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Die Erfindung betrifft ein hitzebeständiges Stahlblech
oder -band und daraus hergestellte Bauelemente. An Stahlbleche und
Stahlbänder
dieser Art werden hohe Anforderungen sowohl hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit
als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer
Verarbeitbarkeit gestellt.
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So sind aus Stahlblech hergestellte
Bauteile, die in Strömungsrichtung
des Abgases im vorderen Abschnitt einer Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge
eingesetzt sind, wie Abgaskrümmer
und Krümmerrohr,
im Betrieb hohen thermischen Beanspruchungen unterworfen. In diesem
heißen
Bereich der Auspuffanlage eingesetzte Stähle müssen daher eine hohe Warm-
und Zeitstandfestigkeit besitzen. Darüber hinaus müssen sie über eine
möglichst
geringe Neigung zur Versprödung
bei Erwärmung
verfügen.
Andernfalls besteht die Gefahr, dass es zu Rissbildung aufgrund
der Vibrationen kommt, denen die Auspuffanlage im Betrieb des Fahrzeugs
laufend unterworfen ist.
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Neben der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit
werden von Stählen
der in Rede stehenden Art eine gute Umformbarkeit und Schweißbarkeit
gefordert, um Auspuffpuffanlagen in großen Mengen und hoher Taktzahl
kostengünstig
fertigen zu können.
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In der Vergangenheit konnten die
von den Endverarbeitern gestellten Forderungen mit einem Stahl erfüllt werden,
der die Werkstoffnummer 1.4512 erhalten hat. Dieser ein ferritisches
Gefüge
besitzende Stahl weist als wesentliche Legierungselemente einen
Kohlenstoffgehalt von maximal 0,03 Masse-%, einen Silizium- und
einen Mangangehalt von jeweils maximal 1,0 Masse-%, einen Chrom-Gehalt
von 10,50 Masse-% bis 12,50 Masse-% und einen Titangehalt auf, der
mindestens das Sechsfache der Summe der Gehalte an Kohlenstoff und
Stickstoff und höchstens
0,65 Masse-% beträgt.
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Den mit der allgemeinen Einführung des
Katalysators einhergehende Verschärfung der thermischen und korrosiven
Belastungen, denen insbesondere die zwischen Motorauslass und Katalysator
angeordneten Auspuffteile ausgesetzt sind, zeigt sich der bekannte
Stahl 1.4512 jedoch nicht gewachsen. So kam es unter hohen, sich über lange
Zeiträume
erstreckenden Temperaturbelastungen zur sogenannten "Sigma-Phasen-Versprödung", die eine Rissbildung
mit drohenden Totalversagen des jeweiligen Bauteils nach sich zog. Ebenso
zeigte sich, dass es bei aus dem bekannten Stahl gefertigten Auspuffelementen
zu starker Zunderbildung kam, wenn er über einen längeren Zeitraum Temperaturen
von 800 °C
und mehr ausgesetzt wurde.
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Um diese Probleme zu beseitigen,
ist vorgeschlagen worden, den bekannten ferritischen Stahl 1.4512 durch
einen austenitischen Stahl zu ersetzen, der die Werkstoffnummer
1.4828 erhalten hat. Dieser bekannte Stahl weist Kohlenstoffgehalte
von bis zu 0,15 Masse-%, Silizium-Gehalte von höchstens 1,5 bis 2,5 Masse-%, Chromgehalte
von 19 Masse-% bis 21 Masse-% und Nickelgehalte auf, die im Bereich
von 11 Masse-% bis 13 Masse-% liegen.
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Der Vorzug dieses Stahls besteht
darin, dass er eine deutlich verbesserte Zunderbeständigkeit
bei hohen Temperaturen auch dann besitzt, wenn diese Temperaturen über einen
längeren
Zeitraum wirken. Der praktische Einsatz von aus dem bekannten Stahl
1.4828 hergestellten Teilen in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren
mit hoher Leistung und dementsprechend hoher Temperaturbelastung
ergab jedoch, dass der Stahl 1.4828 zu einer im Hinblick auf die
heutzutage geforderte Langlebigkeit von Auspuffanlagen nicht akzeptablen
Versprödung
neigt.
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Neben der Herstellung aus Edelstahlblechen
der voranstehend erläuterten
Art ist es auch bekannt, thermisch hoch belastete Bauelemente von
Abgasanlagen für
Verbrennungsmotoren gießtechnisch
herzustellen. Ein für
diesen Verwendungszweck bestimmter Gussstahl ist beispielsweise
aus der
EP 0 613 960
B1 bekannt.
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Der bekannte Stahl weist 0,1 Gew.-%
bis 0,6 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 1,5 Gew.-% Silizium, bis
zu 1 Gew.-% Mangan, 8 Gew.-% bis 20 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-% bis
30 Gew.-% Chrom, 1,52 Gew.-% bis 6 Gew.-% Wolfram, 0,2 Gew.-% bis
1 Gew.-% Molybdän,
0,2 Gew.-% bis 1 Gew.-% Niob, 0,01 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Stickstoff,
0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% Bor, 0,02 bis 0,3 Gew.-% Schwefel und
mindestens ein aus einer Magnesium, Kalzium, Cer, Lanthan, Neodym
oder Praeseodym enthaltenden Gruppe entnommenes Element in Gehalten
von 0,001 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% auf. Die Zugabe der hohen Gehalte
an Wolfram erfolgt bei dem bekannten Stahl, um die erforderliche
Warmfestigkeit des bekannten Stahls sicherzustellen. Magnesium,
Kalzium, Cer, Lanthan, Neodym oder Praeseodym werden dem bekannten
Gussstahl beigegeben, um seine spanende Bearbeitung zu vereinfachen.
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Nachteilig am Einsatz solcher Gusswerkstoffe
für Abgasanlagen
ist ihre geringe Eignung zum Fügen der
einzelnen Komponenten und ihre geringe Dauerfestigkeit, die sie
besonders anfällig
für schlagartige
Belastungen macht. Zudem erfordern Gussteile höhere Wanddicken, wodurch das
Gewicht der Abgasanlagen deutlich erhöht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand
darin, ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ein
Stahlblech oder -band zu schaffen, das bei erhöhter Wärmebelastbarkeit gute mechanische
Eigenschaften und eine ebenso gute Verarbeitbarkeit besitzt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein hitzebeständiges
Stahlblech oder -band mit (in Masse-%)
C: 0, 06–0,10%,
Cr:
19,0–23,0%,
Ni:
19,0–23,0%,
Si:
0,30–0,60%,
Mn:
0,5–1,5%,
B:
0,001 ≤ 0,005%,
Ti:
0,01 ≤ 0,05%,
N:
0,04–0,20%,
S: < 0,005%,
P: < 0, 03%,
Mo: < 0,5%,
Al: < 0,15%,
Cu: < 0,50%,
Co: < 0,50%,
Nb: < 0,050%,
V: < 0, 020%,
W: < 0,20%,
As: < 0,050%,
Sn: < 0,050
sowie
mit 0,04–0,12%
eines Seltenerdmetalls oder einer Mischung mehrerer Seltenerdmetalle,
und
wahlweise Zr: 0,020–0,040%,
Rest
Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Ein erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band zeichnet
sich durch eine Abstimmung der Legierungsgehalte aus, die sicherstellt,
dass die Gefahr einer Versprödung
bei hohen Temperaturen auch dann gering ist, wenn die hohe Temperaturbelastung
sich über
einen langen Zeitraum erstreckt. Dabei weist das erfindungsgemäß zusammengesetzte
Stahlblech oder -band eine Zeitstandfestigkeit auf, die bis zum
Vierfachen höher ist
als die beim bekannten Stahl 1.4828.
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Durch den Gehalt an Seltenerdmetall,
der durch ein Seltenerdmetall alleine oder durch eine Mischung aus
mehreren Seltenerdmetallen gebildet sein kann, ist zudem sichergestellt,
dass der sich aufgrund des Kontaktes mit der Umgebungsluft auf aus
erfindungsgemäßem Blech
hergestellten Bauteilen bildende Zunder eine gewisse Elastizität aufweist,
aufgrund derer er fester auf der Bauteiloberfläche haftet. Ruf diese Weise
wird das über
die Lebensdauer des betreffenden Bauteils sich bildende Zundervolumen
deutlich gegenüber
dem reduziert, mit dem bei aus bekannten Blechen gefertigten Bauteilen
gerechnet werden muss. Dabei beträgt der Gehalt an dem mindestens
einen Seltenerdmetall bzw. der Mischung aus Seltenerdmetallen bevorzugt
0,08 Masse-% bis 0,11 Masse-%. Bei dieser Wahl der Gehalte wird
die angestrebte Wirkung des Seltenerdmetall-Gehalts mit besonders
hoher Sicherheit erreicht.
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Der Nickelgehalt in erfindungsgemäßem Stahl
ist auf 19,0 Masse-% bis 23,0 Masse-% festgelegt worden. Der gegenüber dem
Stand der Technik erhöhte
Nickelgehalt verhindert im Zusammenhang mit dem erhöhten Stickstoffgehalt
die Entstehung von versprödenden
Ausscheidungen, die andernfalls bei Temperaturen von 600°C bis 850°C entstehen
können.
Der erfindungsgemäß vorgesehene
Ni-Gehalt gewährleistet
somit eine hohe Beständigkeit
bei verminderter Rissgefahr des erfindungsgemäßen Stahlblechs oder -Bands. Gleichzeitig
ermöglicht
der im Verhältnis
zu Nickelbasislegierungen geringe Nickelgehalt eine kostengünstigere
Herstellung bei vergleichbarer Eignung. Auch wird durch die erfindungsgemäßen Ni-Gehalte
die Warmfestigkeit verbessert. Darüber hinaus ergibt der vorgegebene
Gehalt an Nickel eine gute Verformbarkeit ohne starke Verfestigung
infolge der Bildung von Verformungsmartensit. Dabei werden diese
Wirkungen besonders sicher dann erreicht, wenn der Nickel-Gehalt 19,5 Masse-%
bis 20,5 Masse-%, bevorzugt 19,7 Masse% bis 20,0 Masse-%, beträgt.
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Der erfindungsgemäße Stahl enthält 19,0
Masse-% bis 23,0 Gew-%, bevorzugt 19,0 Masse-% bis 19,6 Masse-%
Chrom. Der erhöhte
Chromgehalt führt
zu einer für
die vorgesehenen Verwendungen ausreichenden Hitze- und Korrosionsbeständigkeit
durch die Entstehung von gut schützenden
Chromschichten. Besonders sicher treten diese Effekte dann ein,
wenn der Chrom-Gehalt 19,0 Masse-% bis 19,4 Masse-% beträgt.
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Indem der Kohlenstoff-Gehalt auf
0,06 Masse-% bis 0,10 Masse-%, bevorzugt 0,065 Masse-% bis 0,085
Masse-% beschränkt
ist, wird eine gute Umformbarkeit bei gleichzeitig hoher Warm- und
Zeitstanfestigkeit erreicht.
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Der erfindungsgemäße Stahl enthält 0,30
Masse-% bis 0,60 Masse-%, bevorzugt 0,30 Masse-% bis 0,50 Masse-%,
Silizium. Durch Zulegieren von Silizium wird das Oxidationsverhalten
zusätzlich
verbessert. Bei zu hohen Siliziumgehalten wird der Stahl jedoch
anfällig
gegen die Bildung von Ausscheidungen durch intermetallische Phasen.
Der Si-Gehalt wurde gegenüber
den in hitzebeständigen
Stählen üblicherweise
vorgesehenen Gehalten beschränkt,
um eine verbesserte Warm- und Kaltverformbarkeit zu erhalten.
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Dem erfindungsgemäßen Stahl ist Mangan in Gehalten
von 0,5 Masse-% bis 1,5 Masse-% zugegeben. Durch den Zusatz von
Mangan wird die Löslichkeit
von Stickstoff erhöht
und damit die Warm- und Zeitstandfestigkeit verbessert. Mangan bindet
Schwefel als Mangansulfide und verringert den ungünstigen
Einschluss von Eisensulfid-Zeilen. Dazu kann der Stahl, abhängig von
seiner sonstigen Zusammensetzung, insbesondere seinem S-Gehalt 0,6
Masse-% bis 1,0 Masse-% Mn oder 1,0 Masse-% bis 1,4 Masse-% Mn aufweisen.
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Der Bor-Gehalt in erfindungsgemäßem Stahl
beträgt
0,001 Masse-% bis höchstens
0,005 Masse-%. Bor erhöht
als korngrenzaktives Element die ebenfalls Warm- und Zeitstandfestigkeit.
Zu hohe Borgehalte führen
jedoch zu Aufschmelzungen auf den Korngrenzen und damit zur Verschlechterung
der Warmumformbarkeit. Bevorzugt wird daher der Bor-Gehalt auf 0,002
Masse-% bis 0,004 Masse-% B eingestellt.
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Ein Ti-Gehalt von bis zu 0,10% trägt in Kombination
mit dem abgesenkten Kohlenstoffgehalt auch zu einer Erhöhung der
Warm- und Zeitstandfestigkeit bei. Bei zu hohe Gehalten an Titan
können
sich allerdings schädliche
Zeilen bilden.
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Daher ist der Ti-Gehalt bevorzugt
auf maximal 0,03 Masse-% Ti beschränkt.
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Ein erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band enthält Stickstoff
in Mengen von 0,04 Masse-% bis 0,20 Masse-%. Bei diesen Gehalten
führt Stickstoff ähnlich wie
Kohlenstoff zu einer Erhöhung
der Warm- und Zeitstandfestigkeit. Zu hohe N-Gehalte verschlechtern
jedoch die Umformbarkeit. Daher wird der N-Gehalt bevorzugt auf
0,12 Masse-% bis 0,18 Masse-% N eingestellt.
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In erfindungsgemäßem Stahl ist der Schwefelgehalt
möglichst
weitgehend minimiert. Minimierte Schwefelgehalte stellen einen guten
Reinheitsgrad sicher und verbessern damit die Warmumformbarkeit.
Ferner beeinflussen sie die Warm- und Zeitstandfestigkeit positiv.
Hohe Schwefelgehalte führen
darüber
hinaus zu einer Schweißrissanfälligkeit.
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Zirkon wird dem erfindungsgemäßen Stahl
erforderlichenfalls zur weiteren Verbesserung der Warm- und Zeitstandfestigkeit
zugegeben.
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Die Gehalte der übrigen, hier im Einzelnen nicht
diskutierten Legierungselemente sind jeweils in den in den Ansprüchen angegebenen
Grenzen so minimiert, dass sie keine schädlichen Eigenschaften auf die
Korrosionsbeständigkeit,
die Temperaturbeständigkeit
oder die mechanischen Eigenschaften eines erfindungsgemäß zusammengesetzten
Stahlblechs oder -bands haben.
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Erfindungsgemäßes Stahlblech oder -band eignet
sich aufgrund seiner geringen Versprödungsneigung auch im kritischen
Temperaturbereich von 600°C–850°C, seiner
Hitzbeständigkeit,
seiner Dauerstandfestigkeit und seiner allgemein guten mechanischen
Eigenschaften in besonderer Weise zur Herstellung von Bauteilen
für Auspuffanlagen
von Verbrennungsmotoren, insbesondere von solchen, die im so genannten "heißen", unmittelbar dem
Motor zugeordneten Teil der Auspuffanlage eingesetzt werden.
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Darüber hinaus lassen sich aus
erfindungsgemäßem Blech
Teile von Turboladern für
Verbrennungsmotoren herstellen, die ebenfalls hohen Temperaturbelastungen
ausgesetzt sind. Es handelt sich dabei beispielsweise um Schalen
des Turboladers. Diese lassen sich problemlos aus erfindungsgemäßem Stahl
ziehen und weisen ein gegenüber
einem gießtechnisch
erzeugten, im übrigen
gleichartigen Bauteil ein deutlich vermindertes Gewicht bei verbesserten
Gebrauchseigenschaften auf.
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Schließlich macht ihre besondere
Hitzbeständigkeit
ein erfindungsgemäßes Stahlblech
oder -band besonders geeignet zur Herstellung von Teilen für Katalysatoren
von Verbrennungsmotoren, welche im Dauerbetrieb ebenfalls extremen
Temperaturbelastungen über
eine lange Zeit ausgesetzt sein können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es wurden unter Laborbedingungen
ein erfindungsgemäßer Stahl
Se erschmolzen, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist.
Zum Vergleich wurde eine Schmelze aus einem Vergleichsstahl Sv erzeugt.
Dessen in Tabelle 1 ebenfalls verzeichnete Zusammensetzung entsprach
der typischen Zusammensetzung des bekannten hitzebeständigen Stahls
1.4828.
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Tabelle
1 (Angaben in Masse-%)
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Die Schmelzen wurden zu Brammen vergossen,
die anschließend
in drei Stufen mit zwischengeschaltetem Lösungsglühen zu einem 4 mm dicken Warmband
warmgewalzt worden sind. Das Warmband ist dann zu Kaltband kaltgewalzt
worden und einer weiteren Lösungsglühbehandlung
unterzogen worden. Zu keinem Zeitpunkt des Warm- oder Kaltwalzens
traten Probleme bei der Verarbeitung des Stahls Se auf.
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Die ermittelten Kurzzeitfestigkeitswerte
der aus den Stählen
Se und Sv hergestellten Stahlbleche waren in etwa gleich.
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Oxidationsversuche zur Ermittlung
der Korrosionsbeständigkeit
ergaben jedoch eine deutliche Überlegenheit
des erfindungsgemäß zusammengesetzten
Blechs gegenüber
dem bekannten Stahl. Bei diesen Versuchen sind Proben aus den Stählen Se
und Sv in jeweils 11 Zyklen à 96
h einer Temperatur von 850°C
bzw. 1000°C
ausgesetzt worden. Die Ergebnisse der Oxidationsversuche sind in
den Tabellen 2a und 2b verzeichnet.
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Schließlich sind an den aus den Stählen Se
und Sv erzeugten Blechen "Stress-Rupture-Versuche" durchgeführt worden.
Die Temperatur während
des Versuchs betrug 815°C,
die auf die Proben aufgebrachten Spannungen lagen bei 34 MPa.
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Bei dem aus dem Vergleichsstahl Sv
gefertigten Stahlblech kam es nach 1000 Stunden zum Bruch. Dieses
Ergebnis trat beim aus dem erfindungsgemäßen Stahl Se gefertigten Blech
erst nach 3667 Stunden und beim aus dem erfindungsgemäßen Stahl
Se2 erzeugten Blech erst nach 3996 Stunden ein.
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Tabelle
2a (Temperatur 850°C)
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Tabelle
2b (Temperatur 1000°C)
