NO129097B - - Google Patents

Description

Jern-nikkel-kromlegeringer med høy

oksydasjons- og korrosjonsmotstand.

Foreliggende oppfinnelse angår jernlegeringer med lav

pris og høy oksydasjons- og korrosjonsmotstand, og som er særlig godt egnet til bruk som armering for elektriske heteelementer.

En type av elektriske heteelementer omfatter en motstands-leder som er omsluttet av en rørformet metallarmering, idet motstandslederen er innleiret i et tett sammenpresset lag av ildfast, varme-ledende, elektrisk isolerende materiale. Motstandslederen kan være en spiralviklet tråd, og det ildfaste isolerende materiale kan være kornformet magnesiumoksyd (MgO). Slike elementer betegnes i det følgende som armerte elektriske heteelementer.

En kommersiell legering som ofte brukes som armerings-

materiale er en jernlegering som inneholder 32,5 vekt% nikkel,

21 vekt% krom og små mengder av karbon, mangan, svovel, silicium, kobber, aluminium og titan. Skjønt denne kommersielle legering (legering A), virker tilfredsstillende som armering for elektriske heteelementer, vil en legering som oppviser større oksydasjonsmotstand ved lavere omkostninger representere en betydelig fordel. Det vil dessuten representere en betydelig kommersiell fordel hvis disse fordeler oppnås uten å virke skadelig på de andre egenskaper for hvilke slike kjente legeringer er kjent, særlig motstanden mot spenningskorrosjonsbrudd og god sveisbarhet. Foreliggende oppfinnelse har således som hovedformål å oppnå disse egenskaper.

Det er nå funnet at jern-nikkel-kromlegeringer som inneholder bestemte prosentmengder av krom, nikkel, silicium og fortrinnsvis cerium, oppviser en usedvanlig stor oksydasjonsmotstand ved høye temperaturer og er dessuten motstandsdyktige mot spenningskorrosjonsbrudd samt lett sveisbare.

Oppfinnelsen tilveiebringer således en legering inneholdende 15 til 23 vekt% nikkel, 17 til 23 vekt% krom, 0,3 til 1,1 vekt% silicium og 0 til 0,05 vekt% cerium, resten jern bortsett fra mulige forurensninger, hvorav mangan ikke skal overstige 2 vekt%, karbon ikke overstige 0,15 vekt%, aluminium ikke overstige 0,5 vekt%, titan ikke overstige 0,5 vekt%, kobber ikke overstige 0,5 vekt% og svovel ikke overstige 0,015 vekt%, og legeringen er hovedsakelig karakterisert ved at mengdene av bestanddeler er slik avpasset til hverandre at de er i samsvar med følgende formler: 1) 1178 - 9986 (% Ce) - 1085 (% Si) - 49,78 (% Cr) + 3965 {% Si x % Ce) + 304,5 (% Cr x % Ce) + 44,84 (% Si x % Cr) + 16,65

[% Mn/ (% Si + % Ce)]<<>60

2) -1156 + 109,1 (% Ni) + 2690 (% Mn x % Ce) - 5,97 (% Mn x % Ni)

-1,57 {% Ni x % Cr) + 358,5 (% Si) 2^ 500

Det er viktig at mengden av de forskjellige bestanddeler er innenfor de angitte prosehtområder, som er utvalgte områder innenfor teknikkens stand, og også at relasjonene 1) og 2) er oppfylt,

da de sikrer en høy motstand mot cyklisk oksydasjon og en god motstand mot spenningskorrosjonsbrudd.

Legeringer ifølge oppfinnelsen har en motstand mot cyklisk oksydasjon ved 982°C som er like stor eller større enn hva den vanligvis anvendte armeringslegering (legering Å) oppviser.

Krom og nikkel øker motstanden mot oksydasjon samt motstanden mot vanlig korrosjon og spenningskorrosjon. Krom i mengder over 23% virker nedsettende på bearbeidbarheten. Generelt gjelder

at jo høyere krominnholdet er innenfor de angitte grenser, desto

bedre er legeringen, særlig med hensyn til oksydasjonsmotstand. En nikkelmengde utover 2 3% er overflødig, og hvis den prosentvise mengde synker betydelig under 15%, virker det skadelig på forskjellige egenskaper. For oppnåelse av de beste kombinasjoner av egenskaper anven-

des krom i mengder på 19-21 eller 22% og nikkel i mengder på 18-22,5%.

Både silicium og cerium skaffer den ønskede grad av oksydasjons- og korrosjonsmotstand. Silicium øker korrosjonsmotstanden,

men for meget silicium leder til problemer ved sveising, særlig til

.varmriss og overdreven fluiditet■.- Sil^ciumirmhold fra 0,6 til_L*,l%, ^u;.^.. for eksempel 0,7-1%, er fordelaktig. Cerium i mengder opp til 0,05% ;øker oksydasjonsmotstanden og korrosjonsmotstanden betydelig, og fortrinnsvis bør minst 0,01% cerium foreligge i legeringen. Dette har den ytterligere fordel at legeringen hva korrosjonsmotstand angår ;blir mindre følsom mot variasjoner i mengdene av andre legeringsbe-standdeler, særlig nikkel, krom, silicium og mangan. Mer enn 0,05% ;cerium fører til vanskeligheter ved smiing, valsing og sveising, og ceriummengder på 0,015-0,04% foretrekkes. ;I de tilfeller hvor man ikke trenger optimale egenskaper, ;kan man sløyfe serium, men til og med i disse tilfeller foretrekker man å bruke iallfall opp til 0,01%, for eksempel 0,005% cerium. Det ;er funnet at i forbindelse med silicium vil selv denne lille mengde ;av cerium motvirke manganets tilbøyelighet til å nedsette oksydasjonsmotstanden og motstanden mot spenningskorros,jonsbrudd. I. legeringer ;som inneholder opp til 0,01% cerium bør derfor cerium-, silicium- ;og mangan-mengdene reguleres slik at forholdet % Mn/(% Si + % Ce) har en verdi lavere enn 0,6. I disse legeringer har forholdet % Ni/ % Cr fortrinnsvis en verdi fra 0,9 til 1,2. ;Cerium tilsettes vanligvis som mischmetall, som også inneholder lantan og andre sjeldne jordmetaller. Mischmetall inneholder vanligvis ca. 50 vekt% cerium og 20 vekt% lantan, idet resten er andre sjeldne jordmetaller. Det vil forstås at når cerium tilsettes til legeringer ifølge oppfinnelsen, vil disse legéringer også vanligvis inneholde noen få tusendels prosent av lantan. ;Forholdsvis små mengder av andre elementer kan også være tilstede som forurensninger uten skadelig virkning. Slike elementer kan komme fra de anvendte råmaterialer, eller være en følge av deres bruk for et eller annet formål under fremstillingen av legeringer. Således kan mangan i en mengde opp til 2 vekt% tåles, men større mengder virker skadelig på oksydasjonsmotetanden og på motstanden mot spenningskorrosjonsbrudd. Manganinnholdet overskrider fortrinnsvis ikke 1%. ;Opp til ca. 0,15 vekt% av karbon kan tåles, men det er fordelaktig at legeringene inneholder mindre enn 0,i%. For store karbonmengder kan resultere i en utfelling av karbider og derfor forårsake sprøtiet som gjør formingen av legeringen vanskelig. Det er temmelig vanskelig å oppnå en legering av denne art som er helt fri for svovel, og i dette tilfelle kan opp til 0,015% tåles. Kobber er også en vanlig forurensning og kan tåles i mengder opp til 0,5%. Kobbermengder som er større enn dette, nedsetter oksydasjonsmotstanden ved høye temperaturer. Aluminium, titan og kalsium brukes som desoksydasjonsmidlér under smeltingen av legeringer ifølge oppfinnelsen, og restmengdér av disse elementer kan være tilbake i sluttlegeringen. Således kan opp til ca. 0,5 vekt% av aluminium og av titan være tilstede, og i visse tilfeller har man påvist små mengder av kalsium. ;Legeringen ifølge oppfinnelsen inneholder fortrinnsvis ;20 vekt% nikkel, 20 vekt% krom, minst 6,6 vekt% silicium og minst 0,02 vekt% cerium, resten jern, bortsett fra forurensninger innbe-fattende ikke over 1% mangan. ;Oppfinnelsen vil ytterligere forklares ved hjelp av føl-gende illustrerende eksempél: ;EKSEMPEL ;Seks smelter av legeringer ifølge oppfinnelsen med den ;i tabell 1 angitte sammensetning ble fremstilt ved* innføring av passende mengder av. jern> nikkel og krom i én luftinduks.jonsovn og ved smelting av.chargen. Like før man tappet av smeiten tilsatte man de nødvendige;: silicium-; aluminium^, titan- og cériumtilsetningér (sistnevnte som mischmetall), . og helt til slutt kalsium. Smeiten ble deretter støpt til ingots med 10 cm-diameter. Disse ble smidd til 6,35 mm.tykke flate barrer, og de flaté barrer ble deretter koldvalset til 3,175 mm tykke plater. ; tyan kuttet ut seksjoner frå platen for bruk som prøver ved undersøkelsen av syklisk oksydasjon og ved standardundersøkelsen vedrørende spenningskorrosjonsbrudd

ved U-bøyning, og de resterende seksjoner av platen ble deretter buttsveiset til en platerull som ble koldvalset til en 0,635 mm tykk plate, idet en slik tykkelse er vanlig ved fremstilling av armering for heteelementer.

Fasthetsegenskaper og hårdheten ved romtemperatur av legeringer av tabell 1 er angitt i den følgende tabell!II.

Dé- i\tabell II angitte mekaniske egenskaper vedrørende legeringer ifølge oppfinnelsen er helt sammenlignbare med egenskapene til legeringen A, som fremstilles med sikte på platespesifikasjoner hvor strekkfastheten ér minst 52,7 kp/mm 2, flytegrensen (0,2-grensen) minst 21,1 kp/mm 2 , forlengelsen minst 30% og håordheten høyst 80 Rg.

I den følgende tabell III er dybden av oksydasjonsangre-pet på en legeringsplate med tykkelse 0,32 cm samt platens vekttap angitt for cykliske oksydasjonsbetingelser, hvor man benyttet en for-søkscyklus i hvilken platene ble opphetet til en temperatur på 982°C

i en ovn i luft i 15 minutter, etterfulgt av 5 minutters kjøling i luft utenfor ovnen, \ idet disse cykluser ble gjentatt over et tidsrom p å lOOO, timax.».r- , - • • - - —

Det kan ses fra ovennevnte tabell at legeringer ifølge oppfinnelsen etter 1000 forsøkstimer bare var lite skadet av oksyda-sjonsangrepet. En kommersiell prøve av legeringen A undersøkt under de samme betingelser viste oksydasjonsskader til en dybde på ca. 0,20 mm og et vekttap på o over 120 mg/cm 2. Legeringer som oppviser et vekttap opp til 60 mg/cm 2 ved dette oksydasjonsforsØk, betraktes som legeringer med høy motstand mot cyklisk oksydasjon.

Legeringene i tabell I ble også undersøkt med hensyn til motstand mot spenningskorrosjonsbrudd. Standard U-bøyde prøveemner for spenningskorrosjonsbrudd-forsøk ble fremstilt med dimensjonene 154 mm x 12,7 mm x 3,2 mm. De innspente prøver ble nedsenket i en kokende konsentrert (45%) magnesiumkloridoppløsning og ble perio-disk undersøkt på brudd. Forsøkene ble avsluttet etter 720 timer

(30 dager), og alle de prøver som representerte legeringer ifølge tabell I, var da fremdeles intakt, mens den ovenfor nevnte kommersielle legering sviktet etter litt over 300 timer. Legeringer som ved dette forsøk er intakt etter 500 timer, betraktes som legeringer med god motstand mot spenningskorrosjonsbrudd. Hva denne motstand angår, er det mest fordelaktig at forholdet mellom nikkel og krom er minst 1, at siliciuminnholdet er minst 1%, og at manganinnholdet ikke oversti-ger 0,5%.

Legeringer ifølge tabell I ble videre undersøkt på sveisbarhet ved autogen TIG-sveising og undersøkelse med hensyn til brudd. Sveisbarheten av legeringene ble vurdert som god til utmerket.

En charge av kommersiell størrelse ble fremstilt med mekaniske egenskaper som kan sammenlignes med egenskapene i tabell II. Denne charge ble fremstilt i en ovn med kapasitet på 2268 kg. Den dannede smelte.veide omtrent 2495 kg og hadde følgende sammensetning i vektprosenter:

Etter smiing ble legeringen varmvalset til bånd med tykkelse på 6,4 mm og deretter koldvalset til den Ønskede tykkelse på

2,3 mm. Det ble fremstilt prøver for cyklisk oksydasjons- og spenningskorrosjonsbrudd-forsøk. Legeringen viste et vekttap på bare 3 mg/cm <2>etter 1000 timer, og standard U-bøyede prøver for spennings-korros jonsbrudd-forsøket ble utsatt for forsøksbetingelsene i 720 timer uten svikt. Legeringen er således klart motstandsdyktig mot cyklisk oksydasjon og viser god motstand mot spenningskorrosjonsbrudd.

Legeringer ifølge oppfinnelsen oppviser også en motstand mot vanlig korrosjon tilsvarende den man finner hos rustfritt stål av type 304. Denne egenskap er temmelig viktig da disse legeringer, ved normal bruk som armeringslegeringer for elektriske heteelementer, ofte kommer i kontakt med forskjellige oppløsninger ved forhøyede temperaturer .

Legeringene kan også med fordel brukes for varmevekslerrør, karbureringsutstyr og retorter og ovnskomponenter.

Claims (6)

1. Jernbasert legering inneholdende 15-23 vekt% nikkel, 17-2 3 vekt% krom, 0,3-1,1 vekt% silicium og 0-0,05 vekt% cerium, resten jern bortsett fra mulige forurensninger, hvorav mangan ikke skal overskride 2 vekt%, karbon ikke overskride 0,15 vekt%, aluminium ikke overskride 0,5 vekt%, titan ikke overskride 0,5 vekt%, kobber ikke overskride 0,5 vekt% og svovel ikke overskride 0,015 vekt%, hvilken legering utmerker seg ved høy oksydasjons- og korrosjonsmotstand og er særlig godt egnet til bruk som armering for elektriske heteelementer, karakterisert ved at mengdene av bestanddeler er slik avpasset til hverandre at de er i samsvar med følgende formler : 1) 1178 - 9986 (% Ce) - 1085 (% Si) - 49,78 (% Cr) + 3965

(% Si x % Ce) + 304,5 (% Cr x %Ce) +44,84 (% Si x % Cr)

+ 16,65[%Mn/(% Si + % Ce)] ^60 2) -1156 + 109,1 (% Ni) + 2690 (% Mn x % Ce) - 5,97 (% Mn x % Ni) -1,57 (% Ni x % Cr) + 358,5 (% Si) 2 ^500.

2. Legering som angitt i krav i, karakterisert ved at den inneholder minst 0,01% cerium.

3. Legering som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at den inneholder 18 til 22,5% nikkel, 19 til 22% krom, 0,6 til 1,1% silicium og 0,015 til 0,04% cerium.

4. Legering som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at den inneholder 20% nikkel, 20% krom, minst 0,6% silicium, minst 0,02% cerium og i hvilken manganinnholdet ikke overskrider 1%.

5. Legering som angitt i et av de forangående krav, karakterisert ved at forholdet % Ni/% Cr er minst 1, silicium-innholdet er minst 1%, og manganinnholdet ikke overskrider 0,5%.

6. Legering som angitt i krav 1, karakterisert ved at ceriuminnholdet er lavere enn 0,01%, forholdet % Mn/(% Si +

% Ce) ikke er høyere enn 0,6, og forholdet % Ni/% Cr er innenfor om-rådet 0,9 til 1,2.