
Hochtemperatur-Knetlegierungen auf Eisenbasis sind eine Klasse metallischer Werkstoffe mit Eisen (Fe) als Hauptelement, die so konstruiert sind, dass sie bei erhöhten Temperaturen, typischerweise im Bereich von 540 °C bis 760 °C (1000 °F bis 1400 °F), eine gute mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Zersetzung (z. B. Oxidation) beibehalten. Die Bezeichnung „geschmiedet“ weist darauf hin, dass sie durch thermomechanische Prozesse wie Warmwalzen, Schmieden oder Extrudieren geformt werden, wodurch ihre Mikrostruktur verfeinert wird, um eine günstige Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Verarbeitbarkeit zu erzielen.
Sie dienen als kostengünstige und äußerst vielseitige Lösung für eine Vielzahl von Hochtemperaturanwendungen und schließen die Leistungslücke zwischen rostfreien Stählen und teureren Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis.
Gute Hochtemperaturfestigkeit und Kriechfestigkeit: Sie widerstehen Verformung und langsamer, zeitabhängiger Dehnung (Kriechen) unter mechanischer Belastung bei erhöhten Temperaturen, obwohl ihre obere Temperaturgrenze im Allgemeinen niedriger ist als die von Superlegierungen auf Nickelbasis.
Ausgezeichnete Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit: Ein wesentliches Merkmal ist ihre Fähigkeit, dank des hohen Chromgehalts (typischerweise 12–28 %) eine schützende, haftende Chromschicht (Cr₂O₃) auf der Oberfläche zu bilden. Viele Qualitäten enthalten außerdem Silizium (Si) und Aluminium (Al), um noch stabilere Schuppen zu bilden.
Kosteneffizienz: Sie basieren auf einer Eisenmatrix und sind deutlich kostengünstiger als Alternativen auf Nickel- oder Kobaltbasis, was sie zum Material der Wahl für großtechnische oder kostensensible Anwendungen macht.
Gute Verarbeitbarkeit: Aufgrund ihrer Beschaffenheit können sie mithilfe standardmäßiger Industrieverfahren leicht geformt, bearbeitet und zu komplexen Komponenten verschweißt werden.
Die Hochtemperaturleistung dieser Legierungen wird durch mehrere synergistische Mechanismen erreicht:
Festigung durch feste Lösungen: Elemente wie Molybdän (Mo), Wolfram (W) und Chrom (Cr) lösen sich in der Eisenmatrix auf, behindern die Versetzungsbewegung und sorgen für eine Grundfestigkeit.
Verfestigung durch Karbidausscheidung: Die Bildung stabiler Karbide (z. B. M₂₃C₆, MC, wobei M für Cr, Mo, Nb steht) an Korngrenzen und innerhalb der Körner trägt dazu bei, Versetzungen und Korngrenzen zu fixieren und so die Festigkeit und Kriechfestigkeit zu verbessern.
Nitrid- und Carbonitrid-Ausscheidung: In bestimmten Legierungen bilden Elemente wie Niob (Nb) und Titan (Ti) feine Nitride oder Carbonitride, die für eine zusätzliche Ausscheidungsverfestigung sorgen.
Mikrostrukturelle Stabilität: Die Legierungszusammensetzungen sind so ausbalanciert, dass sie der Vergröberung dieser Verstärkungsphasen und der Bildung schädlicher intermetallischer Verbindungen bei langfristiger Hitzeeinwirkung standhalten.
Hochtemperatur-Knetlegierungen auf Eisenbasis sind Arbeitspferde in zahlreichen Branchen:
Stromerzeugung:
Turbinenschaufeln und -scheiben in Dampfturbinen und Niedertemperaturstufen von Gasturbinen.
Kesselrohre, Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohre sowie Wärmetauscher in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen.
Automobil:
Turboladergehäuse (Turbinengehäuse), die den Abgastemperaturen standhalten müssen.
Abgaskrümmer und Fallrohre.
Industrieöfen und Wärmebehandlung:
Strahlrohre, Muffeln, Tabletts und Körbe, die beim Aufkohlen, Glühen und anderen Wärmebehandlungsprozessen verwendet werden.
Petrochemie und Raffination:
Rohre für Ofenschlangen und Rohrleitungen für Hochtemperatur-Prozessströme in katalytischen Crackern und Reformern.
Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Funktionen für einen schnellen Überblick zusammen:
| Funktion | Beschreibung | Vorteil |
| Basiselement | Eisen (Fe), mit hoch Chrom (Cr) Inhalt. | Bietet eine kostengünstige Grundlage mit inhärenter Oxidationsbeständigkeit. |
| Herstellungsroute | Thermomechanische Bearbeitung (Warmwalzen, Schmieden). | Ergibt ein gleichmäßiges, feinkörniges Gefüge mit guter Duktilität und Zähigkeit. |
| Schlüsselstärker | Feste Lösung (Mo, W); Karbide (Cr, Nb, Mo). | Bietet eine ausgewogene Kombination aus Hochtemperaturfestigkeit und mikrostruktureller Stabilität. |
| Temperaturbereich | Gute Leistung bis ~760 °C (1400 °F). | Schließt die kritische Leistungslücke zwischen Standard-Edelstählen und Nickel-Superlegierungen. |
| Hauptvorteil | Ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Herstellbarkeit und Kosten. | Die wirtschaftlichste Lösung für eine Vielzahl technischer Herausforderungen im Hochtemperaturbereich. |
| Gängige Legierungen und Typen | Austenitisch (z. B. 304H, 316H, 321H, 347H); Ferritisch (z. B. 446); Ausscheidungshärtbar (z. B. A-286, 17-4PH). | Bietet eine große Auswahl für unterschiedliche Temperatur-, Festigkeits- und Korrosionsanforderungen. |
Zusammenfassend: Hochtemperatur-Knetlegierungen auf Eisenbasis sind eine grundlegende und vielseitige Materialklasse, die einen großen Teil der modernen Hochtemperaturtechnik ermöglicht. Ihre Entwicklung stellt eine meisterhafte Optimierung von Kosten und Leistung dar und macht sie für Anwendungen vom Familienauto bis zum Kraftwerk, das seinen Strom liefert, unverzichtbar.