DE4130139C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine hitzebeständige warmverformbare austenitische
Nickel-Legierung und ihre Verwendung als Werkstoff für hitze-
und korrosionsbeständige Gegenstände.
Für Gegenstände, die im Temperaturbereich von 500 bis 1000°C beständig
sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung und Oxidation,
insbesondere bei zyklischer Beanspruchung, ist bisher vorwiegend die
Nickel-Legierung mit der Werkstoff-Nr. 2.4856 gemäß Stahleisen-Liste
des Vereins deutscher Eisenhüttenleute eingesetzt worden. Sie besteht
aus (in Gew.-%) max. 0,10% Kohlenstoff, max. 0,5% Silizium,
max. 0,5% Mangan, 20-23% Chrom, 8-10% Molybdän, 3,15-4,15%
Niob, max. 0,4% Titan, max. 0,4% Aluminium, Rest Nickel.
Diese Standardlegierung zeigt jedoch unter stark aufkohlenden Bedingungen
bei Temperaturen oberhalb 900°C starke Aufkohlungserscheinungen,
die sich in einer deutlichen Gewichtszunahme durch starke
Karbidausscheidungen und Kohlenstoffaufnahme ausdrücken. Hierdurch
werden zusätzlich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die
Langzeitfestigkeit ungünstig beeinflußt. Auch unter oxidierend/sulfidierenden
Bedingungen wie z. B. in einer Gastatmosphäre aus Stickstoff
und 10% SO₂ bei 750°C zeigt die Standardlegierung deutliche
Schädigungen durch Schwefelaufnahme.
Der aus der EP-PS 01 35 321 bekannte austenitische Stahl (Angaben in
Gew.-%) mit max. 0,03% Kohlenstoff, 20-35% Chrom, 17-50% Ni
sowie 2-6% Silizium, ist zwar aufgrund seines hohen Si-Gehaltes
beständig gegen Korrosion in stark oxidierenden Mineralsäuren, wie
Salpetersäure,
eignet sich aber nicht für den Einsatz bei Temperaturen
oberhalb von 500°C unter aufkohlenden, sulfidierenden und
oxidierenden Bedingungen.
Aus der GB-PS 7 34 210 sind Nickel-Chrom-Legierungen bekannt, die
Nickel bzw. Nickel+Kobalt als Basis haben und mit
5-45% Cr, nicht mehr als 1% C, nicht mehr als 5% Ti, nicht
mehr als 5% Si und nicht mehr als jeweils 1% N, Ng, Co, Ca oder
seltene Erdmetalle legiert sind. Aus der GB-PS 7 03 483 sind ferner
Nickellegierungen bekannt, die 10-40% Co, 10-30% Cr,
2-18% Mo, 0,2-8,6% Al und 0,2-4,4% Ti enthalten. Aus
den Nickellegierungen werden insbesondere geschmiedete
Turbinenschaufeln hergestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Nickel-Basislegierung zu schaffen,
die unter aufkohlenden, sulfidierenden und oxidierenden Bedingungen,
inbesondere unter zyklischer Beanspruchung, Temperaturbereich
von 500 bis 1000°C ohne Einschränkung einsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine austenitische Nickel-Legierung,
bestehend aus (Angaben in Gew.-%)
Kohlenstoff|0,05 bis 0,15 | |
Silizium | 2,5 bis 3,0 |
Mangan | 0,2 bis 0,5 |
Phosphor | max. 0,015 |
Schwefel | max. 0,005 |
Chrom | 25 bis 30 |
Eisen | 20 bis 27 |
Aluminium | 0,05 bis 0,15 |
Calcium | 0,001 bis 0,005 |
Seltene Erden | 0,05 bis 0,15 |
Stickstoff | 0,05 bis 0,20 |
Rest Nickel und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Die erfindungsgemäße Legierung eignet sich vorteilhaft als Werkstoff
zur Herstellung von Gegenständen, die bei Temperaturen im Bereich
von 500 bis 1000°C, insbesondere bei zyklischer Beanspruchung, beständig
sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung und Oxidation.
Sie wird bevorzugt eingesetzt als Werkstoff zur Herstellung von Anlagen
zur thermischen Müllentsorgung oder zur Kohlevergasung und
Teilen davon. Insbesondere bei der Müllentsorgung in Verbrennungsanlagen
werden die Ofenteile stark durch wechselnde Temperaturen beim
Auf- und Abheizen sowie durch Schwankungen in der Abgaszusammensetzung
zyklisch beansprucht.
Sie ist auch hervorragend geeignet als Werkstoff für Heizleiter, bei
denen es in erster Linie auf eine gute Oxidationsbeständigkeit bei
Temperaturen bis 1000°C ankommt.
Da in Öfen, wie Brennöfen, die Heizgase stark aufkohlend auf Ofen
einbauteile wirken, und außerdem je nach verwendetem Brennstoff Kontaminationen
durch Schwefel auftreten können, kann die erfindungsgemäße
Legierung ohne Einschränkung als Werkstoff zur Herstellung von
thermisch beanspruchten Ofeneinbauteilen, wie Stützgerüste für
Brennöfen, Transportschienen und Transportbänder eingesetzt werden.
Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nickel-Legierung
werden erreicht durch:
- - die Festlegung des Kohlenstoffgehaltes auf 0,05-0,15 Gew.-% in Verbindung mit Stickstoffgehalten von 0,05-0,20 Gew.-% ist ursächlich für die gute Warm- und Zeitstandfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung.
- - Siliziumgehalte von 2,5-3,0 Gew.-% in Verbindung mit 25-30 Gew.-% Chrom wirken sich günstig auf die Sulfidierungsbeständigkeit aus. Außerdem ist bei diesen Siliziumgehalten eine noch ausreichende Warmverformbarkeit durch Walzen und Schmieden gegeben. Die gewählten Siliziumgehalte beeinträchtigten ebenfalls nicht die Schweißbarkeit des Werkstoffes.
- - Der hohe Nickelgehalt, im Durchschnitt 45-50 Gew.-%, in Verbindung mit 2,5-3,0 Gew.-% Silizium bedingt die Beständigkeit in stark aufkohlenden Medien.
- - Die Chromgehalte von 25-30 Gew.-% in Verbindung mit einem Calciumgehalt von 0,001-0,005 Gew.-%, sowie einem Gehalt an Seltenen Erden (wie Cer, Lanthan und den anderen Elementen der Gruppe der Aktiniden und Lanthanoiden) in Höhe von insgesamt 0,05-0,15 Gew.-% bewirken eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit, insbesondere unter zyklisch/thermischen Betriebsbedingungen, durch den Aufbau einer dünnen, gut haftenden und schützenden Oxidschicht.
- - Die Eisengehalte von 20-27 Gew.-% ermöglichen den Einsatz von preiswerten Ferro-Nickel-Einsatzstoffen bei der Erschmelzung der Legierung.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Nickel-Legierung (Leg. A) im
Vergleich zur bekannten Legierung 2.4856 (Leg. B) näher erläutert.
Die Ist-Analysen der Vergleichslegierungen A und B sind in Tabelle 1
aufgeführt (Angaben in Gew.-%)
Fig. 1 zeigt das Aufkohlungsverhalten der Leg. A im Vergleich zu
Leg. B.
Dargestellt ist hier die spezifische Massenänderung in g/m² über der
Zeit in Stunden. Das Prüfmedium war ein Gasgemisch aus CH₄/H₂ mit
einer Kohlenstoffaktivität von ac=0,8. Die Prüftemperatur betrug
1000°C. Die Prüfung erfolgte zyklisch, d. h. bei einer Zyklus-Dauer
von 24 Stunden betrug die Haltezeit auf Prüftemperatur 16 Stunden
bei insgesamt 8 Stunden Auf- und Abziehen.
Die erfindungsgemäße Leg. A zeichnet sich durch eine deutliche geringere
Massenzunahme aus gegenüber der Vergleichslegierung B.
Fig. 2 Diese Darstellung entspricht in Ausführung und Versuchsdurchführung
der Darstellung in Fig. 1. Lediglich das Versuchsmedium war in diesem
Fall Stickstoff +10% SO₂ bei 750°C zur Prüfung der Sulfidierungsbeständigkeit.
Auch in diesem Test ergibt sich eine Überlegenheit
von Leg. A gegenüber Leg. B mit Bezug auf die Massenänderung.
Fig. 3 beschreibt das zyklische Oxidationsverhalten der Vergleichswerkstoffe
A und B in Luft bei 1000°C. Die Versuchsbedingungen und
die Darstellung der Ergebnisse entsprechen Fig. 1.
Das deutlich verbesserte Oxidationsverhalten der erfindungsgemäßen
Leg. A unter zyklischer Temperaturbeaufschlagung ist ersichtlich aus
der selbst nach mehr als 1000 Stunden Prüfzeit noch gemessenen Gewichtszunahme
[Massenänderung=(+)], was ein Beweis für das Vorhandensein
einer gut haftenden Oxidschicht ist.
Die Massenverluste der Vergleichslegierung B [Massenänderung=(-)]
bedeuten, daß diese Legierung unter den vorliegenden oxidierenden
Bedingungen starke Zunderabplatzungen aufweist, somit beim praktischen
Einsatz versagt.
Claims (6)
1. Hitzebeständige warmverformbare austenitische Nickel-Legierung,
bestehend aus (in Gew.-%)
Kohlenstoff|0,05 bis 0,15
Silizium 2,5 bis 3,0
Mangan 0,2 bis 0,5
Phosphor max. 0,015
Schwefel max. 0,005
Chrom 25 bis 30
Eisen 20 bis 27
Aluminium 0,05 bis 0,15
Calcium 0,001 bis 0,005
Seltene Erden 0,05 bis 0,15
Stickstoff 0,05 bis 0,20
Rest Nickel und übliche erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
2. Verwendung einer austenitischen Nickel-Legierung nach Anspruch
1 als Werkstoff zur Herstellung von Gegenständen, die bei Temperaturen
im Bereich von 500 bis 1000°C, insbesondere bei zyklischer
Beanspruchung, beständig sein müssen gegen Aufkohlung, Sulfidierung
und Oxidation.
3. Verwendung einer austenitischen Nickel-Legierung nach den Ansprüchen
1 bis 2 als Werkstoff zur Herstellung von Anlagen zur thermischen
Müllentsorgung und Teilen solcher Anlagen.
4. Verwendung einer austenitischen Nickel-Legierung nach den Ansprüchen
1 bis 2 als Werkstoff zur Herstellung von Anlagen zur Kohlevergasung
und Teilen solcher Anlagen.
5. Verwendung einer austenitischen Nickel-Legierung nach den Ansprüchen
1 bis 2 als Werkstoff für Heizleiter.
6. Verwendung einer Nickel-Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 2
als Werkstoff zur Herstellung von Ofen-Einbauteilen, wie Stützgerüste
für Brennöfen, Transportschienen und -bänder.
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