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Die
Erfindung betrifft Porzellanemailleüberzüge, insbesondere wasserbeständige Porzellanemailleüberzüge zur Verwendung
in Wassererhitzern.
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Die
Porzellanemaille unterliegt Korrosion und Auflösung durch heißes Wasser.
Dies kann Schwierigkeiten bei Anwendungen, wie bei Heißwassererhitzern,
verursachen. Sobald der Porzellanemailleüberzug, der ein Metallsubstrat
schützt,
in einem Wassererhitzer bis auf das Substrat aufgelöst wird,
dann korrodiert das Substrat schnell und wird durchlöchert. An
diesem Punkt angekommen, muss der Wassererhitzer ausgetauscht werden.
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Versuche
zur Erhöhung
des Korrosionswiderstandes der Porzellanemaille resultierten in
der Anwendung von verschiedenen Mahlzusätzen. Mahlzusätze, die
den Korrosionswiderstand erhöhen,
ergeben jedoch eher Porzellanemaillen, die die Bildung von Schuppungen
oder Haarrissen aufweisen.
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Es
wäre deswegen
wünschenswert,
einen verbesserten Porzellanemailleüberzug zur Verfügung zu haben,
der nicht nur hoch wasserbeständig
ist, sondern auch der Haarriss- und
Brennrissbildung widersteht.
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Die
EP 453897 (Bayer AG) offenbart
eine metallfreie, oxidische Überzugzusammensetzung,
die als Binder mindestens eine Glasfritte mit einem Erweichungspunkt
kleiner als 480°C,
eine oder mehrere anorganische inerte Substanzen und ein Haftmittel
aufweist, das gleichzeitig als ein Oxidationskatalysator wirkt,
und die zum Beschichten von Metallsubstraten, insbesondere von rostfreiem
Stahl, Aluminium und aluminisiertem Stahl verwendet wird, um an
Innenwänden
von Herden, Öfen
und Grills kontinuierliche, selbstreinigende Überzüge zu bilden.
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Die
US 4,624,934 (Kokubu Yoshinori
et al) offenbart eine keramische Zusammensetzung für eine Mehrschicht-Leiterplatine,
das im Wesentlichen aus 35 Gew.% bis 95 Gew.% Glaspulver und 5 bis
65 Gew.% feuerfestem Füllpulver
besteht, wobei das genannte Füllpulver
mindestens ein aus der Gruppe von Alpha-Quarz, Korund, Zirkon und
Zirkonoxid ausgewähltes
Element ist und das genannte Glaspulver im Wesentlichen aus 25 bis
40 Gew.% SiO
2, 4 bis 15 Gew.% Al
2O
3, 15 bis 25 Gew.%
B
2O
3, 15 bis 40
Gew.% BaO+CaO+MgO, 1 bis 10 Gew.% ZnO und 0,5 bis 5 Gew.% ZrO
2 besteht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wurde festgestellt, dass die Verwendung von Mahlzusätzen, die
eine Kombination von Zirkonerde-verbunden und Kieselerde enthalten,
den Korrosions-widerstand der Porzellanemaille gegen heißes Wasser
erhöht.
Zusätzlich
zum guten Korrosionswiderstand haftet der Überzug gut auf dem Metallsubstrat.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines wasserbeständigen Porzellanemailleüberzugs zur
Verfügung.
Das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines Glasmehls; Hinzufügen von
Mahlzusätzen
zum Glasmehl zur Bildung eines Gemisches, wobei die Mahlzusätze Kieselerde
und einen Zirkonerdeverbund enthalten, um ein Gemisch zu bilden;
Auftragen des Gemisches auf ein Substrat, und Brennen des beschichteten Substrats
zur Bildung des Porzellanemailleüberzugs.
Der resultierende Überzug
weist gute Wasserbeständigkeitseigenschaften,
eine gute Haftung auf dem Substrat und minimale Rissbildung auf.
Deswegen ist dieser Überzug
zum Beispiel zum Verlängern
der Lebensdauer von Wassererhitzern geeignet.
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Die
Erfindung stellt außerdem
einen Porzellanemailleüberzug,
der nach dem oben erwähnten
Verfahren hergestellt wird, sowie einen Wassererhitzer, der mit
dem Porzellanemailleüberzug
beschichtet ist, zur Verfügung.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung und den Ansprüchen
offensichtlich.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Vor
der ausführlichen
Erläuterung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung muss es klar sein, dass die Erfindung in ihrer Anwendung
nicht auf Details der Zusammensetzung oder der Konzentration von
Komponenten oder auf die Schritte oder Handlungen, die in der nachfolgenden
Beschreibung erwähnt
sind, beschränkt
ist. Die Erfindung kann auch andere Ausführungsbeispiele umfassen und
kann auf verschiedene Arten praktiziert oder ausgeführt werden.
Es muss auch klar sein, dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie
dem Beschreibungszweck dient und nicht als Beschränkung angesehen
werden sollten.
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Verfahren
zur Herstellung von Porzellanemailleüberzügen sind im Stand der Technik
gut bekannt. Das Verfahren umfasst im Allgemeinen das Vermischen
von anorganischen Mineralien und das Schmelzen der Mischung, um
ein glühendheißes geschmolzenes
Gemisch zu bilden. Das geschmolzene Gemisch wird von der Schmelze
getrennt und zum Beispiel zwischen wassergekühlten walzen abgeschreckt.
Das Glasband kann dann zerschlagen werden, um Glasfritte zu bilden.
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Die
resultierende Fritte (oder Glas) kann dann gemahlen werden, zum
Beispiel in einer Kugelmühle, um
die Fritte in Teilchen vorbestimmter Größe für die gewünschte Anwendung zu zerkleinern.
Das Mahlen kann trocken oder nass durchgeführt werden; üblicherweise
wird das Mahlen mit Wasser als Aufschlämmmittel durchgeführt.
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Zur
gemahlenen Fritte können
verschiedene Mahlzusätze
hinzugefügt
werden. Typische Mahlzusätze umfassen
Aufschlämmmittel,
Elektrolyte, feuerfeste Stoffe, Farbstoffe und Trübungsmittel
und/oder Schrühverstärker. Das
resultierende Gemisch kann dann mittels irgendeines der im Stand
der Technik bekannten unterschiedlichen Verfahren zum Auftragen,
wie Bürsten,
Eintauchen, Spritzen usw. auf ein Substrat aufgetragen werden. Das
beschichtete Substrat wird dann in einem herkömmlichen Ofen bei einer Temperatur
gebrannt, bei der die Glasfritte erweicht, jedoch unterhalb des
Schmelzpunktes des Metallsubstrats. Beim Abkühlen härtet die glasartige Emailleschicht
aus, um auf dem Substrat zu haften.
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Der
Porzellanemailleüberzug
kann insbesondere vorbereitet werden durch: Bereitstellen eines
Glasmehls; Hinzufügen
von Mahlzusätzen
zum Glasmehl zur Bildung eines Gemisches, wobei die Mahlzusätze einen
Zirkonerdeverbund und Kieselerde enthalten; Auftragen des Gemisches
auf ein Metallsubstrat und Brennen des Substrats zur Bildung des
Porzellanemailleüberzugs.
Um die Wasserbeständigkeit
der Porzellanemaille zu verbessern, muss ein Gleichgewicht zwischen
dem Reduzieren der Größe und Menge
der unerwünschten
Lunker im Überzug,
die die Korrosion unterstützen,
und der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Blasenstruktur, um
die Riss- oder Haarrissbildung zu verhindern, erreicht werden. Wasserstoffgas
neigt zum Entweichen aus beschichteten Stahlsubstraten, was in Überzügen mit
ungenügender
Blasenstruktur Riss- oder Haarrissbildung verursachen kann. Dieses
Gleichgewicht kann mit Mahlzusätzen
erreicht werden, die eine geeignete Kombination von a) Kieselerde
und b) Zirkonerdeverbund enthalten.
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Die
Form der Kieselerde oder Zirkonerdeverbund enthaltenden Mahlzusätze ist
nicht bedeutsam. Bei den Kieselerde enthaltenden Mahlzusätzen können Kieselerde
(SiO2) und Siliziumkarbid (SiC) verwendet
werden, wobei Kieselerde bevorzugt wird. Der Kieselerde enthaltende
Mahlzusatz wird vorzugsweise in einer Menge verwendet, die größer als
ungefähr
15 Teile pro Hundert Teile Fritte, besonders vorteilhaft größer als ungefähr 25 Teile
pro Hundert Teile Fritte ist. wenn keine andere Angabe gemacht wird,
werden alle Teile in Gewicht angegeben. Der Kieselerde enthaltende
Mahlzusatz wird vorzugsweise in einer Menge verwendet, die kleiner
als ungefähr
60 Teile pro Hundert Teile Fritte, besonders vorteilhaft kleiner
als ungefähr
50 Teile pro Hundert Teile Fritte ist.
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Die
Zirkonerdeverbund enthaltenden Mahlzusätze werden vorzugsweise in
einer Menge hinzugefügt, die
größer ist
als ungefähr
10 Teile pro Hundert Teile Fritte, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Gemisches. Die Zirkonerdeverbunde werden vorzugsweise in einer
Menge hinzugefügt,
die kleiner ist als ungefähr
40 Teile pro Hundert Teile Fritte, besonders vorteilhaft kleiner
als ungefähr
30 Teile pro Hundert Teile Fritte ist. Die kombinierte Gesamtmenge
der Kieselerde und Zirkonerdeverbund enthaltenden Mahlzusätze ist
vorzugsweise kleiner als etwa 70; die kombinierte Gesamtmenge ist
vorzugsweise größer als
ungefähr
25 Teile pro Hundert Teile Fritte ist, besonders vorteilhaft größer als
ungefähr
35 Teile pro Hundert Teile Fritte.
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Bei
den Zirkonerdeverbunden können
Zirkon (ZrO2·SiO2)
und Zirkonerdeverbund (ZrO2) verwendet werden.
Bevorzugt wird Zirkon. Die Verwendung von kleineren Teilchengrößen des
Zirkonerdeverbunds kann eine Erhöhung
der verwendeten Menge des Zirkonerdeverbunds ermöglichen. Dies kann wiederum
die Wasserbeständigkeit
des Überzugs
erhöhen.
Bevorzugt werden Teilchengrößen von
einer Siebweite von 200 oder kleiner.
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Es
können
auch andere Mahlzusätze
verwendet werden, wie Ton, Magnesiumkarbonat, Natriumnitrit, Borax,
Borsäure,
Kaliumphosphat, Kaliumsilikafluorid oder andere für eine bestimmte
Anwendung gewöhnliche
Mahlzusätze.
Derartige Mahlzusätze
werden üblicherweise
in einer Menge von ungefähr
1 bis 32 Teilen pro 100 Teile Fritte hinzugefügt und werden im Allgemeinen
hinzugefügt,
um die Verarbeitungsfähigkeit
des Überzugs
vor dem Brennen zu erhöhen.
Ton in einer Menge von ungefähr
5 Gewichtsprozent (bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches)
wird bevorzugt.
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Die
Glasfritte kann jede beliebige der bekannten Zusammensetzungen aufweisen,
die zur Herstellung glasartiger Porzellanemaille verwendet werden.
Es wird jedoch vorzugsweise eine Borosilikatglasfritte, insbesondere
eine Erdalkaliborosilikatglasfritte, wie eine Natriumborosilikatglasfritte
verwendet. Das Glas ist vorzugsweise bleifrei.
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Die
Zusammensetzung der Glasfritte kann – wenn gewünscht – derart modifiziert werden,
dass sie durch verringern der Fluor- und Kalziumgehalte und durch
Erhöhung
des Lithiumgehalts eine niedrigere Wasserlöslichkeit aufweist. Insbesondere
kann ein Glassystem modifiziert werden, das vor allem Kieselerde
(SiO2), Na2O und
Zirkonerde (ZrO2) mit einigen anderen Oxiden
enthält,
um den F2-Gehalt zu verringern, den CaO-Gehalt
zu verringern und den Li2O-Gehalt zu erhöhen. Ein
gewünschtes
Mahlglassystem weist zum Beispiel ungefähr 52 Gewichtsprozent SiO2, ungefähr
17 Gewichtsprozent Na2O, ungefähr 10 Gewichtsprozent
ZrO2, weniger als ungefähr 4,1 Gewichtsprozent F2, weniger als ungefähr 0,005 Gewichtsprozent CaO
und mehr als ungefähr
4,1 Gewichtsprozent Li2O auf.
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Das
Gemisch von Fritte und Mahlzusätzen
wird auf ein Substrat aufgetragen. Das Substrat ist ein Metall,
vorzugsweise ein Stahl. Besonders vorteilhaft ist das Substrat ein
Wassererhitzer. Eine bevorzugte Gruppe von Ablagerungsverfahren
umfasst nasse Ablagerungsverfahren, bei denen die Komponenten des Überzugs in
eine flüssige
Lösung
oder einen "Schlicker" eingebracht werden
und dann durch Verwendung verschiedener nasser Auftragungsverfahren
auf ein Substrat aufgetragen werden. Für Emaillen, die in einem nassen
Prozess aufgetragen werden, wird vorzugsweise Wasser als das Aufschlämmmittel
verwendet. Die Dicke des Überzugs sollte
ausreichend gering sein, um ein Entweichen von Gas aus dem Substrat
zu ermöglichen. Üblich sind
Dicken von ungefähr
0,2286 mm bis ungefähr
0,2794 mm (ungefähr
9 bis ungefähr
11 Mil).
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Nach
dem Auftragen des Gemisches auf das Substrat wird dieses gebrannt.
Im Einzelfall hängt
die verwendete Brenntemperatur von der Erweichungstemperatur einer
bestimmten verwendeten Glasfritte ab. Höhere Brenntemperaturen erhöhen im Allgemeinen
die Wasserbeständigkeit
der resultierenden Porzellanemaillen; höhere Temperaturen führen jedoch
auch zur Bildung weniger Blasen und bewirken häufig eine Erhöhung der
Sprödigkeit.
Bei dem vorliegenden Verfahren beträgt die Brenntemperatur vorzugsweise
mindestens ungefähr
1000°F (538°C), vorteilhafter
mindestens ungefähr
1400°F (760°C) und am
vorteilhaftesten mindestens ungefähr 1550°F (843°C). Die Brenntemperatur ist
vorzugsweise niedriger als ungefähr
1700°F (927°C), vorteilhafter
niedriger als ungefähr
1650°F (899°C).
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BEISPIEL 1:
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Es
wird eine Borosilikatglasfritte mit dem folgenden Gewichtsgehalt
an Oxiden vorbereitet: OXIDGEHALT
DER GLASFRITTE:
Al2O3 | 0,05 |
B2O3 | 7,4 |
BaO | 0,003 |
CaO | 0,003 |
CoO | 0,5 |
CuO | 0,2 |
F2 | 4,09 |
Fe2O3 | 0,05 |
K2O | 0,007 |
Li2O | 5,2 |
MnO | 0,9 |
Na2O | 17,1 |
NiO | 0,1 |
SiO2 | 52,3 |
TiO2 | 1,1 |
ZnO | 0,3 |
ZrO2 | 10,2 |
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Die
Fritte wird gemahlen und zu 1000 Teilen der Fritte werden die folgenden
Mahlzusätze
hinzugefügt. Die
Menge der Teile wird durch ihr Gewicht angegeben. Die Angaben in
Gewichtsprozenten beziehen sich auf das Gesamtgewicht des trockenen
Gemisches der Fritte mit den Mahlzusätzen.
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Ein
Schlicker wird durch Vermischen der oben genannten Komponenten mit
25–30
Gewichtsprozent Wasser (bezogen auf das Gesamtgewicht der Schlickerlösung) vorbereitet.
Der Schlicker wird auf ein Stahlsubstrat mit einer Dicke von 30–60 Gramm
trockene Substanz pro Quadratfuß Substrat
gespritzt. Die Probe wird dann gebrannt, um ungefähr 4 Minuten
lang Temperaturen über
1500°F (816°C) mit einer
maximalen Temperatur von 1650°F
(899°C)
zu erreichen. Die Wasserbeständigkeit
der resultierenden Probe wird durch Eintauchen der Probe 56 Tage
lang in einem Bad mit 2% Tetranatriumpyrophosphat bei 205°F (96°C) getestet. Die
Fläche
der dem Bad ausgesetzten Porzellanemaille betrug 34,84 cm2 (= 5,4 Quadratzoll). Der 20Zr/40Si-Überzug wies
einen Gewichtsverlust von 0,09 Gramm auf. Wenn die gleiche Fläche eines
herkömmlichen
Glases mit Kieselerde enthaltenden Mahlzusätzen ohne Zirkon enthaltende
Mahlzusätze
zum Vergleich den gleichen Testbedingungen ausgesetzt wurde, wies
sie einen Gewichtsverlust von 0,28 Gramm auf.
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BEISPIEL 2
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Ein
Porzellanemailleüberzug
wird auf die im Beispiel 1 beschriebene Art und Weise mit der Ausnahme vorbereitet,
dass der Gehalt an Zirkonerdeverbund und Kieselerde in den Mahlzusätzen den
in der folgenden Tabelle 1 aufgeführten Werten entspricht.
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Die
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Verwendung von unterschiedlichen
Mengen von Kieselerde (SiO2) (in der Ta belle
1 als Si aufgeführt)
und Zirkon (ZrO2·SiO2)
(in der Tabelle 1 als Zr aufgeführt).
Die Mengen werden in Gewichtsteilen pro 100 Teile Glasfritte angegeben.
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Der
Blasengehalt in Prozent wurde durch eine Bildanalyse von Querschnitten
des Glasüberzugs
gemessen. Die Wasserbeständigkeit
wurde durch Tauchen des beschichteten Teiles in ein Bad mit 2% Tetranatriumpyrophosphat
bei 205°F
(96°C) 11
Tage lang und anschließendes
Messen des Ge wichtsverlustes (in Gramm) ermittelt. Bevorzugt wird
ein kleiner Gewichtsverlust. Die Fläche der dem Bad ausgesetzten
Porzellanemaille betrug für
alle Proben 34,84 cm2 (= 5,4 Quadratzoll).
wenn ein im Handel erhältliches
Wassererhitzerglas (ohne Zirkon enthaltende Mahlzusätze) zum
Vergleich unter den gleichen Bedingungen getestet wurde, wies es
einen Gewichtsverlust von 0,0238 Gramm auf, d.h., einen mehr als
doppelt so großen
Gewichtsverlust als der verbesserte Überzug nach der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
durch die Vergleichsbeispiele gezeigt wird, führt ein Kieselerde enthaltender
Mahlzusatz ohne Zirkonerdeverbund zur schlechten Haftung und relativ
großen
Blasen. Andererseits neigt die Verwendung von Mahlzusätzen mit
Zirkonerdeverbund und ohne Kieselerdeverbund zum niedrigen widerstand
gegen Schuppenbildung.
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Die
Tabelle 1 zeigt, dass der Zirkon die Bildung von Blasen und Lunkern
unterdrückt.
Die Zusammensetzungen mit einem größeren Zirkongehalt als Mahlzusatz
weisen wünschenswerterweise
eine kleinere prozentuale Menge an Blasengehalt und eine kleinere
mittlere Blasengröße auf.
wenn die Kieselerde in Kombination mit Zirkonerde als Mahlzusatz
verwendet wird, ist die relative Wasserbeständigkeit der resultierenden Porzellanemaille überraschenderweise
höher als
die Wasserbeständigkeit
einer Porzellanemaille, bei der Mahlzusätze verwendet werden, die entweder
Kieselerde allein oder Zirkon allein enthalten. Diese Synergie ist
am deutlichsten erkennbar, wenn die Kieselerde in einer Menge von
15–45
Teilen pro Hundert Teile Fritte verwendet wird, während die
Zirkonerde in einer Menge von ungefähr 10–30 Teilen pro Hundert Teile
Fritte verwendet wird.