DE3887520T2 - Thermisches spritzen von rostfreiem stahl. - Google Patents
Thermisches spritzen von rostfreiem stahl.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das thermische Spritzen von rostfreiem Stahl, insbesondere bei Anwendung als Zwischenschritt zur Aufbringung einer Anti-Haft-Beschichtung (non- stick coating) auf ein Substratmetall.
- Es ist gut bekannt, eine Fluorpolymer-Dispersion auf eine aufgerauhte Substratoberfläche zu sprühen, um das Dispersions- oder Lösungsmittel zu entfernen, und zu härten oder zu sintern, so daß sich eine Überzugsschicht ergibt.
- Um die Haftung dieser Schicht auf dem Substrat zu verbessern, ist es auch gut bekannt, zuerst Metalltröpfchen oder -teilchen auf das Substrat flammzusprühen, so daß sich eine rauhe Oberfläche für die Haftung des Fluorkohlenwasserstoff- Polymers ergibt. Ein Beispiel eines derartigen flammgesprühten Metalls ist rostfreier Stahl, was ein allgemeiner Name für Legierungen von Eisen, Chrom (typischerweise etwa 18 %), Nickel (typischerweise etwa 8%) und unbedeutenden Zusätzen an Titan, Mangan, Silizium usw. ist. Jedoch ist es in dem Stand der Technik bekannt, daß Probleme durch Beschichtungsbruch auftreten können, und es ist allgemein erkannt, daß viele dieser Probleme auf Korrosionsphänomenen wie zwischen dem Substrat und dem flammgeprühten Metall beruhen.
- Beispielsweise wird angenommen, daß Aluminium kein sehr geeignetes Substratmetall für derartige Techniken ist, und man glaubt, daß dies an der Gefahr der "Weißrostkorrosion" liegt, das heißt der Bildung von Aluminiumoxiden innerhalb der Überzugsschichten.
- Die vorliegende Erfindung ging von einer Betrachtung dieses Problems aus und befaßt sich mit der Verwendung einer Form von rostfreiem Stahl mit einem ungewöhnlich hohen Chromgehalt und wahlweise mit einem erhöhten Nickelgehalt.
- Auf einem Aluminiumsubstrat widerspricht dies vollständig den bisherigen Erwartungen, und gegen die Verwendung von zusätzlichem Chrom sprichen nicht nur die Kosten sondern auch die Erwartung der erhöhten Wahrscheinlichkeit von weißem Rost (Korrosion aufgrund von Aluminiumsalzen) bedingt durch den erhöhten Chromgehalt. Wie nachstehend eingehend erörtert, glauben wir, daß wir ein anderes Korrosionsproblem als bedeutender entdeckt haben, obwohl es bisher nicht erkannt wurde, und wir können dieses Problem beheben, um verbesserte Beschichtungen zu gewinnen, wobei jede Gefahr der Bildung von "weißem Rost" durch Beheben dieses anderen Problems, das seine Ursache in der Bildung von "rotem Rost" (Korrosion aufgrund von Eisen(II)salzen) hat, mehr als ausgeglichen werden.
- FR-A-1404049 offenbart ein Verfahren zur Aufbringung einer Beschichtung aus rostfreiem Stahl auf ein Substrat durch Plasmasprühen. Die Stähle der Serien 200, 300 und 400 sind offenbart. In diesem Fall stellt die Stahlbeschichtung die fertige Schutzschicht dar und bedeckt das Substrat vollkommen.
- EP-A-92309 offenbart ein Verfahren zur Aufbringung einer Anti-Haft-Beschichtung auf ein Substrat, wobei das Substrat zuerst sandstrahlgeblasen und dann eine Schicht aus rostfreiem Stahl oder Molybdän flammgesprüht wird, um mindestens 65 % der aufgerauhten Oberfläche zu bedecken. Eine PTFE-Beschichtung wird auf die flammgesprühte Oberfläche aufgebracht.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Aufbringung einer Fluorpolymer-Beschichtung auf ein Substrat zur Verfügung zu stellen, das eine widerstandsfähigere und härter verschleißende Beschichtung ergibt.
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Fluorpolymer-Schicht bereitgestellt, bei welchem die Oberfläche des Substrats mit einer rostfreien Stahllegierung thermisch besprüht wird, um eine auf gerauhte Oberfläche zu erhalten, wobei die Legierung so aufgebracht wird, daß sie 50 bis 85 Flächenprozent der darunterliegenden Oberfläche bedeckt, und anschließend das Fluorpolymer auf die aufgerauhte Oberfläche aufgebracht wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die rostfreie Stahllegierung einen Chromgehalt von 25 bis 35 Gew.-% aufweist.
- Der Chromgehalt des rostfreien Stahls ist beträchtlich größer als die normalen 18 % des rostfreien Standardstahls.
- Vorzugsweise wird auch der Nickelgehalt des rostfreien Stahls in geringem Ausmaß reguliert, der bis zu 15 % betragen kann, d.h. wesentlich größer ist als der normale Wert von 8 % für rostfreien Standardstahl.
- Eine bevorzugte Zusammensetzung von rostfreiem Stahl zur Ausführung des Verfahrens der Erfindung besteht daher aus 25 bis 35 Gew.-% Chrom, 8 bis 15 Gew.-% Nickel, maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 2 Gew.-% Mangan, und maximal 0.4 Gew.-% Silizium, wobei der Rest aus Eisen und zufälligen Verunreinigungen besteht.
- Das vorstehend definierte Verfahren wird typischerweise so ausgeführt, daß eine aufgerauhte Oberfläche mit vorstehenden Teilchen bereitgestellt wird. Die Rauheit der Teilchen selbst ist vorzugsweise 25 bis 50 µm im Quermaß, wobei dies als Beispiel äußerst bevorzugt ist.
- Typischerweise wurde die Substratoberfläche selbst vorher aufgerauht, bevor sie thermisch besprüht wurde. Derartiges vorheriges Aufrauhen kann typischerweise mit einer Rauhtiefe von 15 bis 20 µm geschehen.
- In dem wie vorstehend definierten Verfahren der Erfindung kann ein weiter Bereich von Substratmetallen verwendet werden, aber es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß selbst schwierigere Substratmetalle wie Aluminium verwendet werden können.
- Das Fluorkohlenwasserstoff-Polymer kann aus flüssigen Medien (Dispersions- oder Lösungsmittelmedium) aufgebracht und anschließend getrocknet (beispielsweise bei 120ºC bis 150ºC) und gehärtet oder gesintert werden (beispielsweise bei 200ºC bis 450ºC, bis zu 30 min lang), wodurch insgesamt eine dauerhafte, korrosionsbeständige Anti-Haft-Beschichtung erhalten wird.
- Die Erfindung erstreckt sich natürlich auch ferner auf ein Substrat eines Gegenstandes mit einer Oberfläche, die eine derartige Fluorkohlenwasserstoff-Schicht aufweist, die mit einer vorstehend beschriebenen korrosionsbeständigen Zwischenschicht verbunden ist. Der fragliche Gegenstand kann ein Werkzeug (Baumschere, Schere, Gabel) sein.
- Die oben erwähnte Erfindung. bei der ein Überschuß an Chrom in der thermisch gesprühten Legierung verwendet wird, ist vom Stand der Technik nicht voraussehbar, insbesondere im Zusammenhang mit einem Aluminium-Substrat, bei dem man erwarten konnte, daß die Verwendung eines Überschusses an Chrom sogar mehr Aluminiumoxide ergibt. Obwohl wir nicht auf eine Theorie des Verfahrensablaufes festgelegt weden wollen, scheint es wahrscheinlich, daß das bisher bei rostfreiem Stahl unerwartete Phänomen des roten Rosts tatsächlich vorhanden ist und, obwohl es nicht immer unmittelbar bemerkbar ist, während eines langen Zeitraumes bestehen bleibt. Anscheinend beruht dies auf den drastischen thermischen Sprühbedingungen, die offensichtlich zu einem wenigstens oberflächlichen Verlust von Chrom in wenigstens einigen der Metallteilchen wahrscheinlich in Abhängigkeit von deren individueller Vorgeschichte führt, da sie auf unterschiedliche Weise verschiedene Temperaturzonen durchlaufen.
- Die folgenden Beobachtungen scheinen die vorstehende Hypothese zu unterstützen.
- 1. Glasplatten, die mit rostfreiem Stahldraht herkömmlicher Güte metallgesprüht wurden, erzeugten Produkte mit roter Korrosion in neutralen Salzschleiern (ASTM B4117), statischen 5%igen Natriumchloridlösungen und statischen 10%igen Essigsäurelösungen während 25 Stunden langem Exponieren.
- 2. Aluminiumplättchen (sowohl aus gegossenem LM6 als auch aus geschmiedeter 1200-Güte), die mit rostfreiem Stahldraht herkömmlicher Güte metallgesprüht wurden, erzeugten Produkte sowohl mit roter als auch weißer Korrosion in kochender 10%iger Essigsäurelösung, in einigen Fällen lediglich nach 20-minütiger Exponierung.
- 3. Eine Elektronen-Mikroproben-Analyse des auf den Platten abgeschiedenen Metalls zeigte eine Kernstruktur, die aus einer sehr dünnen Oberflächenschicht mit etwa 14% Chrom besteht, und in einigen Fällen die überraschende Tatsache eines zentralen Blockbereichs, in dem tatsächlich kein Chrom vorhanden ist. Die übrigen Legierungselemente waren gleichmäßig verteilt.
- Die nichtrostenden Eigenschaften von rostfreiem Stahl beruhen auf der Bildung eines hartnäckigen und widerstandsfähigen Oxidfilms auf Chromgrundlage. Es wird allgemein angenommen, daß ein Chromgehalt unter 14% bis 15% unzureichend ist, um Schutz zu verleihen und die Struktur der abgeschiedenen Schicht ist daher so ausgebildet, daß der gebildete Eisenoxidfilm äußerst dünn ist. Jeder Abbrieb erhöht die Tendenz, daß der Film bricht, wodurch der zentrale Kern exponiert wird. Das vorhandene Chrom ist nicht ausreichend, um den Bruch in dem Film zu heilen, und die Korrosion schreitet unvermindert fort.
- 4. Aluminiumgefäße, die unter Verwendung von herkömmlichem rostfreiem Stahldraht metallgesprüht wurden, wurden verwendet, um eine 10%ige Essigsäurelösung drei Stunden lang zu kochen. In allen Fällen wurde eine rote Entfärbung festgestellt, die manchmal von Bereichen aus Produkten mit weißer Korrosion begleitet wurden. Bei einem Versuch, das rote Produkt zu identifizieren, wurde ein Tiegel 30 min lang in einer 10%igen Oxalsäurelösung stehengelassen. Nach dieser Zeit wurde die Säure entfärbt und das ursprüngliche metallische Aussehen des Tiegels wieder hergestellt. Die polarographische Analyse der Säurelösung zeigte den Druck der Fe²&spplus;- und Fe³-Ionen. Ein weiterer ähnlich behandelter Tiegel wurde mit entionisiertem Wasser gefüllt und war selbst nach zweistündigem Kochen noch entfärbt.
- 5. Platten aus typischen Kochgeschirrzusammensetzungen, wie gegossenem oder geschmiedetem Aluminium, rostfreiem Stahl oder Gußeisen, zeigten nach Beschichtung mit dem spezifizierten Draht in der vorgeschriebenen Weise keine Tendenz zu Produkten entweder mit roter oder weißer Korrosion bei typischen Kochbedingungen wie dem Kochen von gesalztem Wasser, heißen Reinigungsmitteln, salzigem Dampf oder kochenden Essigsäurelösungen nach einer minimalen Exponierung von drei Stunden.
Claims (10)
1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer
Fluorpolymerschicht, bei welchem die Oberfläche des
Substrates mit einer rostfreien Stahllegierung
thermisch besprüht wird, um eine auf gerauhte Oberfläche zu
erhalten, wobei die Legierung so aufgebracht wird, daß
sie 50 bis 85 Flächenprozent der darunterliegenden
Oberfläche bedeckt, und anschließend das Fluorpolymer
auf die aufgerauhte Oberfläche aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die rostfreie Stahllegierung
einen Chromgehalt von 25 bis 35 Gew.-% aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der rostfreie Stahl 8 bis 15 Gew.-% Nickel enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der rostfreie Stahl 25 bis 35 Gew.-% Chrom, 8 bis 15
Gew.-% Nickel, maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, maximal
2 Gew.-% Mangan und 0,4 Gew.-% Silicium enthält und der
Rest aus Eisen oder zufälligen Unreinheiten besteht.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der
Sprühlegierung im Quermaß eine Größe im Bereich von 25 bis 50 µm
aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die darunterliegende
Oberfläche selbst vor dem Spritzen aufgerauht wird, wobei die
Rauhtiefe der darunterliegenden aufgerauhten Oberfläche
vorzugsweise 15 bis 20 µm beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die darunterliegende
Oberfläche eine Aluminiumoberfläche ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer auf das Substrat in
einem flüssigen Medium aufgebracht wird und getrocknet,
gehärtet oder gesintert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trocknung vorzugsweise bei 120º bis 150ºC
durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch B, dadurch
gekennzeichnet, daß das Härten oder Sintem vorzugsweise
bis zu 30 Minuten bei 200º bis 450ºC durchgeführt wird.
10. Beschichtetes Substrat, das durch das Verfahren nach
einem der vorangehenden Ansprüche herstellbar ist.
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