DE102007020420B4

DE102007020420B4 - Plasmaspritzverfahren zur Beschichtung von Überhitzerrohren und Verwendung eines Metalllegierungspulvers

Info

Publication number: DE102007020420B4
Application number: DE102007020420A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dipl.-Ing. Häuser; Hendrik Dipl.-Kfm. Häuser
Original assignee: Haeuser & Co GmbH; Hauser & Co GmbH
Current assignee: Haeuser & Co GmbH; Hauser & Co GmbH
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: ATE530676T1; EP1985722B1; HRP20120043T1; PL1985722T3; DE102007020420A1; EP1985722A3; EP1985722A2; ES2375172T3; DK1985722T3

Abstract

Thermisches Spritzverfahren zum Herstellen einer Schutzschicht im Plasmaspritzverfahren auf mit heißen Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden, bei dem als Pulver eine selbstfließende Metalllegierung auf die metallischen Wände aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstfließende Metalllegierung eine Körnung von 90 bis 180 μm aufweist, wobei die Schutzschicht nach dem Aufspritzen mit einer neutralen Flamme nur angeschmolzen wird, wobei die Schutzschicht nur auf eine solche Temperatur aufgewärmt wird, dass ein diffusiver Verbund der Schutzschicht zum Grundwerkstoff vermieden wird, wobei die selbstfließende Metalllegierung als Hauptbestandteil Nickel aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisches Spritzverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Herstellen einer Schutzschicht im Plasmaspritzverfahren auf mit heißen Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden, bei dem als Pulver eine selbstfließende Metalllegierung auf die metallischen Wände aufgetragen wird.
Die DE 196 38 228 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer heißgaskorrosionsbeständigen Verbindung von durch eine thermisch gespritzte Schicht korrosionsgeschützten Rohren, bei dem das eine zu verschweißende Rohr im Bereich seiner dem zweiten Rohr benachbarten Stoßkante vor dem thermischen Spritzen, beispielsweise dem Plasmaspritzverfahren durch Auftragschweißen mit einem korrosionsbeständigen Werkstoff beschichtet wird.
Die US 4,192,672 A betrifft Metalllegierungen, welche als selbstfließende Pulver z. B. auf Nickelbasis relative große, harte Ausfällungen aufweisen, um die Verschleißfestigkeit solcher Pulver zu verbessern. Insbesondere befasst sich die US 4,192,672 A mit der Herstellung solcher Pulver. Derartige Pulver sollen mittels Plasmaspritzverfahren verspritzt werden können, wobei die Anlagerung gleichzeitig oder anschließend eingeschmolzen wird.
Die EP 0 223 135 A1 befasst sich ebenfalls mit selbstfließenden Metalllegierungen welche im Plasmaspritzverfahren aufgetragen werden können. Wird nicht im Plasmaspritzverfahren aufgespritzt, kann die Schicht mittels einer Autogenflamme vor Ort geschmolzen werden. Zu dem Plasmaspritzverfahren offenbart die EP 0 223 135 A1 eine Schmelztemperatur in einem Bereich von 1100 bis 1250°C.
In Kraftwerken, insbesondere in Müllverbrennungsanlagen bzw. deren Überhitzerkesseln, herrscht eine sehr aggressive, korrosive Umgebung aufgrund der sehr spezifischen Zusammensetzung des Brennstoffs (Abfall). Die Wände der Kessel, aber auch Rohrbündel bzw. Überhitzerrohrbündel, müssen daher insbesondere gegen Varianten der Hochtemperaturkorrosion geschützt werden. Aus einer Vielzahl von Schutzmaßnahmen gegen Hochtemperaturkorrosion und Verschleiß ist zum Beispiel das thermische Spritzen, beispielsweise als Flammspritzen oder auch als Plasmaspritzverfahren, bekannt
Mittels des Flammspritzens werden Pulver als Beschichtungswerkstoff auf die zu beschichtenden Werkstoffe, z. B. Stahlwerkstoffe, aufgebracht. Hierzu wird das zu beschichtende Werkstück zunächst gereinigt und anschließend mit Korund oder dergleichen gestrahlt. Eine Vorwärmung des Grundwerkstoffs auf eine Temperatur von 150°C bis 250°C vor dem Strahlen ist oft notwendig, wobei die genannte Vorwärmtemperatur insbesondere bei dem Flammspritzen mit selbstfließenden Pulvern, empfohlen wird. Die Beschichtungswerkstoffe weisen einen Schmelzpunkt unterhalb der Schmelztemperatur des zu beschichtenden Werkstoffs auf, und werden nach dem Aufspritzen in den Grundwerkstoff eingeschmolzen. Die Schutzschicht weist vor dem Einschmelzen eine relativ große Schichtdicke von bis zu 2 mm bei relativ hoher Porosität von 15 bis 20% auf. Diese Faktoren bedingen das Einschmelzen. Das Einschmelzen wird üblicherweise mit einer harten Acetylen-Sauerstoffflamme durchgeführt, so dass die Schutzschicht auf eine Temperatur von bis zu 1200°C erwärmt wird. Durch dieses Einschmelzen nimmt die Schichtdicke um ca. 20 Volumenprozent ab, wobei sich nachteiliger Weise eine Diffusionsschicht bildet, d. h. Elemente der Schutzschicht diffundieren aufgrund der Wärmebelastung in den Grundwerkstoff. Somit wird ein diffusiver Verbund der Schutzschicht mit dem Grundwerkstoff erreicht. Insbesondere bei warmfesten Stählen wie z. B. aus dem Werkstoff 15Mo3, 13CrMo45 oder 10CrMo910 führt der hohe Wärmeeintrag zu einer nachteiligen Gefügeänderung.
Bekannt sind aber auch Plasmaspritzverfahren zur Herstellung der Schutzschicht, wie beispielsweise in der DE 42 20 063 C1 offenbart. Das in der DE 42 20 063 C1 offenbarte Verfahren hat sich in der Praxis dahingehend bewährt, als der Verzug von Werkstücken und rißbildende Spannungen im Grundwerkstoff vermieden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein thermisches Spritzverfahren der Eingangs genannten Art mit einfachen Mittel so zu verbessern, dass bei geringerer Wärmeeinbringung in den Grundwerkstoff eine geschlossene, in sich eingeschmolzene Schutzschicht ohne Gefügeänderung des Grundwerkstoffs erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein thermisches Spritzverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die selbstfließende Metalllegierung eine Körnung von 90 bis 180 μm aufweist, wobei die Schutzschicht nach dem Aufspritzen mit einer neutralen Flamme nur angeschmolzen wird, wobei die Schutzschicht nur auf eine solche Temperatur aufgewärmt wird, dass ein diffusiver Verbund der Schutzschicht zum Grundwerkstoff vermieden wird, wobei die selbstfließende Metalllegierung als Hauptbestandteil Nickel aufweist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Temperatur des Grundwerkstoffs bei dem Plasmaspritzverfahren grundsätzlich nur gering erhöht wird, da der Plasmastrahl selbst den Grundwerkstoff gar nicht erreicht. Die Erfindung geht aber weiter, indem ein grobkörniges Pulver als Beschichtungswerkstoff bzw. Zusatzwerkstoff in dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahren eingesetzt wird, wobei anstelle des thermisch hochbelastenden Einschmelzens lediglich ein Anschmelzen der Schutzschicht bei wesentlich geringeren Temperaturen durchgeführt wird und damit erheblich geringere thermische Belastungen in den Grundwerkstoff eingeleitet werden.
In erfindungsgemäßer Ausführung weist das Pulver bzw. die selbstfließende Metalllegierung eine Körnung von 90 bis 180 μm auf, wobei die Schutzschicht nach dem Aufspritzen eine Schichtdicke von 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 mm, hat. Die Porosität der Schutzschicht beträgt vor dem Anschmelzen 0,5 bis 3%.
In günstiger Ausgestaltung wird als Pulver eine selbstfließende Metalllegierung verwendet, welche zumindest folgende Bestandteile hat: 77,35 Gew.-% Ni; 11,5 Gew.-% Cr; 0,65 Gew.-% C; 2,5 Gew.-% B; 3,75 Gew.-% Si; 4,25 Gew.-% Fe.
Die Schutzschicht weist nachdem Anschmelzen eine Härte von 48 bis 52 HRC auf.
In bevorzugter Ausführung wird die selbstfließende Metalllegierung mit einem Plasmaspritzverfahren mit zumindest den folgenden Parametern aufgespritzt:
Als Gas wird vorzugsweise Argon verwendet.
Der Gasdruck beträgt vorzugsweise 6,2 bar.
Die Spannung beträgt vorzugsweise 38 bis 50 V.
Als Trägergas wird bevorzugt Argon verwendet.
Der Trägergasdruck beträgt vorzugsweise 4,0 bar.
Die Förderrate beträgt vorzugsweise 1,35 kg/h.
Der Spritzabstand beträgt vorzugsweise 100 bis 150 mm.
Der Spritzwinkel beträgt vorzugsweise 90°.
Die Werkstückbewegung ist insbesondere bei Rohren rotierend.
Der Vorschub der Plasmapistole beträgt vorzugsweise 0,5 m/min.
Vor dem Aufspritzen des Pulvers wird das Werkstück, vorzugsweise ein Rohr, mit Elektroschmelzkorund oder dergleichen gestrahlt. In zweckmäßiger Ausführung wird das Pulver bzw. die selbstfließende Metalllegierung vor dem Spritzprozess auf ca. 25°C erwärmt.
Das Anschmelzen der Schutzschicht nach dem Aufspritzen wird in erfindungsgemäßer Ausführung mit einer neutralen Flamme (Acetylen/Sauerstoff) durchgeführt, wobei die Schutzschicht im Vergleich zum Einschmelzen auf eine wesentlich geringere Temperatur von ca. 800°C aufgewärmt wird, wodurch vorteilhaft ein diffusiver Verbund der Schutzschicht zum Grundwerkstoff vermieden wird. Damit sind aber auch Gefügeänderungen des Grundwerkstoffs vermeidbar, weswegen sich das erfindungsgemäße Plasmaspritzverfahren auch bei kritischen Werkstoffen wie z. B. 15Mo3, 10CrMo910 oder 13CrMo45 anwenden lässt. Die angeschmolzene Schutzschicht kühlt sehr schnell ab, was auch die Bildung einer geschlossenen, harten Hülle (Schutzschicht) positiv beeinflusst. Bevorzugt kann das Werkstück bzw. das beschichtete Rohr an Luft abkühlen.
Das erfindungsgemäße Plasmaspritzverfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung an Überhitzerrohren in Müllverbrennungsanlagen, ohne die Anwendung hierauf zu beschränken. Insbesondere in Müllverbrennungsanlagen hat es sich gezeigt, dass reine Spritzschichten als Schutzschichten zwar dem normalen Betrieb gerecht werden; ein erforderlicher Reinigungsprozess (Strahlprozess) führt jedoch häufig zu einer Schädigung, die letztlich den Ausfall der Schutzschicht herbeiführt. Mittels des erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahrens jedoch wird eine kompakte, gasdichte, fest mit dem Grundwerkstoff verbundene Schutzschicht erzeugt, die auch einem Strahlprozess widersteht, da die Diffusionsschicht bzw. eine Gefügeänderung des Grundwerkstoffs vermieden wird.
Insgesamt beinhaltet das erfindungsgemäße Plasmaspritzverfahren gegenüber den bisher bekannten Verfahren folgende Vorteile:
Es wird eine homogene Schichtstruktur erzeugt;
Gegenüber konventionellen Spritzschichten wird eine doppelte Schichtdicke erreicht;
Es wird eine feste, geschlossene und gasdichte Schicht erzeugt;
Keine ausgeprägte Diffusionszone, wobei die Rißgefahr vermieden wird;
Problemzonen, wie Rohrbögen und angeschweißte Halterungen, sind riss- und verzugsfrei herzustellen;
Der Reinigungsprozess an Überhitzerbündeln mit beschichteten Rohren ist problemlos möglich;
Bei Biege- und Zugversuchen hat es sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß hergestellte Beschichtung zieharmonikaartig abplatzt. Schliffbilder zeigten nach dem Auftragen der Schutzschicht und dem anschließenden Anschmelzen, dass keine Werkstofftrennungen bzw. Gefügeänderungen im Grundwerkstoff vorhanden waren.

Claims

Thermisches Spritzverfahren zum Herstellen einer Schutzschicht im Plasmaspritzverfahren auf mit heißen Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden, bei dem als Pulver eine selbstfließende Metalllegierung auf die metallischen Wände aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstfließende Metalllegierung eine Körnung von 90 bis 180 μm aufweist, wobei die Schutzschicht nach dem Aufspritzen mit einer neutralen Flamme nur angeschmolzen wird, wobei die Schutzschicht nur auf eine solche Temperatur aufgewärmt wird, dass ein diffusiver Verbund der Schutzschicht zum Grundwerkstoff vermieden wird, wobei die selbstfließende Metalllegierung als Hauptbestandteil Nickel aufweist.
Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht nach dem Aufspritzen eine Schichtdicke von 0,2 bis 1 mm aufweist.
Thermisches Spritzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht nach dem Aufspritzen eine Schichtdicke von 0,3 bis 0,6 mm aufweist.
Thermisches Spritzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht vor dem Anschmelzen eine Porosität von 0,5 bis 3% aufweist.
Thermisches Spritzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Pulver eine selbstfließende Metalllegierung mit zumindest folgenden Bestandteilen: 77,35 Gew.-% Ni; 11,5 Gew.-% Cr; 0,65 Gew.-% C; 2,5 Gew.-% B; 3,75 Gew.-% Si; 4,25 Gew.-% Fe verwendet wird.
Thermisches Spritzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht nach dem Anschmelzen eine Härte von 48 bis 52 HRC aufweist.
Thermisches Spritzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver vor dem Aufspritzen auf eine Temperatur von ca. 25°C erwärmt wird.
Thermisches Spritzverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht auf mit heißen Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden von Kesselrohren im Plasmaspritzverfahren aufgespritzt wird.
Verwendung eines Pulvers aus einer selbstfließenden Metalllegierung aufweisend eine Körnung von 90 bis 180 μm für ein thermisches Spritzverfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf mit heißen Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht nach dem Aufspritzen im Plasmaspritzverfahren mit einer neutralen Flamme nur angeschmolzen wird, wobei die Schutzschicht nur auf eine solche Temperatur aufgewärmt wird, dass, ein diffusiver Verbund der Schutzschicht zum Grundwerkstoff vermieden wird, wobei die selbstfließende Metalllegierung als Hauptbestandteil Nickel aufweist.