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EP1381701B1 - Eisen-chrom-aluminium-legierung - Google Patents

Eisen-chrom-aluminium-legierung Download PDF

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Publication number
EP1381701B1
EP1381701B1 EP02730208A EP02730208A EP1381701B1 EP 1381701 B1 EP1381701 B1 EP 1381701B1 EP 02730208 A EP02730208 A EP 02730208A EP 02730208 A EP02730208 A EP 02730208A EP 1381701 B1 EP1381701 B1 EP 1381701B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
max
chromium
iron
alloy
aluminium alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02730208A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1381701A2 (de
Inventor
Heike Hattendorf
Jürgen WEBELSIEP
Hans-Joachim Balke
Michael Eckhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
VDM Metals GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp VDM GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10157749A external-priority patent/DE10157749B4/de
Application filed by ThyssenKrupp VDM GmbH filed Critical ThyssenKrupp VDM GmbH
Publication of EP1381701A2 publication Critical patent/EP1381701A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1381701B1 publication Critical patent/EP1381701B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/002—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing In, Mg, or other elements not provided for in one single group C22C38/001 - C22C38/60
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium

Definitions

  • the invention relates to a deformable, ferritic steel alloy.
  • Such alloys are used inter alia for the production of electrical Heating elements and catalyst supports used. These materials form one dense, adherent alumina layer that protects it from destruction. This Protection is improved by additions of so-called reactive elements such as for example, Ca, Ce, La, Y, Zr, Hf, Ti, Nb, which improve the adhesiveness and / or reduce layer growth, as described in the "Handbook of the High-temperature materials technology, Ralf Bürgel, Vieweg Verlag, Braunschweig 1998 ", from page 274 onwards.
  • the aluminum oxide layer protects the metallic material from faster Oxidation. At the same time she is growing herself, albeit very slowly. This growth takes place using consumption of the aluminum content of the material. Is not a Aluminum more present, so grow other oxides (chromium and iron oxides). The metal content of the material is consumed very quickly and the material failed. The time to failure means life. An increase in the Aluminum content thus extends the life.
  • EP-B 0387670 an alloy with (in mass%) 20 to 25% Cr, 5 to 8 % Al and additions of 0.03 to 0.08% yttrium 0.004 to 0.008% nitrogen, 0.020 to 0.040% carbon, as well as about equal parts 0.035 to 0.07% Ti and 0.035 to 0.07% zirconium, and max. 0.01% phosphorus, max. 0.01% magnesium, Max. 0.5% manganese, max. 0.005% sulfur, residual iron is addressed, the Sum of the contents of Ti and Zr in% from 1.75 to 3.5 times as large as the sum the contents of C and N in mass% as well as melting Impurities. Ti and Zr may be wholly or partially hafnium and / or Tantalum or vanadium are replaced.
  • EP-B 0290719 is an alloy with (in mass%) 12 to 30% Cr, 3.5 to 8% Al, 0.008 to 0.10% carbon, max. 0.8% silicon, 0.10 to 0.1% manganese, Max. 0.035% phosphorus, max. 0.020% sulfur, 0.1 to 1.0% molybdenum, max.
  • Nickel 1 % Nickel, and the additives 0.010 to 1.0% zirconium, 0.003 to 0.3% titanium and 0.003 to 0.3% nitrogen, calcium plus magnesium 0.005 to 0.05%, as well rare earth metals from 0.003 to 0.80%, nlob from 0.5%, remaining iron with usual Accompanying elements described, for example, as a wire for heating elements for electrically heated ovens and as a construction material for thermally loaded Parts and is used as a film for the preparation of catalyst supports.
  • the iron - chromium - aluminum alloy Cr Al 14 4 can indeed by the to about 4 to 4.5 mass% lowered aluminum content easier than the alloys described above with more than 5% by weight of aluminum. She shows, however still embrittlement, which increased to an Manufacturing costs during hot forming lead.
  • GB-A 476,115 is an iron alloy, in particular usable as electrical resistance, which includes the following elements: 6.1 - 30 % Cr, 3 - 12% Al, 0.07 - 0.2% C, ⁇ 4% Ti, balance Fe as well melting impurities.
  • the Ti content is in this case on the C content is bound to be not less than 3 times the C content should be.
  • Preferred ranges for Cr are> 8%, for Al> 5%, for C> 0.085 %.
  • the metal composite foil includes a carrier layer of ferritic steel strip, the both sides with a Outer layer of aluminum or an aluminum alloy is provided.
  • the Carrier layer is formed of an alloy with (in mass%) 16-25% Cr, Rare earths, Y or Zr, in contents between 0.01 - 0.1%, Fe remainder.
  • Femer Al may be added in levels between 2 and 6%. Preferred Cr contents are above 20%.
  • EP-A 0 402 640 discloses a stainless steel foil as a carrier element for catalysts and their preparation.
  • the film is formed from a Alloy of the following composition (in% by mass): 1.0 -20% Al, 5 - 30% Cr, Up to 2% Mn, up to 3% Si, up to 1% C, balance Fe and production-related Impurities.
  • Preferred ranges for Al are between 5.5 and 20%.
  • Y, Sc or rare earths can be added within limits of 0.3% wherein at least one of the elements Ti, Nb, Zr, Hf, V, Ta, Mo, W in Levels up to 2% can be provided. Contents ⁇ 4% Al require in this case Cr contents > 25%.
  • JP-A 06330248 is an alloy having the following composition from 2.5 to 4.5% Al, 9 to ⁇ 18% Cr, ⁇ 1% Si, ⁇ 1% Mn, ⁇ 0.02% C, ⁇ 0.02 % N, balance Fe.
  • a reactive element should Hf in limits of 0.01 - 0.2% to Get used.
  • JP-A 0611 6686 discloses an iron-chromium-aluminum alloy Composition: 1 - 6% Al, 10 - 28% Cr, ⁇ 1% Si, ⁇ 1.5% Mn, ⁇ 0.05% Ti + Nb, ⁇ 0.01% Ce, ⁇ 0.05% C, ⁇ 0.02% N, Fe as the remainder Zr in contents of 0.01 - 1.0% and La in contents of 0.01 - 0.2% be added.
  • JP-A 08269730 discloses an alloy of the following Composition: 3 - 8% Al, 9 - 30% Cr, ⁇ 1.0% Si, ⁇ 1.0% Mn, ⁇ 0.05% C, ⁇ 0.05% N, Fe as the remainder.
  • the alloy can have in excess of> 1% elements such as Nb, Ti, Zr, V, Hf, Mo, Ta and Co are added.
  • the invention is based on the object, a cost-effective iron-chromium-aluminum Alloy to provide a similar or better life as Cr Al 14 4 has, but even less brittleness and therefore improved Formability has, but at the same time the same technical functionality as Cr Al 14 has 4.
  • an iron-chromium-aluminum alloy with high durability with (in mass%) 2.5 to 3.0% aluminum and> 10 to ⁇ 20% Chromium and additions of 0.1 to 1% Si, max. 0.5% Mn, 0.01 to 0.2% yttrium and 0.01 to 0.2% Hf and / or 0.01 to 0.3% Zr, max. 0.01% Mg, max. 0.01% Ca, max. 0.08% carbon, max. 0.04% nitrogen, max. 0.04% phosphorus max.
  • DE-A-198 34 552 discloses: an iron-chromium-aluminum alloy as a metal foil for Schuleiterwiederplace or as a carrier for Catalytic converters is used, wherein the film has the following composition Al: 4-10%; Cr: 18-25%; Si: 0.5-1.5%; Y: 0:03 to 12:08%; Zr: 0:01 to 12:05%; Hf: 0.01-0.05%; Ti: max. 00:01% and balance Fe and common impurities. 0.01% sulfur, max. 0.05% copper and max. 0.1% molybdenum and / or Tungsten and production-related impurities, the rest iron
  • the Al content in limits of 2.5 - 3.55% and the Cr content in Set limits of 13 -17%.
  • a reduction in brittleness is most effective by reducing reach the aluminum content.
  • this has the disadvantage that the Specific electrical resistance also decreases and the service life decreases.
  • the brittleness is also due to chromium, silicon, carbon and nitrogen increased, which is why these elements are kept as low as possible should.
  • the same technical functionality for a heating conductor used for electrical Generation of heat is achieved when the surface power, the Power at the heating element, the total resistance of the heating element and the Service life of the heating element in any change of the material remains constant.
  • Diameter D B / D A 3 ⁇ B / ⁇ A
  • Length L B / L A 3 ⁇ A / ⁇ B
  • Weight M B / M A 3 ⁇ B / ⁇ A • ⁇ B / ⁇ A
  • the oxidation constant k is a measure of the quality of the oxide layer. At a Oxide layer with very good protective effect, k is smaller than a worse one Oxide layer. The smaller k is, the longer the life.
  • an alloy with the same functionality would have a minimum of 12% have longer life, to the disadvantage of smaller wire diameter to compensate. Additional lifetimes offer even more the advantage of a longer life, that is an improved functionality.
  • the subject invention is in addition to heating conductors for heating elements, eg. B. one Household appliance, or as a construction material in the furnace construction as a film, For example, used as a carrier film for catalysts.
  • Table 1 lists various iron-chromium-aluminum alloys, the table containing both large-scale and laboratory molten batches.
  • heating elements heating conductors
  • Lifetime tests to compare materials with each other, for example, with following conditions possible:
  • the test is carried out on wires with a diameter of 0.40 mm, from which Wire spirals with 12 turns, a spiral diameter of 4 mm and a Spiral length of 50 mm can be made.
  • the wire spirals are between 2 Power supply clamped and by applying a voltage up to 1200 ° C. heated. The heating takes place for 2 minutes, then the power supply for 15 Seconds interrupted. At the end of the life of the wire fails, that the remaining cross section melts through. As a lifetime, the Total time the wire was heated, without the break times indicated in the following burning time.
  • the large-scale batch T1 and the laboratory batches T2 and T3 represent the state technology for Cr Al 14 4, with (in% by mass) approx. 14.5% chromium, 4.5% Aluminum, about 0.3% manganese, about 0.2% silicon and as a reactive element 0.17 to 0.18% zirconium. They have 49-hour lifetimes for the lab batch T3, 63 hours for the laboratory batch T2 and 77 hours for the large-scale Batch T1.
  • Batches H1 to H6 are batches with an aluminum content of over 5 mass% and different additions of silicon, manganese, zirconium, Titanium, hafnium and yttrium and other admixtures such as calcium, Magnesium, carbon and nitrogen.
  • the laboratory batch K1 is compared to the laboratory batch according to the state of Technique T2 the aluminum content has been lowered from 4.5 to 3.55 mass%.
  • the Lifespan decreased, as expected, from 63 hours to 34 hours.
  • the batch M1 achieved with an aluminum content of 2.78% and a Zirconium content of 0.05% and a hafnium content of 0.03% and a Yttrium content of 0.02% a life of 92 hours.
  • the batch M2 achieved with an aluminum content of 2.71% and a zirconium content of 0.05% and a hafnium content of 0.03% and an yttrium content of 0.04% Life of 126 hours.
  • the batch M4 reaches with an aluminum content of 2.8% and a zirconium content of 0.03% and a hafnium content of 0.03 % and an yttrium content of 0.03%, a life of 85 hours.
  • the alloy according to the invention Additions of 0.01 to 0.08% yttrium, and / or 0.01 to 0.08% Hf and / or 0.01 to 0.08% Zr must contain.
  • Charge L1 shows that even with the addition of zirconium, hafnium and yttrium at a Aluminum content of 1.55% only reached a life of 9.3 hours becomes. Even Charge M3, despite the addition of zirconium, hafnium and yttrium at one Aluminum content of only 2.24% only a life of 72 hours, the in the range of batches according to the prior art.
  • the alloy according to the invention should therefore have an aluminum content of more than 2% to have.
  • Chromium contents between 14 and 17% have no significant effect on the lifetime as compared to the zirconium, hafnium and yttrium containing batches M1 with 14.85% chromium and 2.78% aluminum and batch L2 with 16.86% chromium and 2.55 % Aluminum shows.
  • a certain chromium content is necessary because chromium promotes the formation of the particularly stable and protective ⁇ - Al 2 O 3 layer.
  • the impact work is at room temperature, 50 ° C, 100 ° C and 150 ° C on DMV standards (See W. Domke, Maschinenstoff ambience and Material Testing, Verlag W. Gerardet, Essen, 1981, from page 336).
  • the Impact energy is low at a ferritic steel Temperatures occurring brittle fracture low (low position), in the case of higher Temperatures ductile, well deformable behavior high (high) with a steep rise within a few degrees from the low altitude to the high altitude. there can strongly spread the impact work in this area.
  • the temperature, at the transition from high to low is made Notch impact transition temperature.
  • a material is all the more brittle, depending the grain size is larger or in the case of the iron-chromium-aluminum materials, the higher the content of alloying elements such as aluminum, chromium, silicon, Nitrogen, carbon, phosphorus and sulfur is.
  • alloying elements such as aluminum, chromium, silicon, Nitrogen, carbon, phosphorus and sulfur is.
  • all notched specimens in Table 1 have a very large grain size of about 200 to 400 microns, which is very unfavorable. Therefore all samples are at room temperature in the low position, with the samples with the lowest aluminum content, the lowest chromium content and the lowest carbon content have the highest impact energy, as is the Batches M1, M2, M3, M4 and L1 show.
  • the batch M4 has a bit worse lower impact work than the batch M2 with a similar one Aluminum and chromium content, as it has a higher carbon content.
  • the Charge L2 has a slightly lower impact performance than the Charge M2, as it does has a higher chromium content. Similar to carbon, nitrogen, Phosphorus and sulfur, whose contents therefore advantageously kept low should be. It turns out that the aluminum content does not exceed 3.0% may be used to minimize the embrittling effect of aluminum hold.
  • the brittle behavior of the iron - chromium - Aluminum alloys is significantly reduced by lowering the Aluminum content to less than 3.0%.
  • This is additionally supported by low levels of silicon, carbon, nitrogen, phosphorus and sulfur.
  • the Carbon content is therefore limited to max. 0.08%, the nitrogen content to max. 0.04 %, the phosphorus content to max. 0.04% and the sulfur content to max. 0.01 Mass% limited.
  • Phosphorus and sulfur are additionally unfavorable on the life, so that the lowest possible content of these elements are also advantageous from this perspective.
  • the chromium content should be as low as be provided possible. Because of the life requirements can the silicon and chromium levels are not lowered to near zero, but must be at least 0.1% silicon and 10% chromium. It should but not more than 20% chromium and 1% silicon are added to one to achieve the lowest possible brittleness.
  • the alloy of the invention must be at least 10% larger Lifespan to have the disadvantage of smaller wire diameter too compensate.
  • the batches of the invention all at least one 50% longer life, brings the use of the alloy according to the invention additionally has the advantage of increased Lifespan.
  • Manganese is limited to 0.5% by weight, as this element reduces the oxidation resistance. The same applies to copper.

Landscapes

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Description

Die Erfindung betrifft eine verformbare, ferritische Stahllegierung.
Derartige Legierungen werden unter anderem zur Herstellung von elektrischen Heizelementen und Katalysatorträgern verwendet. Diese Werkstoffe bilden eine dichte, festhaftende Aluminiumoxidschicht, die sie vor Zerstörung schützt. Dieser Schutz wird verbessert durch Zugaben von sogenannten reaktiven Elementen wie beispielsweise Ca, Ce, La, Y, Zr, Hf, Ti, Nb, die die Haftfähigkeit verbessern und/oder das Schichtwachstum verringern, wie es im "Handbuch der Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Ralf Bürgel, Vieweg Verlag, Braunschweig 1998", ab Seite 274 beschrieben wird.
Die Aluminiumoxidschicht schützt den metallischen Werkstoff vor schneller Oxidation. Dabei wächst sie selbst, wenn auch sehr langsam. Dieses Wachstum findet unter Verbrauch des Aluminiumgehaltes des Werkstoffes statt. Ist kein Aluminium mehr vorhanden, so wachsen andere Oxide (Chrom- und Eisenoxide). Der Metallgehalt des Werkstoffes wird sehr schnell verbraucht und der Werkstoff versagt. Die Zeit bis zum Versagen heißt Lebensdauer. Eine Erhöhung des Aluminiumgehaltes verlängert somit die Lebensdauer.
In der DE-A 19928842 wird eine Legierung mit (in Masse-%) 16 bis 22 % Cr, 6 bis 10 % Al und Zugaben von 0,02 bis 1,0 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,02 bis 0,1 % Hf, 0,02 bis 0,1 % Y, 0,001 bis 0,01 % Mg, max. 0,02 % Ti, max. 0,03 % Zr, max. 0,02 % SE, max. 0,1 % Sr, max. 0,1, max. 0,5 % Cu, max. 0,1 % V, max. 0,1 % Ta, max. 0,1 % Nb, max. 0,03 % C, max. 0,01 % N, max. 0,01 % B, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für die Verwendung als Trägerfolie für Abgaskatalysatoren, als Heizleiter, als Bauteil im Industrieafenbau und In Gasbrennern beschrieben.
In der EP-B 0387670 wird eine Legierung mit (in Masse-%) 20 bis 25 % Cr, 5 bis 8 % Al und Zugaben von 0,03 bis 0,08 % Yttrium 0,004 bis 0,008 % Stickstoff, 0,020 bis 0,040 % Kohlenstoff, sowie zu etwa gleichen Teilen 0,035 bis 0,07 % Ti und 0,035 bis 0,07 % Zirkonium, und max. 0,01 % Phosphor, max. 0,01 % Magnesium, max. 0,5 % Mangan, max. 0,005 % Schwefel, Rest Eisen angesprochen, wobei die Summe der Gehalte an Ti und Zr in % 1,75 bis 3,5 mal so groß ist, wie die Summe der Gehalte an C und N in Masse % sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Ti und Zr kann ganz oder teilweise durch Hafnium und/oder Tantal oder Vanadium ersetzt werden.
In der EP-B 0290719 wird eine Legierung mit (in Masse-%) 12 bis 30 % Cr, 3,5 bis 8 % Al, 0,008 bis 0,10 % Kohlenstoff, max. 0,8 % Silizium, 0,10 bis 0,1 % Mangan, max. 0,035 % Phosphor, max. 0,020 % Schwefel, 0,1 bis 1,0 % Molybdän, max. 1 % Nickel, und den Zusätzen 0,010 bis 1,0 % Zirkonium, 0,003 bis 0,3 % Titan und 0,003 bis 0,3 % Stickstoff, Kalzium plus Magnesium 0,005 bis 0,05 %, sowie seltene Erdmetalle von 0,003 bis 0,80 %, Nlob von 0,5 %, Rest Eisen mit üblichen Begleitelementen beschrieben, die zum Beispiel als Draht für Heizelemente für elektrisch beheizte Öfen und als Konstruktionswerkstoff für thermisch belastete Teile sowie als Folie zur Herstellung von Katalysatorträgern verwendet wird.
In der US-A 4277374 wird eine Legierung mit (in Masse-%) bis zu 26 % Chrom, 1 bis 8 % Aluminium, 0,02 bis 2 % Hafnium, bis zu 0,3 % Yttrium, bis zu 0,1 % Kohlenstoff, bis zu 2 % Silizium, Rest Eisen, mit einem bevorzugten Bereich von 12 bis 22 % Chrom und 3 bis 6 % Aluminium abgehandelt, die als Folie zur Herstellung von Katalysatorträgern Verwendung findet.
Die obigen Druckschriften gehen von traditionellen Herstellungsverfahren, nämlich dem konventionellen Gießen der Legierung und dem anschließenden Warm- und Kaltverformen aus. Da diese Verfahren mit hohen Ausfällen u. a. durch Versprödungserscheinungen beim Warmwalzen verbunden sind, wurden in den letzten Jahren Alternativen entwickelt, bei welchen ein Chrom-Stahl, der reaktive Elemente enthält, mit Aluminium oder auch Aluminium-Legierungen beschichtet wird. Derartige Verbundwerkstoffe werden dann an Enddicke gewalzt und anschließend diffusionsgeglüht, wobei bei Einstellung geeigneter Glühparameter ein homogener Werkstoff entsteht.
Derartige Verfahren sind beispielsweise in den Druckschriften EP-B 0640390, EP-B 0204423 und WO 99/18251 beschrieben worden und sind hervorragend geeignet, die Verarbeitungsprobleme, für die Anwendungen, wo ein hoher Aluminiumgehalt technisch erforderlich ist und die Anwendung in Form von Folle oder Band erfolgt, zu verringern.
Eine andere Möglichkeit die Ausfälle und die Kosten durch die Versprödungserscheinungen zu verringern, wird bei dem Einsatz von Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen für Haushaltsgeräte wie z. B. Toaster, Haartrockner, u. ä., praktiziert, die in der Regel bei geringeren Temperaturen unterhalb von 800°C eingesetzt werden und sehr stark unter Kostengesichtspunkten produziert werden. Da hier der Einsatz in der Regel in Form von Draht erfolgt, sind die beschriebenen Lösungen durch Beschichten nicht möglich. Dort werden auf Grund der geringeren Temperaturbelastungen Legierungen mit (in Masse-%) einem verringerten Aluminiumgehalt von unter 5 % eingesetzt, wie z. B. eine Legierung mit ca. 14,5 % Cr, ca. 4,5 % Al, Zugaben von reaktiven Elementen, Rest Eisen, wie sie in der DIN Norm 17470 in Tabelle 3 mit 14 % Chrom und 4 % Aluminium, Rest Eisen (Cr Al 14 4) beschrieben ist und produziert wird, wie aus "Drähte von Krupp VDM für die Elektroindustrie", Druckschrift N563, Ausgabe November 1998 auf Seite 24, Werkstoff Aluchrom W, mit 14 bis 16 % Chrom, 3,5 bis 5,0 % Aluminium, max. 0,08 % Kohlenstoff, max. 0,6 % Mangan. max. 0,5 % Silizium, max. 0,3 % Zirkonium, andere erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, Rest Eisen bekannt ist. Diese Legierung dient im folgenden als Vergleichslegierung und wird kurz mit Cr Al 14 4 bezeichnet.
Die Eisen - Chrom - Aluminium - Legierung Cr Al 14 4 läßt sich zwar durch den auf ca. 4 bis 4,5 Masse % abgesenkten Aluminiumgehalt leichter fertigen, als die oben beschriebene Legierungen mit über 5 Masse % Aluminium. Sie zeigt aber immer noch Versprödungserscheinungen, die zu einem erhöhten Fertigungsaufwand bei der Warmformgebung führen.
Bisher war es Stand der Technik, dass in Fe Cr Al Legierungen mit circa 14 bis 15 Masse % Chrom ein Mindestgehalt von circa 4 Masse % Al benötigt wird, um eine schützende Aluminiumoxidschicht, aufzubauen, wie es zum Beispiel in "Handbuch der Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Ralf Bürgel, Vieweg Verlag, Braunschweig 1998" auf Seite 272 in Bild 5.13 gezeigt wird.
Der GB-A 476,115 ist eine Eisenlegierung, insbesondere einsetzbar als elektrischer Widerstand, zu entnehmen, die folgende Elemente beinhaltet: 6,1 - 30 % Cr, 3 - 12 % Al, 0,07 - 0,2 % C, ≤ 4 % Ti, Rest Fe sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Der Ti-Gehalt ist hierbei dergestalt an den C-Gehalt gebunden, daß er nicht weniger als das 3-fache des C-Gehaltes betragen soll. Bevorzugte Bereiche für Cr sind > 8 %, für Al > 5 %, für C > 0,085 %.
In der DE-A 196 52 399 ist ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Metallverbundfolie sowie deren Verwendung beschrieben. Die Metallverbundfolie beinhaltet eine Trägerschicht aus ferritischem Stahlband, das beidseitig mit einer Außenschicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung versehen ist. Die Trägerschicht wird aus einer Legierung gebildet, mit (in Masse-%) 16 - 25 % Cr, Seltenen Erden, Y oder Zr in Gehalten zwischen 0,01 - 0,1 %, Fe Rest. Femer kann Al in Gehalten zwischen 2 und 6 % hinzulegiert werden. Bevorzugte Cr-Gehalte sind oberhalb von 20 % angesiedelt.
Schließlich offenbart die EP-A 0 402 640 eine rostfreie Stahlfolie als Trägerelement für Katalysatoren sowie deren Herstellung. Die Folie wird gebildet aus einer Legierung folgender Zusammensetzung (in Masse-%): 1,0 -20 % Al, 5 - 30 % Cr, bis zu 2 % Mn, bis zu 3 % Si, bis zu 1 % C, Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen. Bevorzugte Bereiche für Al liegen zwischen 5,5 und 20 %. Des weiteren können Y, Sc oder Seltene Erden in Grenzen bis 0,3 % hinzufegiert werden, wobei auch mindestens eines der Elemente Ti, Nb, Zr, Hf, V, Ta, Mo, W in Gehalte bis zu 2 % vorgesehen sein kann. Gehalte < 4 % Al bedingen hierbei Cr-Gehalte > 25 %.
Der JP-A 06330248 ist eine Legierung mit folgender Zusammensetzung zu entnehmen: 2,5 - 4,5 % Al, 9 - < 18 % Cr, ≤1 % Si, ≤1 % Mn, ≤0,02 % C, ≤0,02 % N, Rest Fe. Als reaktives Element soll Hf in Grenzen von 0,01 - 0,2 % zum Einsatz gelangen.
Durch die JP-A 0611 6686 ist eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung folgender Zusammensetzung bekannt geworden: 1 - 6 % Al, 10 - 28 % Cr, < 1 % Si, < 1,5 % Mn, ≤0,05 % Ti + Nb, ≤0,01 % Ce, ≤0,05 % C, ≤0,02 % N, Fe als Rest. Ferner sollen Zr in Gehalten von 0,01 - 1,0 % sowie La in Gehalten von 0,01 - 0,2 % zugesetzt werden.
Schließlich offenbart die JP-A 08269730 eine Legierung folgender Zusammensetzung: 3 - 8 % Al, 9 - 30 % Cr, ≤1,0 % Si, ≤1,0 % Mn, ≤0,05 % C, ≤ 0,05% N, Fe als Rest. Der Legierung können in Größerordnungen > 1 % Elemente wie Nb, Ti, Zr, V, Hf, Mo, Ta und Co zugegeben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Eisen-Chrom-Aluminium Legierung bereitzustellen, die eine ähnliche oder bessere Lebensdauer wie Cr Al 14 4 hat, aber eine noch geringere Sprödigkeit und damit verbesserte Umformbarkeit aufweist, zugleich aber die gleiche technische Funktionalität wie Cr Al 14 4 hat.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung mit hoher Lebensdauer, mit (in Masse-%) 2,5 bis 3,0 % Aluminium und > 10 bis <20 % Chrom sowie Zugaben von 0,1 bis 1 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,01 bis 0,2 % Yttrium und 0,01 bis 0,2 % Hf und/oder 0,01 bis 0,3 % Zr, max. 0,01 % Mg, max. 0,01 % Ca, max. 0,08 % Kohlenstoff, max. 0,04 % Stickstoff, max. 0,04 % Phosphor max. Die DE-A-198 34 552 offenbart : eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung die als Metallfolie für Heizleiterwiederstände oder als Träger für Abgaskatalysatoren verwendet wird, wobei die Folie folgende Zusammensetzung aufweist: Al:4-10%; Cr:18-25%; Si:0.5-1.5%; Y:0.03-0.08%; Zr:0.01-0.05%; Hf: 0.01-0.05%; Ti:max. 0.01% und Rest Fe und übliche Verunreinigungen. 0,01 % Schwefel, max. 0,05 % Kupfer und jeweils max. 0,1 % Molybdän und/oder Wolfram sowie herstellungsbedingten Verunreinigungen, Rest Eisen
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bevorzugt kann der Al-Gehalt in Grenzen von 2,5 - 3,55 % und der Cr-Gehalt in Grenzen von 13 -17 % eingestellt wenden.
Eine Verringerung der Sprödigkeit läßt sich am effektivsten durch Verringerung des Aluminiumgehaltes erreichen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass der spezifisch elektrische Widerstand sich auch verringert und die Lebensdauer abnimmt.
Die Sprödigkeit wird ebenfalls durch Chrom, Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff erhöht, weshalb auch diese Elemente so niedrig wie möglich gehalten werden sollten.
Die gleiche technische Funktionalität für einen Heizleiter, der zur elektrischen Erzeugung von Wärme dient, erreicht man, wenn die Oberflächenleistung, die Leistung am Heizelement, der Gesamtwiderstand des Heizelementes und die Lebensdauer des Heizelementes bei einer wie auch immer gearteten Veränderung des Werkstoffes konstant bleibt.
Verringert man nun bei konstanter Oberflächenleistung, konstanter Leistung und konstantem Widerstand den spezifisch elektrischen Widerstand, so muss man, um obige Bedingungen einhalten zu können, den Durchmesser des Drahtes verringern und die Drahtlänge um den gleichen Prozentsatz wie den Durchmesser erhöhen. Insgesamt verringert sich das Volumen damit um diesen Prozentsatz. Das heißt, man spart Material bei Verringerung des spezifischen elektrischen Widerstandes. Dies ist auch in H. Pfeifer, H. Thomas , Zunderfeste Legierungen, Springer Verlag, Berlin 1963, auf Seite 387 nachzulesen.
Folgende Rechnung demonstriert diesen Sachverhalt:
Es werden bei Drähten die Durchmesser-, Längen- und Gewichtsänderung bei Austausch des Werkstoffs A durch B berechnet, wobei Oberflächenleistung, Leistung und Widerstand konstant gehalten werden.
Es gelten mit den obigen Randbedingungen folgende Formeln Durchmesser   DB/DA = 3ρ B /ρ A Länge   LB/LA = 3ρ A /ρ B Gewicht   MB/MA = 3ρ B /ρ A •γ B /γ A
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung als Draht z. B. für ein Heizelement mit einem nach DB /DA = 3ρ B /ρ A veränderten Durchmesser DB und einer nach LB /LA = 3ρ A /ρ B veränderten Längen LB, wird bei dem Draht mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρB , der im Vergleich zu dem aus einer Legierung A mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρA, dem Durchmesser DA und der Länge LA, die gleiche Funktionalität hat, jedoch, wenn ρB kleiner als ρA ist und näherungsweise γA ≅ γB , eine um MB /MA = 3ρ B /ρ A ·γ B /γ A geringere Materialmenge einer Legierung B benötigt.
  • Beispiel: Material A: ρA = 1,25 Ωmm2/m
  • Material B: ρB = 1,05 Ωmm2/m
    •    DB/DA = 0,94;   d. h. Verringerung des Durchmessers um 6 Masse %
       LB/LA = 1,06;   d. h. Erhöhung der Länge um 6 Masse %
       MB/MA = 0,94;   d. h. Verringerung des Gewichts um 6 Masse %
    wobei für diese beispielhafte Vorüberlegung für die Dichten noch γA ≅ γB angenommen wird. Die Gültigkeit dieser Annahme ist im konkreten Fall zu prüfen.
    Dieser Weg wurde aber bisher nicht beschritten, weil mit der Verringerung des Durchmessers eine Reduzierung der Lebensdauer einher geht.
    Im folgenden wird die Lebensdauerverringerung durch Verringerung des Drahtdurchmessers abgeschätzt:
    Nach I. Gurrappa, S. Weinbruch, D. Naumenko, W. J. Quadakkers, Materials and Corrosions 51 (2000), Seiten 224 bis 235 lässt sich die Lebensdauer t eines Drahtes berechnen zu
    Figure 00090001
  • γ = Dichte der Legierung
  • C0 = Aluminiumkonzentration der Legierung vor Beginn der Oxidation bzw. des Einsatzes einer Heizwendel
  • CK = kritische Aluminiumkonzentration bei der die "Break away" Oxidation, das heißt die Bildung anderer Oxide als der Aluminiumoxide, startet. Dies zeigt das Ende der Funktionsfähigkeit eines Heizleiters an und führt zum schnellen Durchschmelzen des Heizleiters und ist somit als Lebensdauerende anzusehen ist.
  • k = Oxidationskonstante
  • n = Oxidationsratenexponent, mit einer Größe von circa 0,5
    • Die Oxidationskonstante k ist ein Maß für die Qualität der Oxidschicht. Bei einer Oxidschicht mit sehr guter Schutzwirkung, ist k kleiner als bei einer schlechteren Oxidschicht. Je kleiner k ist, desto größer ist die Lebensdauer.
    Verringert man, wie in der obigen Vorüberlegung, nun bei einer Legierungen den Drahtdurchmesser um den Faktor 0,94, so verringert sich die Lebensdauer, da die Oxidationskonstante k, die Dichte γ, C0 und CK unverändert bleiben, wie folgt:
    Figure 00090002
  • mit   t1 = Lebensdauer beim größerem Drahtdurchmesser D1.
  • und   t2 = Lebensdauer beim kleineren Drahtdurchmesser D2.
    • Das heißt eine Legierung mit gleicher Funktionalität müsste eine mindestens 12% größere Lebensdauer haben, um den Nachteil des geringeren Drahtdurchmessers zu kompensieren. Darüber hinausgehende Lebensdauern bieten noch zusätzlich den Vorteil einer längeren Lebensdauer, das heißt eine verbesserte Funktionalität.
    Überraschenderweise zeigte es sich, dass Legierungen mit (in Masse-%) > 2.5 bis 3.0% Aluminium und > 10 bis 20 % Chrom, und Zugaben von 0,1 bis 1 % Si, max. 0,5 % Mn, 0,01 bis 0.08% Yttrium, und/oder 0,01 bis 0.08% Hf und/oder 0,01 bis 0.08% Zr, max. 0,01 % Mg, max. 0,01 % Ca, max. 0,08 % Kohlenstoff, Rest Eisen und den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen eine wesentlich bessere Lebensdauer aufweisen, als die bisher eingesetzte Legierung mit circa 14,5 % Cr, circa 4,5 % Al, und Zugaben von max. 0,3 % Zirkonium, max. 0,08 % Kohlenstoff, max. 0,6 % Mangan, max. 0,5 % Silizium, Rest Eisen und andere erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
    Der Erfindungsgegenstand ist neben Heizleitern für Heizelemente, z. B. einem Haushaltsgerät, oder als Konstruktionswerkstoff im Ofenbau auch als Folie, beispielsweise als Trägerfolie für Katalysatoren einsetzbar.
    Die Vorteile der Erfindung werden in den folgenden Beispielen näher erläutert:
    Beispiele: In Tabelle 1 sind verschieden Eisen-Chrom Aluminium-Legierungen zusammengestellt, wobei die Tabelle sowohl großtechnisch als auch labormäßig erschmolzene Chargen enthält.
    Für Heizelemente (Heizleiter) in Form von Draht sind beschleunigte Lebensdauertests zum Vergleich von Werkstoffen untereinander zum Beispiel mit folgenden Bedingungen möglich:
    Der Test wird an Drähten mit dem Durchmesser 0,40 mm durchgeführt, aus denen Drahtwendeln mit 12 Windungen, einem Wendeldurchmesser von 4 mm und einer Wendellänge von 50 mm gefertigt werden. Die Drahtwendeln werden zwischen 2 Stromzuführungen eingespannt und durch Anlegen einer Spannung bis auf 1200°C erhitzt. Die Erhitzung erfolgt jeweils für 2 Minuten, dann wird die Stromzufuhr für 15 Sekunden unterbrochen. Am Ende der Lebensdauer versagt der Draht dadurch, dass der restliche Querschnitt durchschmilzt. Als Lebensdauer wird die Gesamtzeit, die der Draht erhitzt wurde, ohne die Unterbrechungszeiten angegeben, im folgenden Brenndauer genannt.
    Die großtechnische Charge T1 und die Laborchargen T2 und T3 stellen den Stand der Technik für Cr Al 14 4 dar, mit (in Masse-%) ca. 14,5 % Chrom, 4,5 % Aluminium, ca. 0,3 % Mangan, ca. 0,2 % Silizium und als reaktives Element 0,17 bis 0,18 % Zirkon. Sie haben Lebensdauern von 49 Stunden für die Laborcharge T3, 63 Stunden für die Laborcharge T2 und 77 Stunden für die großtechnische Charge T1. Die Chargen H1 bis H6 sind Chargen mit einem Aluminiumgehalt von über 5 Masse % und unterschiedlichen Beigaben von Silizium, Mangan, Zirkon, Titan, Hafnium und Yttrium und anderen Beimengungen wie zum Beispiel Kalzium, Magnesium, Kohlenstoff und Stickstoff. Sie zeigen, wie zu erwarten war, alle eine deutlich vergrößerte Lebensdauer im Vergleich zum zu den Chargen T1 bis T3 auf Grund des erhöhten Aluminiumgehaltes. Unterschiede in der Lebensdauer bei H1 bis H6 sind insbesondere auf die unterschiedlichen Gehalte an Aluminium, Silizium, Zirkon, Titan, Hafnium und Yttrium zurückzuführen.
    Bei der Laborcharge K1 ist im Vergleich zur Laborcharge nach dem Stand der Technik T2 der Aluminiumgehalt von 4,5 auf 3,55 Masse % abgesenkt worden. Die Lebensdauer verringerte sich damit, wie erwartet, von 63 Stunden auf 34 Stunden.
    Anders ist dies bei den erfindungsgemäßen mit "E" gekennzeichneten Chargen L2, M1, M2 und M4. Sie haben im Vergleich zu den Laborchargen T3 und T2 nach dem Stand der Technik eine um den Faktor 1,5 bis 2 vergrößerte Lebensdauer, obwohl sie deutlich verringerte Aluminiumgehalte von 2,5 bis 3.0 Masse % enthalten. Ihr gemeinsames Kennzeichen ist, dass sie, neben Zirkonium noch Yttrium und/oder Hafnium enthalten. Dabei erreicht Charge L2 mit einem Aluminiumgehalt von (in Masse-%) 2,55 % und einem Zirkongehalt von 0,05 % und einem Hafniumgehalt von 0,04 % und einem Yttriumgehalt von 0,02 % eine Lebensdauer von 109 Stunden. Die Charge M1 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,78 % und einen Zirkongehalt von 0,05 % und einem Hafniumgehalt von 0,03 % und einem Yttriumgehalt von 0,02 % eine Lebensdauer von 92 Stunden. Die Charge M2 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,71 % und einen Zirkongehalt von 0,05 % und einem Hafniumgehalt von 0,03 % und einem Yttriumgehalt von 0,04 % eine Lebensdauer von 126 Stunden. Die Charge M4 erreicht mit einem Aluminiumgehalt von 2,8 % und einen Zirkongehalt von 0,03 % und einem Hafniumgehalt von 0,03 % und einem Yttriumgehalt von 0,03 % eine Lebensdauer von 85 Stunden.
    Diese Beispiele zeigen, dass mit ganz geringen Zugaben von Zirkon, Hafnium und Yttrium zu der Eisen - Chrom - Aluminium - Legierung auch bei niedrigen Aluminiumgehalten von 2,5 % sehr hohe Lebensdauern, die denen von Eisen - Chrom - Aluminium - Legierungen mit über 5 % Aluminium entsprechen, erreicht werden können.
    Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erfindungsgemäße Legierung Zugaben von 0,01 bis 0.08% Yttrium, und/oder 0,01 bis 0.08% Hf und/oder 0,01 bis 0.08% Zr enthalten muss.
    Charge L1 zeigt, dass auch bei Zugabe von Zirkon, Hafnium und Yttrium bei einem Aluminiumgehalt von 1,55 % nur noch eine Lebensdauer von 9,3 Stunden erreicht wird. Auch Charge M3 hat trotz Zugabe von Zirkon, Hafnium und Yttrium bei einem Aluminiumgehalt von nur 2,24 % nur noch eine Lebensdauer von 72 Stunden, die im Bereich der Chargen nach dem Stand der Technik liegen. Die erfindungsgemäße Legierung sollte also einen Aluminiumgehalt von mehr als 2 % haben.
    Chromgehalte zwischen 14 und 17 % haben keinen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer wie der Vergleich der Zirkon, Hafnium und Yttrium enthaltenden Chargen M1 mit 14,85 % Chrom und 2,78 % Aluminium und Charge L2 mit 16,86 % Chrom und 2,55 % Aluminium zeigt. Allerdings ist ein gewisser Chromgehalt nötig, da Chrom die Bildung der besonders stabilen und schützenden α - Al2O3 Schicht fördert. Nach H. M. Herbelin, M Mantel, Colloque C7, Suppleément au Journal de Physique III, Vol. 5, Novembre 1995, Seiten C7-365 bis 374 geschieht dies noch bei einem Chromgehalt von 13 %, ein Chromgehalt von 6 % reicht aber nicht mehr aus.
    Nach J. Klöwer, Materials and Corrosion 51 (2000), Seiten 373 bis 385 erhöhen Zugaben von Silizium von circa 0,3 Masse % und mehr die Lebensdauer durch eine Verbesserung der Haftung der Deckschicht. Es ist deshalb ein Gehalt von mindesten 0,1 Masse % Silizium erforderlich.
    In Tabelle 1 ist die Kerbschlagarbeit bei Raumtemperatur, 50°C, 100°C und 150°C an DMV Normproben (Siehe dazu W. Domke, Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung, Verlag W. Gerardet, Essen, 1981, ab Seite 336) aufgelistet. Die Kerbschlagarbeit ist bei einem ferritischen Stahl bei dem bei niedrigen Temperaturen auftretenden Sprödbruch gering (Tieflage), bei dem bei höheren Temperaturen duktilen, gut verformbaren Verhalten hoch (Hochlage) mit einem steilen Anstieg innerhalb weniger Grad von der Tieflage in die Hochlage. Dabei kann in diesem Bereich die Kerbschlagarbeit stark streuen. Die Temperatur, bei der der Übergang von der Hochlage in die Tieflage erfolgt, heißt Kerbschlagübergangstemperatur. Ein Werkstoff ist zum Beispiel um so spröder, je größer die Korngröße ist oder bei den Eisen - Chrom - Aluminium - Werkstoffen, je höher der Gehalt an Legierungselementen wie Aluminium, Chrom, Silizium, Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel ist. Auf Grund Ihres Herstellungsweges als Laborcharge haben alle Kerbschlagproben in Tabelle 1 eine sehr große Korngröße von circa 200 bis 400 µm, was sehr ungünstig ist. Deshalb befinden sich alle Proben bei Raumtemperatur in der Tieflage, wobei die Proben mit dem niedrigsten Aluminiumgehalt, dem niedrigsten Chromgehalt und dem niedrigsten Kohlenstoffgehalt die höchste Kerbschlagarbeit haben, wie es die Chargen M1, M2, M3, M4 und L1 zeigen. Die Charge M4 hat eine etwas schlechtere geringere Kerbschlagarbeit als die Charge M2 mit einem ähnlichen Aluminium- und Chromgehalt, da diese einen höheren Kohlenstoffgehalt hat. Die Charge L2 hat eine etwas geringere Kerbschlagarbeit, als die Charge M2, da sie einen höheren Chromgehalt hat. Ähnlich wie Kohlenstoff wirken Stickstoff, Phosphor und Schwefel, deren Gehalte deshalb vorteilhafterweise gering gehalten werden sollten. Es zeigt sich, das der Aluminiumgehalt 3.0 % nicht übersteigen darf, um die versprödenden Wirkung des Aluminiums so gering wie möglich zu halten.
    Das gleiche Bild zeigt sich bei den bei 50 °C und 100 °C gemessenen Kerbschlagarbeiten, nur dass die Verbesserung der Kerbschlagarbeiten bei den niedrigen Aluminiumgehalten noch ausgeprägter ist und auch die Verringerung der kerbschlagarbeit durch einen erhöhten C-Gehalt bei M4 im Vergleich zu M1 und M2 noch besser zu erkennen ist. Hier ist auch zu erkennen, dass die Charge M1, die sich von der Charge M2 durch einen höheren Siliziumgehalt unterscheidet, eine etwas geringere Kerbschlagarbeit hat. Bei 150°C befinden sich alle Kerbschlagarbeiten in der duktilen Hochlage, wobei die Chargen M2, M3 und M4 mit einem Aluminiumgehalt von 2,2 bis 2,8 % die höchsten Kerbschlagarbeiten aufweisen.
    Zusammenfassend läßt sich sagen, dass das spröde Verhalten der Eisen - Chrom - Aluminium - Legierungen deutlich verringert wird durch Absenkung des Aluminiumgehaltes auf unter 3.0 %. Dies wird noch zusätzlich unterstützt durch geringe Gehalte an Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel. Der Kohlenstoffgehalt wird deshalb auf max. 0,08 %, der Stickstoffgehalt auf max. 0,04 %, der Phosphorgehalt auf max. 0,04 % und der Schwefelgehalt auf max. 0,01 Masse % begrenzt. Phosphor und Schwefel wirken sich noch zusätzlich ungünstig auf die Lebensdauer aus, so dass möglichst geringe Gehalte an diesen Elementen auch aus dieser Sicht vorteilhaft sind.
    Wegen der versprödenden Wirkung sollte auch der Chromgehalt so niedrig wie möglich vorgesehen werden. Wegen der Anforderungen an die Lebensdauer kann der Silizium- und der Chromgehalt nicht auf nahezu Null abgesenkt werden, sondern muss mindesten 0,1 % Silizium und 10 % Chrom betragen. Es sollten aber nicht mehr als 20% Chrom und 1 % Silizium zugegeben werden, um eine möglichst geringe Sprödigkeit zu erreichen.
    Bei Ersatz einer Legierung Cr Al 14 4, wie sie in Tabelle 1 zum Beispiel durch die Chargen T1, T2 und T3 vertreten ist, durch eine erfindungsgemäße Legierung, wie zum Beispiel durch Chargen M2 oder M4, verringert sich der spezifische elektrische Widerstand von 1,21 Ωmm2/m (Legierung A) auf 1,04 Ωmm2/m. (Legierung B). Gleiche Funktionalität ist nach dem vorher Gesagtem gewährleistet, wenn Oberflächenleistung, Leistung und Widerstand der Heizwendel konstant gehalten werden.
    Dabei ergibt sich für das Durchmesserverhältnis DB/DA = 3ρ B /ρ A = 0,95 und für das Längenverhältnis LB/LA = 3ρ A /ρ B = 1,05 das Gewichtsverhältnis MB/MA = 3ρ B /ρ A •γ B /γ A = 0,95 mit näherungsweise γA ≅ γB
    Die Dichte der Legierung A ist γA = 7,12 g/cm2, die Dichte der Legierung B ist γB = 7,30 g/cm2. Mit Berücksichtigung der Dichteänderung ergibt sich das Gewichtsverhältnis nur unwesentlich größer zu MB/MA = 3ρ B /ρ A •γ B /γ A = 0,97
    Das heißt die näherungsweise Abschätzung mit γA ≅ γB war in diesem Fall erlaubt.
    Die Lebensdauerabschätzung nach I. Gurrappa, S. Weinbruch, D. Naumenko, W. J. Quadakkers, Materials and Corrosions 51 (2000), Seiten 224 bis 235 durch Verringerung des Drahtdurchmessers bei der erfindungsgemäßen Legierung B ergibt:
    Figure 00160001
    Das heißt die erfindungsgemäße Legierung muss eine mindestens 10% größere Lebensdauer haben, um den Nachteil des geringeren Drahtdurchmessers zu kompensieren. Da die erfindungsgemäßen Chargen jedoch alle eine mindestens 50 % größere Lebensdauer aufweisen, bringt die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung noch zusätzlich den Vorteil einer erhöhten Lebensdauer.
    Mangan wird auf 0,5 Masse % begrenzt, da dieses Element die Oxidationsbeständigkeit reduziert. Das Gleiche gilt für Kupfer.
    Figure 00170001

    Claims (11)

    1. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung mit hoher Lebensdauer, mit (in Masse %)
      2,5 bis 3,0 % Al
      > 10 bis < 20 % Cr
      sowie Zugabe von
      0,1 bis 1 % Si
      max. 0,5 % Mn
      Y und Hf und Zr, jeweils in Grenzen von 0,01 bis 0,08 % oder
      0,01 bis 0,08 % Y und 0,01 bis 0,03 % Hf oder
      0,01 bis 0,03 Y und 0,01 bis 0,08 % Zr
      max. 0,01 % Mg
      max. 0,01 % Ca
      max. 0,08 % C
      max. 0,04 % N
      max. 0,04 % P
      max. 0,01 % S
      max. 0,05 % Cu und jeweils
      max. 0,1 % Mo und/oder W
      Rest Fe
         sowie herstellungsbedingte Verunrainigungen.
    2. Eisen-Chrom-Aluminium-Lagierung nach Anspruch 1, mit (in Masse %)
      2,5 bis 3,0 % Al
      13 bis 17 %Cr
      sowie Zugabe von
      0,1 bis 0,5 % Si
      max. 0,5 % Mn
      Y und Hf und Zr, jeweils in Grenzen von 0,01 bis 0,08 % oder
      0,01 bis 0,08 % Y und 0,01 bis 0,08 % Hf oder
      0,01 bis 0,08 Y und 0,01 bis 0,08 % Zr
      max. 0,01 % Mg
      max. 0,01 % Ca
      max. 0,08 % C
      max. 0,04 % N
      max. 0,04 % P
      max. 0,01 % S
      max. 0,05 % Cu und jeweils
      max. 0,1 % Mo und/oder W
      Rest Fe
         sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
    3. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, mit (in Masse %)
      2,5 bis 3,0 % Al
      14 bis 17 %Cr
      sowie Zugabe von
      0,1 bis 0,5 % Si
      max. 0,5 % Mn
      Y und Hf und Zr, jeweils in Grenzen von 0,01 bis 0,08 % oder
      0,01 bis 0,08 % Y und 0,01 bis 0,08 % Hf oder
      0,01 bis 0,08 Y und 0,01 bis 0,08 % Zr
      max. 0,01 % Mg
      max. 0,01 % Ca
      max. 0,08 % C
      max. 0,04 % N
      max. 0,04 % P
      max. 0,01 % S
      max. 0,05 % Cu und jeweils
      max. 0,1 % Mo und/oder W
      Rest Fe
      sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
    4. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eines oder mehrere das Elemente Yttrium, Hafnium oder Zirkon, ganz oder teilweise durch (in Masse-%) 0,01 bis 0,1 % eines oder mehrere der Elemente Scandium und/oder Titan und/oder Vanadium, und/oder Niob, und/oder Tantal und/oder Cer ersetzt sind.
    5. Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das die Gehalte an Kohlenstoff auf 0,02 %, Stickstoff auf 0,01 %, Phosphor auf 0,01 % und Schwefel auf 0.005 % begrenzt sind.
    6. Eisen-Chrom-Alumium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei Einsatz der Legierung als Draht und Konstanthaltung der Oberflächenleistung, der Leistung sowie des Widerstandes und Austausch eines Werkstoffes A durch einen Werkstoff B folgende Randbedingungen bezüglich der Durchmesser-, Längen-, und Gewichtsänderung gegeben sind. Durchmesser   DB /DA = 3ρ B /ρ A Länge   LB /LA = 3ρ A /ρ B Gewicht   MB /MA = 3ρ B /ρ A •γ B /γ A worin
      D der Durchmesser
      ρ der spezifische elektrische Widerstand
      L die Länge
      M das Gewicht
      γ die Dichte
      des jeweiligen Drahtes sind, was bei ρB kleiner ρA und näherungsweise γA ≡ γB dazu führt, dass eine geringere Menge der Legierung B benötigt wird, wobei Legierung B sich dadurch auszeichnet, dass sie eine deutlich größere Lebensdauer hat, als Legierung A und so die lebensdauerreduzierende Durchmesserverringerung überkompensiert wird.
    7. Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als Heizleiter in einem Heizelement.
    8. Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Legierung, insbesondere in Form eines Heizelementes, für den Einsatz in Haushaltsgeräte.
    9. Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Legierung, insbesondere in Form eines Heizelementes oder als Konstruktionswerkstoff für den Einsatz im Ofenbau.
    10. Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Legierung, insbesondere in Form einer Folie, für den Einsatz als Trägerfolie für Katalysatoren.
    11. Verwendung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Legierung, insbesondere in Form von Draht oder Band, für den Einsatz als Brems- und Anfahrwiderstand.
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