DE1925481B2 - Verfahren zum Beschichten eines Eisengegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Eisengegenstandes, der bei Gebrauch einer Korrosion in salzhaltiger Umgebung ausgesetzt ist. mit einer mehr !component igen Oberflächendiffusionsschicht, die dem Gegenstand sowohl mechanischen als ♦> auch kathodischen Schutz gegen Salzkorrosion bidet, durch DilTusionsbesehiehiung mit Aluminium und einem weiteren Metall.

Hugzeugdiisenmotorcn sind insbesondere in stark salzhaltiger Atmosphäre korrodierenden Bedingungen ausgesetzt. Di; Turbinen solcher Motoren müssen infolge der Einwirkung von Verbrennungsgasen bei aiißcrordenilich hoher Temperatur oxidationsbeständig sein. Die Kompressoren sind demgegenüber zwar kaum BetriebsieirperaHiren von über 480 C ausge setzt, sie unterliegen an der l.uficintritissielle jedoch der direkten I inwirkung von stark salzhaltiger Atmosphäre, die außerdem beträchtliche Mengen an mechanischen Verschleiß verursachendem Siaub enthalten kann. Ferner müssen solche Kompressoren auch starke mechanische Iteanspruchimgen durch /.eniniugalki alle, thermischen Schock oder Vibration aushalten, /um Bau solcher l'.lemenie werden daher besondere Werkstoffe, wie lioJilesie Eisenlegierungen, benötigt und diese müssen /um Schul/ vor mechanischem Angiiff ^⁰ ui\i\ Kollision mn speziellen Oberflächeiuiber/ügen versehen werden. I),ι sich die mechanischen Eigenschaften der / ir Herstellung tier obigen Bauelemeiicc verwendeten hochfesten Werkstoffe bei 1 emperaturen. die wesentlich über >4() ( liegen (d.h. in einem lie "5 reich, in dem die meisten DiNusionsbcschichiungen durchgehen u ei den) \ ei schlechtem, sollten diese Si-hiii/ubcr/iiL'e inoüliehsi bei Tempel .Huren aiilge

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bracht werden können, die nicht merklich über 540 (/

liegen.

Die Diffusionsbeschichiung von Eisengegcnstünden mit Aluminium ist bekannt. Sie erfolgt durch Glühen von Metallgegcnständen in aluminiunihaltigen Pulvern oder von Metallgegenständen mit Überzügen uns Aluminium. |e nach Art der hierzu angewandten Verfahren spricht man dabei von Pulver-. Spritz- oder Tauch-

alilieien. . .

Aus US-PS 24 17 818 ist bereits ein Ven.inren /um Beschichten eines Eisengegensiandes mit einem duktilen oxidationsbeständigen Überzug bekannt, das darin besteht, daß man den Eisengegenstand durch Elektmplattierung zuerst mit einer etwa 0.006 bis 0.02 > mm starken Chromschicht versieht, den Gegenstand dann solange in eine auf 693 bis 7b0 C mit Aluminium, aktivierte* erhitzte Salzschmelze taucht, bis die Oberfläche des Gegenstandes praktisch die Badtemperatin erreicht hat. wobei das Chrom teilweise in das Eisen diffundiert und sich im Salz Chromoxide lösen, woraul man den so behandelten Gegenstand zur weiteren Beschichtung höchsten 10 Sekunden in eine auf etwa 677 bis 719"C erhitzte Aluminium- oder Aluminiumlegicrungsschmel/e gibt, wodurch eine etwa 0.012 bis O.OS^mm starke duktile Aluminium-Eisen-Zwischenschicht und eine etwa 0,012 bis 0,1 mm starke Aluminiumoberschicht entsteht.

In US-PS 30 00 755 wird ein Verfahren zur Herstellung einer bei Hochtemperatur oxidaiionsbeständigen Turbinenschaufel beschrieben, das darin besteht, daß man die aus Nickel- oder Cobaltlegierungen bestehende Schaufel mit einem Überzug aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versieht, die so behandelte Turbinenschaufel zum Diffundieren eines Teils des Überzugsmetaiis in das Grundmetall erhitzt, mit einer Säurelösung überschüssiges Überzugsmetall von der Schaufeloberfläche entfernt und die so erhaltene Turbinenschaufel schließlich solange erhitzt, daß der restliche Metallüberzug in die Oberfläche diffundiert. Die Turbinenschaufel wird hierdurch mit einer oxidationsbeständigen Oberflächenschicht aus einer Legierung aus Grundmetall und Übcr/ugsmctall versehen, die nicht über 0,06 mm stark ist.

Nach DT-OS 19 25 482, 19 25 483 mid DT-Gbin 69 20 185 werden zum Korrosionsschutz von Eisengegenständen in stark salzhaltiger und vcrschleil.Uerursachender Atmosphäre bereits inehrkomponenlige difftisionsschichien aus überwiegend Aluminium und einem beti.ichtlichen Anteil an Zink mit solcher Zusammensetzung vorgeschlagen, daß mit allmählich annehmender Dicke des Überzugs infolge Verschleiß die kathodische Schut/wirkung des Überzugs zunimmt. Zur Vermeidung unerwünschter krisiallographischer oder metallurgischer Umwandlungen im Träge: während des Über/iehens. die sich auf die mechanischen Eigenschallen der Teile nachteilig auswirken, werden dabei die Diffusionsschichten /um Teil auch bereits bei 'lcniperatüren hui unier 540 C aufgebracht.

Neben dem oben als Zusat/kompenenie /u Aluminium ciw ahmen Zink wurde /ur Herstellung korrosionsbesiändiger Diffusioiisschichteii auch bereiis Magnesium in Kombination mit Aluminium verwendet.

Die oben erwähnten Verfahren ergeben /war Überzüge mit vorteilhafter Oxulalions- und Verschleißlesuj'keii. Ein beträchtlicher '!eil der Aluminiumschiii/ schicht im Üher/ug neigt jedoch oflenbai /ti einer Vereinigung mn lisen in dem Träger. Hierdurch bildet sich eine Iniermeiallv ei 'bindung, wie le\l·. die gegenüber

der Eisenlegierung des Trägers selbst nicht ausreichend anodisch ist. um diese gegen Salzkorrosion kathodisch genügend zu schützen. Die direkte Angriffswelle bilden dabei die selbst nach gründlicher Diifusionsbeschichiung im Überzug unvermeidlich vorhandenen wmngen $ Löcher. Auch die oben angeführten Diffusionsschichien aus Aluminium und Zink auf Eisen führen zu keinen befriedigenden Ergebnissen. So hat eine solche Diffusionsschicht auf Stahl AMS b3O4 ein Elektrodenpotenlial von nur 0.5b Volt bei Messung durch Eintauchen in eine Natriumchloridlösung. Dieses Potential (wahrscheinlich das Potential der FeAh-Außcnsehicht) reicht für den gewünschten kathodischen Schutz nicht aus. Die ebenfalls angeführte Kombination aus Aluminium und Magnesium ergibt zwar einen brauchbaren kathodischen Schutz, die Herstellung wn Diffusionsschichien bei Temperaturen, wie sie zur Bildung von Aluminiumdiffusionsschichten geboten sind, bereitet jedoch erhebliche praktische Schwierigkeiten.

Es wurde nun gefunden, daß sich die den bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile überwinden lassen, wenn man auf einen Eisengegenstand vor Diffusionsbeschichtung mit einer Aluminiumschichi in bestimmter Weise eine Diffusionssehicht aus einem anderen Metall aufbringt. »5

Das erlmdurgsgemäßc Verfahren der eingangs genannten Art ist demzufolge dadurch gekennzeichnet, daß man auf den Gegenstand durch Diffusionsbeschichtung eine Oberflächenschicht aus Mangan aufbringt, indem man den Gegenstand zur Diffusionsbesehichiung in eine manganhaltige Pulverfülking einbettet und erwärmt, worauf man den so mit Mangan überzogenen Gegenstand mit einer Diffusionsschicht aus Aluminium versieht, indem man ihn in eine Aluminium enthaltende Pulverfüllung einbettet und auf eine nicht über 540 C liegende Temperatur erhitzt, und (ias Aluminium solange in und durch die Manganschicht unter Bildung der mehrkomponentigen Difussionsschicht diffundieren läßt, daß sich in der Diffusionsschicht in überwiegender Konzentration FeAh an der Grenzfläche zw ischen Gegcnstand und Überzug und in überwiegender Konzentration MnAIb an der Außenseite des Überzugs bilden, wobei man solange in der aluminiumhaliigen Füllung weiter erhitzt, bis der mchrkornponeniigc Überzug und der Gegenstand metallurgisch vereint und miteinander verbunden sind.

In den erfmdungsgemüß hergestellten Diffusions schichten bildet Aluminium die Grundlage des Liberzugs für den Korrosionsschutz, dieser enthält aber auch Mangan, das sich mit dem Aluminium in dem Überzug chemisch verbindet, wenn dieses in die Oberfläche des als Träger dienenden Eisens eindiffundiert. Aul der Oberfläche des Überzugs entsteht hiedurch cine AIuminium-Mangan-Verbindung. die gegenüber dem eisenhaltigen Träger genügend anodisch ist. um diesen gegen chemische Korrosion in salzhaltiger Atmosphäre kathodisch zu schützen. Mit der crf ndiingsgeniäßcu Kombination aus Aluminium und Mangan lassen sich in vorteilhafter Weise brauchbare Diffusionsschichien auf Eisenträgern bei Temperaturen erhalten, die unter den Temperaturen liegen, bei denen unerwünschte kristallographische oder ineiallurgische Veränderungen in ilen zu überziehenden Gegenständen aufireten. Der hiernach hergestellte Überzug isi mit dem Gegenstand in abgegrenzten jedoch meiallurgisih vereinigen (le ⁶S bieten derart verbunden, daß es sog.ir bei siarker liier mischer und mechanischer Sehockheaiispruchimg /11 keiner w eseniliehen AMovmi: des t Πητ/ul's kmiiiiii.

Im Vergleich zum erwähnten Überzug aus Aluminium und Zink erhält man erfindungsgemäß unter den gleichen Versuchsbedingungeii eine in ihrer Außenschicht hauptsächlich aus Münganalummid bestehende DiilusK'nsschicht. üc ein Elektrodenpotential von 0.85 Volt hat und daher den Eisenträger besser kathodisch schlitzt.

Die Oberfläche des erfindungsgemäß überzogenen Gegenstandes besteht offenbar überwiegend aus der lntermetallverbmdung MnAIt. während die darunterliegende Schicht, die an die C berzugs-Träger-Grenzliäche angrenzt. L^erw legend aus FeAh besieht, das dutch Diffusion sowohl mit der MnAle-Schichi als auch mit dem Substrat verbunden ist. Das Manganaluminid weist in salzhaltiger Atmosphäre etwa das gleiche Elektrodenpotential wie reines Aluminium aul. es ist jedoch wesentlich anodischer als das Eisenaluminid. das gewöhnlich aus Aluminiumüberzügen auf eisenhaltigen Substraten entsteht, und bietet daher einen brauchbare η kathodischen Schutz. Außerdem ist Manganaluminid auch härter als Eisenaluminid.

Als Beispiel für besondere Betriebsbedingungen, mit denen eiTindungsgemäß brauchbare Ergebnisse erzielt werden, wird eine Diffusionsschicht aus Mangan auf Gegenstände aus AMS 6304 als eisenhaltigem Träger durch Einbetten der Gegenstände in eine Packung, die etwa 30 Gewichtsprozent pulvriges Mangan. 0.5 Gewichtsprozent Ammoniumjodid als verdampfbaren Halogenproinoior und 70 Gewichtsprozent pulverisiertes Aluminiumoxid als inerten Füllstoff enthält, nach dem bekannten Zementier-Diffusions-Beschichtungsverfahren aufgebracht. Die in der Fullung eingebetteten Gegenstände werden in einer Retorte in Abwesenheit von Sauerstoff 20 bis 30 Stunden auf etwa 5¹K) C erwärmt. Während dieses Abschnitts wird Mangan in fester Lösung in die Oberfläche des Trägers überführt.

In einer zweiten Beschicluungsstufe wird auf und in dem Manganüberzug eine Diffusionsschicht aus Aluminium gebildet, indem man die mit Mangan überzogenen Gegenstände in eine Duffisonsbeschiehuingsfülhmg einbettet, die etwa 20 Gewichtsprozent pulverisiertes Aluminium. 0.5 Gewichtsprozent Ammoniumjodid. 1 Gewichtsprozent pulverförmiges Cadmium und als Rest pulverisiertes Aluminiumoxid als Füllstoff enthält, und das Ganze wird in einer geschlossenen Retorte in Abwesenheit von Sauerstoff in einem Zvkliis von 30 Stunden auf etwa 480 C erwärmt. In dieser zweiten Stufe diffundiert das Aluminium rasch aus der Füllung durch die feste Mangan-Eisen-Eösung und löst sich in dem Eisenträger unter Bildung der erwarteten FeAh-Intermetallverbiiulung. während es außerdem vorher gelöstes Mangan unter Bildung der gewünschten MnAli'-lnternietallverbindung an die Außeiioberfläclie des Überzugs drängt, wodurch der gewünschte Katho denschuiz erzielt wird.

Mikroanalysen der so überzogenen Gegenstände ergehen, dall au der überzogenen Oberlläche des Gegenstandes zwar eine sehr kleine Menge Eisen in fesler Lösung vorhanden ist. die Manganalimiiniiliniermeiall- \ et bindung in diesem (iehiet jedoch überw iegi und den gewünschten kathodischen Schulz ergibt. Die Mikroanalysen zeigen feiner, daß die M.iiii'.in.iluininiilphase etwa '/! der gesamten Starke des I Iberziigs. the eiwa (>.()■")I mm beirä^i. ausmacht, wahrend tier Rest h.iiipl sachlich .ms Aluminium und Eisen in einem Gewichis ν erhaliiiis. das dein Alimiinid I c Al· entspricht, heslehl.

Die Korrosioiispriilimg duri h inieitsive Salzbespru him·.' von überzogenen Geucnsi,nuten .ms AMSh {04

ergibt, daß mil diesem mehrkomponeniigen Überzug ein besserer Korrosionsschutz auf solchen Hisenleirit.·- rungen erzielt wird als mit üblichen Aluminiumiiber/ügen, selbst wenn diese durch einen Gehalt an Zink verstärkt sind. Die Zeit bis zum < rstcn Auftreten von rotem Rost ist dabei erheblich langer und die Ijnpfindlichkeit des Trägers gegenüber Loch fm ß wesentlich geringer.

Claims (1)

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Patemanspruch:

Verfahren /um Beschichten eines Eisengegenstandes, der bei Gebrauch einer Korrosion in sal/-haltiger Umgebung ausgesetzt ist. mit einer mehrkomponentigen Oberflächendiffusionsschicht. die dem Gegenstand sowohl mechanischen uls auch kathodischen Schutz gegen Salzkorrosion bietet durch Diffusionsbeschichtung mit Aluminium und einem weiteren Metall, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den Gegenstand durch Diffusionsbeschichtung eine Oberflächenschicht aus Mangan aufbringt, indem man den Gegenstand /ur Diffusionsbeschichtung in eine manganhaltige Pulverfül- «5 lung einbettet und erwärmt, worauf man den so mit Mangan überzogenen Gegenstand mit einer Diffu- sionsschichi ;ius Aluminium versieht, indem man ihn in eine Aluminium enthaltende Pulverfüllung eingebettet auf eine nicht über 540' C liegende Tempera- *> tür erhitzt, und das Aluminium solange in und durch die Mangtnschicht unter Bildung der niehrkomponentigen Diffusionssehichl diffundieren läßt, daß sich in der Diffusionsschicht in überwiegender Konzentration FcAIj an der Grenzfläche zwischen Ge- *5 gensiand und Überzug und in überwiegender Konzcntswtion MnAIb an der Außenseite des Überzugs bilden, wobei man solange in der aluminiumhaltigcn Füllung weiter erhitzt, bis der mehrkomponentige Überzug und der Gegenstand metallurgisch vereint 3«» und miteinander verbunden sind.