DE2744189C2

DE2744189C2 - Eisenmetallteile mit verbesserten Verschleißeigenschaften und Verwendung derselben für Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2744189C2
Application number: DE2744189A
Authority: DE
Inventors: Frederick T. Rosemere Quebec Jaeger
Original assignee: Eutectic Corp
Current assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1986-02-06
Also published as: DE2744189A1; FI772583A7; CA1091997A; BR7706386A; AU2785877A; FR2366126A1; PT67098A; ES462749A1; SE7710889L; NL7710620A; US4075392A; GB1549960A; IT1089464B; FR2366126B1; JPS5343634A; ZA775156B; BE858436A; JPS6054389B2; PT67098B

Description

Die Erfindung betrifft Eisenmetalltelle mit einer thermischen, bei Raumtemperatur gemessenen Leitfähigkeit bezüglich Silber von mindestens 25,104 W/m ■ K, wenn die Leitfähigkeit des Silbers mit 418,4 W/m · K angesetzt wird, die zur Verbesserung Ihrer Verschlelßelgenschaften eine 0,0127 bis 0,3810 cm starke schützende Schicht aus einer selbstgehenden warme- und korroslonsresistenten Legierung auf Basis eines Metalls der Elsengruppe, die bis zu 30 Gew.-« W, Mo und/oder Cr sowie gegebenenfalls 0,1 bis 6 Gew.-% Si und gegebenenfalls bis zu 80 Gew.-« primäre Carbide des Tl, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung derartiger Eisenmetalltelle für Wärmeaustauscher.

Bauteile und Konstruktionselemente industrieller Anlagen und Vorrichtungen, die wahrend Ihres Betriebes der Einwirkung von Warme ausgesetzt sind und bei denen die Gefahr von Korrosionen und/oder Erosionen besieht, und die einem normalen Verschleiß unterliegen, wie beispielsweise Teile von Wärmeaustauschern, erfordern Im allgemeinen eine standige Wartung und Pflege, damit sie betriebsbereit bleiben. Derartige Konstruktionselemente und Bauteile werden im allgemeinen aus eisenhaltigen Metallen hergestellt, z. B. welchen Stählen und gering legierten Stählen, Gußeisen, Schmiedeeisen und dergleichen. Die Konstruktlonselemente und Bauteile können dabei die verschiedensten Formen aufweisen und beispielsweise aus Abzügen und Abzugshauben von Konvertern, Wanden, Prell- und Leitblechen, Geblaseteilen und Ventllatorflügeln sowie Auskleidungen von Erz-Sinteröfen, Überhitzer- und Vorwärmerrohren von Heizkesseln von Kraftanlagen sowie aus Eisenmetallteilen von Verbrennungsofen, z. B. Müllverbrennungsofen und dergleichen bestehen.

Bisher war es üblich, verbrauchte oder korrodierte oder erodierte Teile durch neue Teile zu ersetzen, wobei man bisher die Zeitspanne in Kauf nahm, die erforderlich war, um das betreffende Metallteil auszuwechseln, wodurch sich selbstverständlich die Wartungskosten erhöhten. In jüngster Zeit haben sich jedoch die Kosten, die für das Auswechseln einzelner Teile von Vorrichtungen und Anlagen aufzuwenden sind, standig erhöht, und zwar auf Grund ständig steigender Herstellungs- und Lohnkosten.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die einem Verschleiß unterliegenden Teile und die verschlissenen oder korrodierten oder erodierten Teile mit einer erosions-, korroslons-, hitze- und oxidationsbeständigen Legierung zu beschichten. Insbesondere durch Aufsprühen einer entsprechenden Legierung auf die Oberfläche des zu schützenden Metallteiles und Aufschmelzen oder Zusammenschmelzen der aufgebrachten Beschlchtungsmasse.

Aus der DE-OS 26 13 588 Ist es z. B. bekannt, die Lebensdauer von Leitungsrohren von z. B. Heizkesseln dadurch zu verlängern, daß man auf die Leitungsrohre einen Überzug aus einem Material auftragt, das besteht aus a) zu 10 bis 70 Gew.-« aus einem hitzebeständigen Carbid des Wolframs, Slllciums, Vanadiums, Titans, Bors, Chroms oder Molybdäns, einem hitzebeständigen Borld des Chroms, Wolframs, Molybdäns, Tantals oder Vanadins, einem hitzebeständigen SIlIcId des Bors, Molybdäns oder Columblums oder einem hitzebeständigen Nitrid des Slllciums, Bors oder Titans, das b) In 90 bis 30 Gew.-96 einer Matrix bestehend aus einer Legierung auf Nickel-, Nickel-Kupfer-, Elsen- oder Kobaltbasis, die 0,5 bis 6 Gew.-% Silicium und/oder 0,5 bis 5,0 Gew.-* Bor enthält, disperglert ist, und daß man den Überzug auf den Leitungsrohren unter Ausbildung einer Schutzschicht zusammenschmilzt.

Obgleich die bekannt gewordenen Verfahren zu einem gewissen Schutz der zu schützenden Teile führen, hat sich doch gezeigt, daß die bisher bekannten Beschichtungen noch nicht allen Anforderungen, die an eine Schützende Metallschicht zu stellen sind, genügen. Beispielsweise zeigen Elsenmetallsubstratc, beispielsweise Gußelsen, Weichelsen, Schmiedeeisen, niedrig legierte Stähle und dergleichen eine gute thermische Leitfähigkeit für derartige Materialien von über 41,84 W/m ■ K, beispielsweise von bis zu 83,64 W/m · K (Im Falle von Schmiedeeisen), was in vielen Fällen wichtig ist, wenn sich das Metallteil In Kontakt mit einem Wärmelieferant oder einer Wärmequelle befindet, beispielsweise Im Falle eines Wärmeaustauschers.

Wird beispielsweise auf die Oberfläche eines Eisenmetallsubstrates, beispielsweise auf die Oberfläche eines Gußeisenteiles eine Deckschicht aus rostfreiem Stahl aufgebracht, z. B. Stahl vom Typ 410, beispielsweise durch Aufsprühen, so wird das Gußeisenteil keineswegs wirksam geschützt und die Schutzschicht weist keineswegs die gewünschten Eigenschaften auf. So hat die aufgetragene Schicht zunächst einen nachteiligen Einfluß auf die thermische Leitfähigkeit, die beispielsweise. Im Falle von Wärmeaustauscheroberflächen von großer Bedeutung ist. Die Wärmeleitfähigkeit der aufgebrachten Schicht Hegt nämlich unter 25,104 W/m ■ K, obgleich die Wärmelettfähigkeit von Gußeisen bei über 41,84 W/m · K liegt. Während wärmewiderstandsfähige Legierungen auf Nickelbasis vorteilhafte Beschichtungsmassen sind, weisen die meisten wärmereslstenteii Nickellegierungen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf.

Beispielsweise weist eine Im Handel erhältliche Legierung Inconel mit 13 bis 15« Cr, 6 bis 896 Fe und zum ■ <> Rest Nickel «Ine thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von etwa 14,64 W/m · K auf, die beträchtlich unter der Wärmeleitfähigkeit von Gußelsen und niedrig legierten Stählen liegt. Eine Legierung auf Nickelbasis mit 60% Nl, 24% Fe und 16% Cr weist eine thermische Leitfähigkeit von etwa 13,39 W/m · K auf, die ebenfalls sehr gering Ist. Eine Legierung auf Kobaltbasis mit 25 bis 3096 Cr, 1,5 bis 3,5% Nl, 4,5 bis 6,5% Mo, maximal 2% Fe, 0,2 bis 0,3596 C und zum Rest Kobalt weist eine thermische Leitfähigkeit bei 200⁰C von etwa 14,64 :· W/m ■ K auf. Eins Legierung mit 20 bis 22,596 Cr, 19 bis 2196 Ni, 2,5 bis 3,5% Mo, 2 bis 3% W, 18,5 bis 21% Co, 0,75 bis 1,25% Nb+ Ta, 0,1 bis 0,2% N, maximal 0,2% C und zum Rest Eisen hat eine thermische Leitfähigkeit bei 200° C von etwa 14,64 W/m · K.

Andererseits zeigt praktisch reines Nickel eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 92,05 W/m · K. Wird jedoch Chrom, beispielsweise in einer Menge von 15 oder 20% als gelöster Stoff der Nickelmetallmatrix zugesetzt, so -" fällt die thermische Leitfähigkeit des Nickels drastisch auf einen Wert von unterhalb 20,92 W/m . K beispielsweise von 12,55 bis 16,75 W/m · K. Beispielsweise weist eine Legierung mit 80% Nl und 2096 Cr eine thermische Leitfähigkeit bei 100° C von 13,39 W/m - K auf. Reines Kobalt hat eine Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von etwa 69,0 W/m · K Wird jedoch Chrom als gelöstes Metall zugesetzt, beispielsweise In Mengen von über 10%, so wird die thermische Leitfähigkeit drastisch reduziert.

Wird somit eine wärme- und oxldatlonsreslstente Schicht aus einer Legierung mit niedriger Leitfähigkeit auf ein Eisenmetallsubstrat mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 25,10 W/m ■ K aufgebracht, so wird die thermische Leitfähigkeit des beschichteten Materials durch die aufgebrachte Schicht nachteilig verändert.

Aufgabe der Erfindung ist es, Eisenmetallteile anzugeben, die zur Verbesserung ihrer Verschleißeigenschaften eine besonders wirksame schützende Schicht aufweisen. ⁱ⁽¹

Es wurde gefunden, daß sich die gestellte Aufgabe dadurch lösen läßt, daß man auf den Eisenmetallteilen eine 0,0127 bis 0,3810 cm starke schützende Schicht aus einer selbstgehenden wärme- und korroslonsreslstenten Legierung ganz bestimmter Zusammensetzung erzeugt.

Gegenstand der Erfindung sind demzufolge Eisenmetaliteile, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet sind und deren Verwendung für Wärmeaustauscher. i>

Erfindungsgemäß werden somit auf Eisenmetallsubstrate mit einer thermischen Leitfähigkeit, bei Raumtemperatur gemessen, von mindestens 25,104 W/m · K metallurgisch gebundene wärme-, korroslons-, erosions- und oxldationsreslstente Legierungen auf Basis von Metallen der Elsengruppe aufgebracht, die durch eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 20,92 W/m · K gekennzeichnet sind.

Die Zeichnung dient zur näheren Erläuterung der Erfindung. Im einzelnen sind dargestellt In ■'-< >

Flg. 1 ein Bruchstück eines beschichteten Eisenmetallteiles im Schnitt, z. B. ein Bruchstück eines Wärmeaustauscherelementes aus Gußeisen mit einer hierauf aufgebrachten Schicht aus einer Nickellegierung, die mit dem Substrat eine metallurgische Bindung eingegangen 1st, wobei die aufgebrachte Legierungsschicht eine thermische Leitfähigkeit von mindestens etwa 25,104 W/m · K aufweist;

Flg. 2 ein Schnitt durch einen weiteren Abschnitt eines Wärmeaustauscherelementes aus einem niedrig ·»?· legierten Stahl mit einer hierauf aufgebrachten Schicht aus einer Legierung auf Kobaltbasis, die metallurgisch mit dem Stahlsubstrat verbunden ist, wobei die Schicht aus der Kobaltlegierung eine thermische Leitfähigkeit von mindestens etwa 25,104 W/m · K aufweist;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Abschnitt eines beschichteten Metallsubstrates, ähnlich wie In Flg. 2 dargestellt, mit der Ausnahme jedoch, daß das Metallsubstrat in diesem Falle aus Gußelsen besteht und die aufge- "-¹ brachte Schicht eine Schicht aus einer Nickellegierung 1st und

Flg. 4 einen Schnitt durch einen Abschnitt eines beschichteten Teiles aus einem Kohlenstoffstahl, der mit einer Legierung auf Elsenbasis beschichtet ist, die metallurgisch auf das Phthalsubstrat gebunden ist.

Durch eine sorgfältige Steuerung des Verhältnisses zwischen den gelösten Metallen Wolfram, Molybdän und Chrom, Insbesondere Chrom einerseits sowie dem In dem Legierungsmetall vorhandenen Bor und Chrom wird <> der Anteil an gelöstem Metall, d. h. der Anteil an Metall, der eine Lösung mit dem Lösungsmetall Elsen, Nickel, Kobalt bzw. Kupfer bildet, unter dem Anteil gehalten, der die thermische Leitfähigkeit des Lösungsmetalles, beispielsweise Nickel, nachteilig beeinflußt.

Beispielsweise weist eine Legierung von 15% Cr, 7% Fe und zum Rest Nickel eine vergleichsweise geringe thermische Leitfähigkeit von etwa 14,64 W/m · K auf, im Hinblick auf das Vorhandensein von Cr und Fe. '·'> Durch Verminderung der Menge an In der Nickelmatrix gelöstem Cr durch Überführung eines wesentlichen Anteiles des Chroms In ein Carbid oder Borld, so daß es keine feste Lösung mit dem Nickel mehr bildet, wird die thermische Leitfähigkeit der Legierung erhöht, mindestens auf 20 92 W/m · K und darüber, wodurch eine Metallschicht erzeugt wird, die durch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Erosionen, Korrosion, Verschleiß und Oxidation gekennzeichnet Ist. ^M

Besteht die Legierung beispielsweise aus einer Legierung auf Nickelbasis mit 20% Cr und 80% Nl, so führt der Zusatz von etwa 3% C und 2% B zu einem Verbrauch eines beträchtlichen Anteiles des Chroms unter Bildung des Carbides Cr₁C₂ und des Borides CrB, wobei sich das Chrom der Verbindungen Im Gleichgewicht mit dem

restlichen Chrom, das In der Nickelmatrix gelost ist, befindet, auf Grund des Massenwirkungsgesetzes.

Das, was bezüglich Chrom ausgeführt wurde, gilt auch für die gelösten Metalle Wolfram und Molybdän.

In vorteilhafter Welse läßt sich somit erflndungsgemaß ein Eisenmetallsubstrat, das eine Wärmeleitfähigkeit bezüglich Silber, die mit 418,4 W/m ■ K angenommen wird, von mindestens 25,104 W/m ■ K mit einer Schutzschicht aus einer selbstgehenden warme- und korroslonsresistenten Metall-Legierung aus einem Metall der Eisengruppe beschichteten, die eine Starke von etwa 0,0127 bis 0,38 cm, Insbesondere 0,0254 bis 0.203 cm aufweist.

Das Legierungsmetall der Eisengruppe enthalt 0 bis Insgesamt 30 Gew.-%, beispielsweise 1 bis 30 Gew.-% mindestens eines ein Borid und Carbid bildenden Metalles bestehend aus Wolfram, Molybdän und Chrom (vorzugsweise mindestens etwa insgesamt 5 Gew.-%). des weiteren enthalt die Legierung bis zu etwa 3<v, C, 0,5 bis 5% B und vorzugsweise 0,1 bis 6% Si. Der Rest der Legierung besteht aus Elsen, Nickel und Kobalt oder Kupfer.

Die Konzentration an Kohlenstoff und Bor In der Legierung wird derart bemessen, daß sich ein wesentlich« Anteil des Metalles Wolfram, Molybdän und/oder Chrom mit dem Kohlenstoff und/oder Bor umsetzt, so daß die Legierungsschicht durch eine thermische Leitfähigkeit gekennzeichnet ist, die bei Raumtemperatur, relativ gegenüber Silber, dessen Leitfähigkeit mit 418,4 W/m ■ K angesetzt wird, eine Leitfähigkeit von mindestens 20,92 W/m ■ K aufweist.

Beispiele für Legierungen, die erflndungsgemaß verwendet werden, sind in den folgenden Tabellen 1, 2 und 3 aufgeführt.

Tabelle 1 Legierungen auf Nickel-Basis (Gew.-%)

Nr.	Si	B	C	Cr	Si	B	C	Cr	Mo	W	Ni
1	1,5	U	_	5	1	1	2	15	3	_	Rest
2	-	2	2	15	-	2	3	-	-	-	Rest
3	2	1	1	-	2	2	-	18	10	5	Rest
4	2,5	1,5	-	20	1	2	2	10	-	-	Rest
5	1	1	3	-	1,5	3	1	_	5	15	Rest
6	2	2	2	10	-	10	Rest
7	1	4	-	18	-	-	Rest
Tabelle 2
Legierungen auf Kobalt-Basis	(Gew.-%)
Nr.	Mo	W	Co
8	_—	_	Rest
9	-	15	Rest
10	-	-	Rest
11	5	5	Rest
12	10	8	Rest

13 3 2 0,5 12 5 Rest

Tabelle 3 Legierungen auf Eisen-Basis (Gew.-%)

Nr.	Si	B	C	Cr	Mo	W	Fe
14	1	1	2	15	_		Rest
15	3	2	-	10	5	-	Rest
16	2	2	1	-	15	5	Rest
17	1	3	1	10	-	10	Rest
18	2	2	1	20	5	-	Rest
19	0,5	2,5	-	-	5	10	Rest
20	1.5	1.5	2	10	_	10	Rest

Eine selbstgehende Legierung auf Basis eines Eisenmetalles enthalt somit In vorteilhafter Welse 0,1 bis 6% Si, 0,5 bis 5% B und bis zu 3% Kohlenstoff, während der Rest aus Elsen, Nickel oder Kobalt besteht. Im Falle von Legierungen auf Elsenbasis können auch Nickel und/oder Kobalt Legierungsbestandteile bilden, solange deren Konzentrationen die thermische Leitfähigkeit der Elsenllegerung nicht unter 20,92 W/m · K herabdrücken. In entsprechender Welse kann beispielsweise eine Legierung auf Nickelbasis auch Eisen und/oder Nickel enthalten. Schließlich kann auch eine Legierung auf Kobaltbasis Nickel und Elsen enthalten, wobei jeweils gilt, daß die thermische Leitfähigkeit der Legierung nicht unter 20,92 W/m ■ K herabgedrückt we-den soll.

Die in Tabelle 1 aufgeführte Legierung Nr. 2 enthält beispielsweise 2% B, 2% C und 15% Cr. Da Chrom Boride und Carbide bildet, wird ein vergleichweise beträchtlicher Anteil an dem gelösten Metallchrom aus der Lösung mit der Nickelmatrix entfernt, nachdem die Schicht auf das Elsenmetallsubstrat aufgebracht und aufgeschmolzen wurde. Auf Grund des Massenwirkungsgesetzes erfolgt eine Rückverteilung des Chroms zwischen der Matrix und dem Borid- und/oder Carbldreaktlonsprodukt, wobei die Masse des Chroms in der Nickelmatrix auf wesentlich unterhalb 10 Gew.-% vermindert wird, z. B. auf 5% oder darunter, wodurch die thermische Leitfähigkeit der Legierungsschicht bezüglich des Elsenmetallsubstrates verbessert wird.

Die Konzentration an Bor und/oder Kohlenstoff in der Legierung wird derart bemessen·, daß etwa 70% oder mehr des gelösten Metalles In Form von Verbindungen gebunden werden, so daß dieser Metallanteil keine feste Lösung mit der Matrixlegierung mehr eingehen kann. In vorteilhafter Welse liegt die Konzentration an gelöstem Metall in der Matrix bei beträchtlich unter 10%.

Bestimmte Metallcarbide und Metallboride weisen gute thermische Leitfähigkelten von mindestens 20,92 W/m · K auf. So läßt sich in einigen Fällen ein zweifacher Effekt erzielen, nämlich: 1. eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit der Matrixlegierung und 2. die Bildung einer Metallverbindung, d. h. einer Verbindung von Chrom, Wolfram oder Molybdän, die selbst eine vorteilhafte thermische Leitfähigkeit aufweist.

Eine besonders vorteilhafte Legierung auf Kupferbasis 1st beispielsweise eine solche ohne Zink, beispielsweise der aus der folgenden Tabelle ersichtlichen Zusammensetzung:

Tabelle 4

Legierungen auf Kupfer-Basis

Kcmponente	Breiter Bereich	Besonders vorteil
	(Gew.-%)	hafter Bereich
Nickel	10,0-40,0	15,0 -25,0
Silizium	1,0- 5,0	2,0 - 4,0
Bor	0,1- 2,5	0,25- 1,0
Mangan	0,2- 2,0	0,2 - 1,0
Kupfer	Rest	Rest

In vorteilhafter Weise weist eine Matrixlegierung auf Kupfer-Basis beispielsweise folgende Zusammensetzung auf:

Tabelle 5

Komponente

Gew.-%

Nickel

Silizium

Bor

Mangan

Kupfer

23,00
3,45
0,47
0,75

Rest

Eine andere vorteilhafte Legierung auf Kupferbasis ist beispielsweise eine solche mit 1,5 Gew.-% Ni, 0,3 Gew.-% Cr, 0,1 Gew.-9t, Si, 0,1 Gew.-% B, 0,3 Gew.-« P, 0,02 Gew.-% C, 7,7 Gew.-% Sn und zum Rest Kupfer.

Bei der Erzeugung einer metallurgisch gebundenen Legierungsschicht auf einem Elsenmetallsubstrat, beispielsweise einem Wärmeaustauschelement, wird das Substrat zunächst in üblicher bekannter Weise gereinigt. Danach kann die Substratoberfläche in vorteilhafter Weise weiter vorbereitet werden, beispielsweise durch Bestrahlung mit reinigenden oder schleifenden Teilchen mittels eines Gebläses, beispielsweise durch Aufblasen von Teilchen eines Teilchendurchmessers von über 0,71 mm, beispielsweise aus abgeschrecktem Gußelsen.

In vorteilhafter Weise besitzen die zur Herstellung der Überzüge verwendeten Legierungen eine solche Zusammensetzung, daß Schmelzpunkte von bis zu etwa 1371°C, In vorteilhafter Weise beispielsweise von 983 bis 1233° C erreicht werden. Die Schmelzpunkte lassen sich dabei in vorteilhafter Weise durch die Konzentration an Silizium und Bor steuern.

Die Schichten lassen sich in vorteilhafter Weise durch Flammensprühbeschichtung von Legierungspulvern (z. B. atomisiertem Pulver) auf die Eisenmetalloberfläche aufbringen. Die Pulverteilchen können dabei In vorteilhafter Weise eine Teilchengröße von < 125 μπι bis 40 μπι aufweisen.

Zum Aufbringen der pulverförmigen Beschlchtungsmasse auf die Eisenmetalloberfläche, z. B. Stahloberflächen, lassen sich beispielsweise Flammensprühvorrlchtungen verwenden, wie sie aus den US-PS 32 26 028, 32 62 644 und 32 73 800 bekannt sind. Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Erzeugung der Schutzschichten besteht aus einer die Schwerkraft ausnutzenden Sprühvorrichtung des aus der US-PS 36 20 454 bekannten ' Typs. Eine weitere vorteilhafte Sprühvorrichtung 1st beispielsweise aus der US-PS 39 86 668 bekannt.

Die Sprühvorrichtung aus der zuletzt genannten Patentschrift eignet sich In besonders vorteilhafter Welse dann, wenn das Legierungspulver zunächst auf das Eisenmetallsubstrat gesprüht wird, worauf ein Zusammenschmelzen oder eine Fusion erfolgt. Die SprUhvorrlchtuagen, die in den ersten drei Patentschriften beschrieben werden, lassen sich In vorteilhafter Weise dann verwenden, wenn ein gleichzeitiges Aufsprühen und Zusam-

<" menschmelzen erfolgen soll. In vorteilhafter Welse kann das Metallsubstrat vorerhitzt werden.

In vorteilhafter Weise kann die Legierungsbeschlchtung somit nach dem Flammensprühverfahren auf eine vorerhitzte Metalloberfläche aufgebracht werden, worauf die aufgetragene Schicht der Einwirkung einer Flamme eines Sauerstoff-Acetylenbrenners ausgesetzt wird worauf die aufgebrachte Schicht auf die Oberfläche, z. B. ein roher oder Rohrteil, aufgeschmolzen wird.

>> Versuche mit etwa 0,0254 cm dicken Schichten zeigten eine beträchtlich verbesserte Lebensdauer gegenüber ungeschützten Substraten. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht somit eine beträchtliche Kostenersparnis. Es hat sich gezeigt, daß vorteilhafte Ergebnisse dann erhalten werden, wenn die Schichtstärke der auf die Metalloberfläche aufgetragenen Schichten bei etwa 0,01270 bis 0,38 cm, beispielsweise 0,0254 bis 0,2032 cm, Insbesondere bei etwa 0,0254 bis 0,1270 cm liegt.

2« Im Falle der Fig. 1 besteht die Legierung auf Nickelbasis aus einer Legierung mit etwa 1 Gew.-« Sl, 2 Gew.-« B, 1 Gew.-« C, 15 Gew-% Cr und zum Rest aus Nickel. Das Eisenmetallsubstrat besteht aus einem

Wärmeaustauscherelement aus Gußelsen mit 1,5 Gew.-« Si, 0,57 Gew.-« Mn, 3,16 Gew.-« Gesamtkohlenstoff

und zum Rest aus Elsen. Das Eisenmetallsubstrat hatte eine thermische Leitfähigkeit von 46,03 W/m ■ K.

Die Oberfläche des Elementes wurde In üblicher bekannter Weise gereinigt, worauf die Oberfläche durch

■■' Gebläsebestrahlung mit Gußeisenteilchen welter gereinigt wurde. Daraufhin wurden die Legierungsteilchen auf die Oberfläche aufgesprüht und aufgeschmolzen, indem eine Brennerflamme auf die aufgetragene Schicht gerichtet wurde. Auf diese Weise wurde eine 0,063 cm dicke Schicht erzeugt. Während des Aufschmelzens und während des Abkühlens bildeten sich Chromverbindungen, d. h. Carbide und Boride, so daß etwa 70% oder mehr des Chroms daran gehindert wurden, In Lösung zu gehen, d. h. mit dem Matrixmetall eine Losung zu

."' bilden. Auf diese Welse wurde eine Deckschicht mit einer thermischen Leitfähigkeit von über 20,92 W/m ■ K erhalten.

Das schematisch in Fig. 2 dargestellte Wärmeaustauschelement besteht aus einem niedrig legierten Stahlsubstrat, das mit einer Legierung auf Kobaltbasis beschichtet wurde, mit 1 Gew-% Sl, 2 Gew.-% B, 3 Gew.-¹V, C, 25 Gew.-« Cr, 3 Gew.-« Ni, 4,5 Gew.-« W, 3 Gew.-« Mo und zum Rest aus Kobalt. Das niedrig legierte Stahlsub strat enthielt 0,34 Gew.-« C, 0,55 Gew.-« Mn, 0,78 Gew.-« Cr, 3,53 Gew.-* Nl, 0,39 Gew.-« Mo, 0,05 Gew.-« Cu, während der Rest aus Elsen bestand. Der Stahl hatte eine thermische Leitfähigkeit von 33,05 W/m - K.

Das Wärmeaustauscherteil wurde wiederum gereinigt, worauf die Legierung auf das Metallteil aufgesprüht und aufgeschmolzen wurde. Indem ein Brenner auf die aufgebrachte Schicht gerichtet wurde unter Erzeugung einer hochdichten aufgeschmolzenen Schicht. Die auf diese Welse erzeugte Schicht ist gekennzeichnet durch

"i eine Kobaltlegierungsmatrix, in der Boride und Carbide dispergiert sind, wobei der Anteil an Chrom in Lösung beträchtlich unter 10 Gew.-« Hegt, unter Erzielung einer optimalen thermischen Leitfähigkeit von mindestens 20,92 W/m · K.

Im Falle der Flg. 3 besteht das Substrat aus einem Schmiedeelsensubstrat, während die aufgebrachte Schicht eine Schicht auf Basis einer Nickellegierung ist. Das Substrat weist eine thermische Leitfähigkeit von 83,68 W/m ■ K auf. Die Legierung auf Nickelbasis enthielt 3 Gew.-« Sl, 2 Gew.-« B, 5 Gew.-« Cr und 5 Gew.-« Mo. Der Rest bestand Im wesentlichen aus Nickel. Die Legierung wurde wie Im Falle des In Flg. 2 dargestellten Materials aufgebracht. Die aufgebrachte Schicht hatte die erwünschte thermische Leitfähigkeit auf

Grund der Bildung von Borlden der Metalle Chrom und Molybdän. Im Falle der Fig. 4 bestand das Elsenmetallsubstrat aus einem Teil aus Kohlenstoffstahl mit 1,22 Gew.-« C,

5" 0,35 Gew.-« Mn und Rest Eisen mit einer thermischen Leitfähigkeit von 51,88 W/m K. Die aufgebrachte Legierung auf Elsenbasis enthielt etwa 3 Gew.-« Sl, 2 Gew.-« B, 10 Gew.-« Cr und 5 Gew.-« Mo und Rest im wesentlichen Eisen. Die Schicht wurde, wie im Zusammenhang mit der Fig. i beschrieben, aufgebracht. Beispiele für weitere vorteilhafte Legierungen zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung sind:

(1) Legierung mit 0,7 Gew.-« C, 15 Gew.-« Cr, 4,3 Gew.-« SI, 3,7 Gew.-« Fe, 3,4 Gew.-« B, Rest Nickel;

(2) Legierung mit 0,4 Gew.-« C, 2 Gew.-« B, 4 Gew.-« Sl, 3,5 Gew.-« Fe, 11 Gew.-« Cr, Rest Nickel und

(3) Legierung mit 1,5 Gew.-« Ni, 0,3 Gew.-« Cr, 0,1 Gew.-« Si, 0,1 Gew.-« B, 0,3 Gew.-« P, 0,02 Gew.-« C und 7,7 Gew.-« Sn Rest Kupfer.

'*> Wie bereits dargelegt, werden als Folge des Zusammenschmelzens Carbide und Boride »in situ« in der Matrix der Legierungsschichten erzeugt, durch welche die thermische Leitfähigkeit des Matrlxmetalles der Schichten verbessert wird. Derartige Carbide und Boride, die sich durch Reaktion in der Schicht bilden, lassen sich als sekundäre Carbide und Boride bezeichnen.

Es ist jedoch auch möglich, um die Verschleißeigenschaften und Widerstandsfähigkeit der Leglerungsschlch- <*■ ten weiter zu verbessern, den Legierungspulvern vor dem Aufsprühen auf eine Eisenmetallunterlage sogenannte primäre Carbide zuzusetzen.

Zu derartigen primären Carbiden gehören beispielsweise Carbide von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W. Das Legierungspulver kann mit bis zu etwa 80 Gew.-« derartiger primärer Carbide vermischt werden, belsplels-

weise mit 5 bis 70 Gew.-% primärer Carbide.

Vorzugswelse werden atomlsierte sefbstgehende Legierungspulver zum Aufsprühen der Schichten verwendet. In vorteilhafter Welse haben die atomlslerten Pulver eine Teilchengröße von weniger als 0,149 mm Durchmesser. Ein vorteilhaftes Pulver 1st ein solches einer Teilchengröße von weniger als 0,149 mm, von dem mindestens 30 Gew.-% eine Teilchengröße von weniger als 0,044 mm haben. Im Falle der Verwendung von primären ^ Metal !carbiden werden vorzugsweise ebenfalls solche Teilchen verwendet. Vorzugsweise weisen die primären Carbide in den Schichten eine Teilchengröße von weniger als 100 μπι, beispielsweise weniger als 50 \im auf.

Beispiele von aufsprühbaren Legierungspulvern mit primären Carbiden sind solche mit folgender Zusammensetzung:

(1) 83 Gew.-96 einer Legierung auf Nickelbasis mit 17 Gew.-% primärem Wolframcarbid einer Größe von weniger als 50 um, wobei die Legierung auf Nickelbasis besteht zu 0,7 Gew.-% C, 15 Gew.-9„ Cr, 4,3 Gew.-96 Sl, 3,7 Gew.-% Fe, 3,4 Gew.-% B und zum Rest aus Nickel;

(2) 40 Gew.-% einer Legierung auf Nickelbasis und 60 Gew.-« primärem Wolframcarbid, wobei die Legierung auf Nickelbasis besteht zu 0,05 Gew.-% C, 6,9 Gew.-96 Cr, 4,25 Gew.-% Si, 3,2 Gew.-» B, 3 Gew.-% Fe und ι⁵ zum Rest aus Nickel und

(3) SO Gew.-% einer Legierung auf Kobaitbasis und 50 Gew.-% Wolframcarbid, wobei die !Cobaltlegierung besteht zu 1,5 Gew.-% B, 25 Gew.-% Cr, 1,5 Gew.-% C, 4 Gew.-% W, 3 Gew.-% Nl und zum Rest aus Kobalt.

Die Tatsache, daß eine Matrixmetall, z. B. Kobalt, das Metallcarbide enthält (primäre Carbide) eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, 1st an sich bekannt. So weist beispielsweise eine gesinterte WC-CO-Masse mit 12 Gew.-*, Kobalt eine thermische Leitfähigkeit von 66,94 W/m · K auf.

Eine wesentliche Eigenschaft einer auf ein Metallsubstrat aufgebrachten Schicht beruht auf ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Abblättern oder Absplittern. Als wünschenswert hat es sich erwiesen, wenn der relative :s Expansionskoeffizient zwischen der Endbeschtchtung und dem Eisenmetallsubstrat bei +50% und -30% liegt. Geht man davon aus, daß das Eisenmetallsubstrat einen Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur von etwa 11 χ 10"⁶ cm/cm/⁰ C aufweist, so kann die Legierungsschicht einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 7,7 bis etwa 10 oder 17 χ ΙΟ"⁶ cm/cm/°C aufweisen, vorausgesetzt, daß die Legierungsschicht metallurgisch auf das Elscnmetallsubstrat gebunden Ist. .«·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Eisenmetallteile mit einer thermischen, bei Raumtemperatur gemessenen Leitfähigkeit bezüglich Silber von mindestens 25,104 W/m · K, wenn die Leitfähigkeit des Silbers mit 418,4 W/m · K angesetzt wird, die

^s zur Verbesserung Ihrer Verschlelßelgenschaften eine 0,0127 bis 0,3810 cm starke schützende Schicht aus einer selbstgehenden warme- und korroslonsreslstenden Legierung auf Basis eines Metalls der Elsengruppe, die bis zu 30 Gew.-X W, Mo und/oder Cr sowie gegebenenfalls 0,1 bis 6 Gew.-« SI und gegebenenfalls bis zu 80 Gew.-« primäre Carbide das Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bis zu 3 Gew.-« C und/oder 0,5 bis 5 Gew.-« B enthalt, der Gehalt an B

i'> und/oder C dabei so bemessen 1st, daß mindestens 70% der Metalle W, Mo und Cr gebunden in Form von sekundären Boriden und/oder sekundären Carbiden vorliegen, und eine Schutzschicht mit einer bei Raumtemperatur gemessenen thermischen Leitfähigkeit bezüglich Silber, wenn die Leitfähigkeit des Silbers mit 418,4 W/m · K angesetzt wird, von mindestens 20,92 W/m · K vorliegt.

2. Eisenmetallteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine 0,0254 bis 0,203 cm dicke ii Schutzschicht aus einer Legierung auf Ni-, Co-, Fe- oder Cu-Basis aufweisen.

3. Eisenmetallteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schutzschicht aufweisen, die 5 bis 70 Gew.-* primäre Carbide enthalt.

4. Eisenmetallteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schutzschicht aufweisen, die als primäres Carbid Wolframcarbid enthalt.

-" 5. Eisenmetallteile nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schutzschicht aufweisen, die

als primäres Carbid Wolframcarbid einer Teilchengröße von weniger als 100 μιη enthält. 6. Verwendung der Eisenmetallteile nach den Ansprüchen 1-5 für Wärmeaustauscher.