DE1508390C - Überzugsmasse zum Schutz der Oberfläche von Metallformkörpern gegen Oxydation während einer Wärmebehandlung - Google Patents
Überzugsmasse zum Schutz der Oberfläche von Metallformkörpern gegen Oxydation während einer WärmebehandlungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Überzugsmassen zum zum Walzen), eine sehr kräftige Oxydation bei Aus-
Aufbringen auf die Oberfläche von Metallformkör- Setzung an die Atmosphäre noch stattfinden,
pern oder Mctallgußstücken, wie Platten, Brammen, Es wurden auch andere Mittel zum Schutz der
Barren oder Knüppeln, zur Verhinderung oder Her- Oberflächen von Metallgegenständen, die erhitzt werabsetzung
der Oxydation ihrer Oberfläche während 5 den sollen, entwickelt. So ist es beispielsweise bekannt,
Wärmebehandlungen, denen sie unterworfen werden. einen Anstrich auf die Oberfläche des Metalls aufzu-
Es ist in der Metallverarbeitungsindustrie allge- bringen, bevor dieses der Wärme behandlung untermein
üblich, daß die Metalle verschiedenen Wärme- worfen wird. Derartige Anstriche umfassen Materiabehandlungcn,
beispielsweise zum Tempern und/oder lien, die vorzugsweise oxydiert werden, z. B. pulverzum
Entspannen oder in Verbindung mit Heißver- xo förmiges Aluminium, Fefrosilicium oder Silicium, und
arbeitungsvorgängen unterworfen werden. Während somit bestimmt sind, in vorteilhafter Weise zu wireiner
derartigen Erhitzung sind die Oberflächen des ken. Andere Anstricharten beruhen auf dem physi-Metalls
besonders gegen Oxydationswirkungen, näm- kaiischen Ausschluß der Atmosphäre 'f<>n der Oberlich
die Bildung einer Metalloxydschicht auf der fläche durch die Fähigkeit ihrer Bestandteile, beim
Oberfläche des MetaUgegenstandes und/oder die 15 Erhitzen einen Überzug zu bilden. Die in derartigen
selektive Oxydation eines Legierungsbestandteils an- Anstrichen verwendeten Materialien bestehen aus
fällig. Ein Beispiel für die letztere Erscheinung ist Mischungen von verschiedenen feuerfesten Oxyden,
insbesondere die Oberflächenentkohlung von Stählen Schlacken, Siliciumdioxyd und gemahlenem Glas. Die
und anderen Eisenlegierungen. Diese Wirkungen zei- vorstehend angegebenen bevorzugt oder zuerst der
gen sich durch die Bildung von Oxydzunder oder im ao Oxydation unterliegenden Materialien wurden eben-FaIIe
der Entkohlung durch die Erzeugung einer falls in die überzugsbildenden Ansätze einverleibt.
Oberflächenschicht mit veränderten chemischen und Mehr oder weniger Erfolg kann bei der Verwendung
physikalischen Eigenschaften, die demgemäß an- dieser bekannten Anstriche erzielt werden, die im
schließend maschinell entfernt werden muß. Die auf allgemeinen auf die Metalloberfläche als Schicht in
dfsse Weise auftretenden Metallverluste können ernst- as einer Dicke von etwa 3,175 mm aufgebracht werden,
haft und daher sehr kostspielig sein. So wird z. B. Jedoch erwies sich keiner davon als geeignet, einein
Stahlbarren oder eine Stahlplatte vor dem Ver- wandfrei Oxydationsverluste bis zu einem zufriedenwa'zm
zu einer Schiene oder einem Blech gewöhn- stellenden Grad zu verringern, obgleich in einzelnen
lieh in einem sogenannten Wärmeofen gebracht, Fällen das Ausmaß an Metallverlusten in Form von
worin der Barren oder die Platte gleichförmig erhitzt 30 Oxydzunder bis zu 70% herabgesetzt worden war.
wird. Der Ofen muß natürlich zur Entfernung des Eine Verlustverminderung selbst in dieser Höhe wird
Barrens oder der Platte geöffnet werden. Dabei findet jedoch als unbefriedigend angesehen, indem der noch
gegebenenfalls eine Oxydation und Entkohlung statt, aufgetretene Oxydationsgrad im Fall von Stählen
und der sich daraus ergebende Metallverlust kann bis unvermeidlich von einer Oberflächenentkohlung
zu 3 Gewichtsprozent des Metalls betragen. Es besteht 35 begleitet ist, wodurch eine maschinelle Behandlung
daher ein vordringliches Interesse für die Schaffung zur Entfernung der entkohlten Schicht notwendig ist.
eines Mittels, um die Metalloberflächen vor einer Es ist eine Überzugsmasse, die Ferrosilicium und
oxydierenden Atmosphäre während irgendeiner ein glasurbildendes Material enthält, zum Schutz der
Wärmebehandlung zu schützen. Oberfläche von Metallgegenständen gegen Oxydation
Es ist allgemein bekannt, daß zur Erniedrigung 40 während einer Warmbehandlung vorgeschlagen wordiescr
Oxydationsverluste kleine Gicßlingc der erfor- den, die außerdem feinzerteiltes feuerfestes Material
dcrlichen Wärmebehandlung in einer geregelten enthält. Das feuerfeste Material kann dabei aus feininerten oder nichtoxydicrenden Atmosphäre unter- teiliger Tonerde, Kieselerde oder Magnesia bestehen,
worfen werden können. Obgleich dieses Mittel in Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer
vielen Fällen ziemlich erfolgreich war und tatsächlich 45 Überzugsmasse zum Schutz der Oberfläche von
in der Praxis verbreitet angewendet wurde, bestehen · Metallformkörpern oder Gußstücken gegen Oxydabcstimr.vte
ernsthafte Nachteile hinsichtlich seiner tion während einer Wärmebehandlung, die geeignet
allgemeinen Anwendung. Eine offensichtlich nicht- ist, die Oberflächenoxydation noch weiter, als dies bei
oxydierende Atmosphäre für den praktischen Ge- der Anwendung der bekannten Mittel der Fall ist,
brauch ist eine Stickstoffatmosphüre; diese kann gege- so herabzusetzen oder vollständig zu verhindern,
benenfalls zu unerwünschten Nebenwirkungen, bei- Die Überzugsmasse gemäß der Erfindung, bespielsweise einer Nitrierung des Stahles beim Erhitzen stehend aus Ferrosilicium, glasbildendem und fcinin einer SticksinfTuimosphäre fuhren. An Stelle von teiligem feuerfestem Material zum Schutz der Ober- Stickstoff kann Argon verwendet werden, was jedoch fläche von Metnilformkörpern gegen Oxydation wähsehr (euer ist. In jedem Fall ist eine kostspielige Ein· 55 rend einer Wärmebehandlung, ist durch den Gehalt richtung erforderlich, z. B. eine Gasströmungsregler- von
benenfalls zu unerwünschten Nebenwirkungen, bei- Die Überzugsmasse gemäß der Erfindung, bespielsweise einer Nitrierung des Stahles beim Erhitzen stehend aus Ferrosilicium, glasbildendem und fcinin einer SticksinfTuimosphäre fuhren. An Stelle von teiligem feuerfestem Material zum Schutz der Ober- Stickstoff kann Argon verwendet werden, was jedoch fläche von Metnilformkörpern gegen Oxydation wähsehr (euer ist. In jedem Fall ist eine kostspielige Ein· 55 rend einer Wärmebehandlung, ist durch den Gehalt richtung erforderlich, z. B. eine Gasströmungsregler- von
einrichtung und öfen mit Speziafaufbau, bei welchen 6 bis 60 Gewichtsprozent Ferrosilicium,
die Luft am Hindringen durch einen Ansaugvorgang t bis 65 Gewichtsprozent glasbildendem Material
verhindert wird, öfen, in welchen die Atmosphäre und
geregelt werden kann, sind zum Erhitzen von kleinen «o 4() w g0 Gewichtsprozent feinieiligem feuerfestem
eignet; es ist jedoch unpraktisch, Gebrauch von der· '
artigen Vorrichtungen zum Frhitzen großer Gegen- von dem wenigstens 30 Gewichtsprozent aus Alu*
stände, wie Brammen oder Platten, mit einem Gewicht miniumhydroxyd besteht, gekennzeichnet,
von mehreren Tonnen zu machen. Außerdem kann, *s Bei Anwendung der Überzugsmasse gemäß der
wenn as erforderlich ist, den Metallgegenstand aus Erfindung wird ein kontinuierlicher Film auf der
dem Ofen im erhitzten Zustand zu entfernen (bei· oberfläche des zu schützenden Meiallgegenstandes
spielswcisc einen StahfknUppel oder eine Stahlplatte gebildet, der gegenüber Gasen undurchlässig ist und
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stark an der Metalloberfläche anhaften muß. Für Der Ferrosiliciumbestandteil ist allgemein bekannt
Temperaturen oberhalb etwa I K)(P C soll die Zusam- und bedarf keiner weiteren Erläuterung,
mensetzung des Überzugs so beschaffen sein, daß der Der Aluniiniumhydroxydbestandteil kann die Veraufgebrachte
Überzug nicht vollständig unter BiI- bindung der Formel AI(OH),, oder ein hydratisiertes
dung einer Glasur schmilzt, da sonst der Film als 5 Aluminiumoxyd, wie Bauxit.AI.O., · 3 I \,.O sein.
Oxydionenträger wirkt und eine sehr ernsthafte BiI- Aluminiumhydroxyd ist von Aluininiumoxyd AUO5
dung von Zunder auftreten kann. Die Überzugsmasse zu unterscheiden, und es wurde gefunden, daß man
gemäß der Erfindung kann mit einer solchen Fließ- Aluminiumhydroxyd nicht zufriedenstellend durch
iähigkeit bereitet werden, daß sie durch Aufspritzen Aluminiumoxyd ersetzen kann, trotz der Talsache,
oder Aufsprühen, Eintauchen, Aufbürsten oder to daß beim Erhitzen das Aluminiumhydroxyd wahrirgendein
anderes gebräuchliches Verfahren aufge- scheinlich in Alurnmiunioxyd übergeführt wird. Dies
bracht werden kann. beruht wahrscheinlich darauf, daß" das so gebildete Es ist ein Verfahren zum Überziehen einer Kera- Aluminiumoxyd in situ entsteht und in einem vermikoberfläche
mit einer festhaftenden hart- und hältnismäüig reaktionsfähigeren Zustand vorliegt als
weichlötfähigcn Metallschicht bekannt, bei dem fol- 15 das als solches in den Ansatz der Zusammensetzung
gende Verfakrensschritte ausgeführt wurden: oder Masse zugegebene Aluminiumoxyd.
a) Bestreichen der Keramikoberfläche mit einer Das Einteilige feuerfeste Material, außer dem
Pulversuspension, bestehend aus Feldspatpulver Aluminiumhydroxyd, kann z. B. Aluminiumoxyd,
(bzw. Pulver sonstiger, einen Glasfluß bildender Siliciumdioxyd, beispielsweise Siliciumdioxydmehl,
Stoffe), gepulvertem Ferrosilicium (bzw. Pulvern ao Magnesiumoxyd oder irgendein anderes feuerfestes
der entsprechend aufgebauten Kobalt-Silicium- Oxyd odcr L'in Gemisch beliebiger dieser Verbindun-Verbindungen),
Eisen- und Nickelpulver (bzw. Een oder irgendein anderes feuerfestes Material, wie
Kobaltpulver), suspendiert in der Lösung eines ein feuerfestes Silicat sein.
aushärtbaren Harzes; Das schmelzbare Überzugs- oder glasurbildendc
b) Erwärmen dieser Schicht bis zum Trocknen und a5 Matcrial kan" ?u? P"Iverisiertem Glas oder irgcnd-Aushärten
des Harzes- einem an sich bekannten Material fur die Vcrwcn-
, _ . , ,. *,. , . . dung als keramische? Glasurmaterial bestehen. Diese
c) Bestreichen diese/ Schuht mit einer zweiten sind üblicherweise Gemische von Silicaten, Boraten
Suspension bestehend aus Pulvern der unter a) oder Phospnaten mit Metalloxyden, z. B. Eisenoxyd
genannten Metalle und einen geeigneten üblichen 30 oder ßleioxyd. Schlackenbildende Mittel, die für den
Suspendierungsmiltel; Gebrauch in der Eisen- und Stahlindustrie bekannt
d) gemeinsames Einbrennen beider Schichten bei sind, können ebenfalls zur Anwendung gelangen.
Temperaturen oberhalb 1000° C in Schutzgas- Wenn die Masse in Form einer Suspension, Dispcratmosphäre,
vorzugsweise in einem kohlenstoff- sion oder eines Schlammes ir einem flüssigen Träger
und kohlen wasserstoff freiem Schutzgas. 35 vorliegt, was bevorzugt wird, kann irgendein flüssiger
Es handelt sich hierbei um die Lösung der Auf- Träger verwendet werden. Aus Bcqucmlichkcits-
gabe, eine gute Verbindung von keramischen und und Billigkeitsgründen wird im allgemeinen Wasser
metallischen Teilen, insbesondere zur Herstellung bevorzugt, irgendeine andere flüchtige oder brcnn-
von vakuumdichten Durchführungen unter Beteili- bare Flüssigkeit kann verwendet werden, z. B. ein
gung beider Werkstoffarten zu gewährleisten. Das 40 Alkohol, wobei jedoch letzterer im allgemeinen wegen
bekannte Verfahren gibt keinen Hinweis zur Lösung Feuer- und Explosionsgefahr weniger bevorzugt wird,
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe des Das Suspensionsmittel kann irgendeine derartige
Schutzes der Oberfläche von Metallformkörpern an sich bekannte Verbindung, wie Montmorillonit,
gegen Oxydation. Bentonit, oder ein anderer Ton oder ein organisches
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um- 45 Kolloid, wie Natriumcarboxymethylcellulosc, sein,
faßt die Überzugsmasse gemäß der Erfindung außer- Die in der Masse vorhandenen Klebemittel können
dem ein Fluorid. Im allgemeinen ist es besonders. aus Gummistoffen oder Harzen oder deren Gcmi-
zweckmäßig und bequem, die vorstehend beschrie- sehen bestehen.
bene Masse in Form von Dispersionen, Suspensionen Wenn es erwünscht ist, daß die Masse exotherm
oder Aufschlämmungen aufzubringen, und aus diesem 5° reagierende Bestandteile enthält, bestehen diese iib-
Grund ist es erwünscht, in die Auftragsmasse neben licherwcise aus einer oxydierbaren Substanz und
einem flüssigen Träger für die festen Bestandteile ein einem oxydieienden Mittel. Die erstcrc kann Fcrro-
Suspendiermittel (d. h. ein Mittel, das die Beibehal- silicium sein, das in jedem Fall in der Masse vorhan-
tung der teilchenförmigen Bestandteile in Suspension den ist; es kann jedoch auch zusätzlich ein Anteil von
in der TrügerflUssigkeit unterstützt) einzuschließen. 55 feinteiligem Aluminium vorhanden sein. Das Oxyda-
einzusetzen, das die Verankerung oder Haftung der Alkali- oder Erdalkalinitrat oder -chloral, Eisenoxyd
aufgebrachten Schicht an der Metalloberflüche unter- (Fe2On oder Fe.,0,), Mangandioxyd oder Gemischen
stutzt. dieser Verbindungen.
standteile, die beim Erhitzen des überzogenen Metall» weise von Alkali- oder F.rdalkalifluorid, Aluminium-
miteinander exotherm reagieren. Es wurde gefunden, fluorid oder einem gemischten Fluorid, wie Natrium-
daß auf diese Weise das Zusammenschmelzen des aluminiumfluorid oder Kaliumaluminiumfluorid. oder
glasurbildenden Materials erleichtert wird und ver- 65 eines komplexen Fluorids, wie einem Silicofluorid,
besserte Ergebnisse erzielt werden können. Borfluorid oder Titanfluorid, ebenfalls bevorzugt, t-.in
folgendes ausgeführt- etwa 11501C unter Bildung von freiem Silicium. F.β
wird angenommen, daß dieses die Metalloberfläche
siliconisicrl und auf diese Weise als Sperre beispielsweise gegenüber einer ünlkohlung von Eisenmctallen
wirkt. Wenn Aluminium und ein oxydierendes Mittel ebenfalls vorhanden sind, kann das Fluorid dazu
dienen, die Runktiun zwischen diesen in an sich
bekannter Weise zu müßigen.
Das Aluminiumhydroxyd kann einen Teil oder die
Gesamtmenge des feuerfesten Bestandteiles darstellen, und es soll in einer Menge von wenigstens 30 Gewichtsprozent
des feuerfesten Bestandteiles vorhanden sein. Das gesamte feuerfeste Material soll in einer
Menge von -10 bis 80 Gewichtsprozent, und insbesondere
von 50 bis 70 Gewichtsprozent, bezogen auf die Masse, anwesend sein. Der Ferrosiliciumgehalt
kann weitgehend in dem Bereich von 6 bis 60 Gewichtsprozent,
bezogen auf die Masse, variieren. Die schmelzbare glasbildende Komponente ist in einem
Anteil von I bis 65 Gewichtsprozent, bezogen auf die
Masse, vorhanden, wobei ein bevorzugter Bereich, bei welchem der Überzug hohen Temperaturen
widerstehen soll, zwischen 1 und 15° ο liegt. Höhere Anteile können zur Anwendung gelangen, wenn der
Ohor/ug lediglich tieferen Temperaturen, wie 700 bis
1000' C standzuhalten braucht, wobei Anteile von
It) bis 50 Gewichtsprozent geeignet sind.
Das gegebenenfalls vorhandene Fluorid. beispielsweise Kryolith, wird vorzugsweise in einer Menge von
1 bis 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Masse,
verwendet.
!•ine bevorzugte Masse gemäß der Erfindung enthält
Aluminiumhydroxyd, Siliciumdioxydmchl, Ferrosilicium. pulverisiertes Glas und Natrium- oder Kaliumkryolitli
in dem vorstehend angegebenen Verhältnis zusammen mit Bcntonit in einer Menge von z. B.
2 bis 10 Gewichtsprozent als Dispergiermittel.
Fin Gemisch dieser Materialien kann leicht in Wasser für den Gebrauch beim Eintauch-. Aufborst-,
Auftragsverfahren oder Aufsprühvcrfahrcn aufgeschlämmt werden. Beispielsweise können 100 Gewichtsteilc
der Feststoffmischung in 50 Gewichtsteilen Wasser dispergicrt werden, um einen aufbürstbaren
Anstrich zu ergeben.
Die Erfindung wird nachstehend au Hand eines Beispiels näher erläutert.
Die folgenden Bestandteile, die jeweils eine Teilchengröße
entsprechend einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,074 mm aufweisen, werden
in den nachstehend angegebenen Gewiclitsmengen gemischt.
Aluminiumhydroxyd 51.00Zo
Ferrosilicium 27.O0O
Siliciumdioxydmchl 12.50O
Bentonit ..'. 5,5«Ό
100,0»/o
AO Gcwielitsleilo dieser trockenen Mischung wer*
den in 4(1 Gowithtstcite Wasser eingebracht und zur
Bildung eines Anstrichs gerührt. Dieser Anstrich gewiifm beim Aufbringen auf Stalilblockformober·
fluchen einen Stftii'.z gegen Zunderiing bei Temperaturen von 80(1 bis 1250 C tmd wird vorzugsweise
verwendet, wenn die Heliaiidlungsiemperniur im Bereich von 950 bis 1150 C liegt.
Die Massen gemäß der Erfindung besitzen den Vorteil, daß sie keine komplizierten Mischverfahren
benötigen und daß man die Feststoffe mischen und im trockenen Zustand lagern kann, bis sie benötigt
werden. Es besteht dabei keine Gefahr einer Verschlechterung,
die bisweilen bei den früheren Ansätzen auf Wasserbasis auftrat. Außerdem gewähren die
Massen gemäß der Erfindung den Oberflächen des Metalls, das einer Wärmebehandlung unterworfen
ίο werden soll, einen größeren Schutz.
Es ist zu beachten, daß die Massen gemäß der Erfindung zur Schaffung einer Sperre oder Trennschicht
zwischen einer Metalloberfläche und irgendeiner Atmosphäre, in welcher das Metall erhitzt werden
soll, verwendet werden können. Beispielsweise kann er. erforderlich sein, einen Metallgegenstand einer
Aufkohlungsbehandlung »diglich an einem Teil seiner
Oberfläche zu unterwerfen. Pie Fläche, die nicht aufgekohlt werden soll, kann mit der Masse gemäß der
ao Erfindung überzogen werden und der ganze Gegenstand kann dann der geeigneten Temperatur- und
atmosphärischen Behandlung ausgesetzt werden. Die durch die Massen gemäß der Erfindung bedeckte
Fläche wird dabei nicht aufgekohlt.
as Die neuen Schutzmassen gemäß der Erfindung sind
daher für den Gebrauch für Melallknüppel und -platten,
die vor den Heißbearbeitungsvorgängen erhitzt werden sollen, geeignet. Die Massen sind außerdem
. zum Schutz der Oberflächen von fertigen Metallgegenständen geeignet, die einer Wärmebehandlung unterzogen
werden sollen, beispielsweise von Werkzeugen, die geformt und auf bestimmte Größe gebracht worden
sind, die jedoch anschließend geglüht, getempert oder in anderer Weise wärmebchandelt werden müssen.
Der besondere Effekt, der bei Anwendung der
Überzugsmasse gemäß der Erfindung erzielt wird, ist aus dem nachstehenden Vergleichsversuch ersichtlich.
Es wurden drei Zusammensetzungen für Uberzugsmassen
zum Schutz der Oberfläche von Stahlgegenständen gegen Oxvdation während einer Wärmebehandlung
hergestellt und auf ihre Wirksamkeit geprüft. Die Versuche wurden mit Stahlzylindern von
25 mm Durchmesser und einem Gewicht von 100 g
bei einer Temperatur von 1200~ C ausgeführt.
Die Überzugsmassen
hatten folgende Zusammensetzung
(in Gewichtsteilen):
Ferrosilicium
Siliciumdioxydmehl .
Natriumkryolilh
Natriumkryolilh
Benionit
A | B |
13 | 13 |
6 | 6 |
1,5 | 1,5 |
1,5 | 1,5 |
3 | 3 |
— | 25 |
13
6
6
- I _ I £T
60 Gewichtsteile jeder Zusammensetzung A, B und C wurden mit 4(1 Gewichtsteiten Wasser gemischt und
zur Bildung eines Anstrichmittels gerührt. Jedes Anstrichmittel wurde auf die Stahlmuster aufgebracht,
wobei die Dicke des aufgebrachten Überzugs etwa 0,254 mm betrug. Die überzogenen Muster wurden in
einen Ofen mit einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre gebracht. Die Temperatur des Ofens wurde
Claims (1)
1. Überzugsmasse, bestehend aus Ferrosilicium, rende Bestandteile umfaßt,
glasbildendem und feinteiligem feuerfestem Ma- as 6. Masse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
terial zum Schutz der Oberfläche von Metallform- dadurch gekennzeichnet, daß sie 1 bis IS Ge-
körpern gegen Oxydation während einer Wärme- wichtsprozent Kryolith enthält.
Family
ID=
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