WO2021110217A1 - Nickel-chromium-iron-aluminum alloy having good processability, creep resistance and corrosion resistance, and use thereof - Google Patents

Nickel-chromium-iron-aluminum alloy having good processability, creep resistance and corrosion resistance, and use thereof Download PDF

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WO2021110217A1
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Heike Hattendorf
Benedikt NOWAK
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Vdm Metals International Gmbh
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Definitions

  • Nickel-chromium-iron-aluminum alloy with good processability, creep resistance and corrosion resistance, as well as their use
  • the invention relates to a wrought nickel-chromium-iron-aluminum alloy with excellent high-temperature corrosion resistance, good creep resistance and improved processability.
  • Austenitic nickel-chromium-iron-aluminum alloys with different nickel, chromium and aluminum contents have long been used in furnace construction and in the chemical and petrochemical industries. For this use, good high-temperature corrosion resistance and good heat resistance / creep resistance are required.
  • nickel alloys with different nickel, chromium and aluminum contents are also of great interest with regard to use in solar tower power plants.
  • These systems consist of an array of mirrors (heliostats) that are arranged around a high tower.
  • the mirrors concentrate the sunlight on the absorber (solar receiver) mounted in the tip.
  • the absorber consists of a pipe system in which a heat transfer medium is heated. This medium circulates in a circuit with intermediate storage tanks.
  • a heat exchanger system converts the thermal energy into electricity in a secondary circuit with the help of a generator.
  • the heat transfer medium is primarily a salt mixture of sodium and potassium nitrate salt melts, which results in a maximum operating temperature of the salt of around 700 ° C, depending on the alloy used for the components (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013).
  • the potassium nitrate salt melts decompose noticeably, which greatly increases the corrosion of the metallic pipes. Therefore, depending on the material, the maximum operating temperature is between 600 and 700 ° C.
  • the materials usually used in the absorber include Alloy 800H (material number 1.4876, UNS N08810) or Alloy 625 (material number 2.4856, UNS N06625) (see table 1).
  • the high-temperature corrosion resistance of the alloys given in Table 1 increases with increasing chromium content.
  • the Al-containing alloys form a chromium oxide layer (Cr203) with a more or less closed aluminum oxide layer (Al2O3) underneath.
  • Cr203 chromium oxide layer
  • Al2O3 closed aluminum oxide layer
  • Small additions of elements with a strong affinity for oxygen such as B. yttrium or cerium improve the oxidation resistance.
  • the chromium content is slowly consumed in the course of use in the application area to build up the protective layer.
  • a higher chromium content increases the service life of the material, since a higher content of the element chromium, which forms the protective layer, delays the point in time at which the chromium content is below the critical limit and oxides other than Cr2O3 are formed, such as iron and / or nickel-containing oxides.
  • oxides other than Cr2O3 are formed, such as iron and / or nickel-containing oxides.
  • a further increase in high-temperature corrosion resistance can be achieved by adding aluminum and / or silicon. Above a certain minimum content, these elements form a closed layer below the chromium oxide layer and thus reduce the consumption of chromium.
  • the heat resistance or creep resistance at the specified temperatures is improved, among other things, by a high carbon content.
  • high contents of solid solution strengthening elements such as chromium, aluminum, silicon, molybdenum and tungsten also improve the heat resistance.
  • additions of aluminum, titanium and / or niobium can improve the strength by eliminating the g and / or g ”phase.
  • Alloys such as Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) or Alloy 214 (N07208) are known for their excellent corrosion resistance compared to Alloy 600 (N06600) or Alloy 601 (N06601) due to a high aluminum content known by more than 1.8%.
  • Alloy 214 Due to its high aluminum content, Alloy 214 shows excellent resistance in 60% sodium nitrate / 40% potassium nitrate molten salts (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013 ). At the same time, alloys such as Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) or Alloy 214 (N07208), due to the high carbon or aluminum content, show excellent heat resistance or creep resistance in the temperature range in which nitrate salt melts are used become.
  • Alloy 602 CA (N06025) and Alloy 603 (N06603) still have excellent heat resistance and creep resistance even at temperatures above 1000 ° C.
  • z. B. the processability is impaired by the high aluminum content, the impairment being the greater the higher the aluminum content (for example with Alloy 693 (N06693) and Alloy 214 (N07208)).
  • the cold formability in particular is limited by a high proportion of primary carbides.
  • WO 2019/075177 A1 discloses a solar tower system that includes absorber tubes, a storage tank and a heat exchanger, all of which contain a molten salt as a heat transfer medium at temperatures> 650 ° C., the disclosure including that at least one of the components absorber tubes, storage tank and heat exchanger , is made from an alloy containing (in% by mass) 25 - 45% Ni, 12 - 32% Cr, 0.1 - 2.0% Nb, up to 4% Ta, up to 1% V, up to 2% Mn, up to 1.0% Al, up to 5% Mo, up to 5% W, up to 0.2% Ti, up to 2% Zr, up to 5% Co, up to 0.1% Y, up to 0.1% La, up to 0.1% Cs, up to 0.1% other rare earths, up to 0.20% C, up to Contains 3% Si, 0.05-0.50% N, up to 0.02% B and the remainder Fe and impurities.
  • EP 0 508 058 A1 discloses an austenitic nickel-chromium-iron alloy consisting of (in% by mass) 0.12-0.3% C, 23-30% Cr, 8-11% Fe, 1,8 - 2.4% AI, 0.01-0.15% Y, 0.01-1.0% Ti, 0.01-1.0% Nb, 0.01-0.2% Zr, 0.001-0.015 % Mg, 0.001 - 0.01% Ca, max. 0.03% N, max. 0.5% Si, max. 0.25% Mn, max. 0.02% P, max. 0.01% S , Remainder Ni including unavoidable impurities caused by the melting process.
  • US 4882125 B1 discloses a nickel alloy with a high chromium content, which has excellent creep resistance of more than 200 hours at temperatures above 983 ° C. at a voltage of 2000 PSI due to excellent resistance to sulphurization and oxidation at temperatures greater than 1093 ° C. , good tensile strength and good elongation (both at room temperature and elevated temperatures), consisting of (in% by weight) 27 - 35% Cr, 2.5 - 5% Al, 2.5 - 6% Fe, 0 , 5 - 2.5% Nb, up to 0.1% C, each up to 1% Ti and Zr, up to 0.05% Ce, up to 0.05% Y, up to 1% Si, up to 1% Mn and Ni balance.
  • EP 0 549 286 discloses a high temperature resistant Ni-Cr alloy, containing 55-65% Ni, 19-25% Cr, 1-4.5% Al, 0.045-0.3% Y, 0.15-1% Ti , 0.005-0.5% C, 0.1-1.5% Si, 0-1% Mn and at least 0.005% in total at least one of the elements of the group containing Mg, Ca, Ce, ⁇ 0.5% in Total Mg + Ca, ⁇ 1% Ce, 0.0001-0.1% B, 0-0.5% Zr, 0.0001-0.2% N, 0-10% Co, remainder iron and impurities.
  • DE 600 04 737 T2 has made a heat-resistant nickel-based alloy known, containing ⁇ 0.1% C, 0.01 - 2% Si, ⁇ 2% Mn, ⁇ 0.005% S, 10 - 25% Cr, 2.1 - ⁇ 4.5% AI, ⁇ 0.055% N, a total of 0.001 - 1% of at least one of the elements B, Zr, Hf, whereby the elements mentioned can be present in the following contents: B ⁇ 0.03%, Zr ⁇ 0.2 %, Hf ⁇ 0.8%.
  • Mo + W 0.01 - 15% Mo, 0.01 - 9% W, where a total Mo + W content of 2.5-15% can be given, 0-3% Ti, 0-0.01% Mg, 0-0.01% Ca, 0-10% Fe, 0-1% Nb , 0-1% V, 0-0.1% Y, 0-0.1% La, 0-0.01% Ce, 0-0.1% Nd, 0-5% Cu, 0-5% Co , Remainder nickel.
  • Mo and W the following formula must be fulfilled:
  • DE 102015200881 A1 describes a tubular body made of austenitic steel for a molten salt, in particular an absorber pipe of a solar receiver with a molten salt as a heat transfer medium or other pipeline for conveying a molten salt, with a steel composition which, on a weight basis, comprises:
  • a nickel-chromium-aluminum-iron alloy with (in mass%) 12 to 28% chromium, 1.8 to 3.0% aluminum, 1.0 to 15% iron, 0.01 to 0.5% silicon, 0.005 to 0.5% manganese, 0.01 to 0.20% yttrium, 0.02 to 0.60% titanium, 0.01 to 0.2% zirconium, 0.0002 to 0, 05% magnesium, 0.0001 to 0.05% calcium, 0.03 to 0.11% carbon, 0.003 to 0.05% nitrogen, 0.0005 to 0.008% boron, 0.0001-0.010% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 0.5% molybdenum, max.
  • DE 102012013437B3 describes the use of a nickel-chromium-aluminum-iron alloy with (in% by mass)> 25 to 28% chromium,> 2 to 3.0% aluminum, 1.0 to 11% iron, 0.01 up to 0.2% silicon, 0.005 to 0.5% manganese, 0.01 to 0.20% yttrium, 0.02 to 0.60% titanium, 0.01 to 0.2% zirconium, 0.0002 to 0 .05% magnesium, 0.0001 to 0.05% calcium, 0.03 to 0.11% carbon, 0.003 to 0.05% nitrogen, 0.0005 to 0.008% boron, 0.0001-0.010% oxygen, 0.001 up to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max.
  • DE 1020120111161 A1 describes a nickel-chromium-aluminum alloy with (in mass%) 24 to 33% chromium, 1.8 to 4.0% aluminum, 0.10 to 7.0% iron, 0.001 to 0 , 50% silicon, 0.005 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, each 0.0002 to 0.05% magnesium and / or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 to 0.050% Nitrogen, 0.0001-0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 2.0% molybdenum, max.
  • the US 5,862,800 A discloses a solar tower power plant for the introduction of solar energy in molten salts, with pipes of the same diameter and of the same wall thickness, which are made of the alloy Alloy 625.
  • the composition of Alloy 625 is specified as follows: Cr 20 - 23%, Al ⁇ 0.4%, Fe ⁇ 5%, Si ⁇ 0.5%, Mn ⁇ 0.5%, Ti ⁇ 0.4%, C 0.03-0.1%, P ⁇ 0.02%, S ⁇ 0.015%, Mo 8-10%, Nb 3.15-4.15%, remainder Ni (> 58%).
  • the object on which the invention is based is to design a nickel alloy which has sufficiently high chromium and aluminum contents so that it
  • This object is achieved by a nickel-chromium-iron-aluminum alloy with (in% by mass)> 17 to 33% chromium, 1.8 to ⁇ 4.0% aluminum, 0.10 to 15.0% iron, 0.001 to 0.50% silicon, 0.001 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, each 0.0002 to 0.05% magnesium and / or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 up to 0.050% nitrogen, 0.0001 - 0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 2.0% molybdenum, max.
  • the spread range for the element chromium is between> 17 and 33%, whereby preferred ranges can be set as follows:
  • the aluminum content is between 1.8 and ⁇ 4.0%, although here too, depending on the area of application of the alloy, preferred aluminum contents can be set as follows:
  • the iron content is between 0.1 and 15.0%, whereby, depending on the area of application, preferred contents can be set within the following spread ranges:
  • the silicon content is between 0.001 and 0.50%.
  • Si can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • Ti is between 0.00 and 0.60%.
  • Ti can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • Magnesium and / or calcium are also contained in levels of 0.0002 to 0.05%. There is preferably the option of setting these elements in the alloy as follows:
  • the alloy contains 0.005 to 0.12% carbon. This can preferably be set in the alloy within the spread range as follows:
  • the alloy also contains phosphorus in contents between 0.001 and 0.030%. Preferred contents can be given as follows:
  • the alloy also contains oxygen in contents between 0.0001 and 0.020%, in particular contains 0.0001 to 0.010%.
  • the element sulfur is given in the alloy as follows:
  • Molybdenum and tungsten are contained individually or in combination in the alloy with a maximum content of 2.0% each. Preferred contents can be given as follows:
  • Preferred areas can be set with:
  • the nickel content is greater than or equal to 50% or greater than 50%. It can preferably be set as follows:
  • the element yttrium can be set in the alloy in contents of 0.001 to 0.20%.
  • Y can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • the element lanthanum can be set in the alloy in contents of 0.001 to 0.20%.
  • La can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • the element cerium can be set in the alloy with a content of 0.001 to 0.20%.
  • Ce can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • cerium mischmetal a mixture of approx. 50% Ce, approx. 25% La, approx. 15% Pr, approx. 5% Nd, Sm, Tb and Y
  • Cerium mischmetal can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • the element niobium can be set in the alloy in contents of 0.00 to 1.10%.
  • Niobium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows:
  • Mp Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 + Nb * 0.374 * 0.538 * Mo + W - 11 8 * C (3b) wherein Cr , Fe, Al, Si, Ti, Nb, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
  • the zirconium content is optionally between 0.001 and 0.20%.
  • Zirconium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows: 0.001-0.15%
  • the flafnium content is between 0.001 and 0.20%.
  • Flafnium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows:
  • the alloy can also contain 0.001 to 0.60% tantalum.
  • Ta can be set in the alloy within the spread range as follows:
  • the element boron can be contained in the alloy as follows:
  • the alloy can optionally contain between 0.0 to 5.0% cobalt, which can also be restricted as follows:
  • the alloy can contain a maximum of 0.5% copper.
  • the copper content can also be restricted as follows: max. 0.20% max. 0.10% max. 0.05%
  • Fp Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.477 * Cu + 0.374 * Mo + 0.538 * W - 11.8 * C (3c) where Cr, Fe , Al, Si, Ti, Cu, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
  • the formula (3a) must be supplemented with a term with niobium and a term with copper as follows:
  • Mp Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 + Nb * 0.477 * 0.374 * Cu + Mo + 0.538 * W - 11 8 * C ( 3d) where Cr, Fe, Al, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
  • the alloy can contain a maximum of 0.5% vanadium.
  • the vanadium content can also be limited as follows: max. 0.20% max. 0.10% max. 0.05%
  • Preferred ranges can be set with: Fk> 49 (6b) Fk> 53 (6c)
  • the formula (7a) must be supplemented by a term with niobium and / or boron as follows:
  • the alloy according to the invention is preferably melted openly, followed by a treatment in a VOD (vacuum oxygen decarburization) or VLF (vacuum ladle furnace) system. Melting and pouring in a vacuum (VIM) is also possible.
  • VOD vacuum oxygen decarburization
  • VLF vacuum ladle furnace
  • the alloy is annealed into the desired form, if necessary at temperatures between 900 ° C and 1270 ° C for 0.1 hours to 100 hours, then hot-formed, if necessary with intermediate anneals between 900 ° C and 1270 ° C for 0.05 hours to 100 hours. If necessary, the surface of the material can be removed chemically and / or mechanically in between and / or at the end for cleaning (also several times). After the end of hot forming, cold forming with degrees of deformation of up to 98% into the desired semi-finished product shape, if necessary with intermediate annealing between 700 ° C and 1250 ° C for 0.1 minutes to 70 hours, if necessary under protective gas, such as. B.
  • argon or hydrogen followed by cooling in air, in the agitated annealing atmosphere or in a water bath. Thereafter, a solution annealing takes place in the temperature range between 700 ° C to 1250 ° C for 0.1 minutes to 70 hours, if necessary under protective gas, such as. B. argon or hydrogen, followed by cooling in air, in the agitated annealing atmosphere or in a water bath. If necessary, chemical and / or mechanical cleaning of the material surface can take place in between and / or after the last annealing.
  • the alloy according to the invention can be easily manufactured and used in the product forms strip, sheet metal, rod, wire, longitudinally welded tube and seamless tube.
  • These product forms are produced with an average grain size of 5 gm to 600 gm.
  • the preferred range is between 20 pm and 200 pm.
  • the alloy according to the invention should preferably be used in solar tower power plants using nitrate salt melts as the heat transfer medium. It can be used for all components that are in contact with the molten salt.
  • the nitrate salts can preferably be a mixture of sodium and potassium nitrate salts.
  • the mixture can preferably consist of the following compositions: 50-70% sodium nitrate and 50-30% potassium nitrate 55-65% sodium nitrate and 45-35% potassium nitrate 58-62% sodium nitrate and 42-38% potassium nitrate
  • the salt mixtures can also be used under a pure CO2 atmosphere.
  • the maximum operating temperature is 800 ° C. It can be restricted as follows: max. 750 ° C max. 700 ° C max. 680 ° C max. 650 ° C
  • the phases occurring in equilibrium were calculated for the various alloy variants with the JMatPro program from Thermotech.
  • the database TTNI7 for nickel-based alloys from Thermotech was used as the database for the calculations.
  • the formability is determined in a tensile test according to DIN EN ISO 6892-1 at room temperature.
  • the yield strength R Po, 2 , the tensile strength R m and the elongation A up to break are determined.
  • the elongation A is determined on the broken specimen from the extension of the original measuring distance L o and the measuring length after the break L u :
  • the elongation at break is provided with indices:
  • the tests were carried out on round specimens with a diameter of 6 mm in the measuring range and a measuring length L o of 30 mm. Samples were taken across the direction of deformation of the semi-finished product. The deformation rate was at R Po, 2 10 MPa / s and at R m 6.7 10 -3 1 / s (40% / min).
  • the measured value of the elongation A in the tensile test at room temperature can be used as a measure of the deformability.
  • a material that is easy to process should have an elongation of at least 50%.
  • the heat resistance is determined in a hot tensile test according to DIN EN ISO 6892-2.
  • the yield strength is R Po, 2 , the tensile strength R m and the elongation A determined up to breakage analogously to the tensile test at room temperature (DIN EN ISO 6892-1).
  • the tests were carried out on round specimens with a diameter of 6 mm in the measuring range and an initial measuring length L o of 30 mm. Samples were taken across the direction of deformation of the semi-finished product. The deformation speed was 8.33 10 '5 1 / s (0.5% / min) for R Po, and 8.33 10 ' 4 1 / s (5% / min) for R m (DIN EN ISO 6892- 2).
  • the sample is installed in a tensile testing machine at room temperature and heated to the desired temperature with no tensile force. After the test temperature has been reached, the temperature is equalized for one hour (600 ° C) or two hours (700 ° C to 1100 ° C). The sample is then loaded with a tensile force in such a way that the desired expansion rates are maintained, and the test begins.
  • the creep resistance of a material improves with increasing heat resistance. This is why the heat resistance is also used to assess the creep resistance of the various materials.
  • the corrosion resistance at higher temperatures was determined in an oxidation test at 1000 ° C. in air, the test being interrupted every 96 hours and the changes in mass of the samples due to the oxidation being determined.
  • the samples were placed in ceramic crucibles so that any flaking oxide was collected and the mass of the flaked oxide could thus be determined.
  • the sum of the mass change of a sample (net mass change) and the mass of the flaked oxide is the gross mass change of the sample.
  • the specific change in mass is the change in mass related to the surface of the specimen. In the following, these are referred to as m net for the specific net mass change, m gross for the specific gross mass change, m spall for the specific mass change of the flaked oxides.
  • the tests were carried out on samples with a thickness of approx. 5 mm. It 3 samples of each batch were removed from storage, the values given being the mean values of these 3 samples.
  • the weight of the oxide layer was determined by removing it from the surface of the metal and weighing the sample before the test, after the test and after the oxide layer had been removed. This is used to determine the weight loss (loss of descaling) based on the surface of the sample before the test.
  • Table 3 shows the corrosion rate after 3000 hours: once as a descaling loss in mg / cm 2 and once converted as a metal loss in pm / year.
  • Alloy 214 has the lowest corrosion rate with 5.7 pm / year with an aluminum content of 4.5%, followed by Alloy 224 with a corrosion rate of 8.3 pm / year with an aluminum content of 3.8%.
  • All other nickel alloys examined (Alloy 625, Alloy 120, Alloy 242 and Alloy 230) have a significantly higher corrosion rate of 16.8 pm / year and higher with aluminum contents of less than 0.5%.
  • Alloy 214 and Alloy 224 form an aluminum oxide layer that provides good protection against molten nitrate salts.
  • the alloy according to the invention also has the following properties:
  • various embrittling TCP (topologically close packed) phases such as B. Laves phases, sigma phases or m phases or also the embrittling h or e phase (see e.g. Ralf Bürgel, Handbook of High Temperature Materials Technology, 3rd edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, page 370 - 374).
  • N06690 for batch 111389 (see Table 4 for typical compositions) mathematically show the formation of ⁇ -chromium (BCC phase in Figure 1) below 720 ° C (T S BCC) in significant proportions.
  • T S BCC 720 ° C
  • FIG. 2 and Figure 3 show the phase diagrams of the Alloy 693 variants (from US Pat. No. 4,88,125 Table 1) for Alloy 3 and Alloy 10 from Table 4.
  • This phase is brittle and thus leads to undesired embrittlement of the material.
  • Alloy 3 has a formation temperature T s BCC of 1079 ° C, Alloy 10 of 939 ° C.
  • T s BCC formation temperature
  • the solvus temperature T s BCC in the alloy according to the invention should be less than or equal to 939 ° C., which is the lowest solvus temperature T s BCC among the examples for alloy 693 in Table 4 (from US Pat 1) corresponds.
  • Formability is considered here as an example for processability.
  • An alloy can be hardened by several mechanisms so that it has a high heat resistance or creep resistance.
  • the addition of another element, depending on the element, has a greater or lesser effect great increase in strength (solid solution hardening). Much more effective is an increase in strength through fine particles or precipitates (particle hardening).
  • This can e.g. B. be done by the y'-phase, which is when adding AI and other elements, such as. B. Ti to form a nickel alloy or by carbides that are formed by adding carbon to a chromium-containing nickel alloy (see e.g. Ralf Bürgel, Flandbuch der Flochtemperaturtechnik, 3rd edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, page 358-369).
  • the increase in the content of y’-phase-forming elements or the C content increases the high-temperature strength, but increasingly affects the deformability, even in the solution-annealed state.
  • the yield strength or tensile strength at higher temperatures should at least reach the values of Alloy 601 (see Table 6).
  • Requirements 8a, 8b, 8c and 8d are achieved in particular if the following relationship between the mainly hardening elements is met:
  • Fk Cr + 19 * Ti + 34.3 * Nb + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C + 2245 * B (7b) where Cr, Ti, Nb, Al, Si, C and B are the concentration of the elements in question in% by mass.
  • the alloy according to the invention is said to have good corrosion resistance in air, similar to that of Alloy 602 CA (N06025).
  • Tables 5a and 5b show the analyzes of the batches melted on a laboratory scale together with some large-scale, state-of-the-art melted batches of Alloy 602CA (N06025), Alloy 690 (N06690), Alloy 601 (N06601) used for comparison.
  • the batches according to the prior art are marked with a T, those according to the invention with an E.
  • the batches melted on a laboratory scale are marked with an L, the large-scale batches with a G.
  • the blocks of the alloys melted on a laboratory scale in a vacuum in Tables 5a and b were annealed between 900 ° C and 1270 ° C for 8 hours and by means of hot rolling and further intermediate anneals between 900 ° C and 1270 ° C for 0.1 to 1 hour Final thickness of 13 mm or 6 mm hot-rolled.
  • the sheets produced in this way were solution annealed between 900 ° C. and 1270 ° C. for 1 hour. The samples required for the measurements were produced from these sheets.
  • All alloy variants typically had a grain size of 70 to 505 ⁇ m.
  • aluminum is greater than or equal to 1.8%. This aluminum content is sufficiently high that a closed aluminum oxide layer can form under the chromium oxide layer. They thus meet the requirement that has been placed on the corrosion resistance in molten salts.
  • phase diagrams were therefore calculated for the selected state-of-the-art alloys in Table 4 and all laboratory batches (Tables 5a and 5b) and the solvus temperature T s BCC entered in Tables 4 and 5a.
  • the value for Fp was also calculated according to formula 3d. Fp is greater, the greater the solvus temperature T s BCC.
  • All examples of N06693 with a higher solvus temperature T s BCC than that of Alloy 10 have an MP> 39.9.
  • the requirement of Fp ⁇ 39.9 (formula 2a) is therefore a good criterion for obtaining sufficient phase stability in an alloy.
  • All laboratory batches in Tables 5a and b meet the criterion MP ⁇ 39.9.
  • the sample batches 156817 and 160483 of the alloy according to the state of the art Alloy 602 CA have in Table 6 a comparatively small elongation As at room temperature of 36 and 42%, respectively, which are below the requirements for good formability. Fa is greater than 60 and thus above the range that characterizes good formability. All alloys (E) according to the invention show an elongation of more than 50%. You thus meet the requirements. Fa is less than 60 for all alloys according to the invention. You are therefore in the range in which good formability is given. The elongation is particularly high when Fa is comparatively small.
  • the sample batch 156656 of the alloy according to the prior art Alloy 601 in Table 6 is an example of the minimum requirements for yield strength and tensile strength at 600 ° C and 800 ° C
  • the sample batches 156817 and 160483 of the alloy according to the prior art Alloy 602 CA contrast examples of very good values for yield strength and tensile strength at 600 ° C and 800 ° C, respectively.
  • Alloy 601 represents a material that shows the minimum requirements for high temperature strength or creep resistance, which are described in the relationships 8a to 8d.
  • Alloy 602 CA represents a material that shows excellent heat resistance or creep resistance, which are described in the relationships 9a to 9d.
  • the value for Fk is significantly greater than 47 for both alloys, and for Alloy 602 CA, it is also significantly greater than the value of Alloy 601, which reflects the increased strength values of Alloy 602 CA.
  • the alloys (E) according to the invention all show a yield strength and tensile strength at 600 ° C. or 800 ° C. in the range or significantly above that of alloy 601 and thus meet the ratios 8a to 8d. They are in the range of the values of Alloy 602 CA and, apart from batch 250526 and batch 250311, also meet the desirable requirements, i.e. 3 of the 4 relations 9a to 9d.
  • Fk is also greater than 47 or greater than 54 and thus in the range that is characterized by good heat resistance or creep resistance.
  • batches 2297 and 2300 are an example that relations 8a to 8d are not fulfilled and for which Fk is also less than 47.
  • Table 7 shows the specific changes in mass after an oxidation test at 1100 ° C. in air after 11 cycles of 96 hours, i.e. a total of 1056 hours. Table 7 shows the specific gross mass change, the specific net mass change and the specific mass change of the flaked oxide after 1056 hours.
  • the sample batches of the state-of-the-art alloys Alloy 601 and Alloy 690 show a significantly higher gross mass change than Alloy 602 CA, whereby that of Alloy 601 is again significantly larger than that of Alloy 690. Both form a chromium oxide layer that grows faster as an aluminum oxide layer. Alloy 601 still contains approx. 1.3% Al.
  • Alloy 602CA has approximately 2.3% aluminum. With this alloy, a closed aluminum oxide layer can thus form below the chromium oxide layer. This noticeably reduces the growth of the oxide layer and thus also the specific increase in mass.
  • All alloys (E) according to the invention contain at least 2% aluminum and thus have a similarly low or lower gross increase in mass as Alloy 602 CA. Similarly to the sample batches of Alloy 602 CA, all the alloys according to the invention also show flaking in the area of measurement accuracy, while Alloy 601 and Alloy 690 show large flaking.
  • Too low a chromium content means that the chromium concentration drops very quickly below the critical limit when the alloy is used in a corrosive atmosphere, so that a closed chromium oxide layer can no longer form. Therefore a content of> 17% chromium is the lower limit. Too high a chromium content worsens the phase stability of the alloy, especially with the high aluminum content of> 1.8%. Therefore 33% chromium is to be regarded as the upper limit.
  • Silicon is required in the manufacture of the alloy. A minimum content of 0.001% is therefore necessary. Too high contents, in turn, impair the processability and the phase stability, especially with high aluminum and chromium contents. The silicon content is therefore limited to 0.50%.
  • a minimum manganese content of 0.001% is necessary to improve processability. Manganese is limited to 2.0% as this element reduces oxidation resistance.
  • Titanium increases the high temperature strength. From 0.60% the oxidation behavior can be worsened, which is why 0.60% is the maximum value.
  • magnesium and / or calcium contents improve processing by setting sulfur, which prevents the occurrence of low-melting nickel-sulfur eutectics.
  • a minimum content of 0.0002% is therefore required for magnesium and / or calcium. If the contents are too high, intermetallic nickel-magnesium phases or nickel-calcium phases can occur, which again significantly worsen the processability.
  • the magnesium and / or calcium content is therefore limited to a maximum of 0.05%.
  • a minimum carbon content of 0.005% is necessary for good creep resistance. Carbon is limited to a maximum of 0.12%, since above this level this element reduces the workability due to the excessive formation of primary carbides. A minimum nitrogen content of 0.001% is required, which improves the workability of the material. Nitrogen is limited to a maximum of 0.05%, as the formation of coarse carbonitrides reduces the processability.
  • the oxygen content must be less than or equal to 0.020% in order to enable the alloy to be manufactured. Too low an oxygen content increases the costs.
  • the oxygen content is therefore> 0.0001%.
  • the content of phosphorus should be less than or equal to 0.030%, since this surface-active element affects the oxidation resistance. Too low a phosphorus content increases the costs. The phosphorus content is therefore> 0.001%.
  • the sulfur content should be set as low as possible, since this surface-active element impairs the resistance to oxidation. A maximum of 0.010% sulfur is therefore specified.
  • Molybdenum is limited to a maximum of 2.0%, as this element is the
  • Tungsten is limited to a maximum of 2.0%, as this element is the
  • Nickel is the remainder. Too low a nickel content reduces the phase stability, especially with high chromium contents. Nickel must therefore be greater than or equal to 50%.
  • the oxidation resistance can be further improved by adding elements with an affinity for oxygen, such as yttrium, lanthanum, cerium, cerium, mischmetal. These elements are built into the oxide layer and block the diffusion paths of oxygen on the grain boundaries.
  • a minimum yttrium content of 0.001% is necessary in order to maintain the yttrium's oxidation resistance increasing effect.
  • the upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
  • a minimum content of 0.001% lanthanum is necessary in order to maintain the oxidation resistance-increasing effect of the lanthanum.
  • the upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
  • the upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
  • a minimum content of 0.001% cerium mischmetal is necessary in order to maintain the oxidation resistance-increasing effect of the cerium mischmetal.
  • the upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
  • niobium can be added, since niobium also increases the high temperature strength. Higher contents increase the costs very much.
  • the upper limit is therefore set at 1, 10%.
  • the alloy can also contain tantalum, since tantalum also increases the high temperature strength and the oxidation resistance. Higher contents increase the costs very much.
  • the upper limit is therefore set at 0.60%. A minimum content of 0.001% is required to have an effect.
  • the alloy can also contain zirconium.
  • zirconium A minimum content of 0.001% zirconium is necessary in order to maintain the effect of the zirconium, which increases the high temperature strength and the oxidation resistance.
  • the upper limit is set at 0.20% zirconium.
  • the alloy can also contain hafnium.
  • a minimum content of 0.001% hafnium is necessary in order to maintain the effect of the hafnium, which increases the resistance to high temperatures and resistance to oxidation.
  • the upper limit is set at 0.20% hafnium.
  • boron can be added to the alloy because boron improves creep resistance. Therefore a content of at least 0.0001% should be present. At the same time, this surface-active element worsens the resistance to oxidation. A maximum of 0.008% boron is therefore specified.
  • Cobalt can be contained in this alloy up to 5.0%. Higher contents noticeably reduce the resistance to oxidation.
  • Copper is limited to a maximum of 0.5%, as this element reduces the resistance to oxidation.
  • Vanadium is limited to a maximum of 0.5%, as this element is the
  • Fa Cr + 20.4 * Ti + 201 * C (5a) where Cr, Ti and C are the concentration of the relevant elements in% by mass. The limits for Fa and the possible inclusion of further elements have been explained in detail in the previous text.
  • Table 2 Composition of the alloys examined in (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013) in% by mass.
  • Table 4 Typical compositions of some alloys according to ASTM B 168-11, and Table 2 (prior art). All data in% by mass * ) Alloy composition from patent US 4,88,125 Table 1
  • Table 5a Composition of the laboratory batches, part 1. All data in% by mass (T: alloy according to the state of the art, E: alloy according to the invention, L: melted on a laboratory scale, G: melted on an industrial scale)
  • Table 5b Composition of the laboratory batches, part 2. All data in% by mass (applies to all alloys: Pb: max. 0.002%, Zn: max. 0.002%, Sn: max. 0.002%) (meaning of T, E, G, L, see table 5a)
  • Table 7 Results of the oxidation tests at 1000 ° C. in air after 1056 hours.

Abstract

The invention relates to a nickel-chromium-iron-aluminum alloy containing (in wt.%) >17 to 33% chromium, 1.8 to <4.0% aluminum, 0.10 to 15.0% iron, 0.001 to 0.50% silicon, 0.001 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, 0.0002 to 0.05% each of magnesium and/or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 to 0.050% nitrogen, 0.0001 to 0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, not more than 0.010% sulfur, not more than 2.0% molybdenum, not more than 2.0% tungsten, the remainder nickel with nickel ≥ 50% and the usual process-related impurities, for use in solar power tower plants using nitrate salt melts as the heat transfer medium, wherein the following relations must be satisfied: Fp ≤ 39.9 (2a) with Fp = Cr + 0.272*Fe + 2.36*Al + 2.22*Si + 2.48*Ti + 0.374*Mo + 0,538*W - 11.8*C (3a), wherein Cr, Fe, Al, Si, Ti, Mo, W and C is the concentration of the respective elements in % by weight.

Description

Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung mit guter Verarbeitbarkeit, Kriechfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie deren Verwendung Nickel-chromium-iron-aluminum alloy with good processability, creep resistance and corrosion resistance, as well as their use
Die Erfindung betrifft eine Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Knetlegierung mit hervorragender Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit, guter Kriechbeständigkeit und verbesserter Verarbeitbarkeit. The invention relates to a wrought nickel-chromium-iron-aluminum alloy with excellent high-temperature corrosion resistance, good creep resistance and improved processability.
Austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen mit unterschiedlichen Nickel-, Chrom- und Aluminiumgehalten werden seit langem im Ofenbau und in der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt. Für diesen Einsatz ist eine gute Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und eine gute Warmfestigkeit/ Kriechbeständigkeit erforderlich. Austenitic nickel-chromium-iron-aluminum alloys with different nickel, chromium and aluminum contents have long been used in furnace construction and in the chemical and petrochemical industries. For this use, good high-temperature corrosion resistance and good heat resistance / creep resistance are required.
Nickel-Legierungen mit unterschiedlichen Nickel-, Chrom- und Aluminiumgehalten sind aufgrund ihrer Eigenschaften auch von großem Interesse im Hinblick auf die Verwendung in Solarturmkraftwerken. Diese Anlagen bestehen aus einem Feld von Spiegeln (Heliostaten), die um einen hohen Turm angeordnet sind. Durch die Spiegel wird das Sonnenlicht auf den in der Spitze montierten Absorber (Solarreceiver) konzentriert. Der Absorber besteht aus einem Röhrensystem, in dem ein Wärmeübertragungsmedium aufgeheizt wird. Dieses Medium zirkuliert in einem Kreislauf mit Zwischenspeichertanks. Durch ein Wärmetauschersystem wird in einem Sekundärkreislauf die Wärmeenergie mit Hilfe eines Generators in Elektrizität umgewandelt. Bei dem Wärmeübertragungsmedium handelt es sich vornehmlich um ein Salzgemisch aus Natrium- und Kalium-Nitratsalzschmelzen, wodurch sich eine maximale Einsatztemperatur des Salzes je nach der für die Komponenten verwendeten Legierung von circa 700°C ergibt (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600°C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013). Due to their properties, nickel alloys with different nickel, chromium and aluminum contents are also of great interest with regard to use in solar tower power plants. These systems consist of an array of mirrors (heliostats) that are arranged around a high tower. The mirrors concentrate the sunlight on the absorber (solar receiver) mounted in the tip. The absorber consists of a pipe system in which a heat transfer medium is heated. This medium circulates in a circuit with intermediate storage tanks. A heat exchanger system converts the thermal energy into electricity in a secondary circuit with the help of a generator. The heat transfer medium is primarily a salt mixture of sodium and potassium nitrate salt melts, which results in a maximum operating temperature of the salt of around 700 ° C, depending on the alloy used for the components (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013).
Bei Temperaturen oberhalb von 700°C zersetzen sich die Kalium- Nitratsalzschmelzen merklich, was die Korrosion der metallischen Rohre stark erhöht. Deshalb liegt die maximale Einsatztemperatur je nach Werkstoff zwischen 600 und 700°C. Die üblicherweise im Absorber zum Einsatz kommenden Werkstoffe sind u.a. Alloy 800H (Werkstoffnummer 1.4876, UNS N08810) oder Alloy 625 (Werkstoffnummer 2.4856, UNS N06625) (siehe Tabelle 1 ). At temperatures above 700 ° C, the potassium nitrate salt melts decompose noticeably, which greatly increases the corrosion of the metallic pipes. Therefore, depending on the material, the maximum operating temperature is between 600 and 700 ° C. The materials usually used in the absorber include Alloy 800H (material number 1.4876, UNS N08810) or Alloy 625 (material number 2.4856, UNS N06625) (see table 1).
Generell ist zu bemerken, dass die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der in Tabelle 1 angegebenen Legierungen mit zunehmendem Chromgehalt steigt. Die Al- haltigen Legierungen bilden eine Chromoxidschicht (Cr203) mit einer darunter liegenden, mehr oder weniger geschlossenen Aluminiumoxidschicht (AI2O3). Geringe Zugaben von stark sauerstoffaffinen Elementen wie z. B. Yttrium oder Cer verbessern die Oxidationsbeständigkeit. Der Chromgehalt wird im Verlauf des Einsatzes im Anwendungsbereich zum Aufbau der schützenden Schicht langsam verbraucht. Deshalb wird durch einen höheren Chromgehalt die Lebensdauer des Werkstoffs erhöht, da ein höherer Gehalt des die Schutzschicht bildenden Elementes Chrom den Zeitpunkt hinauszögert, an dem der Chromgehalt unter der kritischen Grenze ist und sich andere Oxide als Cr2Ü3 bilden, wie z.B. eisen- und/oder nickelhaltige Oxide. Eine weitere Steigerung der Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit lässt sich durch Zugaben von Aluminium und/oder Silizium erreichen. Ab einem gewissen Mindestgehalt bilden diese Elemente eine geschlossene Schicht unterhalb der Chromoxidschicht und verringern so den Verbrauch an Chrom. In general, it should be noted that the high-temperature corrosion resistance of the alloys given in Table 1 increases with increasing chromium content. The Al-containing alloys form a chromium oxide layer (Cr203) with a more or less closed aluminum oxide layer (Al2O3) underneath. Small additions of elements with a strong affinity for oxygen such as B. yttrium or cerium improve the oxidation resistance. The chromium content is slowly consumed in the course of use in the application area to build up the protective layer. Therefore, a higher chromium content increases the service life of the material, since a higher content of the element chromium, which forms the protective layer, delays the point in time at which the chromium content is below the critical limit and oxides other than Cr2O3 are formed, such as iron and / or nickel-containing oxides. A further increase in high-temperature corrosion resistance can be achieved by adding aluminum and / or silicon. Above a certain minimum content, these elements form a closed layer below the chromium oxide layer and thus reduce the consumption of chromium.
Die Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit bei den angegebenen Temperaturen wird u.a. durch einen hohen Kohlenstoffgehalt verbessert. Aber auch hohe Gehalte an Mischkristallverfestigenden Elementen wie Chrom, Aluminium, Silizium, Molybdän und Wolfram verbessern die Warmfestigkeit. Im Bereich von 500°C bis 900°C können Zugaben von Aluminium, Titan und/oder Niob die Festigkeit verbessern durch Ausscheidung der g und/oder g” Phase. The heat resistance or creep resistance at the specified temperatures is improved, among other things, by a high carbon content. However, high contents of solid solution strengthening elements such as chromium, aluminum, silicon, molybdenum and tungsten also improve the heat resistance. In the range from 500 ° C. to 900 ° C., additions of aluminum, titanium and / or niobium can improve the strength by eliminating the g and / or g ”phase.
Beispiele nach dem Stand der Technik zu diesen Legierungen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Legierungen wie Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) oder Alloy 214 (N07208) sind für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Alloy 600 (N06600) oder Alloy 601 (N06601 ) auf Grund eines hohen Aluminiumgehaltes von mehr als 1 ,8 % bekannt. Alloy 214 zeigt auf Grund seines hohen Aluminiumgehaltes eine hervorragende Beständigkeit in 60% Natriumnitrat/ 40% Kaliumnitrat Salzschmelzen (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600°C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013). Zugleich zeigen Legierungen wie Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) oder Alloy 214 (N07208) auf Grund des hohen Kohlenstoffgehalts bzw. Aluminiumgehaltes eine hervorragende Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit in dem Temperaturbereich, in dem Nitratsalzschmelzen eingesetzt werden. Alloy 602 CA (N06025) und Alloy 603 (N06603) haben selbst bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C noch eine hervorragende Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit. Allerdings wird z. B. durch die hohen Aluminiumgehalte die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt, wobei die Beeinträchtigung umso stärker ist, je höher der Aluminiumgehalt ist (zum Beispiel bei Alloy 693 (N06693) und Alloy 214 (N07208)). Gleiches gilt in erhöhtem Maß für Silizium, das niedrig schmelzende intermetallische Phasen mit Nickel bildet. In Alloy 602 CA (N06025) oder Alloy 603 (N06603) ist insbesondere die Kaltumformbarkeit durch einen hohen Anteil an Primärkarbiden begrenzt. Prior art examples of these alloys are listed in Table 1. Alloys such as Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) or Alloy 214 (N07208) are known for their excellent corrosion resistance compared to Alloy 600 (N06600) or Alloy 601 (N06601) due to a high aluminum content known by more than 1.8%. Due to its high aluminum content, Alloy 214 shows excellent resistance in 60% sodium nitrate / 40% potassium nitrate molten salts (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013 ). At the same time, alloys such as Alloy 602 CA (N06025), Alloy 693 (N06693), Alloy 603 (N06603) or Alloy 214 (N07208), due to the high carbon or aluminum content, show excellent heat resistance or creep resistance in the temperature range in which nitrate salt melts are used become. Alloy 602 CA (N06025) and Alloy 603 (N06603) still have excellent heat resistance and creep resistance even at temperatures above 1000 ° C. However, z. B. the processability is impaired by the high aluminum content, the impairment being the greater the higher the aluminum content (for example with Alloy 693 (N06693) and Alloy 214 (N07208)). The same applies to a greater extent to silicon, which forms low-melting intermetallic phases with nickel. In Alloy 602 CA (N06025) or Alloy 603 (N06603), the cold formability in particular is limited by a high proportion of primary carbides.
Die WO 2019/075177 A1 offenbart ein Solarturmsystem, das Absorberrohre, einen Speichertank und einen Wärmetauscher beinhaltet, die alle als Wärmeübertragungsmedium ein geschmolzenes Salz bei Temperaturen >650°C enthalten, wobei die Offenbarung beinhaltet, dass wenigstens einer der Komponenten Absorberrohre, Speichertank und Wärmetauscher, aus einer Legierung hergestellt wird, die (in Masse-%) 25 - 45 % Ni, 12 - 32 % Cr, 0,1 - 2,0 % Nb, bis zu 4 % Ta, bis zu 1 % V, bis zu 2 % Mn, bis zu 1 ,0 % AI, bis zu 5 % Mo, bis zu 5 % W, bis zu 0,2 % Ti, bis zu 2 % Zr, bis zu 5 % Co, bis zu 0,1 % Y, bis zu 0,1 % La, bis zu 0,1 % Cs, bis zu 0,1 % andere seltene Erden, bis zu 0,20 % C, bis zu 3 % Si, 0,05 - 0.50 % N, bis zu 0,02 % B und Rest Fe und Verunreinigungen beinhaltet. WO 2019/075177 A1 discloses a solar tower system that includes absorber tubes, a storage tank and a heat exchanger, all of which contain a molten salt as a heat transfer medium at temperatures> 650 ° C., the disclosure including that at least one of the components absorber tubes, storage tank and heat exchanger , is made from an alloy containing (in% by mass) 25 - 45% Ni, 12 - 32% Cr, 0.1 - 2.0% Nb, up to 4% Ta, up to 1% V, up to 2% Mn, up to 1.0% Al, up to 5% Mo, up to 5% W, up to 0.2% Ti, up to 2% Zr, up to 5% Co, up to 0.1% Y, up to 0.1% La, up to 0.1% Cs, up to 0.1% other rare earths, up to 0.20% C, up to Contains 3% Si, 0.05-0.50% N, up to 0.02% B and the remainder Fe and impurities.
Die EP 0 508 058 A1 offenbart eine austenitische Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, bestehend aus (in Masse-%) 0,12 - 0,3 % C, 23 - 30 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1 ,8 - 2,4 % AI, 0,01 - 0,15 % Y, 0,01 - 1 ,0 % Ti, 0,01 - 1 ,0 % Nb, 0,01 - 0,2 % Zr, 0,001 - 0,015 % Mg, 0,001 - 0,01 % Ca, max. 0,03 % N, max. 0,5 % Si, max. 0,25 % Mn, max. 0,02 % P, max. 0,01 % S, Rest Ni einschließlich unvermeidbarer erschmelzungsbedingter Verunreinigungen. EP 0 508 058 A1 discloses an austenitic nickel-chromium-iron alloy consisting of (in% by mass) 0.12-0.3% C, 23-30% Cr, 8-11% Fe, 1,8 - 2.4% AI, 0.01-0.15% Y, 0.01-1.0% Ti, 0.01-1.0% Nb, 0.01-0.2% Zr, 0.001-0.015 % Mg, 0.001 - 0.01% Ca, max. 0.03% N, max. 0.5% Si, max. 0.25% Mn, max. 0.02% P, max. 0.01% S , Remainder Ni including unavoidable impurities caused by the melting process.
Die US 4882125 B1 offenbart eine hoch-chromhaltige Nickel-Legierung, die durch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Aufschwefelung und Oxidation bei Temperaturen größer 1093°C, eine ausgezeichnete Kriechbeständigkeit von mehr als 200 Stunden bei Temperaturen oberhalb von 983°C bei einer Spannung von 2000 PSI, eine gute Zugfestigkeit und eine gute Dehnung (beides bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) gekennzeichnet ist, bestehend aus (in Gewichts-%) 27 - 35 % Cr, 2,5 - 5 % AI, 2,5 - 6 % Fe, 0,5 - 2,5 % Nb, bis zu 0,1 % C, jeweils bis zu 1 % Ti und Zr, bis zu 0,05 % Ce, bis zu 0,05 % Y, bis zu 1 % Si, bis zu 1 % Mn und Ni Rest. US 4882125 B1 discloses a nickel alloy with a high chromium content, which has excellent creep resistance of more than 200 hours at temperatures above 983 ° C. at a voltage of 2000 PSI due to excellent resistance to sulphurization and oxidation at temperatures greater than 1093 ° C. , good tensile strength and good elongation (both at room temperature and elevated temperatures), consisting of (in% by weight) 27 - 35% Cr, 2.5 - 5% Al, 2.5 - 6% Fe, 0 , 5 - 2.5% Nb, up to 0.1% C, each up to 1% Ti and Zr, up to 0.05% Ce, up to 0.05% Y, up to 1% Si, up to 1% Mn and Ni balance.
Die EP 0 549 286 offenbart eine hochtemperaturbeständige Ni-Cr-Legierung, beinhaltend 55 - 65 % Ni, 19 - 25 % Cr, 1 - 4,5 % AI, 0,045 - 0,3 % Y, 0,15 - 1 % Ti, 0,005 - 0,5 % C, 0,1 - 1 ,5 % Si, 0 - 1 % Mn und mindestens 0,005 % in Summe mindestens eines der Elemente der Gruppe die Mg, Ca, Ce enthält, < 0,5 % in Summe Mg + Ca, < 1 % Ce, 0,0001 - 0,1 % B, 0 - 0,5 % Zr, 0,0001 - 0,2 % N, 0 - 10 % Co, Rest Eisen und Verunreinigungen. EP 0 549 286 discloses a high temperature resistant Ni-Cr alloy, containing 55-65% Ni, 19-25% Cr, 1-4.5% Al, 0.045-0.3% Y, 0.15-1% Ti , 0.005-0.5% C, 0.1-1.5% Si, 0-1% Mn and at least 0.005% in total at least one of the elements of the group containing Mg, Ca, Ce, <0.5% in Total Mg + Ca, <1% Ce, 0.0001-0.1% B, 0-0.5% Zr, 0.0001-0.2% N, 0-10% Co, remainder iron and impurities.
Durch die DE 600 04 737 T2 ist eine hitzebeständige Nickelbasislegierung bekannt geworden, beinhaltend < 0,1 % C, 0,01 - 2 % Si, < 2 % Mn, < 0,005 % S, 10 - 25 % Cr, 2,1 - < 4,5 % AI, < 0,055 % N, insgesamt 0,001 - 1 % mindestens eines der Elemente B, Zr, Hf, wobei die genannten Elemente in folgenden Gehalten vorhanden sein können: B < 0,03 %, Zr < 0,2 %, Hf < 0,8 %. 0,01 - 15 % Mo, 0,01 - 9 % W, wobei ein Gesamtgehalt Mo + W von 2,5 - 15 % gegeben sein kann, 0 - 3 % Ti, 0 - 0,01 % Mg, 0 - 0,01 % Ca, 0 - 10 % Fe, 0 - 1 % Nb, 0 - 1 % V, 0 - 0,1 % Y, 0 - 0,1 % La, 0 - 0,01 % Ce, 0 - 0,1 % Nd, 0 - 5 % Cu, 0 - 5 % Co, Rest Nickel. Für Mo und W muss die folgende Formel erfüllt sein: DE 600 04 737 T2 has made a heat-resistant nickel-based alloy known, containing <0.1% C, 0.01 - 2% Si, <2% Mn, <0.005% S, 10 - 25% Cr, 2.1 - <4.5% AI, <0.055% N, a total of 0.001 - 1% of at least one of the elements B, Zr, Hf, whereby the elements mentioned can be present in the following contents: B <0.03%, Zr <0.2 %, Hf <0.8%. 0.01 - 15% Mo, 0.01 - 9% W, where a total Mo + W content of 2.5-15% can be given, 0-3% Ti, 0-0.01% Mg, 0-0.01% Ca, 0-10% Fe, 0-1% Nb , 0-1% V, 0-0.1% Y, 0-0.1% La, 0-0.01% Ce, 0-0.1% Nd, 0-5% Cu, 0-5% Co , Remainder nickel. For Mo and W the following formula must be fulfilled:
2,5 < Mo + W < 15 (1) 2.5 <Mo + W <15 (1)
In DE 102015200881 A1 wird ein rohrförmiger Körper aus austenitischem Stahl für eine Salzschmelze, insbesondere Absorberrohr eines Solarreceivers mit einer Salzschmelze als Wärmeträger oder sonstige Rohrleitung zur Förderung einer Salzschmelze, mit einer Stahlzusammensetzung beschrieben, die auf Gewichtsbasis umfasst: DE 102015200881 A1 describes a tubular body made of austenitic steel for a molten salt, in particular an absorber pipe of a solar receiver with a molten salt as a heat transfer medium or other pipeline for conveying a molten salt, with a steel composition which, on a weight basis, comprises:
0 % bis 0,025 % C, bevorzugt 0,0095 % bis 0,024 % C; 0% to 0.025% C, preferably 0.0095% to 0.024% C;
0,05 % bis 0,16 % N; 0.05% to 0.16% N;
2,4 % bis 2,6 % Mo; 2.4% to 2.6% Mo;
0,4 % bis 0,7 % Si; 0.4% to 0.7% Si;
0,5 % bis 1 ,63 % Mn; 0.5% to 1.63% Mn;
0 % bis 0,0375 % P; 0% to 0.0375% P;
0 % bis 0,0024 % S; 0% to 0.0024% S;
17,15 % bis 18,0 % Cr; 17.15% to 18.0% Cr;
12,0 % bis 12,74 % Ni; 12.0% to 12.74% Ni;
0,0025 % bis 0,0045 % B; wobei der Rest Fe und ggf. übliche Verunreinigungen sind. 0.0025% to 0.0045% B; the remainder being Fe and possibly customary impurities.
In DE 102012002514 wird eine Nickel-Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung, mit (in Masse-%) 12 bis 28 % Chrom, 1 ,8 bis 3,0 % Aluminium, 1 ,0 bis 15 % Eisen, 0,01 bis 0,5 % Silizium, 0,005 bis 0,5 % Mangan, 0,01 bis 0,20 % Yttrium, 0,02 bis 0,60 % Titan, 0,01 bis 0,2 % Zirkon, 0,0002 bis 0,05 % Magnesium, 0,0001 bis 0,05 % Kalzium, 0,03 bis 0,11 % Kohlenstoff, 0,003 bis 0,05 % Stickstoff, 0,0005 bis 0,008 % Bor, 0,0001 -0,010 % Sauerstoff, 0,001 bis 0,030 % Phosphor, max. 0,010 % Schwefel, max. 0,5 % Molybdän, max. 0,5 % Wolfram, Rest Nickel und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen beschrieben, wobei die folgenden Beziehungen erfüllt sein müssen: 7,7C - x*a < 1 ,0 mit a = PN, wenn PN > 0, bzw. a = 0, wenn PN < 0. Dabei sind x = (1 ,0Ti + 1 ,06Zr)/ (0,251 Ti + 0,132Zr) und PN = 0,251 Ti + 0,132Zr - 0,857N und Ti, Zr, N, C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. In DE 102012002514 a nickel-chromium-aluminum-iron alloy, with (in mass%) 12 to 28% chromium, 1.8 to 3.0% aluminum, 1.0 to 15% iron, 0.01 to 0.5% silicon, 0.005 to 0.5% manganese, 0.01 to 0.20% yttrium, 0.02 to 0.60% titanium, 0.01 to 0.2% zirconium, 0.0002 to 0, 05% magnesium, 0.0001 to 0.05% calcium, 0.03 to 0.11% carbon, 0.003 to 0.05% nitrogen, 0.0005 to 0.008% boron, 0.0001-0.010% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 0.5% molybdenum, max. 0.5% tungsten, the remainder nickel and the usual process-related impurities are described, with the following Relationships must be fulfilled: 7.7C - x * a <1, 0 with a = PN, if PN> 0, or a = 0, if PN <0. Where x = (1, 0Ti + 1, 06Zr) / (0.251 Ti + 0.132Zr) and PN = 0.251 Ti + 0.132Zr - 0.857N and Ti, Zr, N, C are the concentration of the respective elements in% by mass.
In DE 102012013437B3 wird die Verwendung einer Nickel-Chrom-Aluminium-Eisen- Legierung mit (in Masse-%) > 25 bis 28 % Chrom, > 2 bis 3,0 % Aluminium, 1 ,0 bis 11 % Eisen, 0,01 bis 0,2 % Silizium, 0,005 bis 0,5 % Mangan, 0,01 bis 0,20% Yttrium, 0,02 bis 0,60% Titan, 0,01 bis 0,2% Zirkon, 0,0002 bis 0,05% Magnesium, 0,0001 bis 0,05 % Kalzium, 0,03 bis 0,11 % Kohlenstoff, 0,003 bis 0,05 % Stickstoff, 0,0005 bis 0,008% Bor, 0,0001 -0,010 % Sauerstoff, 0,001 bis 0,030 % Phosphor, max. 0,010% Schwefel, max. 0,5 % Molybdän, max. 0,5 % Wolfram, Rest Nickel und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen beschrieben, wobei die folgenden Beziehungen erfüllt sein müssen: 0 < 7,7 C - x*a < 1 ,0 (2) mit a = PN, wenn PN > 0 (3a) bzw. a = 0, wenn PN < 0 (3b) und x = (1 ,0 Ti + 1 ,06 Zr)/(0,251 Ti + 0,132 Zr) (3c) wobei PN = 0,251 Ti + 0,132 Zr - 0,857 N (4) und Ti, Zr, N, C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind, für die Herstellung nahtloser Rohre. DE 102012013437B3 describes the use of a nickel-chromium-aluminum-iron alloy with (in% by mass)> 25 to 28% chromium,> 2 to 3.0% aluminum, 1.0 to 11% iron, 0.01 up to 0.2% silicon, 0.005 to 0.5% manganese, 0.01 to 0.20% yttrium, 0.02 to 0.60% titanium, 0.01 to 0.2% zirconium, 0.0002 to 0 .05% magnesium, 0.0001 to 0.05% calcium, 0.03 to 0.11% carbon, 0.003 to 0.05% nitrogen, 0.0005 to 0.008% boron, 0.0001-0.010% oxygen, 0.001 up to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 0.5% molybdenum, max. 0.5% tungsten, the remainder nickel and the usual process-related impurities, whereby the following relationships must be met: 0 <7.7 C - x * a <1, 0 (2) with a = PN, if PN> 0 (3a) or a = 0, if PN <0 (3b) and x = (1, 0 Ti + 1, 06 Zr) / (0.251 Ti + 0.132 Zr) (3c) where PN = 0.251 Ti + 0.132 Zr - 0.857 N (4) and Ti, Zr, N, C are the concentration of the relevant elements in% by mass, for the production of seamless tubes.
In DE 1020120111161 A1 wird eine Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung, mit (in Masse-%) 24 bis 33 % Chrom, 1 ,8 bis 4,0 % Aluminium, 0,10 bis 7,0 % Eisen, 0,001 bis 0,50 % Silizium, 0,005 bis 2,0 % Mangan, 0,00 bis 0,60 % Titan, jeweils 0,0002 bis 0,05 % Magnesium und/oder Kalzium, 0,005 bis 0,12% Kohlenstoff, 0,001 bis 0,050 % Stickstoff, 0,0001 -0,020 % Sauerstoff, 0,001 bis 0,030 % Phosphor, max. 0,010 % Schwefel, max. 2,0 % Molybdän, max. 2,0 % Wolfram, Rest Nickel und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen beschrieben, wobei die folgenden Beziehungen erfüllt sein müssen: Cr + AI > 28 (2a) und Fp <; 39,9 mit (3a) Fp = Cr + 0,272-Fe + 2,36-AI + 2,22-Si + 2,48-Ti + 0,374-Mo + 0,538-W - 11 ,8-C (4a), wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Mo, W und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. DE 1020120111161 A1 describes a nickel-chromium-aluminum alloy with (in mass%) 24 to 33% chromium, 1.8 to 4.0% aluminum, 0.10 to 7.0% iron, 0.001 to 0 , 50% silicon, 0.005 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, each 0.0002 to 0.05% magnesium and / or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 to 0.050% Nitrogen, 0.0001-0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 2.0% molybdenum, max. 2.0% tungsten, the remainder nickel and the usual process-related impurities are described, with the following Relationships must be fulfilled: Cr + AI> 28 (2a) and Fp <; 39.9 with (3a) mp = Cr + 0.272-Fe + 2.36-Al + 2.22-Si + 2.48-Ti + 0.374-Mo + 0.538-W - 11.8-C (4a), where Cr, Fe, Al, Si, Ti, Mo, W and C are the concentration of the elements in question in% by mass.
Die US 5,862,800 A offenbart ein Solarturmkraftwerk zur Einbringung von Sonnenenergie in geschmolzene Salze, wobei Rohre gleichen Durchmessers und gleicher Wandstärke eingesetzt werden, die aus der Legierung Alloy 625 bestehen. Die Zusammensetzung von Alloy 625 wird wie folgt angegeben: Cr 20 - 23 %, AI < 0,4 %, Fe < 5 %, Si < 0,5 %, Mn < 0,5 %, Ti < 0,4 %, C 0,03 - 0,1 %, P < 0,02 %, S < 0,015 %, Mo 8 - 10 %, Nb 3,15 - 4,15 %, Rest Ni (> 58 %). The US 5,862,800 A discloses a solar tower power plant for the introduction of solar energy in molten salts, with pipes of the same diameter and of the same wall thickness, which are made of the alloy Alloy 625. The composition of Alloy 625 is specified as follows: Cr 20 - 23%, Al <0.4%, Fe <5%, Si <0.5%, Mn <0.5%, Ti <0.4%, C 0.03-0.1%, P <0.02%, S <0.015%, Mo 8-10%, Nb 3.15-4.15%, remainder Ni (> 58%).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Nickel-Legierung zu konzipieren, die ausreichend hohe Chrom- und Aluminiumgehalte hat, so dass sie The object on which the invention is based is to design a nickel alloy which has sufficiently high chromium and aluminum contents so that it
• eine gute Phasenstabilität, • good phase stability,
• eine gute Verarbeitbarkeit, • good processability,
• eine gute Korrosionsbeständigkeit an Luft ähnlich der von Alloy 602 CA (N06025) • good corrosion resistance in air similar to that of Alloy 602 CA (N06025)
• und eine gute Warmfestigkeit / Kriechfestigkeit aufweist, um sie einem andersartigen Anwendungsfall zuzuführen. • and has a good heat resistance / creep resistance in order to use it for a different application.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung mit (in Masse-%) >17 bis 33 % Chrom, 1 ,8 bis <4,0 % Aluminium, 0,10 bis 15,0 % Eisen, 0,001 bis 0,50 % Silizium, 0,001 bis 2,0 % Mangan, 0,00 bis 0,60% Titan, jeweils 0,0002 bis 0,05 % Magnesium und/oder Kalzium, 0,005 bis 0,12 % Kohlenstoff, 0,001 bis 0,050 % Stickstoff, 0,0001 - 0,020 % Sauerstoff, 0,001 bis 0,030 % Phosphor, max. 0,010 % Schwefel, max. 2,0 % Molybdän, max. 2,0 % Wolfram, Rest Nickel mit Nickel > 50 % und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen für die Verwendung in Solarturmkraftwerken unter Einsatz von Nitratsalzschmelzen als Wärmeübertragungsmedium, wobei die folgende Beziehung erfüllt sein muss: Fp < 39,9 mit (2a)This object is achieved by a nickel-chromium-iron-aluminum alloy with (in% by mass)> 17 to 33% chromium, 1.8 to <4.0% aluminum, 0.10 to 15.0% iron, 0.001 to 0.50% silicon, 0.001 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, each 0.0002 to 0.05% magnesium and / or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 up to 0.050% nitrogen, 0.0001 - 0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 2.0% molybdenum, max. 2.0% tungsten, remainder nickel with nickel> 50% and the common process-related impurities for use in solar tower power plants using molten nitrate salts as a heat transfer medium, whereby the following relationship must be met: Fp <39.9 with (2a)
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C(3a) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Mo, W und C die Konzentrationen der betreffenden Elemente in Masse-% sind, wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W und C die Konzentrationen der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen. Fp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.374 * Mo + 0.538 * W - 11.8 * C (3a) where Cr, Fe, Al, Si , Ti, Mo, W and C are the concentrations of the respective elements in% by mass, with Cr, Fe, Al, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W and C being the concentrations of the respective elements in% by mass. Advantageous further developments of the subject matter of the invention can be found in the associated subclaims.
Alle Angaben von Legierungsgehalten sind, wenn nicht anders erwähnt in Masse- %. Unless otherwise stated, all specifications of alloy contents are in% by mass.
Der Spreizungsbereich für das Element Chrom liegt zwischen >17 und 33 %, wobei bevorzugte Bereiche wie folgt eingestellt werden können: The spread range for the element chromium is between> 17 and 33%, whereby preferred ranges can be set as follows:
>18 bis 33 % > 18 to 33%
20 bis 33 % 20 to 33%
22 bis 33 % 22 to 33%
24 bis 33 % 24 to 33%
25 bis 33 % 25 to 33%
26 bis 33 % 26 to 33%
27 bis 32 % 27 to 32%
28 bis 32 % 28 to 32%
>28 bis 32 % > 28 to 32%
29 bis 31 % 29 to 31%
Der Aluminiumgehalt liegt zwischen 1 ,8 und <4,0 %, wobei auch hier, je nach Einsatzbereich der Legierung, bevorzugte Aluminiumgehalte wie folgt eingestellt werden können: The aluminum content is between 1.8 and <4.0%, although here too, depending on the area of application of the alloy, preferred aluminum contents can be set as follows:
1 ,8 bis 3,8% 1.8 to 3.8%
1 ,8 bis 3,2% 2,0 bis 3,2% 2,0 bis <3,0 % 2,0 bis 2,8 % 2,2 bis 2,8 % 2,2 bis 2,6 % 2,5 bis < 4,0 % >3,0 - < 4,0 % >3,2 - < 4,0 % >3,2 - 3,8 % >3,0 - < 3,5 % 1.8 to 3.2% 2.0 to 3.2% 2.0 to <3.0% 2.0 to 2.8% 2.2 to 2.8% 2.2 to 2.6% 2 .5 to <4.0%> 3.0 - <4.0%> 3.2 - <4.0% > 3.2 - 3.8%> 3.0 - <3.5%
Der Eisengehalt liegt zwischen 0,1 und 15,0 %, wobei, abhängig vom Anwendungsbereich, bevorzugte Gehalte innerhalb der folgenden Spreizungsbereiche eingestellt werden können: The iron content is between 0.1 and 15.0%, whereby, depending on the area of application, preferred contents can be set within the following spread ranges:
0,1-12,0% 0.1-12.0%
0,1-10,0% 0.1-10.0%
0,1 -7,5% 0.1 -7.5%
0,1 -4,0% 0.1 -4.0%
0,1 -3,0% 0.1 -3.0%
0,1 -<2,5% 0.1 - <2.5%
0,1 -2,0% 0.1 -2.0%
0,1 -<2,0% 0.1 - <2.0%
0,1 -1,0% 0.1 -1.0%
0,1 -<1,0% 0.1 - <1.0%
1,0-15,0% 1.0-15.0%
1,25-15,0% 1.25-15.0%
>2,5-15,0% > 2.5-15.0%
>4,0-15,0% > 4.0-15.0%
>4,0-12,0% > 4.0-12.0%
>7,0-15,0% > 7.0-15.0%
>7,0-10,5% > 7.0-10.5%
7,5-10,5% 7.5-10.5%
Der Siliziumgehalt liegt zwischen 0,001 und 0,50 %. Bevorzugt kann Si innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: The silicon content is between 0.001 and 0.50%. Preferably, Si can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - < 0,40 % 0.001 - <0.40%
0,001 - <0,25 % 0.001 - <0.25%
0,001 - 0,20 % 0.001 - 0.20%
0,001 -<0,10% 0,001 - <0,05 % 0.001 - <0.10% 0.001 - <0.05%
Gleiches gilt für das Element Mangan, das mit 0,001 bis 2,0 % in der Legierung enthalten sein kann. Alternativ ist auch folgender Spreizungsbereich denkbar: The same applies to the element manganese, which can be contained in the alloy at 0.001 to 2.0%. Alternatively, the following spread range is also conceivable:
0,001 - 0,50 % 0.001 - 0.50%
0,001 - < 0,40 % 0.001 - <0.40%
0,001 - 0,20 % 0.001 - 0.20%
0,001 - 0,10 % 0.001 - 0.10%
0,001 - <0,05 % 0.001 - <0.05%
0,005 - <0,05 % 0.005 - <0.05%
Der Titangehalt liegt zwischen 0,00 und 0,60 %. Bevorzugt kann Ti innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: The titanium content is between 0.00 and 0.60%. Preferably, Ti can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,60 % 0.001 - 0.60%
0,001 - 0,50 % 0.001 - 0.50%
0,001 - 0,30 % 0.001 - 0.30%
0,001 - 0,10 % 0.001 - 0.10%
0,01 - 0,30 % 0.01 - 0.30%
0,01 - 0,25 % 0.01 - 0.25%
0,00 - <0,02 % 0.00 - <0.02%
Auch Magnesium und/oder Kalzium ist in Gehalten 0,0002 bis 0,05 % enthalten. Bevorzugt besteht die Möglichkeit, diese Elemente wie folgt in der Legierung einzustellen: Magnesium and / or calcium are also contained in levels of 0.0002 to 0.05%. There is preferably the option of setting these elements in the alloy as follows:
0,0002 - 0,03 % 0.0002 - 0.03%
0,0002 - 0,02 % 0.0002 - 0.02%
0,0005 - 0,02 % 0.0005 - 0.02%
Die Legierung enthält 0,005 bis 0,12 % Kohlenstoff. Bevorzugt kann dieser innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: The alloy contains 0.005 to 0.12% carbon. This can preferably be set in the alloy within the spread range as follows:
0,01 - < 0,12 % 0.01 - <0.12%
0,005 - 0,10 % 0,005 - < 0,08 % 0,005 - < 0,05 % 0,01 - 0,03 % 0,01 - < 0,03 % 0,02-0,10 % 0,03 - 0,10 % 0.005 - 0.10% 0.005 - <0.08% 0.005 - <0.05% 0.01 - 0.03% 0.01 - <0.03% 0.02-0.10% 0.03 - 0.10%
Dies gilt in gleicher Weise für das Element Stickstoff, dass in Gehalten zwischen 0,001 und 0,05 % enthalten ist. Bevorzugte Gehalte können wie folgt gegeben sein: 0,003 - 0,04 % This also applies to the element nitrogen, which is contained in levels between 0.001 and 0.05%. Preferred contents can be given as follows: 0.003 - 0.04%
Die Legierung enthält des Weiteren Phosphor in Gehalten zwischen 0,001 und 0,030 %. Bevorzugte Gehalte können wie folgt gegeben sein: The alloy also contains phosphorus in contents between 0.001 and 0.030%. Preferred contents can be given as follows:
0,001 - 0,020 % 0.001 - 0.020%
Die Legierung enthält des Weiteren Sauerstoff in Gehalten zwischen 0,0001 und 0,020 %, beinhaltet insbesondere 0,0001 bis 0,010 %. The alloy also contains oxygen in contents between 0.0001 and 0.020%, in particular contains 0.0001 to 0.010%.
Das Element Schwefel ist wie folgt in der Legierung gegeben: The element sulfur is given in the alloy as follows:
Schwefel max. 0,010 % Sulfur max. 0.010%
Molybdän und Wolfram sind einzeln oder in Kombination in der Legierung mit einem Gehalt von jeweils maximal 2,0 % enthalten. Bevorzugte Gehalte können wie folgt gegeben sein: Molybdenum and tungsten are contained individually or in combination in the alloy with a maximum content of 2.0% each. Preferred contents can be given as follows:
Mo max. 1 ,0 % Mon max. 1.0%
W max. 1 ,0 % W max. 1.0%
Mo max. < 0,50 % Mo max. <0.50%
W max. <0,50 % W max. <0.50%
Mo max. < 0,10 % Mo max. <0.10%
W max. <010 % W max. <010%
Mo max. < 0,05 % Mo max. <0.05%
W max. < 0,05 % Darüber hinaus muss die folgende Beziehung erfüllt sein, damit eine ausreichende Phasenstabilität gegeben ist: W max. <0.05% In addition, the following relationship must be fulfilled so that there is sufficient phase stability:
Fp < 39,9 mit (2a)Fp <39.9 with (2a)
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*CFp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.374 * Mo + 0.538 * W- 11.8 * C
(3a) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Mo, W und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. (3a) where Cr, Fe, Al, Si, Ti, Mo, W and C are the concentration of the elements in question in% by mass.
Bevorzugte Bereiche können eingestellt werden mit: Preferred areas can be set with:
Fp < 38,4 (2b)Fp <38.4 (2b)
Fp < 36,6 (2c) Fp <36.6 (2c)
Der Nickelgehalt ist größer gleich 50 % oder größer 50 %. Er kann bevorzugt wie folgt eingestellt sein: The nickel content is greater than or equal to 50% or greater than 50%. It can preferably be set as follows:
> 55 % oder > 55 % > 55% or> 55%
> 60 % oder > 60 % > 60% or> 60%
> 65 % oder > 65 % > 65% or> 65%
> 68 % oder > 68 % > 68% or> 68%
Wahlweise kann in der Legierung das Element Yttrium in Gehalten von 0,001 bis 0,20 % eingestellt werden. Bevorzugt kann Y innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, the element yttrium can be set in the alloy in contents of 0.001 to 0.20%. Preferably, Y can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,15 % 0.001 - 0.15%
0,001 -0,10 % 0.001 -0.10%
0,001 - 0,08% 0.001 - 0.08%
0,001 - < 0,045 % 0.001 - <0.045%
0,01 - <0,045 % 0.01 - <0.045%
Wahlweise kann in der Legierung das Element Lanthan in Gehalten von 0,001 bis 0,20 % eingestellt werden. Bevorzugt kann La innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, the element lanthanum can be set in the alloy in contents of 0.001 to 0.20%. Preferably, La can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,15 % 0,001 - 0,10 % 0,001 - 0,08 % 0,001 - 0,04 % 0,01 - 0,04 % 0.001 - 0.15% 0.001 - 0.10% 0.001 - 0.08% 0.001 - 0.04% 0.01 - 0.04%
Wahlweise kann in der Legierung das Element Cer in Gehalten von 0,001 bis 0,20 % eingestellt werden. Bevorzugt kann Ce innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, the element cerium can be set in the alloy with a content of 0.001 to 0.20%. Preferably, Ce can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,15 % 0.001 - 0.15%
0,001 -0,10 % 0.001 -0.10%
0,001 - 0,08 % 0.001 - 0.08%
0,001 - 0,04 % 0.001 - 0.04%
0,01 - 0,04 % 0.01 - 0.04%
Wahlweise kann bei gleichzeitiger Zugabe von Cer und Lanthan auch Cer- Mischmetall (Ein Gemisch aus circa 50 % Ce, circa 25% La, circa 15% Pr, circa 5% Nd, Sm, Tb und Y) verwendet werden in Gehalten von 0,001 bis 0,20 %. Bevorzugt kann Cer-Mischmetall innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, with the simultaneous addition of cerium and lanthanum, cerium mischmetal (a mixture of approx. 50% Ce, approx. 25% La, approx. 15% Pr, approx. 5% Nd, Sm, Tb and Y) can be used in contents from 0.001 to 0.20%. Cerium mischmetal can preferably be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,15 % 0.001 - 0.15%
0,001 -0,10 % 0.001 -0.10%
0,001 - 0,08 % 0.001 - 0.08%
0,001 - 0,04 % 0.001 - 0.04%
0,01 - 0,04 % 0.01 - 0.04%
Wahlweise kann in der Legierung das Element Niob in Gehalten von 0,00 bis 1 ,10 % eingestellt werden. Bevorzugt kann Niob innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, the element niobium can be set in the alloy in contents of 0.00 to 1.10%. Niobium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - < 1 ,10 % 0.001 - <1, 10%
0,001 - < 0,70 % 0.001 - <0.70%
0,001 - < 0,50 % 0.001 - <0.50%
0,001 - 0,30 % 0,001 - < 0,30 % 0,001 - < 0,20 % 0,01 - 0,30 % 0,10-1,10% 0,20 - 0,70 % 0.001 - 0.30% 0.001 - <0.30% 0.001 - <0.20% 0.01 - 0.30% 0.10-1.10% 0.20 - 0.70%
Ist Niob in der Legierung enthalten, so muss die Formel (3a) wie folgt um einen Term mit Niob ergänzt werden: If the alloy contains niobium, the formula (3a) must be supplemented by a term with niobium as follows:
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 1 ,26*Nb + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3b) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Nb, Mo, W und C die Konzentration des betreffenden Elementes in Masse-% sind. Mp = Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 + Nb * 0.374 * 0.538 * Mo + W - 11 8 * C (3b) wherein Cr , Fe, Al, Si, Ti, Nb, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
Wahlweise liegt der Zirkongehalt zwischen 0,001 und 0,20 %. Bevorzugt kann Zirkon innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: 0,001 -0,15% The zirconium content is optionally between 0.001 and 0.20%. Zirconium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows: 0.001-0.15%
0,001 -<0,10% 0.001 - <0.10%
0,001 - 0,07 % 0.001 - 0.07%
0,001 - 0,04 % 0.001 - 0.04%
0,01 -0,15% 0.01 -0.15%
0,01 -<0,10% 0.01 - <0.10%
Wahlweise liegt der Flafniumgehalt zwischen 0,001 und 0,20 %. Bevorzugt kann Flafnium innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Optionally, the flafnium content is between 0.001 and 0.20%. Flafnium can preferably be adjusted in the alloy within the spread range as follows:
0,001 -0,15% 0.001 -0.15%
0,001 -<0,10% 0.001 - <0.10%
0,001 - 0,07 % 0.001 - 0.07%
0,001 - 0,04 % 0.001 - 0.04%
0,01 -0,15% 0.01 -0.15%
0,01 -<0,10% Wahlweise kann in der Legierung auch 0,001 bis 0,60 % Tantal enthalten sein. 0.01 - <0.10% Optionally, the alloy can also contain 0.001 to 0.60% tantalum.
Bevorzugt kann Ta innerhalb des Spreizungsbereiches wie folgt in der Legierung eingestellt werden: Preferably, Ta can be set in the alloy within the spread range as follows:
0,001 - 0,60 % 0.001 - 0.60%
0,001 - 0,50 % 0.001 - 0.50%
0,001 - 0,30 % 0.001 - 0.30%
0,001 -0,10 % 0.001 -0.10%
0,001 - <0,02 % 0.001 - <0.02%
0,01 - 0,30 % 0.01 - 0.30%
0,01 - 0,25 % 0.01 - 0.25%
Wahlweise kann das Elemente Bor wie folgt in der Legierung enthalten sein: Optionally, the element boron can be contained in the alloy as follows:
0,0001 - 0,008 % 0.0001 - 0.008%
Bevorzugte Gehalte können wie folgt gegeben sein: Preferred contents can be given as follows:
0,0005 - 0,008 % 0.0005 - 0.008%
0,0005 - 0,004 % 0.0005 - 0.004%
Des Weiteren kann die Legierung wahlweise zwischen 0,0 bis 5,0 % Kobalt enthalten, der darüber hinaus noch wie folgt eingeschränkt werden kann: Furthermore, the alloy can optionally contain between 0.0 to 5.0% cobalt, which can also be restricted as follows:
0,001 bis 5,0 % 0.001 to 5.0%
0,01 bis 5,0 % 0.01 to 5.0%
0,01 bis <5,0 % 0.01 to <5.0%
0,01 bis 2,0 % 0.01 to 2.0%
0,1 bis 2,0 % 0.1 to 2.0%
0,1 bis <2,0 % 0.1 to <2.0%
0,001 bis 0,5 % 0.001 to 0.5%
Des Weiteren kann in der Legierung maximal 0,5 % Kupfer enthalten sein. Furthermore, the alloy can contain a maximum of 0.5% copper.
Der Gehalt an Kupfer kann darüber hinaus wie folgt eingeschränkt werden: max. 0,20 % max. 0,10 % max. 0,05 % The copper content can also be restricted as follows: max. 0.20% max. 0.10% max. 0.05%
< 0,05 % max. 0,015 % <0.05% max. 0.015%
< 0,015 % <0.015%
Ist Kupfer in der Legierung enthalten, so muss die Formel (3a) wie folgt um einen Term mit Kupfer ergänzt werden: If the alloy contains copper, a term with copper must be added to formula (3a) as follows:
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,477*Cu + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3c) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Cu, Mo, W und C die Konzentration des betreffenden Elementes in Masse-% sind. Fp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.477 * Cu + 0.374 * Mo + 0.538 * W - 11.8 * C (3c) where Cr, Fe , Al, Si, Ti, Cu, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
Sind Niob und Kupfer in der Legierung enthalten, so muss die Formel (3a) wie folgt um einen Term mit Niob und einen Term mit Kupfer ergänzt werden: If the alloy contains niobium and copper, the formula (3a) must be supplemented with a term with niobium and a term with copper as follows:
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 1 ,26*Nb + 0,477*Cu + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3d) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W und C die Konzentration des betreffenden Elementes in Masse-% sind. Mp = Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 + Nb * 0.477 * 0.374 * Cu + Mo + 0.538 * W - 11 8 * C ( 3d) where Cr, Fe, Al, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
Des Weiteren kann in der Legierung maximal 0,5 % Vanadium enthalten sein. Furthermore, the alloy can contain a maximum of 0.5% vanadium.
Der Gehalt an Vanadium kann darüber hinaus wie folgt eingeschränkt werden: max. 0,20 % max. 0,10 % max. 0,05 % The vanadium content can also be limited as follows: max. 0.20% max. 0.10% max. 0.05%
Schließlich können an Verunreinigungen noch die Elemente Blei, Zink und Zinn in Gehalten wie folgt gegeben sein: Finally, the elements lead, zinc and tin can also be present in levels of impurities as follows:
Pb max. 0,002 % Pb max. 0.002%
Zn max. 0,002 % Sn max. 0,002 %. Zn max. 0.002% Sn 0.002% or less.
Des Weiteren kann wahlweise die folgende Beziehung erfüllt sein, die eine besonders gute Verarbeitbarkeit beschreibt: Furthermore, the following relationship, which describes particularly good processability, can optionally be fulfilled:
Fa < 60 mit (4a)Fa <60 with (4a)
Fa = Cr + 20,4*Ti + 201 *C (5a) wobei Cr, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Bevorzugte Bereiche können eingestellt werden mit: Fa = Cr + 20.4 * Ti + 201 * C (5a) where Cr, Ti and C are the concentration of the relevant elements in% by mass. Preferred areas can be set with:
Fa < 54 (4b) Fa <54 (4b)
Ist Niob in der Legierung enthalten, so muss die Formel (5a) wie folgt um einen Term mit Niob ergänzt werden: If the alloy contains niobium, the formula (5a) must be supplemented by a term with niobium as follows:
Fa = Cr + 6,15*Nb + 20,4*Ti + 201 *C (5b) wobei Cr, Nb, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Fa = Cr + 6.15 * Nb + 20.4 * Ti + 201 * C (5b) where Cr, Nb, Ti and C are the concentration of the elements in question in% by mass.
Des Weiteren kann wahlweise die folgende Beziehung erfüllt sein, die eine besonders gute Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit beschreibt: Furthermore, the following relationship can optionally be fulfilled, which describes a particularly good heat resistance or creep resistance:
Fk > 47 mit (6a)Fk> 47 with (6a)
Fk = Cr + 19*Ti + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C (7a) wobei Cr, Ti, AI, Si und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Fk = Cr + 19 * Ti + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C (7a) where Cr, Ti, Al, Si and C are the concentration of the relevant elements in% by mass.
Bevorzugte Bereiche können eingestellt werden mit: Fk > 49 (6b) Fk > 53 (6c) Preferred ranges can be set with: Fk> 49 (6b) Fk> 53 (6c)
Ist Niob und/ oder Bor in der Legierung enthalten, so muss die Formel (7a) wie folgt um einen Term mit Niob und/oder Bor ergänzt werden: If the alloy contains niobium and / or boron, the formula (7a) must be supplemented by a term with niobium and / or boron as follows:
Fk = Cr + 19*Ti + 34,3*Nb + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C + 2245*B (7b) wobei Cr, Ti, Nb, AI, Si, C und B die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Die erfindungsgemäße Legierung wird bevorzugt offen erschmolzen, gefolgt von einer Behandlung in einer VOD (vacuum oxygen decarburization) oder VLF (Vacuum Ladle Furnace) Anlage. Aber auch ein Erschmelzen und Abgießen im Vakuum (VIM) ist möglich. Nach Abguss in Blöcken oder als Strangguss wird die Legierung in die gewünschte Flalbzeugform ggf. bei Temperaturen zwischen 900°C und 1270°C für 0,1 Stunden bis 100 Stunden geglüht, danach warm umgeformt, ggf. mit Zwischenglühungen zwischen 900°C und 1270°C für 0,05 Stunden bis 100 Stunden. Die Oberfläche des Materials kann ggf. (auch mehrmals) zwischendurch und/oder am Ende zur Säuberung chemisch und/oder mechanisch abgetragen werden. Nach Ende der Warmformgebung kann ggf. eine Kaltformgebung mit Umformgraden bis zu 98% in die gewünschte Halbzeugform, ggf. mit Zwischenglühungen zwischen 700°C und 1250°C für 0,1 Minuten bis 70 Stunden, ggf. unter Schutzgas, wie z. B. Argon oder Wasserstoff, gefolgt von einer Abkühlung an Luft, in der bewegten Glühatmosphäre oder im Wasserbad erfolgen. Danach findet eine Lösungsglühung im Temperaturbereich zwischen 700°C bis 1250°C für 0,1 Minuten bis 70 Stunden, ggf. unter Schutzgas, wie z. B. Argon oder Wasserstoff, gefolgt von einer Abkühlung an Luft, in der bewegten Glühatmosphäre oder im Wasserbad statt. Ggf. können zwischendurch und/oder nach der letzten Glühung chemische und/oder mechanische Reinigungen der Materialoberfläche erfolgen. Fk = Cr + 19 * Ti + 34.3 * Nb + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C + 2245 * B (7b) where Cr, Ti, Nb, Al, Si, C and B are the concentration of the elements in question in% by mass. The alloy according to the invention is preferably melted openly, followed by a treatment in a VOD (vacuum oxygen decarburization) or VLF (vacuum ladle furnace) system. Melting and pouring in a vacuum (VIM) is also possible. After casting in blocks or as a continuous casting, the alloy is annealed into the desired form, if necessary at temperatures between 900 ° C and 1270 ° C for 0.1 hours to 100 hours, then hot-formed, if necessary with intermediate anneals between 900 ° C and 1270 ° C for 0.05 hours to 100 hours. If necessary, the surface of the material can be removed chemically and / or mechanically in between and / or at the end for cleaning (also several times). After the end of hot forming, cold forming with degrees of deformation of up to 98% into the desired semi-finished product shape, if necessary with intermediate annealing between 700 ° C and 1250 ° C for 0.1 minutes to 70 hours, if necessary under protective gas, such as. B. argon or hydrogen, followed by cooling in air, in the agitated annealing atmosphere or in a water bath. Thereafter, a solution annealing takes place in the temperature range between 700 ° C to 1250 ° C for 0.1 minutes to 70 hours, if necessary under protective gas, such as. B. argon or hydrogen, followed by cooling in air, in the agitated annealing atmosphere or in a water bath. If necessary, chemical and / or mechanical cleaning of the material surface can take place in between and / or after the last annealing.
Die erfindungsgemäße Legierung lässt sich gut in den Produktformen Band, Blech, Stange Draht, längsnahtgeschweißtes Rohr und nahtloses Rohr hersteilen und verwenden. The alloy according to the invention can be easily manufactured and used in the product forms strip, sheet metal, rod, wire, longitudinally welded tube and seamless tube.
Diese Produktformen werden mit einer mittleren Korngröße von 5 gm bis 600 gm hergestellt. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 20 pm und 200 pm. These product forms are produced with an average grain size of 5 gm to 600 gm. The preferred range is between 20 pm and 200 pm.
Die erfindungsgemäße Legierung soll bevorzugt in Solarturmkraftwerken unter Verwendung von Nitratsalzschmelzen als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt werden. Sie kann für alle Komponenten, die in Kontakt mit dem geschmolzenen Salz sind, eingesetzt werden. The alloy according to the invention should preferably be used in solar tower power plants using nitrate salt melts as the heat transfer medium. It can be used for all components that are in contact with the molten salt.
Sie kann insbesondere für den Absorber (Solarreceiver) im Turm des Solarkraftwerkes und/oder für den Wärmetauscher zum stromerzeugenden Kreislauf (beispielsweise über eine Dampfturbine) und/oder für den Speicher und/oder die Transportrohre eingesetzt werden It can be used in particular for the absorber (solar receiver) in the tower of the solar power plant and / or for the heat exchanger for the electricity-generating circuit (for example via a steam turbine) and / or for the storage unit and / or the transport pipes
Die Nitratsalze können bevorzugt eine Mischung aus Natrium- und Kaliumnitratsalzen sein. The nitrate salts can preferably be a mixture of sodium and potassium nitrate salts.
Die Mischung kann bevorzugt aus den folgenden Zusammensetzungen bestehen: 50 - 70 % Natriumnitrat und 50 - 30% Kaliumnitrat 55 - 65 % Natriumnitrat und 45 - 35% Kaliumnitrat 58 - 62 % Natriumnitrat und 42 - 38% Kaliumnitrat The mixture can preferably consist of the following compositions: 50-70% sodium nitrate and 50-30% potassium nitrate 55-65% sodium nitrate and 45-35% potassium nitrate 58-62% sodium nitrate and 42-38% potassium nitrate
Alternativ kann eine Mischung aus Natriumnitrat, Kaliumnitrat und Natriumnitrid verwendet werden. Alternatively, a mixture of sodium nitrate, potassium nitrate and sodium nitride can be used.
Die Salzmischungen können falls erforderlich auch unter einer puren CO2 Atmosphäre eingesetzt werden. If necessary, the salt mixtures can also be used under a pure CO2 atmosphere.
Die maximale Einsatztemperatur beträgt 800°C. Sie kann wie folgt eingeschränkt sein: max. 750°C max. 700°C max. 680°C max. 650°C The maximum operating temperature is 800 ° C. It can be restricted as follows: max. 750 ° C max. 700 ° C max. 680 ° C max. 650 ° C
< 650°C max. 620°C max. 600°C <650 ° C max. 620 ° C max. 600 ° C
< 600°C Durchqeführte Tests <600 ° C Tests carried out
Phasenbeständigkeit Phase stability
Die auftretenden Phasen im Gleichgewicht wurden für die verschiedenen Legierungsvarianten mit dem Programm JMatPro von Thermotech berechnet. Als Datenbasis für die Berechnungen wurde die Datenbank TTNI7 für Nickelbasislegierungen von Thermotech verwendet. The phases occurring in equilibrium were calculated for the various alloy variants with the JMatPro program from Thermotech. The database TTNI7 for nickel-based alloys from Thermotech was used as the database for the calculations.
Die Umformbarkeit wird in einem Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 bei Raumtemperatur bestimmt. Dabei wird die Dehngrenze RPo,2, die Zugfestigkeit Rm und die Dehnung A bis zum Bruch bestimmt. Die Dehnung A wird an der gebrochenen Probe aus der Verlängerung der ursprünglichen Messstrecke Lo und der Messlänge nach dem Bruch Lu bestimmt: The formability is determined in a tensile test according to DIN EN ISO 6892-1 at room temperature. The yield strength R Po, 2 , the tensile strength R m and the elongation A up to break are determined. The elongation A is determined on the broken specimen from the extension of the original measuring distance L o and the measuring length after the break L u :
A = (Lu-Lo)/Lo 100 % = AU Lo 100% A = (L u -L o ) / L o 100% = AU L o 100%
Je nach Messlänge wird die Bruchdehnung mit Indizes versehen: Depending on the measuring length, the elongation at break is provided with indices:
Z.B. ist für As die Messlänge Lo = 5-do mit do = Anfangsdurchmesser einer Rundprobe. For example, for As the measuring length L o = 5-d o with d o = starting diameter of a round specimen.
Die Versuche wurden an Rundproben mit einem Durchmesser von 6 mm im Messbereich und einer Messlänge Lo von 30 mm durchgeführt. Die Probennahme erfolgte quer zur Umformrichtung des Halbzeuges. Die Umformgeschwindigkeit betrug bei RPo,2 10 MPa/s und bei Rm 6,7 10'3 1/s (40%/min). The tests were carried out on round specimens with a diameter of 6 mm in the measuring range and a measuring length L o of 30 mm. Samples were taken across the direction of deformation of the semi-finished product. The deformation rate was at R Po, 2 10 MPa / s and at R m 6.7 10 -3 1 / s (40% / min).
Der Messwert der Dehnung A im Zugversuch bei Raumtemperatur kann als Maß für die Verformbarkeit genommen werden. Ein gut verarbeitbarer Werkstoff sollte eine Dehnung von mindestens 50 % aufweisen. The measured value of the elongation A in the tensile test at room temperature can be used as a measure of the deformability. A material that is easy to process should have an elongation of at least 50%.
Die Warmfestigkeit wird in einem Warmzugversuch nach DIN EN ISO 6892-2 bestimmt. Dabei wird die Dehngrenze RPo,2, die Zugfestigkeit Rm und die Dehnung A bis zum Bruch analog zum Zugversuch bei Raumtemperatur (DIN EN ISO 6892- 1) bestimmt. The heat resistance is determined in a hot tensile test according to DIN EN ISO 6892-2. The yield strength is R Po, 2 , the tensile strength R m and the elongation A determined up to breakage analogously to the tensile test at room temperature (DIN EN ISO 6892-1).
Die Versuche wurden an Rundproben mit einem Durchmesser von 6 mm im Messbereich und einer Anfangsmesslänge Lo von 30 mm durchgeführt. Die Probennahme erfolgte quer zur Umformrichtung des Halbzeuges. Die Umformgeschwindigkeit betrug bei RPo,28,33 10'5 1/s (0,5 %/min) und bei Rm 8,33 10'4 1/s (5 %/min) (DIN EN ISO 6892-2). The tests were carried out on round specimens with a diameter of 6 mm in the measuring range and an initial measuring length L o of 30 mm. Samples were taken across the direction of deformation of the semi-finished product. The deformation speed was 8.33 10 '5 1 / s (0.5% / min) for R Po, and 8.33 10 ' 4 1 / s (5% / min) for R m (DIN EN ISO 6892- 2).
Die Probe wird bei Raumtemperatur in eine Zugprüfmaschine eingebaut und ohne Belastung mit einer Zugkraft auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Nach Erreichen der Prüftemperatur findet ein Temperaturausgleich für eine Stunde (600 °C) bzw. zwei Stunden (700 °C bis 1100 °C) statt. Danach wird die Probe mit einer Zugkraft so belastet, dass die gewünschten Dehngeschwindigkeiten eingehalten werden, und die Prüfung beginnt. The sample is installed in a tensile testing machine at room temperature and heated to the desired temperature with no tensile force. After the test temperature has been reached, the temperature is equalized for one hour (600 ° C) or two hours (700 ° C to 1100 ° C). The sample is then loaded with a tensile force in such a way that the desired expansion rates are maintained, and the test begins.
Die Kriechfestigkeit eines Werkstoffes verbessert sich mit zunehmender Warmfestigkeit. Deshalb wird die Warmfestigkeit auch zur Beurteilung der Kriechfestigkeit der verschiedenen Werkstoffe benutzt. The creep resistance of a material improves with increasing heat resistance. This is why the heat resistance is also used to assess the creep resistance of the various materials.
Die Korrosionsbeständigkeit bei höheren Temperaturen wurde in einem Oxidationstest bei 1000°C an Luft bestimmt, wobei der Versuch alle 96 Stunden unterbrochen und die Massenänderungen der Proben aufgrund der Oxidation bestimmt wurde. Die Proben wurden bei dem Versuch in Keramiktiegel gestellt, so dass ggf. abplatzendes Oxid aufgefangen wurde und somit die Masse des abgeplatzten Oxids bestimmt werden konnte. Die Summe der Massenänderung einer Probe (Netto-Massenänderung) und der Masse des abgeplatzten Oxids ist die Brutto-Massenänderung der Probe. Die spezifische Massenänderung ist die auf die Oberfläche der Proben bezogene Massenänderung. Diese werden im Folgenden mNetto für die spezifische Netto-Massenänderung, mBrutto für die spezifische Brutto- Massenänderung, mspall für die spezifische Massenänderung der abgeplatzten Oxide bezeichnet. Die Versuche wurden an Proben mit ca. 5 mm Dicke durchgeführt. Es wurden von jeder Charge 3 Proben ausgelagert, wobei die angegebenen Werte die Mittelwerte dieser 3 Proben sind. The corrosion resistance at higher temperatures was determined in an oxidation test at 1000 ° C. in air, the test being interrupted every 96 hours and the changes in mass of the samples due to the oxidation being determined. During the experiment, the samples were placed in ceramic crucibles so that any flaking oxide was collected and the mass of the flaked oxide could thus be determined. The sum of the mass change of a sample (net mass change) and the mass of the flaked oxide is the gross mass change of the sample. The specific change in mass is the change in mass related to the surface of the specimen. In the following, these are referred to as m net for the specific net mass change, m gross for the specific gross mass change, m spall for the specific mass change of the flaked oxides. The tests were carried out on samples with a thickness of approx. 5 mm. It 3 samples of each batch were removed from storage, the values given being the mean values of these 3 samples.
Beschreibung der Eigenschaften Description of properties
- Korrosionsbeständigkeit in Salzschmelzen - Corrosion resistance in molten salts
In Kruizenga et al. (2013, Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600°C Binary Nitrate Salt) sind u.a. die Nickel-Legierungen Alloy 625 (N06625), Alloy 120 (N08120), Alloy 230 (N02230), Alloy 242 (N10242), Alloy 214 (N07208) (Tabelle 1) auf ihre Korrosionsbeständigkeit in einer mit Luft durchströmten Salzschmelze aus 60% Natriumnitratsalz und 40% Kaliumnitratsalz bei 600°C untersucht worden. Die Analysen der verwendeten Legierungen zeigt Tabelle 2. Nach dem Ende des Versuches wurde das Gewicht der Oxidschicht bestimmt, in dem diese von der Oberfläche des Metalls entfernt wird und die Probe vor dem Test, nach dem Test und nach dem Entfernen der Oxidschicht gewogen wird. Daraus wird der Gewichtsverlust (Entzunderungsverlust) bezogen auf die Oberfläche der Probe vor dem Test bestimmt. In Kruizenga et al. (2013, Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt) include the nickel alloys Alloy 625 (N06625), Alloy 120 (N08120), Alloy 230 (N02230), Alloy 242 (N10242), Alloy 214 (N07208) (Table 1) have been examined for their corrosion resistance in a molten salt made of 60% sodium nitrate salt and 40% potassium nitrate salt at 600 ° C. through which air flows. The analyzes of the alloys used are shown in Table 2. After the end of the test, the weight of the oxide layer was determined by removing it from the surface of the metal and weighing the sample before the test, after the test and after the oxide layer had been removed. This is used to determine the weight loss (loss of descaling) based on the surface of the sample before the test.
Tabelle 3 zeigt die Korrosionsrate nach 3000 Stunden: einmal als Entzunderungsverlust in mg/cm2 und einmal umgerechnet als Metallverlust in pm/Jahr. Die geringste Korrosionsrate hat die Legierung Alloy 214 mit 5,7 pm/Jahr bei einem Aluminiumgehalt von 4,5 % gefolgt von Alloy 224 mit einer Korrosionsrate von 8,3 pm/Jahr bei einem Aluminiumgehalt von 3,8%. Alle anderen untersuchten Nickellegierungen (Alloy 625, Alloy 120, Alloy 242 und Alloy 230) haben eine deutlich höhere Korrosionsrate von 16,8 pm/Jahr und größer bei Aluminiumgehalten kleiner 0,5 %. Alloy 214 und Alloy 224 bilden eine Aluminiumoxidschicht aus, die einen guten Schutz gegen Nitratsalzschmelzen bildet. Ist der Gehalt an Aluminium zu gering, wie bei den Legierungen Alloy 625, Alloy 120, Alloy 242 und Alloy 230, kann sich keine Aluminiumoxidschicht ausbilden, was zu einer erhöhten Korrosionsrate führt. Es ist demnach vorteilhaft, dass eine Legierung, die in Nitratsalzschmelzen eingesetzt werden soll, einen Aluminiumgehalt hat, der groß genug ist, so dass sich eine geschlossene Aluminiumoxidschicht bildet. Table 3 shows the corrosion rate after 3000 hours: once as a descaling loss in mg / cm 2 and once converted as a metal loss in pm / year. Alloy 214 has the lowest corrosion rate with 5.7 pm / year with an aluminum content of 4.5%, followed by Alloy 224 with a corrosion rate of 8.3 pm / year with an aluminum content of 3.8%. All other nickel alloys examined (Alloy 625, Alloy 120, Alloy 242 and Alloy 230) have a significantly higher corrosion rate of 16.8 pm / year and higher with aluminum contents of less than 0.5%. Alloy 214 and Alloy 224 form an aluminum oxide layer that provides good protection against molten nitrate salts. If the aluminum content is too low, as in the case of the alloys Alloy 625, Alloy 120, Alloy 242 and Alloy 230, no aluminum oxide layer can form, which leads to an increased corrosion rate. It is therefore advantageous that an alloy that is formed in nitrate salt melts is to be used, has an aluminum content that is large enough that a closed aluminum oxide layer is formed.
Die erfindungsgemäße Legierung hat neben einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in Nitratsalzschmelzen, zugleich noch folgende« Eigenschaften: In addition to excellent corrosion resistance in molten nitrate salts, the alloy according to the invention also has the following properties:
• eine gute Phasenstabilität • good phase stability
• eine gute Verarbeitbarkeit • good processability
• eine gute Korrosionsbeständigkeit an Luft ähnlich der von Alloy 602CA (N06025) • good corrosion resistance in air similar to that of Alloy 602CA (N06025)
• eine gute Warmfestigkeit / Kriechfestigkeit • good heat resistance / creep resistance
• Phasenstabilität • Phase stability
Im System Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium mit Zusätzen an Ti und/oder Nb können sich je nach Legierungsgehalten verschiedene versprödende TCP (topologically close packed)-Phasen, wie z. B. Laves-Phasen, Sigma-Phasen oder m-Phasen oder auch die versprödende h- oder e-Phase bilden (siehe z. B. Ralf Bürgel, Handbuch der Hochtemperaturwerkstofftechnik, 3. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, Seite 370 - 374). Die Berechnung der Gleichgewichtsphasenanteile in Abhängigkeit von der Temperatur für z. B. N06690 bei Charge 111389 (siehe Tabelle 4 für typische Zusammensetzungen) zeigen rechnerisch die Bildung von a-Chrom (BCC- Phase in Bild 1 ) unterhalb von 720 °C (TS BCC) in signifikanten Mengenanteilen. Die Bildung dieser Phase ist stark erschwert, da sie analytisch vom Grundmaterial sehr verschieden ist. Ist allerdings die Solvustemperatur TS BCC dieser Phase sehr hoch, so kann sie durchaus auftreten, wie es z.B. in E. „Slevolden, J.Z. Albertsen. U. Fink, “Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations,“ Corrosion/2011 , paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011 ), p. 15“ für eine Variante von Alloy 693 (UNS 06693) beschrieben wird. Bild 2 und Bild 3 zeigen die Phasendiagramme der Alloy 693 Varianten (aus US 4,88,125 Table 1 ) für Alloy 3 bzw. Alloy 10 aus Tabelle 4. Diese Phase ist spröde und führt dadurch zu einer unerwünschten Versprödung des Materials. Alloy 3 hat eine Bildungstemperatur Ts BCC von 1079°C, Alloy 10 von 939°C. In „E. Slevolden, J.Z. Albertsen. U. Fink, Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations,“ Corrosion/2011 , paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011), p. 15“ wird die genaue Analyse der Legierung bei der a-Chrom (BCC- Phase) auftritt nicht beschrieben. Es ist aber davon auszugehen, dass unter den in Tabelle 4 für Alloy 693 angeführten Beispielen, bei den Analysen, die rechnerisch die höchsten Solvustemperaturen Ts BCC haben (wie z.B. Alloy 10) sich a-Chrom bilden kann. Bei einer korrigierten Analyse (mit reduzierter Solvustemperatur TS BCC) wurde in „E. Slevolden, J.Z. Albertsen. U. Fink, Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations,“ Corrosion/2011 , paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011 ), p. 15“ a-Chrom dann nur noch in Oberflächennähe nachgewiesen. Um das Auftreten solch einer versprödenden Phase zu vermeiden, sollte bei der erfindungsgemäßen Legierung die Solvustemperatur Ts BCC kleiner gleich 939°C sein, was der niedrigsten Solvustemperatur Ts BCC unter den Beispielen für Alloy 693 in Tabelle 4 ( aus US 4,88,125 Table 1) entspricht. In the nickel-chromium-iron-aluminum system with additions of Ti and / or Nb, various embrittling TCP (topologically close packed) phases, such as B. Laves phases, sigma phases or m phases or also the embrittling h or e phase (see e.g. Ralf Bürgel, Handbook of High Temperature Materials Technology, 3rd edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, page 370 - 374). The calculation of the equilibrium phase proportions as a function of the temperature for z. B. N06690 for batch 111389 (see Table 4 for typical compositions) mathematically show the formation of α-chromium (BCC phase in Figure 1) below 720 ° C (T S BCC) in significant proportions. The formation of this phase is very difficult because it is analytically very different from the basic material. If, however, the solvus temperature T S BCC of this phase is very high, it can certainly occur, as is the case, for example, in E. Slevolden, JZ Albertsen. U. Fink, "Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations," Corrosion / 2011, paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011), p. 15 “for a variant of Alloy 693 (UNS 06693). Figure 2 and Figure 3 show the phase diagrams of the Alloy 693 variants (from US Pat. No. 4,88,125 Table 1) for Alloy 3 and Alloy 10 from Table 4. This phase is brittle and thus leads to undesired embrittlement of the material. Alloy 3 has a formation temperature T s BCC of 1079 ° C, Alloy 10 of 939 ° C. In “E. Slevolden, JZ Albertsen. U. Fink, Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations, “Corrosion / 2011, paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011), p. 15 “the exact analysis of the alloy in which a-chromium (BCC phase) occurs is not described. It can be assumed, however, that among the examples given in Table 4 for Alloy 693, in the analyzes that mathematically have the highest solvus temperatures T s BCC (such as, for example, Alloy 10), α-chromium can form. In a corrected analysis (with reduced solvus temperature T S BCC ), "E. Slevolden, JZ Albertsen. U. Fink, Tjeldbergodden Methanol Plant: Metal Dusting Investigations, “Corrosion / 2011, paper no. 11144 (Houston, TX: NACE 2011), p. 15 “a-chromium then only detected near the surface. In order to avoid the occurrence of such an embrittling phase, the solvus temperature T s BCC in the alloy according to the invention should be less than or equal to 939 ° C., which is the lowest solvus temperature T s BCC among the examples for alloy 693 in Table 4 (from US Pat 1) corresponds.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die folgende Formel erfüllt ist: This is especially the case when the following formula is met:
Fp < 39,9 mit (2a)Fp <39.9 with (2a)
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 1 ,26*Nb + 0,477*Cu +Mp = Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 * Nb + 0.477 * Cu +
0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3d) wobei Cr, AI, Fe, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Die Tabelle 4 mit den Legierungen nach dem Stand der Technik zeigt, dass Fp für Alloy 8, Alloy 3 und Alloy 2 größer als 39,9 ist und für Alloy 10 exakt 39,9. Für alle anderen Legierungen mit Ts BCC kleiner 939 °C ist Fp < 39,9. 0.374 * Mo + 0.538 * W - 11, 8 * C (3d) where Cr, Al, Fe, Si, Ti, Nb, Cu, Mo, W and C are the concentration of the relevant elements in% by mass. Table 4 with the alloys according to the prior art shows that Fp for Alloy 8, Alloy 3 and Alloy 2 is greater than 39.9 and for Alloy 10 it is exactly 39.9. For all other alloys with T s BCC less than 939 ° C, F p <39.9.
- Verarbeitbarkeit - workability
Beispielhaft wird hier für die Verarbeitbarkeit die Umformbarkeit betrachtet. Formability is considered here as an example for processability.
Eine Legierung kann durch mehrere Mechanismen gehärtet werden, so dass sie eine hohe Warmfestigkeit bzw. Kriechbeständigkeit aufweist. So bewirkt die Zulegierung eines anderen Elementes, je nach Element eine mehr oder weniger große Erhöhung der Festigkeit (Mischkristallhärtung). Weitaus effektiver ist eine Erhöhung der Festigkeit durch feine Teilchen oder Ausscheidungen (Teilchenhärtung). Dies kann z. B. durch die y’-Phase erfolgen, die sich bei Zugaben von AI und weiteren Elementen, wie z. B. Ti zu einer Nickel-Legierung bilden oder durch Karbide, die sich durch Zugabe von Kohlenstoff zu einer Chrom-haltigen Nickel-Legierung bilden (siehe z.B. Ralf Bürgel, Flandbuch der Flochtemperaturwerkstofftechnik, 3. Auflage, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, Seite 358 - 369). An alloy can be hardened by several mechanisms so that it has a high heat resistance or creep resistance. The addition of another element, depending on the element, has a greater or lesser effect great increase in strength (solid solution hardening). Much more effective is an increase in strength through fine particles or precipitates (particle hardening). This can e.g. B. be done by the y'-phase, which is when adding AI and other elements, such as. B. Ti to form a nickel alloy or by carbides that are formed by adding carbon to a chromium-containing nickel alloy (see e.g. Ralf Bürgel, Flandbuch der Flochtemperaturwerkstofftechnik, 3rd edition, Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2006, page 358-369).
Die Erhöhung des Gehaltes an y’-Phase bildenden Elementen bzw. des C-Gehaltes erhöht zwar die Warmfestigkeit, beeinträchtig aber zunehmend die Verformbarkeit, selbst im lösungsgeglühten Zustand. The increase in the content of y’-phase-forming elements or the C content increases the high-temperature strength, but increasingly affects the deformability, even in the solution-annealed state.
Für einen sehr gut umformbaren Werkstoff werden Dehnungen As im Zugversuch bei Raumtemperatur von größer gleich 50 %, mindestens aber größer gleich 45 % angestrebt. For a very easily deformable material, elongations As in tensile tests at room temperature of greater than or equal to 50%, but at least greater than or equal to 45% are aimed for.
Dies wird insbesondere erreicht, wenn zwischen den Karbid-bildenden Elementen Cr, Nb, Ti und C die folgende Beziehung erfüllt ist: This is achieved in particular when the following relationship is met between the carbide-forming elements Cr, Nb, Ti and C:
Fa < 60 mit (4a)Fa <60 with (4a)
Fa = Cr + 6,15*Nb + 20,4*Ti + 201 *C (5b) wobei Cr, Nb, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Fa = Cr + 6.15 * Nb + 20.4 * Ti + 201 * C (5b) where Cr, Nb, Ti and C are the concentration of the elements in question in% by mass.
- Warmfestigkeit/Kriechfestigkeit - Heat resistance / creep resistance
Gleichzeitig sollte die Dehngrenze bzw. die Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen mindestens die Werte von Alloy 601 erreichen (siehe Tabelle 6). At the same time, the yield strength or tensile strength at higher temperatures should at least reach the values of Alloy 601 (see Table 6).
600 °C: Dehngrenze Rp0,2 > 150 MPa; Zugfestigkeit Rm > 500 MPa (8a, 8b) 800°C: Dehngrenze Rp0,2 > 130 MPa; Zugfestigkeit Rm > 135 MPa (8c, 8d) Es wäre wünschenswert, dass die Dehngrenze bzw. die Zugfestigkeit im Bereich der Zugfestigkeit von Alloy 602 CA liegt (siehe Tabelle 6). Es sollten mindestens 3 der 4 folgenden Relationen erfüllt sein: 600 ° C: yield strength R p0, 2> 150 MPa; Tensile strength R m > 500 MPa (8a, 8b) 800 ° C: yield strength R p0 , 2 > 130 MPa; Tensile strength R m > 135 MPa (8c, 8d) It would be desirable for the yield strength or tensile strength to be in the range of the tensile strength of Alloy 602 CA (see Table 6). At least 3 of the 4 following relations should be fulfilled:
600 °C: Dehngrenze Rp0,2 > 250 MPa; Zugfestigkeit Rm > 570 MPa (9a, 9b) 800°C: Dehngrenze Rp0,2 > 180 MPa; Zugfestigkeit Rm > 190 MPa (9c, 9d) 600 ° C: yield strength R p0, 2> 250 MPa; Tensile strength R m > 570 MPa (9a, 9b) 800 ° C: yield strength R p0 , 2 > 180 MPa; Tensile strength R m > 190 MPa (9c, 9d)
Die Forderungen 8a, 8b, 8c und 8d werden insbesondere erreicht, wenn die folgende Beziehung zwischen den hauptsächlich härtenden Elementen erfüllt ist: Requirements 8a, 8b, 8c and 8d are achieved in particular if the following relationship between the mainly hardening elements is met:
Fk > 47 mit (6a)Fk> 47 with (6a)
Fk = Cr + 19*Ti + 34,3*Nb + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C + 2245*B (7b) wobei Cr, Ti, Nb, AI, Si, C und B die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Fk = Cr + 19 * Ti + 34.3 * Nb + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C + 2245 * B (7b) where Cr, Ti, Nb, Al, Si, C and B are the concentration of the elements in question in% by mass.
- Korrosionsbeständigkeit an Luft: - Corrosion resistance in air:
Die erfindungsgemäße Legierung soll eine gute Korrosionsbeständigkeit an Luft ähnlich der von Alloy 602 CA (N06025) haben. The alloy according to the invention is said to have good corrosion resistance in air, similar to that of Alloy 602 CA (N06025).
Beispiele: Examples:
- Herstellung: - Manufacture:
Die Tabellen 5a und 5b zeigen die Analysen der im Labormaßstab erschmolzenen Chargen zusammen mit einigen zum Vergleich herangezogenen großtechnisch erschmolzenen Chargen nach dem Stand der Technik von Alloy 602CA (N06025), Alloy 690 (N06690), Alloy 601 (N06601 ). Die Chargen nach dem Stand der Technik sind mit einem T gekennzeichnet, die erfindungsgemäßen mit einem E. Die im Labormaßstab erschmolzenen Chargen sind mit einem L gekennzeichnet, die großtechnisch erschmolzenen Chargen mit einem G. Die Blöcke der im Labormaßstab im Vakuum erschmolzenen Legierungen in Tabelle 5a und b wurden zwischen 900°C und 1270°C für 8 Stunden geglüht und mittels Warmwalzen und weiteren Zwischenglühungen zwischen 900°C und 1270°C für 0,1 bis 1 Stunde an eine Enddicke von 13 mm bzw. 6 mm warmgewalzt. Die so erzeugten Bleche wurden zwischen 900°C und 1270°C für 1 Stunden lösungsgeglüht. Aus diesen Blechen wurden die für die Messungen benötigten Proben hergestellt. Tables 5a and 5b show the analyzes of the batches melted on a laboratory scale together with some large-scale, state-of-the-art melted batches of Alloy 602CA (N06025), Alloy 690 (N06690), Alloy 601 (N06601) used for comparison. The batches according to the prior art are marked with a T, those according to the invention with an E. The batches melted on a laboratory scale are marked with an L, the large-scale batches with a G. The blocks of the alloys melted on a laboratory scale in a vacuum in Tables 5a and b were annealed between 900 ° C and 1270 ° C for 8 hours and by means of hot rolling and further intermediate anneals between 900 ° C and 1270 ° C for 0.1 to 1 hour Final thickness of 13 mm or 6 mm hot-rolled. The sheets produced in this way were solution annealed between 900 ° C. and 1270 ° C. for 1 hour. The samples required for the measurements were produced from these sheets.
Bei den großtechnisch erschmolzenen Legierungen wurde aus der großtechnischen Fertigung von einem betrieblich gefertigten Blech mit passender Dicke ein Muster entnommen. Aus diesen Blechen wurden die für die Messungen benötigten Proben hergestellt. In the case of large-scale melted alloys, a sample was taken from large-scale production from a sheet metal manufactured in-house with a suitable thickness. The samples required for the measurements were produced from these sheets.
Alle Legierungsvarianten hatten typischerweise eine Korngröße von 70 bis 505 pm. All alloy variants typically had a grain size of 70 to 505 μm.
Für die Beispielchargen in Tabelle 5a und b werden die folgenden Eigenschaften verglichen: For the sample batches in Table 5a and b, the following properties are compared:
Korrosionsbeständigkeit in Nitratsalzschmelzen Phasenstabilität Corrosion resistance in molten nitrate salts. Phase stability
Die Umformbarkeit anhand des Zugversuches bei Raumtemperatur Die Warmfestigkeit / Kriechbeständigkeit mit Hilfe von Warmzugversuchen Die Korrosionsbeständigkeit an Luft mit Hilfe eines Oxidationstestes The formability based on the tensile test at room temperature The high-temperature strength / creep resistance using hot tensile tests The corrosion resistance in air using an oxidation test
- Korrosionsbeständigkeit in Nitratschmelzen: - Corrosion resistance in nitrate melts:
Bei den im Labormaßstab erschmolzenen Chargen 2301 und 250129 bis 250138 und 250147 bis 250149, sowie den Chargen 250164, 250311 und 250526, ist Aluminium größer gleich 1 ,8 %. Dieser Aluminiumgehalt ist ausreichend groß, so dass sich unter der Chromoxidschicht eine geschlossene Aluminiumoxidschicht bilden kann. Sie erfüllen damit die Forderung, die an die Korrosionsbeständigkeit in Salzschmelzen gestellt worden ist. For batches 2301 and 250129 to 250138 and 250147 to 250149 melted on a laboratory scale, as well as batches 250164, 250311 and 250526, aluminum is greater than or equal to 1.8%. This aluminum content is sufficiently high that a closed aluminum oxide layer can form under the chromium oxide layer. They thus meet the requirement that has been placed on the corrosion resistance in molten salts.
- Phasenstabilität: Für die ausgewählten Legierungen nach dem Stand der Technik in Tabelle 4 und alle Laborchargen (Tabellen 5a und 5b) wurden deshalb die Phasendiagramme berechnet und die Solvustemperatur Ts BCC in die Tabelle 4 und 5a eingetragen. Für die Zusammensetzungen in den Tabellen 4 bzw. 5a und b wurde auch der Wert für Fp gemäß Formel 3d berechnet. Fp ist umso größer, je größer die Solvustemperatur Ts BCC ist. Alle Beispiele von N06693 mit einer höheren Solvustemperatur Ts BCC als der von Alloy 10 haben ein Fp > 39,9. Die Forderung Fp < 39,9 (Formel 2a) ist also ein gutes Kriterium, um eine ausreichende Phasenstabilität bei einer Legierung zu erhalten. Alle Laborchargen in Tabelle 5a und b erfüllen das Kriterium Fp < 39,9. - phase stability: The phase diagrams were therefore calculated for the selected state-of-the-art alloys in Table 4 and all laboratory batches (Tables 5a and 5b) and the solvus temperature T s BCC entered in Tables 4 and 5a. For the compositions in Tables 4 and 5a and b, the value for Fp was also calculated according to formula 3d. Fp is greater, the greater the solvus temperature T s BCC. All examples of N06693 with a higher solvus temperature T s BCC than that of Alloy 10 have an MP> 39.9. The requirement of Fp <39.9 (formula 2a) is therefore a good criterion for obtaining sufficient phase stability in an alloy. All laboratory batches in Tables 5a and b meet the criterion MP <39.9.
- Umformbarkeit (Verarbeitbarkeit): - Formability (processability):
In Tabelle 6 sind Dehngrenze RPo,2, die Zugfestigkeit Rm und die Dehnung As für Raumtemperatur (RT) und für 600°C eingetragen, weiterhin die Zugfestigkeit Rm für 800°C. Außerdem sind die Werte für Fa und Fk eingetragen. In Table 6, the yield strength R Po, 2 , the tensile strength R m and the elongation As for room temperature (RT) and for 600 ° C are entered, furthermore the tensile strength R m for 800 ° C. The values for Fa and Fk are also entered.
Die Beispielchargen 156817 und 160483 der Legierung nach dem Stand der Technik Alloy 602 CA haben in Tabelle 6 eine vergleichsweise kleine Dehnung As bei Raumtemperatur von 36 bzw. 42 %, die unterhalb der Anforderungen für eine gute Umformbarkeit liegen. Fa ist größer 60 und damit oberhalb des Bereichs, der eine gute Umformbarkeit kennzeichnet. Alle erfindungsgemäßen Legierungen (E) zeigen eine Dehnung größer 50 %. Sie erfüllen damit die Anforderungen. Fa ist für alle erfindungsgemäßen Legierungen kleiner 60. Sie befinden sich damit in dem Bereich, in dem eine gute Umformbarkeit gegeben ist. Die Dehnung ist besonders hoch, wenn Fa vergleichsweise klein ist. The sample batches 156817 and 160483 of the alloy according to the state of the art Alloy 602 CA have in Table 6 a comparatively small elongation As at room temperature of 36 and 42%, respectively, which are below the requirements for good formability. Fa is greater than 60 and thus above the range that characterizes good formability. All alloys (E) according to the invention show an elongation of more than 50%. You thus meet the requirements. Fa is less than 60 for all alloys according to the invention. You are therefore in the range in which good formability is given. The elongation is particularly high when Fa is comparatively small.
- Warmfestigkeit / Kriechfestigkeit: - Heat resistance / creep resistance:
Die Beispielcharge 156656 der Legierung nach dem Stand der Technik Alloy 601 in Tabelle 6 ist ein Beispiel für die Mindestanforderungen an Dehngrenze und Zugfestigkeit bei 600°C bzw. 800°C, die Beispielchargen 156817 und 160483 der Legierung nach dem Stand der Technik Alloy 602 CA dagegen Beispiele für sehr gute Werte von Dehngrenze und Zugfestigkeit bei 600°C bzw. 800°C. Alloy 601 repräsentiert einen Werkstoff, der die Mindestanforderungen an Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit zeigt, die in den Relationen 8a bis 8d beschrieben werden. Alloy 602 CA repräsentiert einen Werkstoff, der eine ausgezeichnete Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit zeigt, die in den Relationen 9a bis 9d beschreiben werden. Der Wert für Fk ist für beide Legierungen deutlich größer 47 und für Alloy 602 CA zusätzlich noch deutlich größer als der Wert von Alloy 601 , was die erhöhten Festigkeitswerte von Alloy 602 CA widerspiegelt. Die erfindungsgemäßen Legierungen (E) zeigen alle eine Dehngrenze und Zugfestigkeit bei 600°C bzw. 800°C im Bereich oder deutlich oberhalb der von Alloy 601 und erfüllen damit die Relationen 8a bis 8d. Sie liegen im Bereich der Werte von Alloy 602 CA und erfüllen bis auf Charge 250526 und Charge 250311 auch die wünschenswerten Anforderungen, also 3 der 4 Relationen 9a bis 9d. Auch Fk ist für alle erfindungsgemäßen Legierungen in den Beispielen in Tabelle 6 größer 47, bzw. größer 54 und damit in dem Bereich, der durch eine gute Warmfestigkeit bzw. Kriechbeständigkeit gekennzeichnet ist. Unter den nicht erfindungsgemäßen Laborchargen sind die Chargen 2297 und 2300 ein Beispiel, dass die Relationen 8a bis 8d nicht erfüllt sind und bei denen auch Fk kleiner als 47 ist. The sample batch 156656 of the alloy according to the prior art Alloy 601 in Table 6 is an example of the minimum requirements for yield strength and tensile strength at 600 ° C and 800 ° C, the sample batches 156817 and 160483 of the alloy according to the prior art Alloy 602 CA contrast examples of very good values for yield strength and tensile strength at 600 ° C and 800 ° C, respectively. Alloy 601 represents a material that shows the minimum requirements for high temperature strength or creep resistance, which are described in the relationships 8a to 8d. Alloy 602 CA represents a material that shows excellent heat resistance or creep resistance, which are described in the relationships 9a to 9d. The value for Fk is significantly greater than 47 for both alloys, and for Alloy 602 CA, it is also significantly greater than the value of Alloy 601, which reflects the increased strength values of Alloy 602 CA. The alloys (E) according to the invention all show a yield strength and tensile strength at 600 ° C. or 800 ° C. in the range or significantly above that of alloy 601 and thus meet the ratios 8a to 8d. They are in the range of the values of Alloy 602 CA and, apart from batch 250526 and batch 250311, also meet the desirable requirements, i.e. 3 of the 4 relations 9a to 9d. For all alloys according to the invention in the examples in Table 6, Fk is also greater than 47 or greater than 54 and thus in the range that is characterized by good heat resistance or creep resistance. Among the laboratory batches not according to the invention, batches 2297 and 2300 are an example that relations 8a to 8d are not fulfilled and for which Fk is also less than 47.
- Korrosionsbeständigkeit an Luft: - Corrosion resistance in air:
Tabelle 7 zeigt die spezifischen Massenänderungen nach einem Oxidationsversuch bei 1100 °C an Luft nach 11 Zyklen von 96 Stunden, also insgesamt 1056 Stunden. Angegeben ist in Tabelle 7 die spezifische Brutto- Massenänderung, die spezifische Netto-Massenänderung und die spezifische Massenänderung des abgeplatzten Oxids nach 1056 Stunden. Die Beispielchargen der Legierungen nach dem Stand der Technik Alloy 601 und Alloy 690 zeigen eine deutlich höhere Brutto- Massenänderung als Alloy 602 CA, wobei die von Alloy 601 noch mal deutlich größer ist als die von Alloy 690. Beide bilden eine Chromoxidschicht, die schneller wächst als eine Aluminumoxidschicht. Alloy 601 enthält noch ca. 1 ,3 % AI. Dieser Gehalt ist zu gering, um eine auch nur teilweise geschlossene Aluminiumoxidschicht zu bilden, weshalb das Aluminium im Inneren des metallischen Materials unterhalb der Oxidschicht oxidiert (innere Oxidation). Dies bewirkt eine im Vergleich zum Alloy 690 erhöhte Massenzunahme. Alloy 602CA hat ca. 2,3 % Aluminium. Damit kann sich bei dieser Legierung unterhalb der Chromoxidschicht eine geschlossene Aluminiumoxidschicht bilden. Dies reduziert das Wachstum der Oxidschicht merklich und damit auch die spezifische Massenzunahme. Alle erfindungsgemäßen Legierungen (E) enthalten mindestens 2 % Aluminium und haben damit eine ähnlich geringe bzw. geringere Brutto-Massenzunahme wie Alloy 602 CA. Auch zeigen alle erfindungsgemäßen Legierungen ähnlich der Beispielchargen von Alloy 602 CA Abplatzungen im Bereich der Messgenauigkeit, während Alloy 601 und Alloy 690 große Abplatzungen zeigen. Table 7 shows the specific changes in mass after an oxidation test at 1100 ° C. in air after 11 cycles of 96 hours, i.e. a total of 1056 hours. Table 7 shows the specific gross mass change, the specific net mass change and the specific mass change of the flaked oxide after 1056 hours. The sample batches of the state-of-the-art alloys Alloy 601 and Alloy 690 show a significantly higher gross mass change than Alloy 602 CA, whereby that of Alloy 601 is again significantly larger than that of Alloy 690. Both form a chromium oxide layer that grows faster as an aluminum oxide layer. Alloy 601 still contains approx. 1.3% Al. This content is too low to form an even partially closed aluminum oxide layer, which is why the aluminum inside the metallic material oxidizes below the oxide layer (internal oxidation). This causes an increased increase in mass compared to Alloy 690. Alloy 602CA has approximately 2.3% aluminum. With this alloy, a closed aluminum oxide layer can thus form below the chromium oxide layer. This noticeably reduces the growth of the oxide layer and thus also the specific increase in mass. All alloys (E) according to the invention contain at least 2% aluminum and thus have a similarly low or lower gross increase in mass as Alloy 602 CA. Similarly to the sample batches of Alloy 602 CA, all the alloys according to the invention also show flaking in the area of measurement accuracy, while Alloy 601 and Alloy 690 show large flaking.
Die beanspruchten Grenzen für die erfindungsgemäße Legierung „E“ lassen sich daher im Einzelnen wie folgt begründen: The claimed limits for the alloy "E" according to the invention can therefore be justified in detail as follows:
Zu geringe Chromgehalte bedeuten, dass die Chromkonzentration beim Einsatz der Legierung in einer korrosiven Atmosphäre sehr schnell unter die kritische Grenze sinkt, so dass sich keine geschlossene Chromoxidschicht mehr bilden kann. Deshalb ist ein Gehalt von >17 % Chrom die untere Grenze. Zu hohe Chromgehalte verschlechtern die Phasenstabilität der Legierung, insbesondere bei den hohen Aluminiumgehalten von > 1 ,8 %. Deshalb ist 33 % Chrom als obere Grenze anzusehen. Too low a chromium content means that the chromium concentration drops very quickly below the critical limit when the alloy is used in a corrosive atmosphere, so that a closed chromium oxide layer can no longer form. Therefore a content of> 17% chromium is the lower limit. Too high a chromium content worsens the phase stability of the alloy, especially with the high aluminum content of> 1.8%. Therefore 33% chromium is to be regarded as the upper limit.
Die Bildung einer Aluminiumoxidschicht unterhalb der Chromoxidschicht verringert die Oxidationsrate. Unterhalb von 1 ,8 % Aluminium ist die Aluminiumoxidschicht zu lückenhaft, um ihre Wirkung voll zu entfalten. Zu hohe Aluminiumgehalte beeinträchtigen die Verarbeitbarkeit der Legierung. Deshalb bildet ein Aluminiumgehalt von <4,0 % die obere Grenze. The formation of an aluminum oxide layer beneath the chromium oxide layer reduces the rate of oxidation. Below 1.8% aluminum, the aluminum oxide layer is too patchy to fully develop its effect. Too high an aluminum content affects the workability of the alloy. Therefore, an aluminum content of <4.0% is the upper limit.
Die Kosten für die Legierung steigen mit der Reduzierung des Eisengehalts. Unterhalb von 0,1 % steigen die Kosten überproportional stark an, da spezielles Vormaterial eingesetzt werden muss. Deshalb ist 0,1 % Eisen aus Kostengründen als untere Grenze anzusehen. Mit Erhöhung des Eisengehalts verringert sich die Phasenstabilität (Bildung von versprödenden Phasen), insbesondere bei hohen Chrom- und Aluminiumgehalten. Deshalb ist 15 % Eisen eine sinnvolle obere Grenze, um die Phasenstabilität der erfindungsgemäßen Legierung sicher zu stellen. The cost of the alloy increases as the iron content is reduced. Below 0.1%, the costs rise disproportionately because special starting material has to be used. That is why 0.1% is iron for cost reasons to be regarded as the lower limit. As the iron content increases, the phase stability decreases (formation of embrittling phases), especially with high chromium and aluminum contents. Therefore, 15% iron is a sensible upper limit in order to ensure the phase stability of the alloy according to the invention.
Silizium wird bei der Herstellung der Legierung benötigt. Es ist deshalb ein Mindestgehalt von 0,001 % notwendig. Zu hohe Gehalte wiederum beeinträchtigen die Verarbeitbarkeit und die Phasenstabilität, insbesondere bei hohen Aluminium- und Chromgehalten. Der Siliziumgehalt ist deshalb auf 0,50 % beschränkt. Silicon is required in the manufacture of the alloy. A minimum content of 0.001% is therefore necessary. Too high contents, in turn, impair the processability and the phase stability, especially with high aluminum and chromium contents. The silicon content is therefore limited to 0.50%.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Mangan zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit notwendig. Mangan wird auf 2,0 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. A minimum manganese content of 0.001% is necessary to improve processability. Manganese is limited to 2.0% as this element reduces oxidation resistance.
Titan steigert die Hochtemperaturfestigkeit. Ab 0,60 % kann das Oxidationsverhalten verschlechtert werden, weshalb 0,60 % der Maximalwert ist. Titanium increases the high temperature strength. From 0.60% the oxidation behavior can be worsened, which is why 0.60% is the maximum value.
Schon sehr geringe Magnesiumgehalte und/oder Kalziumgehalte verbessern die Verarbeitung durch das Abbinden von Schwefel, wodurch das Auftreten von niedrig schmelzenden Nickel-Schwefel-Eutektika vermieden wird. Für Magnesium und/oder Kalzium ist deshalb ein Mindestgehalt von 0,0002 % erforderlich. Bei zu hohen Gehalten können intermetallische Nickel-Magnesium-Phasen bzw. Nickel-Kalzium- Phasen auftreten, die die Verarbeitbarkeit wieder deutlich verschlechtern. Der Magnesiumgehalt und/oder Kalziumgehalt wird deshalb auf maximal 0,05 % begrenzt. Even very low magnesium and / or calcium contents improve processing by setting sulfur, which prevents the occurrence of low-melting nickel-sulfur eutectics. A minimum content of 0.0002% is therefore required for magnesium and / or calcium. If the contents are too high, intermetallic nickel-magnesium phases or nickel-calcium phases can occur, which again significantly worsen the processability. The magnesium and / or calcium content is therefore limited to a maximum of 0.05%.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,005 % Kohlenstoff für eine gute Kriechbeständigkeit notwendig. Kohlenstoff wird auf maximal 0,12 % begrenzt, da dieses Element ab diesem Gehalt die Verarbeitbarkeit durch die übermäßige Bildung von Primärkarbiden reduziert. Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Stickstoff erforderlich, wodurch die Verarbeitbarkeit des Werkstoffs verbessert wird. Stickstoff wird auf maximal 0,05 % begrenzt, da durch die Bildung von groben Karbonitriden die Verarbeitbarkeit reduziert wird. A minimum carbon content of 0.005% is necessary for good creep resistance. Carbon is limited to a maximum of 0.12%, since above this level this element reduces the workability due to the excessive formation of primary carbides. A minimum nitrogen content of 0.001% is required, which improves the workability of the material. Nitrogen is limited to a maximum of 0.05%, as the formation of coarse carbonitrides reduces the processability.
Der Sauerstoffgehalt muss kleiner oder gleich 0,020 % sein, um die Herstellbarkeit der Legierung zu ermöglichen. Ein zu niedriger Sauerstoffgehalt erhöht die Kosten. Der Sauerstoffgehalt ist deshalb > 0,0001 %. The oxygen content must be less than or equal to 0.020% in order to enable the alloy to be manufactured. Too low an oxygen content increases the costs. The oxygen content is therefore> 0.0001%.
Der Gehalt an Phosphor sollte kleiner oder gleich 0,030 % sein, da dieses grenzflächenaktive Element die Oxidationsbeständigkeit beeinträchtigt. Ein zu niedriger Phosphorgehalt erhöht die Kosten. Der Phosphorgehalt ist deshalb > 0,001 %. The content of phosphorus should be less than or equal to 0.030%, since this surface-active element affects the oxidation resistance. Too low a phosphorus content increases the costs. The phosphorus content is therefore> 0.001%.
Der Gehalt an Schwefel sollte so gering wie möglich eingestellt werden, da dieses grenzflächenaktive Element die Oxidationsbeständigkeit beeinträchtigt. Es werden deshalb max. 0,010 % Schwefel festgelegt. The sulfur content should be set as low as possible, since this surface-active element impairs the resistance to oxidation. A maximum of 0.010% sulfur is therefore specified.
Molybdän wird auf max. 2,0 % begrenzt, da dieses Element dieMolybdenum is limited to a maximum of 2.0%, as this element is the
Oxidationsbeständigkeit reduziert. Oxidation resistance reduced.
Wolfram wird auf max. 2,0 % begrenzt, da dieses Element dieTungsten is limited to a maximum of 2.0%, as this element is the
Oxidationsbeständigkeit ebenfalls reduziert. Oxidation resistance also reduced.
Nickel ist das Restelement. Ein zu geringer Nickelgehalt verringert die Phasenstabilität, insbesondere bei hohen Chromgehalten. Nickel muss deshalb größer gleich 50 % sein. Nickel is the remainder. Too low a nickel content reduces the phase stability, especially with high chromium contents. Nickel must therefore be greater than or equal to 50%.
Darüber hinaus muss die folgende Beziehung erfüllt sein, damit eine ausreichende Phasenstabilität gegeben ist: In addition, the following relationship must be fulfilled so that there is sufficient phase stability:
Fp < 39,9 mit (2a) Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*CFp <39.9 with (2a) Fp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.374 * Mo + 0.538 * W- 11.8 * C
(3a) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Mo, W und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Die Grenzen für Fp und die mögliche Einbeziehung weiterer Elemente wurden im vorangegangenen Text ausführlich begründet. (3a) where Cr, Fe, Al, Si, Ti, Mo, W and C are the concentration of the elements in question in% by mass. The limits for Fp and the possible inclusion of further elements have been explained in detail in the previous text.
Bedarfsweise kann mit Zusätzen von sauerstoffaffinen Elementen wie zum Beispiel Yttrium, Lanthan, Cer, Cer Mischmetall die Oxidationsbeständigkeit weiter verbessert werden. Diese Elemente werden in die Oxidschicht mit eingebaut und blockieren dort auf den Korngrenzen die Diffusionswege des Sauerstoffs. If necessary, the oxidation resistance can be further improved by adding elements with an affinity for oxygen, such as yttrium, lanthanum, cerium, cerium, mischmetal. These elements are built into the oxide layer and block the diffusion paths of oxygen on the grain boundaries.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Yttrium notwendig, um die die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Yttrium zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % gelegt. A minimum yttrium content of 0.001% is necessary in order to maintain the yttrium's oxidation resistance increasing effect. The upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Lanthan notwendig, um die die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Lanthan zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % gelegt. A minimum content of 0.001% lanthanum is necessary in order to maintain the oxidation resistance-increasing effect of the lanthanum. The upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Cer notwendig, um die dieA minimum cerium content of 0.001% is necessary to achieve the
Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Cer zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % gelegt. Oxidation resistance-increasing effect of cerium. The upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Cer Mischmetall notwendig, um die die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Cer Mischmetalls zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % gelegt. A minimum content of 0.001% cerium mischmetal is necessary in order to maintain the oxidation resistance-increasing effect of the cerium mischmetal. The upper limit is set at 0.20% for cost reasons.
Bedarfsweise kann Niob zugefügt werden, da auch Niob die Hochtemperaturfestigkeit steigert. Höhere Gehalte erhöhen die Kosten sehr stark. Die Obergrenze wird deshalb auf 1 ,10 % festgesetzt. Bedarfsweise kann die Legierung auch Tantal enthalten, da auch Tantal die Hochtemperaturfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit steigert. Höhere Gehalte erhöhen die Kosten sehr stark. Die Obergrenze wird deshalb auf 0,60 % festgesetzt. Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % erforderlich, um eine Wirkung zu erzielen. If necessary, niobium can be added, since niobium also increases the high temperature strength. Higher contents increase the costs very much. The upper limit is therefore set at 1, 10%. If necessary, the alloy can also contain tantalum, since tantalum also increases the high temperature strength and the oxidation resistance. Higher contents increase the costs very much. The upper limit is therefore set at 0.60%. A minimum content of 0.001% is required to have an effect.
Bedarfsweise kann die Legierung auch Zirkon enthalten. Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Zirkon notwendig, um die die Hochtemperaturfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Zirkons zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % Zirkon gelegt. If necessary, the alloy can also contain zirconium. A minimum content of 0.001% zirconium is necessary in order to maintain the effect of the zirconium, which increases the high temperature strength and the oxidation resistance. For cost reasons, the upper limit is set at 0.20% zirconium.
Bedarfsweise kann die Legierung auch Hafnium enthalten. Es ist ein Mindestgehalt von 0,001 % Hafnium notwendig, um die die Hochtemperaturfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit steigernde Wirkung des Hafniums zu erhalten. Die Obergrenze wird aus Kostengründen bei 0,20 % Hafnium gelegt. If necessary, the alloy can also contain hafnium. A minimum content of 0.001% hafnium is necessary in order to maintain the effect of the hafnium, which increases the resistance to high temperatures and resistance to oxidation. For cost reasons, the upper limit is set at 0.20% hafnium.
Bedarfsweise kann der Legierung Bor zugesetzt werden, da Bor die Kriechbeständigkeit verbessert. Deshalb sollte ein Gehalt von mindestens 0,0001 % vorhanden sein. Gleichzeitig verschlechtert dieses grenzflächenaktive Element die Oxidationsbeständigkeit. Es werden deshalb max. 0,008 % Bor festgelegt. If necessary, boron can be added to the alloy because boron improves creep resistance. Therefore a content of at least 0.0001% should be present. At the same time, this surface-active element worsens the resistance to oxidation. A maximum of 0.008% boron is therefore specified.
Kobalt kann in dieser Legierung bis zu 5,0 % enthalten sein. Höhere Gehalte reduzieren die Oxidationsbeständigkeit merklich. Cobalt can be contained in this alloy up to 5.0%. Higher contents noticeably reduce the resistance to oxidation.
Kupfer wird auf max. 0,5 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. Copper is limited to a maximum of 0.5%, as this element reduces the resistance to oxidation.
Vanadium wird auf max. 0,5 % begrenzt, da dieses Element dieVanadium is limited to a maximum of 0.5%, as this element is the
Oxidationsbeständigkeit reduziert. Oxidation resistance reduced.
Blei wird auf max. 0,002 % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. Das Gleiche gilt für Zink und Zinn. Des Weiteren kann wahlweise die folgende Beziehung der karbidbildenden Elemente Chrom, Titan und Kohlenstoff erfüllt sein, die eine besonders gute Verarbeitbarkeit beschreibt: Lead is limited to a maximum of 0.002%, as this element reduces the resistance to oxidation. The same goes for zinc and tin. Furthermore, the following relationship of the carbide-forming elements chromium, titanium and carbon can optionally be fulfilled, which describes particularly good processability:
Fa < 60 mit (4a)Fa <60 with (4a)
Fa = Cr + 20,4*Ti + 201 *C (5a) wobei Cr, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Die Grenzen für Fa und die mögliche Einbeziehung weiterer Elemente wurden im vorangegangenen Text ausführlich begründet. Fa = Cr + 20.4 * Ti + 201 * C (5a) where Cr, Ti and C are the concentration of the relevant elements in% by mass. The limits for Fa and the possible inclusion of further elements have been explained in detail in the previous text.
Des Weiteren kann wahlweise die folgende Beziehung zwischen den die Festigkeit steigernden Elementen erfüllt sein, die eine besonders gute Warmfestigkeit bzw. Kriechfestigkeit beschreibt: Furthermore, the following relationship can optionally be fulfilled between the elements increasing the strength, which describes a particularly good heat resistance or creep resistance:
Fk > 47 mit (6a)Fk> 47 with (6a)
Fk = Cr + 19*Ti + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C (7a) wobei Cr, Ti, AI, Si und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Die Grenzen für Fa und die mögliche Einbeziehung weiterer Elemente wurden im vorangegangenen Text ausführlich begründet. Fk = Cr + 19 * Ti + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C (7a) where Cr, Ti, Al, Si and C are the concentration of the relevant elements in% by mass. The limits for Fa and the possible inclusion of further elements have been explained in detail in the previous text.
belle 1 : Legierungen nach ASTM B 168-191), ASTM B167-182) ASTM B443-183) ASTM B 163-184), ASTM B622-155) TM B409-066). Alle Angaben in Masse-%, 7) in keiner ASTM Norm, aus der UNS Liste.
Figure imgf000038_0001
belle 1: Alloys according to ASTM B 168-19 1) , ASTM B167-18 2) ASTM B443-18 3) ASTM B 163-18 4) , ASTM B622-15 5) TM B409-06 6) . All data in% by mass, 7) in any ASTM standard, from the UNS list.
Figure imgf000038_0001
Tabelle 2: Zusammensetzung der in (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600°C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013) untersuchten Legierungen in Masse-%.
Figure imgf000039_0001
Table 2: Composition of the alloys examined in (Kruizenga et al., Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt, Sandia Report, SAND 2013-2526, 2013) in% by mass.
Figure imgf000039_0001
Tabelle 3: Korrosion nach 3000 Stunden in 60% Natriumnitrat-/ 40% Kaliumnitratsalzschmelze der in [Kruizenga et al., 2013, Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600°C Binary Nitrate Salt] untersuchten Legierungen.
Figure imgf000040_0001
Table 3: Corrosion after 3000 hours in 60% sodium nitrate / 40% potassium nitrate salt melt of the alloys investigated in [Kruizenga et al., 2013, Materials Corrosion of High Temperature Alloys Immersed in 600 ° C Binary Nitrate Salt].
Figure imgf000040_0001
Tabelle 4: Typische Zusammensetzungen von einigen Legierungen nach ASTM B 168-11, und Tabelle 2 (Stand der Technik). Alle Angaben in Masse-% *) Legierungszusammensetzung aus Patent US 4,88,125 Table 1
Figure imgf000041_0001
Table 4: Typical compositions of some alloys according to ASTM B 168-11, and Table 2 (prior art). All data in% by mass * ) Alloy composition from patent US 4,88,125 Table 1
Figure imgf000041_0001
Tabelle 5a: Zusammensetzung der Laborchargen, Teil 1. Alle Angaben in Masse-% (T: Legierung nach dem Stand der Technik, E: erfindungsgemäße Legierung, L: im Labormaßstab erschmolzen, G: großtechnisch erschmolzen)
Figure imgf000042_0001
Table 5a: Composition of the laboratory batches, part 1. All data in% by mass (T: alloy according to the state of the art, E: alloy according to the invention, L: melted on a laboratory scale, G: melted on an industrial scale)
Figure imgf000042_0001
Tabelle 5b: Zusammensetzung der Laborchargen, Teil 2. Alle Angaben in Masse-% (Für alle Legierungen gilt: Pb: max. 0,002 %, Zn: max. 0,002 %, Sn: max. 0,002 %) (Bedeutung von T, E, G, L, siehe Tabelle 5a)
Figure imgf000043_0001
Table 5b: Composition of the laboratory batches, part 2. All data in% by mass (applies to all alloys: Pb: max. 0.002%, Zn: max. 0.002%, Sn: max. 0.002%) (meaning of T, E, G, L, see table 5a)
Figure imgf000043_0001
Tabelle 6: Ergebnisse der Zugversuche bei Raumtemperatur (RT), 600°C und 800°C. Die Umformgeschwindigkeit betrug bei RPo,28,33 10-5 1/s (0,5%/min) und bei Rm 8,33 10-41/s (5%/min); KG = Korngröße.
Figure imgf000044_0001
Table 6: Results of the tensile tests at room temperature (RT), 600 ° C and 800 ° C. The deformation rate was 8.33 10 -5 1 / s (0.5% / min) for R Po, 2 and 8.33 10 -4 1 / s (5% / min) for R m; KG = grain size.
Figure imgf000044_0001
Tabelle 7: Ergebnisse der Oxidationsversuche bei 1000°C an Luft nach 1056 Stunden.
Figure imgf000045_0001
Table 7: Results of the oxidation tests at 1000 ° C. in air after 1056 hours.
Figure imgf000045_0001

Claims

Patentansprüche Claims
1. Nickel-Chrom-Eisen-Aluminium-Legierung mit (in Masse-%) >17 bis 33 % Chrom, 1,8 bis <4,0 % Aluminium, 0,10 bis 15,0 % Eisen, 0,001 bis 0,50 % Silizium, 0,001 bis 2,0 % Mangan, 0,00 bis 0,60% Titan, jeweils 0,0002 bis 0,05 % Magnesium und/oder Kalzium, 0,005 bis 0,12 % Kohlenstoff, 0,001 bis 0,050 % Stickstoff, 0,0001 - 0,020 % Sauerstoff, 0,001 bis 0,030 % Phosphor, max. 0,010 % Schwefel, max. 2,0 % Molybdän, max. 2,0 % Wolfram, Rest Nickel mit Nickel > 50 % und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen für die Verwendung in Solarturmkraftwerken unter Einsatz von Nitratsalzschmelzen als Wärmeübertragungsmedium, wobei die folgende Beziehung erfüllt sein muss: 1.Nickel-chromium-iron-aluminum alloy with (in% by mass)> 17 to 33% chromium, 1.8 to <4.0% aluminum, 0.10 to 15.0% iron, 0.001 to 0, 50% silicon, 0.001 to 2.0% manganese, 0.00 to 0.60% titanium, each 0.0002 to 0.05% magnesium and / or calcium, 0.005 to 0.12% carbon, 0.001 to 0.050% nitrogen , 0.0001 - 0.020% oxygen, 0.001 to 0.030% phosphorus, max. 0.010% sulfur, max. 2.0% molybdenum, max. 2.0% tungsten, the remainder nickel with nickel> 50% and the usual process-related impurities for Use in solar tower power plants using molten nitrate salts as a heat transfer medium, whereby the following relationship must be met:
Fp < 39,9 mit (2a)Fp <39.9 with (2a)
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3a) wobei Cr, Fe, AI, Si, Ti, Mo, W und C die Konzentrationen der betreffenden Elemente in Masse-% sind. Fp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.374 * Mo + 0.538 * W - 11.8 * C (3a) where Cr, Fe, Al, Si , Ti, Mo, W and C are the concentrations of the respective elements in% by mass.
2. Legierung nach Anspruch 1 , insbesondere für alle Komponenten, die in Kontakt mit dem geschmolzenen Salz sind, eingesetzt werden. 2. Alloy according to claim 1, in particular for all components which are in contact with the molten salt, are used.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Legierung bis zu einer maximalen Temperatur von 800°C einsetzbar ist. 3. Alloy according to claim 1 or 2, wherein the alloy can be used up to a maximum temperature of 800 ° C.
4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Chromgehalt von >18 bis 33 %. 4. Alloy according to one of claims 1 to 3, with a chromium content of> 18 to 33%.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Aluminiumgehalt von 1 ,8 bis 3,8 %. 5. Alloy according to one of claims 1 to 4, with an aluminum content of 1.8 to 3.8%.
6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Eisengehalt von 0,1 bis 12,0%. 6. Alloy according to one of claims 1 to 5, with an iron content of 0.1 to 12.0%.
7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Siliziumgehalt von 0,001 - < 0,40 % 7. Alloy according to one of claims 1 to 6, with a silicon content of 0.001 - <0.40%
8. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Mangangehalt von 0,001 bis 0,50 %. 8. Alloy according to one of claims 1 to 7 with a manganese content of 0.001 to 0.50%.
9. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Titangehalt von 0,001 bis 0,50 %. 9. Alloy according to one of claims 1 to 8 with a titanium content of 0.001 to 0.50%.
10. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,01 bis 0,10 %. 10. Alloy according to one of claims 1 to 9, with a carbon content of 0.01 to 0.10%.
11. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 wahlweise mit einem11. Alloy according to one of claims 1 to 10 optionally with one
Yttriumgehalt von 0,001 bis 0,20 %. Yttrium content from 0.001 to 0.20%.
12. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 wahlweise mit einem12. Alloy according to one of claims 1 to 11 optionally with one
Lanthangehalt von 0,001 bis 0,20 %. Lanthanum content from 0.001 to 0.20%.
13. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 wahlweise mit einem Cergehalt von 0,001 bis 0,20 %. 13. Alloy according to one of claims 1 to 12, optionally with a cerium content of 0.001 to 0.20%.
14. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 wahlweise mit einem Gehalt an Cer-Mischmetall von 0,001 bis 0,20 %. 14. Alloy according to one of claims 1 to 13, optionally with a cerium mischmetal content of 0.001 to 0.20%.
15. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 wahlweise mit einem Gehalt an Niob von 0,0 bis 1 ,1 %, wobei die Formel (3a) um einen Term mit Nb ergänzt wird: 15. Alloy according to one of claims 1 to 14 optionally with a niobium content of 0.0 to 1.1%, the formula (3a) being supplemented by a term with Nb:
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 1 ,26*Nb + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3b) und Cr, Fe, AI, Si, Ti, Nb, Mo, W und C die Konzentration des betreffenden Elementes in Masse-% sind. Mp = Cr + 0.272 * 2.36 * Fe + AI + 2.22 * 2.48 * Si + Ti + 1, 26 + Nb * 0.374 * 0.538 * Mo + W - 11 8 * C (3b) and Cr , Fe, Al, Si, Ti, Nb, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
16. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 wahlweise mit einem Gehalt an Zirkon von 0,001 bis 0,20 % 16. Alloy according to one of claims 1 to 15, optionally with a zirconium content of 0.001 to 0.20%
17. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wahlweise mit einem Gehalt an Hafnium von 0,001 bis 0,20 %. 17. Alloy according to one of claims 1 to 16, optionally with a hafnium content of 0.001 to 0.20%.
18. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 wahlweise mit einem Gehalt an Bor von 0,0001 bis 0,008 %. 18. An alloy according to any one of claims 1 to 17 optionally with a boron content of 0.0001 to 0.008%.
19. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wahlweise des Weiteren enthaltend 0,0 bis 5,0 % Kobalt. 19. The alloy of any one of claims 1 to 18, optionally further comprising 0.0 to 5.0% cobalt.
20. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, des Weiteren enthaltend maximal 0,5 % Kupfer, wobei die Formel (3a) um einen Term mit Cu ergänzt wird: 20. Alloy according to one of claims 1 to 19, furthermore containing a maximum of 0.5% copper, the formula (3a) being supplemented by a term with Cu:
Fp = Cr + 0,272*Fe + 2,36*AI + 2,22*Si + 2,48*Ti + 0,477*Cu + 0,374*Mo + 0,538*W - 11 ,8*C (3c). und Cr, Fe, AI, Si, Ti, Cu, Mo, W und C die Konzentration des betreffenden Elementes in Masse-% sind. Mp = Cr + 0.272 * Fe + 2.36 * Al + 2.22 * Si + 2.48 * Ti + 0.477 * Cu + 0.374 * Mo + 0.538 * W- 11.8 * C (3c). and Cr, Fe, Al, Si, Ti, Cu, Mo, W and C are the concentration of the element in question in% by mass.
21. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, des Weiteren enthaltend maximal 0,5 % Vanadium. 21. Alloy according to one of claims 1 to 20, further containing a maximum of 0.5% vanadium.
22. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , worin die Verunreinigungen in Gehalten von max. 0,002 % Blei, max. 0,002 % Zink, max. 0,002 % Zinn eingestellt sind. 22. Alloy according to one of Claims 1 to 21, in which the impurities are set in contents of a maximum of 0.002% lead, a maximum of 0.002% zinc, and a maximum of 0.002% tin.
23. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der die folgende Formel erfüllt ist und so eine besonders gute Verarbeitung erreicht wird: Fa < 60 (4a) mit Fa = Cr + 20,4*Ti + 201 *C (5a) für eine Legierung ohne Nb, wobei Cr, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind, bzw. mit Fa = Cr + 6,15*Nb + 20,4*Ti + 201 *C (5b) für eine Legierung mit Nb, wobei Cr, Nb, Ti und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. 23. Alloy according to one of claims 1 to 22, in which the following formula is fulfilled and particularly good processing is achieved: Fa <60 (4a) with Fa = Cr + 20.4 * Ti + 201 * C (5a) for an alloy without Nb, where Cr, Ti and C are the concentration of the elements in question in% by mass, or with Fa = Cr + 6.15 * Nb + 20.4 * Ti + 201 * C (5b) for an alloy with Nb, where Cr, Nb, Ti and C is the concentration of the respective elements in% by mass.
24. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der die folgende Formel erfüllt ist und so eine besonders gute Warmfestigkeit/ Kriechfestigkeit erreicht wird: Fk > 47 (6a) mit Fk = Cr + 19*Ti + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C (7a) für eine Legierung ohne B und Nb, wobei Cr, Ti, AI, Si und C die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind, bzw. mit Fk = Cr + 19*Ti + 34,3*Nb + 10,2*AI + 12,5*Si + 98*C + 2245*B (7b) für eine Legierung mit B und/oder Nb, wobei Cr, Ti, Nb, AI, Si, C und B die Konzentration der betreffenden Elemente in Masse-% sind. 24. Alloy according to one of claims 1 to 23, in which the following formula is fulfilled and a particularly good heat resistance / creep resistance is achieved: Fk> 47 (6a) with Fk = Cr + 19 * Ti + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C (7a) for an alloy without B and Nb, where Cr, Ti, Al, Si and C are the concentration of the relevant elements in% by mass, or with Fk = Cr + 19 * Ti + 34.3 * Nb + 10.2 * Al + 12.5 * Si + 98 * C + 2245 * B (7b) for an alloy with B and / or Nb, where Cr, Ti, Nb, Al, Si , C and B are the concentration of the respective elements in% by mass.
25. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 als Band, Blech, Draht, Stange, längsnahtgeschweißtes Rohr und nahtloses Rohr. 25. Use of the alloy according to one of claims 1 to 24 as a strip, sheet metal, wire, rod, longitudinally welded pipe and seamless pipe.
26. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 zur Herstellung von Band, Blech, Draht, Stange, längsnahtgeschweißtes Rohrund nahtlosen Rohren. 26. Use of the alloy according to one of claims 1 to 24 for the production of strip, sheet metal, wire, rod, longitudinally welded pipe and seamless pipes.
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