DE4111821C1 - - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/058—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W
Description
Die Erfindung betrifft eine austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Legierung
und ihre Verwendung als Werkstoff für Gegenstände mit hoher Beständigkeit
gegenüber isothermer und zyklischer Hochtemperaturoxidation,
hoher Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit bei Temperaturen
oberhalb von 1100 bis 1200°C.
Gegenstände, wie Ofenbauteile, Strahlrohre, Ofenrollen, Ofenmuffeln
und Stützsysteme in Brennöfen für keramische Erzeugnisse werden im
Einsatz nicht nur bei sehr hohen Temperaturen oberhalb 1000°C isotherm
belastet, sondern müssen auch zyklischen Temperaturbelastungen
beim Aufheizen und Abkühlen der Öfen oder Strahlrohre gewachsen
sein.
Sie müssen sich daher durch Zunderbeständigkeit nicht nur bei isothermer,
sondern auch bei zyklischer Oxidation, sowie durch eine
ausreichende Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit auszeichnen.
Aus der US-PS 36 07 243 ist erstmals eine austenitische Legierung
bekannt geworden mit Gehalten von (Angaben in Gew.-%) bis 0,1% Kohlenstoff,
58-63% Nickel, 21-25% Chrom, 1-1,7% Aluminium,
sowie wahlweise bis 0,5% Silizium, bis 1,0% Mangan, bis 0,6% Titan,
bis 0,006% Bor, bis 0,1% Magnesium, bis 0,05% Calcium, Rest
Eisen, wobei der Phosphorgehalt unter 0,030%, der Schwefelgehalt
unter 0,015% liegen soll, die eine gute Beständigkeit insbesondere
gegen zyklische Oxidation bei Temperaturen bis 2000°F (1093°C)
aufweist.
Die Warmfestigkeitswerte werden wie folgt angegeben: 80 MPa für
1800°F, 45 MPa für 2000°F und 23 MPa für 2100°F.
Die Zeitstandfestigkeit beträgt nach 1000 Stunden 32 MPa für
1600°F, 16 MPa für 1800°F und 7 MPa für 2000°F.
Davon ausgehend hat sich der innerhalb dieser Legierungsgrenzen liegende
Werkstoff NiCr23Fe mit der Werkstoff-Nr. 2.4851 und der UNS-
Bezeichnung N 06601 in die industrielle Anwendung eingeführt.
Dieser Werkstoff bewährt sich vor allem bei der Anwendung im Temperaturbereich
oberhalb von 1000°C. Dies beruht auf der Bildung einer
schützenden Chromoxid-Aluminiumoxidschicht, insbesondere jedoch auf
der insgesamt geringen Neigung der Oxidschicht zum Abplatzen bei
Temperatur-Wechselbelastung. Der Werkstoff hat sich so zu einem
wichtigen Werkstoff im industriellen Ofenbau entwickelt. Typische
Anwendungen sind Strahlrohre für gasbeheizte Öfen und Transportrollen
in Rollenherdöfen für keramische Erzeugnisse. Darüber hinaus
ist der Werkstoff auch für Teile in Abgasentgiftungsanlagen und petrochemischen
Anlagen geeignet.
Um die für die Anwendung dieses Werkstoffs maßgebende Eigenschaften
noch weiter - für Anwendungstemperaturen oberhalb von 1100 bis
1200°C - zu steigern, wird gemäß der US-PS 47 84 830 dem aus der
US-PS 36 07 243 bekannten Werkstoff Stickstoff in Mengen von 0,04
bis 0,1 Gew.-% zugesetzt und gleichzeitig zwingend ein Titangehalt
von 0,2 bis 1,0 Gew.-% gefordert. Vorteilhafterweise soll auch der
Siliziumgehalt oberhalb von 0,25 Gew.-% liegen und mit dem Titangehalt
so korreliert sein, daß sich ein Verhältnis Si : Ti = 0,85 bis
3,0 ergibt. Die Chromgehalte betragen 19-28% und die Aluminiumgehalte
0,75-2,0% bei Nickelgehalten von 55-65%.
Mit diesen Maßnahmen wird eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit
bei Anwendungstemperaturen bis 1200°C erzielt, wodurch die
Lebensdauer von z. B. Ofenrollen auf 12 Monate und mehr gegenüber 2
Monaten bei Ofenrollen, gefertigt aus dem Werkstoff gemäß US-PS
36 07 243, gesteigert werden konnte. Diese Verbesserung der Lebensdauer
von Ofenbauteilen beruht vor allem auf einer Stabilisierung
des Mikrogefüges durch Titannitride bei Temperaturen von 1200°C.
Der Kohlenstoffgehalt soll ebenso, wie in der US-PS 36 07 243 beschrieben,
0,1 Gew.-% nicht überschreiten, um eine Ausbildung von
Karbiden, insbesondere vom Typ M₂₃C₆, zu vermeiden, da diese sich
nachteilig auf die Mikrostruktur des Gefüges und auf die Eigenschaften
der Legierung bei sehr hohen Temperaturen auswirken.
Für die Lebensdauer von hochhitzebeständigen Gegenständen ist jedoch
nicht allein die Oxidationsbeständigkeit (ausgedrückt durch die sogenannte
zyklische Massenänderung (g/m² · h) in Luft bei hohen Testtemperaturen,
z. B. 2000°F, wie in der US-PS 47 84 830 beschrieben)
maßgebend, sondern auch die Warmfestigkeit und die Zeitstandfestigkeit
bei den jeweiligen Anwendungstemperaturen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen der
eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei ausreichender Oxidationsbeständigkeit die Werte für die Warmfestigkeit und die Zeitstandfestigkeit
verbessert sind, wodurch die Lebensdauer von aus
solchen Legierungen gefertigten Gegenständen bedeutend erhöht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine
Austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Legierung,
bestehend aus (Angaben in Gewichtsprozent):
Kohlenstoff: | |
0,12 bis 0,30% | |
Chrom: | 23 bis 30% |
Eisen: | 8 bis 11% |
Aluminium: | 1,8 bis 2,4% |
Yttrium: | 0,01 bis 0,15% |
Titan: | 0,01 bis 1,0% |
Niob: | 0,01 bis 1,0% |
Zirkon: | 0,01 bis 0,20% |
Magnesium: | 0,001 bis 0,015% |
Calcium: | 0,001 bis 0,010% |
Stickstoff: | max 0,030% |
Silizium: | max 0,50% |
Mangan: | max 0,25% |
Phosphor: | max 0,020% |
Schwefel: | max 0,010% |
Nickel: | Rest |
einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen.
Nach einer bevorzugten Legierungsvariante betragen die Gehalte an
Kohlenstoff: | |
0,15 bis 0,25% | |
Chrom: | 24 bis 26% |
Aluminium: | 2,1 bis 2,4% |
Yttrium: | 0,05 bis 0,12% |
Titan: | 0,40 bis 0,60% |
Niob: | 0,40 bis 0,60% |
Zirkon: | 0,01 bis 0,10% |
Stickstoff: | max 0,010% |
bei unveränderten Gehaltsbereichen der restlichen Legierungselemente.
Die erfindungsgemäße Nickel-Chrom-Eisen-Legierung weist in Abkehr
vom bisherigen Stand der Technik, der Kohlenstoffgehalte nur bis
maximal 0,10 Gew.-% zuläßt, da man glaubte, nur mit diesen geringen
Kohlenstoffgehalten die geforderte Oxidationsbeständigkeit bei
Temperaturen bis 1200°C gewährleisten zu können, Kohlenstoffgehalte
von 0,12 bis 0,30 Gew.-% auf.
In überraschender Weise bewirken Kohlenstoffgehalte in dieser
Größenordnung in Verbindung mit den erfindungsgemäß weiterhin
vorgesehenen Zusätzen, insbesondere an Yttrium und Zirkon, nicht nur
eine Steigerung der Warmfestigkeit und der Zeitstandfestigkeit,
sondern verbessern auch noch die Oxidationsbeständigkeit.
Da bei der erfindungsgemäßen Legierung der Stickstoffgehalt
möglichst niedrig gehalten wird, entstehen bei den vorliegenden
Kohlenstoffgehalten von 0,12 bis 0,30 Gew.-% in Verbindung mit den
stabilen Karbidbildnern Titan, Niob und Zirkon im wesentlichen
Karbide dieser Elemente, die auch bei Temperaturen bis zu 1200°C
thermisch stabil sind. Die Bildung von Chromkarbiden, so vom Typ
Cr₂₃C₆, wird dadurch weitgehend unterbunden. Dies führt dazu, daß
erstens durch die Bildung der im Vergleich zu Chromkarbiden
thermisch stabileren Titan-, Niob- und Zirkonkarbide die Warmfestigkeit
und die Zeitstandfestigkeit nachhaltig verbessert wird,
zweitens mehr Chrom zur Bildung einer schützenden Chromoxid-Schicht
zur Verfügung steht und damit die Oxidationsbeständigkeit bei
gleichzeitiger Zugabe von Yttrium und Zirkon verbessert wird.
Zur Sicherstellung einer ausreichenden Oxidationsbeständigkeit bei
Temperaturen von oberhalb 1100°C sind Chrom-Gehalte von mindestens
23 Gew.-% erforderlich. Die obere Grenze sollte 30 Gew.-% nicht
überschreiten, um Probleme bei der Warmverformung der Legierung zu
vermeiden.
Aluminium bewirkt, besonders im Temperaturbereich von 600 bis
800°C, den der Werkstoff im Einsatz sowohl beim Aufheizen als auch
beim Abkühlen durchläuft, eine Steigerung der Warmfestigkeit durch
Ausscheidung der Phase Ni₃Al (sog. γ′-Phase). Da die Ausscheidung
dieser Phase gleichzeitig mit einem Abfall der Zähigkeit verbunden
ist, ist es notwendig, die Gehalte an Aluminium auf 1,8 bis
2,4 Gew.-% zu begrenzen.
Der Silizium-Gehalt sollte möglichst niedrig gehalten werden, um die
Bildung von niedrig schmelzenden Phasen zu vermeiden.
Der Mangan-Gehalt sollte 0,25 Gew.-% nicht überschreiten, um
negative Auswirkungen auf die Oxidationsbeständigkeit des
Werkstoffes zu vermeiden.
Zusätze von Magnesium und Calcium dienen der Verbesserung der
Warmumformbarkeit und wirken sich auch verbessernd auf die
Oxidationsbeständigkeit aus. Hierbei sollten die Obergrenzen von
0,015 Gew.-% (Magnesium) und 0,010 Gew.-% (Calcium) jedoch nicht
überschritten werden, da oberhalb dieser Grenzwerte liegende Gehalte
an Magnesium und Calcium das Auftreten niedrig schmelzender Phasen
begünstigen und so wiederum die Warmumformbarkeit verschlechtern.
Die Eisen-Gehalte der erfindungsgemäßen Legierung liegen im Bereich
von 8 bis 11 Gew.-%. Sie sind dadurch bedingt, um beim Erschmelzen
der Legierung preiswertes Ferrochrom und Ferronickel einsetzen zu
können.
Im folgenden werden die mit der erfindungsgemäßen Legierung
erzielten Vorteile näher erläutert. Tabelle 1 enthält die Analysen
von zwei unter die Erfindung fallenden Legierungen A und B sowie
einer Legierung C entsprechend dem Stand der Technik, wie er der
US-PS 47 84 830 entnommen werden kann.
Die Werkstoffeigenschaften dieser Legierungen sind Gegenstand der
Fig. 1 bis 5.
Im einzelnen zeigen
Fig. 1 für die Legierungen A, B und C
die Warmfestigkeit Rm (MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
die Warmfestigkeit Rm (MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
Fig. 2 für die Legierungen A, B und C
die 1%-Streckgrenze Rp (MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
die 1%-Streckgrenze Rp (MPa) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
Fig. 3 für die Legierungen A und C
die 1%-Zeitdehngrenze Rp 1,0/10 000 (MPa) nach einer Zeit von 10 000 Stunden in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
die 1%-Zeitdehngrenze Rp 1,0/10 000 (MPa) nach einer Zeit von 10 000 Stunden in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
Fig. 4 für die Legierungen A und C
die Zeitstandfestigkeit Rm/10 000 (MPa) nach einer Zeit von 10 000 Stunden in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
die Zeitstandfestigkeit Rm/10 000 (MPa) nach einer Zeit von 10 000 Stunden in Abhängigkeit von der Temperatur (°C)
Fig. 5 für die Legierungen A und C
die zyklische Oxidationsbeständigkeit in Luft (spezifische Masseänderung in g/m² · h) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C).
die zyklische Oxidationsbeständigkeit in Luft (spezifische Masseänderung in g/m² · h) in Abhängigkeit von der Temperatur (°C).
Die in Fig. 1 für die Warmfestigkeit und in Fig. 2 für die 1%-
Streckgrenze in Abhängigkeit der Temperatur aufgetragenen Werte sind
wichtige Kenngrößen, inwieweit der Werkstoff bei einer bestimmten
Temperatur belastet werden kann.
Es ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Legierung A im gesamten
interessierenden Temperaturbereich von 850 bis 1200°C bei deutlich
höheren Werten als die Legierung C nach dem Stand der Technik liegt,
sowohl bei der Warmfestigkeit Rm als auch bei der 1%-Streckgrenze
Rp.
Noch bessere Werte werden von der erfindungsgemäßen Legierung B erreicht,
deren Legierungszusammensetzung innerhalb der durch Anspruch
2 gegebenen Legierungsvariante liegt. Durch diese Legierungsvariante
können bis zu Temperaturen von 1000°C sowohl die Warmfestigkeit
als auch die Streckgrenze fast verdoppelt werden.
In den Fig. 3 und Fig. 4 ist das Zeitstandverhalten der erfindungsgemäßen
Legierung A mit dem der Legierung C gemäß dem Stand
der Technik verglichen.
Die Zeitstandfestigkeit und die 1%-Zeitdehngrenze wurden in üblichen
Zeitstandversuchen ermittelt (siehe dazu DE-Buch "Werkstoffkunde
Stahl", Band 1, Springer-Verlag Berlin, 1984, Seiten 384 bis
396 und DIN 50 118).
Die Zeitstandfestigkeit (MPa) gilt als ein Maß für die Fähigkeit
eines Werkstoffes, unter dem Einfluß einer wirkenden Last nicht zerstört
zu werden. Die 1%-Zeitdehngrenze, die bei einer vorgegebenen
Belastungszeit die Spannung (in MPa) angibt, bei der eine 1%-Dehnung
erreicht wird, charakterisiert das funktionelle Versagen des
Werkstoffes bei einer bestimmten Langzeitbelastung für die jeweilige
Temperatur.
Die erfindungsgemäße Legierung A ist sowohl in der Zeitstandfestigkeit
als auch in der 1%-Zeitdehngrenze der Legierung C entsprechend
dem Stand der Technik über den gesamten Temperaturbereich
deutlich überlegen. Der Festigkeitsgewinn der erfindungsgemäßen Legierung
A beträgt im Vergleich zur Legierung C bei jeder Temperatur
mehr als 25%.
In Fig. 5 wird die an Luft ermittelte zyklische Oxidationsbeständigkeit
der Legierungen A und C mit Hilfe der Darstellung der spezifischen
Massenänderung über der Temperatur verglichen.
Gewünscht werden in der Regel Massenzunahmen (+), da Massenabnahmen
(-) häufig ein Anzeichen für stark abplatzenden Zunder sind.
Aus diesem Grunde ist das Verhalten der erfindungsgemäßen Legierung
A besser zu bewerten als das dem Stand der Technik entsprechende
Verhalten der Legierung C, die die Abszisse (Übergang zum Massenverlust)
schon bei ca. 1000°C schneidet, während die Legierung A
erst bei ca. 1050°C einen Nulldurchgang aufweist.
Die erfindungsgemäße Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist wegen ihrer
guten Eigenschaften bei hohen Temperaturen ein bevorzugter Werkstoff
für Gegenstände, die im praktischen Betrieb bezogen auf eine
Temperatur von 1100°C und eine Belastungsdauer von 10 000 Stunden
eine Zeitstandfestigkeit (Rm/10 000) von mindestens 5 MPa bei einer
1%-Zeitdehngrenze (Rp 1,0/10 000) von mindestens 2 MPa und hohe Oxidationsbeständigkeit
aufweisen müssen,
wie z. B.
- - Stahlrohre zum Beheizen von Öfen
- - Ofenrollen für das Glühen von metallischem oder keramischem Gut
- - Muffeln für Blankglühöfen, z. B. für Öfen für das Blankglühen von Edelstählen
- - Rohre für die Sauerstofferhitzung bei der Produktion von Titandioxid (TiO₂)
- - Ethylencrackrohre
- - Ofengestelle und Tragekreuze für stationäre Glühungen
- - Isolierungen für Auspuffkrümmer
- - Katalysatorfolien für die Abgasreinigung, insbesondere bei thermisch hochbelasteten Klein-Benzinmotoren, wie Motoren für Kettensägen, Heckenscheren und Rasenmäher.
Die genannten Gegenstände lassen sich aus dem erfindungsgemäßen
Werkstoff leicht fertigen, da er nicht nur gut warmverformbar ist,
sondern auch das für Kaltverarbeitungsvorgänge - wie z. B. Kaltwalzen
auf dünne Abmessungen, Abkanten, Tiefziehen, Bördeln - nötige
Umformvermögen besitzt.
Claims (3)
1. Austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Legierung,
bestehend aus (Angaben in Gewichtsprozent):
Kohlenstoff:
0,12 bis 0,30%
Chrom: 23 bis 30%
Eisen: 8 bis 11%
Aluminium: 1,8 bis 2,4%
Yttrium: 0,01 bis 0,15%
Titan: 0,01 bis 1,0%
Niob: 0,01 bis 1,0%
Zirkon: 0,01 bis 0,20%
Magnesium: 0,001 bis 0,015%
Calcium: 0,001 bis 0,010%
Stickstoff: max 0,030%
Silizium: max 0,50%
Mangan: max 0,25%
Phosphor: max 0,020%
Schwefel: max 0,010%
Nickel: Rest
einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter
Verunreinigungen.
2. Austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Legierung nach Anspruch 1,
bei der die Gehalte an
Kohlenstoff:
0,15 bis 0,25%
Chrom: 24 bis 26%
Aluminium: 2,1 bis 2,4%
Yttrium: 0,05 bis 0,12%
Titan: 0,40 bis 0,60%
Niob: 0,40 bis 0,60%
Zirkon: 0,01 bis 0,10%
Stickstoff: max 0,010%
betragen.
3. Verwendung einer austenitischen Nickel-Chrom-Eisen-Legierung nach
einem der Ansprüche 1 oder 2 als Werkstoff für im praktischen Betrieb
thermisch hochbelastete Gegenstände, die bezogen auf eine
Temperatur von 1100°C und eine Belastungsdauer von 10 000 Stunden
eine Zeitstandfestigkeit (Rm/10 000) von mindestens 5 MPa bei einer
1%-Zeitdehngrenze (Rp 1,0/10 000) von mindestens 2 MPa und
hohe Oxidationsbeständigkeit aufweisen müssen.
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