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"Ohydationsbeständige Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung" Die Erfindung
bezieht sich auf eine wärme- und oxydationsbeständige Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung,
die gute mechanische Festigkeit und gute Oxydationsbeständigkeit bei erhöhter Temperatur
aufweisen soll.
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Bisher wurden Eisen-Chrom-Aluminiumlegierungen als Materialien verwendet
die aufgrund ihrer ausgezeichneten Antioxydanzeigenschaften bei erhöhten Temperaturen
als Materialien mit hohem elektrischen und hohem Wärmewiderstand verwendet wurden.
Die bekannten Eisen-Chrom-Aluminiumlegierungen wiesen jedoch keine ausreichende
Festigkeit gegen Oxydation und Warme bei einer erhöhten Temperatur von mehr als
1 30000 auf.
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Erfindungsgemäß sollannun die beim Stand der Technik aufgetretenen
Nachteile vermieden werden und es sollen Eisen-Ohrom-Aluminiumlegierungen mit großer
mechanischer Festigkeit bei hoher Temperatur vorgeschl.agen werden, die ein einfaches
Kaltwalzen und Ziehen in Drahtform ermöglichen und insbesondere
eine
ausgezeichnete Oxydationsbeständigkeit bei einer erhöhten Temperatur von mehr als
130000 und gute Beständigkeit gegen Korosion durch Schwefel, Phosphor, Vanadium
und Bleioxyd auf weisen, Erfindungsgemäß zeichnen sich die Eisen-Chrom-Aluminiumlegierungen
aus durch einen Gehalt an 15 bis 30 Gew Chrom, 3 bis 7 Gew% Aluminium, 0,001 bis
0,5 Gew% eines oder mehrerer der Zusätze Beryllium, Magnesium und Barium und dem
Rest Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen.
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Dio Erfindung soll nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert
werden7 in denen Figur 1 ein Schaubild gibt, das die Verarmung aufgrund von Hochtemperaturoxydation
der Legierungen nach der Erfindung verglichen mit denen nach dem Stand der Technik
zeigt; Figur 2 gibt ein Diagramm wieder, in dem die Hochtemperatur-Zugfestigkeit
der Legierungen nach der Erfindung mit der bekannt er Legierungen vergleichen wird;
und Figur 3 zeigt ein Diagram, in dem die Schlagfestigkeit der Legierungen nach
der Erfindung mit der bekannter Legierungen verglichen wird.
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Im folgenden sollen nun die Anteilsbereiche der Bestandteile der Legierungen
nach der Erfindung diskutiert werden, 15 ) Chrom verleil1t diesen Legierungen Antioxydationseigenschaften.
Fällt der Chromgehalt unter 15 Gew%, so läßt sich eine volle Oxydationsbeständigkeit
nicht erreichen. Überschreitet dieser Gehalt 30 Gew%, so wird die Be- oder Verarbeitbarkeit
der Legierung als Ganzes vermindert. Somit wird der Anwendungsbereich zwischen 15
und 30 Gew% angegeben.
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2) Aluminium macht die Legieurngen beständig gegen Oxydat;ion bei
erhöhter Temperatur. Wenn die Aluminiumanteile unter 3 Gew% absinken, so besitzt
die Leigierung keine ausreichende Beständigkeit gegen Oxydation bei einer Temperatur
von mehr als 1100°C. Nehmen diese Anteile über 7 Gew% zu, dann wird nicht nur die
Be oder Verarbeitbarkeit der resultierenden Legierung ungünstig beeinfluß, vielmehr
wird ihre Verarmung aufgrund von Oxydation stark hervortreten. Der Aluminumanteil
wollte also innerhalb eines Bereiches von 3 bis 7 Gew% liegen.
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3.) Beryllium, Magnesium und Barium sollen allein oder in Kombination
zu zwei oder drei eingebaut werden. Diese Materialien bilden in der Legierung Oxyde
mit einem stabilen Schmalzpunkt, ihr Ei-fluß ist darin zu sehen, die Oxydationsbeständigkeit
bei hoher Temperatur und die Be oder Verarbeitbarkeit der Legierung zu verbessern.
Werden ein oder mehrere dieser Materialien in Mengen von weniger als 0,001 Gew%
verwendet, so kann dieser Einfluß nicht voll zur Geltung kommen, Steigt dagegen
de Zusatz über 0,5 Gew%, so führt dies eu einer schlechten Verarbeitbarkeit der
resultierenden Legierung.
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Der bevorzugte Anwendungsbereich liegt also zwischen 0,001 und 0,5
Gew%.
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Die Legierungen mit den verschiedenen Zusammensetzungen innerhalb
der oben ange0r'ebenen Bereiche weisen die folgenden Ei genschaften bei normaler
Temperatur auf: Elektrischer Widerstand 130 bis 140µ#cm Dichte 7,1 bis 7,6 Dehnung
30 bis 40 % Streckgrenze 35 bis 45 kg/mm2 Zugfestigkeit 65 bis 70 kg/mm2
Im
folgenden soll das Verfahren zum Herstellen der Legierungen nach der Erfindung mit
dem genannten Zusammensetzungsbereich beschrieben werden Zunächst werden die vorgeschriebenen
Mengen an Eisen und Ohrom in einen Tiegel gegeben, der beispielsweise aus Alumina
besteht. Sie werden thermisch unter Umgebungsluft oder vorzugsweise unter Vakuum
geschmolzen, woran sich ein Desoxydieren anschließt. Zugesetzt wird ein vorgeschriebener
Anteil an Aluminium und ein vorgeschriebener Anteil eines oder mehrer der Zusätze
Beryllium. Magnesium und Barium. Schließlich wird die Mischung in irgendeine gewünschte
Form zur Bildung eIner Legierung vergossen.
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Verglichen mit den bekannten Fe-Cr-Al-Legierungen besitzen die nach
der Erfindung eine größere Oxydationsbeständigkeit, ihre Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Oxydation
wird merklich verbessert. Aus folgendem Grund können auf der Legierungsoberfläche
hochschmelzende stabile Oxyde wie BeO, MgO oder BaO gebildet werden, welche wirksam
die Legierungsoberfläche mit Hilfe von Al2O3 und Cr2O3 schützen. Somit sind die
Legierungen nach der Erfindung voll beständig bei einer Temperatur von mehr als
1300°C und zeigen, wie Figur 2 erkennen läßt, eine erheblich größere mechanische
Festigkeit bei hoher Temperatur als ähnliche bekannte Legierungen. Wird eine Legierung
mit 25 Gew% Chrom, 5 Gew% Aluminium und dem Rest Eisen - Beispiel für bekannte Legierungen
dieses Typs - erschmolzen und unter Umgebungsluft vergossen, kaltgewalzt und die
in Drähte gezogen, so zeigten sich zum Gießzeitpunkt bei 1050°C bis 1100°G Risse,
die das Kaltwalzen oder Ziehen in Drähte verhinderten. Bei den erfindungsgemäßen
Legierungen sind demgegenüber ein oder mehrere der Zusätze Beryllium, Magnesium
und Barium vorhanden, die anscheinend eine versärkte Oxydation herbeiführen und
das Auftreten von Rissen im Gußkörper verhindern und somit das Kaltwalzen und das
Ziehen in Drähte erleichtern.
Darüberhinaus haben die Legierungen
nach der Erfindung eine größere Stoßfestigkeit und verbesserte Kaltverarbeitungseigenschaften
als die gleiche Art von Legierungen nach dem Stand der Technik.
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Die Legierungen nach der Erfindung sind stark beständig gegen Korrosion
durch Schwefel, Phosphor oder Vanadium.
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Werden somit diese Legierungen in der Brennkammer einer Gasturbine
eingesetzt, so kann eine einfache Korrodierung durch Verbrennungsgase, welche die
obengenannten Elemente enthalten, nicht mehr eintreten. Darüberhinaus haben die
erfindungsgemäßen Legierungen eine größe Beständigkeit gegen Korrosion durch Bleioxyd
so daß sie gut zur Verwendung in einer Abgasverbrennungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
geeignet sind.
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Die folgenden Beispiele beschreiben die Erfindung ohne sie zu begrenzen.
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BEISPIEL 1 Im einen Aluminatiegel wurden 1400 g Eisen und 500 g Chrom
(24,8 Gew%) gegeben. Die Mischung wurde durch Hochfrequenzerwärmung in einem evakuierten
Ofen erschmolzen Der geschmolzea rien Masse wurde 0,74 g Kohlenstoff zugesetzt,
um den darin enthaltenen Suaerstoff zu entfernen. Dann wurden 105 g (5,2 Gew%) Aluminium
und 8 g (0,4 Gew%) Magnesium zugesetzt. Die Masse wurde in eine Metallform zur Bildung
einer Legierung vergossen. 17,4 g der so hergestellten Legierung wurden auf eine
Temperatur von 1350°C in einem voll belüfteten Klemerofen erwärmt
und
bei dieser Temperatur eine bestimmte Zeitdäuer gehalten, um die Verarmung pro Stunde
aufgrund von Oxydation zu messen. Die Ergebnisse sind als Kurze a in Figur 1 wiedergegeben.
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BEISPIEL 2 Eine Legierung wurde in der gleichen Weise wie nach Figur
1 hergestellt, nur daß das in Figur 1 verwendete Magnesium durch 10g (0,5 Gew%)
Barium ersetzt war. Die Verarmung dieser Legierung aufgrund von Oxydation ist durch
die Kurve b in Figur 1 angegeben BEISPIEL 3 Hergestellt wurde eine Legierung in
der gleichen Art und Weise wie nach Beispiel 1, nur daß das nach Beispiel 1 verwendete
Magnesium durch 0,6 g (0,3 Gew%) Beryllium ersetzt war Die Verarmung dieser Legierung
aufgrund von Oxydation ist durch die Kurve c in Figur 1 angegeben.
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Weiterhin wurde zum Vergleich eine andere Legierung in der gleichen
Weise wie nach Beispiel 1 hergestellt, nur daß keLa Magnesium zugesetzt wurde. Die
Verarmung aufgrund von OXydation dieser Bezugslegierung wird durch die Kurve d in
Figur 1 angegeben. Es zeigt sich somit, daß der Zusatz an Barium, Magnesium oder
Beryllium nach der Erfindung die Verarmung Aufgrund von Oxydation der resultierenden
Legierung verminderte.
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BEISPIEL 4 Es wurde eine Legierung in der gleichen Weise wie nach
Beispiel 1 hergestellt, nur daß der Magnesiumgehalt auf 6 g (0,3 Gew%) vermindert
wurde. Die Zugfestigkeitswerte dieser Legierung zwischen Umgebungstemperatur und
etwa 800°C wurden bestimmt, die Ergebnisse sind durch Kurve e in Figur 2 gegeben
Zum Vergleich wurde man eine Legierung in der gleichen Weise wie nach Beispiel 1
hergestellt, nur daß kein Magnesium zugesetzt wurde. Die Zugfestigkeit dieser Bezugslegierung
ist durch die Kurve f in Figur 2 gekennzeichnet; diese graphische Darstellung zeigt
daß sich die Legierungen nach der Erfindung im Hinblick auf eine ausgezeichnete
Hochtemperaturfestigkeit dem bekannten Legierungstyp überlegen zeigen.
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BEISPIEL 5 1400 g Eisen und 500 g (24,8 Gew%) Chrom wurden in einen
Aluminatiegel gegeben. Die Mischung wurde durch Hochfrequenzerwärmung unter Umgebungsluft
geschmolzen und durch 1 g Silikon desoxydiert. Dann wurden 105 g (5,2 Gew%) Aluminium
und 2 g (0,1 Gew%) Magnesium zugesetzt. Nach dem Rühren wurde die Mas se in eine
Metallform zur Bildung einer Legierung vergossen Ein Oxydationsversuch an dieser
Legierung wurde entsprechend dem Verfahren nach Beispiel 1 durchgeführt, die Ergebnisse
sind durch die Kurve g in Figur 1 wiedergegeben. Die Legierung wurde auch auf ihre
Stoßfestigkeit gemessen, um Angaben hinsichtlich der Verarbeitbarkeit zu machen,
die Ergebnisse sind durch die Kurve h in Figur 3 verdeutlicht.
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Zum Vergleich wurde eine weitere Legierung in der gleichen Weise wie
nach Beispiel 5 hergestellt, nur daß Magnesium nicht zugesetzt war. Die Legierung
zeigte eine Schlagfestigkeit, wie durch die Kurve i nach Figur 3 angegeben. Ein
Vergleich dieser Kurven h und i zeigt klar, daß das Vorhandensein winziger Magnesiummengen
in einer Legierung im wesentlichen dessen Verarbeitbarkeit verbesserte BEISPIEL
6 Es wurde eine Legierung in der gleichen Art und Weise wie nach Beispiel 5 vergossen,
nur daß das Magnesium durch 2 g (0,1 Gew%) Beryllium ersetzt war. Die Verarmung
aufgrund von Oxydation dieser Legierung ist durch die Kurve j in Figur 1 angegeben.
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BEISPIEL 7 Es wurde eine Legierung in der gleichen Art und Weise
wie nach Beispiel 1 vergossen, nur daß das Magnesium durch 2 g (0,1 Gew%) Barium
ersetzt war. Die Verarmung dieser Legierung aufgrund von Oxydation ist durch die
Kurve k in Figur 1 enge geben, ihre Schlagfestigkeit durch die Kurve 1 in Figur
3" Diese Kurven k und l zeigen, daß die Legierungen nach der Erfindung eine geringere
Verarmung aufgrunf von Oxydation und eine gesteigerte Schlagfestigkeit als bekannte
Fe-Or-Al-Legie rungen aufwiesen4
BEISPIEL 8 Dieses Beispiel zeigt
den Fall, daß Magnesium, eine Komponente der Legierungen nach der Erfindung, in
Mengen oberhalb des angegebenen Bereiches eingesetzt wurde. Es wurde eine Legierung
in der gleichen Weise wie nach Beispiel 1 vergossen, nur daß 16 g (0,8 Gew%) Magnesium
zugesetzt waren. Die Verarmung aufgrund von Oxydation der Legierung ist durch die
Kurve m in Figur 1 angedeutet, ihre Schlagfestigkeit durch dei Kurve n in Figur
3. Wie diese Figuren zeigen, verminderte jeder übermäßige Zusatz an Magnesium die
Verarbeitbarkeit der resultierenden Legierung aufgrund ihrer niedrigen Stoßfestigkeit,
obwohl- dies nicht zu Problemen führte, da die Verarmung aufgrund der Oxydation
der Legierung vermindert wurde.
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Patentanspruch