DE3108160A1 - "METHOD FOR PRODUCING PROTECTIVE OXIDE LAYERS" - Google Patents
"METHOD FOR PRODUCING PROTECTIVE OXIDE LAYERS"Info
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Description
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M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Akti engesei!schaftM.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG stock corporation
München, 16. Februar 1981Munich, February 16, 1981
Verfahren zur Herstellung schützender OxidschichtenProcess for the production of protective oxide layers
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung schützender Oxidschichten auf einem metal "■ ischen Gegenstand, bei dem der Gegenstand nach einer Vorbehandlung einem Oxidationsprozeß unter erhöhter Temperatur unterzogen wird.The invention relates to a method for producing protective oxide layers on a metal Item for which the item has been pretreated subjected to an oxidation process at an elevated temperature will.
In der chemischen Verfahrenstechnik, bei thermischen Prozessen sind Werkstoffe von auf erhöhter oder hoher Temperatur befindlichen Komponenten häufig aggressiven Atmosphären ausgesetzt, die zu WerkstoffSchädigungen führen können. Zu nennen ist vor allem die katastrophale Oxidation bzw. Korrosion unter dem Einfluß von Schwefel-, Kohlenstoff- oder Halogen abgebenden Stoffen.In chemical process engineering and thermal processes, materials are at elevated or high temperatures components are often exposed to aggressive atmospheres that lead to material damage can. Particularly noteworthy is the catastrophic oxidation or corrosion under the influence of sulfur, carbon or halogen releasing substances.
Eine bekannte Methode, Werkstoffe bzw. Gegenstände gegen den Eintritt von Fremdelementen zu schützen, besteht darin, die Oberfläche des entsprechenden Gegenstandes mit einer Oxidschicht zu versehen.A well-known method of protecting materials or objects against the entry of foreign elements is to to provide the surface of the corresponding object with an oxide layer.
Bei dem bekannten Verfahren wird die Oxidschicht auf den Gegenstand einfach dadurch erhalten, daß der Gegenstand der Atmosphäre des betreffenden thermischen Prozesses unter den dem Prozeß zugrundeliegenden physikalischen Bedingungen ausgesetzt wird.In the known method, the oxide layer is on the Object obtained simply by the fact that the object is in the atmosphere of the thermal process in question among the physical underlying the process Conditions is exposed.
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Ein derartiges Verfahren eignet sich jedoch nicht zur Anwendung auf Fälle, bei denen der Gegenstand extremen Bedingungen, insbesondere starker korrosiver Belastung bei erhöhten Temperaturen, ausgesetzt wird, wie es z.B. bei thermisch-chemischen Verfahren der Fall ist.However, such a method is not suitable for use in cases where the object is extreme Conditions, in particular strong corrosive stress at elevated temperatures, is exposed, as e.g. is the case with thermal-chemical processes.
Hie tnit dem bekannten Verfahren hergestellten Schichten weisen keine ausreichende Dichtheit und außerdem keine genügende mechanische und chemische Stabilität auf. Unter relativ geringen Beanspruchungen bilden sich nämlich bereits Risse in der Schutzschicht oder die Schicht platzt sogar ab, oder sie wird durch aggressive Bestandteile der Prozessatmosphäre ständig lokal zerstört.Layers produced using the known method do not have sufficient tightness and, moreover, insufficient mechanical and chemical stability. Under This is because cracks form in the protective layer or the layer bursts under relatively low stresses even off, or it is constantly being locally destroyed by aggressive components of the process atmosphere.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Oxidschicht einen wirkungsvollen Schutz gegen die Einwirkung von Fremdelementen, insbesondere Sauerstoff, Schwefel, Halogene und Kohlenstoff, auch bei höheren Temperaturen, bietet.The invention is based on the object of improving the known method to the effect that the oxide layer effective protection against the effects of foreign elements, especially oxygen, sulfur, halogens and carbon, even at higher temperatures.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Anwendung eines Gegenstandes aus chrom- und/oder nickellegierten Stählen der Gegenstand einer mechanischen und/ oder chemischen Vorbehandlung unterzogen wird, und daß der anschließende Oxidationsprozeß unter Anwendung eines niedrigen Oxidationspotentials und- einer Temperatur zwischen etwa 480 und 800*C durchgeführt wird.The object is achieved according to the invention in that under Application of an object made of chrome and / or nickel alloy steels the object of a mechanical and / or or chemical pretreatment is subjected, and that the subsequent oxidation process using a low oxidation potential and a temperature between about 480 and 800 * C is carried out.
Durch das niedrige Oxidationspotential ist eine selektive Oxidation möglich, mit der bei entsprechender Wahl des
Partialdruckes des Oxidationsmittels erreicht worden
kann, daß nur einzele Elemente, vorzugsweise nur ein
Element aus dem zu behandelnden Werkstoff in den Oxidations prozeß eingeht.
35Due to the low oxidation potential, a selective oxidation is possible, with the appropriate choice of the partial pressure of the oxidizing agent can be achieved that only individual elements, preferably only one element from the material to be treated enters into the oxidation process.
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-δ-Bei chrom- und/oder nickenegierten Stählen konnte durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beobachtet werden, daß eine Oxidation desjenigen Restandteiles stattf1ndfit, der das Oxid mit dem niedrigsten Zersetzungsdruck bildet, nämlich Chrom bzw. Eisen. Darüber hinaus führt das niedrige Oxidationspotential zu einer kinetischen Kontrolle der Oxidbildung, d.h., zu einem langsamen Wachstum der Oxidschicht und damit zu deren gleichmäßigen Ausbildung. Diese Schichtbildung wurde im Falle der chromlegierten Stähle auch dadurch begünstigt, daß in" diesen Legierungen eine relativ gute Chrombeweglichkeit gegeben ist. Durch diese Chrombeweglichkeit erfolgt ein gewisser Machschub von Chrom aus dem inneren Bereich an die Oberfläche, der zur Bildung einer kompakten Cr^O Schutzschicht beiträgt.-δ-In the case of chrome and / or nickel-alloyed steels, Application of the process according to the invention can be observed that an oxidation of that remainder part takes place, which is the oxide with the lowest decomposition pressure forms, namely chromium or iron. In addition, the low oxidation potential leads to a kinetic Control of oxide formation, i.e. slow growth of the oxide layer and thus its uniform Education. In the case of chromium-alloyed steels, this layer formation was also promoted by the fact that in " these alloys have relatively good chrome mobility given is. This chrome mobility results in a Certain push of chromium from the inner area to the surface, which leads to the formation of a compact Cr ^ O protective layer contributes.
Auf nickel 1egierten Stählen bilden sich dichte Fe.,0 Schichten. Dense Fe., 0 layers form on nickel-alloyed steels.
Untersuchungen haben ergeben, daß diese Oxidschichten gleichmäßige, dichte Oberzüge ergeben, die den Zutritt von Sauerstoff, Schwefel, Halogen oder Wasserstoff sowie von anderen Elementen zum Werkstoff und damit eine Weiterkorrosion in befriedigender Weise hemmen, und zwar auch bei erhöhten Temperaturen. Die Schichten bilden somit einen guten Schutz gegen Weiteroxidation, gegen Aufkohlung, sowie gegen Schwefelwasserstoff-, Schwefeloxid- und Halogenkorrosion. Die Schichten zeigen auch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte mechanische und chemische Stabilität auf.Investigations have shown that these oxide layers uniform, dense upper layers that allow access from oxygen, sulfur, halogen or hydrogen as well as from other elements to the material and thus further corrosion inhibit in a satisfactory manner, even at elevated temperatures. The layers thus form good protection against further oxidation, against carburization, as well as against hydrogen sulfide, sulfur oxide and halogen corrosion. The layers show also has an improved mechanical and chemical stability compared to the prior art.
Die Qualität der Schutzschicht läßt sich weiterhin verbessern, indem der Gegenstand einer mechanischen Vorbehandlung, wie z.B. einer Kaltverformung und unter Umständen anschließend einer GVühbehandlung unter Wasserstoff unterworfen wird.The quality of the protective layer can be further improved, by subjecting the object to mechanical pretreatment, such as cold forming and, under certain circumstances is then subjected to a pre-treatment under hydrogen.
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] Die mechanische Behandlung, die Schleifen, Honen, Walzen oder Kugelstrahlen sein kann, bewirkt im Zusammenhang mit der nachfolgenden Temperaturbehandlung eine Verfeinerung der Korngrößen an der Gegenstandsoberfläche, und damit eine Erhöhung der Beweglichkeit der zu oxidierenden Legieruηgskomponente. ] The mechanical treatment, which can be grinding, honing, rolling or shot peening, in connection with the subsequent temperature treatment, causes a refinement of the grain sizes on the object surface, and thus an increase in the mobility of the alloy component to be oxidized.
Bei. Chromstählen wird diese in der anschließenden chemischen Vorbehandlung dahingehend ausgenutzt, daß die durch den Viasserstoff im Glühvorgang hervorgerufene Cr-Segregation der Legierung eine bemerkenswerte Anreicherung von Chrom im Oberflächenbereich bewirkt. Auf einer derart vorbehandelten, für den Oxidationsvorgang.direkt zugänglich gemachten chromangereicherten Oberfläche läuft eine über die Fläche annähernd homogen verteilte Oxidation ab, die zu einer sehr dichten und gut haftenden und damit mechanisch sehr stabilen Barriereschicht führt.At. Chromium steels will use this in the subsequent chemical Pretreatment is used to the effect that the Cr segregation caused by the hydrogen in the annealing process the alloy causes a remarkable enrichment of chromium in the surface area. On a pretreated in this way, for the oxidation process.direct Once the chromium-enriched surface has been made accessible, an oxidation that is approximately homogeneously distributed over the surface takes place which leads to a very dense and well-adhering and thus mechanically very stable barrier layer.
Bei chromfreien Ni ekel stähl en führt eine mit der, Oxidationsprozeß gekoppelte Umwandlung des kubischraunzentrierten in das flächenzentrierte Gitter zu einer Anpassung des Metal 1gitters an das flächenzentrierte Oxidgitter und damit zu einer verbesserten Haftung. Die auf den unmittelbar unterhalb der Oxidschicht befindliehen Legierungsbereich beschränkte Gitterumwandlung wird durch die oxidationsbedingte Eisenverarmung - entsprechend einer Nickel anreicherung - bedingt.In the case of chromium-free nickel steels, an oxidation process leads to it Coupled conversion of the cubic rough-centered into the face-centered lattice for an adaptation of the metal lattice to the face-centered Oxide lattice and thus improved adhesion. The ones located on the directly below the oxide layer The lattice transformation, which is limited in the alloy range, is correspondingly due to the iron depletion caused by oxidation a nickel enrichment - conditional.
Der Glühvorgang wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, die der Temperatur für den nachfolgenden Oxidationsprozeß annähernd gleich ist. Dieses hat den Vorteil, daß die beiden temperaturabhängigen Verfahrensschritte zügig hintereinander durchgeführt werden können. The annealing process is preferably carried out at a temperature which is the temperature for the subsequent one Oxidation process is approximately the same. This has the advantage that the two temperature-dependent process steps can be carried out quickly one after the other.
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Für den Oxidationsprozeß kann CO als Oxidationsmittel verwendet werden. Dadurch kann das Hi Ifsgleichgewicht 2CO2 = 2C0+0„ zur Herabsetzung des Sauerstoffpartialdruckes ausgenutzt werden.CO can be used as an oxidizing agent for the oxidation process. As a result, the Hi If equilibrium 2CO 2 = 2C0 + 0 "can be used to reduce the oxygen partial pressure.
. ■. ■
Ein bevorzugtes Oxidationsmittel ist Wasserdampf. Mit Wasserdampf kann unter dem Hilfsgieichgewicht 2H9O = 2H9+0 ein noch niedrigeres Oxidationspotential als im Falle von C0„ erreicht werden. Die Verwendung dieses Oxidationsmittels hat in Verbindung mit der Wasserstoffreduktion als Vorbehandlung den v/eiteren Vorteil, daß zwischen der chemischen Vorbehandlung und dem Oxidationsprozeß kein Spülvorgang eingesetzt werden muß. Der hierbei v/ährend der Oxidation vorhandene Überschuß von Wasserstoff wirkt sich sogar noch positiv auf den Prozeß aus, indem dieser Wasserstoff eine v/eitere Herabsetzung des Sauerstoff-Partialdruckes hervorruft» A preferred oxidizing agent is water vapor. With steam, an even lower oxidation potential than in the case of CO 2 can be achieved under the auxiliary equilibrium 2H 9 O = 2H 9 +0. The use of this oxidizing agent in connection with the hydrogen reduction as a pretreatment has the further advantage that no rinsing process has to be used between the chemical pretreatment and the oxidation process. The excess of hydrogen present during the oxidation even has a positive effect on the process, as this hydrogen causes a further reduction in the oxygen partial pressure »
Un eine Durchführung des Oxidationsprozesses unter vermindertem Druck und damit die Verwendung von Vakuumapparaten zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das Oxidationsmittel in einem inerten Trägergas, vorzugsweise einem Edelgas, insbesondere Helium oder Argon, über den zu beschichtenden Gegenstand zu leiten. Das Oxidationsmittel kann dabei vorzugsweise in einem geschlossenen Kreislauf aber auch in einer tei1geschlossenen oder offenen Betriebweise geführt werden.Un to carry out the oxidation process below To avoid reduced pressure and thus the use of vacuum apparatus, it is suggested to use the oxidizing agent in an inert carrier gas, preferably a noble gas, in particular helium or argon, via the to conduct the object to be coated. The oxidizing agent can preferably be in a closed But also in a partially closed or closed cycle open operation.
Rei der Verwendung von CO2 als Oxidationsmittel wird ein Oxidationspotential von unter 50 mbar, vorzugsweise etwa 10 mbar verwendet, während der Wasserdampfpartialdruck niedrigerer als 100 mbar ist, wobei diese Werte auf Normalbedingungen bezogen sind. Besonders vorteilhaft ist dieWhen using CO 2 as the oxidizing agent, an oxidation potential of less than 50 mbar, preferably about 10 mbar, is used, while the water vapor partial pressure is less than 100 mbar, these values being based on normal conditions. That is particularly advantageous
Anwendung des Oxidationsprozesses mit Wasserdampf unter 35Use of the oxidation process with water vapor below 35
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einem Partialdruck von etwa 20 mbar. Diese Bedingungen lassen sich direkt bei Atmosphärendruck und Rauintenperatur erreichen.a partial pressure of about 20 mbar. These conditions can be set directly at atmospheric pressure and room temperature reach.
Es ist vorteilhaft, wenn die Oxidschichtdicke unter 4/^v, vorzugsweise im Bereich von 2.£»wliegt. Eine derartige Schicht ist gegenüber Spannungen und anderweitigen Beanspruchungen resistent und demzufolge stabil.It is advantageous if the oxide layer thickness is less than 4 / ^ v, preferably in the range of £ 2. Such a one The layer is resistant to tension and other stresses and is therefore stable.
Ausführungsbeispiele:Embodiments:
Zur Beschichtung eines Chromnickelstahles (18% Cr, 11% Ni) wurden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: 15The following process steps were carried out to coat a chrome-nickel steel (18% Cr, 11% Ni): 15th
a) Zunächst wurde die Oberfläche mechanisch durch Schleifen (Körnung 320), Honen oder Kugelstrahlen vorbehandelt. a) First, the surface was mechanically pretreated by grinding (grain size 320), honing or shot peening.
b) Danach wurde der Gegenstand bei 800°C 2 Stunden lang mit Ho reduziert, und anschließend mit Argon gespült,b) Thereafter, the object was kept at 800 ° C for 2 hours reduced with Ho, and then flushed with argon,
c) hierauf wurde der Oxidationsprozeß bei der gleichen Temperatur, also 8000C mit 20 mbar Wasserdampf in Argon eingeleitet.c) the oxidation process was then initiated at the same temperature, that is to say 800 ° C. with 20 mbar water vapor in argon.
d) Nach einem 4-stündigen Oxidationsprozeß wurde eine " dichte, wenig Fe enthaltende Cr,O,-Schicht von 1 bisd) After a 4-hour oxidation process, a "dense, little Fe-containing Cr, O, layer from 1 to
Ein Gegenstand aus einem 7%igen Chromstahl wurde einerA 7% chrome steel item became one
mechanischen Vorbehandlung wie im Beispiel 1, Verfahrensschritt a) unterzogen.mechanical pretreatment as in example 1, process step a) subjected.
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ιοί c) Danach wurde die Oberfläche bei 680°C mit 20 mbar ιοί c) The surface was then at 680 ° C with 20 mbar
Viasserdampf in Argon oxidiert, d) In diesem Fall konnte in 6 Stunden eine kompakte, haftfeste FeCr?0.-Schicht von 1 bis Z^^hergestellt werden.Via water vapor oxidized in argon, d) In this case, a compact, firmly adhering FeCr ? 0th layer from 1 to Z ^^ can be made.
Die anzuwendende Oxidationstemperatur hängt von der Chromkonzentration ab. Sie ist umso höher zu wählen,
je höher der Chromgehalt ist.
10The oxidation temperature to be used depends on the chromium concentration. The higher the chromium content, the higher it should be selected.
10
Es wurde ein Gegenstand aus einem 18%igen Nickelstahl mit der gleichen Vorbehandlung wie im Beispiel 2 verwendet. Die Oxidation wurde bei 500°C durchgeführt.It became an article made from an 18% nickel steel used with the same pretreatment as in Example 2. The oxidation was carried out at 500 ° C.
Der Wasserdampf-Partial druck betrug 20 mbar. Die Schichtdicke der dichten Fe-O -Schi 8 Oxidationsstunden ebenfalls 1 bisThe water vapor partial pressure was 20 mbar. the Layer thickness of the dense Fe-O -Schi 8 oxidation hours also 1 to
Schichtdicke der dichten Fe_O -Schicht betrug nachThe layer thickness of the dense Fe_O layer was after
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In allen Fällen konnte festgestellt werden, daß die Oxidschicht eine hohe Stabilität hatte und einen bemerkenswerten Schutz gegen Weiteroxidation, Schwefel- und Halogenkorrosion, Aufkohlung und Wasserstoffversprödung bewirkt.In all cases, it was found that the oxide layer had high stability and was remarkable Protection against further oxidation, sulfur and halogen corrosion, carburization and hydrogen embrittlement causes.
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Claims (1)
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16.02.19807.2042 F
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