DE2043952A1 - Process for aluminizing objects made of nickel, cobalt or their alloys - Google Patents
Process for aluminizing objects made of nickel, cobalt or their alloysInfo
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Description
zu der Patentanmeldungto the patent application
HOWMET CORPORATION, 4-75, Steamboat Road, Greenwich, Connecticut, USAHOWMET CORPORATION, 4-75, Steamboat Road, Greenwich, Connecticut, USA
• betreffend:• concerning:
Verfahren zum Alitieren von Gegenständen aus Nickel, Kobalt oder deren Legierungen. Process for aluminizing objects made of nickel, cobalt or their alloys .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Alitieren, also zum Eindiffundieren von Aluminium aus einem Einsatzmaterial in die Oberfläche eines Metallgegenstandes zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Zunderfestigkeit bei hohen Temperaturen und/oder in korrosiver Umgebung, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Turbinen u.dgl. vorliegen. Durch Eindiffundieren von Aluminium in die Oberfläche von derartigen Werkstoffen, wie hoch nickel- oder kobalthaltige Legierungen und hoch legierte Stähle, können die Temperaturwechselbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit insbesondere bei hohen Temperaturen und andere physikalische und mechanische Eigenschaften wesentlich verbessert werden.The invention relates to a method for aluminizing, that is for diffusing aluminum from a feedstock into the surface of a metal object for improvement the corrosion resistance and scale resistance at high temperatures and / or in a corrosive environment, such as those for example in internal combustion engines, turbines and the like. By diffusing aluminum into the surface of Such materials, such as alloys with a high nickel or cobalt content and high-alloy steels, can improve the thermal shock resistance, the corrosion resistance especially at high temperatures and other physical and mechanical properties are significantly improved.
Beim Alitieren wird der Gegenstand bei einer Temperatur über 100O0O in ein pulverförmiges Einsatzmaterial gepackt, diesesDuring aluminizing, the object is packed into a powdery feedstock at a temperature above 100O 0 O, this
1098 U/U8S1098 U / U8S
1A-38 493 2U439521A-38 493 2U43952
enthält Aluminium und Aluminiumoxide, gegebenenfalls vorzugsweise mit einem geringen Anteil eines Halogenide, wie Ammoniumchlorid oder -fluoridiund wird in diesem Einsatzmaterial etwa 4 bis 10 h in nicht oxidierender Atmosphäre gehalten. Dabei diffundiert Aluminium in eine.Einsatztiefe von etwa 10 bis 20/U, abhängig von der Diffusionszeit und -"temperatur sowie der Aluminiumkonzentration in dem Einsatz-Material« In der Einsatzschicht nimmt die Aluminiumkonzentration mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche des Gegenstandes proportional ab.contains aluminum and aluminum oxides, optionally preferably with a small proportion of a halide, such as Ammonium chloride or fluoride is used in this feed kept in a non-oxidizing atmosphere for about 4 to 10 hours. In doing so, aluminum diffuses into a depth of use from about 10 to 20 / U, depending on the diffusion time and - "temperature and the aluminum concentration in the input material" In the insert layer, the aluminum concentration decreases with increasing distance from the surface of the object proportionally.
Die Erfindung betrifft nun ein verbessertes Verfahren zur All-itierung, um ein während der Anwendung fortschreitendes Einwandern des Aluminiums aus der Einsatζschicht in den Gegenstand und daher Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften zu verhindern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß das Aluminium in der Einsatzschicht gehalten werden soll, ohne ungebührliche Diffusion in das Innere des Gegenstands. Es wird eine gute Verbindung zwischen der Einsatζschicht und dem Kern des Gegenstandes erreicht. 'Dabei bilden sich komplexe Reihen von Verbindungen, die die Ursache der besonders hohen Korrosionsbeständigkeit in der Wärme sind.The invention now relates to an improved method of all-iting in order to detect a progression during use Immigration of the aluminum from the insert layer into the object and therefore to prevent deterioration in surface properties. It has been shown that the aluminum should be kept in the shift without undue Diffusion into the interior of the object. There will be a good connection between the inset layer and the core of the object. 'This creates complex series of connections that are the cause of the particularly high Are corrosion resistance in the heat.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere angewandt auf Sonderlegierungen, vorzugsweise Nickel- und Kobaltlegierungen. Erfindungsgemäß wird vor der eigentlichen AXitierung auf den Gegenstand eine dünne Nickelschicht aufgebracht. Anschließend erfolgt die übliche . Alitierung. Die Zwischenschicht aus Nickel wirkt als Sperrschicht gegen die Eindringung des Aluminiums in den Kern des Metallgegenstandes und bewirkt daher die Aufrechterhaltung der gewünschte^ Aluminiumkonzentration in der Einsatζschicht. Häufig kann . | die Einsatζschicht in form des diffundierten Aluminiums innerhalb des Grundwerkstoffs seine hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur und in Gegenwart von stark The method according to the invention is used in particular on special alloys, preferably nickel and cobalt alloys. According to the invention, a thin layer of nickel is applied to the object prior to the actual axiting. This is followed by the usual. Alitation. The intermediate layer of nickel acts as a barrier layer against the penetration of aluminum into the core of the metal object and therefore maintains the desired aluminum concentration in the insert layer. Often can . | the one atζschicht in the form of the diffused aluminum within the base material its high corrosion resistance, especially at high temperature and in the presence of strong
- 3 -10981A/U85- 3 -10981A / U85
_ 3 — korrosiven Gasen aufrechterhalten._ 3 - maintain corrosive gases.
1A-38 4931A-38 493
2Ü439 522Ü439 52
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorerst eine Nickelschicht mit einer Stärke von zumindest 2,5/U^ vorzugsweise zwischen 2,5 und 25yu«nauf dem Gegenstand erzeugt.According to the method according to the invention is initially a Nickel layer with a thickness of at least 2.5 / U ^ preferably produced between 2.5 and 25 yuan on the object.
Die Abscheidung der Nickelschicht entsprechender Dicke erfolgt durch übliches Elektroplattieren (ASM-Kommittee on Nickel Plating, Metals Handbook, Band II, S. 432 bis 443). Man kann jedoch auch auf andere Weise den Nickelüberzug erzeugen (Metals Handbook, S. 443 bis 445).The nickel layer of the appropriate thickness is deposited by conventional electroplating (ASM committee on Nickel Plating, Metals Handbook, Volume II, pp. 432 to 443). However, the nickel coating can also be produced in other ways (Metals Handbook, pp. 443 to 445).
Das Einsatzmaterial für die . Alitierungsstufe soll Aluminium geringer Korngröße in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% in einem feinteiligen Füllstoff, vorzugsweise Aluminiumoxid, enthalten. Es ist zwar nicht wesentlich, jedoch kann man ein Energie-lieferndes Mittel, wie Aluminiumchlorid oder -fluorid, in einem Mengenanteil von 0,01 bis 5 Gew.-% des Einsatzmaterials anwenden. Während der .Alitierung herrscht Wasserstoffatmosphäre oder eine andere inerte Atmosphäre. Die Temperatur liegt zwischen 980 und 11000C. Die Einsatzschicht mit eindiffundiertem Aluminium soll eine Stärke von · etwa 25 bis 125 /U^ vorzugsweise 38 bis 76 /U«erreichen. Dazu benötigt man im allgemeinen eine Zeit von etwa 9 bis 10 h.The input material for the. The aluminizing stage should contain aluminum of small grain size in an amount of 0.1 to 10% by weight in a finely divided filler, preferably aluminum oxide. While it is not essential, an energy-providing agent such as aluminum chloride or fluoride can be used at a level of from 0.01 to 5% by weight of the feed. During the .Alitierung there is a hydrogen atmosphere or another inert atmosphere. The temperature is between 980 and 1100 ° C. The insert layer with diffused aluminum should have a thickness of approximately 25 to 125 / U, preferably 38 to 76 / U ”. This generally takes about 9 to 10 hours.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zur Anwendung auf Gegenständen folgender Zusammensetzung:
Legierung A: 70 Gew.-% Ni
12 Gew.-% CrThe method according to the invention is particularly suitable for use on objects of the following composition: Alloy A: 70% by weight Ni
12 wt% Cr
5 Gew.-% W5 wt% W
5 Gew.-% Al5 wt% Al
3,5 Gew.-% Mq3.5 wt. % Mq
2,5 Gew.-% Ti, Nb, Ta2.5 wt% Ti, Nb, Ta
Rest Fe, C1-Mn, SiRemainder Fe, C 1 -Mn, Si
_ 4 _ 1098H/U85_ 4 _ 1098H / U85
1A-38 493 2 ü 4 3 9 51A-38 493 2 ü 4 3 9 5
Beispiele für die Elektrolyten zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Nickelschicht und deren Arbeitsbedingungen sind in den folgenden Beispielen 1 bis 5 angeführt.Examples of the electrolytes for the deposition of the invention The nickel layer and its working conditions are given in Examples 1 to 5 below.
— 5 —- 5 -
10981 kl U8510981 kl U85
1A-381A-38
Nickelsulfat, NiSO4 Nickelchlorid, NiCl2 Gesamt-Ni Borsäure, H2BO-, Zusätze (Antipitting)Nickel sulfate, NiSO 4 nickel chloride, NiCl 2 total Ni boric acid, H 2 BO-, additives (antipitting)
30 bis 4 bis 8 (a) 7»? bis 14,2 4 bis 630 to 4 to 8 (a) 7 »? to 14.2 4 to 6
Dieser Elektrolyt besitzt einen pH-Wert zwischen 1,5 und 5r2 ' This electrolyte has a pH between 1.5 and 5 r 2 '
und wird bei einer Arbeitstemperatur zwischen 45 und 710Gand is at a working temperature between 45 and 71 0 G
(115 bis 160°F) und einer Stromdichte zwischen 1 und 10 A/dm (10 bis 100 A/sq.ft.) betrieben.(115 to 160 ° F) and a current density between 1 and 10 A / dm (10 to 100 A / sq.ft.).
Nickelchlorid, NiCl2.6H3O
Nickelsulfamat, Ni(SO3NH2)2
Gesamt-Ni
Borsäure, H2BO2 Nickel chloride, NiCl 2 .6H 3 O Nickel sulfamate, Ni (SO 3 NH 2 ) 2 total Ni
Boric acid, H 2 BO 2
bis 4 35 Ms 60 8,2 bis 15 4 bis 6up to 4 35 Ms 60 8.2 to 15 4 to 6
Dieser Elektrolyt hat einen pH-Wert zwischen 3 und 5 und soll bei einer Temperatur zwischen 38 und 600C (100 bis und einer Stromdichte zwischen 2,5 und 30 A/dm (25 bis 300 A/sq.ft.) betrieben werden.This electrolyte has a pH value between 3 and 5 and should be operated at a temperature between 38 and 60 ° C. (100 to and a current density between 2.5 and 30 A / dm (25 to 300 A / sq.ft.) .
Ms 2 30 bis 40 7,6 bis 10,5 2 bis 4Ms 2 30 to 40 7.6 to 10.5 2 to 4
Dieser Elektrolyt besitzt einen pH-Wert zwischen 2,5 und 4 und wird bei einer Temperatur zwischen 38 und 710C und einerThis electrolyte has a pH value between 2.5 and 4 and is at a temperature between 38 and 71 0 C and a
Nickelchlorid, Nickelfluoborat, Ni(BF4)2
Gesamt-Ni
Borsäure, HNickel chloride, nickel fluorate, Ni (BF 4 ) 2 total Ni
Boric acid, H.
2'2 '
■ 2 Stromdichte zwischen 2,5 und 30 A/dm betrieben·■ 2 current density operated between 2.5 and 30 A / dm ·
1098H/U851098H / U85
-.1-38*93 2U43952-.1-38 * 93 2U43952
Die beiden folgenden Beispiele bringen Bäder für die elektrochemische Nickelabscheidung.The following two examples show baths for electrochemical nickel deposition.
600 g/l Nickelchlorid (NiCl2.6H2O) und 30 g/l Borsäure (H5BO5),600 g / l nickel chloride (NiCl 2 .6H 2 O) and 30 g / l boric acid (H 5 BO 5 ),
Dieses Bad hatte einen pH-Wert zwischen 3»5 und 4,5 und wurde bei einer Temperatur von 71°0 betrieben.This bath had a pH between 3 »5 and 4.5 and was operated at a temperature of 71 ° 0.
Beispiel 5Example 5
Ein Bad mit einem pH-Wert zwischen 4- und 6 wurde bei einer Temperatur zwischen 88 und 980C für eine ungefähre Abscheidungsgeschwindigkeit von etwa 12,5 /Um-h herangezogen. Das Bad enthielt:A bath with a pH value between 4 and 6 was used at a temperature between 88 and 98 ° C. for an approximate deposition rate of about 12.5 / um-h. The bathroom contained:
Nickelchlorid 30Nickel chloride 30
Nickelsulfat —Nickel sulfate -
Natriumhypophosphit 10Sodium hypophosphite 10
Natriumacetat —Sodium acetate -
Natriumhydroxyacetat ' 50Sodium Hydroxyacetate '50
Natriumsuccinat —Sodium succinate -
Milchsäure (80 %) ~Lactic acid (80%) ~
Propionsäure (100 %) —Propionic acid (100%) -
Für die zweite Verfahrensstufe, nämlich das .Alitieren selbst kann man ein Einsatzmaterial, enthaltend 5 &6 Aluminiumpulver auf 100 kg Tonerdepulver oder 7 kg Aluminiumpulver, 100 kg Tonerdepulver mit 0,2 kg Ammoniumchlorid anwenden.For the second stage of the process, namely alitizing even one can use a feedstock containing 5 & 6 aluminum powder Apply to 100 kg of alumina powder or 7 kg of aluminum powder, 100 kg of alumina powder with 0.2 kg of ammonium chloride.
Bei der Elektroplattierung mit Elektrolyten nach den Beispielen 1 bis 3 wird der Gegenstand als Kathode geschaltet und solange elektrolysiert, bis eine Schichtstärke von 2,5 bis 25/um(0,1 bis 1 mil ) erreicht ist. Bann wird der Gegenstand herausgenommen aus dem Elektrolyt und mit Wasser abge-In the electroplating with electrolytes according to Examples 1 to 3, the object is connected as a cathode and electrolyzed until a layer thickness of 2.5 to 25 µm (0.1 to 1 mil) is reached. The object is removed from the electrolyte and removed with water.
109814/1485109814/1485
waschen.to wash.
Bei der elektrochemischen Abscheidung mit Badern der Beispiele 4 und 5 erreicht man nur dünnere Nickelschichten und zwar zwischen 2,5 und 25/tfnbei dauernder Bewegung der Gegenstände im Bad.In the electrochemical deposition with baths of Examples 4 and 5, only thinner nickel layers, namely between 2.5 and 25 / tf n, are achieved with constant movement of the objects in the bath.
Für die .Alitierung der Gegenstände aus der Kobaltlegierung B wird eine Diffusionszeit von 10 h "bei 1065°C in Wasserst off atmosphäre, gepackt in ein der oben erwähnten Einsatzmaterialien, benötigt. Unter den gleichen Bedingungen war bei den Nickellegierungen A, C und_ D.. eine Schicht stärke von 38 bis 76yumbereits nach 9 h erreicht.For the .Alitierung of the objects from the cobalt alloy B a diffusion time of 10 h "at 1065 ° C in water off atmosphere, packed in one of the input materials mentioned above, needed. Under the same conditions, the nickel alloys A, C and D .. had a layer thickness of 38 to 76 yum already reached after 9 h.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf andere Sonderlegierungen auf der Basis von Nickel und Kobalt anwenden, bei denen es zu einer Zerstörung bei hoher Temperatur in Gegenwart von korrosiven Gasen infolge von Rotbrüchigkeit oder anderen Erscheinungen durch den Schwefel der Atmosphäre kommt.The method according to the invention can be applied to other special alloys Apply on the basis of nickel and cobalt, in which there is a destruction at high temperature in Presence of corrosive gases due to red brittleness or other phenomena caused by the sulfur in the atmosphere.
Unter dem Begriff "Pulver" oder "feinteilig" im Zusammenhang mit den Bestandteilen des Einsatzmaterials wird ein Aluminiumpulver von vorzugsweise unter 5 /Umverstanden. Das bedeutet, daß die Korngröße unter 100/um,vorzugsweise zwischen 5 und den Füllstoff oder die Tonerde in dem Einsatzmaterial liegt.Under the term "powder" or "finely divided" in context the constituents of the feedstock mean an aluminum powder of preferably less than 5 / um. That means, that the grain size is below 100 / um, preferably between 5 and the filler or alumina is in the feed.
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