DE2903080C2

DE2903080C2 - Verfahren zur Ausbildung einer Al-Schicht auf einem Werkstück aus einer Eisenlegierung

Info

Publication number: DE2903080C2
Application number: DE2903080A
Authority: DE
Inventors: Hideo Hiroshima Kohara; Toshiro Yagi; Junichi Yamamoto
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US4228203A; DE2903080A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer Al-Schicht auf einem Werkstück aus einer Eisenlegierung, wobei das Werkstück mit einer Überzugslösung mit 50 bis 90 Gew.-°/o Al- oder Al-Legierungsteilchen und 10 bis 50 Gew.-% Kunstharz versehen und getrocknet sowie anschließend erhitzt wird.

Bekanntlicherweise enthalten die von Kraftfahrzeugen abgegebenen Auspuffgase bzw. Abgase Halogengase, Halogenverbindungen und Bleiverbindungen, wie beispielsweise Cl₂, Br₂, PbCI₂, C₂H₂Cl₂, C₂H₂Br₂ usw., neben unverbrannten schädlichen Gasen, einschließlich Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoff u.dgl. Die aus Eisenlegierungswerkstoff hergestellten Bauteile oder Teile für das Auspuffsystem von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Wärmetauscher, Luftkanäle, Behälter usw., werden durch die oben beschriebenen schädlichen Verbindungen leicht einer Korrosion ausgesetzt Darüber hinaus dringen die für ein Verhindern des Gefrierens während der kalten Jahreszeiten verwendeten Halogenverbindungen (beispielsweise Salz) leicht in diese Teile aus Eisenlegierungswerkstoff ein, die dann in der Umgebungsluft, die das bei der Zerlegung der Halogenverbindungen bei hohen Temperaturen erzeugte Halogengas enthält, korrodieren.

Üblicherweise werden allgemein derartige Bauteile oder Teile dadurch hergestellt, daß Keramikschichten auf den Oberflächen der Eisenlegierungswerkstoffe als korrosionsbeständige Teile ausgebildet werden, die gegenüber Halogenatmosphäre bei hohen Temperaturen widerstandsfähig sind Wenn jedoch diese korrosionsbeständigen Teile an Stellen verwendet werden, die wiederholt einer Aufwärmung und Abkühlung ausgesetzt sind, wie etwa die Kraftfahrzeugteile, so blättern die Keramikschichten in kurzer Zeit ab, und zwar aufgrund des Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Eisenlegierungswerkstoffen und den Keramiküberzugsschichten. Sie weisen damit keine ausreichende Dauerfestigkeit auf und sind nicht für die praktische Verwendung geeignet.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist bereits aus den US-PS 39 07 611,39 41 569 und 40 79 157 ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit in einer Halogenatmosphäre bekannt, das die Verfahrensschritte aufweist: Eintauchen des Werkstücks aus Eisenlegierungswerkstoff, wie etwa nichtrostender Stahl, in ein Schmelzbad aus Al oder Al-Legierung, so daß ein Schmelzüberzug auf den Oberflächen des Werkstücks ausgebildet wird, Erhitzen des so behandelten Werkstücks auf Temperaturen von 700 bis 950⁰C, so daß darauf eine Aluminiumverbindungsschicht, die hauptsächlich aus einer Al-Fe-Verbindung besteht, ausgebildet wird, und Aufheizen des Werkstücks, falls erforderlich, auf eine Temperatur im Bereich von 950 bis 1350°C, um darauf die Legierungsschicht auszubilden, die als Hauptbestandteile Fe und Al enthält

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß teure Einrichtungen zum Schmelzen von Aluminium oder Aluminiumlegierung erforderlich sind und es sehr schwierig ist, die Dicke der Überzugsschicht genau zu steuern, die auf dem Werkstück aus Eisenlegierungswerkstoff ausgebildet werden soll.
Außerdem ist aus der japanischen Offenlegungsschrift 52-1 08 344 ein Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Bauteilen für Auspuffanlagen bekannt, das die Verfahrensschritte aufweist: Bedecken der Oberfläche des Eisenlegierungswerkstücks mit einer Suspension, die Wasserkeramikbindemittel, Aluminiumteilchen, Phosphorsäure und Chromsäure enthält, nachfolgendes Aufwärmen und Trocknen des Werkstücks und Aufheizen des so behandelten Werkstücks in einem Restsauerstoff enthaltenden Abgas von Verbrennungsmaschinen, so daß eine im wesentlichen aus Aluminiumoxyd bestehende Diffusionsschicht auf der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet wird, um diesem eine Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit zu verleihen. Da jedoch bei dem nach dem bekannten Verfahren erhaltenen korrosionsbeständigen Teil die Oberfläche mit einer porösen Keramikschicht bedeckt ist, wobei zur Bildung der Aluminiumoxyd-Diffusionsschicht das Aluminium fast vollständig oxydiert ist, kann man die erforderliche Aluminiumüberzugsschicht nicht erhalten. Selbst wenn das Werkstück weiter auf über 700° C aufgeheizt wird, ist es nicht möglich, die Fe-Al-Verbindungsschicht oder Legierungsschicht, die im wesentlichen aus Al und Fe besteht, auszubilden, so daß das sich ergebende widerstandsfähige Teil hinsichtlich seiner Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen als vergleichsweise geringwertig anzusehen ist.

Aus der US-PS 37 87 305 ist ferner ein Verfahren zum Aufbringen einer Al-Harz-Beschichtung auf ein Werkstück aus Chromstahl bekannt, das durch Eintauchen des Werkstoffs in ein Al und Harz enthaltendes Bad und Anlegen eines elektrischen Potentials erfolgt Nach dem Trocknen zur Ausbildung der Al-Harz-Schicht und nach dem Erhitzen zur Vertreibung des Harzes zwecks Ausbildung einer Al-Schicht ist die Verwendung einer Kalium-Silikatlösung zum Erreichen einer Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen erforderlich.

Dabei ist eine Oxydation des Al während des Erhitzens unvermeidbar, so daß die Korrosionsfestigkeit bei hohen Temperaturen beeinträchtigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Al-Schicht auf ein Werkstück aufzubringen, die per se hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsfestigkeit aufweist, wobei die Oxydation des Al vermieden wird und zur Festigung der Verbindung zwischen der

AI-Schicht und am Werkstück die Diffusion des Al in das Werkstück beschleunigt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art darin, daß auf das aus austenitischem, nichtrostendem Stahl 5 bestehende Werkstück die Überzugslösung mit Al- bzw. A]-Legierungsteilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 500 μπι sowie aus einem Vinylacetatharz mit einer hohen Zersetzungstemperatur und einer niedrigen Zersetzungsgeschwindigkeit aufgetragen und das Werkstück nach dem Trocknen einer ersten Wärmebehandlung von mehr als 10 Minuten bei Temperaturen von 700 bis 850⁰C sowie einer zweiten Wärmebehandlung von mehr als 30 Minuten bei Temperaturen von 900 bis 1000" C unterzogen wird.

Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung werden aus Al-Cr und/oder Al-Si bestehende Legierungsteilchen eingesetzt Da bei dem Verfahren der Erfindung das Aluminium auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als sein Schmelzpunkt ist, besteht die Gefahr der Oxydation, so daß eine unzureichende Bindung mit dem Werkstück erhalten wird. Zur Vermeidung der Oxydation wird daher bei dem Verfahren der Erfindung während des Schmelzens des Al das Vinylacetat nacheinander auf der gleichen Oberfläche verbrannt Dadurch wird einerseits erreicht, daß die Oxydation des AI ausbleibt, andererseits wird das geschmolzene Aluminium auf der Oberfläche des Werkstücks abgesetzt

Das Verfahren der Erfindung ist einfach durchzuführen und bei hohem Wirkungsgrad für die Massenproduktion geeignet. Es ermöglicht die Ausbildung einer Al-Schicht auf einem austenitischen, nichtrostenden Stahl bestehendem Werkstück für Bauteile und Teile, die eine Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit und eine Beständigkeit gegen Oxydation insbesondere in einer Halogenatmosphäre erfordern.

Bei dem Verfahren der Erfindung wird eine Überzugslösung aus Aluminium- oder Aluminiumlegierungsteilchen und Vinylacetatharz, das eine hohe Zersetzungstemperatur mit niedriger Zersetzungsgeschwindigkeit aufweist und bei Normaltemperatur in einem Lösungsmittel löslich ist aufgebracht und dann das Werkstück aufgeheizt um das Harz zu zersetzen und gleichzeitig das Werkstück einer Schmelzplattierung zu unterwerfen, so daß die aluminiumplattierte Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks durch diese einfachen Verfahrensschritte gebildet wird. Bei der folgenden zweiten Wärmebehandlung wird auf dem Werkstück eine Aluminiumschicht gebildet die aus einer Verbindungsschicht oder einer Legierungsschicht besteht, die als Hauptbestandteile Al und Fe aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Aluminiumüberzugsschichten auf den Eisenlegierungswerkstücken eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen sowie eine ausreichende Beständigkeit gegenüber einer Oxydation aufweisen. Außerdem handelt es sich um ein einfaches Verfahren, wobei im wesentlichen die den herkömmlichen Verfahren innewohnenden Nachteile vermieden werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

F i g. l(a) und l(b) eine fragmentarische schematische Ansicht zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer Aluminiumüberzugsschicht,

Fig.2 ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Temperaturanstieg beim Aufheizen des Versuchswerkstücks und der Gewichtsveränderung des Versuchswerkstücks beim erfindungsgemäßen Verfahren zeigt,

Fig.3 ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Kurvenanstieg bei der Aufheizung des Versuchswerkstücks und der Gewichtsveränderung des Versuchswerkstücks nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt

Fig.4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. l(a) und l(b). die insbesondere eine erfindungsgemäße erste Wärmebehandlung erläutern soll,

Fig.5 eine ähnliche Ansicht wie die Fig. l(a) und l(b), die insbesondere eine erfindungsgemäße zweite Wärmebehandlung erläutern soll und

F i g. 6 eine mirkroskopische Aufnahme mit lOOfacher Vergrößerung, die die Struktur der Überzugsschicht zeigt die nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.

Eingangs soll noch einmal herausgestellt werden, daß die Erfindung den Zweck hat, die Probleme im Zusammenhang mit den Eigenschaften von Werkstoffen für Auspuff- bzw. Abgasbauteile von Kraftfahrzeugen zu lösen und bei niedrigen Herstellungskosten Eisenlegierungswerkstoffe herstellen zu können, die eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Korrosionsfestigkeit und günstige Beständigkeit gegen Oxydation aufweisen. Demgemäß ist die Erfindung bei allen Bauteilen oder Teilen anwendbar, die aluminiumplattierte Schichten erfordern. Im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf metallische Werkstoffe in der Form von Platten, Behältern, Röhren usw. angewendet werden, bei denen eine ausreichende Verwendbarkeit in einem stark korrosiven Hochtemperaturmedium erforderlich ist, das allgemein Halogengas, Halogenverbindungen usw. enthält.

In F i g. 1 ist schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung bzw. Aufbringung einer Aluminiumüberzugsschicht dargestellt

Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, wird eine Überzugsflüs sigkeit oder -lösung 2, die sich zusammensetzt aus Al oder Al-Legierungsteilchen 3, einem in einem Lösungs ■ mittel löslichen Harz 4 und einem Lösungsmittel (nicht dargestellt) für das Kunstharz, auf die Oberfläche eines Werkstücks 1 aus einem austenitischen nichtrostenden Strahl aufgebracht, das im nachfolgenden als Eisenlegierungswerkstück bezeichnet wird. Die kornförmigen Al- bzw. Al-Legierungsteilchen 3 sollten vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 500 μπι aufweisen, und zwar da die Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 μίτι während des Aufheizens in unerwünschter Weise leicnt insgesamt oxydiert werden und da die Teilchen mit einem größeren Durchmesser als 500 μΐη aufgrund ihres Absetzens bei der Zubereitung der Überzugslösung nachteilig sind. So liegt der optimale Bereich vorzugsweise in der Gegend von 20 bis 200 μπι.

Als Lösungsmittel sollte Azeton, Butylazetat, Verdünnungsmittel usw. verwendet werden. Im Falle einer wäßrigen Emulsion kann Wasser als Verdünnungsmittel verwendet weden.

Die Menge der Al- bzw. Al-Legierungsteile 3 und des Harzes 4, die für die oben beschriebene Überzugslösung 2 gemischt werden soll, beträgt 50 bis 90 Gew.-% für die Al- bzw. Al-Legierungsteilchen und 10 bis 50 Gew.-% für das Harz. Diese Anteile werden dadurch bestimmt,

daß es sehr schwierig ist, gleichmäßige aluminiumplattierte Schichten zu erhalten, wenn der Prozentsatz der Aluminiumlegierung unter 50 Gew.-% fällt, während die Aufbringung der Überzugslösung bei einer Verminderung der Menge des Kunstharzes als Bindemittel beeinträchtigt wird, wenn der Prozentsatz 90 Gew.-% überschreitet so daß der bevorzugte Bereich bei 60 bis 80 Gew.-°/o liegt Das Lösungsmittel in der Überzugslösung 2 soll die Viskosität der Überzugslösung einstellen, um ihre Aufbringung auf das Eisenlegierungswerkstück 1 zu erleichtern. Die Viskosität sollte in geeigneter Weise entsprechend dem Aufbringungsverfahren eingestellt werden, beispielsweise dem Sprühverfahren, der Aufbringung durch eine Bürste usw., und zwar durch eine zweckgemäße Veränderung der Menge des

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Die Aufbringungsmenge der Überzugslösung 2 wird bestimmt durch die gewünschte Dicke einer aluminiumplattierten Schicht 6 [Fig. l(b)l die auf die Oberfläche des Eisenlegierungswerkstücks 1 aufgebracht werden soll.

Das mit der Überzugslösung 2 in der oben beschriebenen Weise überzogene Werkstück 1 wird so lange aufgeheizt, bis das Lösungsmittel in der Überzugslösung verdampft und die Überzugslösung 2 trocknet und verfestigt, so daß eine Al enthaltende Harzüberzugsschicht auf der Oberfläche des Werkstücks 1 ausgebildet wird.

Danach wird das so behandelte Werkstück 1 auf eine Temperatur aufgeheizt, die über dem Schmelzpunkt der Al- bzw. Al-Legierungsteilchen liegt, und vorzugsweise auf eine Temperatur, bei der die Temperatur der Aufheizatmosphäre während einer ausreichenden Zeitdauer um etwa 100⁰C größer ist als der Schmelzpunkt, und zwar so lange, bis die Al- bzw. Al-Legierungsteilchen vollkommen geschmolzen sind, und die Al-plattierte Schicht 6 auf der Oberfläche des Werkstücks 1 bilden. Durch dieses Aufheizen wird das Kunstharz in der Überzugsschicht zersetzt und durch seine Reaktion mit dem Sauerstoff in der Luft zerstreut, wodurch während dieser Zeit, da die Zersetzungsgeschwindigkeit des Kunstharzes gering ist, der um das Werkstück 1 herum vorhandene Sauerstoff für das Verbrennen des Kunstharzes verbraucht wird, so daß die Luft an dieser Stelle neutral ist bzw. Reduktionscharakter aufweist, und zwar so lange, bis die Al- bzw. Al-Legierungsteilchen vollständig geschmolzen sind. Damit wird die Oxydation des Al verhindert, während die Diffusion des Al in das Werkstück 1 gleichzeitig beschleunigt wird Demzufolge wird die aluminiumplattierte Schicht 6 über einer AJuminiumdiffusionsschicht 5 [F i g. l(b)] auf der Oberfläche des Werkstücks 1 ausgebildet

Im nachfolgenden werden Beispiele und Vergleichsversuche zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

dem Stahl, auf der in der oben beschriebenen Weise die Harzüberzugsschicht ausgebildet wurde, wurde 2 Stunden lang von 20 auf 800⁰C aufgeheizt und die dabei erhaltenen Ergebnisse hinsichtlich der Gewichtsveränderungen der Versuchsplatte während des Aufheizens sind in den Kurvendiagrammen nach Fig.2 und 3 dargestellt. Wie aus diesen Kurvendiagrammen zu ersehen ist, nimmt das Gewicht der Versuchsplatte aus nichtrostendem Stahl plötzlich in der Nähe von 250⁰C

ίο ab, wodurch das rasche Fortschreiten der Zerlegung des Harzes angezeigt wird. Nach einem weiteren Anstieg der Temperatur ist das Harz vollständig zerlegt und es ergibt sich ein minimales Gewicht bei einer Temperatur von 600⁰C. Durch das nachfolgende Aufheizen oxydiert das Aluminium etwas, was einen Anstieg des Gewichtes der Versuchsnlatte zur Folge hat

Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist kann die vorteilhafte aluminiumplattierte Überzugsschicht leicht durch ein einfaches Verfahren ausgebildet werden.

Die Vorteile, die durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung bzw. Aufbringung einer Aluminiumüberzugsschicht erzielt werden, werden wie folgt zusammengefaßt:

1. Bei der Ausbildung der plattierten Überzugsschichten kann aufgrund des geringen Grads der Oxydation des Metalls aus der Aluminiumgruppe eine plattierte Überzugsschicht mit hervorragender Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit erhalten werden.

2. Die Dicke der Überzugsschicht kann nach Wunsch gesteuert werden.

3. Selbst auf Werkstücken mit komplizierter Gestalt können gleichmäßige Überzugsschichten aufgebracht werden.

4. Teure Einrichtungen zum Schmelzen des Metalls aus der Aluminiumgruppe werden nicht benötigt so daß die aluminiumplattierten Überzugsschichten bei niedrigen Kosten hergestellt werden können.

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Beispiel 1

80 Gew.-°/o Aluminiumteflchen (Teilchendurchmesser 50 um), 20 Gew.-% Vinylazetatharz und Azeton als Lösungsmittel werden miteinander gemischt und aufgerührt um die Überzugslösung zu erhalten. Die so vorbereitete Überzugslösung wird auf die Oberfläche einer Versuchsplatte aus nichtrostendem Stahl aufgebracht nachfolgend bei Normaltemperatur getrocknet um eine Verdampfung des Lösungsmittels zu bewirken, so daß eine die AJuminiumteflchen enthaltende Harz-Bberzugsschicht (100 μΐη dick) auf der Stahlplatte ausgebildet wird Die Versuchsplatte aus nichtrostenEs ist hier anzumerken, daß die Erfindung auch bei Gußeisen, unlegiertem Stahl nichtrostendem Stahl und anderen Eisenlegierungswerkstoffen anwendbar ist die als Eisenlegierungswerkstücke Verwendung finden.

Wenn erfindungsgemäß noch höhere Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen usw. bei der auf der Oberfläche des Eisenlegierungswerkstoffs ausgebildeten Aluminiumüberzugsschicht benötigt wird, wird das Werkstück mit der darauf ausgebildeten aluminiumplattierten Überzugsschicht einer weiteren Wärmebehandlung ausgesetzt um eine Aluminiumverbindungsschicht auf der Oberfläche des Werkstücks auszubilden, die sich im wesentlichen aus einer Al-Fe-Verbindung zusammensetzt

Im nachfolgenden wird das Verfahren der oben beschriebenen Wärmebehandlung beschrieben.

Das Eisenlegierungswerkstück mit der in der oben beschriebenen Weise darauf ausgebildeten aluminiumplattierten Überzugsschicht wird mehr als 10 Minuten und vorzugsweise 30 Minuten lang einer ersten Wärmebehandlung bei Temperaturen von 700 bis 850° C unterzogen. Bei der oben beschriebenen ersten Wärmebehandlung reagiert das Aluminium der Überzugsschicht mit dem Eisen, wie es in Fig.4 dargestellt ist so daß sich eine Fe-Al-Verbindung (Fe2Als, Fe^Al«) G -:er eine Fe-Al-Cr- oder Fe-Al-Si-Verbindung für die Ausbildung einer Al-Verbindungsschicht 7 auf der Oberfläche des Werkstücks bildet die sich im

wesentlichen aus der Fe-Al-Verbindung zusammensetzt. Diese metallischen Verbindungen weisen eine starke Adhäsion bezüglich der Oberfläche des Eisenlegierungswerkstücks 1 auf, und zwar bei einer vorteilhaften Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Hochtemperatur-Halogenatmosphäre.

Es ist daher anzumerken, daß bei einer Temperatur bei der Wärmebehandlung von weniger als 700° C die metallischen Verbindungen nur schwer ausgebildet werden können, während andererseits bei einem Überschreiten der Temperatur von 85O⁰C die ausgebildeten metallischen Verbindungen leicht durch die interne Diffusion des Aluminiums zerlegt werden können, was zu einer Verminderung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Halogen führt. Wenn außerdem die Zeitdauer für die Wärmebehandlung unterhalb von 10 Minuten liegt, so kann eine ausreichende Ausbildung der oben beschriebenen metallischen Verbindungen nicht erwartet werden. Obwohl die Wärmebehandlung über eine lange Zeitdauer hinweg durchgeführt werden kann, ist eine Zeitdauer, die 120 Minuten überschreitet, für die Stablisierung des Al unbedeutend, so daß die Zeitdauer für die Wärmebehandlung auf weniger als 120 Minuten begrenzt werden sollte, im Hinblick auf die industrielle bzw. Massenherstellung.

Obwohl die Werkstücke, die der oben beschriebenen ersten Wärmebehandlung ausgesetzt wurden, eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit bzw. eine Beständigkeit gegenüber Oxydation aufweisen, wird durch die zweite Wärmebehandlung der Grad der Adhäsion zwischen der Aluminiumschicht auf der Oberfläche und dem Eisenlegierungswerkstück weiter erhöht, so daß das Werkstück höheren Anforderungen bei seiner Endverwendung als Bauteil genügt Bei der zweiten Wärmebehandlung wird eine Aluminiumlegierungsschicht 8 (F i g. 5), die als Hauptbestandteile Al und Fe aufweist, durch Diffusion des Al in das Werkstück als Grundwerkstoff auf dessen Oberfläche ausgebildet, wodurch die Adhäsion zwischen der Aluminiumlegierungsschicht und den Grundwerkstoff verbessert wird. Bei der beschriebenen zweiten Wärmebehandlung wird die Adhäsion bezüglich des Grundwerkstoffs erhöht, ohne daß die Vorteile der ersten Wärmebehandlung verlorengehen. Weiterhin reagiert in dem Falle, in dem das Eisenlegierungswerkstück ein austenitischer nichtrostender Stahl mit 10 bis 30% Nickel ist, das Ni in der Al-Fe-Verbindungsschicht 7 und in der Al-Diffusionsschicht 5 allmählich mit Al, das in eine Verbindung zur Fixierung des Ni ausgebildet wird. Wenn in diesem Falle die Reaktion langsam bewirkt wird, läuft auch die wärmeerzeugende Reaktion zwischen Ni und Al langsam ab, ohne daß eine Korrosion des Fe in dem Werkstück stattfindet.

Bei der zweiten Wärmebehandlung wird das in der oben beschriebenen Weise der ersten Wärmebehandlung ausgesetzte Werkstück 30 bis 120 Minuten bei Temperaturen von 900 bis 1000° C gehalten, um die Aluminiumdiffusionsschicht 5 so zu erhöhen, daß die Adhäsion zwischen der Aluminiumverbindungsschicht 7 auf der Oberfläche und dem Grundwerkstoff 1 verbessert wird, wie es in F i g. 5 dargestellt ist.

Es ist hier anzumerken, daß bei der zweiten Wärmebehandlung die Heiztemperatur auf 900 bis 1000° C begrenzt wird, · da bei einer geringeren Temperatur als 900° C das Ni aufgrund der unzureichenden Diffusion des Al nicht ausreichend fixiert wird und bei Temperaturen über 1000⁰C die Reaktion zwischen Ni und Al so schnell abläuft, daß der Grundwerkstoff, d. h. das Eisenlegierungswerkstück 1 leicht korrodieren kann. Andererseits wurde die Dauer des Aufheizens bestimmt mit 30 bis 120 Minuten, da bei einer Heizdauer von weniger als 30 Minuten das Ni nicht ausreichend fixiert und bei einer Heizdauer von mehr als 120 Minuten die dadurch erreichte V.'irkung in unerwünschter Weise gesättigt wird.

Es wurden Vergleichsversuche für das Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeits-Verhalten durchgeführt mit unbearbeiteten Versuchsstahlplatten und mit Stahlplatten, auf denen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aluminiumüberzugsschichten auf den Oberflächen ausgebildet wurden.

Aus austenitischen nichtrostendem Stahl (AISI 310S), der als Eisengrundwerkstoff 20% Ni enthält, wurden Versuchswerkstücke, auf deren Oberfläche 7 verschiedene Überzugslösungen aufgebracht wurden, wie es aus der nachfolgenden Tabelle 1 zu ersehen ist, für Vergleichsversuche vorbereitet, wobei getrennt vorbereitete Versuchswerkstücke entsprechend der Überzugsbehandlung, der ersten Wärmebehandlung und der zweiten Wärmebehandlung unterzogen wurden, was ebenfalls aus Tabelle 1 zu ersehen ist

Tabelle 1	Al-Teilchen Gewichts-%	Kunstharz Gewichts-%	50	Lösungs mittel	Aufbringungs behandlung	⁰C	10 min	1. Wärme behandlung	⁰C 60 min	2. Wärme behandlung	⁰C 60 min
			40			⁰C	10 min		⁰C 60 min		⁰C 60 min
Überzugs lösung	Al 50	Vinylazetat	30	Aceton	720	⁰C	10 min	800	°C 60 min	950	⁰C 60 min
1	Al 60	Methacrylat	30	Aceton	720	⁰C	10 min	800	°C 60 min	950	⁰C 60 min
2	Al 70	Vinylazetat	30	Aceton	720	⁰C	10 min	800	°C 60 min	950	⁰C 60 min
3	Al-Si 70*¹)	Vinylazetat	20	Aceton	720	⁰C	10 min	800	⁰C 60 min	950	⁰C 60 min
4	Al-Cr 70*²)	Vinylazetat	10	Aceton	850	⁰C	10 min	850	⁰C 60 min	950	⁰C 60 min
5	Al 80	Vinylazetat		Aceton	720			800		950
6	7 Al 90 ") Al-Si-Legierung mit 7% Si ²) Al-Cr-Legierung nut 4% Cr	Vinylazetat	Aceton	720		800		950

Es wurden Aluminiumteilchen mit einem Durchschmttsdurchmesser von 50μπι verwendet, um Versuchswerkstücke zu erhalten, die im plattierten Zustand darauf ausgebildete Al-plattierte Schichten mit 50μπι Dicke aufweisen.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Muster

und unbearbeitetem austenitischem nichtrostendem Stahl wurden Mittelstücke von Gehäusen (Gesamtoberfläche 200 cm²) (nicht dargestellt) für Wärmetauscher hergestellt und Versuche so durchgeführt, daß eine wäßrige Lösung mit 3% Salz in einem auf die Oberfläche der Gehäusemittelstücke aufgebrachten Wärmeisolationsmaterial absorbiert wurde und nachfol-

gend eine Aufheizung auf eine Temperatur von 800⁰C während 1 Stunde erfolgte, was zusammen einen Behandlungszyklus bildete. Nach lOfacher Wiederholung des Behandlungszyklus wurde die Korrosion der Gehäusemittelstücke durch Messen der Verminderung der Plattendicke festgestellt, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Keine
Behandlung

Aufbringungsbehandlung

1. Wärmebehandlung

2. Wärmebehandlung

Grundausgangswerksloff

Mit Überzugslösung
1
2
3
4
5
6
7

0,7 mm

0,65 mm	0,10 mm	0,2 mm
0,65 mm	0 mm	0,15 mm
0,64 mm	0 mm	0,15 mm
0,65 mm	0 mm	0,13 mm
0,50 mm	0 mm	0,05 mm
0,65 mm	0 mm	0,15 mm
0,64 mm	0,05 mm	0,2 mm

Aus Tabelle 2 ist zu ersehen, daß die Testwerkstücke, die der ersten Wärmebehandlung nach der Aufbringungsbehandlung, d. h. dem Aufbringen der Überzugslösung, ausgesetzt wurden, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber der Halogenatmosphäre bei hohen Temperaturen aufweisen.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Werkstück mit einer Überzugslösung bedeckt wird, die aus Al-Teilchen und speziellem Kunstharz besteht, mit nachfolgendem Aufheizen auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Al, um das Kunstharz für das gleichzeitige Schmelzplattieren zu verbrennen, kann die aluminiumplattierte Überzugsschicht durch einen einfachen Vorgang auf dem Eisenlegierungswerkstück leicht ausgebildet werden. Dadurch, daß die aluminiumplattierte Überzugsschicht auch lediglich an den dafür erforderlichen Stellen mit der benötigten Dicke bequem aufgetragen werden kann und die aluminiumplattierte Überzugsschicht der ersten Wärmebehandlung bei Temperaturen von 700 bis 850⁰C während mehr als 10 Minuten in der Luft ausgesetzt wird, kann die Überzugsschicht an den erforderlichen Stellen lediglich mit der notwendiges Dicke in einfacher Weise ausgebildet v/erden, so daß man Bäuieiie und Teile ίίΐϊ'ι ausgezeichneter Kochtemperatur-Korrosionsfestigkeit erhält.

Wenn darüber hinaus die bereits der ersten Wärmebehandlung unterzogenen Werkstücke der zweiten Wärmebehandlung bei Temperaturen von 900 bis 1000⁰C während einer Zeitdauer von mehr als 30 Minuten ausgesetzt werden, wird eine merkliche Verbesserung der Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu den unbearbeiteten Werkstükken bei der praktischen Verwendung erreicht, obwohl die so behandelten Werkstück etwas gegenüber denen schlechter sein können, die lediglich der ersten Wärmebehandlung unterzogen wurden. Bei der zweiten Wärmebehandlung, die den Zweck der Verbesserung der Adhäsion zwischen der Al-Überzugsschicht und

dem Grundwerkstoff oder dem Werkstück hat, wird der Adhäsionsgrad durch das Anwachsen der Al-Diffusionsschicht erhöht, wie es aus der Mikroskopaufnahme in F i g. 6 zu ersehen ist. Darüber hinaus kann im Falle, bei dem der Grundwerkstoff ein austenitischer nichtrostender Stahl mit 10 bis 30% Nickel ist, die zweite Wärmebehandlung wirkungsvoll zur Stabilisierung des Ni beitragen, und zwar durch die wärmeerzeugende Reaktion zwischen Al und Ni.

Beispiel 2

Um Versuche zum Feststellen der Beständigkeit gegenüber der Oxydation durchzuführen, wurde eine Überzugslösung, die aus 70 Gew.-°/o Aluminiumteilchen (durchschnittlicher Teilchendurchmesser 50 μπι), 30 Gew.-% Vinylazetatharz und Azeton als Lösungsmittel bestand, auf die Oberfläche einer Stahlplatte mit einer Dicke von 1,5 mm aufgebracht, für die Verfestigung getrocknet und auf eine Temperatur von 720⁰C während 30 Minuten in der Luft aufgeheizt, um über der Al-Diffusionsschicht eine Al-plattierte Schicht von 50 μπι Dicke auf der Stahlplatte auszubilden. Die so erhaltene Stahlplatte wurde der ersten Wärmebehandlung, nämlich 60 Minuten iang einer Temperatur vor, 800⁰C in der Atmosphäre ausgesetzt, um das Al in der Überzugsschicht in eine Verbindung von Al-Fe (FeAta Fe2Als) umzuwandeln. Danach wurde sie der zweiten Wärmebehandlung, nämlich 60 Minuten lang einer Temperatur von 95O⁰C in der Atmosphäre ausgesetzt, um das Ni in der Al-Fe-Verbindungsschicht und der Al-Diffusionsschicht zu fixieren. Durch die oben beschriebenen Behandlungen wurde die oxydationsbeständige Überzugsschicht, die sich aus der Al-Diffusionsschicht und der Al-Fe-Verbindungsschicht zusammensetzt, auf der Oberfläche der Stahlplatte ausgebildet

Für die im nachfolgenden beschriebenen Oxydationsbeständigkeitsversuche wurden Versuchsstücke aus der wie in Beispiel 2 behandelten Stahlplatte hergestellt

Oxydationsbeständigkeitsversuche

Die Teststücke mit einer Dicke von 2,0 mm, einer Breite von 50 mm und einer Länge von 100 mm wurden zusammen mit zu vergleichenden, keiner Behandlung unterzogenen Versuchsstücken in einem Ofen (nicht dargestellt) bis zu einer Temperatur von 1120⁰C in der Atmosphäre aufgeheizt. Nachdem diese Temperatur für 20 Stunden beibehalten wurde, wurde die Verminderung der Menge bzw. des Gewichts pro Flächeneinheit der Versuchsstücke aufgrund der Oxydation gemessen, und idie Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Aus Tabelle 3 ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäßen Versuchsstücke eine merkliche Abnahme in der Gewichtsverminderung aufgrund der Oxydation zeigen, und zwar bei verbesserter Hochtemperatur-Oxydationsbeständigkeit im Vergleich zu den Testversuchsslücken ohne Behandlung.

Tabelle 3

Gewichtsverminderung
durch Oxydation

(mg/cm²)

Erfindungsgemäße Teststücke 1,5

ίο Vergleichs-Tcststücke SUS 310S 9,4

(ohne Behandlung)

Aus den obigen Testergebnissen ist ersichtlich, daß die Überzugsschicht mit einer ausgezeichneten Oxydationsbeständigkeit auf der Oberfläche der austenitischen nichtrostenden Stählpiane durch einen einfachen Vorgang leicht erhalten werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ausbildung einer Al-Schicht auf einem Werkstück aus einer Eisenlegierung, wobei das Werkstück mit einer Oberzugslösung mit 50 bis 90 Gew.-°/o Al- oder Al-Legierungsteilchen und 10 bis 50 Gew.-°/o Kunstharz versehen und getrocknet sowie anschließend erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das aus austenitischem nichtrostendem Stahl bestehende Werkstück die Oberzugslösung mit Al- bzw. Al-Legierungsteilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 500 μηι sowie aus einem Vinylacetatharz mit einer hohen Zersetzungstemperatur und einer niedrigen Zersetzungsgeschwindigkeit aufgetragen und das Werkstück nach dem Trockenen einer ersten Wärmebehandlung von mehr als Sx) Minuten bei Temperaturen von 700 bis 850⁰C sowie einer zweiten Wärmebehandlung von mehr als 30 Minuten bei Temperaturen von 900 bis 1000° C unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Al-Cr und/oder Al-Si bestehende Al-Legierungsteilchen eingesetzt werden.