DE4409004A1 - Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff - Google Patents

Hitzebeständiger Mehrschichtverbundwerkstoff

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DE4409004A1 DE19944409004 DE4409004A DE4409004A1 DE 4409004 A1 DE4409004 A1 DE 4409004A1 DE 19944409004 DE19944409004 DE 19944409004 DE 4409004 A DE4409004 A DE 4409004A DE 4409004 A1 DE4409004 A1 DE 4409004A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrschichtverbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Ferner betrifft die Erfindung aus diesem Mehrschichtverbundwerkstoff hergestellte Rohre sowie deren Verwendung als Transportrollen in Brennöfen.
In Brennöfen zur Wärmebehandlung von Glas, Keramik, Porzellan, Ziegeln, Steinen oder Steingut und auch von metallischen Produkten werden Temperaturen von bis zu 1180°C eingestellt. Die wärmezubehandelnden Produkte werden bei einem solchen Prozeß auf Rohren (Rollen) kontinuierlich durch die Ofenzone von sogenannten Rollenherdöfen befördert. Von den Werkstoffen für diese Einsatzgebiete werden eine hohe Warmzugfestigkeit und Beständigkeit gegenüber isothermer und zyklischer Hochtemperaturkorrosion gefordert.
Von entscheidender Bedeutung für den genannten Verwendungszweck ist insbesondere die Oxidationsbeständigkeit des eingesetzten Werkstoffes bis zu einer Temperatur von ca. 1180°C, die Temperaturwechselbeständigkeit sowie die Ausbildung einer dichten Oxidschicht, die sehr beständig gegen Abblättern ist. Weiterhin muß eine solche komplexe Oxidschicht resistent gegenüber möglichen Glasur- und Tonrückständen des Glühgutes sein.
Zusätzlich wird je nach Anwendungsfall eine gute Beständigkeit gegenüber aggressiven, d. h. aufkohlenden, karbonitrierenden oder nitrierenden Atmosphären gefordert.
Für solche extreme thermische, korrosive und mechanische Belastungen wurden bislang vornehmlich längsnahtgeschweißte Rohre aus den bekannten hitzebeständigen Nickelbasislegierungen NiCr23Fe (Werkstoff-Nr. 2.4851 gemäß DIN 17742) oder NiCr15Fe (Werkstoff-Nr. 2.4816 gemäß DIN 17742) eingesetzt.
Die Eignung dieser Nickelbasislegierungen resultiert aus der Bildung einer schützenden Chromoxid- bzw. Chromoxid- Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche der hieraus hergestellten Bauteile, und beruht ferner auf der geringen Neigung dieser gebildeten komplexen Oxidschicht zum Abplatzen bei Temperaturwechselbeanspruchung. Die bekannten hitzebeständigen Nickelbasislegierungen haben die folgende durchschnittliche Zusammensetzung:
Die hohen Kosten der verwendeten Nickelbasislegierung werden hauptsächlich durch den hohen und zudem teuren Nickelanteil von über 60% hervorgerufen.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, welcher die für den Einsatz in Brennöfen geforderte hohe Warmzugfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion aufweist und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrschichtverbundwerkstoff gelöst, der aus zwei ganzseitig verbundenen Schichten mit der Folge:
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl, aufgebaut ist,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat:
C: 0,02-0,25 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.-%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, und
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:
C: 0,02-0,20 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew. -%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%
und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
Die chemische Zusammensetzung der verwendeten hitzebeständigen Nickelbasislegierungen und Stähle ist in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (in Gew.-%) hitzebeständiger Legierungen
Bei allen Werkstoffen ist der Rest, bezogen bis auf 100%, Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Hieraus geht hervor, daß die Nickelgehalte der erfindungsgemäßen Stähle bis zu 40% unter dem Nickelgehalt der bekannten Nickelbasislegierungen liegen, wodurch ein Kostenvorteil bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrschichtverbundwerkstoffes und daraus hergestellter Rohre gegenüber üblichen Rohren aus einem der Werkstoffe 2.4851 oder 2.4816 erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrschichtverbundwerkstoff ist die hitzebeständige Nickelbasislegierung ausgewählt aus den Werkstoffen NiCr23Fe (Werkstoffnummer 2.4851 gemäß DIN 17742) oder NiCrlsFe (Werkstoffnummer 2.4816 gemäß DIN 17742), und die hitzebeständige Eisenbasislegierung ist ausgewählt aus den folgenden Edelstählen:
X 15 CrNiSi 20 12 Werkstoff-Nr. 1.4828 gem. SEW 470
X 15 CrNiSi 25 20 Werkstoff-Nr. 1.4841 gem. SEW 470
X 12 CrNi 25 21 Werkstoff-Nr. 1.4845 gem. SEW 470
X 10 NiCrAITi 32 20 Werkstoff-Nr. 1.4876 gem. SEW 470.
Der erfindungsgemäße Mehrschichtverbundwerkstoff ist äußerst hitzebeständig. Er wird durch Plattieren, vorzugsweise Walzplattieren der beiden Schichten hergestellt. Eine besonders hohe und gleichmäßige Oberflächengüte des Mehrschichtverbundwerkstoffes wird durch das Kaltwalzplattierverfahren erreicht.
Von besonderer Bedeutung für die Funktionserfüllung ist die ganzflächige und dauerhafte, durch Plattieren, vorzugsweise Kaltwalzplattieren, erzeugte Verbindung der beiden Schichten des Mehrschichtverbundwerkstoffes in allen Temperaturbereichen.
Dies bedingt, insbesondere bei der Herstellung und Verwendung von Rohren, insbesondere als Transportrollen in Rollenherdöfen, aus den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbundwerkstoffen, daß der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (zwischen 20°C und der jeweiligen Anwendungstemperatur von maximal 1180°C) der äußeren Schicht, d. h. der hitzebeständigen Nickelbasislegierung, kleiner oder gleich dem entsprechenden mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der hitzebeständigen Eisenbasislegierung, d. h. der inneren Schicht, ist.
In Tabelle 2 sind die mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 20°C und 1180°C beispielhaft für die hitzebeständigen Nickelbasislegierungen NiCr23Fe und NiCr15Fe, sowie für die hitzebeständigen Eisenbasislegierungen aufgelistet und in Fig. 3 graphisch dargestellt.
Tabelle 2
Mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient (gemessen in 10-6/K) zwischen 20°C und der jeweiligen Prüftemperatur hitzebeständiger Legierungen
Hieraus geht hervor, daß der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der hitzebeständigen Nickelbasislegierungen im gesamten Temperaturbereich von 20°C bis 1180°C kleiner als der vergleichbare mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient der hitzebeständigen Eisenbasislegierungen ist. Damit ist sichergestellt, daß eine Trennung der aufeinander plattierten Schichten im Einsatz z. B. als Transportrolle, bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnung, unterbunden wird.
Die exakte chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäßen hitzebeständigen Eisenbasislegierung wird hauptsächlich von den beim späteren Einsatz auftretenden unterschiedlichen atmosphärischen, korrosiven und thermischen Bedingungen bestimmt, und wird vom Fachmann entsprechend ausgewählt. Gleiches gilt für die Auswahl der erfindungsgemäßen hitzebeständigen Nickelbasislegierung als Auflagewerkstoff.
Die Dicke der Auflagenschicht aus der hitzebeständigen Nickelbasislegierung, beträgt zwischen 5% und 45% der Gesamtdicke des Mehrschichtverbundwerkstoffes.
Die genannten Grenzwerte werden dadurch festgelegt, daß Auflagenstärken unter 5% der Gesamtschichtdicken durch Plattieren ganz flächig nicht sicher und reproduzierbar herstellbar sind, während hingegen Auflagenstärken über 45% der Gesamtschichtdicke keinen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Produkten aus einer reinen hitzebeständigen Nickelbasislegierung ergeben.
Das Verbinden der beiden hitzebeständigen Schichten zu einem Mehrschichtverbundwerkstoff erfolgt dabei in einem einzigen Stich oder Walzdurchgang, einer sogenannten Einstichumformung. Der Gesamtverformungsgrad IV beträgt hierbei bevorzugt mindestens 45%. Der Gesamtverformungsgrad V ist definiert durch die folgende Gleichung:
mit:
Ag=A₁=A₂
A₁; A₂: Querschnittsflächen der beiden Ausgangsflächen
Ae: Querschnittsfläche des Mehrschichtverbundwerkstoffes
Die sich durch den Kaltwalzplattierprozeß ergebene hohe Kaltverfestigung erfordert ein rekristallisierendes Glühen bzw. Lösungsglühen des Mehrschichtverbundwerkstoffes vor dem Einformen zum Längsnahtschweißen von Rohren. Während eines solchen Glühprozesses wird zudem durch Diffusionsvorgänge im Bereich der Grenzflächen der beiden aufeinander plattierten Schichten eine entscheidende Verbesserung der Haftung bewirkt.
Eine schematische Darstellung eines zu einem Rohr in Längsrichtung verschweißten Mehrschichtverbundwerkstoffes zeigt Fig. 1. Die Bezugszeichen bedeuten:
  • (1) hitzebeständige Nickelbasislegierung
  • (2) hitzebeständige Eisenbasislegierung
  • (3) Schweißnaht (in Längsrichtung).
Das Längsnahtverschweißen des Mehrschichtverbundwerkstoffes zu Rohren erfolgt durch die bei der Rohrherstellung üblichen Schmelz- und Preßschweißverfahren, insbesondere durch das WIG-, MIG-, MAG-, HF-, Plasma- und Laserschweißverfahren.
Die äußere Schicht des Rohres, welche den extremen thermischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt ist, besteht, wie bei der nichtplattierten Rohrausführung, erfindungsgemäß aus einer Nickelbasislegierung, vorzugsweise aus der Legierung NiCr23Fe (Werkstoff-Nr. 2.4851) oder NiCr15Fe (Werkstoff-Nr. 2.4816).
Die innere Schicht des Rohres, welche geringeren Belastungen ausgesetzt ist, besteht erfindungsgemäß aus der kostengünstigen Eisenbasislegierung, und ist vorzugsweise ausgewählt aus den folgenden Edelstählen:
X 15 CrNiSi 20 12 Werkstoff-Nr. 1.4828 gem. SEW 470
X 15 CrNiSi 25 20 Werkstoff-Nr. 1.4841 gem. SEW 470
X 12 CrNi 25 21 Werkstoff-Nr. 1.4845 gem. SEW 470
X 10 NiCrAITi 32 20 Werkstoff-Nr. 1.4876 gem. SEW 470.
Fig. 2 zeigt an einem metallographischen Schliff die Gefügeausbildung im Bereich der Schweißnaht eines erfindungsgemäßen Rohres. (1) bedeutet die hitzebeständige Nickelbasislegierung und (2) die hitzebeständige Eisenbasislegierung. Die Vergrößerung beträgt 13 : 1. Geschweißt wurde mit dem WIG-Verfahren ohne Schweißzusatz.
Wesentlich ist auch die im äußeren Schweißnahtbereich vollständig durchgängige Schicht, bestehend aus der hitzebeständigen Nickelbasislegierung, da deren Hochtemperatureigenschaften die Standzeit von z. B. Transportrollen entscheidend beeinflussen. Untersuchungen an erfindungsgemäßen Ausführungsformen zeigen, daß im äußeren Schweißnahtbereich keine sogenannte Aufmischung der unterschiedlichen Legierungen (hitzebeständige Nickelbasislegierung und hitzebeständiger Edelstahl) miteinander auftritt. Diese Erscheinung beruht auf den differierenden Schmelztemperaturen (Liquidiustemperaturen TLiq) der beiden Komponenten. Beispiele hierfür sind:
Werkstoff 2.4851 : TLiq ∼ 1350°C, und
Werkstoff 1.4841 : TLiq < 1400°C.
Die Warmzugfestigkeiten im Temperaturbereich von 1000- 1180°C der hitzebeständigen Nickelbasislegierungen und der hitzebeständigen Edelstähle unterscheiden sich nicht wesentlich.
Ein Glühen der längsnahtgeschweißten Rohre kann vorgenommen werden, damit sich vor einem Gebrauch die stabile, schützende Oxidschicht aufgebaut hat, und dadurch ein wirksamer Schutz des Rohres unmittelbar vom Beginn der Verwendung an, z. B. als Transportrolle in Rollenherdbrennöfen gegeben ist. Eine solche Wärmebehandlung erfolgt zweckmäßigerweise unter oxidierender oder neutraler Atmosphäre oder unter Schutzgas.
Die erfindungsgemäßen Rohre sind beständig gegen extreme thermische, korrosive und mechanische Belastungen und werden daher besonders vorteilhaft als Transportrollen in Brennöfen mit einer Arbeitstemperatur bis zu 1180°C eingesetzt. Typischerweise sind solche Brennöfen als Rollenherdöfen für die Wärmebehandlung von Werkstoffen ausgebildet. Diese Werkstoffe sind insbesondere metallische Produkte, Glas, Keramik, Porzellan, Ziegel, Steine oder Steingut.

Claims (12)

1. Mehrschichtverbundwerkstoff aus zwei ganzseitig verbundenen Schichten mit dem Aufbau:
hitzebeständige Nickelbasislegierung/hitzebeständiger Edelstahl,
worin die hitzebeständige Nickelbasislegierung die folgende Zusammensetzung hat: C: 0,02-0,25 Gew.-%
Cr: 14,0-27,0 Gew.-%
Ni: 57,0-78,0 Gew.-%
Si: 0-1,0 Gew.-%
Mn: 0-1,0 Gew.-%
Al: 0-2,2 Gew.-%
Ti: 0-0,6 Gew.-%
Cu: 0-1,0 Gew.-%
Zr: 0-0,2 Gew.-%
B: 0-0,008 Gew.-%und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest, und
worin der hitzebeständige Edelstahl eine Eisenbasislegierung mit folgender Zusammensetzung ist:C: 0,02-0,20 Gew.-%
Si: 0,2-2,5 Gew.-%
Cr: 17,0-28,0 Gew.-%
Ni: 11,0-35,0 Gew.-%
Mn: 0-2,5 Gew.-%
Al: 0-0,80 Gew.-%
Ti: 0-0,80 Gew.-%und Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest.
2. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelbasislegierung ausgewählt ist aus den Werkstoffen NiCr23Fe (Werkstoffnummer 2.4851 gemäß DIN 17742) oder NiCr15Fe (Werkstoffnummer 2.4816 gemäß DIN 17742), und die Eisenbasislegierung ausgewählt ist aus den folgenden Edelstählen: X 15 CrNiSi 20 12 Werkstoff-Nr. 1.4828 gem. SEW 470
X 15 CrNiSi 25 20 Werkstoff-Nr. 1.4841 gem. SEW 470
X 12 CrNi 25 21 Werkstoff-Nr. 1.4845 gem. SEW 470
X 10 NiCrAlTi 32 20 Werkstoff-Nr. 1.4876 gem. SEW 470.
3. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 20°C und 1180°C der Nickelbasislegierung kleiner oder gleich dem entsprechenden mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eisenbasislegierung ist.
4. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Auflagenschicht aus der hitzebeständigen Nickelbasislegierung zwischen 5% und 45% der Gesamtdicke des Schichtverbundwerkstoffes beträgt.
5. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schichten durch Walzplattieren ganzseitig miteinander verbunden sind.
6. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schichten durch Kaltwalzplattieren ganzseitig miteinander verbunden sind.
7. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltwalzplattieren nur ein Stich oder Walzdurchgang mit einem Gesamtverformungsgrad V 5% vorgenommen wird.
8. Mehrschichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Plattiervorgang eine Diffusions- oder Rekristallisationsglühung vorgenommen wird.
9. Rohr aus einem längsnahtgeschweißtem Mehrschichtverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verwendung eines Rohrs nach Anspruch 9 als Transportrolle in einem Brennofen mit einer Temperatur bis zu 1180°C.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennofen zur Wärmebehandlung von Werkstoffen ausgewählt aus metallischen Produkten, Glas, Keramik, Porzellan, Ziegeln, Steinen oder Steingut eingesetzt wird.
12. Rohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieses vor Verwendung als Transportrolle in einem Brennofen unter oxidierender oder neutraler Atmosphäre, oder unter Schutzgas wärmebehandelt wird.
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