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Beschichteter Metallgegenstand und Verfahren zu dessen
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Herstellung Die Erfindung betrifft hochtemperatur- und temperaturwechselbeständige
anorganische metallpulverhaltige Schutzschichten, die metallische Werkstoffe vor
Korrosion schützen.
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Der Schutz metallischer Werkstücke, die hohen Temperaturen und raschem
Temperaturwechsel ausgesetzt sind, vor korrsiven Dämpfen und Flüssigkeiten ist bisher
technisch nicht befriedigend gelöst. Derartige Probleme treten z.B.
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bei Verbrennungsanlagen auf, wenn diese durch Taupunktunterschreitungen
mit sauren oder salzhaltigen Aerosolen oder Kondensaten in Berührung kommen. Als
Beispiel hierfür werden Heizkessel, Wärmetauscher, Abgasleitungen und Abgasschalldämpfer,
genannt. Es wurde versucht, Metalle durch temperatur- und korrosionsbeständige Emailüberzüge
zu
schützen. Diese versagen jedoch bei Dauertemperatur über 6000C und bei raschem Temperaturwechsel.
An den dabei entstehenden Rissen setzt dann die Korrosion ein.
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In der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 203 815 wird vorgeschlagen,
Metall durch ein Gemisch aus einer bleihaltigen Fritte, Aluminiumpulver und Acrylharzen
zu schützen, welches bei Temperaturen um 8000C auf das Metallsubstrat aufgeschmolzen
wird. Die dabei entstehende Schicht ist temperaturbeständig, wird jedoch durch kochende
verdünnte Zitronensäure-Lösung (DIN 51 151) bereits nach kurzer Zeit vollkommen
zerstört.
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Das Verfahren hat weiterhin die Nachteile, daß die organische Substanz
während des Einbrennvorgangs schwelend verbrennt, sodaß die dabei entstehenden Dämpfe,
z.B.
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durch Nachverbrennung, beseitigt werden müssen.
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In der GB-PS 1 498 810 wird ein ähnliches System beschrieben, das
aus einem Bleiborat, Aluminiumpulver und ebenfalls einem organischen Acrylharz besteht.
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Aus der US-PS 3 706 579 wurden Metallkeramik-Schutzüberzugsmassen
bekannt, bei denen eine zunächst homogene Glasmasse eingesetzt wird, die beim erneuten
Brennen 2 flüssige Phasen bildet. Solche homogenen Glasmassen enthalten sehr hohe
Boroxidgehalte von etwa 25-bis 50 Gew,-96, wodurch der Säureangriff begünstigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, beschichtete Metallgegenstände
zur Verfügung zu stellen, bei denen die Beschichtung gegenüber den bekannten Beschichtungen
bezüglich Korrosions-, Hochtemperatur- und Temperaturwechsel-Beständigkeit überlegen
sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen beschichteten Metallgegenstand,
bestehend aus einer das Metallsubstrat benetzenden geschlossenporigen, bleifreien
Alkaliborosilikatglasur-Matrix, enthaltend maximal 18 Gew.-% B203 bezogen auf die
Glasur, in der zwischen 5 und 35 Gew.-% teiloxidierte Aluminiumpartikel und zwischen
10 und 40 Gew.-%, Jeweils bezogen auf die Beschichtung, Partikel mindestens eines
temperaturbeständigen anorganischen oxidischen Materials dispergiert sind.
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Die Glasurmatrix weist vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf:
SiO2 45 bis 55, vorzugsweise 50 bis 52 Gew.-%, B203 12 bis 18, vorzugsweise 13 bis
17 Gew.-, Al202 0 bis 5, vorzugsweise 0 bis 3 Gew.-%, Alkalioxide 14 bis 20, vorzugsweise
16 bis 18 Gew.-%, Erdalkalioxide 4 bis 10, vorzugsweise 6 bis 9 Gew.-%, Titanoxid
und/oder Zirkonoxid 1 bis 8, vorzugsweise 4 bis 7 Gew.-%, Haftoxide (CoO, NiO, CuO)
1 bis 5, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, sowie einen F-Gehalt zwischen 0 und 5 Gew.-z.
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Die in der Beschichtung enthaltenen Aluminiumpartikel haben vorzugsweise
ein Kornverteilungsmaximum von 20 bis 60leu, wobei der Anteil der Partikel über
80/u kleiner als 2 , betragen soll.
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Das temperaturbeständige anorganische oxidische Material kann z.B.
aus Quarz, Feldspäten, Zirkonsand, Rutil, Monazitsand, Besalt, Ilmenit, oder aus
schwer schmelzbaren Fritten bestehen.
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Vorzugsweise besteht das anorganische oxidische Material aus einer
Fritte von folgender Zusammensetzung: Si02 45 bis 60, vorzugsweise 46 bis 51 Gew.-%,
Alkalioxide 8 bis 15, vorzugsweise 10 bis 12 Gew.-%, Erdalkalioxide 0 bis 5, vorzugsweise
3 bis 5 Gew.-%, Fe203 0 bis 10, vorzugsweise 2 bis 8 Gew.-%, CuO und/oder MnO 15
bis 30, vorzugsweise 20 bis 25 Gew.-9" TiO2 und/oder ZrO2 5 bis 20, vorzugsweise
6 bis 12 Gew,-5:.
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Die Teilchengröße des anorganischen oxidischen Materials soll unterhalb
XOO/um liegen.
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Bevorzugt ist die schwerschmelzbare Fritte in Kombination mit Quarzpulver
undXoder Zirkonsand enthalten.
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Die erfindungsgemäße Beschichtung soll eine Schichtstärke von 50 bis
250/u, vorzugsweise 100 bis 200/um, aufweisen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner das Verfahren zur
Herstellung der beschichteten Gegenstände.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß aus einer säurebeständigen,
auf Stahlblech direkt haftfähigen Glasurfritte mit einer Erweichungstemperatur (Tg)
von weniger als 520 0C und einem Blei- und Bor-freien anorganischen oxidischen Material
mit einer Erweichungstemperatur (Tg) von mehr als 6000C unter Zusatz von Wasser,
Ton und Stellsalzen d.urch Vermahlung eine wäßrige Suspension hergestellt wird,
diese durch wasserlösliche Puffersubstanzen auf einen pH-Bereich zwischen 5,5 und
7,5 stabilisiert und mit Aluminiumpulver vermischt wird, die erhaltene Suspension
auf in üblicher Weise durch Entfetten ünd Beizen vorbehandelte metallische Gegenstände
durch Tauchen oder Spritzen aufgebracht, getrocknet und bei Temperaturen zwischen
760 und 9000C eingebrannt wird.
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Die erfindungsgemäße eingesetzte Glasurfritte soll vorzugsweise bei
Einbrenntemperaturen eine Oberflächenspannung zwischen 0,25 und 0,30 N/m aufweisen
und ferner in der Lage sein, das metallische Substrat gut zu benetzen und oberflächlich
aufzulösen. Die genannten Bedingungen werden von einer Glasurfritte folgender Zusammensetzung
besonders gut erfüllt; Si02 45 bis 55, vorzugsweise 50 bis 52 Gew.-% B203 12 bis
18, vorzugsweise 13 bis 17 Cew.-%, Al203 0 bis 5, vorzugsweise 0 bis 3 Gew.-, Alkalioxide
14 bis 20, vorzugsweise 16 bis 18 Gew.-%, Erdalkalioxide 4 bis 10, vorzugsweise
6 bis 9 Gew.-%, Ti02 und/oder ZrO2 1 bis 8, vorzugsweise 4 bis 7 Gew.-%, Haftoxide
1 bis 5, vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-%, sowie einen F-Gehalt zwischen 0 und 5 %.
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Das temperaturbeständige, anorganische oxidische Material soll nicht
in der Lage sein, den metallischen Werkstoff zu benetzen oder entstehende Oxidationsprodukte
des metallischen Werkstoffs aufzulösen. Vorzugsweise wird eine Fritte der folgenden
Zusammensetzung eingesetzt: SiO2 45 bis 60, vorzugsweise 46 bis 51 Gew.-%, Alkalioxide
8 bis 15, vorzugsweise 10 bis 12 Gew.-% Erdalkalioxide O bis 5, vorzugsweise 3 bis
5 Gew.-%, Fe203 0 bis 10, vorzugsweise 2 bis 8 Gew.-% CuO und/oder MnO 15 bis 30,
vorzugsweise 20 bis 25 Gew.-% TiO2 und/oder ZrO2 5 bis 20, vorzugsweise 6 bis 12
Gew.-%.
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Die Oberflächenspannung dieser höherschmelzenden Fritte bei Einbrenntemperaturen
liegt bevorzugt zwischen 0,32 und 0,36 N/m.
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Die schwerer schmelzbare Fritte kann teilweise oder ganz durch thermisch
inerte, mineralische oder synthetische Stoffe, wie z.B. Quarz, Feldspäte, Zirkonsand,
Rutil, Monazitsand, Basalt, Ilmenit oder ähnliche ersetzt werden Es wurde gefunden,
daß sich die auf dem Stahlblech direkt haftfähige Glasurfritte bei Einbrenntemperaturen
bevorzugt an der metallischen Oberfläche anreichert und hier eine dichte, die Haftung
vermittelnde Zwischenschicht bildet.
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Das tteraturttändigere anorganische oxidische Material dagegen bildet
mit dem teilweise oxidierten Aluiniumpulver und einem geringeren
Teil
der benetzenden Glasurfritte als Matrix eine blasenreiche, geschmolzene geschlossenporige
Schicht. Während des Einbrennens findet also überraschenderweise eine Separation
der im Schlicker homogen verteilten glasigen Bestandteile statt.
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Im folgenden wird die vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen
näher erläutert:
Beispiel 1 Aus handelsüblichenRohstoffen, wie
sie für die Emailherstellung verwendet werden, wurde bei 12500C eine Matrixfritte
I folgender oxidischer Zusammensetzung erschmolzen: SiO2 51.0 B203 16.5 A1203 1
. O Na20 12.0 NaF 1.0 K20 1.0 Li2O 2.0 CaO 2.0 BaO 4.0 Ti°2 5.0 CoO 2.0 NiO 2.0
Cu0 0.5 100.0 Die Schmelze wurde in Wasser abgeschreckt und getrocknet.
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Ferner wurden aus handelsüblichen Rohstoffen, wie sie für die Emailherstellung
verwendet werden, bei 1350 bis 14000C die schwer schmelzende Fritte II folgender
Zusammensetzung erschmolzen:
SiO2 46.0 Na20 9.0 K20 2.0 CaO 5.0
Fe203 7,0 MnO 1.0 CuO 19.0 TiO2 6.0 ZrO2 5.0 Nach dem Abschrecken der Schmelze in
Wasser und dem Trocknen der so erhaltenen Granalien wurden diese in einer Prozellankugelmühle
zusammen mit der Matrixfritte I nach folgendem Mühlenversatz solange vermahlen,
bis der Rückstand auf einem Sieb der Maschenweite 1OO1um weniger als 3 % - bezogen
auf den Feststoff - betrug: Matrixfritte I 50.0 Teile Fritte II 50.0 " Emaillierton
2.0 Bentonit 1.0 " Borsäure 4.0 " Natriumnitrit 0.2 " Wasser 65.0 " In diese so
erhaltene Suspension wurden 40 Teile Aluminiumpulver mit einem Kornverteilungsmaximum
zwischen 20 und 60/um eingerührt.
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Mit diesem Schlicker wurden 100 x 100 mm große Stahlbleche mit einer
Stärke von 1 mm, die in bekannter Weise für eine Emaillierung vorbereitet worden
waren, durch Spritzauftrag beidseitig derartig beschichtet, daß nach dem Einbrennen
bei einer Temperatur von 8400C eine Schichtstärke von 150 bis 180/um resultierte.
Der Überzug zeigte eine gleichmäßig matte Oberfläche, er haftet gut auf dem Stahlblech.
Die Schutzschicht ist reich an Mikroblasen und enthält teiloxidierte duktile Aluminiumpartikel.
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Die anliegenden Figur 1 zeigt die mikrophotographische Abbildung eines
Querschnitts des erhaltenen beschichteten Stahlbleches. Die in der Figur angegebenen
Ziffern bezeichnen im einzelnen: 1 Stahlblech 2 Matrixfritte I 3 Fritte II 4 teiloxidierte
Al-Partikel 5 Blasen, Poren.
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Beispiel 2 Aus handelsüblichen Rohstoffen, wie sie für die Emailherstellung
verwendet werden, wurde bei 12000C eine Matrixfritte III folgender Zusammensetzung
erschmolzen: SiO2 51.5 B203 13,0 NaO 13.0 Li20 2.5
CaO 1.0 BaO
8.0 TiO2 6.0 ZrO2 1.0 CoO 1.5 NiO 2.5 100.0 Die Schmelze wurde in Wasser abgeschreckt
und getrocknet.
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Ferner wurden aus handelüblichen Rohstoffen, wie sie für die Emailherstellung
verwendet werden, bei 13800C bis 14200C eine schwer schmelzbare Fritte IV folgender
Zusammen setzung erschmolzen: SiO2 51.0 Na20 6.0 K20 4,0 CaO 4.0 MgO 2.0 Fe203 2.0
MnO 12.0 CuO 12.0 Ti°2 4.0 Zr02 3.0 100.0 Nach dem qbschrecken der Schmelze in Wasser
und dem Trocknen der so erhaltenen Granalien wurden diese in einer Prozellankugelmühle
zusammen mit der in diesem Beispiel angegebenen Matrixfritte III nach folgendem
Mühlenversatz solange vermahlen, bis der Rückstand auf einem Sieb der
Maschenweite
73 µm weniger als 4 % bezogen auf den Feststoff betrug: Matrixfritte III 55.0 Teile
Fritte IV 25.0 " Zirkonmehl (<60/um) 20.0 Emaillierton 2.9 Bentonit 0,8 Borsäure
3.0 !1 Weinsäure 0,5 " Natriumnitrit 0,2 " Wasser 55,0 In diese so erhaltene Suspension
wurden 30 Teile Aluminiumpulver mit einem Kornverteilungsmaximum zwischen 20 und
60/um eingerührt. 100 x 100 mm große Stahlbleche mit einer Stärke von 3 mm, die
durch Strahlen mit Stahlkies dekapiert worden waren, wurden in den so erhaltenen
Schlicker getaucht. Nach Sminütigem Brennen bei 850°C hatte sich eine geschlossene
Schutzschicht in einer Stärke von 80 bis 110/um ergeben.
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Beispiel 3 Die Matrixfritte I aus Beispiel 1 wurde mit gemahlenem
mineralischem Rutilmehl einer maximalen Korngröße von 70/um und Cristobalit-Feinstmehl
mit einer maximalen Korngröße von 40 µm nach folgendem Mühlenversatz solange vermahlen,
bis der Rückstand auf einem Sieb der Maschenweite 73/um weniger als 1 96, bezogen
auf den Feststoff, betrug:
Matrixfritte I 70.0 Teile Rutilmehl
20.0 " Cristobalit-Feinstmehl 10.0 " Emaillierton 4.0 Bentonit 0,2 Borsäure 4.0
" Natriumnitrit 0,2 " Lithiumfluorid 0,4 " Wasser 50.0 " In diese so erhaltene Suspension
wurden 40 Teile Aluminiumpulver mit einem Kornverteilungsmaximum zwischen 20 und
60/um eingerührt und unter Zugabe von etwa 10 Teilen Wasser zu einem auftragsfähigen
Schlicker konditioniert.
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200x300x8 mm Platten aus emaillierfähigem Gußeisen, die durch Strahlen
mit Stahlkies dekapiert worden waren, wurden mit dem so erhaltenen Schlicker durch
Spritzauftragen derartig beschichtet, daß sich nach 30minütigem Brennen bei 7800C
eine geschlossene Schutzschicht in einer Stärke von 100 bis 120/um ergab.
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Beispiel 4 50 Teile der Matrixfritte I aus Beispiel 1 wurden mit 5
Teilen Feinstquarz (< 40/um) unter Zusatz von 2 Teilen Emaillierton, 2 Teilen
Borsäure, 0,1 Teil Natriumnitrit und 30 Teilen Wasser solange vermahlen, bis der
Rückstand auf einem Sieb der Maschenweite 40/um weniger als 2 5', bezogen auf den
Feststoff, betrug. In einem zweiten Mahlvorgang wurden 45 Teile Fritte II aus Beispiel
1 mit 2 Teilen Emaillierton, 2 Teilen Borsäure, 0,1 Teil
Natriumnitrit
und 30 Teilen Wasser so lange vermahlen, bis der Rückstand auf einem Sieb der Maschenweite
100Zum weniger als 2 5', bezogen auf den Feststoff, betrug.
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Diese beiden so erhaltenen Suspensionen wurden vereinigt und mit 35
Teilen Aluminiumpulver sowie etwa 10 Teilen Wasser versetzt.
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Durch Strahlen gesäuberte Kupferrohre mit einem Durchmesser von 50
mm und einer Wandstärke von 2 mm wurden durch Eintauchen in diese Suspension beschichtet,
getrocknet und 10 Minuten bei 8000C eingebrannt. Der Überzug hatte sowohl innen
als auch außen am Rohr eine Schichtstärke von 100 bis 120/um.
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Die erfindungsgemäß beschichteten Probestahlbleche wurden folgenden
Tests unterzogen: a) TemPeraturwechselbehandlung: Die Stahlbleche wurden 10mal auf
eine Temperatur Von 7000C erhitzt und jeweils 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten,
wobei die Stahlbleche zwischen je zwei Wärmebehandlungen an Luft bis auf Zimmertemperatur
abgekühlt wurden. Ferner wurden die Stahlbleche ebenfalls zehnmal auf eine Temperatur
von 550°C aufgeheizt und durch Eintauchen in kaltes Wasser auf 20 0C abgeschreckt.
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b) Sprühnebelbehandlung: Die Stahlbleche wurden 7 Tage lang einer
Sprühnebelbehandlung mit einer 5-5'igen Natriumchloridlösung (gemäß SS DIN 50 021,
Ausgabe Mai 1975, entsprechend ASTM-Designation B 111-73 "Standard Method of Salt
Spray (fog) Testing) ausgesetzt.
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c) Schwitzwasser-Wechselklima: Die Proben wurden in einer Kammer mit
einem Volumen von 300 1 zunächst 8 Stunden einer Temperatur von 400C und einer rel.
Luftfeuchtigkeit von 100 % und anschließenc.
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16 Stunden der Raumtemperatur und einer rel. Luftfeuchtigkeit von
75 96 ausgesetzt, wobei vor dem Aufheizen 2 1 S02 in die Kammer eingeleitet wurden
(nach SFW 2,0 S DIN 50018, Ausgabe Dezember 1963). Der Behandlungszyklus wurden
5mal wiederholt.
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d) Säurebehandlung: Die Proben wurden nach DIN 51 151 2,5 Stunden
lang in 6-96iger Zitronensäure gekocht.
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Ergebnis: Bei keiner der Proben konnte eine Veränderung der Schicht
bzw. des metallischen Substrates aufgrund der Temperaturbehandlung festgestellt
werden. Beschädigungen oder Risse aufgrund der Abschreckbehandlung waren nicht zu
beobachten.
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Nach der Sprühnebelbehandlung konnte bei keiner Probe ein Korrosionsangriff
festgestellt werden. Nach dem Schwitzwasser-Wechselklimatest zeigten die Proben
einen geringfügigen Belag. Eine metallographische Untersuchung ergab jedoch keine
korrosive Veränderung der Schicht und keinen Korrosionsangriff auf das Substrat.
Der Flächengewichtsverlust nach der Säurebehandlung lag jeweils geringer als 15
g/m2. An dem metallischen Substrat wurde kein Säureangriff festgestellt.
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Die Probe nach Beispiel 3 wurde ferner über einen Zeitraum von 48
Stunden einer Temperatur von 7000C ausgesetzt.
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Auch hierbei wurde keinerlei Veränderung der Schutzschicht beobachtet.
Bei dieser Probe wurde ferner die Temperatur, von der abgeschreckt wurde, auf 6200C
erhöht. Nach zehnmaligem Abschrecken wurde keinerlei Beschädigung oder Rißbildung
festgestellt.