DE1758620A1

DE1758620A1 - Emaillierter Bauteil mit Aluminium als Hauptbestandteil

Info

Publication number: DE1758620A1
Application number: DE19681758620
Authority: DE
Inventors: Howlett Ernest Edward; Hubbell Dean Sterling
Original assignee: HH Robertson Co
Current assignee: HH Robertson Co
Priority date: 1967-07-19
Filing date: 1968-07-08
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3482951A; BE718308A; FR1603349A; GB1169157A

Description

Emaillierter Bauteil mit Aluminium ala Hauptbestandteil

Die Krfindung bezieht sich auf die sogenannte Porzellanemaillierung von Teilen, die Aluminium als Hauptbestandteil enthalten. Das Überziehen von Gegenständen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit einer Porzellanemail, auch als Deckemail bezeichnet, ist an sich bekannt. Allgemein wird empfohlen, vor dem Aufbringen der Porzellanemail den Aluminiumbauteil sorgfältig zu reinigen, gegebenenfalls auch einer Vorbehandlung zu unterziehen, die in einer vorherigen .Erhitzung des Aluminiumbauteils bestehen kann.

Tneoretisch läßt sich auf allen bekannten Aluminiumlegierungen eine Porzellanemail· aufbringen. In vielen Fällen ist ein solcher Gegenstand aber deswegen nicht verwendbar, weil die Porzellanemail nur ungenügend haftet.

Gemäß einer Veröffentlichung der Aluminiumabteilung des Porcelain länamel Institute, Inc., "Hecommended Processing Methods for Porcelain Enamel on Aluminium Alloys", 4· Auflage 196ο werden befriedigende Ergebnisse mit einer Porzellanemail erzielt bei Blechen aus einer Aluminiumlegierung mit 1 "/> Silizium, aus einer Aluminiumlegierung, die als wesentliches Legierungselement 1 bis 1,ϊ> > Mangan enthält und uiner Magnesium- Siliziumlegierung, die

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daneben auch Kupfer und Chrom enthält (0,4 bis ο,8 % Silizium, o,15 bis 0,4 & Kupfer, 0,8 bis 1,2 £ Magnesium, o,15 bis o,35 i» Chrom). Die gleiche Legierung ist auch zur Aufnahme einer Porzellanemail geeignet, wenn sie im Strangguß hergestellt ist. für im Guß hergestellte Teile haben sich gemäß der gesamten Veröffentlichung Legierungen mit reinem Aluminium als brauchbar erwiesen,denen Silizium in Höhe von 5 oder 7 % beigegeben war.

In der US Patentschrift 2.719.796 werden ale geeignete Aluminiumlegierungen, auf denen eine Porzellanemail aufgetragen werden kann, angegeben!

Legierungen mit» 1,25 £ Hangan

0,6 ^JA Silizium, ferner Kupfer und JSisen,

Legierungen mitt 2,5 Jt Magnesium,

o,25 £ Chrom, daneben o,l £ Mangan, Kupfer und Zink,

Legierungen mitt 0,6 £ Silizium,

1 £ Magnesium

geringe Mengen an Mangan, Kupfer

und Zink.

In der deutschen Patentschrift 1 ο96 149 wird die Verwendung von mit fieinaluminiumplattierten Aluminiumlegierungen, insbesondere solche der Gattung Al Mg Si, als für das anschließende Emaillieren geeignet angegeben.

Sie SnailIndustrie gebrauch seit einigen Jahren eine Aluminiumlegierung als Unterlage in form einer Grundemail, auf welche Deckemail aufgebracht wird, sowohl für Gegenstände, die in geschlossenen Bäumen, al· für solche,die im freien Verwendung

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Eine solche Grundemail setzt einen Kern einer Alumini ainlegierung voraus, die Silizium, Magnesium, Kupfer und Chrom enthält und eine Grundemail, die zu wenigstens 99 t> aus Aluminium besteht, Eine derartige Grundemail kann mit einer Deckemail versehen werden, ohne daß eine Schwärzung oder eine Entfärbung eintritt, und es ist die Verwendung matter Pastellfarben in einer einzigen Deckschicht möglich, Eine solche Grundemail zeigt, wenn sie der Atmospnäre ausgesetzt ist, zuweilen einen Übelstand, den man als "Abblättern" (spallig) bezeichnet; dabei löst sich die Deckemail aus ihrem Verband mit der Unterlage.

Das US Patent 3 149 ool beschreibt das Aufbringen einer Porzellanemail aui¹ Körper aus einer Aluminiumlegierung, die o,3 bis l,o ^cß> Magnesium, 1 bis 2,2 $> Silizium und daneben als wichtigsten Bestandteil o,l bis o,4 i° Nickel enthält. Diese Legierungen sind für eine Emaillierung nur verwendbar, wenn eine geeignete Vorbehandlung mit einem sauren Reduktionsmittel oder einem Ghromat stattfindet.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, unter Benutzung einer auf den Kern des zu emaillierenden aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallteils aufzubringenden Grundemail ein sicheres Haften der Porzellanemail auf dieser Grundemail zu gewährleisten, wobei die einzelnen Stufen der Fertigung einfach und die für die Fertigung benötigten Rohstoffe wohlfeil sein sollen.

Gemäß der Erfindung besteht der Metallkern aus einer Aluminiumlegierung, die einer Hitzebehandlung fähig

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die Grundemail aus einer Aluminiumlegierung mit 1,5 bis 15 1° Silizium, vorzugsweise 3 bis 8 i» Silizium, wobei diese Legierung weniger als 2 $> anderer Legierungsbestandteile und Verunreinigungen enthält und insbesondere der Magnesiumgehalt nicht mehr als etwa o,l Gewichtsprozent, der Kupfergehalt nicht mehr als etwa o,4 Gewichtsprozent beträgt. Die Dicke der Grundemail sollte zwischen 4 und 15 & der gesamten Dicke des Gegenstandes liegen.

als Grundemail dienende Legierung kann andere Legierungsbestandteile und Verunreinigungen enthalten wie Kupfer, Magnesium, Eisen, Chrom, Mangan und Zink, doch darf der Gehalt an solchen anderen Legierungsmetallen und Verunreinigungen insgesamt 2 Ί· nicht übersteigen. Der Magnesiumgehalt sollte geringer als 0,1 % der Kupfer gehalt geringer als o,4 i· sein. Wenn der Gehalt an Verunreinigungen bei 2 i» liegt, so sollte Bisen die hauptsächliche Verunreinigung sein.

Eine besondere Legierung für den Kern ist die folgendet (Legierung 6ool)

Silizium o,4o bis o,8o # Eisen bis o,7o £ Kupfer o,15 bis o,4o 1» -.-.χ, Mangan bis o,15 $> Magnesium o,8o bis l,2o i» Chrom o,15 bis o,35 £

Zink bis o,25 £

Titan bis o,15 £

andere Elemente

insges. bis o,15 Ί·

von jedem einzelnen

nur bis o,o5 £

Heat Aluminium

Eine weitere für den Kern geeignete Legierung ist die folgendet (Legierung 71o4)

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_ 5 —

Silizium	bis	O	O	,20 fo	,50 bis	O₁
Eisen	bis	O	A	,50 </έ	bis	o,
Kupfer	bis	O		»o3 $>	bis	o,
Mangan	fehlt	O_:		bis	o,
Magnesium o.	,6 bis		,85 #	bis	o,
Zink 3	,8 bis	O;	,2 °/o	bis	o,
andere Elemente				bis
insges.	bis	,10 fo		O,
von jedem einzel			bis
nen nur	bis	,03 °/o		o,
Rest Aluminium			bis
Für die Grundemail hat £	3ich folgende Legierung als
besonders zweckmäßig erwiesent
(Legierung 4o43)		_roo i»
Silizium 4,		,80 ?6
Eisen	130 94
Kupfer	₍o5 $>
Mangan	>o5 9&
Magnesium	Io i*
Zink	,2o #
Titan
andere Elemente	15 96
insgesamt
von jedem einzel	o5 #
nen nur
Rest Aluminium

Eine Deckemail gemäß der Erfindung bringt folgenden Vorteil mit sich*

Sie hat eine große festigkeit. Auch bei schwachgefärbtem Deckemail tritt keine oder nur eine leichte Entfärbung ein· Es ergeben sich gute Hafteigenschaften, wenn eine der beiden folgenden Vorbehandlungen stattfindem

a) ein einfaches Entfetten, oder

b) eine Reduktionsbehandlung, der eine Behandlung mittels Alkalichromat folgt.

Diese Behandlung ruft bei gewiesen anderen als Grundemail verwendeten Legierungen eine Entfärbung hervor, die ein mehrmaliges Auftragen einer schwach gefärbten Kniall erfordert.

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Die Grundemail braucht nur auf einer Seite des Ge- ^r genstandes aufgebracht zu werden. Vorzugsweise wird die Grundemail auf beiden Seiten des Metallkerns aufgebracht. Die Grundemail sollte auf beiden Seiten zwischen 4 und 15 # der Dicke des Werkstücks betragen, vorzugsweise sollte sie zwischen 6 und 8 i» der Gesamt- ' *~* dicke liegen, -"ie Grundemail sollte eine Mindeststärke von o,o5 mm haben.

•"ie Figuren 1 bis 6 sind Querschnitte von Gegenständen, die einen Kern aus einer Aluminiumlegierung haben und gemäß der Erfindung mit aluminiumhaltiger Grund- ' ena il und einer Deckemail versehen sind.

Wie in Figur 1 zu erkennen, hat das zu emaillierende Stück Io einen Kern 11 aus einer eine Hitzebehandlung zulassenden Aluminiumlegierung und eine Grundemail 12, die aus einer hochsiliziumhaltigen Legierung besteht und 4 bis 15 1» der Dicke des Gegenstandes ausmacht.

Gemäß der Erfindung, wie sie in Figur 2 verkörpert ist, ist eine Deckemail 13 auf die Grundemail 12 in einem üblichen Heißverfahren aufgebracht.

Wenn es erwünscht ist, kann man auch die gegenüberliegende Oberfläche, wie aus Figur 3 trsichtlich ist, mit einer Schutzschicht 14 überziehen s._ B. mit einer Farbe, mit einer organischen Email oder einer Porzellanemail .

Vorzugsweise wird auf beidtn Oberflächen tint Grundemail aufgebracht, wit ditt in Figur 4 bei dta Werk- ' stück lo'dargestellt ist. Der Kern 11'besteht aus ' \ einer eine Hiteebehandlung zulassenden Ltgierung . '■ j

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und ist mit einer Grundemail 12'versehen, die aus einer hochsiliziumhaltigen Legierung besteht und mit einer weiteren·Legierung 15» die vorzugsweise die gleiche ist wie die für die Grundemail 12'verwendete Legierung.

Wenn man für beide Grundierungen 12*und 15 dieselbe hochsiliziumhaltige Legierung benutzt, so besteht nicht die Gefahr, daß man die Porzellanemail bei einer Anordnung, wie sie Figur 5 zeigt, etwa versehentlich auf der falschen Seite aufbringt.Sind Grundemail 12' und Grundemail 15 verschieden in ihrer Zusammensetzung, so besteht bei unaufmerksamer Behandlung die Gefahr, daß die Deckemail 13'auf die falsche Seite, d.h., auf die Oberfläche 15 aufgebracht wird, so daß der Vorteil einer besonders geeigneten Grundemail nicht vorhanden, ist.

In Figur 6 ist gezeigt, wie die zweite Grundemail 15 selbst mit einer Schutzschicht 16 aus Farbe, einer organischen Email oder aucn einer Porzellanemail bedeckt ist.

Die neue Grundemail kann mit einer PorzeiDanemail bedeckt werden, ohne daß es dazu einer ausgiebigen Vorbehandlung bedarf.

Die als Grundemail brauchbaren Stoffe sind Frittenzusammensetzungen mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt, die leicht zu beschaffen sind und bei denen schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen das Einbrennen erfolgen kann, nämlich bei 45o bis 55o°G. Bei einer solchen Email geht der Hersteller normalerweise von einer trockenen glasartigen Fritte aus, welche mit Wasser und anderen Begleitetoffen z.B.

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Trübungsmittel und Stabilisatoren, gemahlen wird, um einen wässrigen Brei zu bilden, den als Porzellan-Jämail-Schlicker bezeichnet. Der wässrige Brei wird auf die Grundemail aufgespritzt. Vielfach genügt eine einzige Schicht, die auf die Grundemail aufgebracht wird. In anderen Fällen iat eine zweite Deckschicht des Porzellanemails nötig, um eine befriedigende Gleichförmigkeit in der Farbwirkung zu erreichen, besonders dann, wenn eine schwachgefärbte Deckemail erwünscht ist.

Beispiel

Schicht A - üine Grundemaillierung gemäß Schicht A wird hergestellt, indem man eine 5#ige Deckschicht der Legierung 4o43 (s.o.) auf die eine Seite eines Kerns einer Legierung 6o6l (s.o.) aufbringt, und die beiden Legierungen heiß auf eine endgültige Schichtdicke von 2,o4 mm walzt.

Schicht B - Eine Grundemaillierung gemäß Schicht B wird gefertigt durch Aufbringen einer 5?M.gen Deckschicht der Legierung 4o43 auf die eine Seite eines Kerns der Legierung 606I, wobei auf eine Dicke von 3,13 mm herunter gewalzt wird. Danach werden die Schichten durch Kaltwalzen auf eine endgültige Stärke von 1,28 mm gebracht.

Schicht C - jäine spezielle Grund emaillierung I wurde zubereitet, die 5,o2 > Silizium, o,ll i» Kupfer, 0,34 # Eisen und weniger als o,ol > Verunreinigungen enthält. Die Legierung I wurde als Grundemail nur auf der einen Seite eines Kerns der Legierung 606I aufgebracht. Die Stärke der Grundemail betrug 4 /*» der endgültigen Schichtdicke.

- 9 109812/0663

Schicht D - Eine Grundemail mit der Bezeichnung D wurde hergestellt, indem man die Legierung I auf nur einer Seite eines Kerna der Legierung 6o6l aufbrachte; dabei bildete die Stärke der Grundemail Io ^ujo der Gesamtstärke der Schicht.

Porzellan-Email-Schlieker. - Die zwei Schlicker, bezeichnet als S-I und S-2, wurden aus den in der nachfolgenden Tafel I angegeben Bestandteilen hergestellt»

Tafel I - Zusammensetzung der Bmail-Schlicker Bestandteil S-I S-2

Fritte (Type Bleisilikat) loo.o loo.o

Titandioxid 2.ο 12„ο

Borsäure 3·ο 3<>o

Kaiiumhydroxid 2.5 2.5

Natriumsilikat 2_oo 2.ο

Farboxid - Schwarz 23·ο -

Farboxid - Blau - 5·ο

Wasser 5o.o 48.0

-Die Grundschichten A und B wurden während 3 Minuten bei 60 C mit einem organischen, phosphatischen, nichtätzenden, als Einweiche wirkenden Eeinigungsmittel entfettet. Ein Emailschlicker S-I wurde auf die Grundemailschicht gespritzt, um eine endgültige Schichtdicke (nach dem Brennen) auf 0,08 mm - o,o25 mm zu erreichen. Der Schlicker wurde gemahlen auf eine Feinheit, bei der o,2 °fo auf einem 325 Maschensieb zurückblieben. Das spezifische Gewicht des gespritzten Schlickers war 2,o4.

Die Stücke wurden Io bis 15 Minuten lang in einem Ofen bei einer Temperatur von 54o bis 55o C gebrannt.

Die erhaltenen Emaillierungen wurden nach dem beschleunigten PEI Spall-Test in Ammoniumcnlorid geprüft. Weder

- Io 109812/0663

- Io -

Schicht A noch Schicht B zeigten nach 4 Tagen irgendeine Spur von Rissen. Dieser gemäß dem beschleunigten PEI Spall-Test für die Brauchbarkeit der Email gemessene Wert gilt als Standard.

Mehrere Proben der Grundierung C und D wurden 15 Minuten in einem Ofen bei 55o°C behandelt; Die in der Hitze behandelten Stücke wurden in einer 15%igen Lösung von Schwefelsäure bei 9o°C eine Minute lang entfettet; dieselbe Behandlung wurde mit Grundierungen C und D durchgeführt, die nicht hitzebehandelt waren. Die entfetteten Proben wurden mit der Porzelüa nemail Schlicker S-2 besprüht, und zwar, so daß sich eine Stärk· von 0,08 mm (- o,o2b mm) nach dem Brennen ergab.

Das Schlicker S-2 wurde auf eine solche Feinheit gemahlen, daß o,2# auf dem 325 Maschensieb zurückbleiben. Der versprühte Schlicker hatte ein spezifisches Gewicht von 2,04. Die Proben wurden Io bis 15 Minuten lang bei 545 bis 55o°C gebrannt. Die emaillierten Werkstückproben wurden 96 Stunden lang bei 2o°G einer 5^igen Ammoniumchlorid-Lösung ausgesetzt. Es wurden keine Risse an den Proben C und D beobachtet, und zwar weder an denen, die einer Hitzebehandlung unterworfen wurden, noch auch an denen, bei denen das nicht der Fall gewesen war.

Beispiel 2

Es wurden im Vergleich gezogen eine an eich bekannte Grundemail, im Folgenden als S bezeichnet und eine andere Grundemail, die unter Anwendung der Erfindung hergestellt wurde, im Folgenden als F bezeichnet,

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Die mit der Grundemail versehenen Gegenstände wurden teilweise einer Hitzebehandlung unterworfen, teilweise nicht. Nach dem Aufbringen der Porzellanemail wurde der Püll-Spali-Test vorgenommen. Die Konventionsmethode, die von der American Society for Testing and Materials (aSTK) Committee C-22 on Porcelain Enamel and Related Ceramic Metal Systems aufgestellt ist, schreibt vor, daü die Gegenstande in einer 5/^igen Ammoniumchloridlösung bei Raumtemperatur behandelt werden. Als sogenanrOs "Spalling" (Abblättern, Ablösen der ,Email) wird angesehen, wenn ein vom Rande ausgehender Riß sichtbar wird, der breiter als 3 mm und länger als 2,5 mm ist, oder auf einer nicht zum Rande reichenden Fläche ein Bereich, wo das Metall freiliegt, vorhanden ist, dessen Größenerstreckung über 3 mm ist, oder wenn auf einer Fläche von 9oo cm mehr als 6 Fl ekken 2u erKennen sind, an denen das Grundmetall sichtbar wird.

Zur Herstellung der Grundemail B wurde auf einem Kern aus der Legierung 6o61 auf nur einer Seite eine Grundemail aus einer Aluainiumlegierung folgender Zusammensetzung aufgebracht:

Kupfer o,ol ^

Eisen o,2 9 £

Silizium o,l Jt Rest Aluminium

Zur Herstellung einer Grundemail gemäß der Erfindung (mit F bezeichnet) wurde auf einer Seite eines Kerns der Legierung 6o61 eine Legierung folgender Zusammensetzung aufgetragen:

Silizium 5, ο Jt Kupfer o,l > Bisen o,32 > Rest Aluminium

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Me Stärke der Grundemail war sowohl bei der Schicht E als auch bei der Schicht P im Durchschnitt ο,οβΐ min.

Sechs in gleicher Weise gefertigte Proben sowohl der Schicht E als auch der Schicht P wurden 15 Minuten bei einer Temperatur von 55o°C hitzebehandelt. Die hitzebehandelten Proben wurden ebenso wie sechs in gleicher Weise hergestellte Proben der Schichten E und P, die nicht hitzebehandelt waren, über der Grundemail mit einer Deckemail mit dem Schlicker S-2 in derjenigen Weise versehen, wie bezüglich der Schichten C und D oben geschildert worden ist.

Die mit der Deckemail versehenen Schichten wurden Io bis 15 Minuten bei Temperaturen zwischen 545 und 55o°C gebrannt. Die Proben wurden 26 Tage lang in 5#iger
Ammoniumchloridlösung getaucht, die eine Temperatur von 2o°C hatte, und teilweise auch bereits nach 5_flo und 15 Tagen gemessen· Die Ergebnisse des beschleunigten Spall-Testes sind dargestellt in folgender Tabelle II»

Tabelle Il

Schicht Zeit einer Ergebnis des Spall-Testes nach Vorerhitzung 5 Tagen Io Tagen 15 Tagen 2b Tagen bis 55o in

min

E ο 6300

E 15 1 ο 00 F ο 6 + b 6

F 15 6 + 4.1 +) bei diesen Proben wurde die Messung nach Io Tagen ausgelassen.

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Aus der Tafel II ergibt sich, daß die neue Aluminiumgrundemail eine erheblich bessere Haftung für die Porzellanemail-Deckschicht aufweist, wenn man sie mit der Aluminium-Grundemailschicht ü vergleicht, die in früheren Veröffentlichungen als geeignet für die Aufnahme
einer Porzellan-Deckemail beschrieben wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Emaillierter Bauteil mit Aluminium als Hauptbestandteil, wobei sich auf den Metall kern zunächst eine in einer oder mehreren Schichten aufgebrachte Grundemail, die als Träger der Porzellanemail dient, befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern aus einer einer Hitzebehandlung fähigen Aluminiumlegierung, die Grundemail aus einer Legierung des Aluminiums mit 1,5 bis 15 "/» Silizium besteht, die weniger als 2 > anderer Legierungsbestandteile oder Verunreinigungen enthalten, wobei insbesondere der Magnesiumgehalt nicht mehr als etwa o,l Gewichtsprozent, der Kupfergehalt nicht mehr als etwa o,4 Gewichtsprozent beträgt.

2. Emaillierter Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern aus einer Magnesium-Aluminium-Legierung folgender Zusammensetzung (Legierung 6o6l) besteht.

Silizium o,4 bis o,8 Jk

Bisen bis o,7 £

Kupfer o,15 bis o,4 #

Mangan bis o,15 %

Magnesium o,8 bis 1,2 Jk"

Chrom o,15 bie ο,35 £

Zink bis o,25 £

Titan bis o,15 3* andere Jälemente

insgesamt bis o,15 H

davon von jedem

einzelnen nur bis o,o5 Ί»

Rest Aluminium,

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während als Grundemail eine Legierung aus Aluminium und Silizium folgender Zusammensetzung (Legierung dient:

Silizium 4,5 bis 6 # Eisen bis 0,8 # Kupfer bis 0,3 # Mangan bis o,o5 °h Magnesium bis ο,οϊ> i» Zink bis o,l # Titan bis o,2 i» andere Elemente insges. bis o,15 ^ davon von jedem einzelnen nur bis o,o5 fi Rest Aluminium.

Emaillierter Bauteil nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern aus einer Aluminium-Zink-Ma_r,nesium-Legierung folgender Zusammensetzung (Legierung 71o4) besteut:

Silizium bis o,2 ^c/>

Eisen bis 0,3 ?6

Kupfer bis 0,03 £

Mangan fehlt

Magnesium 0,6 bis o,85 f>

Zink 3,8 bis 4,2 °/o

andere Elemente insgs. bis o,l i» davon jedes einzelne

nöchstens 0,03 % Rest Aluminium,

wahrend als Grundemail eine Legierung aus Aluminium und Silizium folgender Zusammensetzung (Legierung 4043) dient:

Silizium 4,5 bis 6 # ^isen bis ο ,8 f> Kupfer bis 0,3 f, Mangan bis o,o5 % Magnesium bis o_fo5 f» Zink bis o_fl £ Titan bis ρ,2 # andere Elemente insges. bis b,15 % davon von jedem einzelnen nur bis ο ,ob t> Rest Aluminium.

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4. Emaillierter Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteil nur auf einer Seite mit Grundemail und Porzellanemail bedeckt ist.

5. Emaillierter Bauteil nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die eine mit einer Grundemail bedeckte Seite des Bauteils mit einem schützenden Überzug versehen ist.

6. Emaillierter Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen mit einer Grundemail bedeckt sind, die aus einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt besteht.

7. Emaillierter Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen mit einer Grundemail versehen sind, von denen eine aus einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt besteht.

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