DE69019502T2

DE69019502T2 - Oxidationsbeständiges Chrom und Aluminium enthaltender Stahl.

Info

Publication number: DE69019502T2
Application number: DE69019502T
Authority: DE
Inventors: Kazuhide Ishii; Tatsuo Kawasaki; Hiroshi Shimizu
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: EP0443179A1; EP0443179B1; DE69019502D1; US5085829A

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fe-Cr-Al-Stahl, der im Hinblick auf Verarbeitbarkeit, Oxidationsbestandigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit überlegen ist. Noch spezieller betrifft die vorliegende Erfindung einen Fe-Cr-Al-Stahl, der geeignet ist zur Verwendung als Material für Bauteile oder Strukturteile, die einer stark oxidierenden Umgebung oder einer heißen oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt werden, z. B. Teile von Verbrennungsmaschinen und Brennersystemen Abgassystemen, Siedekesseln, Abfall- Verbrennungsanlagen usw.

Beschreibung des Standes der Technik

Ein oxidationsbestandiger Fe-Cr-Al-Stahl wird offenbart in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 63-45,351 und auch in der Beschreibung des US-Patents Nr. 4,414,023. Dieser Stahl enthält 8 bis 25 Gew.-% Cr und 3 bis 8 Gew.-% Al. Wenn dieser Stahl in einer heißen oxidierenden Atmosphäre verwendet wird, wird vorzugsweise Al in dem Stahl unter Bildung eines feinen Schutzfilmsaus Al&sub2;O&sub3; oxidiert, und der Stahl zeigt so eine hohe Bestandigkeit gegen Oxidation. Dieser oxidationsbestandige Stahl ist daher geeignet zur Verwendung in Komponenten von Brennern oder dergleichen.
Dieser bekannte, oxidationsbestandige Fe-Cr-Al-Stahl ist jedoch noch nicht zufriedenstellend im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit, da allgemein die Zähigkeit dieses Stahls verringert wird, wenn der Al-Gehalt 3 Gew.-% übersteigt. Dies hat zum Ergebnis, daß häufig Defekte auf der Oberfläche während des Heißwalzens hervorgerufen werden. Zum Entfernen derartiger Oberflächendefekte wurde wiederholt ein Vorgang des Schleifens der Oberfläche durchgeführt.
Außerdem besteht eine gewisse Neigung dazu, daß Bleche aus diesem bekannten Stahl reißen, wenn sie einem Kaltwalzverfahren unterworfen werden. Der Vorgang des Walzens dieses Stahls muß daher bei niedriger Geschwindigkeit und mit niedrigem Reduktionsverhältnis durchgeführt werden, wobei man die Temperatur des Blechs anhebt.
Die Zähigkeit des Stahls kann dadurch verbessert werden, daß man den Gehalt an Cr und Al verringert, wie dies in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 54-35,571 und 55- 41,290 vorgeschlagen wurde. Die Verringerung des Gehalts an Cr und Al verringert jedoch in nicht erwünschter Weise die Oxidationsbestandigkeit. Dies macht den Stahl materiell unbrauchbar bei hohen Temperaturen, die 1.000 ºC übersteigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oxidationsbestandigen Fe-Cr- Al-Stahl zu schaffen, der im Hinblick auf Verarbeitbarkeit, Oxidationsbestandigkeit und Korrosionsbestandigkeit bei hoher Temperatur sowie Wirtschaftlichkeit überlegen ist, um dadurch die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu überwinden. Mit diesem Ziel wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein oxidationsbestandiger Fe-Cr-Al- Stahl mit einer solchen Zusammensetzung geschaffen, daß er enthält:
bis zu, jedoch nicht mehr als 0,05 Gew.-% C; bis zu, jedoch nicht mehr als 1,0 Gew.-% Si; bis zu, jedoch nicht mehr als 1,0 Gew.-% Mn, 3,0 bis 7,5 Gew.-% Cr, 4,5 bis 6,5 Gew.-% Al; bis zu, jedoch nicht mehr als 0,05 Gew.-% N; eines oder mehrere Elemente, die gewähll sind aus der aus (1) 0,01 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Zr, (2) 0,01 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Ti und (3) 0,001 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, ausgedrückt als Gesamtmenge, Y, La, Ce, Pr, Nd und Hf; gegebenenfalls 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Ca und zum Rest Fe und unvermeidbare Einschlüsse.
Der oxidationsbestandige Fe-Cr-Al-Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung kann etwa 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Ca enthalten.
Im Rahmen der Erfindung wurde bei einer intensiven Untersuchung gefunden, daß die Zähigkeit eines Fe-Cr-Al-Stahls verbessert werden kann, ohne seine Oxidationsbestandigkeit zu verschlechtern, wenn man dem Stahlmaterial geeignete Mengen Zr, Ti und Seltenerd- Elemente zusetzt, während man den Cr-Gehalt verringert. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnis gemacht.
Nachfolgend wird eine Beschreibung der Gründe für die Wichtigkeit des Gehalts an diesen Elementen gegeben. In der folgenden Beschreibung sind die Gehalte der Elemente als Gewichtsprozente (Gew.-%) angegeben.

C, N: nicht über 0,05 %

Wenn die Gehalte an C und N übermäßig groß sind, wird die Zähigkeit des Stahls erniedrigt und so die Kaltverarbeitbarkeit des Stahls ernsthaft beeinträchtigt. Außerdem besteht eine Neigung dazu, daß diese Elemente Verbindungen bei Reaktion mit Cr und Al bilden, die signifikante Elemente zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Oxidationsbestandigkeit sind, mit dem Ergebnis, daß die Reinheit ernsthaft beeinträchtigt wird und daß die Ausbeuten an diesen signifikanten Elementen verringert werden. Aus diesen Gründen ist der Gehalt an jedem der Elemente C und N beschränkt auf 0,05 % oder weniger.

Si: nicht über 1,0 %

Si ist ein wichtiges Element in seiner Eigenschaft als deoxidierendes Mittel und trägt zu einer Verbesserung der Oxidationsbestandigkeit bei. Der Zusatz dieses Elements in einer Menge über etwa 1,0 % führt zu einer Verringerung der Zähigkeit und beeinträchtigt ernsthaft die Kaltbearbeitbarkeit. Aus diesem Grund ist der Gehalt an Si beschränkt auf 1,0 % oder weniger.

Mn: nicht über 1,0 %

Mn ist ebenfalls ein wichtiges deoxidierendes Element. Ein Mn-Gehalt über 1,0 % verringert jedoch die Oxidationsbestandigkeit. Der Mn-Gehalt wird daher auf 1 ,0 % oder weniger beschränkt.

Cr: 3,0 bis 7,5 %

Cr ist ein Element, das essentiell ist zum Erhalt der erforderlichen Oxidations- und Korrosionsbestandigkeit. Um nennenswerte Wirkungen zu erhalten, sollte der Cr-Gehalt nicht unter 3,0 % liegen. Wenn der Cr-Gehalt zu groß ist, wird jedoch die Zähigkeit des Stahls verringert oder beeinträchtigt. Der Cr-Gehalt sollte daher 7,5 % nicht übersteigen.

Al: 4,5 bis 6,5 %

Dieses Element ist eines der wichtigen Elemente im Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung, da es die Oxidationsbestandigkeit verbessert. Um eine ausreichend große Oxidationsbestandigkeit zu erhalten, sollte der Gehalt an diesem Element nicht unter 4,5 % liegen. Ein übermäßig hoher Al-Gehalt verringert jedoch die Zähigkeit des Stahls und beeinträchtigt seine Kaltbearbeitbarkeit. Es wird daher bestimmt, daß der Al-Gehalt 6,5 % nicht übersteigt.

Ti: 0,01 bis 0,3 %

Ti erzeugt eine starke Wirkung insoweit, als es C und N inaktiv macht und eine Verringerung der Oxidationsbestandigkeit und der Kaltbearbeitbarkeit, die durch die Gegenwart von C und N hervorgerufen wird, unterdrückt. Außerdem verbessert dieses Element die Bestandigkeit gegen ein Abblättern des Oxid-Belags in Gegenwart von Cr und Al. Daher ist dieses Element ebenfalls eines der wichtigen Elemente in dem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erhalten, sollte der Gehalt an diesem Element etwa 0,01 % oder mehr betragen. Ein übermäßig hoher Ti-Gehalt verringert jedoch die Zähigkeit des Stahls und beeinträchtigt seine Kaltbearbeitbarkeit. Es wird daher bestimmt, daß der Gehalt des Elements Ti 0,3 % nicht übersteigt.

Zr: 0,01 bis 0,3 %

Zr verbessert ebenfalls die Bestandigkeit gegen ein Abblättern des Oxid-Belags in Gegenwart von Cr und Al und verbessert so die Oxidationsbestandigkeit des Stahls. Zr ist daher eines der wichtigen Elemente in dem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung. Um eine nennenswerte Wirkung zu erhalten, sollte der Gehalt an diesem Element nicht unter 0,01 % liegen. Ein zu hoher Gehalt an Zr führt jedoch dazu, daß die Oxidationsbestandigkeit verringert wird und auch die Zähigkeit des Stahls verringert wird und so seine Kaltbearbeitbarkeit beeinträchtigt wird. Es wird daher bestimmt, daß der Zr-Gehalt 0,3 % nicht übersteigt.

Y, La, Ce, Pr, Nd, Hf: ausgedrückt als Gesamtmenge: 0.001 bis 0.2 %

Wie im Fall von Ti und Zr verbessern diese Elemente die Bestandigkeit gegen ein Abblättern des Oxid-Belags in Gegenwart von Cr und Al und verbessern so die Oxidationsbestandigkeit des Stahls. Daher sind diese Elemente wichtige Elemente in dem Stahl der vorliegenden Erfindung. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erhalten, darf der Gesamtgehalt dieser Elemente nicht unter 0,001 % liegen. Jedoch verringert ein übermäßig hoher Gesamtgehalt dieser Elemente die Zähigkeit aufgrund der Gegenwart von Einschlüssen, mit dem Ergebnis, daß die Kaltbearbeitbarkeit des Stahls in unerwünschter Weise beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund wird bestimmt, daß der Gesamtgehalt an diesen Elementen 0,2 % nicht übersteigt.

Ca: 0,001 bis 0,05 %

Ca ist wirksam insofern, als es die Wirkung von S aufhebt, das ernsthaft die Oxidationsbestandigkeit des Stahls beeinträchtigt. Dieses Element wird daher - sofern erforderlich - in einer Menge zugesetzt, die nicht unter 0,001 % liegt. In dem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung kann Ca nicht als feste Lösung bestehen, wenn sein Gehalt 0,05 % übersteigt. Aus diesen Gründen wird daher bestimmt, daß der Ca-Gehalt in einem Bereich von 0,001 bis 0,05 % liegt. Obwohl der S-Gehalt keiner Beschränkung unterliegt, ist es bevorzugt, daß der S-Gehalt 0,005 % nicht übersteigen soll, und zwar aus Sicht der Oxidationsbestandigkeit.
Der vorstehend genannte, bekannte Fe-Cr-Al-Stahl mit verringertem Al-Gehalt kann das erforderliche Niveau der Oxidationsbestandigkeit nur bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur beibehalten, beispielsweise bis zu 900 ºC. Die Schritte der Einstellung der Gehalte an Cr und Al auf die beanspruchten Bereiche sind nicht ausreichend zum Erhalt der erforderlichen Oxidationsbestandigkeit bei hohen, 1.000 ºC übersteigenden Temperaturen. Um nämlich das erforderliche Niveau der Oxidationsbestandigkeit bei derart hohen Temperaturen zu erreichen, ist es auch erforderlich, daß wenigstens eines der Elemente Ti und Zr und eines oder mehrere der Elemente Y, La, Ce, Pr, Nd und Hf in den Mengen zugegen sind, die in dem Anspruch speziell angegeben sind.

Beispiel

Zusammensetzungen von Beispielen des Stahls der vorliegenden Erfindung sind in Tabelle 1 gezeigt, während Zusammensetzungen von Vergleichsbeispielen von Stahl in Tabelle 2 gezeigt sind. Die Stähle der in den Tabellen 1 und 2 gezeigten Zusammensetzungen wurden zu Blöcken von 10 kg geformt und, nachdem sie auf 1.200 ºC erhitzt wurden, zu Blechen mit einer Dicke von 3 mm heißgewalzt. Ein Charpy-Test wurde an diesen Blechen durchgeführt, um das Zähigkeitsniveau zu untersuchen. Die Ergebnisse des Charpy-Tests sind ebenfalls in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Die Bleche wurden auch einem Glühen, das bei 900 ºC 1 min lang zum Entzundern durchgeführt wurde, unterworfen. Proben der Stahlbleche, die eine Stoßabsorptions-Energie von 5 kgf x m/cm² bei 25 ºC zeigten, wurden bei erhöhter Temperatur von 100 ºC zu Blechen einer Dicke von 0,5 mm gewalzt, da das Kaltwalzen derartiger Proben schwierig war. Andere Proben, die eine Stoßabsorptions-Energie von 5 kgf x m/cm² oder höher unter denselben Bedingungen zeigten, konnten zu Blechen einer Dicke von 0,5 mm kaltgewalzt werden.
Diese Bleche wurden anschließend einem Glühen und Schleifen der Oberfläche unterworfen, und Teststücke einer Breite von 20 mm und einer Länge von 30 mm wurden von diesen Blechen zum Zweck des Tests der Oxidationseigenschaften ausgeschnitten. Teststücke mit einer Breite von 50 mm und einer Lange von 100 mm wurden zum Zweck der Durchführung des Korrosionstests abgeschnitten.
Die Oxidationstests wurden in der Weise durchgeführt, daß man die Teststücke 96 h lang in einem elektrischen Ofen hielt, der bei einer Atmosphäre von 1.150 ºC gehalten wurde, und anschließend die Zunahme des Gewichts der Teststücke maß. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Die Korrosionstests wurden in der Weise durchgeführt, daß man einen 24 h-Salzsprühtest durchführte, um den Zustand der Bildung von Rost zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
In den Tabellen 1 und 2 wurden die Teststücke auf der Grundlage der folgenden Daten bewertet:
Zähigkeit: Stoßabsorptions-Energie bei Messung im Rahmen des Charpy- Tests an heißgewalzten Blechen (kgf x m/cm²);
Oxidationsbestandigkeit: Gewichtszunahme aufgrund von Oxidation nach Aufstellen in einer Atmosphäre von 1.150 º C;
Korrosionsbestandigkeit: Resultat eines 24 h-Salzsprühtests bei 35 ºC (Bewertungen und X wurden jeweils an Proben angebracht, die nach dem Salzsprühtest keinen Rost zeigten bzw. die Rost zeigten).
Aus den Tabellen 1 und 2 ergibt sich klar, daß Stähle mit Zusammensetzungen, die in die Bereiche fallen, die durch die Erfindung speziell angegeben sind, eine überlegene Bearbeitbarkeit und hohe Bestandigkeit sowohl gegen Oxidation als gegen Korrosion bei hoher Temperatur zeigen.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, stellt die vorliegende Erfindung einen oxidationsbestandigen Stahl bereit, der überlegen ist im Hinblick auf Bearbeitbarkeit, Oxidationsbestandigkeit und Korrosionsbestandigkeit bei hoher Temperatur. Tabelle 1 Symbol Zähigkeit *1) Gewichtszunahme Korrosionsbeständigkeit Bewertung *1) Die Zähigkeit ist angegeben als Stoßabsorption (in kgf x m/cm²) Tabelle 2 Symbol Zähigkeit *1) Gewichtszunahme Korrosionsbeständigkeit Bewertung *1) Die Zähigkeit ist angegeben als Stoßabsorption (in kgf x m/cm²)

Claims

1. Oxidationbeständiger Fe-Cr-Al-Stahl umfassend:

bis zu, jedoch nicht mehr als 0,05 Gew.-% C; bis zu, jedoch nicht mehr als 1,0 Gew.-% Si; bis zu, jedoch nicht mehr als 1,0 Gew.-% Mn; 3,0 bis 7,5 Gew.-% Cr; 4,5 bis 6,5 Gew.-% Al; bis zu, jedoch nicht mehr als 0,05 Gew.-% N; ein oder mehrere Elemente gewählt aus der Gruppe bestehend aus 1.) 0,01 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Zr, 2.) 0,01 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Ti und 3.) 0,001 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% ausgedrückt als eine Gesamtmenge von Y, La, Ce, Pr, Nd und Hf; wahlweise 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Ca; und Rest Fe und Verunreinigungen und unvermeidbare Einschlüsse.

2. Oxidationsbeständiger Fe-Cr-Al-Stahl gemäß Anspruch 1, enthaltend ungefähr 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Ca.