Steuerbares Alitieren zur Erhöhung der Zunderbeständigkeit von Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen

J. Kohlscheen; H.-R. Stock; H.-W. Zoch; H. Pillhöfer

doi:10.3139/105.100415

Artikel

Steuerbares Alitieren zur Erhöhung der Zunderbeständigkeit von Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen

J. Kohlscheen , H.-R. Stock , H.-W. Zoch und H. Pillhöfer

Veröffentlicht/Copyright: 27. April 2013

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Aus der Zeitschrift HTM Journal of Heat Treatment and Materials Band 62 Heft 3

Kurzfassung

Das Alitieren ist ein thermochemisches Randschicht-Behandlungsverfahren, um die Zunderbeständigkeit von Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen zu erhöhen. Die mit diesem Verfahren erzeugten aluminiumhaltigen Randschichten gewähren einen lang anhaltenden Schutz durch Ausbildung einer dichten und fest haftenden Oxidschicht bei erhöhter Temperatur. Das Alitieren erfolgt bislang vielfach durch nicht-regelbare Prozesse, wie z.B. dem Pulverpackalitieren. Eine Regelbarkeit und deutlich bessere Reproduzierbarkeit der Alitierergebnisse lässt sich durch ein CVD-Verfahren ermöglichen, wobei die Zugabe des aktivierenden Stoffes von außen erfolgt. In dem vorliegenden Beitrag wird gezeigt, dass sich mit dem gasförmigen Aktivator Chlorwasserstoff (HCl) sehr gut Alitierschichten auf Nickel- und Eisenlegierungen durch direkte Einleitung des Gases in den Reaktionsraum erzeugen lassen. Für die Erzielung optimaler Schichtdicken bei einer vertretbaren korrosiven Anlagenbelastung hat sich das Alitieren mit Wasserstoffüberschuss erwiesen, wobei es nicht auf das genaue Gasmischungsverhältnis von H₂ zu HCl ankommt; jedoch sollten Verhältnisse von etwa 4:1 bis 2:1 eingestellt werden. Ohne Wasserstoffzugabe bzw. bei zu geringem Chlorwasserstoffanteil in der Prozessatmosphäre werden die Alitierschichten bei gleicher Prozessdauer signifikant dünner. Eine einmalige Zugabe von Chlorwasserstoff erzeugt den gleichen Alitiereffekt wie ein kontinuierlicher Durchfluss, da das Chlorid nicht in der Alitierreaktion verbraucht wird. Es wird gezeigt, dass auf Eisenbasislegierungen aufgrund eines höheren Diffusionskoeffizienten generell dickere Aluminidschichten als im Falle des Nickels erhalten werden, obwohl deren Oxidationsbeständigkeit geringer als die der Nickelaluminidschichten erscheint.

Abstract

Aluminizing is a thermo-chemical surface treatment to increase the oxidation resistance of iron- and nickel-based alloys. The achieved aluminium-rich coatings offer a long lasting protection due to formation of a dense and adherent aluminium oxide layer. Aluminizing is still frequently performed by non-controllable processes using powder-packs. A controllability and associated reproducibility can be obtained by vapour deposition with addition of the activator from outside the reaction chamber. We will show that by using gaseous hydrogen chloride (HCl) aluminizing of nickel- and iron-based alloys can easily be done. For obtaining optimal coating thicknesses and acceptable impact on the CVD equipment aluminizing with hydrogen excess has proven useful. It turns out that adjusting an exact gas mixture of H₂ to HCl is not mandatory, but ratios of 4:1 down to 2:1 should be adjusted. Without adding any hydrogen or if very few hydrogen chloride is added, considerably thinner layers are obtained. Adding activating hydrogen chloride gas only once at the beginning of a process does also lead to similar aluminizing results as a continuous flow. This is explained by the fact that chloride is not consumed during the aluminization process. Aluminizing of steels yields thicker coatings compared to nickel alloys due to a higher diffusion coefficient of aluminium, yet they seem to be less oxidation resistant compared to nickel aluminide coatings.

Dr.-Ing. Jörn Kohlscheen, geb. 1971, Studium der Physik an der Univ. Kiel, ist seit 1996 Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen und zudem seit 2002 Projektleiter bei der Technologiebroker Bremen GmbH mit dem Schwerpunkt Luftfahrtindustrie. Von 2001 bis 2002 war er Gastwissenschaftler am Nanomaterials and Nanomanufacturing Research Center (NNRC) in Tampa, USA.

Dr. rer. nat. Heinz-Rolf Stock, geb. 1953, Studium der Chemie an der TU Braunschweig, ist seit 1987 Leiter der Abteilung Oberflächentechnik in der Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen.

Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch, geb. 1953, Professor für Werkstofftechnik / Metalle im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Seit 2004 ist er Geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik.

Dipl.-Ing. Horst Pillhöfer, geb. 1956, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen und ist seit 1982 bei der MTU Aero Engines in München beschäftigt, derzeit als Projektleiter im Bereich Oberflächenbehandlung.

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Erhalten: 2007-3

Online erschienen: 2013-04-27

Erschienen im Druck: 2007-06-01

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