Kanthal AF-Legierung 837 Resistohm Alchrome Y Fecral-Legierung

Kanthal AF ist eine ferritische Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung (FeCrAl-Legierung) für den Einsatz bei Temperaturen bis 1300 °C (2370 °F). Die Legierung zeichnet sich durch hervorragende Oxidationsbeständigkeit und sehr gute Formstabilität aus, was zu einer langen Lebensdauer der Elemente führt.

Kan-thal AF wird typischerweise in elektrischen Heizelementen in Industrieöfen und Haushaltsgeräten verwendet.

Beispiele für Anwendungen in der Haushaltsgeräteindustrie sind offene Glimmerelemente für Toaster, Haartrockner, mäanderförmige Elemente für Heizlüfter und offene Spulenelemente auf Faserisoliermaterial in Glaskeramik-Kochfeldern in Herden, Keramikheizungen für Kochplatten, Spulen auf geformter Keramikfaser für Kochplatten mit Cerankochfeldern, hängende Spulenelemente für Heizlüfter, hängende gerade Drahtelemente für Heizkörper, Konvektionsheizungen, Stachelelemente für Heißluftgebläse, Heizkörper, Wäschetrockner.

Zusammenfassung: In der vorliegenden Studie wird der Korrosionsmechanismus einer handelsüblichen FeCrAl-Legierung (Kanthal AF) beim Glühen in Stickstoffgas (4.6) bei 900 °C und 1200 °C dargelegt. Es wurden isotherme und thermozyklische Tests mit unterschiedlichen Gesamtexpositionszeiten, Heizraten und Glühtemperaturen durchgeführt. Oxidationstests in Luft und Stickstoffgas wurden mittels thermogravimetrischer Analyse durchgeführt. Die Mikrostruktur wird mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM-EDX), Auger-Elektronenspektroskopie (AES) und fokussierter Ionenstrahlanalyse (FIB-EDX) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die fortschreitende Korrosion durch die Bildung lokaler, unter der Oberfläche liegender Nitrierungsbereiche erfolgt, die aus Partikeln der AlN-Phase bestehen, wodurch die Aluminiumaktivität verringert und Versprödung und Abplatzungen verursacht werden. Die Prozesse der Al-Nitridbildung und des Al-Oxid-Zunderwachstums hängen von der Glühtemperatur und der Heizrate ab. Es wurde festgestellt, dass die Nitrierung der FeCrAl-Legierung ein schnellerer Prozess ist als die Oxidation beim Glühen in einem Stickstoffgas mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck und die Hauptursache für die Verschlechterung der Legierung darstellt.

Einleitung FeCrAl-basierte Legierungen (Kanthal AF ®) sind für ihre hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen bekannt. Diese hervorragende Eigenschaft ist auf die Bildung einer thermodynamisch stabilen Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche zurückzuführen, die das Material vor weiterer Oxidation schützt [1]. Trotz der hervorragenden Korrosionsbeständigkeit kann die Lebensdauer von Komponenten aus FeCrAl-basierten Legierungen begrenzt sein, wenn die Teile häufig Temperaturwechselbeanspruchungen bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind [2]. Einer der Gründe hierfür ist, dass das zunderbildende Element Aluminium in der Legierungsmatrix im Untergrundbereich durch wiederholte Thermoschockrisse und Neubildung der Aluminiumoxidschicht verbraucht wird. Sinkt der verbleibende Aluminiumgehalt unter eine kritische Konzentration, kann die Legierung die schützende Schicht nicht mehr neu bilden. Dies führt zu einer katastrophalen Losbrechoxidation durch die Bildung schnell wachsender eisen- und chrombasierter Oxide [3,4]. Abhängig von der umgebenden Atmosphäre und der Durchlässigkeit der Oberflächenoxide kann dies eine weitere innere Oxidation oder Nitrierung und die Bildung unerwünschter Phasen im Untergrundbereich begünstigen [5]. Han und Young haben gezeigt, dass sich in Aluminiumoxid-ablagerungsbildenden Ni Cr Al-Legierungen während thermischer Zyklen bei erhöhten Temperaturen in einer Luftatmosphäre ein komplexes Muster aus innerer Oxidation und Nitrierung entwickelt [6,7]. Dies gilt insbesondere für Legierungen, die starke Nitridbildner wie Al und Ti enthalten [4]. Chromoxidablagerungen sind bekanntermaßen stickstoffdurchlässig, und Cr2 N bildet sich entweder als Unterschicht oder als innerer Niederschlag [8,9]. Dieser Effekt ist unter thermischen Zyklen voraussichtlich stärker ausgeprägt, da er zur Rissbildung der Oxidablagerungen und damit zu einer Verringerung ihrer Wirksamkeit als Stickstoffbarriere führt [6]. Das Korrosionsverhalten wird somit durch die Konkurrenz zwischen Oxidation, die zur Bildung/Erhaltung des schützenden Aluminiumoxids führt, und eindringendem Stickstoff bestimmt, der durch Bildung der AlN-Phase zur inneren Nitrierung der Legierungsmatrix führt [6,10]. Dies führt wiederum zur Abplatzung dieses Bereichs aufgrund der höheren Wärmeausdehnung der AlN-Phase im Vergleich zur Legierungsmatrix [9]. Werden FeCrAl-Legierungen hohen Temperaturen in Atmosphären mit Sauerstoff oder anderen Sauerstoffspendern wie H2O oder CO2 ausgesetzt, ist die Oxidation die vorherrschende Reaktion und es bildet sich Aluminiumoxidschicht, die bei erhöhten Temperaturen für Sauerstoff oder Stickstoff undurchlässig ist und vor deren Eindringen in die Legierungsmatrix schützt. Werden sie jedoch einer reduzierenden Atmosphäre (N2+H2) ausgesetzt und reißen die schützenden Aluminiumoxidschichten, kommt es zu einer lokalen Oxidation durch die Bildung nicht schützender Cr- und Ferritoxide, die einen günstigen Weg für die Stickstoffdiffusion in die ferritische Matrix und die Bildung der AlN-Phase bieten [9]. Die schützende (4.6) Stickstoffatmosphäre wird häufig in der industriellen Anwendung von FeCrAl-Legierungen eingesetzt. Widerstandsheizungen in Wärmebehandlungsöfen mit einer schützenden Stickstoffatmosphäre sind beispielsweise ein Beispiel für die weit verbreitete Anwendung von FeCrAl-Legierungen in einer derartigen Umgebung. Die Autoren berichten, dass die Oxidationsrate der FeCrAlY-Legierungen beim Glühen in einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck erheblich langsamer ist [11]. Ziel der Studie war es, festzustellen, ob das Glühen in (99,996 %) Stickstoffgas (4.6) (Messer®-spez. Verunreinigungsgrad O2 + H2O < 10 ppm) die Korrosionsbeständigkeit der FeCrAl-Legierung (Kanthal AF) beeinflusst und inwieweit dies von der Glühtemperatur, ihrer Variation (Wärmezyklen) und der Heizrate abhängt.