DE102011004889A1

DE102011004889A1 - Oberflächenbeschichtung von nichtrostendem Edelstahl

Info

Publication number: DE102011004889A1
Application number: DE102011004889A
Authority: DE
Inventors: Dennis Klöppel; Jürgen Heinz
Original assignee: Accuride International GmbH
Current assignee: Accuride International GmbH
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-06

Abstract

Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallteilen aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere von Schienenelementen eines Teleskopauszugs oder Anbauteilen für einen Telekosauszug, bei dem man in einer ersten Stufe das Metallteil für eine Dauer von wenigstens 2 min einem Elektropolierverfahren in einem Säurebad unterzieht, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 36 mN/m aufweisen, in einer zweiten Stufe eine Beschichtungszusammensetzung nasschemisch auf die Oberfläche des Metallteils aufbringt, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein alkoholisches Lösungsmittel, als Bindemittel hydrolysierbares Alkoxysilan und mindestens einen Füllstoff mit einer mittleren Teilchengröße im Nanobereich von 0,1 bis 500 nm (Nanopartikel) enthält, in einer dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammesetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C tempert.

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallteilen aus nichtrostenden Edelstählen, insbesondere von Schienenelementen eines Teleskopauszugs oder Anbauteilen für einen Teleskopauszug, sowie nach dem Verfahren hergestellte Metallteile.
Hintergrund der Erfindung
Teleskopauszüge werden unter anderem in Backöfen zum Halten sowie zum leichten Ein- und Ausfahren von Gargutträgern eingesetzt. Neben den Aspekten der leichtgängigen Verfahrbarkeit, der dabei auftretenden Geräuschentwicklung, der Haptik und der Stabilität, werden insbesondere im Backofenbereich noch Anforderungen an die Lebensmittelechtheit und die Reinigungsfähigkeit der Teleskopauszüge gestellt.
Teleskopauszüge bestehen aus zwei oder mehr länglichen Schienenelementen, die in Längsrichtung gegeneinander verfahrbar bzw. gleitend gelagert sind. Man unterscheidet zwischen kugel- oder walzen- bzw. rollengelagerten Teleskopauszügen einerseits und Gleitauszügen andererseits. Kugel- oder walzen- bzw. rollengelagerte Teleskopauszüge bieten in der Regel ein ruhigeres und leichter gängiges Laufverhalten und eine hohe Stabilität. Bei Kugellagern werden die Kugeln zwischen zwei Schienenelementen üblicherweise durch Kugelkäfige in einer relativen Position zueinander gehalten, um ein Auseinanderlaufen der Kugeln zu verhindern. Um ein leichtgängiges und möglichst geräuscharmes Gleiten der Schienenelemente zu gewährleisten, werden die Kugel- oder Walzenlager und die entsprechenden Laufflächen an den Schienenelementen mit Schmiermitteln versehen. Die Schmiermittel werden bei der Herstellung der Teleskopauszüge in die Kugel- oder Walzenlager eingebracht und sollen in der Regel die gesamte Lebensdauer der Teleskopauszüge überdauern, ohne dass ein Nachschmieren erforderlich ist. Insbesondere bei Teleskopauszügen, die in Backöfen eingesetzt werden, müssen die Schmiermittel hohe Anforderungen an die Lebensmittelechtheit und Hitzebeständigkeit erfüllen. Bei herkömmlichen Backöfen müssen die Schmiermittel bis zu Temperaturen von etwa 300°C stabil sein und ihre Schmiereigenschaften beibehalten. Bei modernen Backöfen mit Pyrolysereinigung werden die Schienen zur Reinigung des Backofens sogar regelmäßig für Zeiträume von ein bis drei Stunden. Temperaturen bis zu 500°C ausgesetzt. Nur wenige Schmiermittel halten Temperaturen bis 300°C stand und erfüllen gleichzeitig die Anforderungen an die Lebensmittelechtheit und gesundheitliche Unbedenklichkeit. Für Temperaturen bis 500°C gibt es derzeit keine geeigneten Schmiermittel, die gleichzeitig auch für den Lebensmittelbereich zugelassen sind.
Bei Gleitauszügen werden die Schienenelemente ohne Kugel- oder Walzenlager an Gleitflächen der Schienenelemente unmittelbar gegeneinander verschoben. Gleitauszüge bieten üblicherweise nicht die Leichtgängigkeit von kugel- oder walzengelagerten Teleskopauszügen. Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften können auch Gleitauszüge mit Schmiermitteln versehen sein, die jedoch gerade beim Einsatz in Backöfen ebenfalls die oben genannten hohen Anforderungen an Lebensmittelechtheit, gesundheitliche Unbedenklichkeit und Temperaturbeständigkeit erfüllen müssen.
Teleskopauszüge, die verhältnismäßig hohen Belastungen ausgesetzt sind, werden üblicherweise aus Stahl hergestellt, unabhängig davon, ob sie als kugel- oder walzengelagerte Teleskopauszüge oder als Gleitauszüge ausgebildet sind. Ein Nachteil von Teleskopauszügen aus Stahl im Backofenbereich ist die Oxidation oder Zunderbildung auf den Oberflächen der Schienenelemente oder auch der Kugeln oder Walzen bei hohen. Temperaturen. Die Veränderung der Oberflächen durch Oxidation und Zunderbildung führt zu einer Verschlechterung der Gleiteigenschaften der Teleskopauszüge im Laufe der Zeit. Des Weiteren verfärben sich Teleskopauszüge aus Stahl ungleichmäßig, was nicht zuletzt aus ästhetischen Gründen unerwünscht ist. Diese Probleme treten insbesondere bei Teleskopauszügen in Pyrolysebacköfen auf, die zeitweilig mit sehr hohen Temperaturen bis 500°C betrieben werden. Darüber hinaus verschmutzen die Oberflächen der Schienenelemente im Backofenbereich sehr leicht. Im Betrieb schlagen sich Fette und andere Stoffe aus dem Gargut auf den Schienenelementen nieder und werden im Laufe der Zeit in das Material eingebrannt, so daß sie sich nur sehr mühsam oder gar nicht mehr entfernen lassen. Zudem verkratzen die Oberflächen der Schienenelemente insbesondere im Backofenbereich sehr leicht, da hier häufig scharfkantige Bereiche von anderen Metallgegenständen, z. B. dem Gargutträger, mit den Schienenelementen in Kontakt kommen.
Es ist bekannt, Teleskopauszüge, insbesondere die Schienenelemente von Teleskopauszügen, zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit, der Pyrolysebeständigkeit, der Beständigkeit gegen Verschmutzung, der Kratzfestigkeit, der Reinigungsfähigkeit und/oder der Laufeigenschaften mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen. Viele der bekannten Beschichtungen haben den Nachteil, dass sie einige oder alle der gewünschten Eigenschaften nicht ausreichend erfüllen. Häufig besitzen Beschichtungen mit guten Oberflächeneigenschaften eine ungenügende bis schlechte Haftung auf dem Substrat und neigen dazu, sich im Laufe der Zeit unter hoher mechanischer Beanspruchung und/oder harten Temperaturbeanspruchungen abzuschälen oder abzuplatzen.
Die DE 10 2005 002 315.0 beschreibt einen Teleskopauszug für den Lebensmittelbereich und für den Einsatz in Backöfen, bei dem die Schienenelemente aus Stahl oder Edelstahl zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Verschmutzen und zur Verbesserung der Reinigungsfähigkeit mit einer Beschichtung aus Email versehen werden. Zur Verbesserung der Haftung der Emailschicht ist zwischen dem Grundkörper aus Stahl oder Edelstahl und der Beschichtung aus Email eine Zwischenschicht aus Aluminium oder Aluminium-Silizium-Legierung vorgesehen.
Die DE 10 2004 027 717 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer PTFE-Beschichtung auf den Schienenelementen eines Teleskopauszugs für einen Backofen, bei dem man auf das Schienenelement, wenn es sich um Baustahl handelt, zunächst eine ein- oder mehrlagige Grundierungsbeschichtung aufbringt, deren äußerste Lage eine Chromschicht ist. Wenn das Grundmaterial Edelstahl ist, wird dieser erste Beschichtungsschritt ausgelassen. Anschließend wird das Schienenelement einer Temperaturbehandlung bei einer Temperatur über 300°C für wenigstens 10 min und weiter einer Oberflächenbehandlung, bei der die Oberfläche eine Rauheit von mindestens 2 μm erhält, unterzogen, bevor dann eine oder mehrere Schichten einer PTFE enthaltenden Lösung oder Suspension aufgebracht werden, die schließlich bei einer Temperatur zwischen 300°C und 450°C gebrannt werden.
Generell werden metallische Substrate vor dem Aufbringen von Beschichtungen einer Oberflächenreinigung oder Oberflächenvorbereitung unterzogen, bei der lose Partikel, wie Staubteilchen, aber insbesondere Fettrückstände, die von der Produktion des Materials herrühren, entfernt werden sollen, um die Haftung der Beschichtung zu verbessern.
Ein übliches Verfahren zur Oberflächenreinigung oder Oberflächenvorbereitung von Metallsubstraten und anderen Oberflächen vor einer Beschichtung ist das Abwischen der Oberfläche mit Acetonreiniger mit einem Baumwolltuch. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Reinigung mittels Ultraschall in einem Tauchbad mit einer Reinigungslauge bei erhöhter Temperatur. Weiterhin bekannt ist die Abkochentfettung in einer stark alkalischen Lösung bei einer Temperatur von etwa 60 bis 80°C. Das Beizen der Oberfläche mittels aggressiver Chemikalien, meist Säuren oder Laugen, wird unter anderem in der Galvanotechnik eingesetzt, um aufgetragene Metallschichten zu entfernen oder um eine oxidfreie Oberfläche zu erhalten. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das Bürsten, insbesondere eine Strichmattierung unter Einsatz von Schleifvlieswerkzeugen in verschiedenen Ausführungen. Alle vorgenannten Verfahren sind zur Vorbereitung metallischer oder anderer Substratoberflächen bekannt und hinlänglich geeignet. Dennoch treten je nach aufgebrachter Beschichtung und insbesondere bei hoher mechanischer Beanspruchung und/oder Temperaturbeanspruchung des Produkts Probleme hinsichtlich Haftung und Haltbarkeit der Beschichtung auf, welche die Qualität, Eignung und Lebensdauer des Produkts beeinträchtigen. insbesondere bei Teleskopauszügen für Backöfen, besonders bei Backöfen mit Pyrolysereinigung, sind die Haftung und Haltbarkeit der Beschichtung auf dem Substrat ein wesentliches Kriterium für die Einsetzbarkeit einer Beschichtung. Gerade bei sehr dünnen Beschichtungen beeinträchtigt eine schlechte Haftung der Beschichtung auf dem Substrat auch deren Kratzfestigkeit.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte pyrolysebeständige, schmutzabweisende, kratzfeste, lebensmittelbeständige und optisch einwandfreie Oberflächenbeschichtung für Metallteile aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere für Schienenelemente von Teleskopschienen und Anbauteile für Backöfen bereitzustellen, die insbesondere eine bessere Haftung und Haltbarkeit sowie Beständigkeit gegen Verfärbung bei hohen Temperaturen besitzt, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallteilen aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere von Schienenelementen eines Teleskopauszugs oder Anbauteilen für einen Teleskopauszug, bei dem man in einer ersten Stufe das Metallteil für eine Dauer von wenigstens 2 min einem Elektropolierverfahren in einem Säurebad unterzieht, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 36 mN/m aufweisen,
in einer zweiten Stufe eine Beschichtungszusammensetzung nasschemisch auf die Oberfläche des Metallteils aufbringt, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein alkoholisches Lösungsmittel, als Bindemittel hydrolysierbares Alkoxysilan und mindestens einen Füllstoff mit einer mittleren Teilchengröße im Nanobereich von 0,1 bis 500 nm (Nanopartikel) enthält,
in einer dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 350°C bis 600°C getempert.
Elektropolieren
Das Elektropolieren ist ein an sich bekanntes Verfahren, das jedoch bislang zu anderen Zwecken eingesetzt wird als bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung. Beim Elektropolieren wird Metall von einem metallischen Werkstück in einem speziell auf das Material abgestimmten Elektrolyten anodisch abgetragen.
Das Elektropolieren wird im Stand der Technik aus dekorativen Zwecken, zum Beispiel für Fassadenbleche und Schmuck, angewendet. Es wird im Rohrleitungs- und Behälterbau eingesetzt. Ebenso wird in der Medizintechnik elektropoliert, denn mit der Elektropolitur sinkt das Keimanhaftungsvermögen. Chirurgische Instrumente, aber auch Implantate wie Gefäßstützen (Stents) werden derart bearbeitet. Am häufigsten werden rostfreie Chrom- und Chrom-Nickel-Stähle elektropoliert, um deren Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Mikroskopisch betrachtet verringert sich durch eine solche Behandlung die Oberfläche erheblich, was Umwelteinflüssen wiederum weniger Angriffsmöglichkeiten bietet. Beispiele für Anwendungen elektropolierter Metalle sind Anlagen von Klärwerken und der Chemieindustrie, aber auch im maritimen Bereich wird häufig darauf zurückgegriffen. Darüber hinaus werden z. B. in der Hochvakuumindustrie oftmals elektropolierte Rezipienten und Anschlussstücke eingesetzt, um die Oberfläche und damit die Menge anhaftender Adsorbate so gering wie möglich zu halten.
Beim Elektropolieren bildet das metallische Werkstück die Anode in einer elektrochemischen Zelle. Industriell werden Stromdichten angelegt, die einen Abtrag im transpassiven Bereich der Stromdichte-Spannungs-Kurve ermöglicht. Dies hat zur Folge, dass nicht nur Metall abgetragen wird, sondern auch Sauerstoff an der Anode, dem Werkstück, entsteht. Übliche Elektrolyte sind häufig Mischungen aus Mineralsäuren und Wasser sowie in einigen Fällen Alkoholen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Gemische aus Phosphorsäure und Schwefelsäure, die für das Elektropolieren von Edelstählen und Stählen sowie Aluminiumlegierungen geeignet sind. Dem Elektrolytbad können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oberflächenaktive Substanzen zugemischt werden, um den Reinigungseffekt zu verbessern. Der Elektrolyt und die Bearbeitungsparameter, insbesondere die Bearbeitungsdauer, die Stromdichte und die Elektrolyttemperatur, werden an die jeweilige Anwendung und das Metall angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt man das Elektropolierverfahren der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Dauer von 2 bis 60 min durch. Aus ökonomischen Gründen sind Elektropolierzeiten von 5 bis 30 min besonders bevorzugt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt man das Elektropolierverfahren der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Temperatur von 30°C bis 85°C, besonders bevorzugt von 40°C bis 75°C durch.
Die Stromdichte bei dem Elektropolierverfahren der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 3 bis 30 A/dm², besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 25 A/dm².
Das Elektrolytbad bei dem Elektropolierverfahren der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht vorzugsweise aus einem Gemisch aus Schwefelsäure und Orthophosphorsäure, obwohl auch andere dem Fachmann bekannte und für den erfindungsgemäß zu bearbeitenden Werkstoff geeignete Elektrolytbadzusammensetzungen verwendet werden können. Besonders bevorzugt verwendet man ein Säurebad, welches aus einem Gemisch aus Schwefelsäure (95%) und Orthophosphorsäure (85%) im Verhältnis 1:2 bis 2:1, ganz besonders bevorzugt etwa 1:1 besteht. Dem Elektrolytbad können zusätzlich oberflächenaktive Substanzen zugemischt werden.
Durch das Elektropolieren in der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberflächenrauheit des Werkstücks verringert. Man spricht von elektrochemischen Glätten. Ebenso wird die Nanorauheit der Oberfläche des Werkstück reduziert. Man spricht von elektrochemischem Glänzen. Der Glanz ist ein Resultat der Rauheit im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
Erfindungsgemäß wird das Elektropolierverfahren der ersten Stufe durchgeführt, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 36 mN/m aufweisen. Die Oberflächenenergiedichte, auch als Oberflächenspannung bezeichnet, wird im Anschluss an den Elektropoliervorgang bestimmt. Ohne den die Oberfläche des Werkstücks vorbereitenden Schritt des Elektropolierens oder bei einer zu geringen Oberflächenenergiedichte wäre die Benetzung des Werkstücks mit der in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzubringenden Beschichtungszusammensetzung ungenügend und ungleichmäßig. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Elektropolierverfahren der ersten Stufe durchführt, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 42 mN/m, besonders bevorzugt ≥ 46 mN/m aufweisen. Je höher die Oberflächenenergiedichte ist desto besser ist die Benetzung des Werkstücks mit der Beschichtungszusammensetzung.
Die Oberflächenenergiedichte kann mittels handelsüblich erhältlichen Testtinten oder Teststiften bestimmt werden, beispielsweise arcotest^® der Firma Arcotest GmbH, Mönsheim, Deutschland. Die Testtinten oder Teststifte enthalten Flüssigkeiten definierter Oberflächenspannung, die auf das zu prüfende Material aufgetragen werden. Bleibt der Auftrag für eine bestimmte Zeit stehen, ohne sich zusammenzuziehen, so ist die Oberflächenenergiedichte entweder gleich hoch wie die Oberflächenspannung der jeweils eingesetzten Flüssigkeit oder höher.
In der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Beschichtungszusammensetzung nasschemisch auf die Oberfläche des Metallteils aufgebracht. Die Beschichtungszusammensetzung enthält ein alkoholisches Lösungsmittel, als Bindemittel hydrolysierbares Alkoxysilan und mindestens einen Füllstoff mit einer mittleren Teilchengröße im Nanobereich von 0,1 bis 500 nm (Nanopartikel).
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das Lösungsmittel der Beschichtungszusammensetzung Isopropanol und Ethanol. Weitere als Lösungsmittel geeignete Bestandteile, insbesondere weitere Alkohole, können enthalten sein. Besonders bevorzugt besteht das Lösungsmittel nur aus einem Gemisch aus Isopropanol und Ethanol.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der Füllstoff (Nanopartikel) der Beschichtungszusammensetzung Metalloxide, vorzugsweise Metalloxide von Aluminium und/oder Zirkonium, aber auch die Oxide anderer Metalle sind erfindungsgemäß einsetzbar. Die Nanopartikel haben erfindungsgemäß eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,1 bis 500 nm. Vorzugsweise haben die Nanopartikel eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 300 nm, besonders bevorzugt von 5 bis 200 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Füllstoff (Nanopartikel) in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 15 Gew.-% enthalten.
Durch das Einbringen der Nanopartikel werden verbesserte Produkteigenschaften erzielt, wie z. B. höhere Abriebfestigkeiten und Schmutz abweisende Eigenschaften sowie verbesserte Beständigkeit gegen Verzunderung und Anlaufen bzw. Farbveränderung bei hohen Temperaturen, wie sie bei der Pyrolyse in Backöfen angewendet werden.
Um eine besonders gleichmäßige Benetzung der Werkstückoberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung zu erzielen ist es vorteilhaft die Beschichtungszusammensetzung in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Oberfläche des Metallteils aufzubringen, indem man die Metallteile in die Beschichtungszusammensetzung eintaucht und mit einer konstanten oder einer abnehmenden Geschwindigkeit im Bereich von 300 bis 500 mm/min, vorzugsweise 350 bis 450 mm/min aus der Behandlungslösung herauszuziehen. Bei zu schnellem oder zu langsamen Herausziehen der Metallteile kann die Benetzung der Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung zu dünn oder zu dick sein, oder die Oberfläche kann nicht vollständig mit der Beschichtungszusammensetzung bedeckt sein oder es können sich Tropfen oder Nasen bilden, die zu einer unerwünschten ungleichmäßigen Beschichtung führen. Da die Beschichtungszusammensetzung beim Herausziehen aus dem Tauchbad von oben nach unten abläuft, kann es zur Vermeidung einer zunehmenden Benetzungsdicke zum unteren Bereich des Werkstücks hin vorteilhaft sein, das Werkstück zunächst mit höherer und stetig abnehmender Geschwindigkeit aus dem Tauchbad herauszuziehen, damit die nicht anhaftende Beschichtungszusammensetzung von oben nach unten ablaufen kann. Die erforderliche Veränderung der Geschwindigkeit beim Herausziehen des Werkstücks aus dem Tauchbad, um eine gewünschte und gleichmäßige Beschichtungsdicke zu erzielen, hängt von der Größe und Form des Werkstücks, der Zusammensetzung, den Fließeigenschaften und den Benetzungseigenschaften der Beschichtungszusammensetzung und den Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Luftfeuchte, ab und lässt sich in der Praxis vom Fachmann leicht ermitteln. Im Anschluss an die Benetzung der Oberfläche des Werkstücks mit der Beschichtungszusammensetzung lässt man die Beschichtungszusammensetzung unter Verdampfen des darin enthaltenen Alkohols trocknen. Je nach Zusammensetzung der Beschichtungszusammensetzung und Temperatur hat sich eine Trocknungsdauer von etwa 15 min oder weniger als geeignet erwiesen.
Die in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Oberfläche des Metallteils aufgebrachte Beschichtungszusammensetzung enthält als Bindemittel hydrolysierbares Alkoxysilan, welches beim anschließenden Tempern durch Kondensation ein vernetztes anorganisches Gitter als Matrix für die Nanopartikel ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das als Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung enthaltene hydrolysierbare Alkoxysilan ausgewählt unter Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GPTES), 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MPTS), Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS), Vinyltriethoxysilan (VTES), Vinyltrimethoxysilan (VTMS), Tetramethoxysilan, Tetra-n-propoxysilan, Tetra-n-butoxysilan, Cyclohexyltrimethoxysilan, Cyclopentyltrimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Phenylethyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, n-Propyltrimethoxysilan, Cyclohexylmethyldimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Diisopropyldimethoxysilan, Phenyimethyldimethoxysilan, Phenylethyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Phenylmethyldiethoxysilan, Phenyldimethylethoxysilan und Gemischen und Kombinationen davon. Besonders bevorzugt ist das als Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung enthaltene hydrolysierbare Alkoxysilan Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS) oder ein Gemisch aus beiden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das als Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung der zweiten Stufe enthaltene hydrolysierbare Alkoxysilan in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 30 Gew.-% enthalten.
In der dritten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C getempert. Beim Tempern findet eine Kondensationsreaktion der Siloxanverbindungen und die Ausbildung eines vernetzten anorganischen Gitters als Matrix für die Nanopartikel statt. Dabei schrumpft das Material der Beschichtung und seine Dichte erhöht sich. Bei einer Temperatur unter 300°C wird keine ausreichende Dichte der Beschichtung erzielt. Bei einer Temperatur über 600°C wird die Beschichtung oxidiert bzw. verbrennt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 550°C, vorzugsweise 440°C bis 500°C getempert. Der Zeitraum des Tempern beträgt zweckmäßigerweise von 10 min bis 4 h, vorzugsweise von 30 min bis 2 h, besonders bevorzugt von 45 min bis 90 min.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammensetzung versehenen Metallteile unter Umgebungsluftatmosphäre ohne Schutzgas getempert. Vorzugsweise wird hierfür ein Umluftofen eingesetzt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zweite und dritte Stufe genau einmal durchgeführt, um eine einlagige Beschichtung auf die Oberfläche des Metallteils aufzubringen.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zweite und dritte Stufe 2 bis 4, vorzugsweise 2 bis 3 mal wiederholt. Durch das Aufbringen mehrerer Lagen der Beschichtung wird eine höhere Dichte und damit verbesserte Haftung und Haltbarkeit der Beschichtung sowie Beständigkeit gegen Verfärbung bei hohen Temperaturen und Kratzfestigkeit erzielt. Besonders bevorzugt werden die zweite und dritte Stufe 2 mal wiederholt, um eine zweilagige Beschichtung auf die Oberfläche des Metallteils aufzubringen. Die Dichte einer solchen Beschichtung ist zufriedenstellend hoch und die zweilagige Beschichtung spart gleichzeitig gegenüber mehrlagigen Beschichtungen weitere Arbeitsschritte und Material ein.
Die Erfindung umfasst auch ein Metallteil aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere ein Schienenelement eines Teleskopauszugs oder ein Anbauteil für einen Teleskopauszug, mit einer Oberflächenbeschichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Beispielen.
Beispiele
Schienenelemente einer Teleskopschiene aus nichtrostendem Edelstahl der Qualität 1.4301 wurden in einer ersten Stufe einem Elektropolierverfahren gemäß der Erfindung mit folgenden Parametern unterzogen:

Elektropolierbad: Schwefelsäure (96%) + Orthophosphorsäure (85%) Verhältnis 1:1

Stromdichte: 15 A/dm²

Temperatur: 60°C

Behandlungsdauer: 15 min

Kathode: Kupfer
Es wurden durch diese Behandlung Oberflächenenergiedichten mittels Testtinten (arcotes^®) ≥ 46 mN/m erzielt.
Zu Vergleichszwecken wurden entsprechende Werkstücke durch Acetonreinigung, Ultraschallreinigung, Perchlorethylen und/oder durch alkalisches Abkochen entfettet und nicht durch Elektropolieren vorbehandelt.
Anschließend wurden die Schienenelemente im Tauchverfahren mit einer Beschichtungszusammensetzung versehen, die als Lösungsmittel 50–55% Isopropanol und 10–15% Ethanol sowie Siloxanverbindungen und nanopartikuläre Metalloxide enthielt (Produkt: x-tec TP 4039 der Firma NANO-X GmbH, Saarbrücken, Deutschland). Die Schienenelemente wurden vertikal in das Tauchbad eingetaucht und mit einer Geschwindigkeit von 400 mm/min herausgezogen. Danach wurden die Schienenelemente im Umluftofen bei 500°C für 60 min unter Umgebungsatmosphäre getempert. Die Stufen der Beschichtung und des Temperns wurden entweder 1 mal (einlagige Beschichtung), 2 mal (zweilagige Beschichtung) oder 3 mal (dreilagige Beschichtung) durchgeführt.
An allen beschichteten Schienenelementen wurde nach 20 Pyrolysezyklen für jeweils 2,5 h bei 470°C eine visuelle Beurteilung durchgeführt.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Angaben der Beurteilungen haben folgende Bedeutungen:
– – – Ungenügende Optik – Kratzspuren/viele Schlieren/Wasserrückstände/Abdrücke/Rückstände von Umformprozess
– – Mangelhafte Optik – Kratzspuren/Schlieren/Wasserrückstände/Abdrücke
– Ausreichende Optik – Kratzspuren/Schlieren/Abdrücke
+ Befriedigende Optik – Kratzspuren/Schlieren
++ Gute Optik – Ohne Kratzspuren/minimale Schlieren und Rückstände
+++ Sehr gute Optik – Absolut kratzspurenfreie und rückstandslose Oberfläche
Die Ergebnisse zeigen, dass unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die besten Ergebnisse erzielt werden. Eine Aceton- oder Ultraschallreinigung vor dem erfindungsgemäßen Elektropolieren führt zu etwas schlechteren, aber immer noch guten Ergebnissen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005002315 [0007]
DE 102004027717 [0008]

Claims

Verfahren zum Beschichten der Oberfläche von Metallteilen aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere von Schienenelementen eines Teleskopauszugs oder Anbauteilen für einen Telekosauszug, bei dem man in einer ersten Stufe das Metallteil für eine Dauer von wenigstens 2 min einem Elektropolierverfahren in einem Säurebad unterzieht, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 36 mN/m aufweisen, in einer zweiten Stufe eine Beschichtungszusammensetzung nasschemisch auf die Oberfläche des Metallteils aufbringt, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein alkoholisches Lösungsmittel, als Bindemittel hydrolysierbares Alkoxysilan und mindestens einen Füllstoff mit einer mittleren Teilchengröße im Nanobereich von 0,1 bis 500 nm (Nanopartikel) enthält, in einer dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammesetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 600°C tempert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die zweite und dritte Stufe genau ein mal durchführt, um eine einlagige Beschichtung auf die Oberfläche des Metallteils aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die zweite und dritte Stufe 2 bis 4 mal, vorzugsweise 2 bis 3 mal, besonders bevorzugt 2 mal wiederholt, um eine mehrlagige Beschichtung auf die Oberfläche des Metallteils aufzubringen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Elektropolierverfahren der ersten Stufe für eine Dauer von 2 bis 60 min, vorzugsweise von 5 bis 30 min, und/oder bei einer Temperatur von 30 bis 85°C, vorzugsweise von 40 bis 75°C, und/oder bei einer Stromdichte im Bereich von 3 bis 30 A/dm², vorzugsweise von 5 bis 25 A/dm², und/oder in einem Säurebad, welches aus einem Gemisch aus Schwefelsäure (95%) und Orthophosphorsäure (85%) im Verhältnis 1:2 bis 2:1, vorzugsweise etwa 1:1, besteht, durchführt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Elektropolierverfahren der ersten Stufe durchführt, bis die Metallteile eine Oberflächenenergiedichte von ≥ 42 mN/m, vorzugsweise ≥ 46 mN/m aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel der Beschichtungszusammensetzung Isopropanol und Ethanol enthält, vorzugsweise aus einem Gemisch aus Isopropanol und Ethanol besteht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (Nanopartikel) der Beschichtungszusammensetzung Metalloxide umfasst, vorzugsweise Metalloxide von Aluminium und/oder Zirkonium, und/oder die Teilchen des Füllstoffs der Beschichtungszusammensetzung eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 300 nm, vorzugsweise von 5 bis 200 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (Nanopartikel) in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 15 Gew.-% enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe die Beschichtungszusammensetzung auf die Oberfläche des Metallteils aufbringt, indem man die Metallteile in die Beschichtungszusammensetzung eintaucht und mit einer konstanten oder einer abnehmenden Geschwindigkeit im Bereich von 300 bis 500 mm/min, vorzugsweise 350 bis 450 mm/min aus der Behandlungslösung herauszieht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung der zweiten Stufe enthaltene hydrolysierbare Alkoxysilan ausgewählt ist unter Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GPTES), 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MPTS), Methyltriethoxysilan (MTEOS), Tetraethoxysilan (TEOS), Vinyltriethoxysilan (VTES), Vinyltrimethoxysilan (VTMS), Tetramethoxysilan, Tetra-n-propoxysilan, Tetra-n-butoxysilan, Cyclohexyltrimethoxysilan, Cyclopentyltrimethoxysilan, Ethyltrimethoxysilan, Phenylethyltrimethoxysilan, Phenyltrimethoxysilan, n-Propyltrimethoxysilan, Cyclohexylmethyldimethoxysilan, Dimethyldimethoxysilan, Diisopropyldimethoxysilan, Phenyimethyldimethoxysilan, Phenylethyltriethoxysilan, Phenyltriethoxysilan, Phenylmethyldiethoxysilan, Phenyldimethylethoxysilan und Gemischen und Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Bindemittel in der Beschichtungszusammensetzung der zweiten Stufe enthaltene hydrolysierbare Alkoxysilan in der Beschichtungszusammensetzung in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise von 10 bis 30 Gew.-% enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man in der dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammesetzung versehenen Metallteile bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 550°C, vorzugsweise 440 bis 500°C für einen Zeitraum von 10 min bis 4 h, vorzugsweise von 30 min bis 2 h, besonders bevorzugt von 45 min bis 90 min tempert.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man in der dritten Stufe die auf der Oberfläche mit der Beschichtungszusammesetzung versehenen Metallteile unter Umgebungsluftatmosphäre ohne Schutzgas, vorzugsweise in einem Umluftofen tempert.
Metallteil aus nichtrostendem Edelstahl, insbesondere Schienenelement eines Teleskopauszugs oder Anbauteil für einen Telekosauszug, mit einer Oberflächenbeschichtung, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.