Kanthal AF Legierung 837 resistohm Alchrom Y Fecral Legierung

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

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

Anwendungsbeispiele in der Haushaltsgeräteindustrie sind offene Glimmerelemente für Toaster und Haartrockner, mäanderförmige Elemente für Heizlüfter und offene Spulenelemente auf Faserisolationsmaterial in Glaskeramik-Kochfeldern, in Keramikheizkörpern für Kochplatten, Spulen auf geformter Keramikfaser für Kochplatten mit Cerankochfeldern, in hängenden Spulenelementen für Heizlüfter, in hängenden geraden Drahtelementen für Heizkörper, Konvektionsheizungen, in Stacheldrahtelementen für Heißluftpistolen, Heizkörper und Wäschetrockner.

In der vorliegenden Studie wird der Korrosionsmechanismus der kommerziellen FeCrAl-Legierung (Kanthal AF) während des Glühens in Stickstoffatmosphäre (4,6) bei 900 °C und 1200 °C untersucht. Es wurden isotherme und thermozyklische Versuche mit unterschiedlichen Gesamtexpositionszeiten, Aufheizraten und Glühtemperaturen durchgeführt. Oxidationsuntersuchungen in Luft und Stickstoff wurden mittels Thermogravimetrie durchgeführt. Die Mikrostruktur wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX), Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) und fokussierter Ionenstrahl-Elektronenmikroskopie (FIB-EDX) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrosion durch die Bildung lokalisierter, suboberflächlicher Nitridierungszonen aus AlN-Phasenpartikeln fortschreitet. Diese reduzieren die Aktivität des Aluminiums und führen zu Versprödung und Abplatzungen. Die Prozesse der Al-Nitrid-Bildung und des Al-Oxid-Wachstums hängen von der Glühtemperatur und der Aufheizrate ab. Es wurde festgestellt, dass die Nitridierung der FeCrAl-Legierung während des Glühens in einem Stickstoffgas mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck ein schnellerer Prozess ist als die Oxidation und die Hauptursache für die Degradation der Legierung darstellt.

Einleitung: Legierungen auf FeCrAl-Basis (Kanthal AF®) sind für ihre hervorragende Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen bekannt. Diese ausgezeichnete Eigenschaft beruht auf der Bildung einer thermodynamisch stabilen Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche, die das Material vor weiterer Oxidation schützt [1]. Trotz der überlegenen Korrosionsbeständigkeit kann die Lebensdauer von Bauteilen aus FeCrAl-basierten Legierungen begrenzt sein, wenn diese häufig thermischen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind [2]. Ein Grund dafür ist, dass das schichtbildende Element Aluminium in der Legierungsmatrix im oberflächennahen Bereich durch wiederholtes Aufbrechen und Neubilden der Aluminiumoxidschicht verbraucht wird. Sinkt der verbleibende Aluminiumgehalt unter eine kritische Konzentration, kann die Legierung keine Schutzschicht mehr bilden, was zu einer katastrophalen, abplatzenden Oxidation durch die Bildung schnell wachsender Eisen- und Chromoxide führt [3,4]. Abhängig von der umgebenden Atmosphäre und der Permeabilität der Oberflächenoxide kann dies eine weitere innere Oxidation oder Nitridierung sowie die Bildung unerwünschter Phasen im oberflächennahen Bereich begünstigen [5]. Han und Young haben gezeigt, dass sich in aluminiumoxidbildenden Ni-Cr-Al-Legierungen während thermischer Zyklen bei erhöhten Temperaturen in Luftatmosphäre ein komplexes Muster aus innerer Oxidation und Nitridierung entwickelt [6,7], insbesondere in Legierungen mit starken Nitridbildnern wie Al und Ti [4]. Chromoxidschichten sind bekanntermaßen stickstoffdurchlässig, und Cr₂N bildet sich entweder als Subschicht oder als internes Ausscheidungsprodukt [8,9]. Dieser Effekt dürfte unter thermischen Zyklen verstärkt auftreten, da er zu Rissen in der Oxidschicht führt und deren Wirksamkeit als Stickstoffbarriere verringert [6]. Das Korrosionsverhalten wird somit durch das Zusammenspiel von Oxidation, die zur Bildung und Erhaltung der schützenden Aluminiumoxidschicht führt, und Stickstoffeintritt bestimmt. Letzterer führt durch die Bildung von AlN zur internen Nitridierung der Legierungsmatrix [6,10], was aufgrund der höheren Wärmeausdehnung der AlN-Phase im Vergleich zur Legierungsmatrix zum Abplatzen der betroffenen Bereiche führt [9]. Bei der Exposition von FeCrAl-Legierungen gegenüber hohen Temperaturen in Atmosphären mit Sauerstoff oder anderen Sauerstoffdonatoren wie H₂O oder CO₂ ist die Oxidation die dominierende Reaktion. Dabei bildet sich eine Aluminiumoxidschicht, die bei erhöhten Temperaturen für Sauerstoff und Stickstoff undurchlässig ist und die Legierungsmatrix vor deren Eindringen schützt. Wird die Legierung jedoch einer reduzierenden Atmosphäre (N₂ + H₂) ausgesetzt, reißt die schützende Aluminiumoxidschicht auf, und es kommt zu einer lokalen, ablösenden Oxidation durch die Bildung nicht schützender Chrom- und eisenreicher Oxide. Diese bieten einen günstigen Diffusionsweg für Stickstoff in die ferritische Matrix und die Bildung der AlN-Phase [9]. Die schützende Stickstoffatmosphäre (4,6) wird häufig in der industriellen Anwendung von FeCrAl-Legierungen eingesetzt. Beispielsweise sind Widerstandsheizungen in Wärmebehandlungsöfen mit Stickstoffatmosphäre ein Beispiel für die weitverbreitete Anwendung von FeCrAl-Legierungen in einer solchen Umgebung. Die Autoren berichten, dass die Oxidationsrate der FeCrAlY-Legierungen beim Glühen in einer Atmosphäre mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck deutlich geringer ist [11]. Ziel der Studie war es, zu ermitteln, ob das Glühen in Stickstoffgas (99,996%) (4,6) (Messer®-Spezifikation, Verunreinigungsgrad O2 + H2O < 10 ppm) die Korrosionsbeständigkeit der FeCrAl-Legierung (Kanthal AF) beeinflusst und inwieweit dies von der Glühtemperatur, deren Variation (thermische Zyklen) und der Aufheizrate abhängt.