DE1258110B

DE1258110B - Verwendung einer oxydationsbestaendigen, nicht sproeden Eisenlegierung als Werkstoff fuer Bauteile in Heissdampfsystemen

Info

Publication number: DE1258110B
Application number: DEU11533A
Authority: DE
Inventors: Carl Stephen Wukusick
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-04-06
Filing date: 1965-03-17
Publication date: 1968-01-04
Also published as: BE662120A; DE1558670A1; US3298826A; GB1045993A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b-39/14

Nummer: 1258 110

Aktenzeichen: U11533 VI a/40 b

Anmeldetag: 17. März 1965

Auslegetag: 4. Januar 1968

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer oxydationsbeständigen Legierung, die auch bei längerer Benutzung unter hohen Temperaturen in Gegenwart von überhitztem Dampf nicht der Versprödung unterliegt.

Es ist bekannt, daß Legierungen aus Eisen, Aluminium, Chrom und Yttrium eine gute Oxydationsbeständigkeit in Luft bei Temperaturen über 1000° C aufweisen. Nach einem Vorschlag besteht eine solche oxydationsbeständige Legierung aus einem Zusatz von 0,5 bis 5,0 % Yttrium zu der Eisen-Chrom-Grundlegierung, die ihrerseits einen Chromgehalt von 20 bis 95°/₀ aufweist. Andere bekannte oxydationsbeständige Legierungen der obengenannten Grundzusammensetzung enthalten neben Eisen 0,5 bis 4% Aluminium, 0,5 bis 3% Yttrium und 20 bis 95% Chrom oder Eisen, 0,005 bis 0,015% Calcium, 0,5 bis 1,5% Yttrium und 20 bis 35% Chrom. Der Anteil an Chrom beträgt immer mindestens 20%, da nach der bisherigen Meinung der Fachwelt eine geringere Chrommenge als 20 Gewichtsprozent einen ungünstigen Einfluß auf die Oxydationsbeständigkeit dieser Legierungssysteme ausüben soll. Die gute Oxydationsbeständigkeit dieser Legierungen sowie ihre zufriedenstellende Widerstandsfähigkeit gegenüber Heißdampfkorrosion machen sie zu wertvollen Werkstoffen. Bei längerem Gebrauch in überhitzten Dampfsystemen, insbesondere in solchen Einrichtungen, bei denen in Gegenwart von freiem Sauerstoff gearbeitet wird, beispielsweise in einem Kernreaktor od. dgl., werden ihre mechanischen Eigenschaften angegriffen. So werden diese bekannten Legierungen bei Temperaturen von etwa 340 bis 540° C stark gehärtet und spröde, und ein längeres Verweilen bei Temperaturen von 540 bis 704° C kann sogar zu vollständiger Versprödung führen. Die Arbeitstemperatur in einem typischen Heißdampf-Kernreaktorsystem ist etwa 480 bis 565° C, während die Brennelementtemperatur bis zu etwa 680° C beträgt. Da in einer solchen Umgebung die große Gefahr der Versprödung und der mechanischen Zerstörung solcher Legierungen aus Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium besteht, ist ihre Verwendung in den genannten Einrichtungen nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Legierungszusammensetzung aufzuzeigen, die die Oxydationsbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Dampfkorrosion der genannten Legierungen aufweist, aber gleichzeitig stabilere mechanische Eigenschaften in einer Heißdampfumgebung besitzt und auch nach längerem Einsatz nicht der Versprödung unterliegt.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung

Verwendung einer oxydationsbeständigen, nicht spröden Eisenlegierung als Werkstoff für Bauteile in Heißdampfsystemen

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Commentz, Patentanwalt,

7000 Stuttgart, Klippeneckstr. 4

Als Erfinder benannt:

Carl Stephen Wukusick, Cincinnati, Ohio

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. April 1964 (357 845)

einer oxydationsbeständigen, nicht spröden Eisenlegierung, bestehend aus 0,5 bis 12,0% Aluminium, O₅O bis 20,0% Chrom, 0,1 bis 3,0% Yttrium, Rest Eisen, als Werkstoff für Bauteile in Vorrichtungen mit überhitzten Dampfsystemen, insbesondere Kernreaktoren.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäß eingesetzten Legierungszusammensetzung besteht darin, daß sie auch bei längerem Einsatz bei Temperaturen von 340 bis 704° C nicht spröde wird. Dieser Umstand ermöglicht es, die Legierung in weiteren Bereichen einzusetzen als die bekannten Werkstoffe dieser Art mit einem höheren Chromgehalt, d. h., neben der Anwendung in normalen überhitzten Dampfeinrichtungen eignet sie sich auch für eine dauernde Benutzung in einer Heißdampfumgebung in einem Kernreaktor, ohne daß die ungünstigen Nebenwirkungen des Sprödewerdens oder der vollständigen Versprödung auftreten.

Es ist offensichtlich, daß die Versprödung der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen durch Senken des Chromgehaltes unter das bekannte Minimum verhindert wird. Ohne die Erfindung auf eine bestimmte Theorie zu beschränken wird angenommen, daß das Sprödewerden unterhalb 550° C durch Ausscheidung einer an Chrom reichen Ferritphase bewirkt wird und oberhalb 550° C durch Ausscheiden

'^: - ■■ 709 717/515

einer Eisen-Chrom-Sigmaphase erfolgt und daß ein solches Ausscheiden dieser Phasen in dem in Frage stehenden Temperaturbereich durch einen Chromgehalt von weniger als 20 Gewichtsprozent bemerkenswert verringert wird. Es wurde auch gefunden, daß das Yttrium die Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen über einen weiteren Bereich oxydationsbeständiger macht, als vorher angenommen wurde. Oxydationsbeständigkeit wird bei niederen Chromgehalten und sogar in an Chrom freien Legierungen aufrechterhalten.

Der Chromgehalt in der Legierung wird in einem Bereich von 0 bis 20 Gewichtsprozent gehalten. Bei größeren Mengen ist die Legierung der obenerwähnten Versprödung unterworfen. Ein Gehalt von 5 bis 15 Gewichtsprozent wird bevorzugt, um in einem optimalen Ausmaß die vorteilhaften Eigenschaften der bekannten Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen beizubehalten, während das Sprödewerden vermieden wird.

Für die Oxydationsbeständigkeit ist ein Aluminiumgehalt von mindestens 0,5 Gewichtsprozent erf order- ao lieh. Oberhalb 12 Gewichtsprozent Aluminium wird die Legierung spröde. Bei dem bevorzugten Chromgehalt wird ein Aluminiumgehalt von 4 bis 6 Gewichtsprozent für optimale Bearbeitbarkeit und Oxydationsbeständigkeit vorgezogen. Für chromfreie Legierungen wird ein Aluminiumgehalt von 5 bis 7,5 Gewichtsprozent bevorzugt.

Der Yttriumgehalt der Legierungen kann von 0,1 bis 3 Gewichtsprozent variiert werden. Bei geringeren Mengen verliert die Legierung die Oxydationsbeständigkeit, und bei größeren Mengen begrenzt eine übermäßige Menge von zweiter Phase die Verarbeitbarkeit. Es wird etwa 1 Gewichtsprozent bevorzugt.

Im folgenden wird an Hand einiger Beispiele die erfindungsgemäß verwendete Legierung näher erläutert.

Beispiel 1

Legierungsprobestücke der Gewichtszusammensetzung Eisen, 25°/₀ Chrom, 4°/₀ Aluminium, l°/₀ Yttrium und Eisen, 15% Chrom, 4% Aluminium, 1% Yttrium wurden durch Gesenkarbeit aus extrudierten Stäben in Stangenform mit einem Durchmesser von 6,3 mm hergestellt. Die Proben wurden in Luft bei einer Temperatur von 450° C über 200 Stunden erhitzt. Die Härte der Proben wurde periodisch während der Erhitzungsperiode gemessen. Die Ergebnisse sind aus der Zeichnung ersichtlich, in der die Härte als eine Funktion von der Zeit bei konstanter Temperatur dargestellt ist. Die Harte der 25%-Chromprobe zeigte ein beachtliches Ansteigen, während die der 15 %-Chromprobe nur leicht anstieg.

Tabelle Beispiel 2

Die Proben der Zusammensetzung gemäß Beispiel 1 wurden geprüft, indem sie überhitztem Dampf bei 730⁰C und 1150⁰C ausgesetzt wurden. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle I

Prüfung der Korrosionsbeständigkeit

der Legierungsproben in überhitztem Wasserdampf durch Messung der Gewichtszunahme

[mg/cm²]

Legierungsgehalt,

Rest Fe,
in Gewichtsprozent

Al I Cr ! Y

25
15

Glühdauer [Stunden]
766 ; 757 j 180

Glühtemperatur [⁰C]
730 I 730 ' 1150

0,18

0,36

1,6
1,4 bis 1,9

Aus diesen Angaben wird deutlich, daß die Heißdampfkorrosionsbeständigkeit der 15% Chromlegierung ähnlich der Widerstandsfähigkeit der 25% Chromlegierung ist.

Beispiel 3

Legierungsprobestücke der Zusammensetzung Eisen, 15 Gewichtsprozent Chrom, 4 Gewichtsprozent Aluminium, 1 Gewichtsprozent Yttrium und der Rest Eisen wurden durch Induktionsschmelzen, Extrudieren bei 1000⁰C in Stangen, Warmpreßschmieden der Stangen in Tafeln, Warmwalzen und Kaltwalzen der Tafel auf eine Dicke von 0,76 mm hergestellt. Die Proben wurden auf Oxydationsbeständigkeit geprüft, indem sie in Luft auf Temperaturen von 450, 650, 1100 und 1300° C 1000 Stunden lang erhitzt wurden. Ein Satz der Proben wurde direkt nach dem Kaltwalzen getestet, während ein anderer Satz vor der Prüfung bei 1000⁰C vergütet wurde. Alle Proben waren nach diesen Versuchen unversehrt, auf der Oberfläche bildete sich eine anhaftende Oxydschicht.

Beispiel 4

Proben mit den unten aufgezeigten Legierungsgehalten wurden durch Schmelzen von Einwaagen von jeweils 80 g im Lichtbogen durch Warmwalzen bei 1000° C und Kaltwalzen zu 0,51mm dicken Blechen hergestellt. Die Proben wurden auf Oxydationsbeständigkeit geprüft, indem sie bei Temperaturen von 450, 650, 750, 900, 1100 und 1300⁰C 200 und 300 Stunden lang der Luft ausgesetzt wurden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
II

Oxydationsprüfung der Legierungsproben* durch Messung der Gewichtszunahme [mg/cm³]

Legiert in< Al	ingsgehalt, B 3ewichtspro2 Cr	_test Fe, :ent Y	450	650	Glühdai 200 Glühtem 750	ier pe	[Stunden] ratur [°C] 900	300 bis 400 1100	1300
4	10	—	0,09	0	0,11		0,15	mißlang nach 300 Stunden	—
4	10	1	0,18	0	0,03		0,13	0,96	—
6	5	1	0,11	0,02	0,09		0,15	0,93	4,5
7,5	—	1	0,07	0,21	0		0,39	0,98	4,9
4	25	1	0	0	0		0,16	1,5	3,7

* Mißlungen sind die Versuche mit der Legierungsprobe 1 bei einer Temperatur von 1100⁰C und darüber und einer Glühdauer von 300 Stunden.

1 258 HO

Diese Angaben zeigen, daß bestimmte Legierungsbereiche, die durch Yttrium stabilisiert sind, eine ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit aufweisen.

Die Glühversuche mit Proben ohne Yttrium bei 1100° C und darüber mißlangen. Da die Ergebnisse für die chromfreien und chromhaltigen Proben im wesentlichen gleich sind, ist es ersichtlich, daß Chrom für die Oxydationsbeständigkeit nicht ausschlaggebend ist.

Claims

Patentansprüche: xo

1. Verwendung einer oxydationsbeständigen, nicht spröden Eisenlegierung, bestehend aus 0,5 bis 12,0% Aluminium,

0,0 bis 20,0% Chrom, »5

0,1 bis 3,0% Yttrium,

Rest Eisen,

als Werkstoff für Bauteile in Vorrichtungen mit überhitzten Dampfsystemen, insbesondere Kern- _ao reaktoren.

2. Verwendung einer Eisenlegierung gemäß Anspruch 1, bestehend aus

0,5 bis 12,0% Aluminium,

5,0 bis 15,0% Chrom, ^a5

0,1 bis 3,0% Yttrium,

Rest Eisen,

für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Eisenlegierung gemäß Anspruch 1, bestehend aus

4,0 bis 6,0% Aluminium, 5,0 bis 15,0% Chrom, 0,1 bis 3,0% Yttrium, Rest Eisen,

für den Zweck nach Anspruch

4. Verwendung einer Eisenlegierung gemäß Anspruch 1, bestehend aus

0,5 bis 12,0% Aluminium, 0,1 bis 3,0% Yttrium, Rest Eisen,

für den Zweck nach Anspruch

5. Verwendung einer Eisenlegierung gemäß Anspruch 1, bestehend aus

5,0 bis 7,5% Aluminium, 0,1 bis 3,0% Yttrium, Rest Eisen,

für den Zweck nach Anspruch

In Betracht gezogene Drackschriften: USA.-Patentschriften Nr. 3 017 265, 3 027 252, 031 297.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen