EP0386730B1 - Nickel-Chrom-Eisen-Legierung - Google Patents

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EP0386730B1
EP0386730B1 EP90104349A EP90104349A EP0386730B1 EP 0386730 B1 EP0386730 B1 EP 0386730B1 EP 90104349 A EP90104349 A EP 90104349A EP 90104349 A EP90104349 A EP 90104349A EP 0386730 B1 EP0386730 B1 EP 0386730B1
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nicr
chromium
nickel
zirconium
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Krupp VDM GmbH
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a thermoformable, austenitic Ni-Cr-Fe alloy with very good oxidation resistance and heat resistance.
  • Alloys of this type are used for the production of wires and strips for heating conductor resistors, for the production of support systems in furnaces and for other furnace components and increasingly also for nuclear reactors.
  • an alloy of the following composition has become known from DE-PS 30 37 209: up to 15% of one or more of the elements Mo, Rh, Hf, W, Ta and Nb up to 0.5% of one or more of the elements C, B, Mg, Zr and Ca. up to 1% Si, up to 2% Mn, up to 20% Co, up to 5% Ti, up to 30% Fe, balance Ni.
  • the main issue was a well-adhering aluminum oxide layer, which is expediently produced by pre-oxidation in an oxygen-containing atmosphere at above 1093 ° C.
  • an aluminum content of 2.5 to 8% has a strong effect on this alloy ⁇ '-excretion preferably in the temperature range of 600 to 800 ° C. This is associated with a sharp decrease in the ductility of the material, which can lead to material damage, particularly in furnaces that often pass through this temperature range during heating and cooling.
  • aluminum contents of 2.5 to 8% and chromium contents of 8 to 25% are not sufficient to only form aluminum oxide in NiCrAl alloys. Rather, the formation of aluminum oxide, chromium oxide, mixed oxides and internal oxidation occurs, a process that leads to a poorer protective effect than the pure chromium oxide, especially in the case of thermal-cyclical stress.
  • the alloy can also contain Ti, Al and Y.
  • zirconium on the resistance to oxidation is neutralized if zirconium is present as a stable carbide to improve the hot formability.
  • the positive influence of zirconium on the hot processing properties can be reversed if coarsely dispersed zirconium carbides are formed due to the non-coordinated addition of zirconium and carbon.
  • an alloy from DIN 17 742 (material no. 2.4867) is included known in the form of wires and tapes for the production of heating conductors and electrical resistors is suitable and is generally manufactured and offered with the following composition:
  • This heating conductor alloy is known under the short name NiCr 60 15. Under thermal cycling (according to FIG. 1b, see below) it has service life values that lie between those of the pure Ni-Cr alloy NiCr 80 20 on the one hand and those of the iron-based material NiCr 30 20 on the other hand (see FIG. 2). In addition, despite the higher melting point, the NiCr 60 15 alloy has a lower maximum operating temperature than the pure Ni-Cr alloy and does not have sufficient heat resistance for certain applications.
  • the maximum operating temperature which is usually limited to approx. 1200 ° C., can be increased by approx. 50 ° C. if the alloy elements are used there according to the prior art Form of mixed metal added lanthanides replaced by yttrium.
  • FIG. 1a shows, in a highly simplified manner, a device for checking the service life of a horizontally arranged, helically wound heating conductor (1) which is clamped at the end in a holder (2) and connected to a voltage source (3).
  • the heating conductor consisted of a 50 mm long coil with 12 turns and an inner diameter of 3 mm. The wire diameter was 0.4 mm.
  • the heating conductor was switched on and off in alternation of two minutes, whereby the maximum temperature reached during the heating phase was measured without contact using a radiation pyrometer and regulated to a constant value by changing the applied voltage.
  • Fig. 1b shows - also greatly simplified - a device for testing the life of a vertically hanging heating conductor wire (4) of one meter in length, which is clamped at its upper end in a holder (5), loaded with a variable weight (6) and with a voltage source (7) is connected.
  • FIG. 3 the service life of the material according to the invention determined with a device according to FIG. 1a at a maximum temperature set at 1150 ° C. is below the same conditions measured lifetime of the unmodified material "NiCr 60 15 old" compared.
  • the service life was increased from 2900 cycles to 4100 cycles, which means an improvement of over 40%.
  • the service life (number of cycles) was determined at temperatures of 1150, 1200 and 1250 ° C.
  • Table 1 shows that the modified alloy is significantly better at all temperatures. The differences are + 56.8% at 1150 ° C, + 33.9% at 1200 ° C and + 66.2% at 1250 ° C. It cannot yet be said whether the relative improvement in service life is actually temperature-dependent or only existed for the samples examined. With a correspondingly high number of samples, it will probably be found that the improvement on average is approximately the same at all temperatures, a value of at least 30% being expected.
  • modified alloy at 1200 or 1250 ° C still has 65 or 34% of the life of the base alloy at 1150 ° C is important in practice, which represents a considerable safety reserve, especially with regard to short-term exceeding of the operating temperatures is very desirable in most fields of application.
  • a high level of heat resistance is generally required for heating conductor windings, and thus for free-hanging The sagging of the windings can be avoided.
  • the heat resistance is based above all on solid-solution strengthening of the basic nickel structure by Cr and Fe and hardening by carbides.
  • Ti and Zr and N were alloyed, so that the modified alloy contains nitrides and carbonitrides in addition to the carbides.
  • the modified material showed a significantly longer service life.
  • Two complete heating elements such as those used for tumble dryers, were charged with 227 volts in 30-second cycles, with which a maximum temperature of 1150 ° C is achieved with a new heating element.
  • the comparative alloy "NiCr 60 15 old" only withstood around 130,000 cycles
  • the alloy “NiCr 60 15 new” according to the invention has so far endured more than 380,000 cycles in the test that has not yet ended. This almost triples the service life, which speaks for the considerable economic importance of the alloy according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine warmverformbare, austenitische Ni-Cr-Fe-Legierung mit sehr guter Oxidationsbeständigkeit und Warmfestigkeit.
  • Derartige Legierungen werden zur Herstellung von Drähten und Bändern für Heizleiter-Widerstände, zur Herstellung von Stützsystemen in Brennöfen sowie für andere Ofenbauteile und in zunehmendem Maße auch für Kernreaktoren verwendet.
  • Für Stützsysteme in Brennöfen ist aus der DE-PS 30 37 209 eine Legierung folgender Zusammensetzung bekannt geworden:
    Figure imgb0001
       bis zu 15 % eines oder mehrerer der Elemente Mo, Rh, Hf, W, Ta und Nb    bis zu 0,5 % eines oder mehrerer der Elemente C, B, Mg, Zr und Ca
       bis zu 1 % Si, bis zu 2 % Mn, bis zu 20 % Co, bis zu 5 % Ti, bis zu 30 % Fe, Rest Ni.
  • Dabei kam es vor allem auf eine gut haftende Aluminiumoxid-Schicht an, die zweckmäßigerweise durch Voroxidieren in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei über 1093°C hergestellt wird. Ein Aluminiumgehalt von 2,5 bis 8 % bewirkt bei dieser Legierung jedoch eine starke γ′-Ausscheidung vorzugsweise im Temperaturbereich von 600 bis 800°C. Dies ist mit einer starken Duktilitätsabnahme des Werkstoffs verbunden, was gerade bei Öfen, die oftmals beim Aufheizen und Abkühlen diesen Temperaturbereich durchlaufen, zu Werkstoffschädigungen führen kann.
  • Hinzu kommt noch, daß Aluminiumgehalte von 2,5 bis 8 % bei Chromgehalten von 8 bis 25 % nicht ausreichend sind, um in NiCrAl-Legierungen ausschließlich Aluminiumoxid zu bilden. Vielmehr kommt es zur Ausbildung von Aluminiumoxid, Chromoxid, Mischoxiden und innerer Oxidation, ein Vorgang, der besonders bei thermisch-zyklischer Beanspruchung zu einer schlechteren Schutzwirkung führt als das reine Chromoxid.
  • Eine andere hitzebeständige und gut warmverformbare Legierung ist aus der US-PS 3 865 581 bekannt geworden, mit
    Figure imgb0002
  • Gemäß Anspruch 2 dieser Patentschrift kann die Legierung auch noch Ti, Al und Y enthalten.
  • Durch die dosierte Zugabe von B, Zr, Ce, Mg und Be konnte die Anzahl der bei 1050 bis 1300°C erfolgreich überstandenen Torsionen erheblich gesteigert werden, woraus direkt auf die Verbesserung der Warmverformbarkeit geschlossen werden kann. Bei dieser Legierung hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, daß die Verbesserung der Warmverformbarkeit, ermittelt im Kurzzeit-Torsionstest, zu Lasten der Langzeiteigenschaften wie z. B. der Oxidationsbeständigkeit geht. So ist beispielsweise bekannt, daß B, Mg und Be durch Modifikation der Oxidschichten das Oxidationsverhalten gerade bei thermisch-zyklischer Oxidation, der Werkstoffe verschlechtern. Die positive Wirkung von Cer geht bei Temperaturen oberhalb von 1200°C durch die Bildung eines niedrigschmelzenden Eutektikums verloren. Der positive Einfluß von Zirkon auf die Oxidationsbeständigkeit wird neutralisiert, wenn Zirkon zur Verbesserung der Warmumformbarkeit als stabiles Karbid vorliegt. Darüber hinaus kann sich der positive Einfluß von Zirkon auf die Warmverarbeitungseigenschaften ins Gegenteil kehren, wenn sich grob-dispers ausgeschiedene Zirkonkarbide durch nicht abgestimmte Zirkon- und Kohlenstoffzugaben bilden.
  • Schließlich ist aus DIN 17 742 (Werkstoff Nr. 2.4867) eine Legierung mit
    Figure imgb0003
    bekannt, die in Form von Drähten und Bändern zur Herstellung von Heizleitern und elektrischen Widerständen geeignet ist und im allgemeinen mit folgender Zusammensetzung hergestellt und angeboten wird:
    Figure imgb0004
  • Diese Heizleiter-Legierung ist unter der Kurzbezeichnung NiCr 60 15 bekannt. Sie weist unter Temperaturwechselbelastung (gemäß Fig. 1b, s. unten) Lebensdauerwerte auf, die zwischen denen der reinen Ni-Cr-Legierung NiCr 80 20 einerseits und denen des Eisenbasiswerkstoffes NiCr 30 20 andererseits liegen (s. Fig. 2). Außerdem weist die Legierung NiCr 60 15 trotz höheren Schmelzpunktes eine niedrigere maximale Einsatztemperatur als die reine Ni-Cr-Legierung auf und hat für bestimmte Anwendungsfälle keine ausreichende Warmfestigkeit.
  • Es besteht somit die Aufgabe, die bekannte Legierung NiCr 60 15 hinsichtlich der Einsatztemperatur, der Lebensdauer und der Warmfestigkeit so zu verbessern, daß sie mit den reinen Ni-Cr-Legierungen konkurrieren kann, ohne daß ihre Herstellungskosten auf das Niveau dieser Legierungen ansteigen.
  • Diese Aufgabe kann mit einer Legierung folgender Zusammensetzung gelöst werden:
    Figure imgb0005
    mit der Maßgabe, daß der Stickstoffgehalt nach der Formel % N = (0,15 bis 0,30) x % Zr + (0,30 bis 0,60) x % Ti
    Figure imgb0006
    eingestellt ist.
  • Bei den umfangreichen Arbeiten zur Verbesserung der kommerziellen Legierung NiCr 60 15 wurde überraschenderweise festgestellt, daß die üblicherweise auf ca. 1200°C beschränkte maximale Einsatztemperatur um ca. 50°C erhöht werden kann, wenn man die dort nach dem Stand der Technik als Legierungselemente in Form von Mischmetall zugesetzten Lanthanide durch Yttrium ersetzt. Bei derart hoher Temperaturbeanspruchung des Werkstoffs wird zweckmäßigerweise eine weitere Einengung der Legierungszusammensetzung gemäß den Ansprüchen 2 und 3 vorgenommen. Durch die Einstellung des Chromgehalts im oberen Bereich gemäß Anspruch 3 wird die verhältnismäßig hohe Chromoxidabdampfung bei höheren Temperaturen besser kompensiert und die Einengung des Schwefelgehalts bewirkt eine deutlich verbesserte Haftfestigkeit des Oxids auf der Werkstoffoberfläche, womit die Oxidationsbeständigkeit und Lebensdauer erhöht wird.
  • Fig. 1a zeigt stark vereinfacht eine Einrichtung zur Prüfung der Lebensdauer eines horizontal angeordneten, schraubenförmig gewickelten Heizleiters (1), der endseitig in eine Halterung (2) eingespannt und mit einer Spannungsquelle (3) verbunden ist. Im vorliegenden Fall bestand der Heizleiter aus einer 50 mm langen Wendel mit 12 Windungen und einem Innendurchmesser von 3 mm. Der Drahtdurchmesser betrug 0,4 mm. Der Heizleiter wurde im Wechsel von je zwei Minuten ein- und ausgeschaltet, wobei mittels Strahlungspyrometer die in der Heizphase maximal erreichte Temperatur berührungslos gemessen und durch Änderung der angelegten Spannung auf einen konstanten Wert geregelt wurde.
  • Derartige Versuche werden in normaler Luftatmosphäre bis zum Durchbrennen des Heizleiters fortgeführt, wobei die Anzahl der Zyklen ein direktes Maß für die Lebensdauer ist. Die bei allen Werkstoffen unvermeidbare, mehr oder weniger starke Verzunderung führt dazu, daß der für die Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung stehende metallische Querschnitt im Laufe der Zeit immer kleiner wird, wobei sich der elektrische Widerstand entsprechend vergrößert und eine vorgegebene Maximaltemperatur bei unverändertem Schaltrhythmus nur eingehalten werden kann, wenn die Spannung heraufgesetzt wird. Die verwendete Prüfapparatur besaß eine selbsttätig arbeitende Temperatur-Regeleinrichtung, so daß die vorgegebene Maximaltemperatur während der gesamten Prüfdauer bis zum Durchbrennen unabhängig von der fortschreitenden Verzunderung des Heizleiters eingehalten werden konnte.
  • Fig. 1b zeigt - ebenfalls stark vereinfacht - eine Einrichtung zur Prüfung der Lebensdauer eines senkrecht hängenden Heizleiterdrahtes (4) von einem Meter Länge, der mit seinem oberen Ende in eine Halterung (5) eingespannt, mit einem variablen Gewicht (6) belastet und mit einer Spannungsquelle (7) verbunden ist.
  • Mit dieser Einrichtung wurde ein 0,4 mm dicker Heizleiterdraht im Wechsel je zwei Minuten ein- und ausgeschaltet. Auch hier wurde, wie bei der Einrichtung nach Fig. 1a, die maximal erreichte Temperatur berührungslos gemessen und auf einen konstanten Wert geregelt.
  • Während Fig. 2 nur einen mehr qualitativen Vergleich verschiedener Nickel-Chrom-Werkstoffe nach dem Stand der Technik zeigt, ist in Fig. 3 die mit einer Einrichtung nach Fig. 1a bei einer auf 1150°C eingestellten Maximaltemperatur ermittelte Lebensdauer des erfindungsgemäßen Werkstoffs der unter gleichen Bedingungen gemessenen Lebensdauer des nicht modifizierten Werkstoffs "NiCr 60 15 alt" gegenübergestellt. Die Lebensdauer konnte von 2900 Zyklen auf 4100 Zyklen gesteigert werden, was eine Verbesserung um über 40 % bedeutet.
  • In einer anderen Testreihe wurde die Lebensdauer (Anzahl der Zyklen) bei Temperaturen von 1150, 1200 und 1250°C ermittelt. Tabelle 1 zeigt, daß die modifizierte Legierung bei allen Temperaturen deutlich besser ist. Die Unterschiede betragen + 56,8 % bei 1150°C, + 33,9 % bei 1200°C und + 66,2 % bei 1250°C. Ob die relative Verbesserung der Lebensdauer tatsächlich temperaturabhängig ist oder nur bei den untersuchten Proben bestanden hat, kann noch nicht gesagt werden. Wahrscheinlich wird sich bei einer entsprechend hohen Zahl von Proben herausstellen, daß die Verbesserung im statistischen Mittel bei allen Temperaturen etwa gleich groß ist, wobei ein Wert von mindestens 30 % zu erwarten ist.
    Figure imgb0007
  • Für die Praxis bedeutsam ist die Tatsache, daß die modifizierte Legierung bei 1200 bzw. 1250°C noch 65 bzw. 34 % der Lebensdauer der Basislegierung bei 1150°C aufweist, was insbesondere im Hinblick auf kurzfristige Überschreitungen der Einsatztemperaturen eine erhebliche Sicherheitsreserve darstellt, die in den meisten Anwendungsgebieten sehr erwünscht ist.
  • Für Heizleiterwicklungen wird im allgemeinen auch eine hohe Warmfestigkeit gefordert, damit bei freihängenden Wicklungen das Zusammensacken der Windungen (Sagging) vermieden werden kann. Bei der Legierung NiCr 60 15 beruht die Warmfestigkeit vor allem auf einer Mischkristallverfestigung des Nickelgrundgefüges durch Cr und Fe sowie auf einer Härtung durch Karbide. Um den letztgenannten Effekt zu verstärken, wurden Ti und Zr sowie N zulegiert, so daß die modifizierte Legierung außer den Karbiden noch Nitride und Karbonitride enthält. Überraschenderweise zeigte sich, daß sich praktisch keine groben Ausscheidungen bilden und daß die Ausscheidungen sehr stabil sind und nicht zum Wachstum neigen, sofern Titan, Zirkonium und Stickstoff in den erfindungsgemäßen Verhältnissen zugesetzt werden.
  • In Fig. 4 sind die in einer Einrichtung gemäß Fig. 1b ermittelten Werte der Lebensdauer (Zyklen) für "NiCr 60 15 alt" und "NiCr 60 15 neu" über der Belastung aufgetragen, wobei die eingestellte Maximaltemperatur wiederum 1150°C betrug und "NiCr 60 15 neu" im gesamten untersuchten Bereich deutlich bessere Werte aufweist als die herkömmliche Legierung "NiCr 60 15 alt".
  • Auch bei einem anwendungsorientierten Test zeigte der modifizierte Werkstoff eine deutlich höhere Lebensdauer. Es wurden zwei komplette Heizelemente, wie sie für Wäschetrockner verwendet werden, in Zyklen von 30 Sekunden mit 227 Volt beaufschlagt, womit bei einem neuwertigen Heizelement eine Maximaltemperatur von 1150°C erreicht wird. Während die Vergleichslegierung "NiCr 60 15 alt" nur rund 130000 Zyklen standhielt, hat die erfindungsgemäße Legierung "NiCr 60 15 neu"in dem noch nicht beendeten Versuch bisher schon mehr als 380000 Zyklen ausgehalten. Damit ist bereits fast eine Verdreifachung der Lebensdauer erreicht, was für die erhebliche wirtschaftliche Bedeutung der erfindungsgemäßen Legierung spricht.

Claims (3)

  1. Warmverformbare, austenitische
    Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit sehr guter Oxidationsbeständigkeit und Warmfestigkeit, gekennzeichnet durch
    Figure imgb0008
     Rest Ni
    mit der Maßgabe, daß der Stickstoffgehalt nach der Formel % N = (0,15 bis 0,30) x % Zr + (0,30 bis 0,60) x % Ti
    Figure imgb0009
     eingestellt ist.
  2. Nickel-Chrom-Eisen-Legierung nach Anspruch 1, jedoch mit
    Figure imgb0010
     mit der Maßgabe, daß der Stickstoffgehalt nach der Formel % N = (0,15 bis 0,30) x % Zr + (0,30 bis 0,60) x % Ti
    Figure imgb0011
     eingestellt ist.
  3. Nickel-Chrom-Eisen-Legierung nach Anspruch 1 und 2, jedoch mit
    Figure imgb0012
     mit der Maßgabe, daß der Stickstoffgehalt nach der Formel % N = (0,15 bis 0,25) x % Zr + (0,30 bis 0,45) x % Ti
    Figure imgb0013
     eingestellt ist.
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