EP0438971A1 - Beschichtetes metallisches Substrat - Google Patents

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EP0438971A1 EP90810867A EP90810867A EP0438971A1 EP 0438971 A1 EP0438971 A1 EP 0438971A1 EP 90810867 A EP90810867 A EP 90810867A EP 90810867 A EP90810867 A EP 90810867A EP 0438971 A1 EP0438971 A1 EP 0438971A1
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    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a protective layer for a metallic substrate, which is particularly effective against corrosion, erosion and wear.
  • the protective layer is characterized by (in% by mass):
  • sigma phase the proportion of which is at least 5% by volume in order to achieve the required minimum hardness, and by its high chromium (or chromium and molybdenum) content.
  • the sigma phase contains approximately 55% iron and 45% chromium; it is characterized by high hardness and very low plastic deformability.
  • too other phases such as Chi, Alpha-prime and Gamma-prime, and excretions, such as carbides and nitrides, contribute to the increased hardness.
  • a method for producing the new protective layer is characterized in that the layer material is melted together with the surface of the substrate to be coated using a thermal melting process and is cooled to a minimum cooling rate of 100 K / sec to at least 500 ° C., a metallurgically bound protective layer with a hardness of less than 500 HV0.1, and that this protective layer is then heat-treated in a temperature range of 500 - 950 ° C until the hardness is at least 800 HV0.1.
  • the proportion of the sigma phase in the structure is increased; this can advantageously be, for example, at least 50% by volume.
  • the layer material is blown into the melt bath as a powder through a nozzle, the layer material being remelted at the same time and metallurgically bonded to the substrate;
  • the layer material can also be supplied as a rod or wire.
  • precoat the substrate with the layer material and then to connect the two materials to one another metallurgically by remelting.
  • the precoating is advantageously carried out galvanically or by a thermal spray process, such as, for example, vacuum plasma spraying CVD or PVD.
  • a thermal spray process such as, for example, vacuum plasma spraying CVD or PVD.
  • the melting and remelting can be carried out, for example, with a laser beam or an arc.
  • a laser beam or an arc With pre-coated substrates, it is also possible to use an electron beam as the energy source for the melting.
  • the substrate can optionally be preheated before the precoating and / or before the melting process.
  • the heat treatment to form the sigma phase is carried out at about 700 ° C. for at least six hours.
  • a substrate made of carbon steel St 37 is to be coated with a layer 0.15 to 0.2 mm thick, which contains about 45% chromium in addition to iron.
  • the surface of the substrate to be coated is first degreased and galvanically coated with an approximately 80 ⁇ m thick coating of pure chrome.
  • the galvanically chrome-plated substrate is then subjected to a heat treatment in air at about 200 ° C. for 4 to 6 hours.
  • the protective layer is produced by remelting the chrome-plated surface using a laser beam.
  • a laser beam with a power of 1500 W and a beam diameter on the surface to be remelted of 1.23 mm - which results in a power density of 1260 W / mm2 - is row by row under a helium protective gas atmosphere with a lateral offset of 0.2 mm per line performed in three passes over the surface of the chromium-plated substrate to be remelted, the feed speeds being 1900, 1500 and 1000 mm / min; from this, exposure times of 31, 39 and 58 ms can be calculated, which in this case results in a cooling rate of at least 2000 K / sec given the total mass of the substrate used and its thermal conductivity.
  • the multiple melting serves the purpose of the protective layer metallurgically bonded to the substrate by the melting, which after the melting has the required composition of about 45% chromium and 55% iron in addition has low proportions of carbon, silicon, manganese and other trace elements from the steel St37.
  • the layer After the laser treatment, the layer has an intermediate hardness of HV0.1 240-260 and its structure contains no sigma phase.
  • a partial transformation of the structure into a sigma phase is achieved by a subsequent heat treatment, which is carried out in an oven in air at about 700 ° C. for about 12 hours, with neither the heating rate nor the cooling rate being critical parameters; it is only necessary to ensure that the necessary holding time at the treatment temperature is observed.
  • the protective layer has proven to be particularly resistant to corrosion, which is evidenced by corrosion tests in 5% NaCl, whereby the resistance to local forms of corrosion (pitting or crevice corrosion) after heat treatment is better than that of austenitic stainless steel DIN 1.4435 (X2 CrNiMo 18 12. AISI 316L); the critical pitting temperatures determined were for a Fe-44% Cr heat-treated, laser-remelted protective layer on St 37 or for a 1.4435 stainless steel 16 or 11.5 ° C.

Abstract

Eine Schutzschicht für ein metallisches Substrat, die metallurgisch mit dem Substrat verbunden ist, enthält (in Masse-%) 35 bis 50 % Chrom, das bis zu 10 % durch Molybdän ersetzt sein kann, und mindestens Eisen, wobei der Eisenanteil mindestens 25 % betragen muss. Die Mindesthärte beträgt 800 HV0.1, was durch einen Mindestanteil von 5 Vol.-% des Gefüges als Sigma-Phase erreicht wird. Die Sigma-Phase wird durch eine Wärmebehandlung des beschichteten Substrats erhalten. Die Schutzschicht ist besonders widerstandsfähig gegen Korrosion, besitzt jedoch auch gute Erosions- und Verschleissfestigkeit.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht für ein metallisches Substrat, die vor allem gegen Korrosion, Erosion und Verschleiss wirksam ist.
  • Die Schutzschicht ist gekennzeichnet durch (in Masse-%):
  • 35 - 50 % Chrom (Cr) + Molybdän (Mo), mit einem Mo-Anteil von 0 - 10 %, Rest mindestens Eisen (Fe), mit einem minimalen Fe-Anteil von 25 %, und ferner durch eine Mindesthärte von 800 HV0.1.
  • Ihre Schutzwirkung wird erreicht durch die Ausbildung einer Sigma-Phase, deren Anteil mindestens 5 Vol.-% beträgt, um die geforderte Mindesthärte zu erreichen, und durch ihren hohen Chrom (oder Chrom und Molybdän) -Gehalt. Die Sigma-Phase enthält circa 55 % Eisen und 45% Chrom; sie zeichnet sich durch hohe Härte und sehr geringe plastische Verformbarkeit aus. Neben der Sigma-Phase können - nach geeigneten Wärmebehandlungen - auch andere Phasen, wie Chi, Alpha-prime und Gamma-prime und Ausscheidungen, wie Karbide und Nitride, zu der erhöhten Härte beitragen.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der neuen Schutzschicht ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial zusammen mit der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats mit Hilfe eines thermischen Schmelzverfahrens aufgeschmolzen und mit einer Mindestabkühlgeschwindigkeit von 100 K/sec auf mindestens 500 °C abgekühlt wird, wobei eine metallurgisch gebundene Schutzschicht mit einer Härte kleiner als 500 HV0.1 erzeugt wird, und dass diese Schutzschicht anschliessend in einem Temperaturbereich von 500 - 950 °C solange wärmebehandelt wird, dass die Härte mindestens 800 HV0.1 beträgt.
  • Unter Wahrung des vorgeschriebenen Minimalanteils an Eisen können andere Elemente das Eisen teilweise ersetzen, um bestimmte Wirkungen zu erreichen. So bewirkt beispielsweise eine Zugabe von Kohlenstoff eine Erhöhung der Umwandlungsgeschwindigkeit, d.h. der Bildung der Sigma-Phase; andere Elemente, wie Silizium, Niob und Titan fördern die Ausbildung der Sigma-Phase ebenfalls, insbesondere bei relativ niedrigem Chrom-Gehalt.
  • Soll die maximale Mindesthärte der Schutzschicht, die aus einer oder mehreren Lagen bestehen kann, erhöht werden, so erhöht man den Anteil der Sigma-Phase an den Gefügen; diese kann mit Vorteil beispielsweise mindestens 50 Vol.-% betragen.
  • Eine gute Haftung der Schutzschicht, die zweckmässigerweise Schichtdicken zwischen 0,1 und 3 mm aufweisen kann, wird erreicht, wenn Schicht und Substrat metallurgisch verbunden sind. Als Substrat eigenen sich alle Metalle mit ausreichend hohem Schmelzpunkt; bevorzugt werden als Subtrate Eisen-Basislegierungen verwendet.
  • Für die Herstellung der Schutzschicht hat es sich besonders bewährt, wenn das Schichtmaterial als Pulver durch eine Düse in das Schmelzbad eingeblasen wird, wobei das Schichtmaterial gleichzeitig umgeschmolzen und mit dem Substrat metallurgisch verbunden wird; selbstverständlich kann das Schichtmaterial dabei auch als Stange oder Draht zugeführt werden.
  • Es ist weiterhin auch möglich, das Substrat mit dem Schichtmaterial vorzubeschichten und anschliessend beide Materialien durch Umschmelzen metallurgisch miteinander zu verbinden. Die Vorbeschichtung erfolgt dabei vorteilhafterweise galvanisch oder durch ein thermisches Spritzverfahren, wie beispielsweise durch Vakuum-Plasmaspritzen CVD oder PVD. Schliesslich ist es noch möglich, die Oberfläche des Substrates einfach mit dem Schichtmaterial in Form von Pulver, Draht, dünnen Streifen oder Plättchen zu "belegen", wobei der Belag dann gemeinsam mit der Substrat-Oberfläche aufgeschmolzen wird.
  • Bei der Zuführung des Schichtmaterials als Pulver, Draht oder Stange kann das Auf- und Umschmelzen beispielsweise mit einem Laserstrahl oder einem Lichtbogen durchgeführt werden. Bei vorbeschichteten Substraten ist es zusätzlich auch möglich, als Energiequelle für das Schmelzen einen Elektronenstrahl zu benutzen. Weiterhin kann das Substrat gegebenenfalls vor der Vorbeschichtung und/oder vor dem Schmelzverfahren vorgewärmt werden.
  • Schliesslich ist es vorteilhaft, wenn die Wärmebehandlung zur Ausbildung der Sigma-Phase bei etwa 700° C während mindestens sechs Stunden durchgeführt wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Zu beschichten ist ein Substrat aus Kohlenstoff-Stahl St 37 mit einer 0,15 bis 0,2 mm dicken Schicht, die neben Eisen etwa 45 % Chrom enthält.
  • Die zu beschichtende Oberfläche des Substrates wird zunächst entfettet und galvanisch mit einem etwa 80 µm dicken Belag aus reinem Chrom versehen. Um in der späteren Schutzschicht Gaseinschlüsse zu vermeiden, wird das galvanisch verchromte Substrat anschliessend einer Wärmebehandlung in Luft bei etwa 200° C für 4 bis 6 Stunden unterworfen.
  • Die Herstellung der Schutzschicht erfolgt durch Umschmelzen der verchromten Oberfläche mit Hilfe eines Laserstrahls. Ein Laserstrahl mit einer Leistung von 1500 W und einem Strahldurchmesser auf der umzuschmelzenden Oberfläche von 1,23 mm - was eine Leistungsdichte von 1260 W/mm² ergibt - wird unter einer Helium-Schutzgasatmosphäre mit je einer seitlichen Versetzung von 0,2 mm pro Zeile zeilenweise in drei Durchgängen über die umzuschmelzende Oberfläche des verchromten Substrates geführt, wobei die Vorschubgeschwindigkeiten 1900, 1500 und 1000 mm/min betragen; daraus lassen sich Einwirkzeiten von 31, 39 und 58 ms errechnen, was bei der Gesamtmasse des verwendeten Substrates und dessen Wärmeleitfähigkeit in diesem Fall eine Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 2000 K/sec ergibt.
  • Das mehrfache Aufschmelzen dient dazu, die durch das Umschmelzen mit dem Substrat metallurgisch verbundene Schutzschicht, die nach dem Umschmelzen die geforderte Zusammensetzung von etwa 45 % Chrom und 55 % Eisen neben geringen Anteilen von Kohlenstoff, Silizium, Mangan und anderen Spurenelementen aus dem Stahl St37 aufweist, zu homogenisieren. Nach der Laserbehandlung hat die Schicht als Zwischenprodukt eine Härte von HV0.1 240-260 und ihr Gefüge enthält keine Sigma-Phase.
  • Eine teilweise Umwandlung des Gefüges in eine Sigma-Phase wird durch eine anschliessende Wärmebehandlung, die bei etwa 700° C in einem Ofen in Luft für etwa 12 Stunden durchgeführt wird, erreicht, wobei weder die Aufheizgeschwindigkeit noch die Abkühlgeschwindigkeit kritische Parameter sind; es ist lediglich darauf zu achten, dass die notwendige Haltezeit bei Behandlungstemperatur eingehalten wird.
  • In metallurgischen Untersuchungen ist bei der so behandelten Schutzschicht ein Anteil von mehr als 80 Vol.-% an Sigma-Phase ermittelt worden; die Härte der Schicht beträgt HV0.1 1200-1400.
  • Die Schutzschicht hat sich als besonders widerstandsfähig gegen Korrosion erwiesen, was belegt wird durch Korrosionsprüfungen in 5% NaCl, wobei die Beständigkeit gegen lokale Korrosionsformen (Lochfrass oder Spaltkorrosion) nach der Wärmebehandlung besser ist als bei austenitischem rostfreien Stahl DIN 1.4435 (X2 CrNiMo 18 12. AISI 316L); die ermittelten kritischen Lochfrasstemperaturen waren für eine Fe-44%Cr wärmebehandelte, laserumgeschmolzene Schutzschicht auf St 37 bzw. für einen 1.4435 rostfreien Stahl 16 bzw. 11,5° C.

Claims (13)

  1. Schutzschicht, insbesondere gegen Korrosion, Erosion und/oder Verschleiss, für ein metallisches Substrat, gekennzeichnet durch einen Gehalt an (in Masse-%):

    35 - 50 % Chrom (Cr) + Molybdän (Mo), mit einem Mo-Anteil von 0 - 10 %, Rest mindestens Eisen (Fe), mit einem minimalen Fe-Anteil von 25 %, und ferner durch eine Mindesthärte von 800 HV0.1.
  2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fe teilweise ersetzt ist durch mindestens eines der nachstehenden Elemente (in Masse-%):
    Figure imgb0001
  3. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Schichtdicke 0.1 bis 3 mm beträgt.
  4. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 5 Vol% der Schicht in Form einer Sigma-Phase vorliegen.
  5. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Sigma-Phase mindestens 50 Vol.% beträgt.
  6. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht und das Substrat metallurgisch miteinander verbunden sind.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial zusammen mit der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats mit Hilfe eines thermischen Schmelzverfahrens aufgeschmolzen und mit einer Mindestabkühlgeschwindigkeit von 100 K/sec auf mindestens 500 °C abgekühlt wird, wobei eine metallurgisch gebundene Schutzschicht mit einer Härte kleiner als 500 HV0.1 erzeugt wird, und dass diese Schutzschicht anschliessend in einem Temperaturbereich von 500 - 950 °C solange wärmebehandelt wird, dass die Härte mindestens 800 HV0.1 beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial als Pulver durch eine Düse in das Schmelzbad eingeblasen wird, wobei das Schichtmaterial gleichzeitg umgeschmolzen und mit dem Substrat metallurgisch verbunden wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit dem Schichtmaterial vorbeschichtet und anschliessend beide Materialien durch Umschmelzen metallurgisch miteinander verbunden werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf- oder Umschmelzen mit einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl oder einem Lichtbogen durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat vor der Vorbeschichtung vorgewärmt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat galvanisch oder durch ein thermisches Spritzverfahren vorbeschichtet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 700 ± 25 °C durchgeführt wird, die mindestens 6 Stunden gehalten wird.
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