für den Einsatz in Glührohren vorgeschlagenen Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888. Die Daten sind den DIN Normen „DIN 17750:2002-09“ sowie dem Datenblatt „Cronifer 40B Material Data Sheet No. 4051 March 2010 Edition“ entnommen. Die Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 weist trotz des verringerten Nickelgehalts eine hohe Bruchdehnung auf und lässt sich durch Umformen gut verarbeiten.
Diese Legierung weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit und eine gute Kriechstabilität bei der Glühtemperatur auf. Die Legierung ist duktil und kann wie NiCr23Fe leicht umgeformt werden.
Das Glührohr wird aus dieser Legierung mittels eines Umformprozesses geformt. Eingesetzt in der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze sind dauerhafte Glühtemperaturen von bis zu 1050 °C und kurzfristig bis zu 1100 °C möglich. Die Legierung ist beständig gegen die im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorhanden korrosiven Einflüsse und bleibt auch bei den hohen Temperaturen formstabil.
Die Heißgaskorrosionsbeständigkeit der Legierung Nr. 1.4888 liegt zwischen der der Legierungen NiCr23Fe und NiCr25FeAlY.
Durch die vorteilhaften Eigenschaften der Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 wie Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie die leichte Umformbarkeit ist sie auch für andere Bauteile, die hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt sind, geeignet. Denkbare weitere Einsatzmöglichkeiten für die Legierung ergeben sich beispielsweise als Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, Abgasturbolader, Schutzrohre für Sensoren und in der Heizungstechnik für Zündelektroden in Ölbrennern oder Gasbrennern sowie für Flammsensoren.
Vorteile der Erfindung
Das aus der Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 gefertigte Glührohr weist eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 1100 °C auf. Ohne Einschränkungen bei der Lebensdauer lässt sich eine maximale Glühtemperatur von 1100 °C und eine hohe Nachglühtemperatur von 1050 °C realisieren. Das Glührohr ist des Weiteren beständig gegen die im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorhandenen korrosiven Einflüsse. Dies stellt sicher, dass auch das vom Glührohr umschlossene Widerstandselement geschützt ist und verhindert einen vorzeitigen Ausfall des Bauteils. Des Weiteren weist das Glührohr eine gute Beständigkeit gegen Verformungen auf. Dies gewährleistet beim Einsatz der Glühstiftkerze in einer Verbrennungskraftmaschine eine gute Entflammung des Kraftstoffgemischs und damit eine gleichmäßige Verbrennung mit geringen Emissionen.
Von den derzeit häufig eingesetzten Nickelbasis-Legierungen erfüllt zwar NiCr25FeAlY die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, aufgrund des hohen Gehalts an Nickel sind die Materialkosten jedoch sehr hoch. Allen bisher eingesetzten Legierungen gemeinsam ist der hohe Nickelgehalt, und damit verbunden ein hoher Materialpreis.
Die für die Verwendung in einem Glührohr vorgeschlagene Legierung zeigt gute Eigenschaften bei reduziertem Nickelgehalt und erleichtert durch seine Umformbarkeit die Fertigung der Glühstiftkerze. Die Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 lässt sich durch Umformverfahren wie beispielsweise Fließpressen, Durchziehen, Tiefziehen und anderen Verfahren leicht umformen.
Die genannten Vorteile lassen sich auch auf andere Verwendung der Legierung übertragen, wie beispielsweise Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, Abgasturbolader, Schutzrohre für Sensoren sowie Zündelektroden und Flammsensoren in der Heizungstechnik.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist die erfindungsgemäße Verwendung der Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 als Werkstoff für das Glührohr 4 einer Glühstiftkerze 11 dargestellt. Die Glühstiftkerze 11 umfasst das Glührohr 4, welches ein Widerstandselement 12 umschließt, ein Gehäuse 5 und elektrische Anschlussvorrichtungen in Form eines Rundsteckers 10.
Das vom Glührohr 4 umschlossene Widerstandselement 12 umfasst auf der dem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine zugewandten Seite eine Heizwendel 1 und auf der dem Rundstecker 10 zugewandten Seite eine Regelwendel 3. Der verbleibende Innenraum im Glührohr 4 ist mit einem elektrisch isolierenden Wärmeleitpulver 2 wie beispielsweise Magnesiumoxid-Pulver aufgefüllt. Die Heizwendel 1 weist einen nahezu temperaturunabhängigen elektrischen Widerstand auf, während der elektrische Widerstand der Regelwendel 3 mit zunehmender Temperatur ansteigt. Im kalten Zustand des Widerstandselements 12 ist der elektrische Widerstand der Regelwendel 3 gering und es kann ein großer Strom durch die Heizwendel 1 fließen. Durch die nun folgende Erwärmung steigt der Widerstand in der Regelwendel 3 und der Stromfluss verringert sich. Auf diese Weise wird die Temperatur im Glührohr 4 unabhängig von externen Steuergeräten kontrolliert. Denkbar ist jedoch auch eine Ausführungsform ohne Regelwendel 3, bei der die Temperatur auf andere Weise, wie beispielsweise mit einem externen Steuergerät kontrolliert wird.
Das Widerstandselement 12 ist an einer Seite mit dem Glührohr 4 elektrisch leitend verbunden. Die andere Seite wird von einem Anschlussbolzen 7 kontaktiert. Auf der Seite des Anschlussbolzenz 7 ist das Glührohr von dem Gehäuse 5 teilweise aufgenommen. Das Glührohr 4 ist gegen das Gehäuse 5 durch eine Pressverbindung abgedichtet. Die Abdichtung zwischen Glührohr 4 und Anschlussbolzen 7 erfolgt durch eine temperaturbeständige Elastomerdichtung 6. Durch diese Dichtung 6 wird das Innere des Glührohrs hermetisch gegenüber der Atmosphäre im Motorraum abgedichtet. Nach dem Verschließen der Dichtung 6 verbleibende Restmengen an H₂O, N₂ oder O₂ im Glührohr 4 könnten bei hohen Temperaturen mit der Heizwendel 1 oder der Regelwendel 3 reagieren und diese damit schädigen. Um diese Restmengen zu binden, kann die Innenseite des Glührohrs 4 mit einem Gettermaterial beschichtet werden. Diese wenige µm dicke Beschichtung mit beispielsweise Aluminium oder Magnesium reagiert beim Aufheizen des Glührohrs 4 mit den Restmengen an H₂O, N₂ oder O₂ im Glührohr 4. Zusätzlich oder alternativ kann das Gettermaterial auch dem Wärmeleitpulver 2 in geringen Mengen beigemischt werden. Der Anschlussbolzen 7 verläuft durch das Gehäuse und ist am Ende mit der als Rundstecker 10 ausgeführten Anschlussvorrichtung verbunden. Zwischen Rundstecker 10 und dem Gehäuse 5 ist eine Isolierscheibe 9 aus einem nicht elektrisch leitenden Material angeordnet. Eine Dichtung 8 im Bereich der Isolierscheibe 9, beispielsweise aus Elastomer, dichtet das Gehäuse 5 der Glühstiftkerze gegen die Umgebung ab.
Des Weiteren kann die heißgasbeständige duktile Legierung auch in Zündkerzen für Ottomotoren eingesetzt werden. Die Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 ist dabei insbesondere als Elektrodenmaterial für die Mittelelektrode geeignet.
Die heißgasbeständige duktile Legierung kann ferner als Schutzrohr für verschiedene Sensoren verwendet werden. Viele Sensoren reagieren empfindlich auf hohe Temperaturen oder werden leicht von korrosiven Gasen angegriffen. Das aus der Legierung mit der Werkstoffnummer 1.4888 gefertigte Schutzrohr umhüllt den Sensor, beispielsweise eine Lambdasonde oder den Flammsensor eines Ölbrenners oder Gasbrenners, und schützt diesen vor den schädlichen Umwelteinflüssen.
Die Legierung ist aufgrund ihrer hohen Oxidationsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit als Werkstoff für Zündelektroden in der Heizungstechnik gut geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000751 A1 [0003]
EP 2115179 B1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 17750:2002-09 [0009]

Claims

Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Bauteile, die hohen Temperaturen und korrosiven Gasen ausgesetzt sind.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% enthält.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Glührohre von Glühstiftkerzen für Selbstzündermotoren.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 3, wobei die Legierung jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% enthält.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Zündkerzen für Ottomotoren.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 5, wobei die Legierung jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% enthält.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Schutzrohre für Sensoren.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 7, wobei die Legierung jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% enthält.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 6 oder 7 zur Verwendung als Schutzrohr für eine Lambda-Sonde.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung, enthaltend 36 bis 39 Gew.-% Nickel, 20 bis 23 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,3 bis 2,2 Gew.-% Silizium, 0 bis 0,5 Gew.-% Aluminium, 0,03 bis 0,5 Gew.-% Lanthan, 0 bis 0,03 Gew.-% Schwefel, 0 bis 0,03 Gew.-% Phosphor, 0 bis 0,5 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen, wobei die Summe aller Komponenten 100 Gew.-% nicht übersteigt, als Werkstoff für Zündelektroden in Ölbrennern oder Gasbrennern.
Verwendung einer heißgaskorrosionsbeständigen duktilen Legierung nach Anspruch 10, wobei die Legierung jeweils eins oder mehrere der Elemente Cer, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Titan mit bis zu 0,5 Gew.-% enthält.