DE4130140C1 - - Google Patents
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Description
Die Erfindung betrifft einen hitzebeständigen warmverformbaren
austenitischen Stahl und seine Verwendung als Werkstoff für hitze-
und korrosionsbeständige Gegenstände.
Für Gegenstände, die im Temperaturbereich von 500 bis 1000°C be
ständig sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung und Oxidation,
insbesondere bei zyklischer Beanspruchung, wird vorwiegend der
austenitischen Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1 4876 gemäß Stahleisen-
Liste des Vereins deutscher Eisenhüttenleute eingesetzt. Es besteht
aus (in Gew.-%) max. 0,12% Kohlenstoff, max. 1,0% Silizium, max.
2,0% Mangan, 19-23% Chrom, 30-34% Nickel , 0,15-0,60% Ti
tan, 0,15-0,60% Aluminium, Rest Eisen.
Für weniger scharfe Korrosionsbedingungen ist dieser Stahl eine
preisgünstige Alternative zu den hoch nickelhaltigen Werkstoffen,
z. B. der Nickel-Legierung gemäß Werkstoff-Nr. 2 4856.
Dieser austenitische Stahl 1 4876 zeigt jedoch unter stark aufkoh
lenden Bedingungen bei Temperaturen oberhalb 900°C starke Aufkoh
lungserscheinungen, die sich in einer deutlichen Gewichtszunahme
durch starke Karbidausscheidungen und Kohlenstoffaufnahme aus
drücken. Hierdurch werden zusätzlich die mechanischen Eigenschaften,
insbesondere die Langzeitfestigkeit ungünstig beeinflußt. Auch unter
oxidierend/sulfidierenden Bedingungen wie z. B. in einer Gasatmosphäre
aus Stickstoff und 10% SO₂ bei 750°C zeigt der austenitische
Stahl 1 4876 deutliche Schädigungen durch Schwefelaufnahme.
Der aus der EP-PS 01 35 321 bekannte austenitische Stahl (Angaben in
Gew.-%) mit max. 0,03% Kohlenstoff, 20-35% Chrom, 17-50% Ni
sowie 2-6% Silizium, ist zwar aufgrund seines hohen Si-Gehaltes
beständig gegen Korrosion in stark oxidierenden Mineralsäuren, wie
Salpetersäure, eignet sich aber nicht für den Einsatz bei Tempera
turen von 500°C unter aufkohlenden, sulfidierenden und
oxidierenden Bedingungen.
In der GB-PS 20 36 077 ist ein austenitischer Stahl beschrieben, be
stehend aus (Angaben in Gew.-%): max. 0,10% Kohlenstoff, 1-5%
Silizium, max. 3% Mangan, 15-30% Chrom, 7-35% Nickel, max.
0,10% Aluminium, Calcium + Seltene Erden in Summe max. 0,10%,
sowie max. 0,03% Stickstoff.
Dieser Stahl zeigt gegenüber dem eingangs genannten Stahl der Werk
stoff-Nr. 1 4876 eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit unter zyk
lischer Belastung bei Temperaturen bis 1100°C, insbesondere bedingt
durch Kohlenstoffgehalte, die unter 0,10 Gew.-% liegen sollen, sowie
durch eine Begrenzung des Schwefelgehaltes auf Werte kleiner 0,003,
vorzugsweise 0,0015 Gew.-%. Durch die Begrenzung der Kohlenstoff-
und Stickstoffgehalte auf kleiner 0,10 bzw. 0,03 Gew.-% zugunsten
einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit ist jedoch die Warmfe
stigkeit des Werkstoffes in dem für seine Verwendung angegebenen
Temperaturintervall unzureichend. Darüber hinaus sind die Begrenzun
gen an Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel bei der Erschmelzung
dieses Stahls nur mit hohem technischen Aufwand erzielbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen austenitischen Stahl zu schaf
fen, der unter aufkohlenden, sulfidierenden und oxidierenden Bedin
gungen, insbesondere unter zyklischer Beanspruchung, im Temperatur
bereich von 500 bis 1000°C mit ausreichender Warmfestigkeit ohne
Einschränkung einsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen austenitischen Stahl, beste
hend aus (Angaben in Gew.-%)
Kohlenstoff|0,10 bis 0,20 | |
Silizium | 2,5 bis 3,0 |
Mangan | 0,2 bis 0,5 |
Phosphor | max. 0,015 |
Schwefel | max. 0,005 |
Chrom | 25 bis 30 |
Nickel | 30 bis 35 |
Aluminium | 0,05 bis 0,15 |
Calcium | 0,001 bis 0,005 |
Seltene Erden | 0,05 bis 0,15 |
Stickstoff | 0,05 bis 0,20 |
Rest Eisen und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Der erfindungsgemäße Stahl eignet sich vorteilhaft als Werkstoff
zur Herstellung von Gegenständen, die bei Temperaturen im Bereich
von 500 bis 1000°C, insbesondere bei zyklischer Beanspruchung, be
ständig sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung und Oxidation.
Er wird bevorzugt eingesetzt als Werkstoff zur Herstellung von An
lagen zur thermischen Müllentsorgung oder zur Kohlevergasung und
Teilen davon. Insbesondere bei der Müllentsorgung in Verbrennungsan
lagen werden die Ofenteile stark durch wechselnde Temperaturen beim
Auf- und Abheizen sowie durch Schwankungen in der Abgaszusammenset
zung zyklisch beansprucht.
Er ist auch hervorragend geeignet als Werkstoff für Heizleiter, bei
denen es in erster Linie neben einer guten Oxidationsbeständigkeit
bei Temperaturen bis 1000°C auch auf eine gute Warmfestigkeit an
kommt.
Da in Öfen, wie Brennöfen, die Heizgase stark aufkohlend auf Ofen
einbauteile wirken, und außerdem je nach verwendetem Brennstoff Kon
taminationen durch Schwefel auftreten können, kann der erfindungsge
mäße Stahl ohne Einschränkung als Werkstoff zur Herstellung von
thermisch beanspruchten Ofeneinbauteilen, wie Stützgerüste für
Brennöfen, Transportschienen und Transportbänder eingesetzt werden.
Das vorteilhafte Korrosionsverhalten des erfindungsgemäßen Stahls
wird erreicht durch:
- - Siliziumgehalte von 2,5-3,0 Gew.-% in Verbindung mit 25-30 Gew.-% Chrom wirken sich günstig auf die Sulfidierungsbeständig keit aus. Außerdem ist bei diesen Siliziumgehalten eine noch aus reichende Warmverformbarkeit durch Walzen und Schmieden gegeben. Die gewählten Siliziumgehalte beeinträchtigen ebenfalls nicht die Schweißbarkeit des Werkstoffes.
- - Der Nickelgehalt von 30-35 Gew.-%, in Verbindung mit 2,5-3,0 Gew.-% Silizium bedingt die Beständigkeit in stark aufkohlenden Medien.
- - Die Chromgehalte von 25-30 Gew.-% in Verbindung mit einem Cal ciumgehalt von 0,001-0,005 Gew.-%, sowie einem Gehalt an Selte nen Erden (wie Cer, Lanthan und den anderen Elementen der Gruppe der Aktiniden und Lanthanoiden) in Höhe von insgesamt 0,05-0,15 Gew.-% bewirken eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, ins besondere unter zyklisch/thermischen Betriebsbedingungen, durch den Aufbau einer dünnen, gut haftenden und schützenden Oxid schicht.
In Ergänzung der für das Korrosionsverhalten wichtigen Gehaltsberei
che der vorstehend genannten Elemente ist
- - die Festlegung des Kohlenstoffgehaltes auf 0,10-0,20 Gew.-% in Verbindung mit Stickstoffgehalten von 0,05-0,20 Gew.-% ursäch lich für die gute Warm- und Zeitstandfestigkeit des erfindungsge mäßen Stahls.
Die in Lösung befindlichen Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff
sind als sehr effiziente mischkristallverfestigende und somit die
Warmfestigkeit steigende Elemente wirksam.
Darüber hinaus bewirken die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte in
den angegebenen Gehaltsgrenzen gerade in dem für den Einsatz vorge
gebenen Temperaturintervall eine verstärkte Ausscheidung von
Chromkarbiden und -karbonitriden, die ebenfalls eine Steigerung der
Warmfestigkeit bewirken.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Stahl (Leg. A) im Vergleich
zum bekannten Stahl 1 4876 (Leg. B) näher erläutert.
Die Ist-Analysen der Vergleichslegierungen A und B sind in Tabelle 1
aufgeführt (Angaben in Gew.-%)
Fig. 1 zeigt das Aufkohlungsverhalten der Leg. A im Vergleich zu
Leg. B.
Dargestellt ist hier die spezifische Massenänderung in g/m² über der
Zeit in Stunden. Das Prüfmedium war ein Gasgemisch aus CH₄/H₂ mit
einer Kohlenstoffaktivität von ac=0,8. Die Prüftemperatur betrug
1000°C. Die Prüfung erfolgte zyklisch, d. h. bei einer Zyklus-Dauer
von 24 Stunden betrug die Haltezeit auf Prüftemperatur 16 Stunden
bei insgesamt 8 Stunden Auf- und Abheizen.
Die erfindungsgemäße Leg. A zeichnet sich durch eine deutlich gerin
gere Massenzunahme aus gegenüber der Vergleichslegierung B.
Fig. 2. Diese Darstellung entspricht in Ausführung und Versuchsdurchführung
der Darstellung in Fig. 1. Lediglich das Versuchsmedium war in die
sem Fall Stickstoff + 10% SO₂ bei 750°C zur Prüfung der Sulfidie
rungsbeständigkeit. In diesem Test ergibt sich eine Überlegenheit
von Leg. A gegenüber Leg. B mit Bezug auf die Massenänderung, insbe
sondere nach Prüfzeiten über 800 Stunden.
Fig. 3 beschreibt das zyklische Oxidationsverhalten der Vergleichs
werkstoffe A und B in Luft bei 1000°C. Die Versuchsbedingungen und
die Darstellung der Ergebnisse entsprechen Fig. 1.
Das deutlich verbesserte Oxidationsverhalten der erfindungsgemäßen
Leg. A unter zyklischer Temperaturbeaufschlagung ist ersichtlich aus
der selbst nach mehr als 1000 Stunden Prüfzeit noch gemessenen Ge
wichtszunahme (Massenänderung = (+)), was ein Beweis für das Vor
handensein einer gut haftenden Oxidschicht ist.
Die Massenverluste der Vergleichslegierung B (Massenänderung = (-))
bedeuten, daß diese Legierung unter den vorliegenden oxidierenden
Bedingungen starke Zunderabplatzungen aufweist, somit beim prak
tischen Einsatz versagt.
Fig. 4 zeigt die Warmfestigkeit in MPa am Beispiel der 0,2%-Dehn
grenze (Rp0,2) in Abhängigkeit von der Prüftemperatur in °C.
Die erfindungsgemäße Legierung A weist nicht nur im Temperaturbe
reich von 500 bis 1000°C eine um ca. 100 MPa höhere Dehngrenze auf,
sondern auch im Bereich von Raumtemperatur bis 500°C. Dies wirkt
sich besonders vorteilhaft bei Auf- und Abheizvorgängen aus, denen
der Werkstoff beim praktischen Einsatz zwangsläufig unterliegt.
Claims (6)
- . Hitzebeständiger, warmverformbarer austenitischer Stahl, beste hend aus (in Gew.-%)
Kohlenstoff|0,10 bis 0,20 Silizium 2,5 bis 3,0 Mangan 0,2 bis 0,5 Phosphor max. 0,015 Schwefel max. 0,005 Chrom 25 bis 30 Nickel 30 bis 35 Aluminium 0,05 bis 0,15 Calcium 0,001 bis 0,005 Seltene Erden 0,05 bis 0,15 Stickstoff 0,05 bis 0,20 - 2. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, die bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 1000°C, insbesondere bei zyklischer Beanspru chung, beständig sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung und Oxidation.
- 3. Verwendung eines austenitischen Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 2 als Werkstoff zur Herstellung von Anlagen zur thermischen Müllent sorgung und Teilen solcher Anlagen.
- 4. Verwendung eines austenitischen Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 2 als Werkstoff zur Herstellung von Anlagen zur Kohlevergasung und Teilen solcher Anlagen.
- 5. Verwendung eines austenitischen Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 2 als Werkstoff für Heizleiter.
- 6. Verwendung eines austenitischen Stahls nach den Ansprüchen 1 bis 2 als Werkstoff zur Herstellung von Ofen-Einbauteilen, wie Stützgerüste für Brennöfen, Transportschienen und -bänder.
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