EP2162558B1

EP2162558B1 - Eisen-nickel-chrom-silizium-legierung

Info

Publication number: EP2162558B1
Application number: EP08773262.4A
Authority: EP
Inventors: Heike Hattendorf; Jürgen WEBELSIEP
Original assignee: VDM Metals International GmbH
Current assignee: VDM Metals International GmbH
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2028-06-12
Also published as: US20130200068A1; BRPI0813917A8; CN101707948B; BRPI0813917A2; ES2643635T3; WO2009000230A1; CA2690637C; JP2010532425A; CA2690637A1; PL2162558T3; US20100172790A1; DE102007029400A1; DE102007029400B4; JP5626815B2; CN101707948A; EP2162558A1; SI2162558T1; JP5447864B2; JP2013177691A; MX2009013253A

Description

Die Erfindung betrifft Eisen-Nickel-Chrom-Silizium-Legierungen mit verbesserter Lebensdauer und Formstabilität.
Austenitische Eisen-Nickel-Chrom-Silizium-Legierungen mit unterschiedlichen Nickel-, Chrom- und Siliziumgehalten werden seit langem als Heizleiter im Temperaturbereich bis zu 1100°C genutzt. Für die Verwendung als Heizleiterlegierung ist diese Legierungsgruppe in der DIN 17470 (Tabelle 1) und der ASTM B344-83 (Tabelle 2) genormt. Zu dieser Norm gibt es eine Reihe von kommerziell verfügbaren Legierungen, die in Tabelle 3 aufgelistet sind.
Der starke Anstieg des Nickelpreises in den letzten Jahren lässt den Wunsch aufkommen, Heizleiterlegierungen mit möglichst niedrigen Nickelgehalten einzusetzen bzw. die Lebensdauer der eingesetzten Legierungen deutlich zu erhöhen. Dies ermöglicht dem Hersteller von Heizelementen entweder zu einer Legierung mit niedrigerem Nickelgehalt zu wechseln oder dem Kunden den höheren Preis mit einer längeren Haltbarkeit zu erklären.
Generell ist zu bemerken, dass die Lebensdauer und die Einsatztemperatur der in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Legierungen mit zunehmendem Nickelgehalt steigen. Alle diese Legierungen bilden eine Chromoxidschicht (Cr₂O₃), mit einer darunter liegenden, mehr oder weniger geschlossenen, SiO₂-Schicht. Geringe Zugaben von stark Sauerstoff affinen Elementen wie Ce, Zr, Th, Ca, Ta (Pfeifer/ Thomas, Zunderfeste Legierungen 2. Auflage, Springer Verlag 1963, Seiten 258 und 259) erhöhen die Lebensdauer, wobei in dem zitierten Fall lediglich der Einfluss eines einzelnen Sauerstoff affinen Elementes untersucht, aber keine Angaben über die Wirkung einer Kombination derartiger Elemente gemacht wurden. Der Chromgehalt wird im Verlauf des Einsatzes eines Heizleiters zum Aufbau der schützenden Schicht langsam verbraucht. Deshalb wird durch einen höheren Chromgehalt die Lebensdauer erhöht, da ein höherer Gehalt des die Schutzschicht bildenden Elementes Chrom den Zeitpunkt hinauszögert, an dem der Cr-Gehalt unter der kritischen Grenze ist und sich andere Oxide als Cr₂O₃ bilden, was z.B. eisenhaltige Oxide sind.

Der US 6,623,869 B1 ist ein metallisches Material zu entnehmen, das eine gute Beständigkeit gegen Metal Dusting aufweist. Die Zusammensetzung (in Masse-%) stellt sich wie folgt dar:

C	nicht mehr als 0,2 %
Si	0,01-4%
Mn	0,05-2%
P	nicht mehr als 0,04 %
S	nicht mehr als 0,015 %
Cr	10-35%
Ni	30-78%
Al	nicht weniger als 0,005 jedoch nicht mehr als 4,5 %
N	0,005-0,2%

und eines oder mehrerer von Cu 0,015 - 3 % sowie

Co

0,015-3%

Rest Eisen

Die Zusammensetzung soll der Formel fn1 von nicht weniger als 50 genügen: fn1 = 40 Si+Ni+5Al+40N+10(Cu+Co).
Durch die EP-A 0 531 775 ist eine hitzebeständige warm verformbare austenitische Nickel-Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) bekannt geworden:

C 0,05-0,15%

Si 2,5-3,0 %

Mn 0,2-0,5 %

P max. 0,015 %

S max. 0,005 %

Cr 25-30 %

Fe 20-27 %

Al 0,05-0,15%

Cr 0,001-0,005%

SE 0,05-0,15%

N 0,05-0,20 %
Rest Ni und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
In der EP-A 0 386 730 wird eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit sehr guter Oxidationsbeständigkeit und Warmfestigkeit beschrieben, wie sie für fortgeschrittene Heizleiteranwendungen erwünscht sind, die von der bekannten Heizleiterlegierung NiCr6015 ausgeht und bei der durch aufeinander abgestimmte Modifikationen der Zusammensetzung erhebliche Verbesserungen der Gebrauchseigenschaften erzielt werden konnte. Die Legierung unterscheidet sich vom bekannten Werkstoff NiCr6015 insbesondere dadurch, dass die Seltenerdmetalle durch Yttrium ersetzt sind, dass sie zusätzlich Zirkon und Titan enthält, und dass der Stickstoffgehalt auf die Gehalte an Zirkon und Titan in besonderer Weise abgestimmt ist.
Der WO-A 2005/031018 ist eine austenitische Fe-Cr-Ni-Legierung zum Einsatz im Hochtemperaturbereich zu entnehmen, die im Wesentlichen folgende chemische Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist:

Ni 38-48 %

Cr 18-24%

Si 1,0-1,9%

C < 0,1 %

Fe Rest.
Bei freihängenden Heizelementen besteht neben der Forderung nach einer hohen Lebensdauer auch die Forderung nach einer guten Formstabilität bei der Anwendungstemperatur. Ein zu starkes Absacken der Wendel (Sagging) während des Betriebes hat einen ungleichmäßigen Abstand der Windungen mit einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung zur Folge, wodurch die Lebensdauer verkürzt wird. Um dies auszugleichen wären mehr Unterstützungspunkte für die Heizwendel erforderlich, was die Kosten erhöht. Das heißt, dass das Heizleitermaterial eine ausreichend gute Formstabilität bzw. Kriechbeständigkeit haben muss.
Die im Bereich der Anwendungstemperatur die Formstabilität beeinträchtigenden Kriechmechanismen (Versetzungskriechen, Korngrenzengleiten oder Diffusionskriechen) werden alle bis auf das Versetzungskriechen durch eine große Korngröße in Richtung größerer Kriechbeständigkeit beeinflusst. Das Versetzungskriechen hängt nicht von der Korngröße ab. Die Erzeugung eines Drahtes mit großer Korngröße erhöht die Kriechbeständigkeit und damit die Formstabilität. Bei allen Betrachtungen sollte deshalb auch die Korngröße als wichtiger Einflussfaktor mit berücksichtigt werden.
Weiterhin wichtig für ein Heizleitermaterial ist ein möglichst hoher spezifischer elektrischer Widerstand und eine möglichst geringe Änderung des Verhältnisses Warmwiderstand/Kaltwiderstand mit der Temperatur (Temperaturkoeffizient ct).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Legierungen zu konzipieren, die bei ähnlichen Nickel-, Chrom- und Si-Gehalten, wie die Legierungen nach dem Stand der Technik in Tabelle 1 und 2, jedoch

a) eine deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit und eine damit einhergehende hohe Lebensdauer
b) eine deutlich verbesserte Formstabilität bei der Anwendungstemperatur
c) einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand in Verbindung mit einer möglichst geringen Änderung des Verhältnisses Warmwiderstand/Kaltwiderstand mit der Temperatur (Temperaturkoeffizient ct) aufweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Eisen-Nickel-Chrom-Silizium-Legierung, mit (in Gew.-%) 19 bis 34 % Nickel, 12 bis 26 % Chrom, 0,75 bis 2,5 % Silizium, und Zugaben von 0,05 bis 1 % Al, 0,01 bis 1 % Mn, 0,01 bis 0,26 % Lanthan, 0,0005 bis 0,05 % Magnesium, 0,04 bis 0,14 % Kohlenstoff, 0,02 bis 0,14 % Stickstoff, des Weiteren beinhaltend 0,0005 bis 0,07 % Ca, 0,002 bis 0,020 % P, max. 0,01 % Schwefel, max. 0,005 % B, des Weiteren bedarfsweise als Zugabe enthaltend mindestens eines der Elemente Ce, Y Zr, Hf, Ti mit jeweils einem Gehalt von 0,01 bis 0,3 %, des Weiteren bedarfsweise enthaltend 0,01 bis 1,0 % jeweils ein oder mehrere der Elemente Mo, W, V, Nb, Ta, Co, Rest Eisen und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen, worin die Verunreinigungen in Gehalten von max. 1,0% Cu, max. 0,002 % Pb, max. 0,002 %Zn, max. 0,002 % Sn eingestellt sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Diese Legierungen haben durch ihre besondere Zusammensetzung eine höhere Lebensdauer als die Legierungen nach dem Stand der Technik mit vergleichbaren Nickel- und Chromgehalten. Zusätzlich lässt sich eine erhöhte Formstabilität bzw. ein geringeres Sagging als die Legierungen nach dem Stand der Technik erreichen.
Der Spreizungsbereich für das Element Nickel liegt entweder zwischen 19 bis 34 %, wobei in Abhängigkeit vom Einsatzfall Nickelgehalte wie folgt gegeben sein können und abhängig vom Einsatzfall in der Legierung eingestellt werden.
Bevorzugte Ni-Bereiche zwischen 19 und 34 % werden wie folgt angegeben:

19 bis 25%
19 bis 22 %
23 bis 25%
25 bis 34 %
25 bis 28%
28 bis 31%
31 bis 34%

Der Chromgehalt liegt zwischen 12 und 26 %, wobei auch hier, je nach Einsatzbereich der Legierung, Chromgehalte wie folgt gegeben sein können:

14 bis 26%
14 bis 18%
18 bis 21 %
20 bis 26 %
21 bis 24 %
20 bis 23 %
23 bis 26 %.

Der Siliziumgehalt liegt zwischen 0,75 und 2,5 %, wobei, abhängig vom Anwendungsbereich, definierte Gehalte innerhalb des Spreizungsbereiches eingestellt werden können:

1,0-2,5%
1,5-2,5%
1,0-1,5%
1,5-2,0%
1,7-2,5%
1,2-1,7%
1,7-2,2%
2,0-2,5%.

Das Element Aluminium ist als Zugabe vorgesehen und zwar in Gehalten von 0,05 bis 1 %. Bevorzugt kann es wie folgt in der Legierung eingestellt werden:

0,1-0,7%.

Gleiches gilt für das Element Mangan, das mit 0,01 bis 1 % der Legierung zugegeben wird. Alternativ ist auch folgender Spreizungsbereich denkbar:

0,1-0,7%.

Der Erfindungsgegenstand geht bevorzugt davon aus, dass sich die in den Beispielen angegebenen Werkstoffeigenschaften im Wesentlichen mit der Zugabe des Elements Lanthan in Gehalten von 0,01 bis 0,26 % einstellen. Je nach Anwendungsbereich können auch hier definierte Werte in der Legierung eingestellt werden:

0,02 - 0,26 %
0,02-0.20%
0,02-0,15%
0,04-0,15%.

Dies gilt in gleicher Weise für das Element Stickstoff, das in Gehalten zwischen 0,02 und 0,14 % zugegeben wird. Definierte Gehalte können wie folgt gegeben sein:

0,02-0,10%
0,03-0,09%
0,05 - 0,09 %.

Kohlenstoff wird der Legierung in gleicher Weise zugegeben, und zwar in Gehalten zwischen 0,04 und 0,14 %. Konkret können Gehalte wie folgt in der Legierung eingestellt werden:

0,04-0,10%.

Auch Magnesium zählt zu den Zugabeelementen in Gehalten 0,0005 bis 0,05 %. Konkret besteht die Möglichkeit, dieses Element wie folgt in der Legierung einzustellen:

0,001 - 0,05 %
0,008 - 0,05 %.

Die Legierung kann des Weiteren Kalzium in Gehalten zwischen 0,0005 und 0,07 %, insbesondere 0,001 bis 0,05 % oder 0,01 bis 0,05 %, beinhalten.
Die Legierung kann des Weiteren Phosphor in Gehalten zwischen 0,002 und 0,020 %, insbesondere 0,005 bis 0,02 % beinhalten.
Die Elemente Schwefel und Bor können in der Legierung wie folgt gegeben sein:

Schwefel max. 0,005 %

Bor max. 0,003 %.
Sofern die Wirksamkeit des reaktiven Elementes Lanthan allein nicht ausreichen sollte, um die in der Aufgabenstellung dargelegten Werkstoffeigenschaften zu erzeugen, kann die Legierung des Weiteren mindestens eines der Elemente Ce, Y, Zr, Hf, Ti mit einem Gehalt von 0,01 bis 0,3 % enthalten, wobei die Elemente bedarfsweise auch definierte Zugaben sein können.
Zusätze von Sauerstoff affinen Elementen, wie bevorzugt La und bedarfsweise Ce, Y, Zr, Hf, Ti, verbessern die Lebensdauer. Sie tun dies, indem sie in die Oxidschicht mit eingebaut werden und dort auf den Korngrenzen die Diffusionswege des Sauerstoffs blockieren. Die Menge der für diesen Mechanismus zur Verfügung stehenden Elemente muss deshalb auf das Atomgewicht normiert werden, um die Mengen unterschiedlicher Elemente untereinander vergleichen zu können.
Das Potential der wirksamen Elemente (PwE) wird deshalb zu $PwE = 200 • \sum (X_{E} / Atomgewicht von E)$
definiert, wobei E das betreffende Element und X_E der Gehalt des betreffenden Elementes in Prozent ist.
Wie bereits angesprochen, kann die Legierung 0,01 bis 0,3 % jeweils eines oder mehrerer der Elemente La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti beinhalten, wobei die $\sum PwE = 1, 43 • X_{Ce} + 1, 49 \cdot X_{La} + 2, 25 • X_{Y} + 2, 19 • X_{Zr} + 1, 12 • X_{Hf} + 4, 18 • X_{Ti} \leq 0, 38,$
insbesondere ≤ 0,36 (bei 0,01 bis 0,2 % des gesamten Elements) ist, worin PwE dem Potential der wirksamen Elemente entspricht.
Alternativ besteht bei Vorhandensein mindestens eines der Elemente La, Ce, Y, Zr, Hf, Ti in Gehalten von 0,02 bis 0,10 % die Möglichkeit, dass die Summe PwE = 1,43•X_Ce+1,49•X_La+2,25•X_Y+2,19•X_zr+1,12•X_Hf+ 4,18•X_Ti kleiner gleich 0,36 ist, worin PwE dem Potential der wirksamen Elemente entspricht.
Des Weiteren kann die Legierung zwischen 0,01 bis 1,0 % jeweils eines oder mehrerer der Elemente Mo, W, V, Nb, Ta, Co enthalten, die darüber hinaus noch wie folgt eingeschränkt werden können:

0,01 bis 0,06 %
0,01 bis 0,2 %.

Schließlich können an Verunreinigungen noch die Elemente Kupfer, Blei, Zink und Zinn in Gehalten wie folgt gegeben sein:

Cu max. 1,0 %

Pb max. 0,002 %

Zn max. 0,002 %

Sn max. 0,002 %.
Die erfindungsgemäße Legierung soll bevorzugt für den Einsatz in elektrischen Heizelementen verwendet werden, insbesondere in elektrischen Heizelementen, die eine hohe Formstabilität und ein geringes Sagging erfordern.
Jedoch ist ein Einsatz in Heizelementen von Rohrheizkörpern ebenfalls denkbar.
Ein weiterer konkreter Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Legierung ist der Einsatz im Ofenbau.
Anhand der nachfolgenden Beispiele wird der Erfindungsgegenstand näher erläutert.

Beispiele:

Die Tabellen 1 bis 3 spiegeln - wie bereits eingangs angeführt - den Stand der Technik wider.
Für die in den folgenden Beispielen großtechnisch erschmolzenen Legierungen wurde aus der großtechnischen Fertigung ein betrieblich gefertigtes und weich geglühtes Muster mit dem Durchmesser 1,29 mm entnommen. Für den Lebensdauertest wurde eine kleinere Teilmenge des Drahtes jeweils im Labormaßstab bis an 0,4 mm gezogen.
Für Heizelemente, insbesondere Heizleiter in Form von Draht, sind beschleunigte Lebensdauertests zum Vergleich von Werkstoffen untereinander zum Beispiel mit den folgenden Bedingungen möglich und üblich:

Der Heizleiter-Lebensdauertest wird an Drähten mit dem Durchmesser 0,40 mm durchgeführt. Der Draht wird zwischen 2 Stromzuführungen im Abstand von 150 mm eingespannt und durch Anlegen einer Spannung bis auf 1150°C erhitzt. Die Erhitzung auf 1150°C erfolgt jeweils für 2 Minuten, dann wird die Stromzufuhr für 15 Sekunden unterbrochen. Am Ende seiner Lebensdauer versagt der Draht dadurch, dass der restliche Querschnitt durchschmilzt. Die Brenndauer ist die Addition der "an"-Zeiten während der Lebensdauer des Drahtes. Die relative Brenndauer tb ist die Angabe in % bezogen auf die Brenndauer einer Referenzcharge.

Für die Untersuchung der Formstabilität wird in einem Saggingtest das Absenkungsverhalten (Sagging) von Heizwendeln bei der Anwendungstemperatur untersucht. Hierbei wird an Heizwendeln das Absacken der Wendeln von der Waagerechten nach einer bestimmten Zeit erfasst. Je geringer die Absackung, desto größer ist die Formstabilität bzw. Kriechbeständigkeit des Materials.
Für diesen Versuch wird ein weich geglühter Draht mit dem Durchmesser 1,29 mm zu Spiralen mit dem Innendurchmesser 14 mm gewickelt. Insgesamt werden für jede Charge 6 Heizwendeln mit jeweils 31 Windungen hergestellt. Alle Heizwendeln werden zu Versuchsbeginn auf eine einheitliche Ausgangstemperatur von 1000°C geregelt. Die Temperatur wird mit einem Pyrometer bestimmt. Der Versuch wird mit einem Schaltzyklus von 30 s "an" / 30 s "aus" bei konstanter Spannung durchgeführt. Nach 4 Stunden wird der Versuch beendet. Nach Abkühlung der Heizwendeln wird die Absackung der einzelnen Windungen (Sagging) aus der Waagerechten gemessen und der Mittelwert der 6 Werte der Heizwendeln gebildet.
Es wurden verschiedene beispielhafte Legierungen mit Nickelgehalten von 30 bis 34 %, 16 bis 22 % Cr, 1,3 bis 2,2 % Si, und Zugaben von 0,2 bis 0,5 %Al, 0,3 bis 0,5 % Mn, 0,01 bis 0,09 % La, 0,005 bis 0,014 % Mg, 0,01 bis 0,065 % C, 0,03 bis 0,065 % N, des weiteren beinhaltend 0,001 bis 0,04 Ca, 0,005 bis 0,013 % P, 0,0005 bis 0,002 % S, max 0,003 B, 0,01 bis 0,08 % Mo, 0,01 bis 0,1 % Co, 0,02 bis 0,08 % Nb, 0,01 bis 0,06 % V, 0,01 bis 0,02 % W, 0,01 bis 0,1 % Cu, Rest Eisen und einem PwE-Wert von 0,09 bis 0,19 großtechnisch hergestellt und wie oben beschrieben untersucht.
Die Ergebnisse wurden mit Hilfe einer multiplen linearen Regression ausgewertet.
In Figur 1 ist die Abhängigkeit der relativen Brenndauer vom La-Gehalt dargestellt, wobei die Einflüssen des Ni-, Cr-, Si- Gehaltes herausgerechnet wurden. Es zeigt sich, dass die relative Brenndauer sich mit Erhöhung des La-Gehaltes stark erhöht. Insbesondere ein La-Gehalt von 0,04 bis 0,15 % ist besonders vorteilhaft.
Bei der Auswertung des Saggings (Absacken der Wendeln) wurden nur Proben mit einer Korngröße von 20 bis 25 µm mit einbezogen, so dass nach diesem Parameter keine Regression vorgenommen werden musste.
In Figur 2 ist die Abhängigkeit des Saggings vom N-Gehalt dargestellt, wobei die Einflüssen des Ni-, Cr-, Si- und C - Gehaltes herausgerechnet wurden. Es zeigt sich, dass sich das Sagging mit Erhöhung des N-Gehaltes stark verringert. Insbesondere ein N-Gehalt von 0,05 bis 0,09 % ist vorteilhaft.
In Figur 3 ist die Abhängigkeit des Saggings vom C-Gehalt dargestellt, wobei die Einflüsse des Ni-, Cr-, Si- und N- Gehaltes herausgerechnet wurden. Es zeigt sich, dass sich das Sagging mit Erhöhung des C-Gehaltes stark verringert. Insbesondere ein C-Gehalt von 0,04 bis 0,10 % ist vorteilhaft.
Legierungen mit niedrigeren Nickelgehalten (Variante 1) sind besonders kostengünstig. Deshalb sind die Legierungen im Bereich von 19 % bis 34 % Ni von großem Interesse, trotz des im Vergleich zu Legierungen mit höheren Nickelgehalten schlechteren Temperaturkoeffizienten und geringeren spezifisch elektrischen Widerständen. Unterhalb von 19 % Nickel erhöht sich zunehmend die Gefahr der Sigma-Phasenbildung, durch die die Legierung versprödet. Deshalb bildet 19 % die untere Grenze für den Nickelgehalt.
Die Kosten für die Legierung steigen mit dem Nickel-Gehalt. Deshalb soll 34 % die obere Grenze der Legierungen mit niedrigem Nickel-Gehalt (Variante 1) sein.
Zu geringe Cr-Gehalte bedeuten, dass die Cr-Konzentration sehr schnell unter die kritische Grenze sinkt. Deshalb ist 12 % Cr die untere Grenze für Chrom. Zu hohe Cr-Gehalte verschlechtern die Verarbeitbarkeit der Legierung. Deshalb ist 26 % Cr als obere Grenze anzusehen.
Die Bildung einer Siliziumoxidschicht unterhalb der Chromoxidschicht verringert die Oxidationsrate. Unterhalb von 0,75 % ist die Siliziumoxidschicht zu lückenhaft, um ihre Wirkung voll zu entfalten. Zu hohe Si-Gehalte beeinträchtigen die Verarbeitbarkeit der Legierung. Deshalb ist ein Si-Gehalt von 2,5 % die obere Grenze.
Wie schon erwähnt verbessern Zusätze von Sauerstoff affinen Elementen die Lebensdauer. Sie tun dies, indem sie in die Oxidschicht mit eingebaut werden und dort auf den Korngrenzen die Diffusionswege des Sauerstoffs blockieren. Die Menge der für diesen Mechanismus zur Verfügung stehenden Elemente muss deshalb auf das Atomgewicht normiert werden, um die Mengen unterschiedlicher Elemente untereinander vergleichen zu können.
Das Potential der wirksamen Elemente PwE wird deshalb zu $PwE = 200 \cdot \sum (X_{E} / Atomgewicht von E)$
definiert, wobei E das betreffende Element und X_E der Gehalt des betreffenden Elementes in % ist.
Bei Anwesenheit von La bzw. Ce oder SE scheinen Ca und Mg nicht mehr zu den wirksamen Elementen zu gehören.
Die Addition für das Potential der wirksamen Elemente PwE ist deshalb über La, Ce, Y, Zr, Hf und Ti ausgeführt worden. Ist keine Angabe für La und Ce vorhanden, sondern auf Grund der Zugabe von Cer-Mischmetall nur die pauschale Angabe SE gegeben, so wird für die Berechnung des PwE Ce = 0,6 SE und La = 0,35 SE angenommen. $PwE = 1, 49 • X_{La,} 1, 43 • X_{Ce} + 2, 25 • X_{Y} + 2, 19 • X_{zr} + 1, 12 • H_{Hf} + 4, 18 \cdot X_{Ti}$
Es ist ein Mindestgehalt von 0,01 % La notwendig, um die die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des La zu erhalten. Die Obergrenze wird bei 0,26 % gelegt, was einem PwE von 0,38 entspricht. Größere Werte von PwE sind hier nicht sinnvoll.
Al wird zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Legierung benötigt. Es ist deshalb ein Mindestgehalt von 0,05 % notwendig. Zu hohe Gehalte wiederum beeinträchtigen die Verarbeitbarkeit. Der Al-Gehalt ist deshalb auf 1 % beschränkt.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,04 % C für eine gute Formstabilität bzw. ein geringes Sagging notwendig. C wird auf 0,14 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit und die Verarbeitbarkeit reduziert.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,02 % N für eine gute Formstabilität bzw. ein geringes Sagging notwendig. N wird auf 0,14 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit und die Verarbeitbarkeit reduziert.
Für Mg ist ein Mindestgehalt von 0,0005 % erforderlich, wodurch die Verarbeitbarkeit des Werkstoffs verbessert wird. Der Grenzwert wird bei 0,05 % festgelegt, da zu große Menge von Mg sich als negativ erwiesen haben.
Für Ca ist ein Mindestgehalt von 0,0005 % erforderlich, da hierdurch die Verarbeitbarkeit des Werkstoffs verbessert wird. Der Grenzwert wird bei 0,07 % festgelegt, da zu große Menge von Ca sich als negativ erwiesen haben.
Die Gehalte an Schwefel und Bor sollten so gering wie möglich eingestellt werden, da diese grenzflächenaktiven Elemente die Oxidationsbeständigkeit beeinträchtigen. Es werden deshalb max. 0,01 % S und max. 0,005 % B festgelegt.
Kupfer wird auf max. 1 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert.
Pb wird auf max. 0,002 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. Das Gleiche gilt für Sn.

Es ist ein Mindestgehalt von 0,01 % Mn zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit notwendig. Mangan wird auf 1 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit ebenfalls reduziert.

Tabelle 1 Legierungen nach DIN 17470 und 17742 (Zusammensetzung von NiCr8020, NiCr7030, NiCr6015). Alle Angaben in Gew.-%

	W-Nr.	Cr	Ni+Co*)	Fe	Al	Si	Mn	C	Cu	P	S	ρ(µΩm) 20°C	ρ(µΩm) 900°C
NiCr8020	2.4869	19-21	>75	<1,0	<0,3	0,5-2,0	<1,0	<0,15	<0,5	<0,020	<0,015	1,12 (1,08)	1,14
NiCr7030	2.4658	29-32	>60	<5,0	<0,3	0,5-2,0	<1,0	<0,10	<0,5	<0,020	<0,015	1,19 (1,16)	1,24
NiCr6015	2.4867	14-19	>59	18-25	<0,3	0,5-2,0	<2,0	<0,15	<0,5	<0,020	<0,015	1,13 (1,11)	1,23
NiCr3020	1.4860	20-22	28,0-31,0	Rest		2,0-3,0	<1,5	<0,2		<0,045	<0,03	1,02	1,28
NiCr2520	1.4843	22-25	19,0-22,0	Rest		1,5-2,5	<2,0	<0,2		<0,045	<0,03	0,95	1,24

*) max. Co 1,5%

Tabelle 2: Legierungen nach ASTM B 344-83. Alle Angaben in Gew.-%

	Cr	Ni + Co*)	Fe	Si	Mn	C	S	ρ(µΩm)	ct (bei 871°C)
80Ni, 20Cr	19-21	Rest	<1,0	0,75-1,75	<1,0	<0,15	<0,01	1,081	1,008
60Ni, 16Cr	14-18	>57		0,75-1,75	<1,0	<0,15	<0,01	1,122	1,073
35Ni, 20Cr	18-21	34-37	Rest	1,0-3,0	<1,0	<0,15	<0,01	1,014	1,214

Bezugszeichenliste

Figur 1: Grafische Darstellung der Abhängigkeit der relativen Brenndauer tb vom La-Gehalt dargestellt, wobei die Einflüsse des Ni, Cr, Si Gehaltes mit Hilfe einer multiplen linearen Regressionsanalyse herausgerechnet wurden.
Figur 2: Abhängigkeit des Saggings (Absacken der Wendeln) vom N-Gehalt, wobei die Einflüsse des Ni, Cr, Si und C - Gehaltes mit Hilfe einer multiplen linearen Regressionsanalyse herausgerechnet wurden. Es zeigt sich, dass das Sagging sich mit Erhöhung des N-Gehaltes stark verringert. Insbesondere ein N-Gehalt von 0,03 bis 0,09 % ist vorteilhaft.
Figur 3: Abhängigkeit des Saggings (Absacken der Wendeln) vom C-Gehalt, wobei die Einflüsse des Ni, Cr, Si und N - Gehaltes mit Hilfe einer multiplen linearen Regressionsanalyse herausgerechnet wurden. Es zeigt sich, dass das Sagging sich mit Erhöhung des N-Gehaltes stark verringert. Insbesondere ein N-Gehalt von 0,04 bis 0,10 % ist vorteilhaft.

Claims

Eisen-Nickel-Chrom-Silizium-Legierung, mit (in Gew.-%) 19 bis 34 % Nickel, 12 bis 26 % Chrom, 0,75 bis 2,5 % Silizium, und Zugaben von 0,05 bis 1 % Al, 0,01 bis 1 % Mn, 0,01 bis 0,26 % Lanthan, 0,0005 bis 0,05 % Magnesium, 0,04 bis 0,14 % Kohlenstoff, 0,02 bis 0,14 % Stickstoff, des weiteren beinhaltend 0,0005 bis 0,07 % Ca, 0,002 bis 0,020 % P, max. 0,01 % Schwefel, max. 0,005 % B, des Weiteren bedarfsweise als Zugabe enthaltend mindestens eines der Elemente Ce, Y, Zr, Hf, Ti mit jeweils einem Gehalt von 0,01 bis 0,3 %, des Weiteren bedarfsweise enthaltend 0,01 bis 1,0 % jeweils ein oder mehrere der Elemente Mo, W, V, Nb, Ta, Co, Rest Eisen und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen, worin die Verunreinigungen in Gehalten von max. 1,0 % Cu, max. 0,002 % Pb, max. 0,002 % Zn, max. 0,002 % Sn eingestellt sind.
Legierung nach Anspruch 1, mit einem Nickelgehalt von 25 bis 34 %.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Chromgehalt von 14 bis 18 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Chromgehalt von 20 bis 26 %.
Legierung einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Siliziumgehalt von 1,0 bis 2,5 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Aluminiumgehalt von 0,1 bis 0,7 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Mangangehalt von 0,1 bis 0,7 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Lanthangehalt von 0,02 bis 0,2 %.
Legierung nach einem der Ansprüche1 bis 8, mit einem Stickstoffgehalt von 0,02 bis 0,10 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Stickstoffgehalt von 0,03 bis 0,09 %.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,04 bis 0,10%.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit max. 0,005 % Schwefel und max. 0,003 % B.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit 0,01 bis 0,26 % jeweils eines oder mehrerer der Elemente Ce, Y, Zr, Hf, Ti, wobei die Summe PwE = 1,433•X_Ce + 1,49•X_La + 2,25•X_Y +2,19•X_zr +1,12•X_Hf+4,18• X_Ti ≤ 0,38 ist, worin PwE dem Potenzial der wirksamen Elemente entspricht.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit 0,01 bis 0,2 % jeweils eines oder mehrerer der Elemente Ce, Y, Zr, Hf, Ti, wobei die Summe PwE = 1,43•X_Ce + 1,49•X_La +2,25•X_Y +2,19•X_zr+1,12•X_Hf+ 4,18• X_Ti ≤ 0,36 ist, worin PwE dem Potential der wirksamen Elemente entspricht.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit 0,02 bis 0,15 % jeweils eines oder mehrerer der Elemente Ce, Y, Zr, Hf, Ti, wobei die Summe PwE = 1,43•X_Ce + 1,49•X_La + 2,25•X_Y +2,19•X_zr +1,12•X_Hf + 4,18• X_Ti ≤ 0,36 ist, worin PwE dem Potential der wirksamen Elemente entspricht.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für den Einsatz in elektrischen Heizelementen.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für den Einsatz in Rohrheizkörpern.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für den Einsatz in elektrischen Heizelementen, die eine hohe Formstabilität bzw. ein geringes Sagging erfordern.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für den Einsatz im Ofenbau.