CN116940714A - 制造搪瓷化钢部件的方法、搪瓷化钢部件及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造搪瓷化钢部件的方法，其包括以下步骤：提供钢部件；用包含至少一种粘附金属、粘附金属氧化物或其盐和粘合剂的粘附促进剂层涂覆钢部件；和对经涂覆的钢部件进行搪瓷化。本发明还涉及可用该方法获得的搪瓷化钢部件。本发明还涉及该搪瓷化钢部件的用途。

Description

制造搪瓷化钢部件的方法、搪瓷化钢部件及其用途

本发明涉及制造搪瓷化钢部件的方法以及可用该方法获得的搪瓷化钢部件。

现有技术

搪瓷化钢部件和制造搪瓷化钢部件的方法早已为人所知。在此的一个关键因素是确保钢基材与搪瓷的充分粘附。众所周知，在钢和搪瓷之间的界面处存在各种提高粘附的金属氧化物，例如氧化镍。在现有技术中，特别使用以下技术以形成搪瓷与钢基材的充分粘附。

首先，制造搪瓷化钢部件的方法是已知的，其中在施加搪瓷层之前施加金属基底以提高粘附。例如在CH409573中公开了相应的方法。在此，使用电镀工艺以电化学方式沉积基底层。在随后的搪瓷化工艺中，金属基底层至少部分转化为氧化物层，这增加搪瓷对钢基材的粘附。然而，电镀工艺与高能源和设备成本相关联，并且对环境和健康非常有害。此外，搪瓷对某些类型的钢的粘附可能不足。

其次，已知的方法是其中施加多个搪瓷层，其中至少向第一搪瓷层中加入金属氧化物，这增加对基材的粘附。这些传统方法的缺点是需要多个搪瓷化步骤，这从成本角度和工艺技术角度来看是不利的。此外，具有增加粘附的金属氧化物的搪瓷粉末的施加是非常困难的，因为它们对健康和环境有害。

第三，单层的直接搪瓷化方法是已知的，其中仅将单个搪瓷层施加到基材表面上。在该搪瓷层中添加金属氧化物，其增加粘附。然而，这些方法的缺点是金属氧化物不仅存在于边界层，而且存在于整个搪瓷层，因此需要相对大量的金属氧化物，以确保充分粘附。搪瓷表面上存在金属氧化物还会导致其它缺点，例如较低的化学和机械稳定性，例如对化学品、水或蒸气的耐受性、耐腐蚀性、耐刮擦性或可清洁性。此外，这种搪瓷化钢部件的使用尤其在食品接触应用中可能受到限制，因为潜在有害健康的金属氧化物存在于搪瓷表面上。

由于这些原因，尚可改进现有技术中已知的制造搪瓷化钢制品的方法。

发明目的

本发明的目的是提供制造搪瓷化钢部件的方法，该方法对付与现有技术相关的缺点。特别地，目的在于提供即使在粘附金属的总量少的情况下也实现搪瓷与钢基材的优异粘附并且可以使用多种类型的钢作为基材的方法。该方法的另一目的是降低能源和设备成本，以及环境和健康危害。另一目的是提供制造搪瓷化钢部件的方法，该部件具有优异的化学和机械稳定性，例如对化学品、水或蒸气的耐受性、耐腐蚀性、耐刮擦性或可清洁性，并且不受限制地适用于食品接触应用。

本发明的另一目的是提供具有相应性能的搪瓷化钢部件。特别地，目的在于提供即使在粘附金属的总量少的情况下也具有搪瓷与钢基材的优异粘附并且可以使用多种类型的钢作为基材的搪瓷化钢部件。另一目的是提供具有优异的化学和机械稳定性，例如对化学品、水或蒸气的耐受性、耐腐蚀性、耐刮擦性和可清洁性的搪瓷化钢部件。另一目的是提供搪瓷化钢部件，其适用于多种用途，特别是适用于食品接触区域的用途。

发明简述

该目的通过根据权利要求1的方法实现。该方法的优选实施方案在从属权利要求2至13中限定，它们也以相互组合的形式包括在内。该目的还通过根据权利要求14的搪瓷化钢部件实现。该目的还通过根据权利要求15的搪瓷化钢部件的用途实现。

发明详述

本发明涉及制造搪瓷化钢部件的方法，其包括以下步骤：提供钢部件；用包含至少一种粘附金属、粘附金属氧化物或其盐和粘合剂的粘附促进剂层涂覆钢部件；和对经涂覆的钢部件进行搪瓷化。

钢部件或钢基材的形状和类型不受限制。特别地，可以使用扁平部件，例如金属板、板材或膜材，但也可以使用具有三维几何形状的部件，例如深拉或浇注的模制件。可以使用所有类型的钢，例如合金钢或非合金钢类型，例如IF钢或EK钢(参见EN10209，例如DC0xEK)钢。根据本发明，层沉积在成品钢部件上进行，即所得的搪瓷化钢部件不再变形。

该方法对于本发明来说特别重要的是，在搪瓷化之前用特定的粘附促进剂层涂覆钢部件的步骤。根据本发明的粘附促进剂层包含至少一种粘附金属、粘附金属氧化物或其盐以及粘合剂。粘附促进剂层用作底漆并且也被称为牺牲层，因为其在实施方案中在随后的搪瓷化工艺中至少部分地溶解。粘合剂和粘附金属、粘附金属氧化物或其盐在粘附促进剂层中的存在对于实现下面详述的本发明的优点是必要的。

粘附金属可以单质形式、作为氧化物或作为其盐使用。如果粘附金属不作为氧化物存在，则其在随后的搪瓷化工艺中被氧化。所得的粘附氧化物确保搪瓷与钢基材的优异粘附。

在实施方案中，所得粘附金属氧化物可至少部分地扩散到搪瓷层中。因此，在实施方案中，在所得搪瓷层中出现粘附金属氧化物的浓度梯度，以使得粘附金属的浓度在与钢基材的界面处最大并且朝着表面的方向降低。根据本发明，在搪瓷层的表面处不存在粘附金属氧化物。可以使用REM/EXD检测搪瓷层中的粘附金属氧化物的分布。

粘合剂确保粘附金属、粘附金属氧化物或其盐在粘附促进剂层中的均匀分布。粘合剂的存在还确保可以容易且均匀地施加粘附促进剂层。粘合剂被配置为使其不干扰搪瓷化工艺，并且其在实施方案中在随后的搪瓷化步骤中热分解和/或与搪瓷层接合。

通过根据本发明的方法，进一步确保粘附促进剂层中所含的粘附金属、粘附金属氧化物或其盐不存在于搪瓷化钢部件的表面，而仅存在于钢基材与搪瓷之间的边界层。与传统的直接搪瓷化方法相比，这又造成涂层的化学和机械稳定性的改进，特别是水、蒸气、食品和腐蚀稳定性的改进。通过表面处没有对健康和环境有风险的粘附金属，进一步确保搪瓷化钢部件不受限制地适用于与食品接触的应用。

关于该方法，还有利的是避免通过化学或电化学工艺沉积粘附金属，这从成本和环境的角度来看是不利的。此外，可以使用不含粘附金属成分的搪瓷粉末进行搪瓷化，该粘附金属成分非常昂贵并且对环境和健康有风险。同时，根据本发明的方法相对于传统的直接搪瓷方法具有优点，即可以使用较少量的粘附金属，但同时实现优异的粘附，即根据本发明的方法从成本角度以及环境和健康角度来看是有利的。

尽管使用较少量的粘附金属，仍可实现改进的搪瓷粘附。此外，通过更好的搪瓷粘附，可以使用更价廉和更好的可用类型的钢(例如IF而不是ED)。与传统工艺相比，粘附促进剂层的施加可以总体上更容易且风险较少以及耗能较少地进行。

在一个优选的实施方案中，粘附促进剂层是基于溶胶-凝胶的体系，即可以选自多种适用于溶胶-凝胶材料的涂覆方法，例如浸涂、流涂或喷涂。由此，粘附促进剂层可以均匀、有效、价廉地并且以小的层厚度施加。此外，由此可以实现搪瓷与钢基材的优异粘附。基于溶胶-凝胶的体系在现有技术中是已知的。为了生产层，首先将用作涂覆溶液的溶胶施加到基材表面上。在涂覆过程和溶胶干燥过程中，所用前体发生水解和缩合反应，直到溶胶颗粒聚集形成固体凝胶膜。前体包含用于形成层的反应物材料，特别是用于形成粘合剂的反应物材料。合适的前体是已知的并且根据本发明不受限制。

粘附金属的类型不受限制。可以使用一种、两种或更多种粘附金属、粘附金属氧化物或其盐，即粘附金属既可以单质形式、也可以阳离子形式使用。在一个优选实施方案中，粘附金属选自镍、钴、铜、锡、铁、钼或砷，优选镍、铜、铁或钼。这些粘附金属的使用引起搪瓷层与钢基材的特别好的粘附。如果粘附金属以单质形式使用，则在实施方案中在随后的搪瓷化中发生氧化产生粘附金属氧化物。氧化物的类型不受限制。可以使用所有种类的氧化物或其盐。优选的无机盐是例如硅酸盐、铝酸盐或卤化物，如氯化物。在一个替代性的实施方案中，可以使用有机阴离子，例如聚合有机阴离子。特别优选的是，粘附金属已作为氧化物使用，即单质粘附金属不必被氧化，如例如在具有金属基底层的传统方法中必需那样。因此，根据本发明的方法相对于在施加搪瓷层之前施加金属基底的制造搪瓷化钢部件的传统方法而言具有更大灵活性的优点，例如在可使用的粘附金属和搪瓷类型方面。

粘附促进剂层中的粘附金属或其盐的浓度不受限制。粘附金属或其盐的合适浓度例如为1重量％至95重量％，优选20重量％至90重量％，更优选40重量％至80重量％，更优选50重量％至70重量％，基于粘附促进剂的总重量计。

粘合剂的类型不受限制。可以使用一种、两种或更多种不同的粘合剂。粘合剂是在施加时粘附促进剂的主要成分，即基体。粘合剂确保良好的可施加性和粘附金属或其盐在粘附促进剂层中的均匀分布。主要任务：将粘附促进剂层固定在部件上直至搪瓷化。

在实施方案中，粘合剂是无机粘合剂。无机粘合剂优选通过溶胶-凝胶工艺形成(溶胶-凝胶是部分有机的)。无机粘合剂的优点是，粘附促进剂层与通常由基于硅酸盐或氧化物的体系构成的搪瓷层之间具有良好的相容性。因此可以实现特别好的粘附。此外，特别是与粘附金属，特别是粘附金属氧化物具有良好的相容性。

无机粘合剂的类型不受限制。无机粘合剂优选为基于氧化物的粘合剂，其特别优选选自基于氧化铝的粘合剂、基于氧化钛的粘合剂或基于硅酸盐的粘合剂。这种类型的粘合剂通常是已知的并且这里将不进一步解释。这些体系的优点是，可以容易且价廉地获得，并且与常见搪瓷层相容。此外，粘附促进剂体系可以因此多变且容易地调节，并且还引起优异的粘附。与大量的粘附金属或粘附金属氧化物也有高度的相容性。

在替代性实施方案中，粘合剂是有机粘合剂。有机粘合剂的类型不受限制。然而，在此，对于随后的搪瓷化工艺，有机粘合剂必须在搪瓷化步骤时热分解。该粘合剂优选是基于聚合物的粘合剂。可以容易且价廉地获得和施加有机粘合剂，特别是聚合有机粘合剂。

优选地，基于聚合物的粘合剂选自基于环氧化物的粘合剂、基于丙烯酸酯的粘合剂例如聚(甲基)丙烯酸酯粘合剂、基于聚酯的粘合剂、基于聚氨酯的粘合剂、基于聚碳酸酯的粘合剂、基于橡胶的粘合剂例如阿拉伯胶粘合剂，或其组合。这些粘合剂可容易且完全热分解，因此引起所得搪瓷化钢部件的特别有利的粘附性能。与大量的粘附金属或粘附金属氧化物也有高度的相容性。在实施方案中，有机粘合剂是聚合阴离子粘合剂。这具有的优点是可用于制造可容易施加的具有高比例粘附金属阳离子的粘附促进剂体系。

根据本发明，还包括所有其它类型的粘合剂体系，例如有机-无机杂化体系。此外，在一些实施方案中，可以将无机颗粒例如氧化硅、氧化铝、氧化钛或氧化锆颗粒添加到粘合剂中。特别地，包含含有纳米颗粒的粘合剂体系，其引起特别好的粘附性能。

在实施方案中，粘附促进剂包含其它组分或添加剂，例如填料、增容剂、稳定剂、染料、抗氧化剂、触变剂等。这些通常是已知的并且这里不再进一步解释。在实施方案中，所述其它组分或添加剂的总量为10重量％或更少，优选1重量％至0.001重量％，更优选0.1重量％至0.01重量％，基于粘附促进剂的总重量计。

根据本发明，粘附促进剂层的施加类型不受限制。可以使用所有传统的涂覆工艺。

在实施方案中，通过湿法涂覆工艺进行涂覆。在此，粘附促进剂以液体形式施加，例如作为溶液、分散体、悬浮体或乳液。粘附促进剂的浓度不受限制并且例如为1重量％至90重量％，优选10重量％至70重量％，更优选20重量％至50重量％。根据本发明，湿法涂覆工艺的类型不受限制。合适的湿法涂覆工艺是本领域已知的。优选通过浸涂、喷雾涂覆或喷射涂覆工艺进行施加。然而，根据本发明也包括所有其它常见的施加方法。湿法涂覆工艺使得可以均匀、有效且价廉地施加粘附促进剂层。

特别地，在湿法涂覆工艺中，粘附促进剂以水溶液的形式存在，其中溶剂包含水。然而，溶剂的类型可以变化。特别地，根据本发明包括溶剂混合物，例如水和醇例如乙醇、异丙醇或叔丁醇的混合物。混合比不受限制，例如为90：10至10：90，优选80：40至20：80，更优选60：40至40：60(水：醇)。因此可以实现特别价廉、有效且环境友好的施加。与此类似地，粘附促进剂可以水性分散体、悬浮体或乳液的形式存在。

如果粘附促进剂层通过湿法涂覆工艺施加，则该方法优选还包括在搪瓷化之前干燥该经涂覆的部件的步骤。干燥可在例如高于21℃室温，例如30至200℃，优选50至100℃的温度下进行。干燥可以例如用IR辐射或用热空气进行。这允许价廉且快速的工艺管理，其中特别是具有复杂三维几何形状(例如具有背切)的钢部件可以被良好涂覆。

在湿法涂覆的一个特别优选的实施方案中，在市售的大规模浸洗或喷洗设备中进行涂覆。在此，该方法以这样的方式进行，以使得在洗涤和任选预处理钢基材之后在现有洗涤设备的冲洗浴中施加粘附促进剂层。随后在搪瓷化洗涤设备的干燥阶段中进行干燥，并施加搪瓷层。这具有的优点是，洗涤设备的干燥阶段可用于干燥粘附促进剂层，并且在施加粘附促进剂层之后不需要额外的干燥。因此，从能源的角度来看，该方法的这一实施方式是特别有利的。

作为湿法涂覆工艺的替代方案，在实施方案中，可以通过粉末涂覆工艺进行涂覆。粉末涂覆的合适工艺条件通常是已知的并且根据本发明不受限制。以粉末涂覆的形式施加的优点是，可以非常有效、价廉并且设备花费很少地进行涂覆。特别地，粉末涂覆中省去了在湿法涂覆工艺中必需的干燥步骤。

在优选实施方案中，该方法进一步包括在涂覆之前清洁钢部件的步骤。根据本发明，合适的清洁工艺不受限制。然而，清洁步骤优选地选自洗涤、退火、脱脂、酸洗或其组合。以这种方式，可以进行特别有效且价屎的清洁。

在施加粘附促进剂之前，基材表面也可以机械地，例如通过使用玻璃颗粒或刚玉的喷砂工艺进行粗糙化，或以其它方式进行化学或物理处理，以实现改进的粘附。机械粗糙化的替代方案是例如酸洗、蚀刻、蒸镀、侵蚀或铣削。此外，待涂覆的基材任选地通过将基材浸入例如填充有常规洗涤剂溶液的清洁浴中来清洁，以去除污垢和脂肪残留物。任选地，可以通过施加超声波来辅助该工艺。

所得粘附促进剂层的层厚度根据本发明不受限制。在实施方案中，粘附促进剂层以25μm或更小，优选0.01至20μm，更优选0.05至15μm，进一步优选0.1至10μm的层厚度施加。由此可以与有效且价廉的工艺管理组合地实现优异粘附。使用白光干涉或X射线荧光测量粘附促进剂层的层厚度。

用于施加搪瓷层的搪瓷化工艺，例如工艺条件和反应物组成和搪瓷组成，通常是已知的并且将不在这里进一步解释。在本发明的上下文中，搪瓷是具有无机组成的物料，通常基于硅酸盐和氧化物，其通过熔化、烧结或熔结(这意味着在熔化在一起前不久中断的熔化过程)以通常玻璃状凝固的形式制成。这种物料(有时带有添加剂)通常以一个或多个层的形式施加到载体材料上，并在高温和短的燃烧时间下熔化，其中目的通常是涂覆载体材料。

所得搪瓷层的层厚度根据本发明不受限制。在实施方案中，搪瓷层以1mm或更小，优选1至500μm，更优选5至250μm，进一步优选10至180μm的层厚度施加。因此，可以与有效且价廉的工艺管理组合地实现搪瓷的特别好的化学和机械性能、与基材的优异粘附。搪瓷层的层厚度用显微镜在横断面磨片上测量。

本发明还包括可通过上述方法获得的搪瓷化钢部件。本发明的钢部件在结构上不同于通过上述传统方法制造的搪瓷化钢部件。因此，根据本发明的搪瓷化钢部件具有搪瓷与钢基材的改进的粘附，即使在粘附金属的总量少的的情况下也是如此。因此，多种类型的钢可以用作基材。此外，搪瓷化钢部件具有优异的化学和机械稳定性，例如对化学品、水或蒸气的耐受性、耐腐蚀性、耐刮擦性或可清洁性。搪瓷化钢部件也适用于大量用途，特别是适用于食品接触区域的用途。

根据本发明的搪瓷化钢部件适用于大量应用。特别地，搪瓷化钢部件可用于厨房器具，优选烤箱中，特别是作为烤管、烤盘或铸模，以及作为烹饪室中或烹饪室上的附件，例如热风导板、烤架格栅、烤串杆、烤盘容纳格栅、伸缩导轨、蒸汽条和/或空气排放板。

Claims (15)

1.制造搪瓷化钢部件的方法，其包括以下步骤：

提供钢部件；

用包含至少一种粘附金属或粘附金属氧化物或其盐和粘合剂的粘附促进剂层涂覆钢部件；

对经涂覆的钢部件进行搪瓷化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘附促进剂层是基于溶胶-凝胶的体系。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述粘附金属选自镍、钴、铜、锡、铁、钼或砷，优选镍、铜、铁或钼，并且其中所述粘附金属优选作为氧化物、以单质形式或作为其盐使用。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述粘合剂是无机粘合剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述无机粘合剂是基于氧化物的粘合剂，其优选选自基于氧化铝的粘合剂、基于氧化钛的粘合剂或基于硅酸盐的粘合剂。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述粘合剂是有机粘合剂，其在所述搪瓷化步骤中热分解，其中所述粘合剂优选是基于聚合物的粘合剂。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述基于聚合物的粘合剂选自基于环氧化物的粘合剂、基于丙烯酸酯的粘合剂例如聚(甲基)丙烯酸酯粘合剂、基于聚酯的粘合剂、基于聚氨酯的粘合剂、基于聚碳酸酯的粘合剂、基于橡胶的粘合剂如阿拉伯胶粘合剂，或其组合。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述涂覆通过湿法涂覆工艺进行，优选通过浸涂、喷雾涂覆或喷射涂覆进行，其中所述溶剂优选包含水。

9.根据权利要求8所述的方法，其还包括在搪瓷化之前干燥所述经涂覆的部件的步骤。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述涂覆通过粉末涂覆工艺进行。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其还包括在涂覆之前清洁钢部件的步骤，其优选选自洗涤、退火、脱脂、酸洗或其组合。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中以25μm或更小，优选0.01-20μm，更优选0.05-15μm，进一步优选0.1-10μm的层厚度施加该粘附促进剂层。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中以1mm或更小，优选1-500μm，更优选5-250μm，更优选10-180μm的层厚度施加所述搪瓷层，其中用显微镜在横断面磨片上测量层厚度。

14.可用根据权利要求1至13中任一项的方法获得的搪瓷化钢部件。

15.根据权利要求14的搪瓷化钢部件在厨房器具，优选烤箱中，特别是作为烤管、烤盘或铸模，以及作为烹饪室中或烹饪室上的附件，例如热风导板、烤架格栅、烤串杆、烤盘容纳格栅、伸缩导轨、蒸汽条和/或空气排放板的用途。