DE102022116236A1 - Beschichtetes bauteil, dessen verwendung, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Rolf Wagner
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Bauteil zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, wobei das Bauteil Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, die Verwendung eines solchen Bauteils sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Bauteil zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, wobei das Bauteil Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, die Verwendung eines solchen Bauteils sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Stand der Technik
  • Im Rahmen der Fertigung von industriellen Produkten gibt es zahllose Beispiele für Teile, die durch Eintauchen in ein Metallbad erhalten werden. Prominente Beispiele hierfür sind das Feuerverzinken oder das Alfinieren, auch Alfin-Prozess genannt. Der Alfin-Prozess wird beispielsweise im Wesentlichen für die Beschichtung von Ringträgern für Verbrennungsmotoren eingesetzt, wie beispielsweise der WO 2002 061153 A1 zu entnehmen ist, wo eine Alfin-Schicht durch Tauchen eines Ringträgers in einer AlSi-Schmelze entsteht.
  • In der Aluminiumgießerei sind heute keramische Werkstoffe etabliert. Im Niederpreissektor sind bei vielen Bauteilen, wie z.B. Speiser, Silicatwerkstoffe im Einsatz. Im Hochpreissektor werden vor allem Werkstoffe wie Aluminiumtitanat (Al2TiO5) und Siliziumnitrid (Si3N4) eingesetzt. Beide Werkstoffe zeichnen sich durch eine gute Nichtbenetzbarkeit und Thermoschockbeständigkeit gegenüber Metallschmelzen aus. Typische Bauteile für Aluminiumtitanat sind Steigrohre, bei Siliziumnitrid Steig- und Heizrohre, aber auch Alfinierhaken.
  • Das Produktspektrum des Feuerverzinkens ist deutlich größer. Diese Technik wird beispielsweise für die Herstellung von Korrosionsschutzschichten vor allem auf Stahl eingesetzt.
  • Beim Alfinieren, aber auch beim Feuerverzinken, werden geeignete Bauteile verwendet, welche zum Einbringen von Teilen in das Metallbad geeignet sind, wie beispielsweise Haken, Körbe, etc. So werden beim Alfinieren beispielsweise sogenannte Alfinierhaken als Träger für die Ringträger für den Aluminium-Gießereibetrieb verwendet. Hierbei werden derzeit üblicherweise Alfinierhaken aus dem Werkstoff Siliziumnitrid (Si3N4) verwendet. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie zur Aluminiumschmelze nicht benetzend sind und eine hohe Festigkeit aufweisen. Ein großer Nachteil sind jedoch die hohen Kosten von mehreren hundert Euro, je nach Komplexität des Hakens. Hinzu kommt die hohe Bruchanfälligkeit. Ähnliche Probleme treten auch beim Feuerverzinken auf. Es ergeben sich jedoch deutlich besseren Standzeiten bei Siliziumnitrid, bedingt durch das höhere Festigkeitsniveau. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als Alfinierhaken. Sowohl Aluminiumtitanat wie auch die Silicatwerkstoffe sind für diese Anwendung aufgrund des geringen Festigkeitsniveau ungeeignet. Auch Aluminiumoxid wäre vom Verschleiß- und Festigkeitsniveau geeignet, scheidet aber insbesondere für das Alfinieren durch die schlechte Thermoschockbeständigkeit als Material für Alfinierhaken aus.
  • Voraussetzung für erfindungsgemäße Bauteile, insbesondere Alfinierhaken, aber auch für andere Bauteile, beispielsweise Aufhängungen, Haken oder Körbe beim Feuerverzinken, sind demnach ein hohes Festigkeitsniveau, Abriebswiderstand und Thermoschockbeständigkeit. Wenn Metalle, z.B. Eisenmetalle sich nicht in den Metallschmelzen, z.B. Aluminiumschmelzen, auflösen würden, wäre dieser Werkstoff prinzipiell geeignet.
  • Entsprechend besteht ein Bedarf an Bauteilen zum Einbringen in Metallschmelzen, bei denen die positiven Eigenschaften von Si3N4 beibehalten werden können, aber die Kosten deutlich gesenkt und die Bruchanfälligkeit minimiert werden können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfinder haben nunmehr gefunden, dass das Problem gelöst werden kann, indem Bauteile auf Basis von Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, verwendet werden, welche durch weitere Behandlung in ihrer Temperaturbeständigkeit verbessert werden. Da beispielsweise Stahl sich in geschmolzenem Aluminium auflösen würde, wird ein Schutz vor dem geschmolzenen Aluminium aufgebracht, wobei dies entsprechend auch auf andere Metallschmelzen anwendbar ist. Ein solcher Schutz erfolgt erfindungsgemäß durch eine oxydische keramische Beschichtung.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein beschichtetes Bauteil zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere in ein Metallbad umfassend Aluminium oder Zink, wobei das Bauteil Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, und wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einer oxydischen keramischen Beschichtung beschichtet ist.
  • Zudem offenbart ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Bauteils zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere zum Alfinieren und/oder Feuerverzinken.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Bauteils, welches derart ausgestaltet ist, dass es zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad geeignet ist, umfassend:
    • - Bereitstellen eines Bauteils, das Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht; und
    • - zumindest teilweise Beschichten des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung.
  • Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 und 2 sind schematisch beispielhafte Ausgestaltungen von beispielhaften Haken als erfindungsgemäße Bauteile zu entnehmen.
  • In 3 ist schematisch ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt.
  • 4 und 5 zeigen Beispiele von erfindungsgemäßen Alfinierhaken.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Definitionen
  • So nicht anderweitig definiert haben hierin verwendete technische und wissenschaftliche Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Fachgebiet der Erfindung gemeinhin verstanden wird.
  • Mengenangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Gew.%, soweit nicht anderweitig angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist.
  • Der Normaldruck ist 101325 Pa = 1,01325 bar.
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein beschichtetes Bauteil zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere in ein Metallbad umfassend Aluminium oder Zink, gerichtet, wobei das Bauteil Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, beispielsweise Stahl 1.2343, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, und wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einer oxydischen keramischen Beschichtung beschichtet ist.
  • Das Bauteil, mit dem das Produkt in ein Metallbad eingebracht werden kann, ist hinsichtlich der Form und Ausgestaltung nicht besonders beschränkt. Beispielsweise können die Form und Ausgestaltung von dem in das Metallbad einzubringende Produkt abhängen, wobei auch nicht ausgeschlossen ist, dass mehrere Produkte eingebracht werden. So ist beispielsweise eine Ausgestaltung als Haken, Öse, Aufhängung, Kette, oder aber auch beispielsweise als Korb bei einem Einbringen mehrerer kleiner Teile möglich. Auch sind Ausgestaltungen mit z.B. multiplen (z.B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, oder mehr) Haken, etc., denkbar.
  • Das Bauteil selbst ist auch nicht besonders hinsichtlich seiner Beschaffenheit beschränkt, sofern es Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, und wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einer oxydischen keramischen Beschichtung beschichtet ist. Hierbei ist nicht ausgeschlossen, dass gemäß bestimmten Ausführungsformen die Beschichtung mit der oxydischen keramischen Beschichtung auf dem ganzen Bauteil erfolgt. Es ist aber ebenso wenig ausgeschlossen, dass nur ein Teil des Bauteils, welcher dazu vorgesehen ist, mit der Metallschmelze in Kontakt zu kommen, mit der oxydischen keramischen Beschichtung beschichtet ist, oder zusätzlich ein Teil, der potentiell mit der Metallschmelze in Kontakt kommen kann. Die Beschichtungsfläche kann sich hier beispielsweise auch bei verschiedenen Ausgestaltungen des Bauteils unterscheiden. So kann beispielsweise ein Haken vollständig oder teilweise beschichtet sein. Bei beispielsweise einem Korb kann aber auch beispielsweise die Aufhängung hierfür unbeschichtet verbleiben.
  • Das Bauteil umfasst Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, oder besteht aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl. Auch ist nicht ausgeschlossen, dass - wenn das Bauteil mehrstückig ausgebildet ist - einzelne Teile Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfassen oder daraus bestehen, andere Teile jedoch nicht unbedingt. Geeignete Legierungen für das Bauteil sind nicht besonders beschränkt und umfassen beispielsweise Eisenlegierungen, insbesondere Stahl, beispielsweise Stahl 1.2343.
  • Ebenfalls ist das Material der oxydischen keramischen Beschichtung nicht besonders beschränkt. Obgleich nicht ausgeschlossen ist, das andere Beschichtungen vorgesehen sind, wird auf das Bauteil gemäß bestimmten Ausführungsformen nur eine Art von oxydischer keramischer Beschichtung aufgebracht bzw. ist auf dem Bauteil zumindest teilweise oder vollständig vorhanden. Die oxydische keramische Beschichtung schützt das Material des Bauteils, beispielsweise Stahl, vor Auflösung in der Metallschmelze, da sie zur Metallschmelze, beispielsweise einer Aluminiumschmelze oder Zinkschmelze, nicht benetzend ist.
  • Durch eine geeignete Auswahl des Beschichtungsmaterials und ggf. einer schützenden, beispielsweise metallischen Haftschicht kann zudem ein Schutz des Bauteils vor Korrosion und/oder Oxidation erzielt werden, welche anderweitig zu einer Unterwanderung und Abplatzung der Beschichtung führen könnte.
  • Besonders bevorzuge Materialien für die Beschichtung zeichnen sich durch mindestens eine und bevorzugt mehrere oder alle der folgenden Eigenschaften aus:
    • • Keine Benetzung durch die Metallschmelze, z.B. eine Alu-Schmelze
    • • Einfache Applizierbarkeit, insbesondere mittels thermischen Spritzens
    • • Stabilität des Materials bei hohen Temperaturen
    • • Stabilität des Materials in einer Metallschmelze
    • • Geringer Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung und des Bauteils oder ggf. einer Haftschicht auf dem Bauteil
    • • Niedriger Rohstoffpreis
  • Da die meisten Metalle und auch Legierungen, die für das Bauteil in Betracht kommen, durch sehr heiße Metallschmelzen, etwa eine Alu-Schmelze, aufgelöst werden und Kunststoffe keine ausreichende Temperaturstabilität aufweisen, sind keramische Beschichtungen für diese Anwendung prädestiniert. Zudem werden Keramiken normalerweise nicht von Metallschmelzen benetzt.
  • Ein großer Vorteil der oxydischen Keramiken liegt darin, dass diese sich einfach mittels thermischen Spritzens applizieren lassen sich, wohingegen sich Nitride, Carbide und sonstige Keramiken üblicherweise bei hohen Temperaturen zersetzen und/oder oxidiert werden. Oxide sind hingegen üblicherweise bei der angestrebten Anwendungstemperatur (z.B. 700-850 °C für eine Behandlung mit Aluminium haltigen Schmelzen oder Aluminiumschmelzen wie beim Alfinieren) stabil.
  • Bei oxydischen Keramiken ist die Auswahl geeigneter Materialien sehr groß. Typische Beschichtungspulver basieren beispielsweise auf Aluminiumoxid, Zirkonoxid, und/oder Chromoxid, wobei auch weitere Materialien verfügbar sind und angewendet werden. So ist beispielsweise Aluminiumoxid ein günstiges Beschichtungsmaterial. Schichten aus reinem Aluminiumoxid können allerdings spröde sein und zudem überwiegend aus der γ-Modifikation von Al2O3 bestehen, die bei hohen Temperaturen in die α-Modifikation umgewandelt werden kann, was mit zusätzlichen Spannungen verbunden ist, sodass bei Anwendungen in Metallschmelzen mit hohen Temperaturen, wie z.B. beim Alfinieren, weitere Oxide, wie z.B. TiO2, SiO2 (Mullit) oder MgO, dazu gemischt werden können, um die Eigenschaften der Beschichtung weiter zu optimieren.
  • So haben die Erfinder beispielsweise herausgefunden, dass eine Mischung aus Al2O3 und MgO (Spinell) zu stabileren Beschichtungen unter Einsatzbedingungen in einer Alu-Schmelze als eine Mischung aus Al2O3 mit TiO2 führen kann, wohingegen für andere Metallschmelzen andere Beschichtungsmaterialien in Betracht kommen können. Al2O3-basierte Schichten weisen allerdings niedrigere thermische Ausdehnungskoeffizienten als die meisten Metalle auf, weshalb bei ständigem Temperaturwechsel Spannungen in der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat zum Versagen der Schichten führen können. Hier kann beispielsweise dann eine zusätzliche geeignete Haftschicht Abhilfe schaffen, um die Spannungen zu minimieren und die Haftfestigkeit der keramischen Beschichtung zu erhöhen.
  • Eine Beschichtung auf Basis von Zirkonoxid ist ebenfalls erfindungsgemäß geeignet. Zirkonoxidschichten weisen höhere Ausdehnungskoeffizienten als Al2O3 auf und sind so für hohe Anwendungstemperaturen gut geeignet. So Zirkonoxid beispielsweise per Spritzen aufgetragen wird, ist es jedoch vorteilhaft, das Zirkonoxid zusätzlich zu stabilisieren, um Phasenumwandlungen beim Spritzen und Abkühlen zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch eine Dotierung mit Y2O3, CaO, CeO und/oder MgO erfolgen, wobei für den Kontakt mit Metallschmelzen insbesondere die MgO-stabilisierte Variante vorteilhaft ist. Aus ökonomischer Sicht sind jedoch Al2O3-basierte Pulver zu bevorzugen.
  • Daneben kann beispielsweise auch Chromoxid für Verschleißschutzanwendungen eingesetzt werden, sodass es auch für eine Anwendung in einem erfindungsgemäßen beschichteten Bauteil in Betracht kommt. Chromoxid-Beschichtungen sind üblicherweise sehr hart, wobei aufgrund einer möglichen Rissbildung eine Verwendung bei geringeren Anwendungstemperaturen von beispielsweise 540°C oder weniger, z.B. 500°C oder weniger, z.B. 460°C oder weniger, vorteilhaft ist.
  • Ein weiterer, beispielhaft geeigneter Werkstoff für die Beschichtung von erfindungsgemäßen Bauteilen, beispielsweise Alfin-Haken ist Yttriumoxid. Es weist ähnliche Eigenschaften wie Al2O3 auf, hat aber den Vorteil, dass keine Phasenumwandlung stattfindet.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Beschichtung eine Mischung aus Al2O3 und TiO2, beispielsweise in einem Mischungsverhältnis (w/w) von 55:45 bis 99:1, beispielsweise von 57:43 bis 98:2, beispielsweise von 58:42 bis 97:3, beispielsweise von 60:40 bis 95:5, beispielsweise von 70:30 bis 92:8, beispielsweise von 80:20 bis 90:10, z.B. 87:13, eine Mischung von Al2O3 und MgO in einem Mischungsverhältnis (w/w) von 55:45 bis 90:10, beispielsweise von 60:40 bis 80:20, beispielsweise von 70:30 bis 75:25, z.B. 72/28, eine Mischung aus Al2O3 und ZrO2, beispielsweise in einem Mischungsverhältnis (w/w) von 90:10 bis 55:45, beispielsweise von 85:15 bis 58:22, z.B. 80:20 oder 60:40, und/oder eine Mischung von ZrO2 und MgO, beispielsweise in einem Mischungsverhältnis (w/w) von 90:10 bis 60:40, beispielsweise von 80:20 bis 70:30, beispielsweise von 78:22 bis 74:26, z.B. 76/24, oder besteht daraus.
  • Für einen längerfristigen Schutz ist es bevorzugt, dass die oxydische keramische Beschichtung thermoschockbeständig ist. Dicke keramische Schichten mit ausreichender Thermoschockbeständigkeit werden üblicherweise dann erzeugt, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung und des Materials des Bauteils relativ ähnlich sind. Ansonsten kann der zyklischen Temperaturwechsel beim wiederholten Eintauchen in ein Metallbad, beispielsweise beim Alfinierprozess oder beim Feuerverzinken, zu einer Rissbildung und möglicherweise zur Abplatzung der Beschichtung führen. Daher ist es bevorzugt, dass das Material der oxydischen keramischen Beschichtung auf das Material des Bauteils abgestimmt ist. Beispielsweise sind als Material oxydischer Keramiken generell solche wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid geeignet, da sie zu einer Metallschmelze, beispielsweise einer Aluminiumschmelze oder einer Zinkschmelze und insbesondere einer Aluminiumschmelze, nicht benetzend sind, relativ hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und insbesondere auch mittels eines bevorzugten thermisches Spritzens appliziert werden können.
  • Die Eigenschaften der oxydischen keramischen Beschichtung können hierbei durch die Mischung von Oxiden wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid mit anderen Keramikmaterialien wie beispielsweise Titanoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Chromoxid, Siliziumoxid und/oder Yttriumoxid weiter optimiert werden.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die oxydische keramische Beschichtung Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Chromoxid, Siliziumoxid, Mischoxide davon und/oder Mischungen davon. Mischoxide (auch genannt Komplexoxide) der genannten Materialien sind hierbei Oxide, in denen mindestens eines der genannten Oxide als Basisbaustein enthalten ist oder auch mehrere davon enthalten sind und welche im Kristallgitter neben Sauerstoffionen Kationen mehrerer Elemente aufweisen. So ist es bei Mischoxiden möglich, dass noch weitere Basiskomponenten enthalten sind. Auch ist bei Mischungen der Materialien der oxydischen keramischen Beschichtung nicht ausgeschlossen, dass weitere Bestandteile in der Mischung vorhanden sind, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist. So eignen sich beispielsweise die folgenden Materialien zu einer Beschichtung erfindungsgemäßer Bauteile, da sie einfach mittels thermischem Spritzen aufgebracht werden können:
    • Aluminiumoxid, Mischung von Aluminiumoxid und Titanoxid, Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (z.B. 80/20 oder 60/40 (w/w)), Chromoxid, Mischung aus Chromoxid und
    • Titanoxid und ggf. Siliziumoxid, Gadolinium-Zirkonoxid, Gadoliniumzirkonat, Lanthan-Strontium-Manganit (LSM), Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit (LSCF), Mangan-Cobalt-Oxid (MCO), Titanoxid, Mischung aus Titanoxid und Chromoxid, Ytterbiumoxid, Calciumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Ceroxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Zirkonoxid-Titanoxid-Yttriumoxid-Komposit, Yttria stabilisiertes Zirkonoxid, beispielsweise agglomeriert oder agglomeriert und gesintert oder als Suspension, Zirkonia Gadolinia Ytterbia Yttria, insbesondere Aluminiumoxid, Mischung von Aluminiumoxid und Titanoxid, Mischung aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (z.B. 80/20 oder 60/40 (w/w)), Chromoxid, Mischung aus Chromoxid und Titanoxid und ggf. Siliziumoxid, Titanoxid, Ytterbiumoxid, Calciumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Ceroxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, Zirkonoxid-Titanoxid-Yttriumoxid-Komposit, Yttria stabilisiertes Zirkonoxid, beispielsweise agglomeriert oder agglomeriert und gesintert oder als Suspension, Zirkonia Gadolinia Ytterbia Yttria.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die oxydische keramische Beschichtung im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Chromoxid, Siliziumoxid, Mischoxiden davon und/oder Mischungen davon, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen, oder besteht sogar daraus.
  • Die Beschichtung ist hinsichtlich der Dicke und Beschaffenheit des Materials nicht besonders beschränkt, sofern eine Beschichtung auf dem Bauteil zumindest teilweise aufgebracht ist. So sind beispielsweise gemäß bestimmten Ausführungsformen Schichtdicken der Beschichtung von einigen Mikrometern, z.B. 10 µm oder mehr, bis hin zu wenigen Millimetern, z.B. 10 mm oder weniger, als Schichtdicke möglich. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Dicke der zumindest teilweisen oder auch vollständigen Beschichtung in einem Bereich von 20 µm und mehr und 1 mm und weniger, bevorzugt 30 µm und mehr und 800 µm und weniger, weiter bevorzugt 40 µm und mehr und 500 µm und weniger, insbesondere bevorzugt 50 µm und mehr und 300 µm und weniger. Hierfür kann die Beschichtung über geeignete Verfahren aufgebracht werden, welche später noch in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert werden, wobei diese jedoch auch von der Anwendung und Technik abhängen können. Die Schichtdicke kann hierbei beispielsweise optisch bestimmt werden, beispielsweise zerstörungsfrei durch Messen mittels Messschraube vor und nach dem Beschichten an der gleichen Stelle, oder nicht zerstörungsfrei mittels mikroskopischer Analyse, z.B. gemäß DIN-EN ISO 1463:2021-08.
  • Bei den vorliegenden Bauteilen, beispielsweise Alfin-Haken (Haken zur Anwendung im Alfin-Prozess) aus Metall dient die Beschichtung beispielsweise als eine physikalische Barriere zwischen dem Metall und der Metallschmelze im Metallbad, beispielsweise einer Aluminiumschmelze, da eine heiße Metallschmelze nahezu alle Metalle auflösen kann. Aufgrund der schlechten Benetzung auf Keramiken und der relativ hohen Viskosität der Schmelze müssen die Beschichtungen weder sehr dicht noch dick sein, um diese Funktionen zu erfüllen.
  • Je nach Anwendungszweck können hier aber auch verschiedene Ausgestaltungen der Beschichtung möglich sein. So ist beispielsweise bei der Anwendung der beschichteten Bauteile bei der Feuerverzinkung die Temperaturbeständigkeit nicht so wichtig, wohingegen eine Haftung von Zink auf der oxydischen keramischen Beschichtung vermieden werden sollte. Bei einem mehrmaligen Verwenden des beschichteten Bauteils ist es sonst möglich, dass zunehmend Zink auf der Beschichtung haftet, was vermieden werden sollte. Beim Feuerverzinken kann ein erfindungsgemäßes beschichtetes Bauteil zum Zwecke der Reinigung auch in unterschiedliche Beizen- und Reinigungsbäder eingebracht werden, in denen eine Zerstörung des Bauteils verhindert werden soll, sodass bei Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Bauteils beim Feuerverzinken auch eine höhere Dichte der Keramikschicht von Vorteil ist, diese also bevorzugt nicht zu porös ausgebildet sein sollte.
  • So eine Haftschicht zwischen Bauteil und Beschichtung aufgebracht ist, können die entsprechenden Überlegungen auch analog für die Haftschicht gelten. Bei der Anwendung in einer Aluminium-haltigen Schmelze bzw. auch Aluminiumschmelze beim Alfinieren treten jedoch höhere Einsatztemperaturen auf, sodass hier die angepasste Wärmedehnung der Beschichtung bei den ständigen Temperaturwechseln in den Vordergrund tritt im Vergleich zum Feuerverzinken. Für die Anwendung in weiteren Metallschmelzen gelten analoge Überlegungen.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die oxydische keramische Beschichtung Aluminiumoxid und zusätzlich Titanoxid, Magnesiumoxid und/oder Yttriumoxid, oder Zirkonoxid und zusätzlich Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid und/oder Magnesiumoxid oder besteht im Wesentlichen daraus oder besteht daraus.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die oxydische keramische Beschichtung im beschichteten Bauteil eine Porosität von 0 bis 30 %, beispielsweise von 2,5 bis 25%, z.B. 5 bis 20 % auf. Die Porosität kann hierbei beispielsweise geeignet mittels mikroskopischer Analyse bestimmt werden.
  • Zum Einstellen einer geeigneten Schichtdicke und/oder Porosität der oxydischen keramischen Beschichtung sind verschiedene Beschichtungsverfahren vorhanden, welche auch in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch genauer beschrieben werden. So können beispielsweise mittels atmosphärischem Plasmaspritzen (APS) Schichtdicken von 50 bis bis 1000 µm, z.B. 100-200 µm, und Porositäten von 0 bis 30%, z.B. 5-20 %, - abhängig von der Porengröße - hergestellt werden. Bei höheren Schichtdicken und/oder Dichten steigt das Risiko, dass die Eigenspannungen zum Versagen der Schichten führen können. Bei dünneren Schichten besteht das Risiko, dass Fehler oder Verschmutzungen in der Beschichtung den Kontakt des Bauteils mit der Schmelze ermöglichen.
  • Zwischen der oxydischen keramischen Beschichtung und dem Bauteil kann gemäß bestimmten Ausführungsformen eine Haftschicht für eine bessere Haftung der oxydischen keramischen Beschichtung vorgesehen sein. Eine solche Haftschicht ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Haftschicht ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise wird gemäß bestimmten Ausführungsformen eine Haftschicht auf einem Bauteil aus Stahl appliziert, um die Haftung der oxydischen keramischen Beschichtung zu verbessern. Eine Haftschicht kann je nach Material des Bauteils wie auch der erwünschten Anwendung vorgesehen sein oder nicht und auch abhängig hiervon wie auch von der oxydischen keramischen Beschichtung geeignet vorgesehen sein. Insbesondere bei einem korrosionsempfindlichen Bauteil ist eine Haftschicht von Vorteil. Das Aufbringen der Haftschicht ist hierbei nicht besonders beschränkt. Weiterhin kann durch eine Haftschicht zudem ein sanfterer Übergang der Wärmeausdehnungen eingestellt werden.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Haftschicht ein Material, dass ausgewählt ist aus Legierungen von Fe, z.B. Stahl, und/oder Ni oder besteht sogar daraus, wobei das Material der Haftschicht sich vom Material des Bauteils unterscheidet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Haftschicht eine Legierung von Ni mit Cr, Al, Y, Co, Mo, und/oder Fe, oder besteht daraus. Geeignete Ni-Legierungen sind beispielsweise Legierungen von Ni und Cr, beispielsweise in einem Mischungsverhältnis von Ni zu Cr (w/w) von 60:40 bis 95:5, beispielsweise von 70:30 bis 90:10, beispielsweise von 75:25 bis 85:15, z.B. 80/20.
  • Die Haftschicht muss nicht auf dem gesamten Bauteil vorhanden sein, z.B. dann nicht, wenn die Beschichtung auf dem Bauteil nur teilweise vorhanden ist. Bevorzugt befindet sich aber eine Haftschicht, so sie vorhanden ist, an sämtlichen Stellen zwischen dem Bauteil und der oxydischen keramischen Beschichtung.
  • Die Dicke der Haftschicht, so vorhanden, ist nicht besonders beschränkt, und kann beispielsweise in einem Bereich von 2 µm und mehr und 500 µm und weniger, z.B. 5 µm und mehr und 150 µm und weniger, bevorzugt 8 µm und mehr und 100 µm und weniger, z.B. 10 µm und mehr und 50 µm und weniger liegen. Durch eine dickere Haftschicht ist es möglich, Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten von Bauteil und keramischer Beschichtung besser auszugleichen. Jedoch wird bei einer zu dicken Haftschicht kein besonderer Effekt mehr erzielt.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Bauteil zumindest teilweise in Form eines Hakens ausgebildet oder ist in Form eines Hakens ausgebildet. Die Form eines Hakens ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt.
  • Ein Haken ist hierbei als ein lösbares Bauteil anzusehen, das dazu ausgebildet ist, ein Aufhängen oder Einhaken von Objekten zu ermöglichen, und ist insbesondere eine geschwungen oder eckig gekrümmte Vorrichtung. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer Haken als Bauteil einstückig ausgebildet, wobei es jedoch nicht ausgeschlossen ist, dass am Haken und/oder im Haken noch ein oder mehrere weitere Elemente, z.B. keramische Elemente, vorgesehen sind. Bei einem Haken ist es zudem nicht ausgeschlossen, dass mehrere Befestigungsstellen zur Anbringung eines in eine Metallschmelze einzubringenden Produkts vorgesehen sind.
  • Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Bauteil ein Alfinierhaken bzw. ein Ringträger, das bzw. der dazu ausgebildet ist, beispielsweise Kolbenringe in ein Aluminiumbad mit einer Temperatur T von 700-850 °C zu tauchen zum Zwecke des Alfinierens.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist der Haken mindestens eine erste Fläche zur Aufnahme und/oder Befestigung des einzubringenden Produkts auf, wobei die mindestens eine erste Fläche derart ausgestaltet ist, dass zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element eingebracht ist, dass derart ausgestaltet ist, dass das einzubringende Produkt beim Einbringen mit der Beschichtung auf dem mindestens einen keramischen Element und/oder dem mindestens einen keramischen Element in Kontakt kommt.
  • Die mindestens eine erste Fläche, die derart ausgestaltet ist, dass zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element eingebracht ist, dass derart ausgestaltet ist, dass das einzubringende Produkt beim Einbringen mit der Beschichtung auf dem mindestens einen keramischen Element und/oder dem mindestens einen keramischen Element in Kontakt kommt, ist nicht besonders beschränkt, und es können auch beispielsweise zwei oder mehr Flächen vorgesehen sein, die ausgestaltet sind, dass zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element oder mehrere keramische Elemente - mindestens zwei - eingebracht ist bzw. sind, das derart ausgestaltet ist bzw. die derart ausgestaltet sind, dass das einzubringende Produkt beim Einbringen mit der Beschichtung auf dem mindestens einen keramischen Element oder den mehreren keramischen Elementen und/oder dem mindestens einen keramischen Element in Kontakt kommt. Die mindestens eine erste Fläche ist hierbei hinsichtlich der Ausgestaltung und Größe, etc., nicht sonderlich beschränkt. Beispielsweise kann ein oder mehr keramische Elemente als eine Art „Ankerform“, wie z.B. in 1 gezeigt, vorgesehen sein, wobei bei mehreren Haken, etc., auch mehrerer solcher Ausgestaltungen, z.B. für jeden Haken, vorgesehen sein können.
  • Auch ist eine Befestigung des mindestens einen keramischen Elements an dem Bauteil nicht besonders beschränkt, und kann beispielsweise durch Schweißen, Stauchen, eine mechanische Befestigung, ein nicht weiter beschränktes Adhäsiv, konstruktive Lösungen wie z.B. eine Schwalbenschwanzverbindung, etc., und/oder durch Einbringen entsprechender Befestigungsausgestaltungen, z.B. ein oder mehrere Bohrlöcher, z.B. im Wesentlichen passgenau oder passgenau für das keramische Element, erfolgen.
  • Trotz der relativ hohen Beständigkeit können die oxydischen keramischen Beschichtungen bei einer mechanischen Belastung beschädigt werden. Sogar ein nur lokaler Kontakt des Materials des Bauteils, z.B. Stahl, mit der Metallschmelze, z.B. einer Aluminiumschmelze, kann durch Risse oder Defekte in der Beschichtung zum Versagen des Bauteils führen, da die Beschichtung mit der Zeit unterwandert werden kann. Beispielsweise können sich die Ringe im Prozess des Alfinierens bewegen, so dass ein lokaler Abrieb der oxydischen keramischen Beschichtung nach gewisser Betriebszeit erfolgen kann, mit der Folge, dass das Material des Bauteils, z.B. Stahl, vom flüssigem Metall, z.B. flüssigem Aluminium, angegriffen werden kann. Um den Schutz des Bauteils in solchen Fällen dennoch zu gewährleisten, können die Auflageflächen des Ringes zusätzlich mit Keramik geschützt werden.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das mindestens eine keramische Element als Leiste und/oder Stab ausgebildet, welche bzw. welcher bevorzugt derart in das Bauteil eingebracht ist, dass das Bauteil die Leiste und/oder den Stab zumindest teilweise umschließt. Die Leiste und/oder der Stab sind erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt hinsichtlich z.B. der Dicke, Form. Länge, und/oder Ausgestaltung, z.B. als gerades Element, und können an das Bauteil angepasst sein.
  • Eine konstruktive Lösung besteht beispielsweise somit also darin, keramische Kontaktflächen auf dem Bauteil, z.B. einem Stahlhaken, zu schaffen. Eine erste, beispielhafte Version hierfür ist in 1 gezeigt, in der zwei im Querschnitt dreieckige, keramische Elemente 1, hier Leisten, auf ein beispielhaftes Bauteil 2, hier einen Stahlhaken, gesetzt sind, wobei zudem ein Querschnitt entlang Linie AA gezeigt ist. Die Fixierung kann hier beispielsweise mechanisch, physikalisch oder chemisch erfolgen, z.B. durch Schweißpunkte und/oder ein nicht weiter beschränktes Adhäsiv, etc. Ein Nachteil dieser Version besteht darin, dass bei einem Bruch der Keramik eine Befestigung auf dem Bauteil nicht mehr zwangsläufig gewährleistet werden kann und sich Keramikteile vom Bauteil lösen können und beim Einbringen eine Metallschmelze dann ungeschützte Bereiche des Bauteils angreifen kann. In einer zweiten beispielhaften, in 2 gezeigten Version werden Bohrungen - hier zwei - in das Bauteil 2, hier einen beispielhaften Stahlhaken eingebracht, die zur Aufnahme von keramischen Stiften bzw. Stäben als beispielhaftes keramisches Element 1 dienen, wobei wiederum ein Querschnitt entlang Linie AA gezeigt ist. Vorteilhaft sind Bohrungen, die einen keramischen Stab zumindest teilweise umschließen, z.B. nur etwas oberhalb der Mitte so dass ein Herausfallen des keramischen Elements verhindert werden kann. Nach Einsetzen eines solchen keramischen Elements kann das Bauteil komplett zusätzlich mit einer thermisch gespritzten keramischen Beschichtung, z.B. aus Oxidkeramik, z.B. Al2O3/MgO, versehen werden, wobei hier auch andere der oben genannten oxydischen Beschichtungen denkbar sind.
  • In Ausgestaltungen, in denen das keramische Element teilweise durch das Bauteil umschlossen ist, wie beispielhaft in 2 gezeigt, verbleibt insbesondere gemäß bestimmten Ausführungsformen nur die Verschleißfestigkeit als Auswahlkriterium für das keramische Element. Nachteile beispielsweise durch mangelnde Thermoschockbeständigkeit können durch die Teilumschließung ausgeglichen werden. Daher ist in solchen Ausführungsformen eine Vielzahl von keramischen Elementen denkbar. So z.B. das Bauteil Stahl umfasst oder aus Stahl besteht, sind Keramiken denkbar, die verschleißfester als Stahl sind, z.B. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Zirkonoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder auch Aluminiumtitanat. Von diesen Werkstoffen hat zwar beispielsweise das Magnesiumoxid die geringste Verschleißfestigkeit, wobei diese jedoch ausreichen kann. Beim Zirkonoxid gibt es beispielsweise auch verschiedene Dotierungvarianten wie z.B. die Mg- bzw. Y-Stabilisierung. Für Siliziumnitrid sind verschiedene Varianten denkbar, beispielweise die gesinterten Variante, aber auch kostengünstige Alternativen wie das reaktionsgesinterte Siliziumnitrid (RBSN) oder die Abwandlung davon, das Nitrid gebundene Siliziumnitrid (NSN).
  • Das keramische Element ist erfindungsgemäß jedoch unabhängig von den obigen Überlegungen nicht besonders beschränkt hinsichtlich der Materialzusammensetzung.
  • Als Werkstoff kommen prinzipiell alle keramischen Materialien in Frage (z.B. Al2O3, ZrO2, Si3N4 etc., sowie Mischungen davon), die eine schlechte Benetzung zu der Metallschmelze, z.B. einer Aluminiumschmelze, aufweisen. Im Falle eines Bruches der Keramik, z.B. durch Thermoschock, können hierbei in der in 2 gezeigten Ausführungsform die Stücke durch die Bohrung gehalten werden, so dass die Schutzfunktion weiter gewährleistet ist. Eine Bohrung, so vorhanden, ist bevorzugt derart gestaltet, dass das Bauteil das keramische Element nicht vollständig umfasst, sondern nur soweit, dass es nicht herausfallen kann. Dadurch liegt ein eingebrachtes bzw. aufgebrachtes Produkt, z.B. ein Ring auf der Keramik auf, sodass ein in-Kontakt-Kommen des Bauteils mit der Metallschmelze weiter verhindert werden kann. Die oxydische keramische Beschichtung kann hierbei also entsprechend vor Einbringen und/oder Aufbringen des keramischen Elements und/oder nach Einbringen und/oder Aufbringen des keramischen Elements aufgebracht werden, sodass hier die oxydische keramische Beschichtung auch teilweise mit dem keramischen Element in Kontakt kommen kann. Es ist hierbei auch nicht ausgeschlossen, dass die oxydische keramische Beschichtung nicht gut oder sogar nicht auf dem keramischen Element haftet.
  • Das keramische Element kann beispielsweise gängige Silicat-, Oxid- und/oder Nichtoxid-Keramiken umfassen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst das keramische Element eine Keramik, die ausgewählt ist aus Al2O3 (z.B. auch als reaktionsgebundenes Aluminiumoxid RBAO) - wobei diesem zur zusätzlichen Stabilisierung auch Zusätze wie SiO2 zugegeben werden können, ZrO2, MgO-stablisiertem ZrO2, MgO (z.B. auch als reaktionsgebundenes Magnesiumoxid RBMO), Si3N4 in allen denkbaren Modifikationen (z.B. auch als gesintertes Siliciumnitrid SSN, reaktionsgebundenes Siliciumnitrid RBSN, heiß gepresstes (HPSN) und heiß isostatisch gepresstes Siliciumnitrid HIPSN, nitridgebundenes Siliziumnitrid NSN), SiC (z.B. auch als reaktionsgebundenes Siliciumcarbid RSiC) und/oder Mischungen davon.
  • Das keramische Element kann insbesondere dann vor einem Verschleiß und/oder einer Beschädigung des Bauteils schützen, wenn der Abriebswiderstand der oxydischen keramischen Beschichtung zu gering ist.
  • Weiterhin offenbart ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen beschichteten Bauteils zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere zum Alfinieren und/oder Feuerverzinken.
  • Erfindungsgemäße Bauteile, beispielsweise Haken, wie etwa beschichtete Stahlhaken, sind hinsichtlich der Anwendung in Metallschmelzen nicht besonders beschränkt und können insbesondere für ein Eintauchen in eine Metallschmelze bei Temperaturen von bis zu 1000 °C vorgesehen sein. Die oxydische keramische Beschichtung schützt hierbei das Bauteil vor einem Angriff durch die Metallschmelze, insbesondere wenn die Oberfläche nicht benetzend ist. Insbesondere kann ein Teil des Bauteils, der in Kontakt mit einem Produkt wie einem Werkstück kommt, durch einen keramischen Einsatz, so vorhanden, zusätzlich vor Verschleiß geschützt werden.
  • Zudem ist ein weiterer Aspekt der Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Bauteils gerichtet, welches derart ausgestaltet ist, dass es zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad geeignet ist, umfassend:
    • - Bereitstellen eines Bauteils, das Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht; und
    • - zumindest teilweise Beschichten des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein erfindungsgemäßes beschichtetes Bauteil hergestellt werden. Entsprechend können sich einzelne Ausführungsformen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils auch auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen und vice versa.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren ist das Bereitstellen eines Bauteils, das Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, nicht besonders beschränkt. Das Bauteil kann hierzu beispielsweise in einer geeigneten Ausgestaltung oder Form bereitgestellt werden, wie oben dargelegt, oder als solches hergestellt werden. Auch dies ist nicht besonders beschränkt, und es können hierfür geeignete Verfahren zum Formen von Bauteilen Anwendung finden. Das Bauteil kann wie oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen beschichteten Bauteil beschrieben vorgesehen sein.
  • Auch der Schritt des zumindest teilweisen Beschichtens des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt. Es kommen prinzipiell alle Beschichtungsverfahren in Frage, wie beispielsweise thermisches Spritzen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Sol-Gel-Verfahren, Precursortechnologie, oder Abscheidungsverfahren basierend auf Schlickerbasis, wobei diese hier an die verschiedenen Materialien der oxydischen keramischen Beschichtung geeignet angepasst werden können. Keramische Beschichtungen können generell durch verschiedene Technologien hergestellt werden, wie beispielsweise die Abscheidung aus der Gasphase (CVD, PVD), nasschemischen Methoden (Sol-Gel, Precursortechnik) oder thermisches Spritzen. Auch Schlichten auf Basis temperaturstabiler und zu einer Metallschmelze nicht benetzender Werkstoffe, z.B. Bornitrid, können prinzipiell zum Schutz eines Bauteils eingesetzt werden. Jedoch überstehen Schlichten meistens nur kurze Prozesszeiten, weshalb dies hier nicht bevorzugt ist. Bevorzugt sind Verfahren, mit denen dickere, stabile Schichten hergestellt werden können, wie thermisches Spritzen, CVD oder andere chemische Abscheidungsverfahren. So variiert beispielsweise die Dicke der Beschichtungen beim thermischen Spritzen generell von wenigen Mikrometer bis wenige Millimeter. Bei Keramikschichten sind Schichtdicken von 50-300 µm üblich, was allerdings von der Anwendung und Technik abhängt. Bei der Precursortechnologie können beispielsweise Silizium-basierte Polymere mit oder ohne Füllstoffe in der Form einer Lösung oder Suspension mittels Lackierverfahren (z.B. Sprühen, Tauchen, Aufpinseln) appliziert werden. Anschließend erfolgt eine Pyrolyse des Siliziumpolymers z.B. bei T > 500 °C, wobei das Polymer in eine Si-Keramik umgewandelt wird. Als Füllstoff können beispielsweise Pulver aus Oxidkeramiken, Bornitrid und Siliziumnitrid eingesetzt werden. Bei PVD können beispielsweise Zirkonoxidschichten, z.B. mittels EB-PVD (electron beam physical vapour deposition), hergestellt werden. CVD, PVD, Sol-Gel und Precursortechnik ermöglichen auch die Herstellung dünner Schichten, z.B. < 1 µm. Bei keiner oder geringer mechanischer Belastung und ausreichender Dichte der Beschichtung ist dies für ein erfindungsgemäßes Bauteil auch ausreichend. Das thermische Spritzen mit Suspensionen ermöglicht auch die Herstellung dichterer Schicht mit einer Dicke unter 50 µm. Für thermisches Spritzen mit Pulvern ist jedoch eine Schichtdicke von 50 µm und mehr bevorzugt.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Dicke der zumindest teilweisen oder auch vollständigen Beschichtung in einem Bereich von 20 µm und mehr und 1 mm und weniger, bevorzugt 30 µm und mehr und 800 µm und weniger, weiter bevorzugt 40 µm und mehr und 500 µm und weniger, insbesondere bevorzugt 50 µm und mehr und 300 µm und weniger.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Beschichten mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels atmosphärischem Plasmaspritzen. Die Art des thermischen Spritzens ist hierbei jedoch nicht besonders beschränkt.
  • Das thermische Spritzen zeichnet sich generell durch die Robustheit der Beschichtungen und die Flexibilität des Verfahrens aus. Dabei können keramische Ausgangspulver geschmolzen und in diesem Zustand auf das Bauteil mit hoher Geschwindigkeit gespritzt werden. So können dicke Schichten von 20 µm oder mehr in einer relativ kurzen Prozesszeit erzielt werden.
  • Die keramischen Ausgangspulver sind nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen weisen die keramischen Ausgangspulver eine Korngröße von 2 bis 150 µm, bevorzugt 3 bis 130 µm, weiter bevorzugt 5 bis 120 µm auf. Bevorzugt ist hierbei der Feinanteil mit Partikeln unter 15 µm Korngröße gering, beispielsweise 80 Gew.% oder weniger, 50 Gew.% oder weniger, 40 Gew.% oder weniger oder 30 Gew.% oder weniger, oder sogar 20 Gew.% oder weniger. Wenn dieser Anteil zu groß ist, können sich Schwierigkeiten bei der Pulverförderung ergeben. Zu grobe Partikel können zu Problemen beim Spritzen führen, da sie oft nur teilweise geschmolzen werden und schnell wieder erstarren. Beispielsweise können Pulver mit Partikelgrößen von 5 bis 60 µm verwendet werden, z.B. von 5 bis 45 µm. Die Partikelgröße kann hierbei geeignet mittels Laserbeugung und bei gröberen Partikeln mittels Siebanalyse bestimmt werden.
  • Beispiele von thermischen Spritztechniken für die Herstellung keramischer Beschichtungen sind das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Detonationsspritzen. Diese unterscheiden sich voneinander u.a. in der Art der Energieerzeugung für den Schmelzprozess sowie in der Temperatur und Geschwindigkeit der Partikel.
  • Die für die Herstellung keramischer Beschichtungen meistens verwendete Technik ist APS. Dabei wird in einem Plasmabrenner ein Lichtbogen gezündet, der ein Prozessgas, z.B. Argon, Wasserstoff, Stickstoff, durch die Abspaltung von Elektronen ionisiert (Plasma = ionisiertes Gas). Beim Verlassen der Brennerdüse rekombinieren die Gasionen mit den abgespalteten Elektronen, was eine große Menge Energie freisetzt (T > 10.000 °C). Das Spritzpulver wird in diesem Bereich zugeführt und in kürzester Zeit geschmolzen. Das mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gas reist die geschmolzenen Partikel mit und erzeugt so ein Spritzstrahl.
  • Der Prozess des thermischen Spritzens umfasst das Aufschmelzen eines Feedstocks, das gleichzeitige Beschleunigen des Materials und dessen Abscheidung auf der Oberfläche eines Substrats, hier des Bauteils und/oder der Haftschicht darauf. Ein Vorteil ist, dass Flammspritzen für die Herstellung poröser Beschichtungen teilweise ebenfalls eingesetzt werden kann.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Beschichten mittels atmosphärischem Plasmaspritzen bzw. Plasmaspritzen. Das Plasmaspritzverfahren hebt sich im Gegensatz zu thermischen Spritzverfahren mit Flamme vor allem durch die sehr hohen Temperaturen von ca. 12000 bis 16000 °C hervor, die hier erreicht werden. Beim thermischen Spritzen mit Flamme werden lediglich Temperaturen zwischen 2800 und 3500 °C erreicht. Daher eignet sich das Plasmaspritzverfahren hervorragend, um dicke, fest haftende Beschichtungen aus Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt, wie Keramiken, zu bilden. Beim APS wird ein Lichtbogen erzeugt, durch den ein bevorzugt nicht oxidierendes und nicht aufkohlendes Gas wie Argon oder Stickstoff, rein oder gemischt mit Helium und/oder Wasserstoff, fließt. Die Ionisierung des Gases führt zur Bildung eines Plasmas. Das keramische Pulver wird gemäß bestimmten Ausführungsformen radial in die Plasmaflamme injiziert, geschmolzen und bevorzugt mit Geschwindigkeit bis zu 300 m/s auf die Oberfläche des Bauteils geschleudert.
  • Beim Aufprall auf das Bauteil werden die Partikel abgeflacht (sog. Splats) und erstarren. Daher bestehen thermisch gespritzten Beschichtungen üblicherweise aus mehreren neben- und aufeinanderliegenden Splats, wobei hier durch geeignete Einstellung der Partikelgröße eine geeignete Porosität der oxydischen keramischen Beschichtung, wie oben angegeben, erzielt werden kann.
  • Die Porosität von APS-Schichten wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf die Temperaturwechselbeständigkeit der Schichten aus. Insbesondere wenn das Material des Bauteils und/oder ggf. einer Haftschicht und die Keramikschicht einen deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, können Poren thermische Spannungen zumindest teilweise relaxieren. Daher wird das APS-Verfahren bevorzugt bei der Herstellung von Beschichtungen für hohe Anwendungstemperaturen, wie beispielsweise für die Anwendung in Aluminiumschmelzen, eingesetzt. Das APS-Verfahren unterscheidet sich von anderen Plasmaverfahren, wie dem Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) und Plasmaspritzen in kontrollierter Atmosphäre, durch die Applizierung der Beschichtungen in atmosphärischer Luft. Flammspritzen, HVOF und Detonationsspritzen basieren dagegen auf der Verbrennung eines Brennstoffes. Beim HVOF und Detonationsspritzen wird die niedrigere erzeugte thermische Energie allerdings durch eine höhere kinetische Energie (höhere Partikelgeschwindigkeiten) gegenüber APS kompensiert, wodurch Schichten mit niedrigerer Porosität hergestellt werden können, welche beispielsweise bei Beschichtungen für Anwendungen mit niedriger Temperatur, beispielsweise beim Feuerverzinken, vorteilhaft sein können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann folglich das Beschichten mittels HVOF und/oder Detonationsspritzen erfolgen.
  • Das HVOF Verfahren basiert auf der kontinuierlichen Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes, z.B. Kerosin, Ethen, Propan, mit Sauerstoff in einer Brennkammer. Die Verbrennung führt zu einem hohen Druck in der Brennkammer, der das Gasgemisch durch eine Expansionsdüse, üblicherweise eine Lavaldüse, austreibt und einen Sprühstrahl mit Überschallgeschwindigkeiten erzeugt. Das Beschichtungsmaterial wird meistens axial in die heiße Flamme zugeführt.
  • Das Prinzip von Flammspritzen ist sehr ähnlich zu HVOF, da bei Flammspritzen ebenfalls eine kontinuierliche Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes, z.B. Acetylen, Ethen, Propan, mit Sauerstoff erfolgt. Der Unterschied liegt daran, dass beim HVOF, aufgrund der speziellen Düsen- und Brennkammerkonstruktion, wesentlich höheren Partikelgeschwindigkeiten erreicht werden. Zudem können bei Flammspritzen neben Pulvern, auch Drähte/Stäbe als Beschichtungswerkstoff eingesetzt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann folglich das Beschichten mittels Flammspritzen erfolgen.
  • Das Detonationsspritzen unterscheidet sich vom HVOF und Flammspritzen durch den diskontinuierlichen Verlauf. In schneller Folge werden in einer rohrförmigen Detonationskanone Sauerstoff und Brenngas, z. B. Acetylen oder Propan, mit dem Beschichtungspulver gemischt und durch eine Zündvorrichtung zur Explosion gebracht. Die in der Kanone entstehende Druckwelle beschleunigt die Pulverteilchen auf sehr hohen Geschwindigkeiten von über 600 m/s. Gleichzeitig werden sie durch das heiße Gas aufgeheizt. Detonationsgespritzten Schichten sind sehr dicht und stark haftend.
  • Zunehmend werden auch Suspensionen für die Herstellung keramischer Beschichtungen mittels APS und HVOF eingesetzt. Der Vorteil liegt daran, dass die Partikelgröße des Beschichtungsmaterials in der Suspension im Vergleich zu den trockenen Pulvern deutlich reduziert werden kann, da sich die Suspensionen ohne Probleme fördern und zerstäuben lassen. Durch die feineren Partikeln können sehr dichte Schichten erzeugt werden. Der Nachteile ist allerdings der geringe Spritzdurchsatz, so dass überwiegend dünnere Schichten wirtschaftlich mit Suspensionen hergestellt werden können. Zudem können im Prozess verdampfte Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol eine zusätzliche technische Herausforderung für das Beschichtungssystem darstellen. Nichtsdestotrotz kann gemäß bestimmten Ausführungsformen ein Beschichten mittels Suspension keramischer Pulver erfolgen, wobei jedoch bevorzugt die Beschichtung unter Verwendung keramischer Ausgangspulver erfolgt.
  • Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren ist schematisch in 3 gezeigt. Auf einen Schritt des Bereitstellens eines Bauteils 11 folgt ein Schritt des zumindest teilweisen Beschichtens des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung 12.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird vor dem teilweisen Beschichten des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung eine Haftschicht teilweise oder vollständig, insbesondere im Bereich der späteren Beschichtung mit der oxydischen keramischen Beschichtung, aufgebracht. Das Aufbringen der Haftschicht ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann das Aufbringen der Haftschicht auf dieselbe Weise erfolgen wie das Beschichten mit der oxydischen keramischen Beschichtung, beispielsweise also mittels thermischem Spritzen. Hierfür kann beispielsweise dann auch dieselbe Vorrichtung verwendet werden, welche dann für ein thermisches Spritzen der oxydischen keramischen Beschichtung verwendet wird, wobei dann beispielsweise zwei Pulverbehälter an der Vorrichtung für die Applikation angeschlossen sein können, einer mit Haftschichtpulver, einer mit Keramikschichtpulver. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass für die Applikation der Haftschicht ein anderes Verfahren und/oder eine andere Vorrichtung verwendet wird als für die Applikation der oxydischen keramischen Beschichtung, also beispielsweise HVOF für die Haftschicht und APS für die oxydische keramische Beschichtung. Jedoch können gemäß bestimmten Ausführungsformen sowohl die Haftschicht als auch die oxydische keramische Beschichtung mittels desselben Verfahrens aufgebracht werden, z.B. mittels APS. Nach Applikation der Haftschicht kann hierbei dann direkt die oxydische keramische Beschichtung aufgebracht werden. Die Schichtdicke der Haftschicht kann wie oben geeignet eingestellt werden.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Bauteil vor dem Bereitstellen in eine geeignete Form gebracht, wie oben ausgeführt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Bauteil als Haken ausgeführt oder wird als Haken bereitgestellt.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist der Haken mindestens eine erste Fläche zur Aufnahme und/oder Befestigung des einzubringenden Produkts auf. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element derart eingebracht, dass ein einzubringendes Produkt beim Einbringen mit der Beschichtung auf dem mindestens einen keramischen Element und/oder dem mindestens einen keramischen Element in Kontakt kommt.
  • Es können auch beispielsweise zwei oder mehr Flächen vorgesehen sein, die ausgestaltet sind, dass zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element oder mehrere keramische Elemente - mindestens zwei - eingebracht wird.
  • Eine Befestigung des mindestens einen keramischen Elements an dem Bauteil kann auf geeignete Weise erfolgen, beispielsweise durch Schweißen, Stauchen, eine mechanische Befestigung, ein nicht weiter beschränktes Adhäsiv, konstruktive Lösungen wie z.B. eine Schwalbenschwanzverbindung, etc., und/oder durch Einbringen entsprechender Befestigungsausgestaltungen, z.B. ein oder mehrere Bohrlöcher, z.B. im Wesentlichen passgenau oder passgenau für das keramische Element.
  • Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das mindestens eine keramische Element als Leiste und/oder Stab ausgebildet, welche bzw. welcher bevorzugt derart in das Bauteil eingebracht wird, dass das Bauteil die Leiste und/oder den Stab zumindest teilweise umschließt. Die Leiste und/oder der Stab sind erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt hinsichtlich z.B. der Dicke, Form. Länge, und/oder Ausgestaltung, z.B. als gerades Element, und können an das Bauteil angepasst sein.
  • Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
  • Die Erfindung wird im Anschluss mit Bezug auf verschiedene Beispiele davon weiter im Detail erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
  • Beispiele
  • Zur Herstellung eines Alfinierhakens wurde ein Haken aus Stahl als Bauteil bereitgestellt. In diesen Haken wurden, wie in 2, gezeigt, Bohrungen eingebracht., in die dann Keramikstäbe bzw. Keramikstifte eingefügt wurden. In 4 sind der Stahlhaken 2a mit den keramischen Einsätzen 1a zu sehen.
  • Der Stahlhaken wird mit den zwei Bohrungen versehen, dass der Stahl des Hakens die keramischen Stäbchen nur etwas oberhalb der Mitte umschließen, so dass ein Herausfallen verhindert wird. Die Bohrungen und die Keramikstifte sind so dimensioniert, dass es keinen großen Spalt zwischen beiden gibt. Um das Herausrutschen des ersten Stiftes wegen des eigenen Gewichts zu verhindern, wurde er mit einer Senke versehen, in die der zweite Stift reingeschoben wird. Die finale Befestigung erfolgt dann über die Haftschicht und die Beschichtung. Ein so beschichteter Stahlhaken ist in 5 gezeigt.
  • Der Haken mit den Keramikstäben wurde zunächst mittels APS mit einer Haftschicht vollständig beschichtet, woraufhin auf die Haftschicht eine oxydische keramische Beschichtung ebenfalls mittels APS aufgetragen wurde.
  • Es wurden die folgenden Materialien für verschiedene beschichtete Metall verwendet:
    • • Haken aus Stahl 1.2343
    • • Haftschicht aus Ni/Cr 80/20 (w/w)
    • • Beschichtung aus Al2O3/TiO2 87/13 (w/w) oder Al2O3/MgO 72/28 (w/w) oder mit MgO-stabilisiertem Zirkonoxid 76/24 (w/w)
    • • Keramische Einsätze aus MgO-stabilisiertem Zirkonoxid (Mg-PSZ), MgO, NSN und Al2O3
  • Es wurde Folgendes bei Einbringen in eine Aluminiumschmelze für 20 h sowie bei Beladung mit Ringträgern beobachtet:
    • Mittels der Haftschicht wurde eine gute Haftung der Beschichtungen erzielt. In Langzeitversuchen ergab sich eine besonders gute Widerstandsfähigkeit für Al2O3/MgO 72/28. Durch die Beschichtung konnte ein Eindringen der Aluminiumschmelze zum Stahl und dessen Zersetzung verhindert werden.
  • Für die Keramikstäbe zeigte NSN die geringste Festigkeit, und MgO zeigte hervorragende Eigenschaften. Mg-PSZ und Al2O3 zeigten eine geringere Thermoschockbeständigkeit, wobei die Stäbe jedoch aufgrund des Designs im beschichteten Haken verblieben und einen guten Schutz des Stahls erbrachten. Für ein Einbringen in eine Zinkschmelze war die Thermoschockbeständigkeit ausreichend.
  • In den Versuchen zeigte sich vor allem eine gute Eignung in der Aluminiumschmelze für Haken mit MgO-Keramikeinsätzen, einer Haftschicht NiCr 80/20 und einer Keramikschicht aus Al2O3/MgO 72/28. Auch mit Keramikeinsätzen aus Al2O3 wurden gute Ergebnisse erzielt. Die obigen Ergebnisse konnten auch in Langzeitversuchen mit einer Versuchsdauer von 50 h bestätigt werden. Im Vergleich hierzu zersetzte sich ein unbeschichteter Stahlhaken in der Aluminiumschmelze. Überraschenderweise zeigte sich aber auch, dass selbst Risse in den keramischen Stäben toleriert werden konnten, und dass auch bei wiederholtem Aufbringen von Ringträgern eine geeignete Stabilität erzielt wurde, selbst wenn es lokal üben den keramischen Stäben zu einer Abtragung der Beschichtung kam, da hier der keramische Einsatz den Stahlhaken schützt und der Stahlhaken anderweitig durch die oxydische keramische Beschichtung geschützt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2002061153 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN-EN ISO 1463:2021-08 [0039]

Claims (10)

  1. Beschichtetes Bauteil zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere in ein Metallbad umfassend Aluminium oder Zink, wobei das Bauteil Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht, und wobei das Bauteil zumindest teilweise mit einer oxydischen keramischen Beschichtung beschichtet ist.
  2. Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 1, wobei die oxydische keramische Beschichtung Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Chromoxid, Siliziumoxid, Mischoxide davon und/oder Mischungen davon umfasst.
  3. Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 2, wobei die oxydische keramische Beschichtung Aluminiumoxid und zusätzlich Titanoxid, Magnesiumoxid und/oder Yttriumoxid, oder Zirkonoxid und zusätzlich Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid und/oder Magnesiumoxid umfasst.
  4. Beschichtetes Bauteil nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Bauteil zumindest teilweise in Form eines Hakens ausgebildet ist.
  5. Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 4, wobei der Haken mindestens eine erste Fläche zur Aufnahme und/oder Befestigung des einzubringenden Produkts aufweist, wobei die mindestens eine erste Fläche derart ausgestaltet ist, dass zwischen dem Bauteil und der Beschichtung mindestens ein keramisches Element eingebracht ist, dass derart ausgestaltet ist, dass das einzubringende Produkt beim Einbringen mit der Beschichtung auf dem mindestens einen keramischen Element und/oder dem mindestens einen keramischen Element in Kontakt kommt.
  6. Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine keramische Element als Leiste und/oder Stab ausgebildet ist, welche bzw. welcher bevorzugt derart in das Bauteil eingebracht ist, dass das Bauteil die Leiste und/oder den Stab zumindest teilweise umschließt.
  7. Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 5 oder 6, wobei das keramische Element eine Keramik umfasst, die ausgewählt ist aus Al2O3, ZrO2, MgO-stablisiertem ZrO2, MgO, Si3N4, SiC und/oder Mischungen davon.
  8. Verwendung eines beschichteten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad, insbesondere zum Alfinieren und/oder Feuerverzinken.
  9. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Bauteils, welches derart ausgestaltet ist, dass es zum Einbringen eines Produkts in ein Metallbad geeignet ist, umfassend: - Bereitstellen eines Bauteils, das Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, umfasst, oder im Wesentlichen aus Eisen, Nickel, Cobalt und/oder Molybdän und/oder Legierungen davon, insbesondere Stahl, besteht; und - zumindest teilweise Beschichten des Bauteils mit einer oxydischen keramischen Beschichtung.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beschichten mittels thermischen Spritzens erfolgt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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