CH647265A5 - METHOD FOR PRODUCING PROTECTIVE OXIDE LAYERS. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung schützender Oxidschichten auf einem metallischen Gegenstand, bei dem der Gegenstand nach einer Vorbehandlung einem Oxidationsprozess unter erhöhter Temperatur unterzogen wird. The invention relates to a method for producing protective oxide layers on a metallic article, in which the article is subjected to an oxidation process at elevated temperature after pretreatment.
Bei den Prozessen der nuklearen Kohlevergasung spielt die It plays a role in the processes of nuclear coal gasification
Permeation eine wichtige Rolle. Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, die mit den Wasserstoff bzw. Tritium enthaltenden Arbeitsgasen in Verbindung kommenden Bauteile mit Schutzschichten zu versehen, die einen Durchtritt dieser Elemente verhindert sollen. Permeation plays an important role. For safety reasons, it is necessary to provide the components that come into contact with the working gases containing hydrogen or tritium with protective layers which are intended to prevent these elements from penetrating.
Eine bekannte Methode, Werkstoffe bzw. Gegenstände gegen den Eintritt von Fremdelementen zu schützen, besteht darin, die Oberfläche des entsprechenden Gegenstandes mit einer Oxidschicht zu versehen. A known method of protecting materials or objects against the entry of foreign elements is to provide the surface of the corresponding object with an oxide layer.
Bei dem bekannten Verfahren wird die Oxidschicht auf den Gegenstand einfach dadurch erhalten, dass der Gegenstand der Atmosphäre des betreffenden Vergasungsprozesses unter den dem Prozess zugrundeliegenden physikalischen Bedingungen ausgesetzt wird. In the known method, the oxide layer on the object is obtained simply by exposing the object to the atmosphere of the gasification process in question under the physical conditions on which the process is based.
Ein derartiges Verfahren eignet sich jedoch nicht zur Anwendung auf Fälle, bei denen der Gegenstand extremen Bedingungen, insbesondere Wasserstoff bei hohen Temperaturen, ausgesetzt wird, wie es z.B. bei der nuklearen Kohlevergasung der Fall ist. However, such a method is not suitable for use in cases where the object is exposed to extreme conditions, in particular hydrogen at high temperatures, such as is the case with nuclear coal gasification.
Die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Schichten weisen keine ausreichende Dichtheit und ausserdem keine genügende mechanische Stabilität auf. Unter relativ geringen Beanspruchungen bilden sich nämlich bereits Risse in der Schutzschicht, oder die Schicht platzt sogar ab. The layers produced by the known method do not have sufficient tightness and, moreover, do not have sufficient mechanical stability. Under relatively low loads, cracks already form in the protective layer or the layer even flakes off.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, das die Oxidschicht einen wirkungsvollen Schutz gegen die Permeation von Fremdelementen, insbesondere Wasserstoff oder Tritium, auch bei hohen Temperaturen bietet. The object of the invention is to improve the known method in such a way that the oxide layer offers effective protection against the permeation of foreign elements, in particular hydrogen or tritium, even at high temperatures.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass unter Anwendung eines Gegenstandes aus Hochtemperaturlegierungen der Gegenstand einer mechanischen und/oder chemischen Vorbehandlung unterzogen wird und dass der anschliessende Oxidationsprozess unter Anwendung eines niedrigen Oxidationspotentials und einer Temperatur zwischen etwa 900 und 1000°C durchgeführt wird. The object is achieved in that the object is subjected to mechanical and / or chemical pretreatment using an object made of high-temperature alloys and that the subsequent oxidation process is carried out using a low oxidation potential and a temperature between approximately 900 and 1000 ° C.
Durch das niedrige Oxidationspotential ist eine selektive Oxidation möglich, mit der bei entsprechender Wahl des Par-tialdruckes des Oxidationsmittels erreicht werden kann, dass nur einzelne Elemente, vorzugsweise nur ein Element aus dem zu behandelnden Werkstoff, in den Oxidationsprozess eingeht. Due to the low oxidation potential, selective oxidation is possible, with which, with a suitable choice of the partial pressure of the oxidizing agent, it can be achieved that only individual elements, preferably only one element from the material to be treated, are included in the oxidation process.
Bei hochlegierten Stählen sowie Nickelbasislegierungen konnte durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beobachtet werden, dass eine Oxidation desjenigen Bestandteiles stattfindet, der das Oxid mit dem niedrigsten Zersetzungsdruck bildet, nämlich Chrom. Durch das langsame Wachstum des Chromoxids wird eine gleichmässige Bildung der Oxidschicht erreicht. Diese Schichtbildung wurde auch dadurch begünstigt, dass in diesen Legierungen eine relativ gute Chrombeweglichkeit gegeben ist. Durch diese Chrombeweglichkeit erfolgt ein gewisser Nachschub von Chrom aus dem inneren Bereich an die Oberfläche, der zur Bildung einer weitaus kompakten CnOs-Schutzschicht beiträgt. In the case of high-alloy steels and nickel-based alloys, it has been observed by using the process according to the invention that the component which forms the oxide with the lowest decomposition pressure, namely chromium, is oxidized. Due to the slow growth of the chromium oxide, a uniform formation of the oxide layer is achieved. This layer formation was also favored by the fact that these alloys have relatively good chromium mobility. This mobility of chrome results in a certain replenishment of chrome from the inner area to the surface, which contributes to the formation of a far more compact CnOs protective layer.
Untersuchungen haben ergeben, dass diese Cn03-Schicht einen gleichmässig dichten Überzug ergibt, der eine Permeation von Wasserstoff oder Tritium sowie von anderen Elementen in den Werkstoff in befriedigender Weise hemmt, und zwar auch bei sehr hohen Temperaturen. Es konnte ebenfalls festgestellt werden, dass diese Oxidschicht gleichzeitig einen guten Schutz gegen Hochtemperaturoxidation, gegen Aufkohlung sowie gegen Schwefelwasserstoff-, Schwefeloxid- und Halogenkorrosion gibt. Die Cn03-Schicht zeigt auch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte mechanische Stabilität auf. Investigations have shown that this Cn03 layer gives a uniformly dense coating which satisfactorily inhibits the permeation of hydrogen or tritium and other elements in the material, even at very high temperatures. It was also found that this oxide layer simultaneously provides good protection against high-temperature oxidation, against carburization and against hydrogen sulfide, sulfur oxide and halogen corrosion. The Cn03 layer also exhibits improved mechanical stability compared to the prior art.
Die Qualität der Schutzschicht lässt sich weiterhin verbessern, indem der Gegenstand einer mechanischen Vorbehand2 The quality of the protective layer can be further improved by subjecting it to mechanical pretreatment2
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lung, wie z.B. einer Kaltverformung, und anschliessend einer Glühbehandlung unter Wasserstoff unterworfen wird. such as cold working, and then subjected to an annealing treatment under hydrogen.
Die mechanische Behandlung, die Schleifen, Honen, Drehen oder Kugelstrahlen sein kann, bewirkt im Zusammenhang mit der nachfolgenden Temperaturbehandlung eine Verfeinerung der Korngrössen an der Gegenstandsoberfläche und damit eine Erhöhung der Chrombeweglichkeit. Diese wird in der anschliessenden chemischen Vorbehandlung dahingehend ausgenutzt, dass die durch den Wasserstoff im Glühvorgang hervorgerufene Cr-Segregation der Legierung eine bemerkenswerte Anreicherung von Chrom im Oberflächenbereich bewirkt. Auf einer derart vorbehandelten, für den Oxidationsvorgang direkt zugänglich gemachten chromangereicherten Oberfläche läuft eine über die Fläche annähernd homogen verteilte Oxidation ab, die zu einer sehr dichten und gut haftenden und damit mechanisch sehr stabilen Barriereschicht führt. The mechanical treatment, which can be grinding, honing, turning or shot peening, in conjunction with the subsequent temperature treatment, results in a refinement of the grain sizes on the object surface and thus an increase in the mobility of chromium. This is used in the subsequent chemical pretreatment in such a way that the Cr segregation of the alloy caused by the hydrogen in the annealing process causes a remarkable accumulation of chromium in the surface area. An oxidation which is approximately homogeneously distributed over the surface and which leads to a very dense and well-adhering and therefore mechanically very stable barrier layer takes place on such a pretreated, chromium-enriched surface which is made directly accessible for the oxidation process.
Der Glühvorgang wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die der Temperatur für den nachfolgenden Oxidationsprozess annähernd gleich ist. Dieses hat den Vorteil, dass die beiden temperaturabhängigen Verfahrensschritte zügig hintereinander durchgeführt werden können. The annealing process is preferably carried out at a temperature which is approximately the same for the subsequent oxidation process. This has the advantage that the two temperature-dependent process steps can be carried out quickly one after the other.
Für den Oxidationsprozess kann COz als Oxidationsmittel verwendet werden. Dadurch kann das Hilfsgleichgewicht 2CO: = 2CO+O2 zur Herabsetzung des Sauerstoffpartial-druckes ausgenutzt werden. COz can be used as an oxidizing agent for the oxidation process. This enables the auxiliary balance 2CO: = 2CO + O2 to be used to reduce the oxygen partial pressure.
Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Wasserdampf. Mit Wasserdampf kann unter dem Hilfsgleichgewicht 2H:0 = 2H2+O2 ein noch niedrigeres Oxidationspotential als im Falle von CO2 erreicht werden. Die Verwendung dieses Oxidationsmittels hat in Verbindung mit der Wasserstoffreduktion als Vorbehandlung den weiteren Vorteil, dass zwischen der chemischen Vorbehandlung und dem Oxidationsprozess kein Spülvorgang eingesetzt werden muss. Der hierbei während der Oxidation vorhandene Überschuss von Wasserstoff wirkt sich sogar noch positiv auf den Prozess aus, indem dieser Wasserstoff eine weitere Herabsetzung des Sauerstoff-Partialdruckes hervorruft. A preferred oxidizing agent is water vapor. With water vapor, an even lower oxidation potential can be achieved under the auxiliary equilibrium 2H: 0 = 2H2 + O2 than in the case of CO2. The use of this oxidizing agent in connection with the hydrogen reduction as pretreatment has the further advantage that no rinsing process has to be used between the chemical pretreatment and the oxidation process. The excess hydrogen present during the oxidation even has a positive effect on the process in that this hydrogen causes a further reduction in the oxygen partial pressure.
Um eine Durchführung des Oxidationsprozesses unter vermindertem Druck und damit die Verwendung von Vakuumapparaten zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das Oxidationsmittel in einem inerten Trägergas, vorzugsweise einem Edelgas, insbesondere Helium oder Argon, über den zu beschichtenden Gegenstand zu leiten. Das Oxidationsmittel kann dabei vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf, aber auch in einer teilgeschlossenen oder offenen Betriebsweise geführt werden. In order to avoid carrying out the oxidation process under reduced pressure and thus the use of vacuum apparatuses, it is proposed to pass the oxidizing agent over the object to be coated in an inert carrier gas, preferably an inert gas, in particular helium or argon. The oxidizing agent can preferably be carried out in a closed circuit, but also in a partially closed or open mode of operation.
Bei der Verwendung von CO2 als Oxidationsmittel wird ein Oxidationspotential von unter 50 mbar, vorzugsweise etwa 10 mbar, verwendet, während der Wasserdampfpartialdruck niedriger als 100 mbar ist, wobei diese Werte auf Normalbedingungen bezogen sind. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Oxidationsprozesses mit Wasserdampf unter einem Partialdruck von etwa 20 mbar. Diese Bedingungen When using CO2 as the oxidizing agent, an oxidation potential of less than 50 mbar, preferably about 10 mbar, is used, while the water vapor partial pressure is less than 100 mbar, these values being based on normal conditions. The use of the oxidation process with steam under a partial pressure of approximately 20 mbar is particularly advantageous. These conditions
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lassen sich direkt bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur erreichen. can be achieved directly at atmospheric pressure and room temperature.
Es ist vorteilhaft, wenn die Oxidschichtdicke unter 4 um, vorzugsweise im Bereich von 2 (im, liegt. Eine derartige Schicht ist gegenüber Spannungen und anderweitigen Beanspruchungen resistent und demzufolge stabil. It is advantageous if the oxide layer thickness is less than 4 μm, preferably in the range of 2 μm. Such a layer is resistant to stresses and other stresses and is consequently stable.
Ausführungsbeispiele: Examples:
Beispiel 1 example 1
Zur Beschichtung einer unter dem Warenzeichen «Hasteloy X» bzw. «Inconel 625» bekannten Nickelbasislegierung mit der Zusammensetzung: 22% Cr, 9% Mo, 19% Fe, Si, Mn, Rest Nickel, bzw. mit der Bezeichnung NiCr22Mo9Nb, wurden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: The following were used to coat a nickel-based alloy known under the trademark “Hasteloy X” or “Inconel 625” with the composition: 22% Cr, 9% Mo, 19% Fe, Si, Mn, balance nickel or with the designation NiCr22Mo9Nb Process steps carried out:
a) Zunächst wurde die Oberfläche mechanisch durch Schleifen (Körnung 320), Honen oder Kugelstrahlen vorbehandelt. a) First, the surface was mechanically pretreated by grinding (320 grit), honing or shot peening.
b) Danach wurde der Gegenstand bei 1000°C 5 Stunden lang mit H2 reduziert, und anschliessend mit Argon gespült. b) The object was then reduced with H2 at 1000 ° C. for 5 hours and then flushed with argon.
c) Hierauf wurde der Oxidationsprozess bei der gleichen Temperatur, also 1000°C, mit 20 mbar Wasserstoff in Argon eingeleitet. c) The oxidation process was then initiated at the same temperature, that is 1000 ° C., with 20 mbar hydrogen in argon.
d) Nach einem 4stündigen Oxidationsprozess wurde eine dichte Cn03-Schicht von 1 bis 2 jo.ni erhalten. d) After a 4-hour oxidation process, a dense Cn03 layer of 1 to 2 jo.ni was obtained.
Beispiel 2 Example 2
Ein Gegenstand aus hochlegiertem Stahl mit 32% Ni, 20% Cr, 0,1% C, Al, Ti, Rest Fe wurde einer Vorbehandlung wie im Beispiel 1 [Verfahrensschritte a) und b)] unterzogen. An article made of high-alloy steel with 32% Ni, 20% Cr, 0.1% C, Al, Ti, rest Fe was subjected to a pretreatment as in Example 1 [process steps a) and b)].
c) Danach wurde die Oberfläche bei 900 bis 950°C mit 10 bis 20 mbar Wasserdampf in Argon oxidiert. c) Then the surface was oxidized at 900 to 950 ° C with 10 to 20 mbar water vapor in argon.
d) Auch in diesem Fall konnte in 4 Stunden eine kompakte Chromoxidschicht von 1 bis 2 (im hergestellt werden. d) In this case too, a compact chromium oxide layer of 1 to 2 (in.
Beispiel 3 Example 3
Es wurde ein Gegenstand aus hochlegiertem Stahl wie im Beispiel 2 mit der gleichen Vorbehandlung verwendet, wobei jedoch nach der Glühbehandlung der Wasserstoff nicht entfernt, sondern für den Oxidationsprozess beibehalten wurde. Die Oxidation wurde bei 1000°C durch Hinzufügung von Wasserdampf in Argon eingeleitet. An article made of high-alloy steel as in Example 2 was used with the same pretreatment, but the hydrogen was not removed after the annealing treatment, but was retained for the oxidation process. The oxidation was initiated at 1000 ° C by adding steam in argon.
Der Wasserdampf-Partialdruck betrug zwischen 10 bis 20 mbar und der des H2 0,1 bis 0,8 bar. Die Schichtdicke nach 4 Oxidationsstunden betrug ebenfalls 1 bis 2 |j.m. The water vapor partial pressure was between 10 to 20 mbar and that of H2 0.1 to 0.8 bar. The layer thickness after 4 hours of oxidation was also 1 to 2 μm.
Bei diesem Verfahren konnte gegenüber dem Beispiel 2 eine höhere Haftfestigkeit der Oxidschicht festgestellt werden. Das Beispiel 2 lässt sich dagegen bei niedrigeren Temperaturen durchführen. In this process, a higher adhesive strength of the oxide layer was found compared to Example 2. In contrast, example 2 can be carried out at lower temperatures.
In allen Fällen konnte festgestellt werden, dass die Oxidschicht eine hohe Stabilität hatte und einen bemerkenswerten Schutz gegen Wasserstoff- bzw. Tritiumpermeation bewirkte. In all cases it was found that the oxide layer had a high stability and caused a remarkable protection against hydrogen or tritium permeation.
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