DE102008059909A1

DE102008059909A1 - Verfahren zur Herstellung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen und metallisches Bauteil

Info

Publication number: DE102008059909A1
Application number: DE200810059909
Authority: DE
Inventors: Peter Jährling; Willi Grigat
Original assignee: Paul Hettich GmbH and Co KG
Current assignee: Paul Hettich GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-10
Also published as: WO2010063759A1; EP2373829B1; EP2373829A1; US20110262768A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Herstellen eines metallischen Rohteils; b) Aufbringen einer Plasmapolymerschicht (8) auf einer Oberfläche des Rohteils; c) Erhitzen des beschichteten Rohteils auf eine Temperatur von mindestens 400°C; und d) Abkühlen des beschichteten Rohteils. Ferner wird ein metallisches Bauteil (1) für den Einsatz in Backöfen im Hochtemperaturbereich bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein metallisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Bei der Herstellung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern ist es bekannt, Bauteile aus selbst passivierenden nichtrostenden Stählen zu fertigen. Es erfolgt eine Oberflächenpassivierung meist bei einem Chromgehalt größer als 12% wodurch sich eine Chromoxidschicht mit einer Stärke von 2–4 Nanometern ausbildet. Diese Passivschicht schützt das Bauteil vor Korrosion und verhindert den direkten Kontakt des Metalls mit einem anderen Medium. Die Passivierung durch eine Chromoxidschicht hat den Vorteil, selbstätig passivierend zu sein, das heißt, dass beim Abtragen des Chromoxids durch Kratzer auf der Oberfläche, sich sofort wieder neues passivierendes Chromoxid aus der darunterliegenden Chromschicht bei Kontakt mit Luftsauerstoff bildet.
Für die Bildung einer gleichmäßigen Passivschicht bei der Passivierung müssen jedoch neben dem Chromgehalt weitere Bedingungen erfüllt sein. Dies sind hauptsächlich eine metallisch reine Oberfläche und genügend Sauerstoff, um eine vollständige Oxidation entlang der Oberfläche zu gewährleisten. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so kann sich bei hohen Temperaturen (Temperaturen ab 450°C) keine spontane Oxidschicht bei selbst passivierenden nichtrostenden Stählen bil den, die Korrosionsbeständigkeit nimmt ab und es kommt zur Ausbildung einer porösen Chromoxidschicht in Folge von Verzunderung, welche nur noch geringen Korrosionsschutz ermöglicht. Daher erweist sich der Einsatz von selbst passivierenden nichtrostenden Stählen für die Fertigung von Bauteilen für Gar- und Backöfen im Anwendungsbereich ab 400°C als unvorteilhaft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, welches die Korrosionsbeständigkeit von Seitengittern, Beschlägen und Gargutträgern verbessert. Zudem soll ein metallisches Bauteil für einen dauerhaften Einsatz in Backöfen im Hochtemperaturbereich geschaffen werden.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein metallisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Das Verfahren zur Herstellung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen, sieht das Herstellen eines metallischen Rohteils vor, insbesondere durch Stanzen und Biegen eines Metallbleches, sowie das Aufbringen einer Plasmapolymerschicht auf der Oberfläche des Rohteils, das Erhitzen des beschichteten Rohteils auf eine Temperatur von mindestens 400°C und das Abkühlen des beschichteten Rohteils auf Raumtemperatur. Dadurch wird ein Rohteil geschaffen, das eine gute Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen aufweist. Bei der Beschichtung von Bauteilen für den Einsatz in Backöfen zeigte sich überraschenderweise erst nach einer thermischen Behandlung die zuvor mit einer Plasmapolymerschicht versehene Oberfläche als genügend widerstandsfähig, um den Belastungstests zu genügen.
Da die Schritte des Verfahrens auch automatisiert werden können, ist eine Anwendung in serieller Fertigung möglich. Die durch Plasmapolymerbeschichtung und thermische Behandlung erhaltene Oberfläche bewirkt einen verbesserten Korrosionsschutz auch im höheren Temperaturbereich gegenüber der bisherigen Passivierung.
Das Vorhandensein von polaren Gruppen in Folge der Plasmabehandlung ermöglicht zudem eine zusätzliche Vernetzung bei höheren Temperaturen von Polymer strängen untereinander und die Umordnung der Polymerstränge zur Ausbildung von Bindungen bis hin zur Ausbildung lokaler Kristallisationszonen. Diese Möglichkeiten haben eine Verfestigung des Polymermaterials, zusätzlich zu der Reißfestigkeit der amorphen Abschnitte des Polymers, zur Folge.
Diese zusätzliche Festigkeit der Plasmapolymeroberfläche in Folge der thermischen Behandlung macht sie daher resistenter gegenüber mechanischen Abriebs und sichert die wartungsfreie Nutzung der Bauteile, welches entsprechend dieses Verfahrens hergestellt wurde.
Vorzugsweise wird einer siliciumhaltigen Plasmapolymerbeschicht vorgesehen, die eine durchgehend feste SiO₂-Schicht bildet, welche sowohl die Korrosionsbeständigkeit erhöht, als auch Anlauffarben von Edelstählen kaschiert, die bei der thermischen Behandlung auftreten können.
Das plasmapolymerbeschichtete Rohteil wird vorzugsweise mindestens 20 Minuten, insbesondere mehr als 30 Minuten bei 400–600°C getempert. Dadurch wird eine haftfeste, korrosionsbeständige und weitgehend alterungsresistente Metall-Polymerverbindung erreicht. Die Zeit von mindestens 20 bzw. 30 Minuten ist von Vorteil, für die Vernetzung und Umorientierung der Polymerabschnitte.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Beschichtung sieht ein siliciumhaltiges Plasmapolymer vor, das im Bereich von 300–600°C temperaturbeständig ist. Silicium-Sauerstoffpolymerverbindungen, beispielsweise Silicone, sind kostengünstig, unkompliziert zu synthetisieren und chemisch resistent gegenüber einem Großteil von Chemikalien. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften finden derartige Polymere vielerlei Anwendungen als Baumaterialien oder auch Beschichtungsmaterial und erfüllen somit die Anforderungen, welche an Beschichtungsmaterial für die Hochtemperaturanwendung gestellt werden.
Die Wärmebehandlung der Plasmapolymerbeschichtung erfolgt vorteilhafterweise nach einem Temperaturprogramm, wobei in einer Aufheizphase des beschichteten Rohkörpers zwei unterschiedliche Temperaturgradienten verwendet werden. Zunächst geschieht das langsame Hochheizen des Rohteils von Raumtemperatur ϑ₀ = 0–40°C auf eine mittlere Temperatur ϑ₁ von 80–200°C. Anschließend erfolgt eine deutlich schnellere Aufheizphase, um die entsprechende Zieltemperatur ϑ₂ zu erreichen. Somit wird der Beschichtung ermöglicht, sich bei der thermischen Ausdehnung des Rohteils auf die veränderten Bedingungen einzustellen und sich gegebenenfalls neu entlang der Metalloberfläche zu orientieren.
Es ist von Vorteil, die Zieltemperatur ϑ₂ für das Aufheizen der Beschichtung im Bereich 400–600°C zu wählen, da diese Zieltemperatur der Temperatur bei der Pyrolysereinigung eines Backofens entspricht. Bei dieser Zieltemperatur ist eine Umorientierung von Polymersträngen möglich. Denn nach der Ausbildung von Bindungen der Polymerstränge untereinander ist eine weitere Umorientierung meist nicht mehr möglich, und kann entsprechenden mechanischen Belastungen, auch im Hochtemperaturbereich, standhalten. Verfügt das Polymer über organische Restgruppen, so werden diese bei der Zieltemperatur oxidiert, zurück bleibt eine feinverteilte anorganische Schicht mit hoher Netzwerkdichte, beispielsweise bei Siliconen.
Es ist zudem von Vorteil, die Zieltemperatur über einen Zeitraum von 15 bis 90 Minuten, vorzugsweise 25 bis 40 Minuten zu halten, da in diesem Zeitraum eine Umorientierung der Polymerketten gefolgt von der Ausbildung zusätzlicher Bindungen stattfinden kann.
Während der Abkühlphase empfiehlt sich ein hoher Temperaturgradient von beispielsweise 5–40 K/min, vorzugsweise 15–25 K/min, wodurch sowohl die Materialbelastbarkeit an der Grenzfläche durch unterschiedliche thermische Ausdehnung minimiert und als auch Fehlordnungen im Material verhindert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das beschichtete Rohteil bei einem Luftdurchsatz von 30–90 l/min, vorzugsweise 50–70 l/min getempert, wodurch eine Bindung des Plasmapolymers auf der Metalloberfläche geschaffen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil vor dem Aufbringen der Plasmapolymerschicht geglättet, um eine möglichst große Grenzfläche zwischen Polymer- und Metalloberfläche zu erreichen und zudem einen geringen Ab stand zwischen beiden Oberflächen zu erhalten. Das Bauteil kann vor der Beschichtung eine Oberflächenrauhigkeit von 300 bis 500 nm, vorzugsweise 300 bis 400 nm aufweisen, was die Adhäsion des Polymers an der Metalloberfläche verbessert. Vor der Aufbringung der Plasmapolymerschicht können Reinigungsverfahren wie z. B. eine Entfettung zum Einsatz kommen.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil ist insbesondere in Backöfen im Hochtemperaturbereich einsetzbar. Denn die Beschichtung bewirkt sowohl eine hohe Materialbelastbarkeit als auch eine hohe Temperaturbeständigkeit. In einem Backofen werden meist Lebensmittel gegart, die in der Regel viel Wasser enthalten, das verdunstet und sich an anderer Stelle niederschlägt. Dadurch ist bei Bauteilen in einem Backofen eine besondere Korrosionsanfälligkeit gegeben. Darüber hinaus sollte gerade in diesem Anwendungsbereich auf eine hygienisch hochwertige Verarbeitungsweise Wert gelegt werden.
Zudem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Plasmapolymerschicht von 50–500 nm, vorzugsweise 100–400 nm entlang der Oberfläche des Metalls auszubilden. Diese Schicht ermöglicht es, die Oberfläche des metallischen Bauteils sichtbar zu lassen, so dass das Bauteil als metallisches Bauteil wahrgenommen wird. Die Materialbeschaffenheit der transparenten Plasmapolymerschicht hat den Vorteil, dass mögliche Anlauffarben von Edelstählen kaschiert werden ohne den metallischen Glanz zu verlieren und somit im sichtbaren Bereich des Ofens einen optischen Effekt zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Bauteil eignet sich besonders gut für die Herstellung einer Auszugsführung, insbesondere können die Schienen der Auszugsführung entsprechend beschichtet werden.
Bei diesem Bauteil wird das Material durch Reibung derart beansprucht, dass das erfindungsgemäße Verfahren hier eine gute Alternative für den Korrosionsschutz zu bisher bestehenden Verfahren darstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Auszugsführung;
2 eine Explosionsdarstellung der Auszugsführung der 1; und
3 ein schematisches Temperaturdiagramm für das Herstellen eines beschichteten Bauteils.
Eine Auszugsführung für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere für Backöfen, umfasst eine Führungsschiene 1 und eine relativ zur Führungsschiene bewegbare Laufschiene 2, zwischen denen eine Mittelschiene 3 gelagert ist. Es sind auch Auszugsführungen bekannt, die nur über eine Führungs- und eine Laufschiene verfügen. Des weiteren finden auch Auszugsführungen Verwendung die über eine Führungsschien, eine Laufschiene und mehr als eine Mittelschiene verfügen. Für die verfahrbare Lagerung der Mittelschiene 3 und der Laufschiene 2 sind Wälzkörper 4, insbesondere aus Keramik, vorgesehen. Dabei sind an der Führungsschiene 1, der Mittelschiene 3 und der Laufschiene 2 jeweils mehrere Laufbahnen 6 für die kugelförmigen Wälzkörper 4 vorgesehen.
Die Schienen 1 bis 3 sind für den Einsatz in Backöfen aus einem gestanzten und gebogenen Stahlblech hergestellt und mit einer Beschichtung versehen. Die Herstellung der Bauteile der Auszugsführung, insbesondere der Schienen 1 bis 3 erfolgt durch die folgenden Schritte:
Zunächst werden die metallischen Rohteile durch Stanzen und Biegen hergesellt. Das Rohteil kann dabei maschinell gefertigt werden. Dann wird eine Plasmapolymerschicht auf der Oberfläche der Rohteile aufgebracht. Die beschichteten Rohteile werden dann auf eine Temperatur von mindestens 400°C erhitzt und für eine vorbestimmte Zeitdauer getempert, bevor sie wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Das Auftragen der Plasmapolymerschicht kann beispielsweise durch Funktionalisierung der Polymeroberflächen mit reaktiven, meist polaren Gruppen durch Plasmamodifikation und anschließendes Aufbringen dieser auf eine metallische Ober fläche erfolgen. Eine andere Möglichkeit ist eine direkte Plasmapolymerisation von Monomeren, die sich bereits auf einer metallischen Oberfläche befinden.
Ein Plasmapolymer hat eine funktionalisierte Oberfläche, dass heißt polare Gruppen, welche durch gezieltes Einwirken von Plasma gebildet werden. Diese funktionalisierte Oberfläche kann, neben Adhäsionskräften, auch kovalente Bindungen zwischen den polaren Gruppen der Polymeroberfläche und einer Metalloberfläche ausbilden. Die Grundstruktur des Polymers, vor der Plasmabehandlung ist ebenso maßgebend für die späteren Eigenschaften der Polymerbeschichtung wie die Plasmabestrahlung selbst. So kann eine plasmamodifizierte Teflonschicht, auf dem Metall anhaften jedoch zudem wasserabweisen. Die Länge der Polymerkette an den Kontaktstellen (spacer) bestimmt deren Flexibilität. Vorteilhaft bei einer Plasmabehandlung von Polymeren ist, dass die entstandenen funktionellen Gruppen chemisch so modifiziert werden können, dass sie sich der Metalloberfläche anpassen können.
In 3 ist schematisch ein Temperaturdiagramm für das Verfahren der dauerhaften Beschichtung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen dargestellt. Das beschichtete Rohteil wird zunächst von Umgebungstemperatur ϑ₀ erwärmt. Es beginnt mit einem Temperaturgradienten von 10 K/min ausgehend von einer Anfangstemperatur ϑ₀ von 25°C und geht dann bei einer mittleren Temperatur von ϑ₁ = 100°C in einen Temperaturgradienten von 25 K/min über. Beim Erreichen einer Zieltemperatur ϑ₂ von 500°C folgt ein Temperaturplateau über 30 min hinweg. Schließlich folgt eine Abkühlungsphase mit 15 K/min zurück zu ϑ₀.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Auszugsführung beschrieben. Es ist natürlich auch möglich, andere metallische Bauteile mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen. Insbesondere können Gargutträger, Seitengitter, Beschläge oder andere in Backöfen einsetzbare Bauteile beschichtet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Herstellen eines metallischen Rohteils; b) Aufbringen einer Plasmapolymerschicht (8) auf einer Oberfläche des Rohteils; c) Erhitzen des beschichteten Rohteils auf eine Temperatur von mindestens 400°C; und d) Abkühlen des beschichteten Rohteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Rohteil bei 400–600°C mindestens 20 min, vorzugsweise mindestens 25 min, getempert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmapolymerschicht ein siliciumhaltiges Plasmapolymer, mit einer Temperaturbeständigkeit im Bereich von 300–600°C, vorzugsweise 450–550°C, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Aufheizphase ein erster zeitabhängiger Temperaturgradient 8–10 K/min bis zu einer mittleren Temperatur und ein zweiter zeitabhängiger Temperaturgradient 10–30 K/min bis zu einer Zieltemperatur beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieltemperatur zwischen 400–600°C, vorzugsweise zwischen 450–550°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieltemperatur über einen Zeitraum von 15–90 Minuten, insbesondere 25 bis 40 Minuten, konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitabhängiger Temperaturgradient des kontrollierten Abkühlens des Rohteils 5–40 K/min, vorzugsweise 15–25 K/min, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Rohteil in einem Umluftverfahren mit einem Luftdurchsatz von 30–90 l/min, vorzugsweise 50–70 l/min getempert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Rohteils vor dem Auftragen der Plasmapolymerschicht (8) geglättet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil vor Auftragen der Plasmapolymerschicht auf eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als 400 nm, vorzugsweise weniger als 350 nm, geglättet wird.
Metallisches Bauteil, insbesondere für den Einsatz in Backöfen im Hochtemperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine, nach dem Verfahren aufgetragene Plasmapolymerschicht eine korrosionsbeständige, mechanisch belastbare Siliconschicht ist.
Bauteil nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmapolymerschicht eine Schichtdicke von 50–500 nm, vorzugsweise 100–400 nm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteils die aufgetragene Plasmapolymerschicht transparent ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Schiene einer Auszugsführung für Backöfen ausgebildet ist.