DE102009009559B4

DE102009009559B4 - Verfahren zum Verlängern der Standzeit von technischen Oberflächen

Info

Publication number: DE102009009559B4
Application number: DE102009009559.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Faber Stefan; Volker Hofmann; Manuel Herzog
Original assignee: Ceranovis GmbH
Current assignee: Ceranovis GmbH
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: DE102009009559A1

Abstract

Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Kokillen im Metallguss, wobei eine Oberfläche einer Kokille durch Strahlen auf eine Rautiefe Rzzwischen 5 µm und 100 µm eingestellt wird, auf diese Oberfläche mindestens eine Basisbeschichtung und auf die mindestens eine Basisbeschichtung eine weitere entformende Beschichtung als Deckschicht aufgebracht wird, wobei die Basisbeschichtung aus einer wasserglasbasierten Schicht besteht und die Deckschicht aus einer nanokeramischen Schicht besteht, wobei die nanokeramische Schicht- als Binder nanoskalige Al2O3-, AlOOH-, ZrO2- oder TiO2-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße (D90) zwischen 2 nm und 100 nm, sowie- neben den nanoskaligen Partikeln als weiteren Inhaltsstoff Al2O3-Partikel, Al2TiO5-Partikel und BN-Partikel umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von technischen Oberflächen, insbesondere von Kokillen, indem eine langzeitstabile abrasions- und temperaturstabile, flexible nanokeramische Formtrennschicht als dünnerTop-Coat auf eine wasserglasbasierte Grundschlichte in einer Kokille aufgebracht wird und gemeinsam mit dieser verfestigt wird. Das Verfahren betrifft das Vergießen von Metallen, insbesondere von Aluminium und seinen Legierungen durch das Niederdruck- oder Gravitations(Schwerkraft)-gießverfahren Die oberflächenveredelnde Deckbeschichtung verlängert die Standzeit der darunter hegenden Oberfläche signifikant. Sie erlaubt dadurch eine deutlich längere Betriebsdauer eines damit ausgerüsteten Werkzeugs und steigert somit die Produktivität und Effizienz des gesamten Gießprozesses.
Die Beherrschung der Gießprozesse ist in qualitäts- und kostengetriebenen Fertigungsprozessen das bestimmende Kriterium. Dies trifft besonders auf die Fertigung von Komponenten für die Automobilindustrie mit dem Kokillengießverfahren (Niederdruck und Gravitationsguss) zu. Prozessschwankungen und Ausfallzeiten führen hier sowohl in der Qualität als auch in der Kostenstruktur zu besonders hohen Einbußen.
Ein stark von Schwankungen betroffenes Feld sind die Kokillengussschlichten, die neben der Entformung des Gussteils auch durch ihre Isolierwirkung und Oberflächenstruktur das Formfüllverhalten und die Erstarrung der Schmelze wesentlich beeinflussen. Als Schlichte bezeichnet man dabei die als Schicht bzw. Formtrennschicht aus einer Suspension applizierten Trennmittel im Metallguss. Schlichten steuern die Entformung des Gussteils, sorgen für die notwendige Rauhigkeit und Isolation und schützen das darunter liegende Metallsubstrat (i. d. R. die aus Werkzeugstahl bestehende Kokille) vor dem Kontakt mit aggressiver Schmelze.
Konventionelle Kokillenschlichten bestehen meist aus einem wässrigen Natrium- und/oder Kaliwasserglasbinder sowie Füllstoffen wie Eisenoxid, FeOOH, Quarz, SiO₂ (insbesondere Kieselsol), Aluminiumoxid, Böhmit, Schichtsilikaten (insbesondere Bentonite oder Vermiculite), Gemischen aus Alkali- und Erdalkalisilikaten, Zirkonsilikat, Talkum, Aluminatspinellen, und/oder Titandioxid. Die entformende Wirkung wird durch den Zusatz von Bornitrid, Wolframdisulfid und/oder Graphit sichergestellt.
Beim Kokillengießverfahren (insbesondere für Al und Mg und deren Legierungen) wird von der Schlichte auch neben der Trennwirkung sowohl Rauhigkeit als auch Isolierwirkung gefordert. Die Rauhigkeit ist aus zwei Gründen sehr wichtig. Zum Einen sorgt sie für gute Fließeigenschaften durch das Aufreißen der Oxidhäute der Schmelze. Zum Anderen erwirkt die Rauhigkeit durch das sich bildende Luftpolster zwischen Schlichte und Schmelze eine extrem hohe Isolierwirkung.
Bei den gängigen Wasserglasschlichten wird der Wärmeübergang zwischen Schmelze und Kokille zum größten Teil durch dieses rauhigkeitsbedingte Luftpolster gesteuert. Es ist diese Rauhigkeit, die zwischen 40% und 80% der Isolierwirkung einer Schlichte hervorruft. Zudem unterstützt die Rauhigkeit die Formentlüftung.
Während bei offenen Formen ein Neu- oder Nachschlichten nach dem völligen Abtragen der Trennschicht erforderlich wird, muss beim Kokillengießen nachgeschlichtet werden, wenn sich die Rauhigkeit der Schlichte durch Abrasion lokal oder flächig aufgezehrt hat. Die Schicht selbst ist dann in großen Teilen noch vorhanden, aber das ständige Nachschlichten führt zum Schichtdickenaufbau und schließlich zu Abplatzungen. Spätestens dann ergibt sich die Notwendigkeit zum Abstrahlen und Neuschlichten. Dies führt neben teuren Stillstandszeiten zu weiteren Schwankungen im Prozess und zu einer verringerten Effizienz.
Die konventionell zur Verarbeitung von Schmelzen von Metallen und Gläsern eingesetzte Formtrennschicht hat die Aufgabe, eine Reaktion der Schmelze mit der Form zu verhindern, den Wärmeübergang zwischen Schmelze und Oberfläche örtlich zu beeinflussen sowie eine Trennung zwischen Gussstück und Form beim Abstreifen von der Oberfläche zu ermöglichen. Darüber hinaus dürfen Schlichten weder mit der Schmelze noch mit der Form reagieren. Sie sollen sich einfach mit gleichmäßiger Schichtdicke auf die konturgebenden Oberflächen auftragen lassen, an der Oberfläche der Gussteile nicht anhaften und, sofern sie als Verschleißschlichten aufgetragen werden, auf den Flächen der Kokillen nicht lokal aufbauen. Weiterhin darf eine Formtrennschicht nicht mit der Metallschmelze reagieren, keine Korrosion durch das flüssige Metall zeigen, eine Reparatur lokaler Beschädigungen zulassen und muss sich mittels gängigen Beschichtungsverfahren wie Sprühen, Pinseln, Tauchen, Rollen, Rakeln etc. auftragen lassen.
Aus der WO 2009/007093 A2 ist ein Schlichtesystem zum Schutz von Gießwerkzeugen und auch ein Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von technischen Oberflächen im Metallguss bekannt. Das Schlichtesystem basiert auf einem Wasserglasbinder. Auf eine mit dem Schlichtesystem hergestellte Schlichte kann eine Verschleißschicht aufgetragen werden, die bevorzugt auf Kieselsäure, einem Glasbildner, als Bindemittel aufbaut.
Aus der DE 10 2005 045 666 A1 ist eine Zusammensetzung zur Herstellung einer Formtrennschicht bekannt, die neben Aluminiumtitanat und/oder Siliziumnitrid eine oxidische anorganische Komponente und einen Binder mit nanoskaligen Teilchen enthält.
Aus der EP 1 486 473 B1 sind korrosionsbeständige, temperaturstabile, dauerhafte, für den Druckguss von Nichteisenmetallen geeignete Formtrennschichten enthaltend Bornitrid sowie Schlichten zu deren Herstellung bekannt. Die Schlichten enthalten einen anorganischen Binder, der kolloidale anorganische Partikel auf Basis von Silicium-, Zirkonium- oder Aluminumoxid oder Böhmit oder deren Gemische sowie zusätzliche anorganische Füllstoffe ausgewählt aus der Gruppe mit SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, AlOOH, Y₂O₃, CeO₂, SnO₂, Eisenoxiden und Kohlenstoff umfasst. Weiterhin kann der Binder Bornitrid-Partikel enthalten.
Die marktgängigen Wasserglas-Schlichten können genannte Idealbedingungen in der Form abbilden. Jedoch verschlechtern sich mit jedem Guss diese Bedingungen durch Abrieb (Zugstellen) oder chemischen Angriff durch die Schmelze. So kann das Silizium aus dem Wasserglas durch das Aluminium der Schmelze ausgetauscht werden, was zur Zerstörung der Schlichte führt. Diese Schlichten sind ansonsten auch sehr spröde, neigen zu Abplatzern, und haben einen systembedingten sehr hohen Siliziumgehalt. Auch können die entformenden Eigenschaften mit der Zeit nachlassen.
Das präzise Einstellen der Prozessparameter wird somit erschwert; und der rapide Verschleiß führt schnell zur Beeinträchtigung der Idealeinstellung, zu Verringerung der Rauhigkeit und Isolationswirkung und in der Folge zu Gussfehlern oder mangelnder Entformung.
Eine Stabilisierung der Eigenschaften der wasserglasbasierten Schlichten durch eine stark erhöhte Standzeit, eine Konservierung der Entformung, der Rauhigkeit und der Isolationswirkung würde die Schwankungen im Prozess und somit auch in der Produktqualität merklich dämpfen.
Aufgabe und Lösung:
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, ein Verfahren zur Erhöhung der Standzeit der beschriebenen Oberflächen insbesondere von Kokillen bereitzustellen, wobei als Konzept eine dauerhafte anorganische nanokeramische Formtrennschicht als Top-Coat eingesetzt wird. Diese Deckschicht wird von Metallschmelzen nicht benetzt, weist eine hohe mechanische Stabilität auf und kann auf eine existierende Basisschlichte aus Wasserglasschlichte appliziert werden. Die Deckschicht muss dabei nur Leistung bzgl. Standzeit und Entformung erbringen, d. h. Entformung und Schutz der darunter liegenden Oberfläche muss länger gewährleistet sein also ohne Deckschicht.
Dahingegen sind keine Rauhigkeit und keine Isolationswirkung notwendig, da dies durch die darunter befindliche Wasserglasschlichte bereits zur Verfügung gestellt wird.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass die Standzeit einer mit Wasserglasschlichte ausgerüsteten Kokille signifikant verlängert werden kann, wenn auf die konventionelle wasserglasbasierte Basisschlichte eine sehr dünne keramische nanopartikelgebundene entformende Schicht als Top-Coat appliziert wird und dieses Zweischichtsystem simultan verfestigt wird. Die nanopartikelgebundene Top-Coat-Schicht zeichnet sich dabei durch einen hohen Bornitrid- und Aluminiumtitanatgehalt aus.
Alle zwingenden Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im Anspruch 1 definiert.
Unter Top-Coat versteht man dabei die oberste Beschichtungslage in diesem mehrschichtigen Beschichtungssystem, wobei diese oberste Beschichtungslage in direktem Kontakt mit der Metallschmelze steht.
Unter einer nanopartikelgebunden Schicht bzw. einem nanokeramischen Top-Coat versteht man eine Zusammensetzung, die mindestens 1% Nanopartikel enthält. Erfindungsgemäß beträgt die mittlere Partikelgröße (D90) der Nanopartikel zwischen 2 nm und 100 nm. Die Partikelgröße wird dabei durch Lichtstreuung, elektronenmikroskopische Aufnahmen oder Röntgendiffraktometrie bestimmt. Als Nanopartikel, die bei Versinterung als keramischer Binder funktionieren, kommen insbesondere Al₂O₃, AlOOH, ZrO₂, oder TiO₂ in Frage.
Die nanokeramische Deckschicht (Top-Coat) besitzt eine stark erhöhte Resistenz gegenüber mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen beim Kokillenguss und wirkt somit prozessstabilisierend. Nanopartikelgebundene keramische Schlichten sind z. B. aus der DE 10 2005 045 666 A1 oder der EP 1486473 B1 der Anmelderin bekannt.
Die Verschleißbeständigkeit bei extrem dünner Schichtdicke wird dadurch erreicht, dass im Kokillenguss die Rauhigkeit der unten liegenden konventionellen Wasserglasschlichte mit einem dünnen Keramikfilm geschützt wird. Dieses Prinzip stabilisiert weiterhin Isolierwirkung und Oberflächenbeschaffenheit. In ist das Wirkprinzip der nanokeramischen Beschichtung für den Kokillenguss als dünne umhüllende Schutzschicht dargestellt, die die Oberflächenstruktur der isolierenden Kokillengussschlichte konserviert und die Isolierwirkung erhält.
Mit dem Einsatz von nanokeramischen Beschichtungen als Top-Coat wird weiterhin die Abrasionsresistenz merklich erhöht. Im Mittel kann eine verbesserte Standzeit von 300% gegenüber der üblichen Standzeit angenommen werden. Das ergeben die Resultate aus der Praxis, wobei auch Werte von 150% und 700% festgestellt wurden.
Der Grund für die Verbesserung der Standzeit liegt wahrscheinlich darin, dass die äußersten Mikrometer der Deckschicht dem flüssigen Aluminium zugewandt sind und daher bei den zur Verfügung stehenden ca. 700°C sehr gut versintern können. Dadurch entsteht eine mechanisch sehr stabile Schicht, die als Umhüllende die darunter liegende wasserglasbasierte Schicht schützt und somit die Rauhigkeit und die Isolationswirkung konserviert. Die Temperatur der Schmelze bewirkt weiterhin eine so feste keramische Beschichtung, dass das darin eingebettete weiche und entformende Bornitrid nur sehr langsam abgetragen werden kann und somit seine entformende Wirkung in sehr vielen Gießzyklen zur Verfügung stehen kann. Das Bornitrid sorgt weiterhin für eine verbesserte Elastizität, die die spröden harten Wasserglasschichten vor Abrasion und Abplatzern schützt.
Der Decklack zeichnet sich weiterhin durch einen sehr geringen Silizium-Gehalt aus und minimiert dadurch einen möglichen chemischen Angriff durch die Schmelze, da Si⁴⁺ durch Al³⁺ ausgetauscht werden kann, was im Endeffekt die Zerstörung der Schicht zur Folge hat. Der Decklack kann weiterhin zum punktuellen Reparieren von Fehlstellen (Nachnebeln) verwendet werden. Er verbindet sich problemlos mit der noch vorhandenen Schicht.
Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren applizierbare nanokeramische Top-Coat-Schlichte besteht im Wesentlichen aus:

a) Aluminiumtitanat oder Siliziumnitrid oder eine Kombination beider Materialien.
b) einem keramisches Oxydteilchen mit einer Mohsschen Härte > 6, insbesondere Aluminiumoxid oder Titandioxid oder eine Kombination beider Materialien.
c) einem anorganischen Binder, der nanoskalige Oxide enthält, insbesondere nanoskaliges Zirkonoxyd, nanoskaliges Titandioxid, nanoskaliges Aluminiumoxid, nanoskaliger Böhmit oder nanoskaliges Aluminiumtitanat, einschließlich aller bekannten Vorstufen. Besonders bevorzugt werden Mischungen zwischen nanoskaligem Titandioxid und nanoskaligem Aluminiumoxid oder nanoskaligem Böhmit, da hierdie Neigungvon einer Leichtmetallschmelze benetztzu werden, sehr gering ist.

In einer besonders bevorzugten Form wird optional ein siliziumorganischer Binder, wie z. B. eine wässrige Emulsionen von Alkylpolysiloxanen und/oder Alkylsiliconharze und/oder Phenylsiliconharze zugegeben, um die Verdichtung der erfindungsgemäßen Schicht bereits frühzeitig zu gewährleisten.
In einer weiteren bevorzugten Form wird die Kombination Aluminiumtitanat/Aluminiumoxid bzw. die Kombination Siliziumnitrid/Aluminiumoxid durch die Zugabe von BN oder Graphit ergänzt, da neben der Abrasionsstabilität und der ausgezeichneten Entformungseigenschaften so auch eine Flexibilisierung der Schicht gewährleistet wird. Die Pulver können vor ihrem Einsatz in entsprechenden Aggregaten wie Perlmühlen, Attritoren oder Draismühlen aufgemahlen bzw. dispergiert werden.
Die Beschichtung wird in wässriger Suspension appliziert, dann verfestigt und besteht im versinterten Zustand besonders bevorzugt aus:

a: Al₂O₃ mit einem Gehalt zwischen 30-70% und einer Partikelgröße zwischen 0.1 µm und 10 µm
b. ZrO₂ mit einem Gehalt zwischen 5-30% und einer Partikelgröße zwischen 5 nm und 500 nm
c: Polysiloxan mit einem Gehalt zwischen 0.1-10%, bevorzugt werden Alkylsiloxane oder Alkoxysiloxane sowie Alkylphenylsiloxane oder Alkoxaphenylsiloxane verwendet.
d: BN: mit einem Gehalt zwischen 2-25% und einer Partikelgröße zwischen 0.1 µm und 10 µm
e: Al₂TiO₅: mit einem Gehalt zwischen 2-25% und einer Partikelgröße zwischen 0.1 µm und 10 µm

Der Feststoffgehalt der wässrigen Suspension beträgt zwischen 10 und 50%, bevorzugt zwischen 20 und 30%. Die oben aufgeführten Partikel werden dabei entweder als Pulver oder als wässrige Suspension verwendet. Die optimale Schichtdicke der erfindungsgemäßen Top-Coat Formtrennschicht liegt zwischen 0.1 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 1 µm und 30 µm und besonders bevorzugt zwischen 2 und 20 µm. Die wässrigen Suspensionen können zur Dispergierung und Homogenisierung über eine Mühle, insbesondere eine Kugelspaltmühle, Drais-Mühle Perlmühle oder einen Attritor gelaufen sein. Der Gehalt an Nanopartikeln in der Schicht beträgt zwischen 1 und 50%, bevorzugt zwischen 5-25%.
Die Beschichtungssuspension kann verdünnt werden, indem mittels demineralisierten Wassers der ursprüngliche Feststoffanteil von 40-50% auf z. B. 20 Gew% eingestellt wird. Das zur Verdünnung verwendete Wasser enthält zweckmäßigerweise Additive die Sedimentation und Foulingprozesse verhindern können. Dabei kann es sich um Hydroxypropylzellulose-Derivate mit entsprechenden Biozid-Additiven (z. B. Acticide MBS Thor Chemie) handeln.
Unter der Top-Coat-Formtrennschicht befindet sich bevorzugt mindestens eine Grundschicht oder ein Primer, erfindungsgemäß ist eine Grundschicht auf Wasserglasbasis anwesend. Prinzipiell ist jede kommerzielle Schlichte von Herstellern wie Foseco, Acheson, Hüttenes-Albertus, Schäfer, Aschem, Hohnen, Zypcoatings oder Pyrotek geeignet. Es sind auch mehrere Grundschichten übereinander möglich, auf die der Top-Coat appliziert wird.
Die i. d. R. wässrigen Basisschlichten enthalten in verschiedenen Partikelgrößen typischerweise Natrium- und/oder Kaliwasserglasbinder sowie Füllstoffe wie Eisenoxid, FeOOH, Quarz, SiO₂ (insbesondere Kieselsol), Aluminiumoxid, Böhmit, Schichtsilikaten (insbesondere Bentonite oder Vermiculite), Gemische aus Alkali und Erdalkalisilikaten, Zirkonsilikat, Talkum, Aluminatspinellen, und/oder Titandioxid, sowie Bornitrid, Wolframdisulfid und/oder Graphit. Die Partikelgröße reicht dabei von wenigen nm bis zu einigen hundert µm.
Bevorzugt wird auf eine sandgestrahlte Kokillenoberfläche zuerst eine Wasserglasschlichte appliziert, auf die nach einer kurzen Trockenzeit eine dünne Top-Coat Schicht aus Nanokeramik gesprüht wird. Die Applikationstemperatur bei der Beschichtung beträgt zwischen 50 und 250°C, bevorzugt zwischen 80 und 190°C. Die Schichtdicke der Basisschlichte aus Wasserglas beträgt zwischen 10 µm und 150 µm, bevorzugt zwischen 25 µm und 100 µm. Die Schichtdicke des nanokeramischen Top-Coats beträgt zwischen 0.1 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 2 µm und 20 µm. Wird punktuell auf eine fehlerhafte Wasserglasschlichte nachträglich im Gießprozess am Gießplatz beschichtet, ist dies zwischen 90°C und 550°C Kokillentemperatur möglich.
Dieses Zweischichtsystem aus Wasserglasbasisschicht und Nanokeramik-Decklack wird nach Trocknen und vor dem Einsatz simultan bei Temperaturen bis 550°C verfestigt. Bevorzugt wird bei 400°C für zwei Stunden in einem Kammerofen verfestigt, es ist jedoch auch Verfestigungdurch eine direkte oder indirekte Beflammung sowie jede andere Heizmethode (elektrisch, IR, Induktion, etc) möglich. Durch diese Temperaturbehandlung wird durch Sinter- und Kondensationsvorgänge eine feste Schichtstruktur sichergestellt. Organische Reste der Ausgangsstoffe sowie organische Prozessadditive (Stellmittel, Entschäumer, Verlaufsmittel, Anti-Krater Additive) werden pyrolisiert.
Ein irreversibler Farbumschlag durch einen temperaturempfindlichen organischen Farbstoff in der Beschichtungssuspension weist darauf hin, dass die zur Versinterung notwendige Temperatur erreicht wurde. Hierzu wird der Beschichtung ein z. B. blauer, organischer Farbstoff zugesetzt, der bei 370°C irreversibel zerstört wird. Dies äußert sich in einer Entfärbung des Coatings. Eine blaue Einfärbung des Coatings hat beim Auftrag darüber hinaus den Vorteil, dass die Schichtdicke kontrolliert werden kann und durch die Farbe eine Unterscheidung vom Untergrund sehr gut möglich ist. Auch das Nachnebeln bei geöffneter Kokille wird dadurch erleichtert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die nanokeramische Deckschicht direkt auf eine metallische sandgestrahlte Oberfläche im Grundauftrag appliziert. Dabei beträgt die bevorzugte Temperatur zwischen 60°C und 110°C, besonders bevorzugt zwischen 70°C und 90°C.
Als Substrate kommen Metalle, insbesondere Werkzeug- und Edelstähle, Chrom-Nickel-Stähle oder Chrom-Molybdän-Stähle, sowie Aluminium, Titan, Eisen Kupfer, Chrom, Gusseisen, Stahlguss, Kesselstähle, aber auch Keramiken, Silikate, oder Feuerfestmaterialien in Frage.
Das beschriebene Top-Coat System erfordert, wie bereits erwähnt, i. d. R. den Einsatz einer Basisschlichte, um Isolierwirkung und Rauhigkeit zu erzeugen, aber auch um einen Haftvermittlereffekt sicherzustellen. Auf blankem Metall ist die Haftung des Top Coat Systems bei hoher Kokillentemperatur gut; die Haftung auf einer anderen Schlichte ist jedoch deutlich besser und bevorzugt. Auf eine bestehende Schlichte kann bis 550°C aufgenebelt werden.
Die zu beschichtende Kokille muss vor ihrem Einsatz sorgfältig gesäubert und gestrahlt werden. Als Strahlgut können gängige Materialien wie Schmelzkammerschlacke, Sand, Korund, Glasbruch oder auch Glasperlen verwendet werden. Die durch das Strahlen erzielte Rauhtiefe bestimmt das Luftpolster zwischen Schlichte und Schmelze und dadurch das Isolationsverhalten; je rauer gestrahlt wird, umso besser ist die Isolierwirkung. Erfindungsgemäß wird der R_z wert für die Rauhigkeit auf einen Wert zwischen 5 µm und 100 µm eingestellt. Ergänzend zum Sandstrahlen kann durch Einfräsen eine permanente Strukturierung der Kokillenoberfläche erreicht werden. Diese Strukturierung wirkt sich ebenfalls positiv auf die Isolationswirkung aus.
Nahezu alle metallischen und mineralischen Substrate, die vor aggressiven Schmelzen geschützt werden müssen und zudem hervorragende Trennwirkung leisten müssen, können mit einem nanokeramischen Produkt beschichtet werden. Hierzu gehören metallische Oberflächen wie Kokillen oder andere Werkzeuge, aber auch Feuerfestsubstrate wie Rinnen, Schöpflöffel, Öfen etc.
Die Standzeit üblicher Schlichten kann mit der beschriebenen Deckschicht um einen Faktor 1,5 bis 7 erhöht werden. Die spezifische Standzeitverlängerung hängt von einigen Faktoren, wie Geometrie der Kokille, Konstruktion und Wandstärke des gegossenen Teils, Temperatur und Zusammensetzung der verwendeten Legierungen, Zugstellen beim Öffnen der Kokillen, sowie der Temperatur der Kokille ab. Auch der Binder und die Inhaltsstoffe von Sandkernen, die zur Ausbildung von Hohlräumen im Gussteil benötigt werden, können durch mögliche Kondensatbildung die Standzeit des Beschichtungssystems beeinflussen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt im Niederdruck- oder Gravitationsguss eingesetzt, besonders bevorzugt bei der Verwendung von Kokillen als Gießform. Die Form kann dabei Sandkerne beinhalten, die z. B. mittels Aminen und Phenolharzen gebunden sind. Die Metalle, die mit erfindungsgemäßem Verfahren gegossen werden können, umfassen alle Nichteisenmetalle; bevorzugt sind Aluminium, Zink, Zinn, Magnesium, Blei, Kupfer und entsprechenden Legierungen. Als Legierungsbestandteile sind Eisen, Silizium, Magnesium, Titan, Aluminium bevorzugt.
Beispiele:
Beispiel 1:
Herstellung des Beschichtungsschlickers

Komponente	Anteil [%]
Al₂O₃ [50% ige Suspension]	49,30%
Al₂TiO₅	5,66%
BN-Suspension [40%ige Suspension]	14,35%
nano-ZrO₂ [35,5%ige Suspension]	19,04%
Korantin MAT	0,84%
AMP (2-Amino-2-methyl-1-propanol)	2,00%
Deuteron XG [2%ige Suspension]	5,11%
Polysiloxan	3,30%
Dye Blue (blauer Farbstoff]	0,40%

49.3 g einer Al₂O₃-Suspension [50 Gew% in Wasser] werden in einem Rührgefäß vorgelegt und 10 Minuten gerührt. Nach ca. 5 Minuten gibt man 5.66 g pulverförmiges Al₂TiO₅ dazu und rührt dieses ein, bis das Pulver homogen verteilt ist.
14.35 g einer BN-Suspension [40 Gew% in Wasser] werden anschließend dazugeben und für ca. 10 min untergerührt. Anschließend werden 19.04 g einer basischen nano-ZrO₂ Suspension [35.5 Gew% in Wasser] hinzugegeben und 5 min nachgerührt. Danach wird Korantin MAT und AMP untergerührt.
Anschließend wird Deuteron XG [2 Gew% in Wasser] als Stellmittel zugesetzt und weitere 30 min nachgerührt. Das in Form einer Emulsion eingesetzte Polysiloxan wird danach innerhalb von 5 min untergerührt. Zum Schluss gibt man als blauen Farbstoff Dye Blue (Hersteller: ASK) zu der Suspension hinzu und rührt solange nach bis eine homogene Farbe erzielt wird.
Nach Versinterung hat die Beschichtung typischerweise folgende Zusammensetzung:

Verbindung Al₂O₃ ZrO₂ Polysiloxan: BN: Al₂TiO₅

Gehalt 55% 15% 1% 15% 14%
Beispiel 2:
In einer Leichtmetallgießerei für Aluminiumräder wird eine Kokille vorbereitet, indem diese sandgestrahlt und auf 150°C in einem Ofen vorgewärmt wird. Auf die geöffnete Kokille wird im Kokillenvorbereitungsstand eine kommerzielle Wasserglasschlichte (Hersteller Foseco) mit einer mittleren Schichtdicke von 50 µm aufgesprüht.
Auf die Wasserglasschlichte wird die Zusammensetzung, hergestellt nach Beispiel 1, aufgesprüht. Die Kokillentemperatur beträgt weiterhin 150°C. Bevorzugt wird mit einer Niederducksprühpistole z. B. einer Satajet Fließbechersprühpistole bei einem Sprühdruck von 3 bis 6 bar gearbeitet. Der Sprühabstand zum Substrat sollte dabei ca. 30 cm betragen. Es wird im Kreuzgang gesprüht und eine Schichtdicke von 10 µm zusätzlich auf die Basisschlichte aufgebracht. Nach 15 Minuten wird die mit diesem Zweischichtsystem ausgerüstete Kokille bei 400°C für zwei Stunden in einem Ofen verfestigt, wobei der blaue Farbstoff des Decklacks zerstört wird und eine weißlich-gelbe Oberfläche erhalten wird.
Die Kokille wird nach Aufheizen in eine Niederdruckgießmaschine eingebaut und es werden anschließend Leichtmetallfelgen im Schichtbetrieb gegossen. Im Vergleich zu einer reinen Wasserglasschlichte konnte in dieser Gießerei die Standzeit der Kokille von 3 auf 6 Tage verdoppelt werden.
Beispiel 3:
Von einem Aluminium-Zylinderkopf werden in einer Automobilgießerei im Schwerkraftguss je Woche im Schnitt 750 Zylinderköpfe pro Kokille hergestellt. Bei Verwendung einer reinen Wasserglasschlichte muss die Kokille in der Regel nach 300 Teilen abgestrahlt werden, so dass eine kontinuierliche Produktion des Zylinderkopfes nicht möglich ist.
Bei Verwendung einer Deckschlichte und eines Verfahrens wie in Beispiel 1 und 2 beschrieben, konnte mehr als eine Woche kontinuierliche Produktion mit einem Ausstoß von 750 Teilen erzielt werden. Die Beschichtung war anschließend immer noch in gutem und funktionsfähigem Zustand.

Claims

Verfahren zur Verlängerung der Standzeit von Kokillen im Metallguss, wobei eine Oberfläche einer Kokille durch Strahlen auf eine Rautiefe R_z zwischen 5 µm und 100 µm eingestellt wird, auf diese Oberfläche mindestens eine Basisbeschichtung und auf die mindestens eine Basisbeschichtung eine weitere entformende Beschichtung als Deckschicht aufgebracht wird, wobei die Basisbeschichtung aus einer wasserglasbasierten Schicht besteht und die Deckschicht aus einer nanokeramischen Schicht besteht, wobei die nanokeramische Schicht - als Binder nanoskalige Al₂O₃-, AlOOH-, ZrO₂- oder TiO₂-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße (D90) zwischen 2 nm und 100 nm, sowie - neben den nanoskaligen Partikeln als weiteren Inhaltsstoff Al₂O₃-Partikel, Al₂TiO₅-Partikel und BN-Partikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisbeschichtung aus Kali- und/oder Natriumwasserglas besteht und eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 150 µm, und bevorzugt zwischen 20 µm und 100 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokillen im Niederdruckguss oder Schwerkraftverfahren betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nanokeramische Deckschicht eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 50 µm und bevorzugt zwischen 3 und 20 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nanokeramische Deckschicht mindestens ein anorganisches Bindemittel beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe von Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, AIOOH, Al₂TiO₅ oder Si₃N₄.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nanokeramische Deckschicht neben den nanoskaligen Teilchen mindestens einen weiteren Inhaltsstoff aufweist, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide und Nitride, Polysiloxane, Silicone, Bornitrid und Titanate.
Kokille, umfassend mindestens eine Basisschicht und eine Deckschicht, wobei die Basisschicht aus einer wasserglasbasierten Schicht besteht und auf eine durch Strahlen aufgerauhte Oberfläche der Kokille mit einer Rauhtiefe R_z zwischen 5 µm und 100 µm aufgebracht ist und die Haftung auf der Kokille und die Isolationswirkung bewirkt und die Deckschicht aus einer nanokeramischen Schicht besteht und eine Verlängerung der Standzeit der Kokille um mindestens 50% gewährleistet, wobei die nanokeramische Schicht - als Binder nanoskalige Al₂O₃-, AIOOH-, ZrO₂- oder TiO₂-Partikel mit einer mittleren Partikelgröße (D90) zwischen 2 nm und 100 nm, sowie - neben den nanoskaligen Partikeln als weiteren Inhaltsstoff Al₂O₃-Partikel, Al₂TiO₅-Partikel und BN-Partikel umfasst.