DE2161954A1

DE2161954A1 - Ferritischer hitzebestaendiger stahl

Info

Publication number: DE2161954A1
Application number: DE2161954A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Ing Brandis; Rudolf Dr Ing Oppenheim
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke GmbH
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke GmbH
Priority date: 1971-12-14
Filing date: 1971-12-14
Publication date: 1973-06-20
Also published as: FR2165453A5; US3782925A; IT973699B; GB1356897A

Description

Deutsche Edelstahlwerke

Gesellschaft mit beschränkter Haftung 2 I D I 9 O

Krefeld, Oberschlesienstraße 16

Ferritischer hitzebeständiger Stahl.

Die Erfindung betrifft einen ferritischen hitzebeständigen Stahl mit guter Oxydationsbeständigkeit bei mittleren und hohen Temperaturen, insbesondere hoher Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung.

Für manche Anwendungsgebi ete werden Werkstoffe benötigt, die für den Einsatz bei mittleren und hohen Temperaturen neben ausreichender allgemeiner Zunderbeständigkeit und Formfestigkeit bzw. -Stabilität auch eine gute Beständigkeit gegen die Bildung von Sprühzunder aufweisen müssen, der bei häufigem, mehr oder weniger schroffem Temperaturwechsel entsteht. Ein Werkstoff, der diesen Forderungen genügt, sollte auch mit möglichst geringen Kosten herstellbar sein, um sich für die Massenfertigung von Gebrauchsgegenständen, z.B. von Nachbrennern (thermischen Reaktoren) für die Abgasentgiftung von Kraftfahrzeugmotoren, zu eignen.

Bisher sind für Beanspruchungstemperaturen über 1000 C entweder austenitische Nickel-Chrom- oder Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen bzw. Chrom-Nickel-Stähle oder ferritische Chrom-Stähle mit mindestens 18 % Chrom sowie Zusätzen an Aluminium und/oder

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Silizium verwendet worden. Von den genannten Werkstoffen gilt beispielsweise ein 18 % Cr-36%Ni-Stahl als verhältnismäßig beständig gegen Sprühzunderbildung, jedoch ist dieser Stahl aufgrund seiner hohen Legierungsgehalte zu teuer.

Für Abgasreaktoren haben sich die teuren Nickel-Chrom-Legierungen aufgrund ihrer ausreichenden Zunderbeständigkeit sowie aufgrund ihrer nicht zu hohen Wärmeausdehnungswerte, ihrer guten Warmfestigkeit und ausreichenden Formstabilität gegenüber den stark schwankenden Betriebstemperaturen an sich bewährt. Bei der Suche nach preisgünstigeren Werkstoffen haben sich Chrom-Ni ekel-Stähle wie etwa der Stahl XlO CrNiSi 2520 hinsichtlich Oxydationsbeständigkeit zwar als ausreichend erwiesen, ihre Forrnstabilität war jedoch wegen des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten ungenügend.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für den oben erwähnten Anwendungszweck und darüber hinaus auch für die allgemeine Verwendung einen hitzebeständigen Werkstoff zu finden, der nicht nur eine gute allgemeine Zunderbeständigkeit und ausreiehende Warmfestigkeit bzw. Formstabilität, verbunden mit einer besonders guten Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung bei häufig und schnell wechselnden Temperaturen, besitzt und keine Versprödungsneigung bei mittleren und hohen Temperaturen aufweist, sondern auch billiger als bekannte Werkstoffe herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein ferritischer Stahl folgender Zusammensetzung vorgeschlagen:

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, Ο, 02 bis 0, 15 % Kohlenstoff
10, 0 bis 15, 0 % Chrom
1, 0 bis 3, 5 % Aluminium
0, 8 bis 3, 0 % Silizium
0, 3 bis 1, 5 % Titan sowie ggf. 0, 2 bis 1, 0 % Mob, Tantal,

Zirkonium einzeln oder zu mehreren, 0,01 bis 0, 5 % Calzium, Cer oder andere Seltene Erdmetalle,

einzeln oder zu mehreren, 0 bis 0, 10 % Stickstoff
0 bis 1,0 % Mangan
0 bis 1,0 % Nickel

Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen,

wobei die Summe (C + N) mindestens 0, 05 % und höchstens 0,20 %, die Summe (Al + Si) mindestens 2 % und höchstens 5 % und die Summe (%Ti) + 0, 5 (%Nb + %"Zr) + 0,25 (%Ta) mindestens

4 (%C) + 3, 5 (%N) + 3 (%S) + 0, 2 % und höchstens 4 (%C) + 3, 5 (%N) + 3 (%S) + 0, 6 % beträgt mit der Maßgabe eines freien,

nicht durch Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel abgebundenen Titangehaltes von mindestens 0, 2 %.

Aus dem vorgenannten Bereich wird ein Stahl bevorzugt, der unter anderem 0, 04 bis 0, 08 % Kohlenstoff, 11 bis 13 % Chrom, 1, 8 bis 2, 5 % Aluminium, 0, 8 bis 1, 5 % Silizium enthält. Der Aluminiumgehalte sollte vorzugsweise etwa doppelt so hoch sein wie der Siliziumgehalt.

Der Chromgehalt von 10 bis 15 %, vorzugsweise 11 bis 13 %, bildet die Grundlage für die hohe Oxydationsbeständigkeit, die bei Chromgehalten unter 10 % in ausreichendem Maß noch nicht vorhanden ist. Mehr als 15 % Chrom sind in dem erfindungsgemäßen Stahl nicht erforderlich.

Der Einfluß des Chroms wird durch die gemeinsame Wirkung der Zusätze an Aluminium mit 1, 0 bis 3, 5 %, vorzugsweise 1, 8 bis 2, 5 %,

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und Silizium von 0, 8 bis 3, 0 %, vorzugsweise 0, 8 bis 1, 5 %, sowie in gewissem Umfang auch an Titan unterstützt. Dabei hat sich eine. Abstimmung zwischen den beiden Legierungselementen, Aluminium und Silizium, in der Weise, daß der Aluminiumgehalt etwa doppelt so hoch ist wie der Siliziumgehalt, als besonders günstig erwiesen. Stähle dieser Zusammensetzung zeigen gute Verarbeitungseigenschaften und in den Versprödungsbereichen sowohl der Sigma- als auch der 475°-Versprödung auch bei langzeitiger Beanspruchung keine Versprödung.

Neben der Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit sichert der Titanzusatz im Bereich von 0, 3 bis 1, 5 % durch die Abbindung des Kohlenstoffs die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, die in Stillstandszeiten durch Bildung korrosiver Kondensate auftreten kann. Ähnliche Wirkung besitzen auch die Zusätze an Niob, Tantal und Zirkonium, die einzeln oder zu mehreren im Bereich von 0, 2 bis 1, 0 % zugesetzt werden können. Niob, Tantal und Zirkonium verhindern wegen der geringen Löslichkeit ihrer Sonderkarbide zusätzlich auch die zur Sprödigkeit führende Grobkörnigkeit neben Schweißnähten. Um den günstigen Einfluß des Titans auf eine Oxy-

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dationsbeständig^auszunutzen, ist es notwendig, über den Titangehalt hinaus, der zusammen mit den Zusätzen an Niob, Tantal und/oder Zirkonium zur Abbindung des Kohlenstoffgehaltes unter Berücksichtigung der Abbindung durch Stickstoff und Schwefel benötigt wird, einen Überschuß von mindestens 0, 2 % Titan zuzusetzen.

Stickstoff kann bis zu einer Menge von 0,10 % zugesetzt werden, was bei dickeren Querschnitten durch die Bildung von Sondernitriden zur Kornverfeinerung beitragen kann.

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Von entscheidender Bedeutung sind die Zusätze an Calcium, Cer oder anderen Seltenen Erdmetallen einzeln oder zu mehreren im Gehaltsbereich von 0, 01 bis 0, 5 %. Durch diese Zusätze wird die Haftfähigkeit des Zunders verbessert und dadurch bei schroffen Temperaturwechseln das Abplatzen des Zunders verhindert. Bei Zusatz von Calcium wird ein Gehaltsbereich von 0, 05 bis 0, 2 % und bei Zusatz von Cer oder anderen Seltenen Erdmetallen 0,03 bis 0, 1 % bevorzugt.

Die gute Oxydationsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Stahllegierung bei Temperaturen bis etwa 1100⁰C, zusätzlich die hohe Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung infolge schroffer Temperatur wechsel, das Fehlen von Versprödung bewirkenden Ausscheidungen im Temperaturbereich sowohl der 475°- als auch der Sigma-Versprödung und letzlich auch der vergleichsweise niedrige Legierungsgehalt an vorwiegend preisgünstigen Legierungselementen sichern dem erfindungsgemäßen Stahl als hitzebeständigen Werkstoff ein breites Verwendungsgebiet allgemeiner Anwendung für Ofenbauteile und -einsätze, für Brenn- und Glühkammern und ähnliches, insbesondere in Fällen, in denen wegen häufiger Temperatur wechsel zwischen mittleren Temperaturen bzw. Raumtemperatur und hohen Temperaturen eine erhöhte Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung gefordert wird. Stähle gemäß der Erfindung sind mit Vorteil für den Bau von thermischen ^Reaktoren (Nachbrennern) zur Abgasentgiftung von Kraftfahrzeugmotoren zu verwenden.

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Claims

Patentansprüche

1. Ferritischer Mtzebeständiger Stahl mit hoher Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung bei Temperaturwechseln, dadurch gekennzeichnet, daß er aus

0, 02 bis 0,15 % Kohlenstoff 10,0 bis 15, 0 % Chrom

1, 0 bis 3, 5 % Aluminium 0,8 bis 3,0 % Silizium

0, 3 bis 1,5 % Titan sowie ggf. 0,2 bis 1,0 % Niob, Tantal, Zirkonium einzeln oder zu mehreren,

0, 01 bis 0, 5 % Calzium, Cer oder andere Seltene

Erdmetalle, einzeln oder zu mehreren,

0 bis 0,10 % Stickstoff

0 bis 1,0 % Mangan

0 bis 1,0 '% Nickel

Rest Eisen mit den üblichen Verunreinigungen besteht,

wobei die Summe (C + N) mindestens 0, 05 % und höchstens 0, 20 %,

die Summe (Al + Si) mindestens 2 % und höchstens 5 % und die

Summe (%Ti) + 0,5 (%Nb + %Zr) + 0,25 (%Ta) mindestens

(%C) + 3, 5 (%N) + 3 (%S) + 0, 2 % und höchstens

(%C) + 3, 5 (%N) + 3 (%S) + 0, 6 % beträgt mit der Maßgabe eines

freien, nicht durch Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel abgebundenen

Titangehaltes von mindestens 0, 2 %.

2. Stahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er unter anderem

0, 04 bis 0, 08 % Kohlenstoff bis 13 % Chrom

1, 8 bis . 2, 5 % Aluminium 0, 8 bis 1,5 % Silizium

enthält.

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3. Stahl nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen etwa doppelt so hohen Aluminiumgehalt wie Siliziumgehalt enthält.

4. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er 0, 05 bis 0, 2 % Calcium und/oder

0, 03 bis 0, 1 % Cer und/oder andere Seltene Erdmetalle enthält.

5. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Werkstoff für Ofenbauteile und -einsätze, für Brenn- und Glühkammern, die bei häufigen Temperatur wechseln zwischen Raumtemperatur bzw. mittleren und hohen Temperaturen bis etwa 1100⁰C eine erhöhte Beständigkeit gegen Sprühzunderbildung aufweisen müssen.

6. Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Werkstoff für thermische Reaktoren (Nachbrenner ) zur Abgasentgiftung von Kraftfahrzeugmotoren.

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