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Verfahren zur Herstellung von oxydations-und korrosionsbeständigen
Werkstücken aus Eisen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oxydations-
und korrosionsbeständigen Werkstücken aus Eisen durch Tauchen in einer auf eine
Temperatur von 70Q bis 9500 C gehaltenen Aluminiumschmelze für dig Dauer von 30
bis 300 s und anschließender Diffuzionsglühung bei einer Temperatur von 700 bis
930° C für die Dauer von wenigsteins 30 Minuten.
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Im Automobilbau ist die Verwendung von Nachbrennen oder thermichen
Reaktoren als @@@ @@@@same Möglichkeit zur Reduzierung oder weitgehende @@@@@@sierung
s@@@@licher
unverbrannter Komponenten der aus dem Auspuffsystem
des Autos austretenden Abgase bekannt. Die aus dem Auspuffsystem des Autos austretenden
Abgase enthalten zusätzlich zu den unverbrannten Verbindungen solche wie CO und
HC, gasförmige Halogene und Halogenide und/oder Bleikomponenten wie C12, Br2, PbCl2,
PbBr2, C2H2Cl2 und C2H2Br2, die korrosiv sind. Bei Vorhandensein solcher korrosiver
Mittel neigen verschiedene in dem Auspuffsystem des Autos vorhandene Metallteile
zum leichten Korrodieren und, in dem Fall, in dem ein solcher Nachbrenner in dem
Auspuff system vorgesehen ist, in dessen Inneren die Temperatur auf 9000 C und in
extremen Fällen auf 12000 C ansteigt, wird die Korrosion des Nachbrenners beschleunigt
durch die erhöhte Temperatur, wodurch die Arbeitswirksamkeit des Nachbrenners vermindert
wird, während die Arbeitszeit des Nachbrenners verkürzt wird. In Anbetracht dieser
Tatsachen muss insbesondere der Nachbrenner aus einem speziell gestalteten, teuren
Material mit hinreichender Korrosionsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen als auch
mit hinreichender Festigkeit gegen Oxydation ausgebildet sein.
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KUrzlich ist ein Metall mit verhältnismäßig hoher Korrosionsfestigkelt
bei erhöhten Temperaturen als auch mit hinreichender Festigkeit gegen Oxydation
in der Luftfahrtindustrie entwickelt werden, welches mehr oder weniger befriedigend
in der Horstollung von Nachbrennern oder thermischen Reaktoren verwendet wird Dieses
fUr die Raumfahrt entwickelte Metall ist aber zu teuer, um es £ü die Herstellung
von Metallteilen
für den täglichen Gebrauch einschließlich von
Automobilen mit einem solchen Nachbrenner zu verwenden.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus Werkstattstechnik,
Jahrgang 51, 1961, Heft 1, Seiten 23 bis 29, bekannt geworden, bei dem die Stähle
in eine im wesentlichen reine Aluminiumschmelze eingetaucht werden.
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Derartige tauchallitierte und nachfolgend diffusionsgeglühte Stähle
sind Jedoch nicht besonders korrosionsfest.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren -zur Herstellung
von Eisenmetall mit einer verhältnismäßig hohen Korrosionsfestigkeit und Festigkeit
gegen Oxydation, des-.
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sen Herstellungskosten niedrig sind, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen
Art gelöst, das sich gemäß der Erfindung dadurch kennzeichnet, daß das Eisenstück
für eine Dauer von 30 - 300 Sekunden in ein auf eine Temperatur von 700 - 9500 C
erhitztes geschmolzenes Metallbad eingetaucht wird, daß das geschmolzene Metallbad
bereitet wird durch die Verwendung eines ausgewählten Aluminiums bzw. einer seiner
Legierungen, und daß das Eisenstück in einem weiteren Schritt für wenigstens 30
Minuten oder mehr auf eine erhöhte Temperatur von 700 - 9300 C erhitzt wird, wodurch
eine intermetallische Verbindungsschicht gleichmäßig auf der Oberfläche des Eisenstückes
gebildet wird und die intermetallische Verbindungsschicht Eisen und Aluminium als
Hauptkomponenten aufweist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Aluminiumschmelze 1 bis 10 Gew.-% Chrom enthält.
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Wenn die vorliegende Erfindung auch primär auf die Schaffung eines
Metalles mit verhältnismäßig hoher Korrosionsfestigkeit und Festigkeit gegen Oxydation
für die Herstellung von Nachbrennern gerichtet ist, so findet das erfindungsgemäße
Verfahren doch viele Anwendungen, beispielsweise nicht nur für die Herstellung von
Teilen für Kraftfahrzeuge, wie Nachbrenner und Auspufftöpfe bzw. Schalldämpfer,
sondern auch für die Herstellung verschiedener Metallartikel, wie Lamellen, Anoden,
Rohren, Behältern, Gefäßen und anderen, die alle mit korrosiven Medien in gasförmigem,
festem oder flüssigem Zustand in Berührung kommen und die aus Eisenmetall hergestellt
sind.
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Da das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitete Eisenmetall
sowohl eine verhältnismäßig hohe Korrosionsfestigkeit als auch eine verhältnismäßig
hohe Oxydationsfestigkeit aufweist, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
verschiedener Artikel verwendet werden, die entweder eine oder beide der Eigenschaften
aufweisen sollen. Die Korrosionsfestigkeit des mit dem erfindungsgemäßsn Verfahren
verarbeiteten Eisenmetalls erlaubt die Verwendung solcher Eisenmetalle in der Herstellung
von verschiedenen Formen für die Verwendung beim Gießen von Leichtlegierungen wie
solchen aus Aluminium und Zink, die sonst leicht im Kontakt mit dem geschiolzenen
Gußmetall oxydieren.
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Die Erfindung ist auch anwendbar auf alle Arten metallischer Artikel
einschließlich unverarbeiteter Verkstücke, die durch Walzen, Pressen, Ziehen, Gießen
und andere Verfahren hergestellt werden, sowie auf Zwischon- und Endprodukte, die
durch Pressen, Schmelzen, Schweißen oder andere Verfahren hergestellt werden. Zusätzlich
können die unverarbeiteten, Zwischen- oder Endprodukte nach Behandlung mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren elektro-plattiert werden in Jeder geeigneten Weise.
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Die erfindungsgemäß erhaltenen Werkstücke können auch einer zweiten
Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 950 bis 13500 C wenigstens 30
Minuten lang in einer oxydierenden Atmosphäre unterworfen werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die beigefügte Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt
durch ein Werkstück, welches in ein geschmolzenes Metallbad mit einer Aluminiumlegierung
mit 4 Gew.-% Chrom eingenaucht und anschliessend wärmebehandelt wurde, sowie eine
graphisch Darstellung der mit einem Röntgenstrahl-Mikroauswerter gemessenen Verteilung
der verschiedenen in dem so behandelten Werkstöück enthaltenen Elemenete.
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Vor der weiteren Beschreibung der Erfindung soll darauf hingewiesen
werden, daß obgleich verschiedene, in einem aus
Eisenmetall (im
weiteren als Eisenwerkstück bezeichnet) enthaltene Elemente, beispielsweise Chrom
und Nickel in einem aus austenitischem rostfreiem Stahl gefertigten Eisenwerkstück,
in der Praxis in einer auf der Oberfläche des Werkstückes während der Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verteilt sind und mehr oder weniger die Eigenschaften
dieser Schicht beeinflussen, die Verteilung dieser Elemente in den zugehörigen Zeichnungen
nicht gezeigt ist, weil die Erfindung zu verstehen ist im Zusammenhang mit einer
Beziehung zwischen Eisen in dem Werkstück und Aluminium und/oder Chrom in der Schicht.
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Es soll weiter darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren auf Jedes aus einem der Stähle einschließlich verschiedener Kohlenstoffstähle
und solcher Spezialstähle wie ein ferritischer rostfreier Stahl, sartensitischer
rostfreier Stahl und austenitischer rostfreier Stahl und Gußeisen einschließlich
gewöhnlichen Gußeisen und Spezialgußeisen wie sphärolitischem Gußeisen und L.gierungsgußeisen
hergestelltes Werkstück angewendet werden kann. Mit anderen Worten kann Jedes Werkstück,
das Eisen als Hauptkomponente enthält, dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen
werden, unabhängig davon, was es als Zusatz zu dem Eisen enthält, etwa einen oder
eine Mischung von verschiedenen anorganichen Zusätzen.
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Zur DurchfUhrung des Verfahren der Erfindung wird das lisenwerkstück
30 bis 300 Sekunden lang in die chromaltige
Aluminiumschmelze eingetaucht
und auf eine Temperatur von 700 bis 9500 C erwärmt, wobei auf seiner Oberfläche
ein Metallbelag entsteht. Die Werkstücke erhalten somit eine ausgezeichnete Korrosions-
und Oxydationsfestigkeit.
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Ist in diesem Fall die Temperatur des Bades niedriger als die unterste
Grenze von 7000 C, dann kann ein befriedigendes Ergebnis des Eintauchprozesses nicht
erhalten werden; ist die Temperatur höher als die oberste Grenze von 9500 C, dann
können Dimensionsänderungen des Eisenwerkstückes auftreten als Folge der Erweichung
des Eisenwerkstückes bei der erhöhten Temperatur, und im äußersten Fall kann das
Werkstück teilweise oder ganz in dem geschmolzenen Metallbad schmelzen.
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Der Vorteil des Eintauchens der zu behandelnden Werkstücke in eine
Aluminiumschmelze mit einem Gehalt von 1 bis 10 Gew.-% Chrom gemäß der Erfindung
liegt in dem Umstand begründet, daß das Vorhandensein des Chroms in dem geschmolzenen
Metallbad eine Verbesserung der Glätte der Oberfläche der sich auf dem Eisenwerkstück
ergebenden Schicht und auch eine Verbesserung des Korrosionswiderstandes in bezug
auf alle Bleiverbindungen bewirkt. Enthält die Aluminiumlegierung jedoch einen unter
der untersten Grenze von 1 Gew.-% liegenden Anteil, dann werden die oben beschriebenen
Vorteile nicht erreicht; bei einem Chromanteil von mehr als der c obersten Grenze
von 10 Gew.-% wird die Oberfläche der Shicht, wie später noch beschrieben werden
wird, bei der Vollendung
der anschließenden Wärmebehandlung aufgerauht.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß für den Fall der Bereitung des Metall-.
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bades aus einer Aluminiumlegierung mit Chrom in der beschriebenen
Menge die unterste Grenze der Badtemperatur vorzugsweise bei 750° C liegen soll.
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Ist unter flerücksichtigung des obigen die Eintauchzeit kürzer als
die unterste Grenze von 30 Sekunden, dann bewirkt die folgende Wärmebehandlung des
Eisenwerksttlckes mit der Mctallschicht darauf keine hinreichende Formung der Verbundschicht,
d.h. einer Aluminium-Eisen-intermetallischen Verbindungsschicht mit einer Eisen-Aluminium-Verbindung
wie Fe2A15 und Fe2A113 als Hauptkomponente in einer gewünschten Tiefe, während bei
einem über die oberste Grenze von 300 Sekunden hinausgehenden Eintauchen eine in
dem Eisenwerkstück enthaltene Eisenkomponente in dem geschmolzenen Bad schmelzen
wird, wodurch dag Gewicht des zu verarbeitenden Werkstückes vermindert wird. Die
Eintauchzeit kann varriieren in dem Bereich zwischen 30 und 300 Sekunden in Abhängigkeit
von der Dicke und der Form des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnden
EisenwerkstUckes.
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Gemäß dem Verfahren der genannten Veröffentlichung aus *Werkstattstechnik
wird die auf dem Eisenwerkstück befindliche metallische Schicht einer Wärmebehandlung
unterworfen bzw. diffusionsgeglüht, wodurch das in der metallischen Schicht enthaltene
Aluminium in eine intermetallische Verbindung
mit dem Eisen des
Eisenwerkstückes gebracht wird.
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Wird im wesentlichen reines Aluminium für das geschmolzene Metallbad
verwendet, dann kann die Eisen-Aluminium-intermetallische Verbindungsschicht von
50 bis 200 Mikron Tiefe, in der die Eisen-Aluminium-Verbindung als Hauptkomponente
enthalten ist, erhalten werden. Wird jedoch die in der Figur gezeigte Aluminiumlegierung
für das geschmolzene Metallbad verwendet, dann wird nicht nur die Eisen-Aluminium-intermetallische
Verbindungsschicht von 50 bis 200 Mikron Tiefe erhalten, sondern die intermetallische
Verbindungsschicht enthält zusätzlich zu der Eisen-Aluminium-Komponente als Hauptkomponente
eine Aluminiu-Chrom-Komponente wie A12Cr und A15Cr, das in der Nähe der Oberfläche
der intermetallischen Verbindungsschicht mit der Aluminiumsubstanz darin stabilisiert
verteilt ist.
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Damit das optimale Ergebnis erreicht wird, muß die Wärmebehandlung
ausgeführt werden bei einer Temperatur von 700 bis 9300 C über eine Zeit von mehr
als 30 Minuten. Liegt die Erwärmungstemperatur niedriger als die unterste Grenze
von 7000 C, dann wird die gebildete intermetallische Verbindungsschicht nicht befriedigend;
liegt die Temperatur über der obersten Grenze von 9300 C, dann geht das in der Schicht
enthaltene Aluminium nicht in hinreichendem Maß die intermetallische Verbindung
mit dem Eisen in dem Eisenwerkstück während dieser Wärmebehandlung ein, und eine
befriedigende Entwicklung der intermetallischen Verbindungsschicht kann nicht festgestellt
werden
wegen der Oxydation zu A1203 ohne Bewirken des gewünschten Korrosionswiderstandes.
Die Erwärmungstemperatur kann im Bereich von 700 bis 9300 C in Abhängigkeit von
der Art des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeitenden Werkstückes variieren.
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Die Erwärmungszeit soll nicht weniger als 30 Minuten betragen, da
sich andernfalls die intermetallische Verbindungsschicht nicht befriedigend durchbildet.
Die Erwärmung soll jedoch vorzugsweise sich über nicht mehr als 3 Stunden erstrecken
im Hinblick auf ökonomische industrielle Praxis.
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Die Wärmebehandlung kann ausgeführt werden in jeder beliebigen Umgebungsatmosphäre
mit Ausnahme einer extrem oxydierenden Atmosphäre.
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Die Technik des Heißtauchens eines Eisenwerkstückes in ein geschmolzenes
Metallbad, welches Aluminium oder eine seiner Legierungen enthält, zur Verbesserung
der Festigkeit gegen Oxydation ist dem Fachmann bekannt. Es ist jedoch bisher nicht
bekannt gewesen, den Korrosionswiderstand eines Eisen werkstückes mit erhöhter Temperatur
nach dem Eintauchen in das geschmolzene Metallbad zu verbessern durch eine Wärmebehandlung
bei einer Temperatur von 700 bis 9300 C über eine Zeit von mehr als 30 Minuten.
Mit anderen Worten weist der Gegenstand nicht die hinreichende Korrosionsfestigkeit
auf, weil ein Eisenwerkstück, das nur in das geschmolzene Metallbad
eingetaucht
ist, so ausgebildet ist, daß es in dem sich ergebenden Film enthaltene Aluminium
nicht so verteilt ist, daß es eine Verbindung mit dem Eisen eingeht. Aus dem Vorhergehenden
ist klar, daß es für die insoweit beschriebene Erfindung wichtig ist, daß das Eisenwerkstück
nach dem Heißtauchen in das geschmolzene Metallbad einer Wärmebehandlung bei einer
bestimmten Temperatur über eine bestimmte Zeitdauer hinweg unterzogen wird.