DE2229896C3

DE2229896C3 - Verfahren zur Erzeugung einesteini>eratl"1'esten und korrosionsbeständigen Schutzüberzugs aus Aluminium auf einem Werkstück aus Stahl

Info

Publication number: DE2229896C3
Application number: DE2229896A
Authority: DE
Inventors: Norman Edmund Derby Ballard (Grossbritannien)
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-06-17
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1979-10-31
Also published as: IT959840B; FR2142078A1; GB1341899A; US3787305A; JPS5339451B1; DE2229896B2; FR2142078B1; DE2229896A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Schützüberzugs aus Aluminium auf einem Werkstück aus Stahl, bei welchem das Werkstück mit einem Überzug aus einem Gemisch aus Aluminium-Pulver und einem organischen Kunstharz versehen und das so überzogene Werkstück sodann zum Austreiben des Kunstharzes erhitzt wird.

Häufig sollen auf Werkstücke aus Stahl Überzüge aufgebracht werden, welche die Werkstücke gegen hohe Temperaturen und atmosphärische Korrosion schützen. Verschiedene Anstriche und ähnliche Überzüge, die als Überzüge gute Ergebnisse erbringen, sind oft entsprechend schwierig auf ein Werkstück aufzubringen.

Aus der deutschen Patentschrift 5 61257 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem beispielsweise zur Herstellung eines Aluminiumüberzugs auf Eisen eine Suspension von Aluminiumpulver in einer Lösung eines als Bindemittel verwendeten Kondensationsprodukte aus Glyzerin und Phthalsäure hergestellt und beispielsweise als Anstrich,

im Spritzverfahren oder durch Eintauchen auf den mit dem Schutzüberzug zu versehenden Gegenstand aufgebracht und anschließend zum Verdampfen des Lösungsmittels sowie zum Abtreiben des Bindemittel-Kunstharzes erhitzt wird.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 56 994 ist es zum Beschichten von Metallband oder -draht mit Aluminium bekannt, das Aluminium aus einer Suspension von fein verteiltem Aluminium in Alkohol auf elektrophoretischem Weg abzuscheiden und den auf diesem Weg aufgebrachten Überzug, der kein Kunstharz enthält, anschließend zu erhitzen.

Aus der britischen Patentschrift 10 99 493 isi es schließlich im Zusammenhang mit der Herstellung von Ferrit-Matrix-Speichern bekannt, die an den Überkreuzungsstellen der X- und y-Drähte erforderlichen Ferritzellen durch Abscheidung aus einer fein verteiltes Ferritmaterial in Alkohol mit einem Schellack-Zusatz enthaltenden Suspension abzuscheiden, wobei das so abgeschiedene Ferritmaterial an den Überkreuzungsstellen der X- und y-Drähte zusammenläuft und dort die gewünschten Ferrit-Kügelchen als Speicherzellen bildet; anschließend werden diese Ferrit-Kügelchen einer Sinterungsbehandlung unterzogen. Die Herstellung eines hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Schützüberzugs ist hieraus nicht bekannt

Durch die Erfindung soll ausgehend von den bekannten Schutzüberzügen ein Verfahren zum Aufbringen eines besonders hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Überzugs auf ein Stahlwerkstück geschaffen werden.

Zu diesem Zweck ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der in an sich bekannter Weise elektrophoretisch abgeschiedene Überzug nach dem Austreiben des Kunstharzes mit einem hochtemperaturbeständigen Kaliumsilikat imprägniert wird. ,

Vorzugsweise wird als organisches Harz ein Acrylharz verwendet. In diesem Fall wird der mit dem Kaliumsilikat imprägnierte Überzug anschließend vorzugsweise gebrannt, beispielsweise bei 150° C.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Überzug anschließend zur Erhöhung seiner elektrischen Leitfähigkeit einer weiteren Wärmebehandlung, vorzugsweise durch Erhitzen an Luft auf 560° C, unterworfen wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der anfängliche Überzug aus einer wäßrigen Lösung aufgebracht wird. So kann der elektrophoretisch hergestellte Überzug beispielsweise aus einer Lösung aufgebracht werden, die ein Gewichtsteil Acrylharz, 2 bis 20 Gewichtsteile feines Aluminiumpulver sowie Wasser zur Einstellung der zur Verarbeitung geeigneten Konsistenz aufweist.

Vorzugsweise wird eine Mischung aus 1 bis 2 Gewichtsteilen Harz, 2 bis 16 Gewichtsteile Aluminium und 1 bis 6 Teilen Wasser verwendet.

Das erfindungsgemäße Imprägnierungsverfahren eignet sich auch zur Anwendung auf die Herstellung mehrlagiger Vielfachüberzüge, wobei vorzugsweise so vorgegangen wird, daß zunächst aufeinanderfolgend mehrere Überzüge auf elektrophoretischem Weg abgeschieden werden und das Harz jeweils abgebrannt wird, und daß der so erhaltene Vielfachüberzug sodann mit dem hochtemperaturbeständigen Kaliumsilikat imprägniert wird.

Das Abbrennen des Kunstharzes aus dem elektrophoretisch aufgebrachten Überzug vor der erfindungsge-

mäßen Imprägnierungsbehandlung kann vorzugsweise durch Erhitzen auf einer Temperatur von 560⁰C erfolgen.

Im folgenden werden Beispiele der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

100 g einer 50%igen Lösung eines Acrylharzes wurde mit 400 g feinem, fettfreien Aluminiumpulver mit Teilchengrößen von 5 bis ΙΟμπι (Feinheitsklasse 400) und 250 g Wasser gemischt Das Gemisch wird eine Stunde lang in der Kugelmühle zu einer homogenen Mischung vermählen.

In die Mischung wurden Prüfplatten bzw. -tafeln aus 12% Chromstahl! eingetaucht und zwischen den Platten und einer festen Elektrode ein elektrisches Potential angelegt, derart, daß die Platten den negativen Pol bildeten und demgemäß durch Elektrophorese mit dem Aluminium und Harz überzogen wurden. Es wurde festgestellt, daß die besten Ergebnisse mit einer Stromdichte von 0,1 A/6,45 cm² erhalten werden; der Überziehvorgang wurde 30 Sekungen lang durchgeführt, um einen Überzug mit einer Dicke von 0,01016 und 0,02032 mm zu erhalten.

Sodann wurden die Prüftafeln bzw. -platten aus der Mischung entnommen und der Überzug 30 Minuten lang bei 150° C gebrannt. Sodann wurden die Tafeln weiter auf 560"C erhitzt; hierbei wurde das Acrylharz ausgetrieben und auch der Aluminiumüberzug diffundiert. Diese Temperatur wurde zwei Stunden lang aufrecht erhalten.

Die Tafeln waren dann mit einem porösen Aluminiumüberzug versehen; zur Fertigstellung des Überzugs ließ man die Tafeln auf 100°C abkühlen, worauf eine wäßrige Kaliumsilikatlösung aus j Volumteil Silikat auf 2 Volumteile Wasser auf den Überzug aufgebürstet wurde, bis die Lösung die Aluminiumporen vollständig ausfüllte. Sodann wurden die Tafeln abschließend 30 Minuten lang bei 150°C gebrannt. Als Kaliumsilikat wurde ein Präparat vom Reinheitsgrad Crosfield Grade 66 mit einem mittleren Molverhältnis von S1O2: K2O von 3,21 und einem spezifischen Gewicht von 1,33 verwendet.

Zur Qualitätsprüfung des Überzugs wurden in dieser Weise überzogene Testplatten Korrosionsbedingungen unterworfen. Im einzelnen wurde jede Tafel 10 Zyklen eines Heizprogramms unterworfen, das 2 Stunden Erhitzung auf 450° C und nachfolgend während 22 Stunden bei Zimmertemperatur eine Besprühung mit einem neutralen Salz vorsah. Nach diesem Test waren die Testplatten in gutem Zustand und der Überzug wie auch das Stahlsubstrat fast schadlos. Die Platten wurden auch durch Eintauchen in verschiedene Flüssigkeiten getestet, die häufig in Gastriebwerken oder in deren unmittelbarer Umgebung verwendet werden, wie beispielsweise Schmieröle, Kerosen und Erdölbrennstoffe sowie verschiedene Hydraulikflüssigkeiten und -strömungsmittel; es ergab sich, daß der Überzug gegenüber diesen sämtlichen Strömungsmitteln beständig war.

Es wurden auch Trockenerhitzungstests an den Platten vorgenommen, wobei sich ergab, daß der Überzug bis etwa 550° C einen zufriedenstellenden Schutz gewährleistet.

Beispiel 2

Weitere Tests wurden an Prüfplatten bzw. -tafeln durchgeführt, deren Überzug unter Verwendung des gleichen Gemischs, jedoch mit einem anderen Heizzyklus hergestellt war. In diesem Falle wurden die Tafeln elektrophoretisch überzogen, 30 Minuten lang bei 150° C gebrannt, sodann zum Austreiber, des Acrylharzes auf 350° C erhitzt Der poröse Überzug wurde sodann, wie im vorhergehenden Beispiel, imprägniert und wärmebehandelt Auch mit diesen Testplatten wurden die gleichen zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt

Beispiel 3

Zum Überziehen weiterer Prüfplatten bzw. -tafeln wurde ein Gemisch aus 31 g Acrylharz, 41,6 g Aluminiumpulver vom Feinheitsgrad 400 grade und 273 g destilliertem Wasser verwendet Die Prüflinge wurden elektrophoretisch (oder im Elektrodruckverfahren) unter Verwendung einer Stromdichte im Bereich von 5 bis 100 m A/6,45 cm² überzogen.
Diese Testplatten wurden sodann, wie in den vorhergehenden Beispielen, gebrannt und mit weiterem Überzug versehen; bei ähnlichen Tests wie in den vorhergehenden Beispielen ergaben sie zufriedenstellende Resultate. Zusätzlich ergab sich, daß dieses spezielle Gemisch eine geringere Neigung zum Absetzen der Festbestandteile zeigte, wie die Mischung bei den vorhergehenden Beispielen.

Es sei betont daß das Verfahren der Elektrophorese oder des Elektrodruckens, wie es auch bezeichnet wird, unter Verwendung einer Kontraststromquelle oder

JO einer Konixastspannungsquelle ausgeführt werden kann; im letzteren Fall ist der Strom über den Überzugsprozeß hin veränderlich. In jedem Falle werden die Strom- und Spannungsparameter, weiche für eine bestimmte Mischung die besten Ergebnisse

J5 erbringen, am besten experimentell bestimmt; es wurde jedoch festgestellt, daß der anzuwendende Strom normalerweise in den Bereich von 5 bis 100 mA/ 6,45 cm² zu überziehende Fläche fällt.

Bei den Experimenten wurde festgestellt, daß der

•to Überzug elektrisch leitend sein sollte, um einen galvanischen Widerstand gegen Korrosion zu bilden. Es kann so eingerichtet werden, daß der Überzug leitend ist, und zwar durch einen zusätzlichen abschließenden Wärmebehandlungsschritt, in welchem die betreffende

4s Tafel oder Platte 2 Stunden lang auf 560° C erhitzt wird, wie in dem nachfolgenden Beispiel beschrieben.

Beispiel 4

In genau der gleichen Weise wie in Beispiel 1 wurden

■so Testplatten bzw. -tafeln hergestellt und überzogen, wobei jedoch in diesem Falle nach dem in den früheren Beispielen »abschließenden« Brennen durch zweistündiges Erhitzen auf 560° C in Luft weiter wärmebehandelt wurden. Die Platten wurden getestet, wobei sich ergab, daß die Überzüge elektrisch leitend waren und einen noch besseren Schutz als die Tafeln in Beispiel 1 ergaben.

Es sei betont, daß diese weitere Wärmebehandlung eindeutig fakultativ ist in dem Sinne, daß gute Überzüge

en auch ohne diesen weiteren Schritt erhalten werden können, wenngleich die Überzüge durch diesen zusätzlichen Schritt verbessert werden.

In den beschriebenen Beispielen wurde des weiteren zur Imprägnierung mit dem Kaliumsilikat die Lösung

hi durch Bürsten aufgebracht. Selbstverständlich kann die Lösung jedoch auch durch Aufsprühen oder durch Ein uiuchen aufgebracht werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die beschriebenen

Beispiele eine einzige Überzugsschicht ergeben, deren Dicke daher auf einige 0,02032 mm begrenzt ist. Es wurde gefunden, daß weitere Oberzüge aufgebracht werden können, indem man zunächst wie oben beschrieben elektrophoretisch einen überzug aufbringt, das Acrylharz abbrennt, sodann elektrophoretisch einen zweiten Oberzug aufbringt, abbrennt und anschließend beide porösen Schichten imprägniert Selbstverständlich könnte dieser Vorgang auch zur Herstellung von drei- oder mehrschichtigen Oberzügen fortgesetzt werden.

Es sei betont, daß die Bestandteile des Gemischs in den angegebenen Grenzen variieren können, jedoch darf angenommen werden, daß dieses Oberzugsverfahren nur auf Stahlteile anwendbar ist, die allerdings nicht notwendigerweise die oben angegebene Zusammensetzung zu haben brauchen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines hochtemperatiirfesten und korrosionsbeständigen Schutzüberzugs aus Aluminium auf einem Werkstück aus Stahl, bei welchem das Werkstück mit einem Oberzug aus einem Gemisch aus Aluminium-Pulver und einem organischen Kunstharz versehen und das so überzogene Werkstück sodann zum Austreiben des Kunstharzes erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise elektrophoretisch abgeschiedene Oberzug nach dem Austreiben des Kunstharzes mit einem hochtemperaturbeständigen Kaliumsilikat imprägniert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das hochtemperaturbeständige Kaliumsilikat als wäßrige Lösung mit 1 Volumteil Silikat und 2 Volumteilen Wasser aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der imprägnierte Oberzug anschließend durch Erhitzen auf vorzugsweise 150⁰C gebrannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug anschließend zur Erhöhung seiner elektrischen Leitfähigkeit einer weiteren Wärmebehandlung, vorzugsweise durch Erhitzen an Luft auf 560⁰C, unterworfen wird.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche auf die Herstellung mehrlagiger Vielfachüberzüge, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst aufeinanderfolgend mehrere Überzüge auf elektrophoretischem Weg abgeschieden werden und das Harz jeweils abgebrannt wird, und daß der so erhaltene Vielfachüberzug sodann mit dem hochtemperaturbeständigen Kaliumsilikat imprägniert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrophoretische Abscheidung des Überzugs aus einer wäßrigen Lösung des Gemischs aus dem Aluminiumpulver mit einem Acrylharz mit einer Stromdichte im Bereich von 5 bis 100 mA/ 6,45 cm² erfolgt.

■"'