DE3534724A1

DE3534724A1 - Beschichtung fuer metallische oberflaechen und verfahren zum aufbringen der beschichtung

Info

Publication number: DE3534724A1
Application number: DE19853534724
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dipl Ing Eigenbrod
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-09-28
Filing date: 1985-09-28
Publication date: 1987-04-02
Also published as: DE3534724C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für metallische, insbesondere einer aggressiven Umgebung mit sauren bzw. säurehaltigen oder salzhaltigen Schadstoffen ausgesetzte Oberflächen, wie insbesondere von schadstoffhaltigen Rauch gasen durchströmt Reaktoren bzw. Rauchgaskanäle, sowie Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung.

Beim Oberflächenschutz metallischer Werkstoffe gibt es viel fältige Problemlösungen mit Beschichtungen, die die Lebens dauer des Grundwerkstoffs in aggressiver Umgebung erheblich erhöhen; bekannte Beschichtungen bieten sowohl einen Schutz vor Oxydation als auch chemischem Angriff. Hierbei zeichnen sich vor allem Fluorkunststoff-Beschichtungen aus, da sie einen hervorragenden Schutz gegen Chemikalien bieten und weder von starken Säuren noch von Lösungsmitteln angegrif fen werden. Neben den anerkannten mechanischen Eigenschaf ten, wie hohe Abriebfestigkeit und gute Elasitizität, lassen sich die Fluorkunststoffe wegen ihrer thermischen Eigen schaften auch bei Dauertemperatur-Beanspruchung bis 260°C ohne weiteres verwenden.

Beim Einsatz von Fluorkunststoffen treten jedoch zwei ma terialspezifische Probleme auf; ein Problem ist, daß bei spielsweise Chemikalien unter normalen Druckverhältnissen durch die Beschichtung gelangen. Dieses Phänomen wird als Permeabilität oder hydraulische Leitfähigkeit bezeichnet. Jeder Fluorkunststoff hat seinen spezifischen Permeabili täts-Wert. Der wichtige - weil zu beeinflussende - Faktor ist in diesem Zusammenhang die Schichtdicke, wobei davon auszugehen ist, daß die Permeabilität erst ab einer gewis sen Schichtdicke bedeutungslos wird.

Des weiteren kommt es zu einer Dampfdiffusion, d. h., gas förmige Moleküle durchdringen die Kunststoffschicht und greifen den Grundwerkstoff an. Auch in diesem Fall wird das Problem primär durch eine dickere Kunststoffschicht gelöst. Allerdings lassen sich die Schichten nicht beliebig dick ausführen, was zudem mit erheblichen Mehrkosten verbunden ist, da den materialspezifischen Eigenschaften der Fluor kunststoffe Rechnung getragen werden muß. Bewährt hat sich nämlich das elektrostatische Auftragen der Fluorkunst stoffe, wobei der Kunststoff allerdings ab einer gewissen Schichtdicke isolierend wirkt und sich nicht mehr auftragen läßt.

Aber auch bei Materialien, die pulverförmig aufgetragen und dann verschmolzen werden, ergeben sich Schwierigkeiten; denn ab einer bestimmten Dicke folgt der Fluorkunststoff beim Einsintern, d. h. in seiner Schmelzphase, den Gravi tationsgesetzen und fließt vom Grundwerkstoff ab. Um diesem Abfließen entgegenzuwirken und auch dickere Schichten auf bringen zu können, sind mechanische Stützen, zudem solcher Beschaffenheit - wie beispielsweise Fasern aus Kohlenstoff - eingebaut worden, daß sie außerdem das elektrostatische Aufbringen auch bei dicken Schichten ermöglichen.

Da eine Fluorkunststoff-Beschichtung neben den genannten guten chemischen und thermischen Eigenschaften zudem einen hervorragenden Antihaftschutz bietet, werden insbesondere die den schadstoffhaltigen Rauchgasen von Reaktoren bzw. Rauchgaskanälen ausgesetzten Oberflächen der üblicherweise aus einem Normalstahl bestehenden Wände mit Fluorkunststoff beschichtet. Zum Neutralisieren der Schadstoffe, wie bei spielsweise Schwefel, Chlorwasserstoffe oder Stickoxyde, wird bei bekannten Verfahren ein Adsorbens in Form von zerkleinertem Kalk oder einer dickflüssigen Kalksuspension in den Reaktor bzw. den Rauchgaskanal gesprüht. Die glatte Oberfläche der Fluorkunststoff-Beschichtung läßt keine über mäßigen Materialansammlungen bzw. Verklumpungen zu, da Mate rialansammlungen ab einer bestimmten Größe von der Ober fläche abplatzen bzw. infolge ihres Eigengewichtes herab fallen; d. h., es werden zum Sauberhalten der Oberflächen insbesondere keine von Zeit zu Zeit zu betätigenden mecha nischen Rüttler mehr benötigt. Allerdings hat es sich ge zeigt, daß wegen der zuvor geschilderten materialspezifi schen Eigenarten der Fluorkunststoffe und der nicht unbe grenzten Schichtdicke sowie bedingt durch die Dampfdiffu sion wässrige Lösungen und Wasserdämpfe durch die Kunst stoffschicht diffundieren, dabei den Grundwerkstoff angrei fen und ein Abheben der Beschichtung bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaft liche Fluorkunststoff-Beschichtung zu schaffen, deren Schichtdicke innerhalb einer das elektrostatische Verar beiten gewährleistenden Grenze liegt, und den Grundwerk stoff dabei selbst in stark korrosiver Umgebung vor chemi schem Angriff, insbesondere Wasserkorrosion schützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine metallische Bestandteile enthaltende keramische Grundschicht, eine Schicht einer haftvermittelnden Fluorkunststoff-Grundierung sowie einer Antihaft- und Korrosionsschutzschicht aus Fluor kunststoff gelöst. Es empfiehlt sich hierbei insbesondere eine aluminiumkeramische elektrisch leitfähige oder eine siliziumkeramische elektrisch leitfähige Grundschicht aufzu bringen, worunter eine Aluminium oder Silizium enthaltende Keramikschicht verstanden wird, deren durch die Metallantei le ohnehin in gewissen Grenzen vorhandene elektrische Leit fähigkeit noch erhöht worden ist. Es hat sich hierbei über raschenderweise herausgestellt, daß diese Werkstoff-Kombi nation eine insbesondere den chemischen und wasserbedingten Angriffen standhaltende Beschichtung darstellt, obwohl jede Schicht für sich, d. h. sowohl die gegenüber Säuren und Laugen äußerst anfällige Aluminiumkeramikschicht, wie sie z. B. als Oberflächenschutz für Flugzeugturbinen bekannt ist, oder die Siliziumkeramikschicht, als auch die Fluor kunststoffschicht den Beanspruchungen in stark korrosiver Umgebung - insbesondere den Schadstoffen von Rauchgasen, wie beispielsweise bei der Müll- oder Kohleverbrennung - nicht standhält. Der mit der kombinierten Beschichtung, ins besondere auch beim Rauchgasentschwefeln, bei der eine hohe Konzentration von Säuren anzutreffen ist, erreichte Schutz ist vor allem deshalb erstaunlich, weil die hohen Umgebungs temperaturen von 100° bis 250°C die Gasdiffusion begünsti gen; somit mußte ein noch schnelleres Unterwandern und Abheben der Beschichtung vom Grundwerkstoff erwartet werden.

Die Erklärung dafür, daß trotz der Anfälligkeit der Alumi niumkeramik- oder Siliziumkeramikschicht bei chemischem An griff und der nicht zu verhindernden, zumal bei hohen Temperaturen noch intensiveren Dampfdiffusion die Fluor kunststoffschicht der Schutzeffekt eintritt, ist darin zu finden, daß einerseits die Paarung der Grundierung - die auch mit einem Bindeharz versehen sein kann - mit der Antihaft- und Korrosionschutzschicht den Angriff von Säu ren auf z. B. die Aluminiumkeramikschicht verhindert bzw. nur unschädliche Anteile durchdringen läßt; die Aluminium keramikschicht ist gegenüber einem leicht sauren Medium - abhängig von der Säurekonzentration - bedingt beständig, so daß sich niedrige Säurekonzentrationen nicht negativ aus wirken; eine Säurekonzentration mit einem PH-Wert von 6 bis 8 ist nicht schädlich. Die Aluminiumkeramikschicht hält andererseits die durch die Fluorkunststoffschicht diffundie renden Wasserdampfionen, oder auch wässrige Säuren, die im Betrieb durch Taupunktunter- oder -überschreitungen aus dem HCL sowie den SO₂-, SO₃- und NHO_x-Gasen entstehen, vom Grundwerkstoff zurück, weil die elektrisch leitfähige Alu miniumkeramikschicht bei aus Kohlenstoffstahl bestehenden Metalloberflächen als kathodischer Schutz wirkt, d. h., die aluminiumkeramische Schicht schützt den Grundwerkstoff, weil sich das Aluminium aufgrund der Stellung der Elemente Eisen und Aluminium in der Spannungsreihe bei der Anwesen heit eines Elektrolyten gegenüber dem Eisen opfert.

Der durch die Beschichtung erreichte Oberflächenschutz läßt sich optimieren, wenn zwischen der Grundierschicht und der Antihaft- und Korrosionschicht eine Fluorkunststoff-Zwi schenschicht mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Nachbarschichten angeordnet ist. Die niedrigere Schmelztem peratur der Zwischenschicht fördert die Haftfestigkeit der einzelnen Schichten, da diese bedingt durch die Schmelz punkttemperaturdifferenz ineinanderfließen, d. h., ein Ver schmelzen der Schichten wird unterstützt.

Mit einer die Beschichtung abschließenden, die Oberfläche bildenden Deckschicht aus einem Fluorkunststoff läßt sich insbesondere beim Einsatz in einer Umgebung mit zum An backen neigenden Bestandteilen der Antihaftschutz verbes sern.

Eine besonders wirkungsvolle Beschichtung läßt sich errei chen, wenn neben der Aluminium- oder Siliziumkeramikschicht für die Grundierung PTFE (Polytetrafluorethylen), für die Zwischenschicht FEP (Fluoräthylenpropylen), für die Anti haft- und Korrosionschicht PFA (Perfluoroalkoxy) und für die Deckschicht TFA (wässrige Dispersion eines Copolymeren aus vorwiegend Tetrafluorethylen und perfluorierten Cokompo nenten, sowie einem nichtionischen Netzmittel) als Werk stoff verwendet wird. Bei den genannten Werkstoffen handelt es sich um Thermoplaste, die sich in der Kombination mit Aluminium- oder Siliziumkeramik als besonders vorteilhaft herausgestellt haben, da sie sich mit ihren Eigenschaften in besonderer Weise gegenseitig beeinflussen und den ange strebten Schutz des Grundwerkstoffs fördern. Ein zufrieden stellender Schutzeffekt der Kombination wird auch dann schon erreicht, wenn die das Verschmelzen der Schichten unterstützende FEP-Zwischenschicht und/oder die TFA-Deck schicht fehlen; allerdings stellt die Gesamtkombination der Schichtwerkstoffe in der geschilderten Reihenfolge einen optimalen Schutz dar.

Die Beschichtung kann vorzugsweise die folgenden Dicken der Schichten aufweisen:

a) 40 bis 60 µm Aluminiumkeramik
b) 8 bis 10 µm PTFE
c) 10 bis 20 µm FEP
d) 150 µm PFA
e) 20 µm TFA

Ein Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung besteht vor zugsweise aus den folgenden Schritten:

a) Ausglühen der metallischen Oberfläche;
b) Sandstrahlen der metallischen Oberfläche;
c) stufenweises Aufspritzen der metallkeramischen Schicht als wässrige Dispersion;
d) Sintern der wässrigen Dipersion bei einer Tempe ratur von 350°C;
e) Sandstrahlen der Aluminium- oder Siliziumkeramik schicht;
f) Aufspritzen der Grundierung;
g) Sintern der Grundierung;
h) Aufbringen der FEP-Schicht und einer dünnen PFA- Schicht auf die noch nicht getrocknete FEP- Schicht;
i) Sintern der FEP-/PFA-Schicht über mehrere Stunden bei einer Temperatur von 380°C;
j) stufenweises Aufbringen der PFA-Schicht, wobei die Teilschichten jeweils auf die heiße Ober fläche der Vorschicht aufgetragen und nach dem Auftragen jeder Teilschicht bei einer Temperatur von 360°C gesintert wird;
k) Aufspritzen der TFA-Schicht auf die heiße Ober fläche; und
l) abschließendes Sintern über mehrere Stunden bei einer Temperatur von 350°C.

Die Verfahrensdauer verkürzt sich entsprechend, wenn die FEP-Zwischenschicht und/oder die äußere TFA-Deckschicht ent fällt. Durch das Ausglühen gemäß a) bei einer Temperatur von ca. 400°C wird die Metalloberfläche völlig fettfrei gemacht; die zu beschichtenden metallischen Werkstoffe wer den danach nur noch mit Baumwollhandschuhen angefaßt. Das Sandstrahlen gemäß b) kann mit einer Korndicke des Sandes von 12,5 bis 25 µm erfolgen, wobei das Strahlmittel rein sein sollte. Die Oberfläche des Grundwerkstoffs läßt sich durch Bearbeiten mit Schleifpapier verbessern, da hierbei etwa vorhandene Materialspitzen abgeschliffen werden. Das Aufspritzen gemäß c) wird in mehreren Schichten, bei spielsweise 20 µm dicken Teilschichten durchgeführt, wobei vor dem Aufspritzen der nächsten Teilschicht die vorherige Schicht jeweils getrocknet wird. Das Sintern gemäß d) sollte sich über mindestens eine halbe Stunde erstrecken. Die Aluminium- oder Siliziumkeramikschicht gemäß e) wird durch Sandstrahlen behandelt und das Aluminium oder Sili zium der kristallinen Keramikstruktur an der Oberfläche freigelegt; hierdurch wird diese Schicht in besonderer Wei se elektrisch leitfähig gemacht, was vorzugsweise bei einem Widerstand von 15 Ohm der Fall ist, um einen kathodischen Schutz zu ermöglichen. Nach dem Aufspritzen gemäß f) und dem Sintern der Grundierung gemäß g), die als Haftver mittler für die darunter befindliche metallische Keramik schicht sowie für die nächstfolgende Fluorkunststoffschicht dient und ca. 15 Minuten bei einer Temperatur von 300°C eingesintert wird, schließt sich gemäß h) das Aufbringen der haftvermittelnden Zwischenschicht an, auf die - solange sie noch naß ist - eine dünne, ca. 20 µm dicke PFA-Anti haft- und Korrosionsschicht aufgebracht wird. Die Zwischen schicht mit der PFA-Teilschicht wird zunächst über minde stens zwei bis drei Stunden eingesintert, um ein gutes Verschmelzen der Schichten zu erreichen, bevor gemäß j) die PFA-Schicht in mehreren Einzelstufen mit jeweiligem Sintern bis zur endgültigen Schichtdicke aufgetragen wird. Beim Auftragen der im Verhältnis zu den anderen Schichten dicken PFA-Schicht ist darauf zu achten, daß keine Blasen ent stehen. Die gemäß k) zuletzt aufgespritzte TFA-Schicht be wirkt eine fühlbar glattere Oberfläche und führt zu einem verbesserten Antihaftschutz. Bei dem gemäß l) letzten Ver fahrensschritt sollte sich das Sintern über eine Zeit von vier bis fünf Stunden hinziehen.

Damit liegt ein Beschichtungsaufbau vor, der insbesondere für den Einsatz in Rauchgaskanälen bzw. Reaktoren von Feu erungsanlagen geeignet ist. Dort ergibt sich bei einer übli chen Rauchgastemperatur von 100 bis 250°C ein stark korro dierender Angriff der in den Rauchgasen enthaltenen Schad stoffe, wie SO₂, SO₃, HCL und NHO_x. Durch Einspritzen von Kalkmilch bzw. einer Kalksuspension, also einer Lauge, werden die Säuren gebunden und neutralisiert. Das bedeutet, daß Bleche mit der Beschichtung in einer Umgebung angeord net sind, die stellenweise basisch, aber dominant von sau rer und damit sehr aggressiver Natur ist.

Aber nicht nur in Feuerungsanlagen schützt die erfindungsge mäße Beschichtung vor einer Korrosion des Grundwerkstoffs, sondern auch bei in Seewasser oder anderen korrodierenden Medien eingesetzten Bauteilen. Es hat sich insbesondere bei salzhaltigen Medien herausgestellt, daß ein Schutz bereits durch eine Beschichtung erreicht wird, die eine metallische Bestandteile enthaltende keramische Grundschicht und eine Deckschicht aus harzverschittenem Fluorkunststoff, insbe sondere PTFE, aufweist. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Textil- und Färbereindustrie, da bei Anwesenheit von Was serdampf, Schlichten und Lösungsmitteln oder wasserbasier ten Lacken der Schutz von Metalloberflächen von nicht gerin gerer Bedeutung ist. Wegen der mikroporösen Eigenschaften, d. h. der Permeabilität einer Fluorkunststoff-Beschichtung, läßt sich nämlich auch dort ein Unterwandern bzw. Unter rosten und damit Abheben der Beschichtung vom Grundwerk stoff nicht ausschließen. Eine als Basisschicht aufge tragene Aluminium- oder Siliziumkeramikschicht schützt auch in diesen Einsatzgebieten die Metalloberfläche vor Wasser korrosion; die Wasserkorrosion kann leicht sauer oder leicht basisch sein. Die Säurekonzentration kann einen PH- Wert von 6 bis 8 aufweisen, ohne sich schädigend auszu wirken.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch und vergrößert dargestellten, im Rahmen der Erfindung bevor zugten Aufbaus einer Beschichtung des näheren erläutert. Die durch Ausglühen völlig fettfreie und auf eine Rauhtiefe von 5 bis 10 µm durch Sandstrahlen gebrachte Oberfläche eines Grundwerkstoffs 1 ist durch eine Beschichtung 2 ge schützt, die aus einer Grundschicht 3 aus Aluminiumkeramik mit einer Dicke von 40 bis 60 µm, einer darauf befindli chen Fluorkunststoff-Grundierung 4 von 8 bis 10 µm Dicke, einer Zwischenschicht 5 von 20 µm Dicke, einer Antihaft- und Korrosionsschicht 6 von 150 µm Dicke sowie einer Deckschicht 7 von 20 µm Dicke besteht.

Claims

1. Beschichtung für metallische, insbesondere einer aggressiven Umgebung mit sauren bzw. säurehaltigen oder salzhaltigen Schadstoffen ausgesetzte Oberflä chen, wie insbesondere von schadstoffhaltigen Rauchga sen durchströmte Reaktoren und Rauchgaskanäle, gekenn zeichnet durch eine metallische Bestandteile enthalten de keramische Grundschicht (3), eine haftvermittelnde Fluorkunststoff-Grundierung (4) sowie eine Antihaft- und Korrosionsschutzschicht (6) aus Fluorkunststoff.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aluminiumkeramische elektrisch leitfähige Grund schicht.

3. Beschichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine siliziumkeramische elektrisch leitfähige Grund schicht.

4. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zwischen der Grun dierschicht (4) und der Antihaft- und Korrosionsschutz schicht (6) angeordnete Zwischenschicht (5) mit niedri gerem Schmelzpunkt als die Nachbarschichten (4, 6).

5. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine die Oberfläche der Beschichtung (2) bildende Deckschicht (7) aus einem Fluorkunststoff.

6. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundierung (4) aus PTFE, die Zwischenschicht (5) aus FEP, die Anti haft- und Korrosionsschutzschicht (6) aus PFA und die Deckschicht (7) aus TFA besteht.

7. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2 oder 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine:
40 bis 60 µm dicke Aluminiumkeramik-Schicht, eine
8 bis 10 µm dicke PTFE-Schicht, eine
10 bis 20 µm dicke FEP-Schicht, eine
150 µm dicke PFA-Schicht und eine
20 µm dicke TFA-Schicht.

8. Beschichtung für metallische, insbesondere Seewasser ausgesetzten Oberflächen, gekennzeichnet durch eine metallische Bestandteile enthaltende keramische Grund schicht und eine Deckschicht aus harzverschnittenem Fluorkunststoff.

9. Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Ausglühen der metallischen Oberfläche;
b) Sandstrahlen der metallischen Oberfläche;
c) stufenweises Aufspritzen der metallkeramischen Schicht als Dispersion;
d) Einbrennen der Dispersion bei einer Temperatur von 350°C;
e) Sandstrahlen der metallkeramischen Schicht;
f) Aufspritzen der Grundierung;
g) Sintern der Grundierung;
h) Aufbringen der FEP-Schicht und einer dünnen PFA- Schicht auf die noch nicht getrocknete FEP-Schicht;
i) Sintern der FEP/PFA-Schicht über mehrere Stunden bei einer Temperatur von 380°C;
j) stufenweises Aufbringen der PFA-Schicht, d. h. in mehreren Teilschichten, wobei die Teilschichten je weils auf die heiße Oberfläche der Vorschicht aufge tragen und nach dem Auftragen jeder Teilschicht bei einer Temperatur von 360°C gesintert werden;
k) Aufspritzen der TFA-Schicht auf die heiße Ober fläche der Vorschicht und
l) abschließendes Sintern über mehrere Stunden bei ei ner Temperatur von 350°C.