DE69531532T2

DE69531532T2 - Aluminium enthaltende Legierungen auf Eisenbasis, brauchbar für elektrische Widerstandsheizelemente

Info

Publication number: DE69531532T2
Application number: DE69531532T
Authority: DE
Inventors: Vinod K. Oak Ridge Sikka; Seetharama C. Oak Ridge Deevi; Grier S. Midlothian Fleischhauer; Mohammad R. Richmond Hajaligol; Clifton A. Jr. Chesterfield Lilly
Original assignee: Chrysalis Technologies Inc
Current assignee: Philip Morris USA Inc
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2015-12-22
Also published as: DE69531532D1; CN1063495C; EP0719872A1; HK1013851A1; CN1132798A; JPH08253844A; ATE247722T1; KR100409260B1; MY113112A; US5595706A; JP4116677B2; EP0719872B1

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen aluminiumhaltige Legierungen auf Eisenbasis, die als elektrische Widerstandsheizelemente nützlich sind.
Hintergrund der Erfindung
Aluminium enthaltende Legierungen auf Eisenbasis können geordnete und ungeordnete raumzentrierte Kristallstrukturen haben. Beispielsweise enthalten Eisenaluminidlegierungen mit intermetallischen Legierungszusammensetzungen Eisen und Aluminium in verschiedenen atomischen Anteilen, wie z. B. Fe₃Al, FeAl, FeAl₂, FeAl₃ und Fe₂Al₅. Intermetallische Fe₃Al-Eisenaluminide mit einer raumzentrierten Kristallstruktur werden in den US-Patenten Nr. 5.320.802; Nr. 5.158.744; Nr. 5.084.109 und Nr. 4.961.903 offengelegt. So geordnete Kristallstrukturen enthalten allgemein 25 bis 40 Atomprozent Al und Legierungszusätze wie Zr, B, Mo, C, Cr, V, Nb, Si und Y.
Im US-Patent Nr. 5.238.645 wird eine Eisenaluminidlegierung mit einer ungeordneten raumzentrierten Kristallstruktur offengelegt, wobei die Legierung in Gewichtsprozent 8–9,5 Al, ≤ 7 Cr, ≤ 4 Mo, ≤ 0,05 C, ≤ 0,5 Zr und ≤ 0,1 Y, vorzugsweise 4,5–5,5 Cr, 1,8–2,2 Mo, 0,02– 0,032 C und 0,15–0,25 Zr enthält. Mit Ausnahme von drei binären Legierungen mit 8,46, 12,04 bzw. 15,90 Gew.-% Al enthalten alle der im Patent 5.238.645 offengelegten spezifischen Legierungszusammensetzungen mindestens 5 Gew.-% Cr. Des Weiteren gibt das Patent 5.238.645 an, dass die Legierungselemente die Festigkeit, Raumtemperaturduktilität, Beständigkeit gegen zyklische Oxidation, Feuchtkorrosionsbeständigkeit und Beständigkeit gegen Lochfraß verbessern. Das Patent 5.238.645 bezieht sich nicht auf elektrische Widerstandsheizelemente und spricht Eigenschaften wie die Temperaturwechselbeständigkeit, den spezifischen elektrischen Widerstand oder die Hochtemperatur-Durchbiegefestigkeit nicht an.
Im US-Patent Nr. 3.026.197 und dem kanadischen Patent Nr. 648.140 werden Legierungen auf Eisenbasis offenbart, die 3– 18 Gew.-% Al, 0,05–0,5 Gew.-% Zr, 0,01–0,1 Gew.-% B und wahlweise Cr, Ti und Mo enthalten. Zr und B werden zur Kornverfeinerung angegeben, der bevorzugte Al-Gehalt ist 10– 18 Gew.-% und die Legierungen werden als Oxidationsbeständigkeit und üerarbeitbarkeit besitzend beschrieben. Wie das Patent 5.238.645 beziehen sich auch das Patent 3.026.197 und das kanadische Patent nicht auf elektrische Widerstandsheizelemente und sprechen Eigenschaften wie Temperaturwechselbeständigkeit, spezifischen elektrischer. Widerstand oder Hochtemperatur-Durchbiegefestigkeit nicht an.
US-Patent Nr. 3.676.109 offenbart eine Legierung auf Eisenbasis, die 3–10 Gew.-% Al, 4–8 Gew.-% Cr, ungefähr 0,5 Gew.-% Cu, weniger als 0,05 Gew.-% C, 0,5–2 Gew.-% Ti und wahlweise Mn und B enthält. Das Patent 3.676.109 beschreibt, dass das Cu die Beständigkeit gegen Rostfleckenbildung verbessert, Cr die Versprödung vermeidet und das Ti für Aushärtung sorgt. Das Patent 3.676.109 gibt an, dass die Legierungen für Ausrüstungen für die chemische Bearbeitung nützlich sind. Alle der spezifischen Beispiele, die in dem Patent 3.676.109 beschrieben werden, weisen 0,5 Gew.-% Cu und wenigstens 1 Gew.-% Cr auf, wobei die bevorzugten Legierungen einen Al- und Cr-Gesamtanteil von wenigstens 9 Gew.-%, einen Cx- oder Al-Mindestanteil von wenigstens 6 Gew.-% und eine Differenz zwischen dem Al- und dem Cr-Gehalt von weniger als 6 Gew.-% haben. Das Patent 3.676.109, wie das Patent 5.238.645, bezieht sich aber nicht auf elektrische Widerstandsheizelemente und spricht Eigenschaften wie die Temperaturwechselbeständigkeit, den spezifischen elektrischen Widerstand oder die Hochtemperatur- Durchbiegefestigkeit nicht an.
Aluminiumhaltige Legierungen auf Eisenbasis zur Verwendung als elektrische Widerstandsheizelemente werden in den US-Patenten Nr. 1.550.508; Nr. 1.990.650 und Nr. 2.768.915 und im kanadischen Patent Nr. 648.141 offenbart. Die im Patent 1.550.508 beschriebenen Legierungen haben 20 Gew.-% Al, 10 Gew.-% Mn; 12–15 Gew.-% Al, 6–8 Gew.-% Mn oder 12–16 Gew.-% Al, 2–10 Gew.-% Cr. Alle der spezifischen Beispiele, die im Patent 1.550.508 beschrieben werden, haben wenigstens 6 Gew.-% Cr und wenigstens 10 Gew.-% Al. Die im Patent 1.990.650 beschriebenen Legierungen haben 16–20 Gew.-% Al, 5–10 Gew.-% Cr, ≤ 0,05 Gew.-% C, ≤ 0,25 Gew.-% Si, 0,1–0,5 Gew.-% Ti, ≤ 1,5 Gew.-% Mo und 0,4–1,5 Gew.-% Mn und das einzige spezifische Beispiel enthält 17,5 Gew.-% Al, 8,5 Gew.-% Cr, 0,44 Gew.-% Mn, 0,36 Gew.-% Ti, 0,02 Gew.-% C und 0,13 Gew.-% Si. Die im Patent 2.768.915 beschriebenen Legierungen haben 10 –18 Gew.-% Al, 1–5 Gew.-% Mo, Ti, Ta, V, Cb, Cr, Ni, B und w und das einzige spezifische Beispiel enthält 16 Gew.-% Al und 3 Gew.-% Mo. Die im kanadischen Patent beschriebenen Legierungen haben 6–11 Gew.-% Al, 3–10 Gew.-% Cr, ≤ 4 Gew.-% Mn, ≤ 1 Gew.-% Si, ≤ 0,4 Gew.-% Ti, ≤ 0,5 Gew.-% C, 0,2–0,5 Gew.-% Zr und 0,05–0,1 Gew.-% B und die einzigen spezifischen Beispiele enthalten wenigstens 5 Gew.-% Cr.
Widerstandsheizvorrichtungen aus verschiedenen Werkstoffen werden im US-Patent Nr. 5.249,586 und in den US-Patentanmeldungen Nr. 07/943.504, Nr. 08/118.665, Nr. 08/105.346 und Nr. 08/224.448 beschrieben.
US-Patent Nr. 4.334.923 offenbart eine für Katalysatoren nützliche kaltwalzbare oxidationsbeständige Legierung auf Eisenbasis, die s 0,05% C, 0,1–2% Si, 2–8% Al, 0,21–1 % Y, < 0,009% P, < 0,006% S und < 0,009% O enthält.
Das US-Patent Nr. 4.684.505 beschreibt eine warmfeste Legierung auf Eisenbasis, die 10–22% Al, 2–12% Ti, 2– 12% Mo, 0,1–1,2% Hf, ≤ 1,5% Si, ≤ 0,3% C, ≤ 0,2% B, ≤ 1,0% Ta, ≤ 0,5% W, ≤ 0,5% V, ≤ 0,5% Mn, ≤ 0,3% Co, ≤ 0,3 Nb und s 0,2% La enthält. Das Patent 4.684.505 beschreibt eine spezifische Legierung mit 16% Al, 0,5% Hf, 4% Mo, 3 Si, 4% Ti und 0,2% C.
Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 53-119721 offenbart eine haltbare Legierung mit hoher magnetischer Permeabilität, die eine gute Verarbeitbarkeit hat und 1,5–17 % Al, 0,2–15% Cr und insgesamt 0,01–8% aus wahlweisen Zusätzen von < 4% Si, < 8% Mo, < 8% W, < 8% Ti, < 8% Ge, < 8% Cu, < 8% V, < 8% Mn, < 8% Nb, < 8% Ta, < 8% Ni, < 8 % Co, < 3% Sn, < 3% Sb, < 3% Be, < 3% Hf, < 3% Zr, < 0,5 % Pb und < 3% seltene Erdmetalle enthält. Mit Ausnahme einer Legierung aus 16% Al und dem Rest Fe weisen alle der spezifischen Beispiele in der japanischen Patentanmeldung Nr. 53-119721 wenigstens 1% Cr auf und mit Ausnahme einer Legierung aus 5% Al, 3% Cr und dem Rest Fe weisen die übrigen Beispiele in der japanischen Patentanmeldung Nr. 53-119721 ≥ 10% Al auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung sieht eine Legierung auf Eisenbasis vor, die als ein elektrisches Widerstandsheizelement nützlich ist. Die Legierung hat eine ungeordnete kubisch-raumzentrierte Struktur und eine bessere Raumtemperaturduktilität, bessere Beständigkeit gegen thermische Oxidation, bessere Temperaturwechselbeständigkeit, einen besseren spezifischen elektrischen Widerstand, eine bessere Kalt- und Warmfestigkeit und eine bessere Hochtemperatur-Durchbiegefestigkeit hat. Außerdem hat die Legierung vorzugsweise eine niedrige Temperaturleitfähigkeit. Die Legierung umfasst in Gewichtsprozent 4–9,5% Al, 0,5–2,0% Ti, 0,5–2% Mo, 0,1–0,8% Zr, 0,01–0,5% C, Rest Fe.
Gemäß verschiedenen bevorzugten Aspekten der Erfindung kann die Legierung Cr-frei, Mn-frei, Si-frei und/oder Ni-frei sein. Die Legierung hat vorzugsweise ein vollkommen ferritisches, austenitfreies Mikrogefüge, das frei von isolationsverbessernden Keramikteilchen wie SiC, SiN usw. ist. Die Legierung kann ≤ 2% Si, ≤ 30% Ni, ≤ 0,5% Y, ≤ 0,1% B, ≤ 1% Nb und ≤ 1% Ta aufweisen. Bevorzugte Legierungen haben 8,0–9,0% Al, 0,75–1,5% Ti, 0,75–1,5% Mo, 0,15–0,75% Zr und 0,05–0,35% C; 0,8–9,0% Al, 0,75–1,25% Ti, 0,75 –1,25% Mo, 0,2–0,6% Zr, 0,03–0,9% C und 0,01–0,1 Y; 8,0–9,0% Al, 0,75–1,25% Ti, 0,75–1,25% Mo, 0,1– 0,3% Zr, 0,01%–0,1% C, 0,25–0,75% Nb, 0,25–0,75% Ta und 0,01–0,1% Y; 8,0–9,0% Al, 0,75–1,25% Ti, 0,75– 1,25% Mo, 0,5–0,75% Zr, 0,05–0,15% C und 0,01–0,2% Si; und 8,0–9,0% Al, 0,05 – 0,15% Si, 0,75–1,25% Ti, 0,75–1,25% Mo, 0,1–0,3% Zr und 0,2–0,4% C.
Die Legierung kann verschiedene Eigenschaften haben, wie folgt. Beispielsweise kann die Legierung ein elektrisches Widerstandsheizelement für Produkte wie Heizgeräte, Toaster, Anzünder usw. umfassen, wobei die Legierung einen spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur von 80–300 μΩcm hat, vorzugsweise 90–200 μΩcm. Die Legierung erwärmt sich vorzugsweise in weniger als 1 Sekunde auf 900°C, wenn eine Spannung bis zu 10 Volt und bis zu 6 Ampere durch die Legierung geleitet wird. Wenn sie in Luft drei Stunden lang auf 1000°C erwärmt wird, weist die Legierung vorzugsweise eine Gewichtszunahme von weniger als 4% auf. Die Legierung kann während eines Erwärmungszyklus zwischen Umgebungstemperatur und 900°C durchgehend einen Widerstand von 0,05 bis 7 Ω haben. Die Legierung weist vorzugsweise eine Temperaturwechselbeständigkeit ohne Bruch von über 10.000 Zyklen auf, wenn sie für 0,5 bis 5 Sekunden von Raumtemperatur auf 1000°C erwärmt wird.
Bezüglich der mechanischen Eigenschaften hat die Legierung ein hohes Festigkeit-Gewicht-Verhältnis (d. h. eine hohe spezifische Festigkeit) und sollte eine Raumtemperaturduktilität von mindestens 3% aufweisen. Beispielsweise kann die Legierung eine Raumtemperatureinschnürung von mindestens 14% aufweisen und eine Raumtemperaturdehnung von mindestens 15%. Die Legierung weist vorzugsweise eine Raumtemperaturfließgrenze von mindestens 350 N/mm² (50 ksi) und eine Raumtemperaturzugfestigkeit von mindestens 550 N/mm² (80 ksi) auf. Bezüglich Hochtemperatureigenschaften weist die Legierung vorzugsweise eine Hochtemperatureinschnürung bei 800°C von mindestens 30%, eine Hochtemperaturdehnung bei 800°C von mindestens 30%, eine Hochtemperaturfließgrenze bei 800°C von mindestens 80 N/mm² (7 ksi) und eine Hochtemperaturzugfestigkeit bei 800°C von mindestens 70 N/mm² (10 ksi) auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf Eigenschaften einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur;
2 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf Raumtemperatur- und Hochtemperatureigenschaften einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis;
3 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf die Beanspruchung auf Dehnung bei hoher Temperatur einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis;
4 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf Bruchdehnungseigenschaften (Zeitstandwerte) einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis;
5 zeigt die Wirkung von Änderungen des Si-Gehalts auf Festigkeitseigenschaften gegen Zug einer Al- und Sihaltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur;
6 zeigt die Wirkung von Änderungen des Ti-Gehalts auf Eigenschaften einer Al- und Ti-haltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur, und
7 zeigt die Wirkung von Änderungen des Ti-Gehalts auf Zeitstandfestigkeitswerte einer Ti-haltigen Legierung auf Eisenbasis.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte aluminiumhaltige Legierungen auf Eisenbasis, die 4 bis 9,5 Gewichtsprozent (Gew.-%) Aluminium enthalten und durch feste Lösungen (Mischkristalle) von Aluminium in einer ungeordneten kubisch-raumzentrierten Kristallgitterstruktur definiert sind. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise ferritisch mit einem austenitfreien Mikrogefüge und enthalten ein oder mehrere Legierungselemente, die aus Molybdän, Titan, Kohlenstoff und einem Karbidbildner (wie z. B. Zirkon, Niobium und/oder Tantal) ausgewählt sind, der in Verbindung mit dem Kohlenstoff zum Bilden von Karbidphasen innerhalb der Mischkristallmatrix zum Zweck des Korngrößebegrenzung und der Ausscheidungsverfestigung verwendbar ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass dadurch, dass die Aluminiumkonzentration in den Fe-Al-Legierungen in dem schmalen Bereich von 4 bis 9,5 Gewichtsprozent (Nennwert) gehalten wurde, die Fe-Al-Legierungen, wenn sie geschmiedet wurden, so abgestimmt werden konnten, dass sie ausgewählte Raumtemperaturduktilitäten auf einem wünschenswerten Grad bereitstellten, indem die Legierungen in einer geeigneten Atmosphäre bei einer ausgewählten Temperatur von mehr als ungefähr 700°C (z. B. 700° –1100°C) geglüht wurden und die Legierungen dann mit Luft gekühlt oder mit Öl abgeschreckt wurden, während die Fließgrenze und spezifische Festigkeit gegen Zug, Oxidationsbeständigkeits-, Feuchtkorrosionseigenschaften beibehalten wurden, die im Vergleich mit mehr als 9,5 Gewichtsprozent Aluminium enthaltenden Fe-Al-Legierungen besser abschneiden.
Bei Aluminiumkonzentrationen unter ungefähr 4 Gew.-% esitzen die resultierenden Fe-Al-Legierungen eine gute Raumtemperaturduktilität, enthalten aber nicht genug Aluminium für eine akzeptable Oxidationsbeständigkeit. weil in Legierungen mit weniger als 4 Gew.-% Aluminium mehr Eisen vorhanden ist, fällt die Zugfestigkeit der Legierungen wegen der Anwesenheit von zusätzlichem Eisen auch dramatisch ab, sodass die Legierung für viele Anwendungen, die für die Fe-Al-Legierungen erwünscht sind, ungeeignet wird. Andererseits kommt es bei Aluminiumkonzentrationen von mehr als 9,5 Gew.-% in der Fe-Al-Legierung zur Ausrichtung der Kristallphasen, um darin Versprödung zu induzieren, was die Raumtemperaturduktilität verringert.
Die Fe-Al-Legierungen der vorliegenden Erfindung enthalten vorzugsweise ein oder mehrere ausgewählte Legierungselemente zur Verbesserung der Festigkeit, der Raumtemperaturduktilität, der Oxidationsbeständigkeit, der Feuchtkorrosionsbeständigkeit, der Beständigkeit gegen Lochfraß, der Temperaturwechselbeständigkeit, des spezifischen elektrischen Widerstands, der Hochtemperatur-Durchbiegefestigkeit und der Beständigkeit gegen Gewichtszunahme.
Wenn Molybdän als einer der Legierungsbestandteile verwendet wird, ist es in einem wirksamen Bereich von mehr als zufälligen Unreinheiten bis zu ungefähr 5,0%, wobei die wirksame Menge ausreicht, um das Härten der festett Lösung der Legierung und die Dauerfestigkeit der Legierung in hohen Temperaturen zu fördern. Die Konzentration des Molybdäns kann von 0,25 bis 4,25% reichen und liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,75 bis 1,50%. Größere Molybdänzusätze als ungefähr 2,0% beeinträchtigen die Raumtemperaturduktilität auf Grund des relativ großen Ausmaßes an Mischkristallhärtung, das durch das Vorhandensein von Molybdän in solchen Konzentrationen verursacht wird.
Titan wird in einer zum Verbessern der Zeitstandfestigkeit der Legierung wirksamen Menge zugesetzt und kann in Mengen bis zu 3% vorhanden sein. Die Titankonzentration liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,75 bis 1,25%.
Wenn Kohlenstoff und der Karbidbildner in der Legierung verwendet werden, ist der Kohlenstoff in einer wirksamen Menge vorhanden, die von mehr als zufälligen Unreinheiten bis zu ungefähr 0,75% reicht, und der Karbidbildner ist in einer wirksamen Menge vorhanden, die von mehr als zufälligen Unreinheiten bis zu ungefähr 1,0% reicht. Die wirksame Menge des Kohlenstoffs und des Karbidbildners ist jeweils ausreichend, um zusammen für die Bildung ausreichender Karbide zum Begrenzen des Kornwachstums in der Legierung zu sorgen, während sie steigenden Temperaturen ausgesetzt wird. Die Karbide sorgen auch für etwas Ausscheidungsverfestigung in den Legierungen. Die Konzentration des Kohlenstoffs und des Karbidbildners in der Legierung kann so sein, dass der Karbidzusatz ein stöchiometrisches oder fast stöchiometrisches Kohlenstoff-Karbidbildner-verhältnis ergibt, sodass in der fertigen Legierung im Wesentlichen kein überschüssiger Kohlenstoff übrigbleibt. Ein Überschuss eines Karbidbildners wie zirkon in der Legierung ist insofern nützlich, als er zum Bilden eines spallationsbeständigen Oxids während thermischer Hochtempexatur-Wechselbelastung in Luft beiträgt. Wegen der Bildung von zur freiliegenden Oberfläche der Legierung senkrechten Oxideinschlüssen, die die Oberflächenoxide festsetzt, während Hf Oxideinschlüsse bildet, die parallel zur Oberfläche sind, ist Zirkon effektiver als Hf.
Die Kohlenstoffkonzentration liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,03% bis ungefähr 0,3%. Zu den Karbidbildnern gehören karbidbildende Elemente wie Zirkon, Niobium, Tantal und Hafnium und Kombinationen dieser. Der Karbidbildner ist vorzugsweise Zirkon in einer Konzentration, die zum Hilden von Karbiden bei in der Legierung anwesendem Kohlenstoff ausreicht, wobei diese Menge im Bereich von ungefähr 0,02% bis 0,6% liegt. Die Konzentrationen für Niobium, Tantal und Hafnium, wenn sie als Karbidbildner verwendet werden, entsprechen im Wesentlichen denen des Zirkons.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Legierungselementen ist die Verwendung einer wirksamen Menge von Yttrium, wie z. B. ungefähr 0,1%, in der Legierungszusammensetzung von Nutzen, da festgestellt wurde, dass Yttrium die Oxidationsbeständigkeit einer Legierung auf einen größeren Grad als den in zuvor bekannten Eisen-Aluminium-Legierungssystemen erreichbaren verbessert.
Zusätzliche Elemente, die den erfindungsgemäßen Legierungen zugesetzt werden können, beinhalten Si, Ni und B. Beispielsweise können kleinen Mengen Si bis zu 2,0% die Kaltund Warmfestigkeit verbessern, die Raumtemperatur- und die Hochtemperaturduktilität der Legierung werden aber durch Zusätze von Si von über 0,25 Gew.-% beeinträchtigt. Zusetzen von bis zu 30 Gew.-% Ni kann die Festigkeit der Legierung über Zweitphasenverfestigung verbessern, Ni erhöht aber die Kosten der Legierung und kann die Raum- und die Hochtemperaturduktilität verringern und so besonders bei hohen Temperaturen zu Fertigungsschwierigkeiten führen. Kleine Mengen B können die Duktilität der Legierung verbessern und B kann in Kombination mit Ti und/oder Zr verwendet werden, um Titan- und/oder Zirkoniumboridaushärtungen zur Kornverfeinerung zu erzeugen. Die Wirkungen auf Al, Si und Ti werden in den 1–7 gezeigt.
1 zeigt die Wirkung von Änderungen. des Al-Gehalts auf Eigenschaften einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur. Im Besonderen zeigt 1 Zugfestigkeits-, Fließgrenzen-, Einschnürungs-, Dehnungs- und Rockwell-A-Härtewerte für Legierungen auf Eisenbasis, die bis zu 20 Gew.-% Al enthalten.
2 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf Hochtemperatureigenschaften einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis. Im Besonderen zeigt 2 Zugfestigkeits- und Proportionalitätsgrenzwerte bei Raumtemperatur, 450°C (800°F), 550°C (1000°F), 650°C (1200°F) und 750°C (1350°F) für Legierungen auf Eisenbasis, die bis zu 18 Gew.-% Al enthalten.
3 zeigt die Wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf die Beanspruchung auf Dehnung bei hoher Temperatur einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis. 3 zeigt die Beanspruchung auf 1/2% Dehnung und die Beanspruchung auf 2% Dehnung in einer Stunde für Legierungen auf Eisenbasis, die bis zu 15–16 Gew.-% Al enthalten.
4 zeigt die wirkung von Änderungen des Al-Gehalts auf Zeitstandwerte einer aluminiumhaltigen Legierung auf Eisenbasis. Im Besonderen zeigt 4 die Bruchdehnung in 100 h und 1000 h für Legierungen auf Eisenbasis, die bis zu 15– 18 Gew.-% Al enthalten.
5 zeigt die Wirkung von Änderungen des Si-Gehalts auf Festigkeitseigenschaften gegen Zug einer Al- und Sihaltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur. Im Besonderen zeigt 5 die Fließgrenzen-, Zugfestigkeits- und Dehnungswerte für Legierungen auf Eisenbasis, die 5, 7 oder 9 Gew.-% Al und bis zu 2,5 Gew.-% Si enthalten.
6 zeigt die Wirkung von Änderungen des Ti-Gehalts auf Eigenschaften einer Al- und Ti-haltigen Legierung auf Eisenbasis bei Raumtemperatur. Im Besonderen zeigt 6 Zugfestigkeits- und Dehnungswerte für Legierungen auf Eisenbasis, die bis zu 12 Gew.-% Al und bis zu 3 Gew.-% Ti enthalten.
7 zeigt die Wirkung von Änderungen des Ti-Gehalts auf Zeitstandfestigkeitswerte einer Ti-haltigen Legierung auf Eisenbasis. Im Besonderen zeigt 7 Bruchdehnungswerte für bis zu 3 Gew.-% Ti enthaltende Legierungen auf Eisenbasis bei Temperaturen von 400 bis 750°C (700 bis 1350°F).
Die Fe-Legierungen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise durch Elektrolichtbogen-, Luftinduktions- oder Vakuuminduktionsschmelzen von pulverisierten und/oder festen Stücken der ausgewählten Legierungsbestandteile bei einer Temperatur von ungefähr 1600°C in einem/einer geeigneten, aus ZrO₂ oder dergleichen gebildeten Schmelztiegel/-rinne hergestellt. Die geschmolzene Legierung wird vorzugsweise in eine Form aus Graphit oder dergleichen in der Konfiguration eines gewünschten Produktes oder zum Bilden einer Charge der Legierung, die zum Bilden eines Legierungsartikels durch Bearbeiten der Legierung verwendet wird, gegossen.
Die Schmelze der zu bearbeitenden Legierung wird, falls benötigt, auf eine geeignete Größe zugeschnitten und dann durch Schmieden bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 900° bis 1100°C, Heißwalzen bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 750° bis 850°C, Warmwalzen bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 600° bis 700°C und/oder Kaltwalzen bei Raumtemperatur querschnittsgemindert.
In den folgenden Tabellen dargelegte Schmiedelegierungsproben wurden durch Elektrolichtbogenschmelzen der Legierungsbestandteile zum Bilden von Chargen der verschiedenen Legierungen hergestellt. Diese Chargen wurden in Stücke von 13 mm (0,5 Zoll) geschnitten, die bei 1000°C geschmiedet wurden, um die Dicke der Legierungsproben auf 10 mm (0,25 Zoll) (50% Minderung) zu reduzieren, dann bei 800°C heißgewalzt, um die Dicke der Legierungsproben weiter auf 1,5 mm (0,1 Zoll) (60% Minderung) zu reduzieren und dann bei 650°C warmgewalzt, um eine Enddicke von 0,76 mm (0,030 Zoll) (70% Minderung) für die hierin beschriebenen und getesteten Legierungsproben bereitzustellen. Für Zugversuche wurden die Proben aus 0,76-mm-Blech (0,030 Zoll) ausgestanzt, wobei eine Messlänge der Proben von 13 mm (1/2 Zoll) auf die Walzrichtung des Blechs ausgerichtet war.
Um die Zusammensetzungen der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Legierungen miteinander und mit anderen Fe-Al-Legierungen zu vergleichen, werden in Tabelle 1 Legierungszusammensetzungen gemäß der Erfindung und für Vergleichszwecke dargelegt. Tabelle 2 legt die Festigkeitsund Duktilitätseigenschaften bei niedrigen und hohen Temperaturen für ausgewählte Legierungszusammensetzungen in Tabelle 1 dar.
In Tabelle 3 werden Durchbiegefestigkeitsdaten für verschiedene Legierungen aufgeführt. Die Durchbiegeversuche wurden mit Hilfe von Streifen der verschiedenen Legierungen durchgeführt, die an einem Ende festgehalten oder an beiden Enden festgehalten wurden. Der Durchbiegungsbetrag wurde nach dem Erwärmen der Streifen bei 900°C in einer Luftatmosphäre für die angezeigten Zeiten gemessen.
In Tabelle 4 werden Zeitstandwerte für verschiedene Legierungen dargelegt. Die Zeitstandversuche wurden mit Hilfe eines Zugversuchs zum Bestimmen der Bruchbeanspruchung von Proben bei Versuchstemperatur in 10 h, 100 h und 1000 h durchgeführt.
TABELLE 1
TABELLE 1 (Fortsetzung)
TABELLE 2
Wärmebehandlungen von Proben

A: = 800°C/1 h/Luftkühlung
B: = 1050°C/2 h/Luftkühlung
C: = 1050°C/2 h in Vakuum
D: = wie gewalzt
E: = 815°C/1 h/mit Öl abgeschreckt
F: = 815°C/1 h/Ofenabkühlen

Legierungen 1–22 wurden mit einer Umformgeschwindigkeit von 5 mm/min. (0,2 Zoll/min) geprüft.
TABELLE 2 (Fortsetzung)
Wärmebehandlungen von Proben

Legierungen 1–22 wurden mit einer Umformgeschwindigkeit von 5 mm/min (0,2 Zoll/min) geprüft.
TABELLE 2 (Fortsetzung)
Wärmebehandlungen von Proben

A: = 800°C/1 h/Luftkühlung
H: = 1050°C/2 h/Luftkühlung
C: = 1050°C/2 h in Vakuum
D: = wie gewalzt
E: = 815°C/1 h/mit Öl abgeschreckt
F: = 815°C/1 h/Ofenabkühlen

Logierungen 1–22 wurden mit einer Umformgeschwindigkeit von 5 mm/min (0,2 Zoll/min) geprüft.
TABELLE 3
TABELLE 3 (Fortsetzung)
TABELLE 4
Das Vorangehende beschreibt die Grundsätze, bevorzugten Ausgestaltungen und Betriebsarten der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung darf aber nicht als auf die bestimmten besprochenen Ausgestaltungen begrenzt betrachtet werden. Die oben beschriebenen Ausgestaltungen sind daher nicht als einschränkend, sondern als veranschaulichend zu betrachten und es ist zu beachten, dass Facharbeiter Abweichungen in diesen Ausgestaltungen vornehmen können, ohne aus dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert wird, zu kommen.

Claims

Legierung auf Eisenbasis, die als ein elektrisches widerstandsheizelement nützlich ist und eine ungeordnete kubisch-raumzentrierte Struktur hat, wobei die Legierung eine bessere Raumtemperaturduktilität, bessere Beständigkeit gegen zyklische Oxidation, bessere Temperaturwechselbeständigkeit, einen besseren spezifischen elektrischen Widerstand und/oder eine bessere Hochtemperatur-Durchbiegefestigkeit hat und in Gewichtsprozent 4 bis 9,5% Al, 0,5 bis 3% Ti, 0,5 bis 5% Mo, 0,1 bis 0,8% Zr, 0,01 bis 0,75% C, ≤ 2% Si, ≤ 30% Ni, ≤ 0,5% Y, ≤ 0,1% B, ≤ 1% Nb und/oder ≤ 1% Ta und/oder ≤ 1 % Hf als Karbidbildner, Rest Fe und Unreinheiten umfasst.
Legierung auf Eisenbasis nach Anspruch 1 mit einem Mikrogefüge, das austenitfrei ist.
Legierung auf Eisenbasis nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einem vollkommen ferritischen Mikrogefüge.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend 8,0 bis 9,0% Al, 0,75 bis 1,5% Ti, 0,75 bis 1,5 % Mo, 0,15 bis 0,75% Zr, 0,05 bis 0,35% C, Rest Fe und Unreinheiten.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend 8,0 bis 9,0 ≤ Al, 0,75 bis 1,25% Ti, 0,75 bis 1,25% Mo, 0,03 bis 0,09% C, 0,01 bis 0,1% Y, Rest Fe und Unreinheiten.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend 8,0 bis 9,0% Al, 0,75 bis 1,25% Ti, 0,75 bis 1,25% Mo, 0,1 bis 0,3% Zr, 0,01 bis 0,1% C, 0,25 bis 0,75% Nb, 0,25 bis 0,75% Ta und 0,01 bis 0,1% Y, Rest Fe und Unreinheiten.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend 8,0 bis 9,0% Al, 0,75 bis 1,25% Ti, 0,75 bis 1,25% Mo, 0,5 bis 0,75% Zr, 0,05 bis 0,15% C und 0,01 bis 0,2% Si, Rest Fe und Unreinheiten.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend 8,0 bis 9,0% Al, 0,05 bis 0,15% Si, 0,75 bis 1,25% Ti, 0,75 bis 1,25% Mo, 0,1 bis 0,3% Zr und 0,2 bis 0,4% C, Rest Fe und Unreinheiten.
Legierung auf Fisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Raumtemperaturduktilität von mindestens 3 aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sich in weniger als 1 Sekunde auf 900°C erwärmt, wenn eine Spannung bis zu 10 Volt und bis zu 6 Ampere durch die Legierung geleitet wird.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Gewichtszunahme von weniger als 4% aufweist, wenn sie in Luft drei Stunden lang auf 1000°C erwärmt wird.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die während eines Erwärmungszyklus zwischen Umgebungstemperatur und 900°C durchgehend einen Widerstand von 0,05 bis 7 Ω hat.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die während eines Erwärmungszyklus zwischen Umgebungstemperatur und 900°C durchgehend einen spezifischen Widerstand von 80 bis 200 Ωcm hat.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Raumtemperatureinschnürung von mindestens 14% aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Raumtemperaturdehnung von mindestens 15% aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Raumtemperaturfließgrenze von mindestens 350 N/mm² (50 ksi) aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Raumtemperaturzugfestigkeit von mindestens 550 N/mm² (80 ksi) aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Hochtemperatureinschnürung bei 800°C von mindestens 30% aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Hochtemperaturdehnung bei 800°C von mindestens 30% aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Hochtemperaturfließgrenze bei 800°C von mindestens 50 N/mm² (7 ksi) aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Hochtemperaturzugfestigkeit bei 800°C von mindestens 70 N/mm² (10 ksi) aufweist.
Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Temperaturwechselbeständigkeit ohne Bruch von über 10.000 Zyklen aufweist, wenn sie in jedem der Zyklen jeweils für 0,5 bis 5 Sekunden von Raumtemperatur auf 1000°C erwärmt wird.
Elektrisches widerstandsheizehement mit einem spezifischen widerstand bei Raumtemperatur von SO bis 400 μΩcm, das aus einer Legierung auf Eisenbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.