Metal-Dusting-Beständigkeit metallischer Ofenbauwerkstoffe und Beeinflussung durch Sol-Gel-Schutzschichten

Abstract

Metal-Dusting ist eine Form der Hochtemperaturkorrosion, die in der Petrochemie, in Industrieöfen mit aufkohlenden Atmosphären und mitunter in Anlagen der Energietech-nik, wie in Gas- und Ölbrennern, anzutreffen ist. Unter den hitzebeständigen Werkstof-fen sind Stähle hinsichtlich der Kosten, der Verarbeitbarkeit und der Verfügbarkeit allgemein anderen Werkstoffen, wie Sonderlegierungen oder auch keramischen Werkstoffen deutlich überlegen. Aus diesen Gründen werden überwiegend warmfeste Stähle für die oben genannten Industrien verwendet. Auf Grund von Metal-Dusting ist die Standzeit vieler metallischer Bauteile in Industrieöfen unter aufkohlenden Atmosphären auf etwa 1,5 Jahre beschränkt. Unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit werden jedoch Le-bensdauern von über 3 Jahren angestrebt. Für gängige Eisen- und Nickelbasislegierungen wurden die Metal-Dusting-Mechanismen bereits vielerorts unter Laborbedingungen untersucht. Der Themenschwerpunkt der überwiegenden Zahl an Publikationen ist die werkstoffwissenschaftliche Analyse der Metal-Dusting-Mechanismen. Diese Untersuchungen liefern meist keine quantifizierbaren Aussagen zur Metal-Dusting-Beständigkeit kommerziell erhältlicher Werkstoffe und erlauben nur eine grobe Einteilung der Werkstoffe. Darüber hinaus entsprechen die in der Literatur beschriebenen Versuchsbedingungen nur eingeschränkt den in der industriellen Praxis auftretenden Bedingungen in Aufkoh-lungsöfen. Im Industriebetrieb sind die Bedingungen häufig jedoch variabel und schwer zu definieren, weshalb sich ein von den Laborversuchen abweichendes Metal-Dusting-Verhalten zeigen kann. So zeigt die industrielle Erfahrung beispielweise, dass Metal-Dusting in Industrieöfen bevorzugt im Bereich von Temperaturgradienten auftritt. Es existieren nur sehr wenige vergleichende quantitative Untersuchungen zur Metal-Dusting-Beständigkeit der im Industrieofenbau verwendeten metallischen Werkstoffe unter den typischen Einsatzbedingungen in Aufkohlungsöfen. Zudem fand bei den bisherigen Untersuchungen der Einfluss des Oberflächenzustands, der in der Praxis variieren kann, nicht ausreichend Berücksichtigung. Die publizierten Untersuchungen erfolgten allerdings jeweils nur an wenigen Werkstoffen, was eine ver-gleichende Bewertung des Werkstoffeinflusses im Verhältnis zum Oberflächeneinfluss einschränkt. Außerdem wurden so gut wie keine typischen Lieferzustände (kalt- und warmgewalzt, gebeizt, gestrahlt, gebürstet, …) oder fertigungsbedingten Oberflächen-zustände untersucht. Neben den gut untersuchten gängigen Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen finden im industriellen Ofenbau auch weitere Werkstoffe wie Kanthal APM und Werkstoffentwicklungen wie Alloy 693 und ET 45 micro Anwendung, deren Metal-Dusting-Eigenschaften bisher nicht untersucht wurden. Die Konstrukteure von Industrieofenanlagen mussten sich in der Vergangenheit allgemein auf die wenigen quantifizierbaren Angaben in den Datenblättern der Werkstoffhersteller verlassen, ohne eine Möglichkeit zu haben, diese Aussagen vergleichend bewerten zu können. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen einer Forschungsaufgabe, die von der For-schungsgemeinschaft Industireofenbau e.V. (FOGI) über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) gestellt und gemeinsam an der OWI Science for Fuels gGmbH einem An-Institut der RWTH Aachen und dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT bearbeitet wurde, durchgeführt. Die werkstoffkundlichen Arbeiten, die Werkstoffanalysen erfolgten am IWT Bremen und die Auswertungen der Laborversuche an beiden Instituten. Die Versuchsanlage für die Durchführung der Laborversuche wurde am OWI aufgebaut und daran erzeugte Ergebnisse zu Metal Dusting bereits vorher gemeinsam publiziert. Ziele der vorliegenden Arbeit waren die vergleichende Untersuchung und Aufklärung der Metal-Dusting-Mechanismen an einer Vielzahl technischer Werkstoffe und Oberflächenzustände sowie die Erforschung der Wirksamkeit einer oxidkeramischen Diffusionssperrschicht zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe. Um diese Ziele zu erreichen wurden zuerst geeignete Werkstoffe für die geplanten Untersuchungen ausgewählt. Darunter befinden sich bei hohen Temperaturen warmfeste Eisen- und Nickelbasislegierungen sowie Gusslegierungen. Die Werkstoffauswahl wurde durch eine detaillierte Literaturrecherche und Fachgespräche mit den Entwicklungsabteilungen unterschiedlicher Industrieofenherstellern und Werkstofflieferanten festgelegt. Durch Eingangsuntersuchungen und Lieferzeugnisse wurden die Werkstoffe charakterisiert. Im Vordergrund der Charakterisierung lag der Oberflächenzustand der zur Verfügung stehenden Werkstoffe. Um die Metal-Dusting-Mechanismen kommerziell erhältlicher metallischer Hochtempe-raturwerkstoffe für den Industrieofenbau unter Berücksichtigung der technischen Oberflächenzustände zu untersuchen und zuverlässige und quantitative Daten zu deren Metal-Dusting Beständigkeit zu ermitteln, wurden zunächst umfangreiche Laborversuche an einem Versuchsstand des OWI der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Versuchstand wurden alle Laborversuche unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt. Anhand der durch die Literaturrecherche erreichten Kenntnisse und durch erste Ergebnisse der Laborversuche zu der Metal-Dusting Beständigkeit wurde der Versuchsplan für die Sol-Gel-Beschichtungen aufgestellt, damit man zielführende Ergebnisse zu den Oxidkeramischen Diffusionssperrschichten erreichen konnte.

Ergänzend zu den Laborversuchen unter definierten Bedingungen wurden anschlie-ßend Feldversuche in einer Lohnhärterei durchgeführt, um die Metal-Dusting-Beständigkeit ausgewählter Werkstoffe und Oberflächenzustände sowie die Wirksam-keit einer Sol-Gel-Beschichtung als Schutz unter industriellen Praxisbedingungen mit wechselnden Behandlungsatmosphären zu untersuchen. Die Metal-Dusting-Schäden an den behandelten Laborproben wurden umfangreich cha-rakterisiert, um Rückschlüsse auf die Mechanismen zu deren Entstehung zu treffen. Neben Laborproben wurden die Schädigungen an durch Metal-Dusting ausgefallenen Ofenbauteilen untersucht und mit den Ergebnissen der Laborversuche und Feldversuche korreliert. Abschließend ermöglichte die aufgeführte Vorgehensweise eine Bewertung und Ein-ordnung zur Metal-Dusting Beständigkeit von Hochtemperaturwerkstoffen unter Berücksichtigung der Legierungszusammensetzung und Oberflächenzustand.