DE2353858B2

DE2353858B2 - Verfahren zum aluminisieren einer metalloberflaeche

Info

Publication number: DE2353858B2
Application number: DE19732353858
Authority: DE
Inventors: Frank Alvaston; Bettridge David Frederick Chaddesden; Derby Cork (Großbritannien)
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-10-28
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1976-03-11
Also published as: FR2204713A1; GB1390526A; IT995521B; DE2353858A1; FR2204713B1; JPS49133235A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aluminisieren einer Metalloberfläche.

Die Erzeugung einer Aluminiumlegierungs- oder Aluminisierungsschicht auf einer Metalloberfläche nach dem Pack- oder Pulverementierungs-Aluminisierungsverfahren ist bekannt. Bei diesem Verfahren wird gewöhnlich die zu aluminisierende Oberfläche in eine Pulverpackung aus einem Aluminisierungsgemisch eingebettet und sodann das Gemisch in einer kontro!- lierten Gasatmosphäre auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt.

Diese Pack- bzw. Pulverementierungs-Aluminisierungsverfahren sind insofern unbefriedigend, als hierfür teuere Aluminisierungsgemische verv/endet werden müssen und speziell angepaßte Ofenanlagen erforderlich sind. Außerdem sind diese bekannten Verfahren nicht völlig erfolgreich, wenn große Gegenstände alurninisiert werden müssen, oder in Fällen, wo bestimmte Bereiche von Gegenständen selektiv aluminisiert werden sollen. Probleme ergeben sich ferner in Fällen, in denen zuvor aluminisierte Gegenstände bei Beschädigung zur Reparatur erneut aluminisiert werden sollen. Falls nur ein kleiner Teil der Aluminisierungsschicht beschädigt ist, muß die gesamte Schicht entfernt werden, bevor eine neue Aluminisierungsschicht aufgebracht werden kann. Diese Entfernung der gesamten Schicht führt unvermeidlich zu einem Nettoverlust an Basismaterial, der in bezug auf die mechanischen Eigenschaften und die Herstellungstoleranzen kritisch werden könnte.

Angesichts dieser Nachteile der Pack- oder Pulverementierungs-AIuminisierungsverfahren hat man bereits nach anderen, einfacheren Arten der Aufbringung des AJuminisierungsgemischs auf die zu aluminisierende Oberfläche gesucht, und zwar mittels Verwendung von Anstrichzusammensetzungen, welche feinverteilte AIumin.iumteüchen enthalten. Aus der britischen Patentschrift 10 80 730 ist in diesem Zusammenhang ein Aluminisierungsverfahren bekannt, bei welchem eine Aluminiumdispersion in einem organischen Lösungsmittel und einem organischen Bindemittel auf eine eisenhaltige Metalloberfläche aufgebracht wird; danach wird die Oberfläche so weit erhitzt, daß zunächst das organische Lösungsmittel und das organische Bindemittel abgebrannt werden und danach das Aluminium zu einer Diffusion in die Metalloberfläche veranlaßt wird. Als nachteilig hat sich jedoch bei Aluminisierverfahren dieser Art erwiesen, daß beim Erhitzen der mit dem Anstrich versehenen Oberfläche das organische Bindemittel erweicht und zum Fließen kommt. Hierdurch entsteht, insbesondere bei komplizierter geformten Gegenständen, ein Überzug ungleichmäßiger Stärke, was entsprechend ungleichmäßige Aluminisierungsschichten zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß bei der Erhitzung der mit dem Anstrich versehenen Oberfläche aus den organischen Lösungs- und Bindemitteln leicht entflammbare Dämpfe entstehen, die sich leicht entzünden.

Aus der USA.-Patentschrift 30 41 206 ist ein Aluminisierungsverfahren bekannt, bei welchem ein metallisches Werkstück mit einer Aluminiumpulver-Wasser-Mischung überzogen wird, die einen Oxidationsinhibitor enthält. Das so überzogene Werkstück wird sodann zunächst auf eine erste Temperatur erhitzt, bei welcher das Wasser abdampft, und sodann auf eine zweite Temperatur, bei welcher das Aluminium in das Werkstück hineindiffundiert. Bei diesem Verfahren enthält der Überzug kein Bindemittel. Es besteht daher die Gefahr, daß bei der Erhitzung des Werkstücks die Aluminiumteilchen sich von der Oberfläche lösen und nicht mehr für das Eindiffundieren in die Werkstückoberfläche zur Verfügung stehen. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß hierbei keine Möglichkeit einer Zwischenspeicherung der mit dem Überzug versehenen Werkstücke vor der Wärmebehandlung besteht, da in der Zwischenzeit der Wasseranteil verdunsten und das verbleibende Aluminiumpulver abfallen würde.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Aluminisieren einer Metalloberfläche, bei welchem auf die zu überziehende Oberfläche ein Anstrich aus einer fein verteilte Aluminiumteilchen und ein aushärtbares Bindemittel enthaltenden Zusammensetzung aufgebracht, das Bindemittel ausgehärtet und die mit dem

Anstrich versehene Metalloberfläche während einer ausreichenden Zeitdauer erhitzt wird, um wenigstens einen Teil der fein verteilten Aluminiumteilchen in die Metalloberfläche hineindiffundieren zu lassen. Durch die Erfindung soll ein Aluminisierungsverfahren dieser Art mit der gegenüber den bekannten Pack- bzw. Pulverzementierungs-Aluminisierungsverfahren verfahrenstechnisch und auch hinsichtlich der Qualität des Erzeugnisses wesentlich günstigeren Aufbringung der Aluminisierungszusammensetzung als Anstrichüberzug geschaffen werden, bei dem zusätzlich eine hohe Gleichmäßigkeit der Aluminisierungsschichtdicken gewährleistet, die verfahrenstechnisch ungünstige Entwicklung leicht entflammbarer Dämpfe vermieden und außerdem die Möglichkeit einer Zwischenspeicherung der überzogenen Werkstücke vor der Diffusionswärmebehandlung gegeben ist.

Zu diesem Zweck ist bei einem Verfahren der vorstehend genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Anstrich als Bindemittel zumindest ein Silikat enthält und daß die Diffusionswärmebehandlung eine Erhitzung in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1100° C umfaßt.

Indem erfindungsgemäß eine Anstrichzusammensetzung mit einem Bindemittel auf Silikatbasis verwendet und diese zum Eindiffundieren des Aluminiums in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur wärmebehandelt wird, werden die erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren zuverlässig vermieden. Das erfindungsgemäß vorgesehene Silikatbindemittel behält seine Haftung und Stabilität bei wesentlich höheren Temperaturen als die bei dem aus der britischen Patentschrift 10 80 730 bekannten Verfahren verwendeten organischen Bindemittel, so daß nicht nur ein Abfallen von Aluminiumteilchen vermieden, sondern auch eine gleichmäßige Stärke des Überzugs sichergestellt wird. Die Bildung leicht entflammbarer Bestandteile wird zuverlässig vermieden. Die mit dem Anstrich versehenen Werkstücke können vor der Wärmebehandlung über längere Zeit zwischengespeichert werden, ohne daß es hierbei zu einem Abfallen des Aluminiums kommen würde.

Die Bezeichnung »Aushärten« wird im vorliegenden Zusammenhang im weitesten Sinn für jede Art der Verfestigung der aufgebrachten Anstrichzusammensetzung gebraucht und umfaßt sowohl die bloße Lösungsmittelverdampfung wie auch die tatsächliche Bildung chemischer Quer- bzw. Kreuzbindungen oder Polymerisation.

Vorzugsweise wird mehr als ein Überzug der Anstrich-Zusammensetzung vor der Diffusionsbehandlung auf die Metalloberfläche aufgebracht, wobei jeweils jede Überzugsschicht des Anstrichs vor dem Aufbringen der nächsten Anstrichschicht ausgehärtet wird.

Die fein unterteilten Aluminiumteilchen können einen Durchmesser von weniger als 10 Mikron aufweisen.

Vorzugsweise haben die fein verteilten Aluminiumteilchen Durchmesser im Bereich von 5 bis 10 Mikron.

Die zu aluminisierende Metalloberfläche kann aus Nickel, Kobalt oder Eisen oder Legierungen dieser Metalle bestehen.

Die mit dem Anstrich versehene Metalloberfläche kann 2 bis 16 Stunden lang in der inerten oder fts reduzierenden Gasatmosphäre auf die Temperatur im Bereich von 800 bis 1100⁰C erhitzt werden.

Als inerte Gasatmosphäre kann Argon verwendet werden.

Als reduzierende Gasatmosphäre kann Wasserstoff verwendet werden.

Die Anstrichzusammensetzung kann ein Gemisch aus Kaliumsilikat, Äthylenglykol und fein verteiltem Aluminiumpulver aufweisen.

Die mit Aluminium gefüllte Anstrichzusammensetzung kann auf die zu aluminisierende Metalloberfläche in herkömmlicher Weise durch Aufbürsten, Eintauchen oder Sprühen aufgebracht werden. Somit können unter Anwendung dieser bekannten Verfahren zur Aufbringung von Anstrichen auch lokalisierte Bereiche eines Meiallgegenstandes in einfacher Weise ohne komplizierte Maskierung aluminisiert werden. Außerdem kann in Fällen, wo eine bereits aluminisierte Metalloberfläche beschädigt wurde und ein Teil der Aluminisierungsschicht verlorengegangen ist, die Oberfläche dadurch wieder in ihrem ursprünglichen Zustand hergestellt werden, daß man lokalisiert einen mit Aluminium gefüllten Anstrich aufbringt und anschließend in der erfindungsgemäßen Weise wärmebehandelt, wodurch die Notwendigkeit der erneuten Aluminisierung der gesamten Überfläche entfällt.

Eine zu/ Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Anstrichfarbe mit Aluminiumfüllung ist in der britischen Patentanmeldung 19 761/70 beschrieben. Ein in dieser Anmeldung beschriebenes Ausführungsbeispiel einer Anstrichfarbe mit Aluminiumfüllung, die sich für das erfindungsgemäße Verfahren eignet, enthält die folgenden Bestandteile:

Kaliumsilikat (Molekularverhältnis 100 g

SiO2-K2O = 3,14)

Äthylenglykol 50 g

Destilliertes Wasser 50 g

Aluminiumpulver (5 bis 10 Mikron) 125 g

(fettfreies Granulat)

Viskosität -16±1 Sekunden durch eine
Ford Cup Nr. 4 bei 20° C

In dem folgenden Beispiel wird diese Anstrichzusammensetzung als »Anstrich A mit Aluminiumfüllung« bezeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:

Die durch Aluminisieren erhaltenen Überzüge umfassen normalerweise zwei Schichten: eine an die überzogene Oberfläche angrenzende Schicht, welche aus einem Gemisch von komplexen Karbiden des Metalls der überzogenen Oberfläche besteht, und eine äußere Aluminidschicht. In dem folgenden Beispiel umfassen die angegebenen Werte der Überzugsdicke sowohl die Karbid- wie auch die Aluminidschicht.

Eine aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellte Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerks wurde durch Strahlblasen mit Aluminiumoxyd-Splitt vom Körnungsgrad Maschenzahl 120 bis 220 gereinigt, sodann zur Entfernung von Staubteilchen mit Druckluft abgeblasen, und schließlich in Trichloräthylendampf entfettet.

Sodann wurde die Schaufel mit drei Überzugsschichten der Anstrichzusammensetzung A mit Aluminiumfüllung gespritzt. Jede Überzugsschicht wurde jeweils an der Luft trocknen gelassen und sodann 2'/2 Stunden lang auf eine Temperatur von 150⁰C erhitzt und anschließend 2 Stunden lang an Luft bei einer Temperatur von 190⁰C gehalten, um den Anstrich auszuhärten, bevor die nächste Überzugsschicht aufge-

bracht wurde.

Sodann wurde die Schaufel in Argon auf eine Temperatur von 870⁰C erhitzt und 16 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten, um das in dem Anstrich enthaltene Aluminium in die Oberfläche der Schaufel eindiffundieren zu lassen. Die anschließende Untersuchung der Schaufel ergab, daß auf dieser eine Aluminid/Karbid-Schicht von 0,0035 bis 0,0050 Zoll Dicke abgeschieden war. Die Karbid-Schicht allein besaß eine Dicke von 0,00015ZoIl. Die für dieses Beispiel verwendete Turbinenschaufel war aus einer Nickellegierung mit der folgenden Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) hergestellt:

Kohlenstoff	0,2%
Silizium	1,0%
Kupfer	0,5%
Eisen	2,0%
Mangan	1,0%
Chrom	13,5 bis 15,75o/o
Titan	0,9 bis 1,5%
Aluminium	4,5 bis 4,9%

Kobalt
Molybdän
Blei
Rest

18 bis 22%

4,5 bis 5,5%

0,005%

Nickel und Verunreinigungen

Es wurde gefunden, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Überzüge der verhältnismäßig duktilen hypostöchiometrischen β (NiAl)-AIuminid-Zusammensetzung entsprechen. Es ergab sich, daß der hauptsächliche Strukturunterschied zwischen den Überzügen die Karbidschicht betrifft. So wurde gefunden, daß sich eine um so größere Dicke der resultierenden Karbidschicht ergibt, je höher die Temperatur ist, bei welcher der Diffusionsschritt durchgeführt wird.

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand der Aluminisierung von Nicke!- und Nickellegierungsoberflächen beschrieben; es sei jedoch betont, daß auch andere Metalloberflächen, wie beispielsweise Oberflächen auf Eisen- oder Kobaltbasis, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aluminisiert werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aluminisieren einer Metalloberfläche, bei welchem auf die zu überziehende Oberfläche ein Anstrich aus einer fein verteilte Aluminiumteilchen und ein aushärtbares Bindemittel enthaltenden Zusammensetzung aufgebracht, das Bindemittel ausgehärtet und die mit dem Anstrich versehene Metalloberfläche während einer ausreichenden Zeitdauer erhitzt wird, um wenigstens einen Teil der fein verteilten Aluminiumteilchen in die Metalloberfläche hineindiffundieren zu lassen, d a durch gekennzeichnet, daß der Anstrich als Bindemittel zumindest ein Silikat enthält und dall die Diffusionswärmebehandlung mittels einer Erhitzung in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre während 2 bis 16 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1100⁰C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anstrichzusammensetzung ein Gemisch von Kaliumsilikat, Äthylenglykol und fein zerteiltem Aluminiumpulver verv/endet wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehencen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als inerte Atmosphäre eine Argonatmosphäre bzw. als reduzierende Atmosphäre eine Wasserstoffatmosphäre verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anstrichzusammensetzung mit fein zerteilten Aluminiuniteilchen vom Durchmesser kleiner als 10 Mikron und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 Mikron verwendet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekonnzeichnet, daß mehr als eine Überzugsschicht der Anstrichzusammensetzung vor der Diffusionsbehandlung auf die Metalloberfläche aufgebracht wird und daß jeweils jede derartige Überzugsschicht vor der Aufbringung der nächstfolgenden Überzugsschicht ausgehärtet wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zum Aluminisieren einer Nickel, Kobalt oder Eisen oder Legierungen hieraus aufweisenden Metalloberfläche.