DE2407900A1 - NICKEL-CHROME-IRON ALLOY, IN PARTICULAR FOR EXHAUST GAS CLEANING DEVICES - Google Patents
NICKEL-CHROME-IRON ALLOY, IN PARTICULAR FOR EXHAUST GAS CLEANING DEVICESInfo
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DIPL.-ING. KLAUS BEHN 2A07300DIPL.-ING. KLAUS BEHN 2A07300
8 MÜNCHEN 22 Wl DENMAYERSTRASSE 6 TEL. (089) 22 25 30 - 29 51 928 MUNICH 22 Wl DENMAYERSTRASSE 6 TEL. (089) 22 25 30 - 29 51 92
19· Februar 197419 February 1974
A 57/38 74 Be/DeA 57/38 74 Be / De
Firma SANDVIK AKTIEBOLAG, Fack, S-811 01 Sandviken 1,- SchwedenSANDVIK AKTIEBOLAG, Fack, S-811 01 Sandviken 1, - Sweden
Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, insbesondere für Abgasreinigungsvorrichtungen Nickel-chromium-iron alloy, in particular for exhaust gas cleaning devices
Die Erfindung betrifft einen austenitisehen aluminiumlegierten Stahl mit hohen Gehalten an Chrom und Nickel, der insbesondere für die Verwendung als Material für Abgasreinigungsvorrichtungen in Verbrennungs- oder Explosionsmotoren geeignet ist. Die Stahllegierung ist entwickelt worden im Hinblick auf die sehr speziellen Forderungen, die für Materialien für thermische und katalytische Abgasreaktoren oder ähnliche Hochtemperaturzwecke auf gestellt worden sind.The invention relates to an austenitic aluminum alloy Steel with high contents of chromium and nickel, which is particularly suitable for use as a material for exhaust gas cleaning devices is suitable in internal combustion or explosion engines. The steel alloy has been developed with the very special in mind Demands made for materials for thermal and catalytic exhaust gas reactors or similar high-temperature purposes have been.
Materialeigenschaften, die in dieser Beziehung von großer Wichtigkeit sind, sind ein hoher Widerstand gegen Oxydation, insbesondere bei schnellen zyklischen Temperatüränderungen, hohe DauerStandfestigkeit, um sowohl thermischen als auch mechanischenMaterial properties that are of great importance in this regard are a high resistance to oxidation, in particular with rapid cyclical temperature changes, high Durability to both thermal and mechanical
409834/0906 - 2 -409834/0906 - 2 -
Spannungen zu widerstehen, und gute Strukturstabilität (niedrige Neigung zur Versprödung). Außerdem ergeben sich Bearbeitungsbedingungen wie gute Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit , um eine Herstellung mit üblichen Vorrichtungen zu ermöglichen.Resistant to tension and good structural stability (low tendency to become brittle). There are also processing conditions such as good processability and weldability in order to enable production with conventional devices.
Erfindungsgemäß ist ein Material für die genannten Zwecke aufgefunden worden, welches die genannten Forderungen und Eigenschaften bzw. Qualitäten erfüllt. Die erfindungsgemäße Legierung, die insbesondere für Abgasreinigungsvorrichtungen, wie thermische und/oder katalytische Reaktoren, Sensoren als Einzelteile einer Vorrichtung zur Steuerung· von Vergasern und dergleichen geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,02 bis 0,15 Gew.-^ C, 18 bis 2k Gew.-Ji Cr, 22 bis 31 Gew.-^ Ni, 1,1 bis 2,5 Gew.-% Al, 0,1 bis 0,8 Gew.-^ Ti, 0,3 bis 1,2 Gew.-^ Si, 0,3 bis 2,0 Gew.-^ Mn und RestE-isen neben üblichen Verunreinigungen enthält.According to the invention, a material has been found for the purposes mentioned which meets the requirements and properties or qualities mentioned. The alloy according to the invention, which is particularly suitable for exhaust gas cleaning devices such as thermal and / or catalytic reactors, sensors as individual parts of a device for controlling gasifiers and the like, is characterized in that it contains 0.02 to 0.15% by weight , 18 to 2k wt .-% Ji Cr, 22 to 31 wt .-% Ni, 1.1 to 2.5 wt .-% Al, 0.1 to 0.8 wt .-% Ti, 0.3 to 1 , 2 wt .- ^ Si, 0.3 to 2.0 wt .- ^ Mn and remainder E-isen in addition to the usual impurities.
Bei Verwendung des Materials für Abgasreiniger soll der Kohlenstoffgehalt in Bezug auf zwei wesentlich verschiedene Paktoren ausgewählt werden, die von den Arbeitsbedingungen des Reaktors abhängen. Wenn das Material bei niedrigen Arbeitstemperaturen (weniger als etwa 8500C) verwendet wird, soll der C-Gehalt des Stahles niedrig sein und vorzugsweise höchstens 0,06$ betragen, um die Ablagerung von Chromkarbä in den Korngrenzen zu vermeiden, was die Gefahr einer interkristallinen Korrosion beim Abschalten des Reaktors mit sich bringt. Anderer-When using the material for exhaust gas purifiers, the carbon content should be selected in relation to two essentially different factors, which depend on the working conditions of the reactor. If the material is used at low working temperatures (less than about 850 ° C.), the carbon content of the steel should be low and preferably not more than 0.06 $ in order to avoid the deposition of chromium carbide in the grain boundaries, which increases the risk of a brings intergranular corrosion when the reactor is switched off. Another-
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seits wird bei einem Reaktor, der im wesentlichen für lange Arbeitszeiten bei höheren Temperaturen (oberhalb etwa 85O0C) verwendet werden soll, ein höherer C-Gehalt bevorzugt im Hinblick auf die Dauerstandsfestigkeit und den Widerstand gegen Oxydation. Ein geeigneter Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 0,08 bis 0,13$.hand, in a reactor which is to be essentially used for long hours at high temperatures (above about 85O 0 C), a higher C content is preferred in terms of the creep strength and resistance to oxidation. A suitable carbon content is between $ 0.08 to $ 0.13.
Ti wird im wesentlichen zu dem Zweck zugesetzt, die Dauerstandsfestigkeit zu verbessern und den Kohlenstoff, beispielsweise bei Schweißoperationeri, zu binden. Es hat sich gezeigt, daß ein geeigneter Gehalt zwischen 0,2 bis 0,6 % liegt.Ti is added essentially for the purpose of improving the fatigue strength and of binding the carbon, for example in welding operations. It has been found that a suitable content is between 0.2 to 0.6 % .
Von den Hauptlegierungselementen Ni und Cr trägt Nickel wesentlich dazu bei, eine stabile austenitische Struktur zu schaffen und somit eine gute Dauerstandfestigkeit und Zähigkeit zu erreichen, während Chrom der Legierung im wesentlichen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation bewirkt.Of the main alloy elements Ni and Cr, nickel makes a significant contribution to a stable austenitic structure create and thus achieve a good creep strength and toughness, while chromium is the alloy essentially a causes high resistance to oxidation.
Niedrigere Gehalte an Ni als etwa 2Ä%> werden allgemein nicht verwendet mit Rücksicht auf die Gefahr der Bildung von versprödender Sigma-Phase. Es ist an sich bekannt, daß ein erhöhter Zusatz an Ni (in Gehalten von etwa 5 bis 60#) einen günstigen Einfluß auf die Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation von-Stahllegierungen mit hohem Gehalt an Cr (oberhalb etwa 20#) hat. Andererseits ist es auch bekannt, daß Gehalte an Ni ober-Contents of Ni lower than about 2%> are generally not used because of the risk of the formation of embrittling sigma phases. It is known per se that an increased addition of Ni (in contents of about 5 to 60 #) has a favorable influence on the resistance to oxidation of steel alloys with a high content of Cr (above about 20 #). On the other hand, it is also known that contents of Ni above
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halb der Werte, die für eine stabile austenitische Struktur erforderlich sind, die Dauerstandsfestigkeit verschlechtern. Es ist festgestellt worden, daß ein geeigneter Ni-Gehalt in Folge der oben erwähnten Punkte bei 26 bis 30% liegt. Der Gehalt an Cr muß mit Rücksicht-auf die Tatsache, daß ein ansteigender Gehalt zu einer ungünstigen Bildung von Sigma-Phase ^ührt, was eine niedrigere Dauerstandfestigkeit und niedrigere Zähigkeit bedeutet, gut ausbalanciert werden. Es hat sich gezeigt, daß im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation und im Hinblick auf die Bildung von Sigma-Phase ein optimaler Chromgehalt zwischen wenigstens 19$ und vorzugsweise höchstens 22..£ Cr.half of the values required for a stable austenitic structure impair the fatigue strength. It has been found that a suitable Ni content is 26 to 30% due to the above-mentioned points. The content of Cr must be well balanced in view of the fact that an increasing content leads to an unfavorable formation of the sigma phase, which means a lower creep strength and lower toughness. It has been shown that with regard to the resistance to oxidation and with regard to the formation of the sigma phase, an optimal chromium content of between at least 19 $ and preferably at most 22 .. £ Cr.
Temperaturänderungen beschleunigen die Oxydationsgeschwindigkeit, insbesondere deshalb, weil das Oxyd infolge der thermischen Spannungen, die zwischen dem Oxyd und dem benachbarten Metall auftreten, abblättert. Der Widerstand gegen thermische Ermüdung des Oxydes kann verbessert werden durch Zusätze von seltenen Erdmetallen, wie Ce, Y und La. Diese Zusätze sind aber aktiv bis zu einer gewissen Temperaturgrenze, die bei austenitischen Materialien bei 900° C liegt. Außerdem führen diese Zusätze zu einer verschlechterten Warmbearbeitbarkeit und Schweißbarkeit der Legierung.Changes in temperature accelerate the rate of oxidation, especially because the oxide as a result of the thermal stresses that exist between the oxide and the neighboring Metal occur, flakes off. The resistance to thermal fatigue of the oxide can be improved by additives of rare earth metals such as Ce, Y and La. However, these additives are active up to a certain temperature limit austenitic materials is 900 ° C. Also lead these additives result in deteriorated hot workability and weldability of the alloy.
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Das Anhaften des Oxydes kann auch verbessert werden durch Zusätze an Si, und es können als Beispiele ältere bekannte Stähle mit Nenn-Zusammensetzungen von 25 Cr, 20 Ni, 2SJ,Rest-Eisen bzw. 20 Cr, J58 Ni, 2 Si, ReslE isen erwähnt werden. Diese Stahlarten haben aber in Folge ihrer hohen Si-Gehalte (etwa 2% Si) eine starke Neigung zur Versprödung durch die BildungThe adhesion of the oxide can also be improved by adding Si, and older known steels with nominal compositions of 25 Cr, 20 Ni, 2SJ, remainder iron or 20 Cr, J58 Ni, 2 Si, ReslE can be used as examples be mentioned. However, due to their high Si content (approx. 2% Si), these types of steel have a strong tendency to become brittle as a result of formation
2 3 von Sigma-Phase bei Langzeitanwendungen (10 - 10^ Stunden) im Temperaturbereich zwischen 600 bis 85O0 C. Es ist auch bekannt, daß der letzt genannte Stahl eine niedrigere Dauerstandfestigkeit im Vergleich zu der entsprechenden Si-freien Legierung hat. Außerdem ist es bekannt, daß diese Stähle infolge ihrer hohen Si-Gehalte beim Schweißen empfindlich gegen Warmrisse sind.2 3 of the Sigma phase for long-term applications (10-10 ^ hours) in the temperature range between 600 to 85O 0 C. It is also known that the last-mentioned steel has a lower fatigue strength compared to the corresponding Si-free alloy. It is also known that these steels are sensitive to hot cracks during welding due to their high Si contents.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung ist der Si-Gehalt sorgfältig ausbalanciert, um eine verbesserte Anhaftung des Oxydes zu erreichen, ohne die erwähnten Nachteile zu bewirken, wie Versprödung, verringerte Dauerstandsfestigkeit usw. Ein geeigneter Si-Gehalt liegt zwischen 0,5 bis 1,0$.In the alloy according to the invention, the Si content is carefully balanced in order to achieve an improved adhesion of the oxide without causing the disadvantages mentioned, such as embrittlement, reduced fatigue strength, etc. A suitable Si content is between 0.5 and 1.0 $.
Der Gehalt an Mangan sollte der für diese Legierungsarten normale Gehalt sein. Das ist üblicherweise 0,4 bis 1,0$.The manganese content should be the normal content for these types of alloys. That's usually $ 0.4 to $ 1.0.
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Ein besonderes Merkmal der erfindungsgemäßen Legierung ist der verhältnismäßig hohe und sorgfältig eingestellte Zusatz an Al in Verbindung mit einem will ausbalancierten Ni-Gehalt. A special feature of the alloy according to the invention is the relatively high and carefully adjusted addition of Al in connection with a balanced Ni content.
Der Zusatz an Al ergibt eine gewisse innere Oxydation, welche das Anhaften des Oxydes am Metall verbessert. Diese günstige Wirkung tritt auf bei Al-Gehalten von etwa 1,5$. Höhere Al-Gehalte, als sie zur Erzielung der oben genannten günstigen Wirkung erforderlich sind, sollten aber im Hinblick auf die Strukturstabilität vermieden werden. Der optimale Zusatz an Al im Hinblick auf Oxydationswirkungen beträgt etwa 1,2 bis 2,\% (normalerweise 1,5$).The addition of Al results in a certain internal oxidation, which improves the adhesion of the oxide to the metal. This beneficial effect occurs at Al contents of about $ 1.5. Higher Al contents than are necessary to achieve the above-mentioned beneficial effect should, however, be avoided in view of the structural stability. The optimal addition of Al in terms of oxidizing effects is about 1.2 to 2.0% (normally $ 1.5).
Die erwähnte Technik des Zusatzes an Al ist früher in einer kommerziellen Ni-Legierung mit einer Nenn-Zusammensetzung verwendet worden: 23 Cr, 60 Ni, 1,3 Al. Diese Legierung enthält aber einen unnötig hohen Gehalt an Ni von einem technischökonomischen Gesichtspunkt aus. Wie früher erwähnt, ist es bekannt, daß Ni einen günstigen Einfluß auf den Widerstand gegen Oxydation bei Pe-Cr-Ni-Legierungen hat, jedoch ist nun durch Versuche der Anmelderin festgestellt worden, daß der Gehalt an Ni in Al-legierten Fe-Cr-Ni-Stählen bis zu 25$ erniedrigt werden kann, ohne daß der Widerstand gegen Oxydation ernstlich verschlechtert wird. Die folgenden Beispiele von Oxydations-The mentioned technique of adding Al is earlier in one commercial Ni alloy with a nominal composition used: 23 Cr, 60 Ni, 1.3 Al. This alloy contains but an unnecessarily high content of Ni from a techno-economic point of view. As mentioned earlier, it is known that Ni has a favorable influence on the resistance to oxidation in Pe-Cr-Ni alloys, but is now through Experiments by the applicant have found that the content of Ni in Al-alloyed Fe-Cr-Ni steels is reduced by up to 25 $ without seriously deteriorating the resistance to oxidation. The following examples of oxidation
409834/0906 _ γ -409834/0906 _ γ -
Untersuchungen können diese Ausführungen darlegen:Investigations can show these statements:
Legierungalloy
Gewichtsverlust nach 1000 Stunden zyklischer Oxydation bei 1000° C. Die Proben wurden Mal pro 24 Stunden auf Raumtemperatur abgekühltWeight loss after 1000 hours of cyclic oxidation at 1000 ° C. The samples were Cooled to room temperature times every 24 hours
1 20 Cr 30 Ni 1,5 Al1 20 Cr 30 Ni 1.5 Al
2 23 Cr 60 Ni 1,3 Al2 23 Cr 60 Ni 1.3 Al
3 20 Cr 25 Ni 1,5 Al3 20 Cr 25 Ni 1.5 Al
4 20 Cr 30 Ni4 20 Cr 30 Ni
10 mg/cm2 14 " 84 " 150 "10 mg / cm 2 14 "84" 150 "
Bemerkungen: 1) Nenn-Zusammensetzung einer erfindungsgemäßenComments: 1) Nominal composition of an inventive
Legierung.Alloy.
2) Kommerzielle Ni-Legierung2) Commercial Ni alloy
3) Testqualität3) test quality
4) Kommerzielle Fe-Cr-Ni-Legierung "Alloy 800" (In den Legierungen ist der Rest Eisen neben4) Commercial Fe-Cr-Ni alloy "Alloy 800" (In the alloys, the rest is iron besides
geringfügigen Legierungszusätzen und normalen Verunreinigungen)minor alloy additions and normal Impurities)
Die Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Legierung einen Oxydationswiderstand aufweist, der dem Widerstand der erheblich teureren Nickel-Legierung entspricht. Im Vergleich mitThe results show that the alloy according to the invention has an oxidation resistance which is considerably higher than that of the more expensive nickel alloy. In comparison with
409834/0906409834/0906
der untersuchten Al-freien Pe-Cr-Ni-Legierung Nr. 4 ist eine beträchtliche Verbesserung erreicht worden.of the examined Al-free Pe-Cr-Ni alloy No. 4 is one considerable improvement has been achieved.
Die folgenden Beispiele geben einige Ergebnisse vergleichender Untersuchungen der Dauerstandsfestigkeit:The following examples give some results of comparative studies of the fatigue strength:
DauerstandsfestigkeitsuntersuchungFatigue strength study
Legierung Zeit bis zum Bruch (h) bei QOO0CAlloy time to break (h) at QOO 0 C
bei einer Belastung (kp/mm^)at a load (kp / mm ^)
2,5 2,02.5 2.0
1 20 Cr 30 Ni1 20 Cr 30 Ni
2 16 Cr 78 Ni2 16 Cr 78 Ni
3 20 Cr JO Ni 3 Al3 20 Cr JO Ni 3 Al
4 20 Cr 29 Ni \5 Al4 20 Cr 29 Ni \ 5 Al
Bemerkungen: 1) Kommerzielle Pe-Cr-Ni-Legierung "Alloy 800"Remarks: 1) Commercial Pe-Cr-Ni alloy "Alloy 800"
2) " Ni-Legierung "Alloy 600" 2) "Ni-Alloy" Alloy 600 "
3) Testqualität3) test quality
4) Erfindungsgemäße Legierung4) Alloy according to the invention
Es ist also festzustellen, daß die erfindungsgemäße Legierung eine erheblich verbesserte Dauerstandsfestigkeit aufweist im Vergleich zu der entsprechenden Al-freien LegierungIt can therefore be stated that the alloy according to the invention has a considerably improved fatigue strength compared to the corresponding Al-free alloy
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und auch im Vergleich zu einer Legierung mit zu hohen Gehalten an Al {%). and also in comparison to an alloy with too high contents of Al {%).
Die Untersuchungen heben ferner die Bedeutung eines wohlausgewogenen und sorgfältig bestimmten Gehaltes an Al hervor (Legierung 3 bzw. 4). Ein solcher wohlbestimmter Gehalt lag zwischen 1,3 bis 1,7$ Al.The investigations also highlight the importance of a well-balanced and carefully determined Al content (alloy 3 or 4). Such a well-determined salary lay between $ 1.3 to $ 1.7 Al.
Wie bereits erwähnt, wird die erfindungsgemäße Legierung unter anderem im wesentlichen als Material für Abgasreiniger verwendet. Das Material wird normalerweise als Bandstahl angeliefert, und zwar geglüht und gebeizt oder blank geglüht oder kalt gewalzt, in einer Dicke zwischen 0,2 bis 4mm und mit einer Breite zwischen 10 bis 400mm. Das Material kann aber auch als Draht oder in Form von geschweißten Rohren hergestellt werden.As already mentioned, the alloy according to the invention is used, inter alia, essentially as a material for exhaust gas purifiers used. The material is usually delivered as strip steel, namely annealed and pickled or bright annealed or cold rolled, with a thickness between 0.2 and 4mm and with a width between 10 and 400mm. The material can also be saved as Wire or in the form of welded tubes.
Wie bereits erwähnt, ist die Legierung im wesentlichen bestimmt für die Verwendung in Abgasreinigungsvorrichtungen, wie thermische und/oder katalytische Reaktoren, Sensoren (als Ein- ■ zelteile in Vergasersteuersystenen) und als Zubehörteile.As already mentioned, the alloy is essentially intended for use in exhaust gas cleaning devices such as thermal and / or catalytic reactors, sensors (as individual parts in ■ gasifier control systems) and as accessories.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt, deren Fig. einen thermischen Reaktor zeigt. Der innere Teil des Reaktors besteht aus einer Brennkammer 1, einem Brennrohr 2, Einlaßrohren 3 für das Abgas. Diese Teile und weitere Einzel-An embodiment is shown in the drawing, the figure of which shows a thermal reactor. The inner part of the The reactor consists of a combustion chamber 1, a combustion pipe 2, inlet pipes 3 for the exhaust gas. These parts and other individual
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teile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt. Die Fig. zeigt auch die Isolation 4 der Kammer und ein äußeres Gehäuse 5·Parts that are exposed to high temperatures are made from the alloy according to the invention. The figure also shows the insulation 4 of the chamber and an outer casing 5
Im Betrieb wird das mit Luft gemischte Abgas durch die Einlaßrohre 3 eingelassen. Das Gas wird in dem Brennerrohr 3 verbrannt, das für die Zuführung weiterer Luft-Gas-Mischung, die durch einen nicht gezeigten Einlaß zugeführt, perforiert ist. Die verbrannten Abgase werden durch einen nicht· dargestellten Auslaß entfernt. ■·In operation, the exhaust gas mixed with air is introduced through the intake pipes 3. The gas is in the burner tube 3 burned, that for the supply of further air-gas mixture, which is supplied through an inlet, not shown, is perforated. The burned exhaust gases are not shown by a Outlet removed. ■ ·
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Claims (11)
0,02 bis 0,15 Gew.-# C, 18 bis 24 Gew.-^ Cr, 22 bis 31 Gew.-% Ni, 1,1 bis 2,5 Gew.-% Al, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Ti, 0,3 bis 1,2 Gew.-% Si, 0,3 bis 2,0 Gew.-% Mn und ResiE isen neben normalen Verunreinigungen enthält.1. Nickel-chromium-iron alloy with very good resistance to oxidation in the event of rapid cyclical temperature changes with high durability and good structural stability, especially for exhaust gas cleaning devices, such as thermal and / or catalytic reactors, sensors εβ? Ε ^ SiUBöDfcexKtoie as individual parts of a device for control of carburetors and related parts, characterized in that the alloy
0.02 to 0.15 wt .- # C, 18 to 24 wt .- ^ Cr, 22 to 31 wt -.% Ni, 1.1 to 2.5 wt -.% Al, 0.1 to 0 8 wt. % Ti, 0.3 to 1.2 wt. % Si, 0.3 to 2.0 wt. % Mn and ResiE isen in addition to normal impurities.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee | ||
| 8141 | Disposal/no request for examination |