DE2043952A1

DE2043952A1 - Verfahren zum Alitieren von Gegen standen aus Nickel, Kobalt oder deren Legierungen

Info

Publication number: DE2043952A1
Application number: DE19702043952
Authority: DE
Inventors: Charles W Whitehall Martini Richard W Scotia N Y Schwartz (V Sf A) P C23d 5 00
Original assignee: Howmet Corp
Current assignee: Howmet Corp
Priority date: 1969-09-08
Filing date: 1970-09-04
Publication date: 1971-04-01
Also published as: US3640815A; CA922988A; FR2061026A5

Description

zu der Patentanmeldung

HOWMET CORPORATION, 4-75, Steamboat Road, Greenwich, Connecticut, USA

• betreffend:

Verfahren zum Alitieren von Gegenständen aus Nickel, Kobalt oder deren Legierungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Alitieren, also zum Eindiffundieren von Aluminium aus einem Einsatzmaterial in die Oberfläche eines Metallgegenstandes zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und Zunderfestigkeit bei hohen Temperaturen und/oder in korrosiver Umgebung, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Turbinen u.dgl. vorliegen. Durch Eindiffundieren von Aluminium in die Oberfläche von derartigen Werkstoffen, wie hoch nickel- oder kobalthaltige Legierungen und hoch legierte Stähle, können die Temperaturwechselbeständigkeit, die Korrosionsbeständigkeit insbesondere bei hohen Temperaturen und andere physikalische und mechanische Eigenschaften wesentlich verbessert werden.

Beim Alitieren wird der Gegenstand bei einer Temperatur über 100O⁰O in ein pulverförmiges Einsatzmaterial gepackt, dieses

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enthält Aluminium und Aluminiumoxide, gegebenenfalls vorzugsweise mit einem geringen Anteil eines Halogenide, wie Ammoniumchlorid oder -fluoridiund wird in diesem Einsatzmaterial etwa 4 bis 10 h in nicht oxidierender Atmosphäre gehalten. Dabei diffundiert Aluminium in eine.Einsatztiefe von etwa 10 bis 20/U, abhängig von der Diffusionszeit und -"temperatur sowie der Aluminiumkonzentration in dem Einsatz-Material« In der Einsatzschicht nimmt die Aluminiumkonzentration mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche des Gegenstandes proportional ab.

Die Erfindung betrifft nun ein verbessertes Verfahren zur All-itierung, um ein während der Anwendung fortschreitendes Einwandern des Aluminiums aus der Einsatζschicht in den Gegenstand und daher Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften zu verhindern. Es hat sich nämlich gezeigt, daß das Aluminium in der Einsatzschicht gehalten werden soll, ohne ungebührliche Diffusion in das Innere des Gegenstands. Es wird eine gute Verbindung zwischen der Einsatζschicht und dem Kern des Gegenstandes erreicht. 'Dabei bilden sich komplexe Reihen von Verbindungen, die die Ursache der besonders hohen Korrosionsbeständigkeit in der Wärme sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere angewandt auf Sonderlegierungen, vorzugsweise Nickel- und Kobaltlegierungen. Erfindungsgemäß wird vor der eigentlichen AXitierung auf den Gegenstand eine dünne Nickelschicht aufgebracht. Anschließend erfolgt die übliche . Alitierung. Die Zwischenschicht aus Nickel wirkt als Sperrschicht gegen die Eindringung des Aluminiums in den Kern des Metallgegenstandes und bewirkt daher die Aufrechterhaltung der gewünschte^ Aluminiumkonzentration in der Einsatζschicht. Häufig kann . | die Einsatζschicht in form des diffundierten Aluminiums innerhalb des Grundwerkstoffs seine hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei hoher Temperatur und in Gegenwart von stark

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_ 3 — korrosiven Gasen aufrechterhalten.

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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorerst eine Nickelschicht mit einer Stärke von zumindest 2,5/U^ vorzugsweise zwischen 2,5 und 25yu«nauf dem Gegenstand erzeugt.

Die Abscheidung der Nickelschicht entsprechender Dicke erfolgt durch übliches Elektroplattieren (ASM-Kommittee on Nickel Plating, Metals Handbook, Band II, S. 432 bis 443). Man kann jedoch auch auf andere Weise den Nickelüberzug erzeugen (Metals Handbook, S. 443 bis 445).

Das Einsatzmaterial für die . Alitierungsstufe soll Aluminium geringer Korngröße in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% in einem feinteiligen Füllstoff, vorzugsweise Aluminiumoxid, enthalten. Es ist zwar nicht wesentlich, jedoch kann man ein Energie-lieferndes Mittel, wie Aluminiumchlorid oder -fluorid, in einem Mengenanteil von 0,01 bis 5 Gew.-% des Einsatzmaterials anwenden. Während der .Alitierung herrscht Wasserstoffatmosphäre oder eine andere inerte Atmosphäre. Die Temperatur liegt zwischen 980 und 1100⁰C. Die Einsatzschicht mit eindiffundiertem Aluminium soll eine Stärke von · etwa 25 bis 125 /U^ vorzugsweise 38 bis 76 /U«erreichen. Dazu benötigt man im allgemeinen eine Zeit von etwa 9 bis 10 h.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet zur Anwendung auf Gegenständen folgender Zusammensetzung: Legierung A: 70 Gew.-% Ni
12 Gew.-% Cr

5 Gew.-% W

5 Gew.-% Al

3,5 Gew.-% Mq

2,5 Gew.-% Ti, Nb, Ta

Rest Fe, C₁-Mn, Si

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Legierung B:	60	Gew.-% Co	Gew.-% C
	20	Gew.-% Cr	Gew.-% Mn
	.10	Gew.-% W	Gew.-% Si
	2,0	Gew.-% Nb	Gew.-% Cr
	"1,0	Gew.-% Ni	Gew.-% Co
	Rest Pe, C, Mn, Si	Gew.-% Mo
Legierung C:	0,08	Gew.-% Ti
	0,75	Gew.-% Al
	0,75	Gew.-% Fe
	19,0	■> Ni
	19,5	Gew.-% C
	4,0	Gew.-% Mn
	2,9	Gew.-% Si
	2,9	Gew.-% Cr
	4,0	Gew.-% Mo
	Rest	Gew.-% Ti
Legierung D:	0,12	Gew.-% Al
	0,15	Gew.-% Fe
	0,4	Gew.-% Cb
	13,0	Ni
	4,5
	0,6
	6,0
	1,0
	2,25
	Rest

Beispiele für die Elektrolyten zur Abscheidung der erfindungsgemäßen Nickelschicht und deren Arbeitsbedingungen sind in den folgenden Beispielen 1 bis 5 angeführt.

— 5 —

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Beispiel

Nickelsulfat, NiSO₄ Nickelchlorid, NiCl₂ Gesamt-Ni Borsäure, H₂BO-, Zusätze (Antipitting)

30 bis 4 bis 8 (a) 7»? bis 14,2 4 bis 6

Dieser Elektrolyt besitzt einen pH-Wert zwischen 1,5 und 5_r2 '

und wird bei einer Arbeitstemperatur zwischen 45 und 71⁰G

(115 bis 160°F) und einer Stromdichte zwischen 1 und 10 A/dm (10 bis 100 A/sq.ft.) betrieben.

Beispiel

Nickelchlorid, NiCl₂.6H₃O Nickelsulfamat, Ni(SO₃NH₂)₂ Gesamt-Ni
Borsäure, H₂BO₂

bis 4 35 Ms 60 8,2 bis 15 4 bis 6

Dieser Elektrolyt hat einen pH-Wert zwischen 3 und 5 und soll bei einer Temperatur zwischen 38 und 60⁰C (100 bis und einer Stromdichte zwischen 2,5 und 30 A/dm (25 bis 300 A/sq.ft.) betrieben werden.

Beispiel

Ms 2 30 bis 40 7,6 bis 10,5 2 bis 4

Dieser Elektrolyt besitzt einen pH-Wert zwischen 2,5 und 4 und wird bei einer Temperatur zwischen 38 und 71⁰C und einer

Nickelchlorid, Nickelfluoborat, Ni(BF₄)₂ Gesamt-Ni
Borsäure, H

2'

■ 2 Stromdichte zwischen 2,5 und 30 A/dm betrieben·

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Die beiden folgenden Beispiele bringen Bäder für die elektrochemische Nickelabscheidung.

Beispiel 4-

600 g/l Nickelchlorid (NiCl₂.6H₂O) und 30 g/l Borsäure (H₅BO₅),

Dieses Bad hatte einen pH-Wert zwischen 3»5 und 4,5 und wurde bei einer Temperatur von 71°0 betrieben.

Beispiel 5

Ein Bad mit einem pH-Wert zwischen 4- und 6 wurde bei einer Temperatur zwischen 88 und 98⁰C für eine ungefähre Abscheidungsgeschwindigkeit von etwa 12,5 /Um-h herangezogen. Das Bad enthielt:

Nickelchlorid 30

Nickelsulfat —

Natriumhypophosphit 10

Natriumacetat —

Natriumhydroxyacetat ' 50

Natriumsuccinat —

Milchsäure (80 %) ~

Propionsäure (100 %) —

Für die zweite Verfahrensstufe, nämlich das .Alitieren selbst kann man ein Einsatzmaterial, enthaltend 5 &6 Aluminiumpulver auf 100 kg Tonerdepulver oder 7 kg Aluminiumpulver, 100 kg Tonerdepulver mit 0,2 kg Ammoniumchlorid anwenden.

Bei der Elektroplattierung mit Elektrolyten nach den Beispielen 1 bis 3 wird der Gegenstand als Kathode geschaltet und solange elektrolysiert, bis eine Schichtstärke von 2,5 bis 25/um(0,1 bis 1 mil ) erreicht ist. Bann wird der Gegenstand herausgenommen aus dem Elektrolyt und mit Wasser abge-

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waschen.

Bei der elektrochemischen Abscheidung mit Badern der Beispiele 4 und 5 erreicht man nur dünnere Nickelschichten und zwar zwischen 2,5 und 25/tfⁿbei dauernder Bewegung der Gegenstände im Bad.

Für die .Alitierung der Gegenstände aus der Kobaltlegierung B wird eine Diffusionszeit von 10 h "bei 1065°C in Wasserst off atmosphäre, gepackt in ein der oben erwähnten Einsatzmaterialien, benötigt. Unter den gleichen Bedingungen war bei den Nickellegierungen A, C und_ D.. eine Schicht stärke von 38 bis 76yumbereits nach 9 h erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf andere Sonderlegierungen auf der Basis von Nickel und Kobalt anwenden, bei denen es zu einer Zerstörung bei hoher Temperatur in Gegenwart von korrosiven Gasen infolge von Rotbrüchigkeit oder anderen Erscheinungen durch den Schwefel der Atmosphäre kommt.

Unter dem Begriff "Pulver" oder "feinteilig" im Zusammenhang mit den Bestandteilen des Einsatzmaterials wird ein Aluminiumpulver von vorzugsweise unter 5 /Umverstanden. Das bedeutet, daß die Korngröße unter 100/um,vorzugsweise zwischen 5 und den Füllstoff oder die Tonerde in dem Einsatzmaterial liegt.

PATENTANSPRÜCHE :

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zum Alitieren von Gegenständen aus Nickel

oder Kobalt oder deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß vor· dem Eindiffundieren des Aluminiums auf die Gegenstände eine Nickelschicht, insbesondere mit einer Stärke von zumindest 2,5/um, insbesondere bis 25/um, aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht durch Elektroplattieren oder elektrochemische Abscheidung aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man die Alitierung bei einer Temperatur zwischen 980 und 1100 G in nicht oxidierender Atmosphäre durchführt und eine Einsatzschicht zwischen 25 und 125/um, insbesondere 38 bis ?6/um erzeugt.

k. Verfahren nach Anspruch 3t dadurch g e k e η η τ zeichnet, daß man als Einsatzmaterial ein Pulvergemisch, enthaltend 0,1 bis 10 Gew.-^ Aluminium in einem Füllstoff, insbesondere Aluminiumoxid, gegebenenfalls in Gegenwart eines energieliefernden Mittels anwendet.

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