DD259213A1

DD259213A1 - Verfahren zur erzeugung gegen aufstickung widerstandsfaehiger bauteile

Info

Publication number: DD259213A1
Application number: DD27454985A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Lerche; Rolf Morgenstern
Original assignee: Freiberg Bergakademie
Priority date: 1985-03-28
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1988-08-17

Abstract

Verfahren zur Erzeugung gegen Aufstickung widerstandsfaehiger Bauteile aus Eisenwerkstoffen, das in Industrieanlagen, in denen bei der Verfahrensdurchfuehrung bei hoeheren Temperaturen Stickstoff freigesetzt wird, anwendbar ist. Ziel der Erfindung ist es, gegen Aufstickung widerstandsfaehige Bauteile aus Eisenwerkstoffen zu erzeugen, die eine hohe Lebensdauer besitzen, kostenguenstig und einfach herstellbar sind. Dabei steht die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das den Einsatz von Eisenwerkstoffen ermoeglicht, die neben den ueblichen Festigkeitskennwerten besonders eine hohe Warmfestigkeit und moeglichst gute Schweissbarkeit besitzen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass vor oder nach der Verarbeitung des Eisenwerkstoffes zu Bauteilen auf die vorbehandelten Oberflaechen des Bauteiles durch Metallauftragsverfahren eine Nickelschicht aufgebracht und das Nickel bei Temperaturen von 500 bis 1 200C bis zu einer mindestens 10 mm dicken und minimal 10 Gew.-% Nickel aufweisenden Schutzschicht in die Eisenmatrix ueberfuehrt wird.

Description

Ausführungsbeispiele Beispiel 1:

Beim Einsatz von Ofenrohrsystemen in der chemischen Industrie stehen diese Bauteile beispielsweise in einem Temperaturbereich von 320 bis 400T mit einem ca. 20% NH₃ enthaltendem Produktgas in ständigem Kontakt. Auf Grund der Temperaturbelastung und der außerdem noch wirksamen Drücke von mehr als 10MPa muß ein Stahl mit hoher Warmfestigkeit, beispielsweise der Stahl 10CrMo 9.10, ausgewählt werden. Durch den bereits bei diesen Verfahrenstemperaturen auftretenden Zerfall von Ammoniak wird diffusionsfähiger Stickstoff frei und führt zu Aufstickungsraten von durchschnittlich 0,17 mm je Jahr. Um diesen, den langzeitigen gefahrlosen Betrieb gefährdenden Vorgang zu vermeiden oder entscheidend zu verringern, werden die durch die ungewollte Aufstickung gefährdeten Rohrteile durch übliches Beizen von den durch die Rohrherstellung anhaftenden Zunderteilen befreit, und gleichzeitig entsteht eine metallische Oberfläche. Dieser Oberflächenzustand ist geeignet, um eine stromlose Vernickelung vorzunehmen. Diese erfolgt aus einer Lösung, die aus 200g Nickelsulfat, 250 g Milchsäure, 150 g Natriumhypophosphitund 5 g Hydrazinsulfat auf 10 Liter Wasser besteht. Durch 30%ige Kalilauge wird ein pH-Wert von 5,2 eingestellt und außerdem wird die Lösung mit MoO3-Zusätzen versehen. Durch die stromlose Vernickelung erfolgt die Abscheidung einer mindestens 20μιη dicken Schicht. - ?

Die oberflächenbehandelten Rohrteile werden anschließend bei 1100⁰C100 Stunden unter einer Schutzgasatmosphäre geglüht. Dabei diffundiert Nickel aus der aufgebrachten Nickelschicht in die Matrix des Stahles 10CrMo 9.10. Auf Grund des¹ Diffusionsgefälles wird im Stahl, ausgehend von seiner Oberfläche, eine mit Nickel angereicherte Schicht von mehr als 0,03 mm Dicke erzeugt. Der Nickelgehalt in dieser Randzone beträgt dabei mindestens 20 Gew.-%. Die Randkonzentration an Nickel beträgt, bedingt durch das sich einstellende Konzentrationsgefälle, mehr als 40Gew.-%. Diese Schicht weist deshalb im Angriffsbereich des diffusionsfähigen Stickstoffs eine besonders günstige schützende Wirkung gegen die unbeabsichtigte Aufstickung an.

Beispiel 2:

Für den chemischen Apparatebau werden geschweißte Hochdruckhohlkörper gefertigt. Dabei kommt der Stahl 24CrMo9 zum Einsatz. Zum wirksamen Schutz gegen Aufstickung erfolgt die erfindungsgemäße Erzeugung einer Nickelrandschicht. Der geschweißte Hochdruckbehälter wird einer entsprechenden Oberflächenbehandlung unterzogen. Es sind keine speziellen mechanischen Verfahren wie Schleifen und Polieren erforderlich. Es ist lediglich notwendig, daß Zunder oder organische Schichten, besonders Öle und Fette, entfernt werden. Dazu kommt ein bekanntes Spritzenfettverfahren mit 0,1 bis 0,3MPa Überdruck mit einem alkalischen Reiniger, der 20...3Og dm"³ Natriumkarbonat 10...2Og · dm"³Trinatriumphosphat

5...15g dm"³ Pentanatriumtrimethaphosphat

2... 4g dm"³ Komplexbildner ' . ι

enthält, zur Anwendung. Bei Temperaturen von 70 bis 85°C beträgt die Einwirkungszeit 1 bis 3 Minuten. Die Verwendung von Beizen ist nur erforderlich, wenn sich auf der Stahloberfläche oxidische Schichten befinden. Nach der Oberflächenbehandlung erfolgt eine sulfatische Vernickelung.

Sie wird ohne Verkupferung direkt auf der beim späteren Einsatz von Stickstoff beanspruchten Stahloberfläche vorgenommen. Für das elektrolytische Verfahren kommen Nickelanoden in Form voii Platten oder als Schüttgut zum Einsatz. Der Nickelsulfatelektrolyt enthält bei einem pH-Wert von 4,0 bis 4,5 60...7Og- dm"³ Nickel, 12... 15g · dm"³ Cl", Zusätze an Borsäure, aber keine Glanzbildner. In Abhängigkeit von Größe und Form des Bauteiles kann die gewählte Stromdichte bis 5A -dm"² betragen.

Die elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht wird anschließend in der eigentlichen Arbeitsgasatmosphäre bei Temperaturen um 550⁰C in die Randzone des Stahles überführt. Der Stahl 24CrMo9 mit seiner mindestens 10Gew.-% aufweisenden Randschicht besitzt dann eine gegen Aufstickung schützende Wirkung.

Claims

Verfahren zur Erzeugung gegen Aufstickung widerstandsfähiger Bauteile aus Eisenwerkstoffen, insbesondere Stahl, gekennzeichnet dadurch, daß vor oder nach der Verarbeitung zu Bauteilen auf die vorbehandelten Oberflächen des Bauteiles durch Metallauftragsverfahren eine Nickelschicht aufgebracht und das Nickel bei Temperaturen von 500 bis 1 200⁰C bis zu einer mindestens 10 μηη dicken undminimal 10Gew.-% Nickel aufweisenden Schutzschicht in die Eisenmatrix überführt wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung gegen Aufstickung widerstandsfähiger Bauteile aus Eisenwerkstoffen, das in Industrieanlagen in denen bei der Verfahrensdurchführung Stickstoff bei höheren Temperaturen freigesetzt wird, insbesondere in chemischen Anlagen und Einrichtungen zur Wärmebehandlung, anwendbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, in Abhängigkeit von den mechanischen und thermischen Beanspruchunge^denen Bauteile während eines Einsatzes ausgesetzt sind, einen diesen Erfordernissen entsprechenden Werkstoff in einem geeigneten Behandlungszustand nach bekannten Werkstoffkenngrößen auszuwählen und zum Einsatz zu bringen. Bei Bauteilen aus Eisenwerkstoffen, die infolge einer Berührung mit diffusionsfähigem Stickstoff oberhalb von 300°C aufsticken, kommt es zu einer zusätzlichen Beanspruchung und damit zu einer beträchtlichen Verringerung der Lebensdauer von Anlagenteilen. Diesem Umstand wird beispielsweise in der chemischen Industrie durch die Auswahl und den Einsatz geeigneter Werkstoffe Rechnung getragen. Werden billige niedriglegierte Eisenwerkstoffe eingesetzt, so ist bei ausreichenden mechanischen und thermischen Werkstoff ken nwerten und guter Verarbeitbarkeit deren Widerstand gegen Aufstickung gering. Durch den Einsatz wesentlich teuerer hochlegierter austenitischer Chrom-Nickel-Stähle, bei guten mechanischen und thermischen Werkstoffkennwerten und ausreichender Verarbeitbarkeit, ist die Neigung zur Aufstickung gering. Die besten Eigenschaften gegen Aufstickung und gute mechanische und thermische Werkstoffkennwerte werden von Nickelbasislegierungen erreicht. Diese Werkstoffe sind jedoch sehr teuer und schwer verarbeitbar. Nach der DD-PS 213696 ist ein Verfahren zur Herstellung von hemmenden Schichten auf Werkzeugen und Verschleißteilen bekannt. Hierbei soll das Eindringen von korrosiven Stoffen in den Grundwerkstoff verhindert werden und gleichzeitig seine Festigkeit erhalten bleiben. Dazu werden diese Teile mit Schichten aus Niob, Tantal, Zirkonium oder Hafnium versehen und anschließend aufgekohlt.

Weiterhin ist nach der DD-PS 216257 ein Verfahren zur Herstellung chemischer Nickelüberzüge auf kataiytischen Oberflächen bekannt, das auch auf rauhen Oberflächen anwendbar ist. Dabei soll die Qualität dieser Schichten und die Verfahrenssicherheit verbessert werden. Bei dieser Lösung wird nach einer ersten Phase des Vernickeins der Prozeß kurzzeitig durch eine Zwischenverkupferung unterbrochen und anschließend weitervernickelt. Diese Nickelüberzüge sind besonders im chemischen Behälterbau als Schutz vor korrosiven Einwirkungen einsetzbar.

Die letztgenannten zwei Lösungen sind nicht für die Herstellung gegen Aufstickung widerstandsfähiger Bauteile, bei gleichzeitiger guter Weiterbearbeitbarkeit, möglichst guter Schweißbarkeit und hoher Warmfestigkeit, verwendbar.

Ziel der Erfindung .

Ziel der Erfindung ist es, gegen Aufstickung widerstandsfähige Bauteile aus Eisenwerkstoffen zu erzeugen, die eine hohe Lebensdauer besitzen, kostengünstig und technologisch einfach herstellbar sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung gegen Aufstickung widerstandsfähiger Bauteile zu entwickeln, das den Einsatz von Eisenwerkstoffen ermöglicht, die neben den üblichen Festigkeitskennwerten besonders eine hohe Warmfestigkeit und möglichst gute Schweißbarkeit aufweisen und niedrige Gehalte an wertvollen Legierungselementen, insbesondere an Chrom und Nickel, besitzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einen niedrig-, mittel- aber auch hochlegierten Eisenwerkstoff, vorzugsweise Stahl, vor oder nach seiner Verarbeitung zu Bauteilen an den später durch Aufstickung beanspruchten Oberflächen nach einer in bekannter Weise vorgenommenen Oberflächenbehandlung eine Nickelschicht in einer auf die nachfolgenden Verfahrensschritte abgestimmten Schichtdicke aufgebracht wird. Der Auftrag der metallischen Nickelschicht kann z. B. durch Plattierung oder elektrolytisch erfolgen. Anschließend wird unter Wirkung von Luft, einer Schutzgas- oder Arbeitsgasatmosphäre im Temperaturbereich zwischen 500 und 1200⁰C ein Diffusionsglühen vor oder auch während des praktischen Einsatzes des Bauteiles so durchgeführt, daß durch den Konzentrationsausgleich in der Eisenwerkstoffmatrix der Nickelanteil werkstoffabhängig in jedem Fall mehr als 10Gew.-%, günstigerweise mehrals30Gew.-%, beträgt. Die Dicke der jeweils diese Nickelanteile aufweisenden Randschicht beträgt mindestens 10 pm, wobei die Stärke dieser Schicht vom Einsatzfall und den herrschenden Verfahrensbedingungen bestimmt wird. Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß auch niedriglegierte Konstruktionswerkstoffe mit ausreichender Festigkeit und hoher Warmfestigkeit eingesetzt werden können, die außerdem bei der Bauteil- oder Anlagenfertigung noch Vorteile in der Bearbeitbarkeit besitzen. Durch den Einsatz solcher Bauteile können wertvolle Legieruhgselemente, insbesondere Nickel, eingespart werden.