DE2829373A1

DE2829373A1 - Oxidationsresistente legierung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2829373A1
Application number: DE19782829373
Authority: DE
Inventors: Joseph George Day
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1979-01-18
Also published as: GB1604429A; FR2396804A1; SE444455B; SE7807548L; FR2396804B1; US4244736A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Herstellung von oxydationsresistenten Legierungen; insbesondere betrifft sie die Herstellung von oxydationsresistauten Legierungen, die Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium enthalten.

Legierungen, die Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium enthalten, wurden ursprünglich für ihre Oxydationsbeständigkeit in Luft bei Temperaturen von über 1093,3° C entwickelt. Aus U.S. PS 3027252 (ilcGiirty und Collins) ist ein brauchbarer Bereich von Zusammensetzungen für diese Legierungen bekannt:

Chrom 20,O bis 95,0 Gewichtsprozent

Aluminium 0,5 bis I₇O Gewichtsprozent

Yttrium O,5 bis 3,0 Gewichtsprozent

Eisen ad 100 %

Obwohl sie äußerst nützlich sind, werden diei>e Legierungen doch dadurch negativ beeinflußt, daß sie Temperaturen unterliegen, die bei überhitztem D.impf in Kernreaktoren auftreten. Innerhalb eiiiigar Jtunden bei Temperaturen zwischen 343° und 5 38 C '.mrden lie Legierungen sehr hart und spröde.

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BO 9 08;)/Oi)B U

ORIGINAL INSPECTED

Aus U.S. PS Hr. 32:38826 (w'ukusick) ist sine Verbesserung des Bereiches der Legierungen bekannt. Gemäß lieser PS wurde das Sprödewerden von Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium Legierungen dadurch vermieden, daß der Chromanteil unter dxs oben beschriebene Minimum gebracht wurde.

Legierungen gem'iß der PS besitzen die folgenden Anteilsbereiche:

Chrom 0 - 20.0 Gewichtsprozent Aluminium 0.5 - 12.0 Gewichtsprozent Yttrium O.1 - 3.0 Gewichtsprozent Eisen ad 100

Diese Legierungen werden nicht so leicht spröie, weisen jedoch im wesentlichen dieselbe hervorragende Oxydationsund Korrosionsbeständigkeit auf.

Da·? gegenwärtige Verfahren der Eisen, Chrom und Aluminium (Schmelzpunkt 1 100° C) enthaltenden Schmalze Yttriuri beizugeben, verwendet reines Metall (das bei 1525° l· oder - 5° C sclimilzt) . ittrium-Terluste können v/ie folgt auftraten:

a) Reaktion i;iit dem Sauerstoff und Stickstoff in der Ofen atmosphäre wahrend sich dis ilatalL in der Schmelze auflöst

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1.7./-J -T-

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ORiGiNAL INSPECTED

b) Reduktion der Schmelze

c) Reaktion mit der feuerfesten Beschichtung

Die Yttrium-Verluste aufgrund der obigen Reaktionen sind wahrscheinlich unterschiedlich und führen daher zu nicht einheitliehen Produkten. Die Rückgewinnung des fertigen Streifens (strip) von dem gegossenen Block liegt gewöhnlich unter 40 % und kann Null sein.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung der oben beschriebenen, Yttrium enthaltenden Legierungen zu schaffen.

Aus der GB-Patentanmeldung Nr. 28072/77 der gleichen Anmelderin bezüglich der Herstellung von reinem Yttrium-Metall und Legierungen davon ist bekannt, daß Yttrium-Fluorid (YF₃) in einem Verfahren mittels geschmolzener Schlacke und "eingetauchtem" Lichtbogen unter Verwendung von Kalzium-Metall und bei Vorhandensein von Eisen reduziert werden kann und eine Legierung erzeugt, die 75 Gewichtsprozent Yttrium enthält.

Aus der obigen Patentanmeldung ist weiterhin die Verwendung desselben Verfahrens für die Herstellung von Al-Y

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enthaltenden Legierungen und ebenso einer Fe-Al-Y enthaltenden Legierung bekannt. Eine brauchbare, Al-Y enthaltende Legierung enthält 90 Gewichtsprozent Y und 10 Gewichtsprozent Al. Die Pe-Y enthaltende Legierung schmilzt bei 900° C und das Al-Y enthaltende Legierungs-Eutektikum schmilzt bei 960° C.

Die Lösung oben genannter Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß ein Verfahren für die Herstellung von oxydationsresistenten Legierungen, die Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium enthalten, den Schritt beinhaltet, daß das Yttrium einer Schmelze in der Form einer Yttrium enthaltenden Vorlegierung beigefügt wird, und daß die Vorlegierung einen Schmelzpunkt unter 1000° C besitzt.

Vorzugsweise wird die Vorlegierung der Schmelze in einer sauerstoffreien Atmosphäre beigefügt. Argon und andere inerte Atmosphären sind geeignet.

Bevorzugte Vorlegierungen sind Legierungen aus Yttrium und Eisen, Legierungen aus Yttrium und Aluminium und Legierungen aus Yttrium, Eisen und Aluminium. Folgende ungefähre Zusammensetzungen der Vorlegierungen werden bevorzugt:

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Falls erwünscht, kann dia Beifügung unter einem Vakuum erfolgen.

Y - Fe: Y 75 Gewichfcsprozent

Fe 25 Gewichtsprozent

Y - Al: Y 90 Gewichtsprozent

AL K) Gewichfcsprozent

Y - AL - Fe-. Y 80 Gewichtsprozent

Al 10 Gewichtsprozent Fe 10 Gewichtsprozent

Die Legierung kann von 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent Yttrium enthalten, vorzugsweise ist die der SchmeLza beigefügte Menge der Vorlegierung aber so groß, daß sich die in der endgültigen Legierung vorhandene Yttrium-Menge im Bereich von 0,3 Gewichtsprozent bewegt. Der Anteil anderer in der Schmelze vorhandener Metalle sollte so bestimmt werden, daß sie den folgenden endgültigen Legierungsbereich ergeben:

Gew ich tsprο zeat

Cr 5 - 15

Al i - 6

Fe ad 100

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Die Anwendung der Erfindung schafft eine homogene, Yttrium enthaltende Legierung von guter Qualität, die die erforderliche Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die derartig hergestellten Legierungen können zu einem Blech gerollt und in Streifen geschnitten und aufgewalzt v/erden. Ein derartiger Streifen eignet sich für die Verwendung ais Katalysatorsubstrat, wie es in U,S. PS 3920583 beschrieben ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Yttrium teilweise oder vollständig durch ein Konzentrat von Seltene-Erden-Metalle ersetzt werden. Das teilweise oder vollständige Ersetzen des Yttriums durch diese Metalle ermöglicht die Herstellung von Legierungen, die dennoch dieπκibe mechanische Festigkeit und Oxydationsund Korrosionsbeständigkeit besitzen. Die gesamte Selteneßrden-IIetalle-Konzentration in der endgültigen Legierung sollte vorzugsweise genauso groß sein wie diejenige des zu ersetzenden Yttriums, d.h. 0,1 bis 3,0 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0.3 Gewichtsprozent.

Derartige Konzentrate können von Rare Earth Product-; Ltd., Wldnes, U.K. bezogen werden und enthalten iletallei, ILi von ihren natürlich auftretenden Mineralen getrennt; «iiul, ibcr nicht notwendigerweise voneinander.

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ο o 9 8 8 :j / ο α 6 a

Beispiele von Mineralen, die geeignete Quellen von Seltene-Erden-Metalle sind

Zerit H₃(Ca,Fe)Ce₃Si₃O

Orthit (Allanit) Al(OH)Ca₃(Al,Fe,Ce)₂(SiO₄)₃

Gadolinit (Ytterbit) FeBe₂Y₃Si₃O₁₀

Xenotim (Ytterspat) YPO₄

Fergusonit YNbO.

Australisches Fergusonit YTaO₄

Yttrotantalit Y₄(Ta₃O₇)₃

Monazit Zer und Lanthan-Phosphat

Zerit enthält La, Pr, Nd, Sa, Ce und Spuren von anderen. Gadolinit enthält hauptsächlich Y, Er mit nur geringen Mengen von Ce und La.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält eine oxydationsresistente Legierung, abgesehen von Unreinheiten, nach Gewichtsprozenten:

Gewi chtsprο ζ ent

Cr 1-20

Al 0.5-12

Eines oder mehrere
Seltene-Erden-Metalle 0.1 - 3

Fe ad 100

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Gemäß noch einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung von oxydationsresistenten Legierungen, die Eisen, Chrom, Aluminium und eines oder mehrere Seltene-Erden-Metalle enthalten, den Verfahrensschritt des Beifügens von Seltene-Erden-Metallen zu einer Schmelze in der Form einer die Seltene-Erden-Metalle enthaltenden Vorlegierung, wobei die Vorlegierung einen Schmelzpunkt, unter 1000° C besitzt.

Die Vorlegierung wird der Schmelze vorzugsweise in einer sauerstoffreien Atmosphäre beigefügt. Argon oder Stickstoff-Zitmosphären sind geeignet.

Bevorzugte Vorlegierungen sind Legierungen aus Seltene-Erden-rietallen und Eisen sowie Seltene-Erden-Metalle und .Aluminium.

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Claims

■J 21 P 168 Anmelder: JOHNSON, IIÄTTHEY & CO.., LIIlITED, 43r Hatton Garden, London, ECiTsT 3EE, England Titel: Oxidationsresistente Legierung und Verfahren zu ihrer Herstellung Patentansprüche

1. Oxydationsresistente Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach Gewichtsprozenten

Yttrium 0,1 - 3,η %

Chrom 5 - 15 i

Aluminium 4 - 6 % sowie

Eisen ad 100 % enthält.

2. Oxydationsresistente Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung, abgesehen von Verunreinigungen, aus gewichtsmäßig 1 bis 20 % Chronif 0,5 bis 12 % Aluminium; 0,1 bis 3 % Yttrium und/oder mindestens einem Seltene-Erden-Metall sowie Resteisen.

3. Legierung nach einem oder beiden Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet durch einen Anteil an Lanthan, Praseodym, Neodym, Samarium und Zer.

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1. Legierung nach einem, oder beidan Ansprüchen 1 bzw. 2, gekennzeichnet durch Yttrium- und Erbium-Bestandteile sowie verhältnismäßig kleine Zer- und Lanhhan-Anteile.

5. Legierung nach einem oder beiden Ansprüchen 1 bzw. 2, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung aus Yttrium und/oder mindestens einem Seitene-Erden-'Ia tall oder Metallen, die aus einem oder mehreren folgender Mineralien gev/onnen sind; Zerit, Orthit {Allanit) , Gadolonifc, XenotimCutterspat), Fergusonit, Australisches Fergusonifc_r Yttrotantallt, I-Ionazit.

6. Verfahren zum Herstellen von Legierungen nach einem der Ansprüche ΐ bis 5_r welche Eisen, Chrom, Aluminium sowie Yttrium und/oder mindestens ein ΐ let ill am; der Gruppe Seltene-Erden enthalten, dadurch ■ ^kennzeichnet, daß Yttrium und/oder iuindesten-^ ein tie tall aus der Jeltene-L'lrden-Gruppe der Schmelze in Form einer Vorlegierung beigegeben wird und da3 die Vorlegierung üinen Schmelzpunkt von weniger als l00O°" C hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d:iß die Vorlegierung Yttrium und Eisen und/oder Aluminium enthält.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorlegierung 75 Gewichtsprozent Yttrium und/oder Seltene-Erden-Metalle sowie 25 Gewichtsprozent Eisen enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlegierung 90 Gewichtsprozent Yttrium und/ oder mindestens ein Seltene-Erden-Metall sowie 10 Gewichtsprozent Aluminium enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlegierung aus 80 Gewichtsprozent Yttrium, 10 Gewichtsprozent Aluminium sowie 10 Gewichtsprozent Eisen besteht.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Legierung zwischen 0,1 und 3,0 Gewichtsprozent Yttrium und/oder mindestens ein anderes Seltene-Erden-Metall enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Legierung etwa 0,3 Gewichtsprozent Yttrium und/oder mindestens ein anderes Seltene-Erden-Metall enthält.

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13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel (addition) der Schmelze in sauerstoffreier Atmosphäre beigegeben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es nach der den Ansprüchen 7 bis 13 entnehmbaren Lehre durchgeführt ist.

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