Diffusionsbeschichtung austenitischer Stähle

Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit austenitischer Stähle durch Diffusionsbeschichtung – Untersuchung des Kriechverhaltens und der korrosiven Beständigkeit dünnwandiger alitierter Stähle

Kurzbeschreibung

In Thermoprozessanlagen, im Apparatebau und in Brennern werden vielfach metallische Werkstoffe bei hohen Temperaturen eingesetzt. Überschreitet die Temperatur 500 °C, so werden die Reaktionen der Legierungen mit der umgebenden Atmosphäre und die Effekte von Kriechprozessen bedeutend. Typische Atmosphären für Ofen- und Brennerbauteile sind neben Luft, Stickstoff und Wasserstoff Abgas aus der Verbrennung von Erdgas und von hüttentechnischen Gasen sowie Aufkohlungsatmosphären. Brennerbauteile sind mitunter Verbrennungsgasen ausgesetzt, die höhere Anteile von Schwefel enthalten. Bedeutend für die Oxidationsbeständigkeit sind auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Gase.

Austenitische Stähle besitzen ausgehend von ihrer Zeitstandfestigkeit in Luft bei geringer mechanischer Belastung ausreichende Warmfestigkeiten für den dauerhaften Einsatz bei Temperaturen bis 900 °C. Die Atmosphären in den Thermoprozessanlagen, insbesondere wasser- und schwefelhaltige Abgase oder aufkohlende Atmosphären, stellen jedoch höhere Anforderungen an die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes als Luft. Bei den hitzebeständigen Stählen wird ein Oxidationsschutz durch das Legierungselement Chrom oder Aluminium, welche stabile Oxide bilden, erreicht. Im Fall einer Deckschicht aus Chromoxid wird jedoch durch Wasser, welches beispielsweise in Verbrennungsatmosphären immer vorhanden ist, die Chromverlustrate erhöht, da flüchtige Reaktionsprodukte entstehen. Dagegen sind aluminiumoxidbasierte Schutzschichten in feuchten Atmosphären wesentlich beständiger. Aluminumoxiddeckschichten zeigen auch eine bessere Beständigkeit gegen Metal Dusting und den Angriff durch Schwefel. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die Oxidationsbeständigkeit von hitzebeständigen Stählen mit Hilfe einer Diffusionsbeschichtung, bei der die Werkstoffrandzone mit Aluminium angereichert wird, ganz wesentlich erhöht werden kann. Allerdings ist die Auswirkung solcher Diffusionsschichten auf die Warmfestigkeit der Stähle nicht bekannt.

 

Arbeitsziele des Projekts

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist, mit einer Aluminium-Diffusionsschicht die Hitzebeständigkeit der austenitischen Stähle 1.4828 und 1.4841 beim Einsatz bei 900 °C in Luft oder Abgas unter Kriechbeanspruchung zu erhöhen sowie ihre Einsatzgrenze für Betriebszeiten, die 1000 h überschreiten, auf 1.000 °C zu erweitern. Hierzu erfolgt eine Bewertung unbeschichteter und beschichteter Werkstoffe unter Kriechbeanspruchung in aggressiver Atmosphäre. Der Schwerpunkt liegt auf Blech der Wandstärke 1 bis 3 mm und den Anwendungen in Industrieöfen, Industriebrennern und Öl-Brennern. Eine Übertragbarkeit zu Blechen für Abgasstränge ist ebenfalls gegeben. Der schützende Effekt der Alitierung ist für Beanspruchungen, die den Bedingungen im Betrieb nahe kommen, nachzuweisen. Es werden mechanische Zugbelastungen zwischen 2 MPa und 4 MPa und thermozyklische Beanspruchung berücksichtigt. Die Umsetzung des Verfahrens soll beispielhaft für Ofenanker, das Flammenrohr eines Ölbrenners und Einbauten eines Ofens demonstriert werden, welche alle Wandstärken kleiner als 3 mm aufweisen.

Die Forschungsergebnisse sollen der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Thermoprozessanlagen und Brennern dienen, indem hitzebeständige, austenitische Stähle für Bauteile im Temperaturbereich zwischen 900 und 1100 °C eingesetzt und durch Diffusionsbeschichtung ertüchtigt werden. Die Lebensdauer der Werkstoffe und die Veränderung während des Einsatzes hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften sollen bestimmt werden.

 

Durchführende Forschungsstellen

OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath

DECHEMA-Forschungsinstitut, High Temperature Materials, Frankfurt am Main

 

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 18496 N der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. – FOGI, Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Projektlaufzeit

Dezember 2014 bis Juni 2017

 

Ansprechpartnerin

Dr. rer. nat. Helen Ackermann
Tel.: 02407/ 9518-140
E-Mail: H.Ackermann@owi-aachen.de