DE4411296C2 - Zwei- oder mehrphasige korrosionsfeste Beschichtung, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung von Beschichtungswerkstoff - Google Patents

Zwei- oder mehrphasige korrosionsfeste Beschichtung, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung von Beschichtungswerkstoff

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Description

Die Erfindung betrifft eine zwei- oder mehrphasige korrosionsfeste Beschichtung eines Grundwerkstoffes. Zudem erfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Beschichtung und die Verwendung von Beschichtungswerkstoffen.
Austenitisch-ferritische Stähle mit einem Stickstoffgehalt bis etwa 2,0 Gew.% werden bekanntlich durch Druckaufsticken der Schmelze hergestellt. Erst in letzter Zeit gelang es durch die Verbesserung der Verfahrenstechnik, solche Stähle bewußt einzusetzen.
Durch die guten technologischen Eigenschaften dieser Stähle entstand ein großes Interesse, mit diesen austenitisch-fer­ ritischen Stählen Beschichtungen auf unterschiedlichen Grundwerkstoffen zu erzeugen.
Dem Stand der Technik - beispielsweise der EP-OS 04 56 847 oder den DVS Berichten TS 93, Aachen - ist zu entnehmen, daß Beschichtungen mit legierten Stählen und gasverdüsten Pulvern durch thermisches Spritzen und Plasmapulver-Auftragsschweißen aufgebracht wurden. Bei diesen Versuchen hat es sich gezeigt, daß das definierte Einbringen des Stickstoffes mit Schwierigkeiten verbunden ist, die sich nur durch aufwendige Verfahren überwinden lassen.
Außerdem ist im Pat. Abstr. JP C-926 vom 8.4.92 Vo. 16. No. 140 der JP 4-361 A eine korrosions- und verschleißfeste Beschichtung auf Bauteilen von Kernreaktoren aus einem Legierungspulver beschrieben, das - aufgetragen auf die aufeinander gleitende Paarung Ventil/Ventilsitz einer Atomkraftanlage - an diesen Ventilteilen ein Polster bildet, das die Abnutzungs- und Korrosionsfestigkeit verbessert. Das aufgetragene Legierungspulver auf Nickelbasis enthält in Gewichtsteilen 0,5-0,1% C ≦ 0,15% Si; 0,1-1% Mn; 20-30% Cr; ≦ 10% Mo; ≦ 3,5% Ti; 3,5-7% Nb; ≦ 15% Fe; ≦ 2% Al, ≦ 0,3% N, Rest Nickel mit Verunreinigungen, in denen Co auf ≦ 0,02% begrenzt sein soll. In dieses Legierungspulver sollen Nitride, Karbide und/oder Metalloxide mit ≦ 70 Gew.-% eingetragen werden.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Beschichtung der eingangs beschriebenen Art und deren Herstellungsverfahren zu verbessern sowie besonders günstige Anwendungen von Beschichtungswerkstoffen anzubieten.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches; die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
Die zwei- oder mehrphasige korrosionsfeste Beschichtung ist auf dem Wege eines thermischen Spritzens, Plasma-Pulver-Auftragsschweißens oder Lichtbogenschweißens aus einem agglomerierten Metallpulver aus folgenden Komponenten in Gewichtsprozent - bezogen auf die Gesamtanalyse - aufgetragen:
8,0 bis 35,0% Cr;
0,5 bis 20,0% Ni;
0,005 bis 1,5% C;
0,05 bis 3,0% N;
0,5 bis 10,0% Mo;
< 6,0% Mn;
< 6,0% Co;
< 6, 0% Al;
< 4,0% Ti;
< 3,0% Cu;
< 3,0% Nb;
< 3,0% Ta;
< 3,0% V;
< 3,0% Zr;
< 2,0% Si,
< 1,0% W;
Rest Fe.
Bevorzugte Bereiche der Werkstoffkomponenten sind
14,0 bis 30,0% Cr;
3,0 bis 15,0% Ni;
0,01 bis 0,1% C;
0,05 bis 2,8% N;
1,0 bis 9,0% Mo
mit Zusätzen von Mn, Co, Al, Ti, Cu, Nb, Ta, V, Zr, Si und W zusammen bis höchstens 12 Gew.-% (Rest: Fe) oder
19,0 bis 28,0% Cr;
3,0 bis 15,0% Ni,
0,02 bis 0,06% C;
0,1 bis 2,0% N;
2,0 bis 8,0% Mo
mit Zusätzen von Mn, Co, Al, Ti, Cu, Nb, Ta, V, Zr, Si und W zusammen bis höchstens 9,0 Gew.-% (Rest Fe).
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Beschichtung ein zwei- oder mehrphasiges ferritisch-austenitisches Gefüge mit einem Ferritgehalt zwischen 20 bis 80 Vol.-% - bevorzugt 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere 30 bis 50 Vol.-% - auf.
Ein für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetztes Werk­ stoffagglomerat - bzw. ein Fülldraht oder ein agglomeriertes Pulver - besteht bevorzugt aus verschiedenen Vorlegierungen, die je nach Auswahl eine metallische und/oder intermetallische Verbindung mit einer definierten Menge an Stickstoff enthalten.
Die in der fertigen Beschichtung notwendige Stickstoffmenge läßt sich durch die Menge der zugesetzten Stickstoffverbindungen und die ausgewählten Schweiß- bzw. Spritzparameter relativ leicht und in engen Grenzen einstellen.
So ist es möglich, die Zugabe des Stickstoffes zu dem Werk­ stoffgemisch durch Zusatz von Nitriden der Elemente Cr, Ti, Al, Si und Fe oder aber durch Zusatz von Nitriden der Elemente Cr, Al, Mo, V, Ti, Ta, Nb, Si, Zr und Fe durchzuführen. Auch kann man den Stickstoff durch Zusatz von stickstoffhaltigen Legierungen aus zwei oder mehreren Elementen bzw. über in Stickstoffatmosphäre behandelte Teilprodukte bzw. Legierungen oder Legierungselemente einbringen.
Für das Auftragen bevorzugt man ein thermisches Spritzverfahren. Hierzu kann man sich erfindungsgemäß einer Lichtbogen-Drahtspritzpistole, einer autogenen Drahtflammspritzpistole, eines Hochenergie- bzw. Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens oder des Plasmaflammspritzens bedienen.
Statt dessen kann auch ein Plasmapulver-Auftragsschweißverfahren zum Beschichten herangezogen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Fülldraht mittels eines Lichtbogenauftragsschweißverfahrens zur Beschichtung verarbeitet. Es können das TIG- oder MIG-Schweißverfahren oder das MAG-Schweißverfahren eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mit dem Fülldraht Elektroden für die Elektroden-Handschweißung herzustellen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zwei- oder mehrphasige Beschichtung mit einem agglomerierten Metallpulver aufgebaut werden oder durch Agglomerieren von zwei oder mehreren Vorlegierungen. Das agglomerierte Metallpulver kann aus einem ferritischen, einem austenitischen Pulver bzw. einem Nitridpulver bestehen.
Als günstig hat es sich erwiesen, die zwei- oder mehrphasige Beschichtung in einer definierten Atmosphäre mit Wärme zu behandeln, insbesondere unter Stickstoff.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehenden, als vorteilhaft angesehenen Ausführungsbeispielen.
Beispiel 1
An den Kanten und Flächen von Turbinenschaufeln einer Nie­ derdruckturbine traten nach einer Laufzeit von vier Jahren sehr starke Erosionserscheinungen auf.
Diese Probleme konnten bei internen Versuchen durch eine Beschichtung mit dem agglomerierten Metallpulver beseitigt und gleichzeitig die Standzeiten erhöht werden.
Als Werkstoffgemisch für die Beschichtung der Kanten und Flächen an den Turbinenschaufeln wurde eine Zusammensetzung ausgewählt mit:
28,0% Cr
3,0% Ni
0,05% C
1,8% N
1,0% Mo
3,0% Ti
0,5% Si
0,2% Cu
Rest Fe.
Das Aufschweißen der Kanten nach dem Plasmapulver-Auftrags­ schweißverfahren wurde mit dem agglomerierten Metallpulver - mit einer an dieses Verfahren angepaßten Korngröße zwischen 37 bis 150 µm - durchgeführt.
Vor der Beschichtung der Oberflächen wurden die Kanten me­ chanisch bearbeitet. Nach dieser Bearbeitung wurde die Oberfläche der Turbinen­ schaufeln durch Strahlen mit Korund einer Korngröße von 0,2 bis 0,5 mm zum Beschichten vorbereitet.
Die Beschichtung wurde mit dem agglomerierten Metallpulver - der gleichen Zusammensetzung, jedoch mit einer anderen Korngröße von 10 bis 45 µm - mittels einer Hochgeschwin­ digkeitsflammspritzpistole hergestellt.
Anschließend wurden die Oberflächen durch Schleifen bearbeitet. Die fertige Schichtstärke betrug 0,5 mm.
Nach einem Zeitraum von einem Jahr konnten noch nicht einmal Anfänge eines Erosionsangriffes festgestellt werden.
Beispiel 2
Ein Behälter der chemischen Industrie sollte wegen der Änderung des Fabrikationsprogramms in seiner Beständigkeit gegen Korrosion angepaßt - aus Kostengründen bereits verwendete Behälter durch eine Beschichtung den neuen Bedingungen angepaßt - werden.
Als Werkstoff wurde ein Werkstoffgemisch bzw. ein Fülldraht der folgenden Zusammensetzung eingesetzt:
30,0% Cr
1,0% Ni
0,01% C
1,0% N
0,5% Mo
0,8% Co
2,0% Al
1,2% Ti
0,5% Nb
Rest Fe.
Die zu schützenden Oberflächen der Behälter wurden ebenfalls durch Strahlen mit Korund mit einer Korngröße von 0,2 bis 0,5 mm vorbereitet.
Anschließend erfolgt die Beschichtung mit dem Fülldraht durch Aufspritzen mit einer Zweidraht-Lichtbogen-Spritzpistole.
Die fertig aufgespritzte Schicht mit einer Schichtdicke von 0,6 mm hatte eine Oberflächenrauhigkeit von 10 bis 30 µm Ra.
Die so behandelten Behälter wurden ohne Nachbearbeitung eingesetzt.
Bei der Kontrolle nach einer Laufzeit von sechs Monaten konnte an der Beschichtungsoberfläche keine beginnende Korrosion festgestellt werden.
Beispiel 3
Beim Bau von Chemieanlagen aus Duplexstählen sollten Schweißungen mit derselben Werkstoffqualität durchgeführt werden.
Als Werkstoffgemisch zum Fügen wurde ein Fülldraht mit der Zusammensetzung vorgeschlagen, welche die zu schweißenden Teile hatten, nämlich
16,0% Cr
14,0% Ni
0,01% C
1,2% N
6,0% Mo
3,4% Mn
3,0% Ti
1,0% Ta
1,3% Cu
Rest Fe.
Zum Zusammenfügen der einzelnen Bauteile wurden der erfin­ dungsgemäße Fülldraht und ein TIG-Schweißverfahren eingesetzt.
Nach dem Zusammenbau der Teile wurden diese durch eine Röntgendurchstrahlung auf Porenfreiheit geprüft und einwandfrei befunden.
Nach einer Laufzeit von etwa einem Jahr konnte auch an den Übergangszonen keine beginnende Korrosion festgestellt werden.
Beispiel 4
Die Bauteile einer Rauchgas-Entschwefelungsanlage sollten durch eine korrosions- und erosionsbeständige Beschichtung gegen anfallende Heißgaskorrosion geschützt werden.
Als Werkstoff für diese Beschichtung wurde ein Werkstoffgemisch aus einem agglomerierten Metallpulver eingesetzt mit der Zusammensetzung
30,0% Cr
3,1% Ni
0,1% C
0,8% N
0,5% Mn
2,0% Mo
4,5% Al
2,0% Ti
1,0% V
0,2% Zr
Rest Fe.
Das Beschichten der Rohre und Flächen erfolgte durch Plas­ maspritzen der durch Strahlen vorbereiteten Oberfläche. Die Schichtstärke der einsatzbereiten gespritzen Schicht betrug 0,8 mm.
Bei einer Zwischenkontrolle nach einem ersten Einsatz konnten keine Angriffe festgestellt werden.

Claims (20)

1. Zwei- oder mehrphasige korrosionsfeste Beschichtung eines Grundwerkstoffes, die auf dem Wege eines thermischen Spritzens, Plasma-Pulver-Auftragsschweißens oder Lichtbogenschweißens aus einem agglomerierten Metallpulver aus folgenden Komponenten in Gewichtprozent bezogen auf die Gesamtanalyse aufgetragen ist: 8,0 bis 35,0% Cr;
0,5 bis 20,0% Ni;
0,005 bis 1,5% C;
0,05 bis 3,0% N;
0,5 bis 10,0% Mo,
< 6,0% Mn;
< 6,0% Co;
< 6, 0% Al;
< 4, 0% Ti;
< 3,0% Cu;
< 3,0% Nb;
< 3,0% Ta;
< 3,0% V;
< 3,0% Zr;
< 2,0% Si;
< 1,0% W;
Rest Fe.
2. Beschichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Werkstoff mit 14,0 bis 30,0% Cr;
3,0 bis 15,0% Ni;
0,01 bis 0,1% C;
0,05 bis 2,8% N;
1,0 bis 9,0% Mosowie Zusätzen von Mn, Co, Al, Ti, Cu, Nb, Ta, V, Zr, Si und W zusammen bis höchstens 12 Gew.-%, Rest Fe.
3. Beschichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Werkstoff mit 19,0 bis 28,0% Cr;
3,0 bis 15,0% Ni;
0,02 bis 0,06% C;
0,1 bis 2,0% N;
2,0 bis 8,0% Mosowie Zusätzen von Mn, Co, Al, Ti, Cu, Nb, Ta, V, Zr, Si und W zusammen bis höchstens 9,0 Gew.-%, Rest Fe.
4. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein zwei- oder mehrphasiges ferritisch-austenitisches Gefüge mit einem Ferritgehalt zwischen 20 bis 80 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 60 Vol.-%, insbesondere 30 bis 50 Vol.-%, aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mittels thermischen Spritzens mit einem Fülldraht durchgeführt wird.
6. Verfahren zur Herstellung der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mittels Lichtbogenauftragsschweißverfahrens mit einem Fülldraht durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mittels Elektroden-Handschweißung durchgeführt wird.
8. Verfahren zur Herstellung der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung mit agglomeriertem Metallpulver durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zwei- oder mehrphasige agglomerierte Metallpulver vor dem Aufbringen wärmebehandelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mit einem thermischen Spritzverfahren durchgeführt wird.
11. Verfahren zur Herstellung der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Beschichtung mit wärmebehandlungs- bzw. sinterfreiem Metallpulver durchgeführt wird.
12. Verfahren zur Herstellung der zwei- oder mehrphasigen Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag mit einem Plasma-Pulverauftragsschweißverfahren durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in einer definierten Atmosphäre wärmebehandelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unter Stickstoff durchgeführt wird.
15. Verwendung eines Beschichtungswerkstoffs zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 14 unter Einsatz eines Werkstoffgemisches, dem Stickstoff über ein Metallnitrid zugesetzt wird.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoffgemisch Nitride von Cr, Ti, Al, Si und/oder Fe zugesetzt werden.
17. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkstoffgemisch Nitride von Cr, Al, Mo, V, Ti, Ta, Nb, Si, Zr und/oder Fe zugesetzt werden.
18. Verwendung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Fülldraht mit einer Pulverfüllung aus Legierungselementen und Nitriden versehen wird.
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllung mehrere nitrierte Vorlegierungen eingesetzt werden.
20. Verwendung eines Beschichtungswerkstoffes zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 14 unter Einsatz eines Fülldrahtes mit einer Füllung aus mehreren stickstofffreien Vorlegierungen.
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