EP0677592A1 - Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden und Hartstoffen - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden und Hartstoffen Download PDF

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EP0677592A1
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Manfred Seidel
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for improving the adhesive strength of thermal spray coatings made from metals, metal oxides and hard materials, in particular from zinc, aluminum and their alloys.
  • Thermal spray coatings play an important role in the surface finishing of metals, but also of plastics, concrete, cardboard, etc. Among other things, they improve the temperature resistance, wear behavior and electrical conductivity of the substrate materials.
  • EP-US 0 451 512 describes a method for coating blades of a rotating, thermal machine, a special protective layer being applied to the blades in the high-speed flame spraying method.
  • This layer can then be given a top layer of polyurethane reaction lacquer on a plastic basis.
  • the surface roughness should be reduced.
  • Two-component paints are therefore preferably used; see. Column 5, line 52 to column 6, line 6. It is about reducing the surface roughness and not about the adhesive strength of the layer applied in the high-speed flame spraying process.
  • DE-PS 38 25 200 describes a method for coating plastic parts, in which the metal layer sprayed onto the roughened plastic surface is impregnated with a plastic.
  • this plastic can be a low-viscosity polyurethane system. This measure guarantees perfect adhesion of the sprayed metal to the plastic, produces a high specific conductivity and guarantees reliable protection against external mechanical attacks; see. Column 1, lines 61 to 65.
  • DE-PS 38 25 200 teaches that the transfer of flame spraying from metals to metals to the coating of plastics with metals leads to considerable difficulties; see. Column 1, lines 41 to 46.
  • Thermal spraying of, for example, zinc, aluminum and their alloys, for example with magnesium is often the only way of protecting against corrosion by metal coatings under construction site conditions, since other processes such as hot-dip galvanizing and galvanizing are hardly possible on site.
  • the production of thermal spray coatings on metals usually requires the following high-quality technology steps: degreasing, blasting, spraying and generally post-treatment.
  • the purity and roughness of the surface of the substrate are of particular importance. It is usually required that a standard degree of purity Sa 3 according to DIN 55928, part 4 is achieved and that the average roughness R z is at least 25 ⁇ m. A certain sharpness of the profile is often necessary.
  • spraying methods for example flame spraying, arc spraying and plasma spraying, since these different methods generate different temperatures that are necessary for the melting of the spraying material.
  • Optimally produced layers have adhesive strengths of 20 to 50 MPa.
  • the spray layers are more or less dense depending on the thickness and type of spray. To ensure adequate protection against corrosion, they usually have densities of 100 to 300 ⁇ m in thickness.
  • one-component, moisture-curing polyurethane paints have only been used to treat heavily rusted or corroded steel substrates, whereby the residual moisture in the substrate is obviously bound and rust residues are solidified on the steel surface.
  • These one-component polyurethane coatings are generally used as low-viscosity solutions in organic solvents, which are able to detect crevices, overlaps and structured substrates with good creeping ability.
  • a one-component, moisture-curing polyurethane varnish is offered, for example, by Steelpaint GmbH, Kitzingen.
  • the adhesive strength increases by the treatment according to the invention in the case of sprayed zinc and sprayed aluminum layers by approximately a factor of 3. In the case of ceramic layers, for example made of aluminum oxide, the adhesive strength increases to approximately 20 to 25 MPa.
  • a degreased workpiece made of steel is prepared by means of compressed air jets up to the degree of cleaning Sa 3 and an average roughness depth R z of 45 ⁇ m. Subsequently, the workpiece prepared in this way is cleaned of any adhering blasting impurities as much as possible using compressed air and provided with a 150 ⁇ m thick spray coating made of zinc.
  • the adhesive strength measurements carried out by forehead deduction result in values between 5 and 7 MPa.
  • the spray metal layer is then thinly coated with a normal, commercially available, low-viscosity 1-component PU coating material by brush application so that no measurable layer build-up takes place. After the coating has hardened, the adhesive strength of the sprayed metal layer, measured by the same method, is 15 to 20 MPa.
  • a degreased steel workpiece is prepared using compressed air jets up to a cleaning level of 2.5 and an average roughness depth R z of 25 ⁇ m. Then a 100 ⁇ m thick ceramic Al2O3 layer is applied to the not cleaned surface by means of powder flame spraying. The adhesive strength measurements carried out result in 12 MPa. The ceramic spray coating is then thinly coated with a normal, commercially available 1-component PU coating material using compressed air spraying. After the coating has hardened, the adhesive strength of the spray ceramic layer is more than 25 MPa.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that the adhesive strength of thermal spray coatings is increased reliably and significantly by a simple aftertreatment, so that the service life of the other customary coating systems applied thereon is also significantly increased.

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Abstract

Das Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden und Hartstoffen, insbesondere aus Zink, Aluminium und deren Legierungen besteht darin, daß die Spritzschichten nach dem Aufspritzen mit einem einkomponentigen, luftfeuchtigkeitshärtenden Polyurethanharz beschichtet werden.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden und Hartstoffen, insbesondere aus Zink, Aluminium und deren Legierungen.
  • Thermische Spritzschichten spielen in der Oberflächenveredlung von Metallen, aber auch von Kunststoffen, Beton, Pappe etc. eine wichtige Rolle. So verbessern sie unter anderem die Temperaturbeständigkeit, das Verschleißverhalten und die elektrische Leitfähigkeit der Substratmaterialien.
  • Die EP-US 0 451 512 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten von Schaufeln einer rotierenden, thermischen Maschine, wobei im Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren eine spezielle Schutzschicht auf die Schaufeln aufgetragen wird. Diese Schicht kann anschließend eine Deckschicht aus Polyurethan-Reaktionslack auf Kunststoffbasis erhalten. Hier soll die Oberflächenrauhigkeit herabgesetzt werden. Bedingung ist, daß dieser Lack keine hohe und lange Einbrenntemperatur benötigt. Es werden daher vorzugsweise Zweikomponentenlacke verwendet; vgl. Spalte 5, Zeile 52 bis Spalte 6, Zeile 6. Es geht um das Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit und nicht um die Haftfestigkeit der im HochgeschwindigkeitsFlammspritzverfahren aufgetragenen Schicht.
  • Die DE-PS 38 25 200 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Kunststoffteilen, bei welchem die auf die aufgerauhte Kunststoffoberfläche aufgespritzte Metallschicht mit einem Kunststoff imprägniert wird. Gemäß Anspruch 8 kann dieser Kunststoff ein dünnflüssiges Polyurethansystem sein. Durch diese Maßnahme wird eine einwandfreie Haftung des aufgespritzten Metalls auf dem Kunststoff gewährleistet, eine hohe spezifische Leitfähigkeit hergestellt und ein sicherer Schutz gegen äußere mechanische Angriffe garantiert; vgl. Spalte 1, Zeilen 61 bis 65. Gleichzeitig vermittelt jedoch die DE-PS 38 25 200 die Lehre, daß die Übertragung des Flammspritzens von Metallen auf Metalle auf die Beschichtung von Kunststoffen mit Metallen zu erheblichen Schwierigkeiten führt; vgl. Spalte 1, Zeilen 41 bis 46.
  • Das thermische Spritzen von beispielsweise Zink, Aluminium und deren Legierungen, beispielsweise mit Magnesium, stellt unter Baustellenbedingungen oft die einzige Möglichkeit des Korrosionsschutzes durch Metallüberzüge dar, da andere Verfahren wie Feuerverzinken und Galvanisieren vor Ort kaum möglich sind. Die Herstellung thermischer Spritzüberzüge auf Metallen erfordert die qualitätsgerechte Ausführung meist folgender Technologieschritte: Entfetten, Strahlen, Aufspritzen und im allgemeinen eine Nachbehandlung. Dabei sind die Reinheit und die Rauheit der Oberfläche des Substrates von besonderer Bedeutung. Meist wird gefordert, daß ein Normreinheitsgrad Sa 3 nach DIN 55928, Teil 4 erreicht wird und daß die mittlere Rauheit Rz mindestens 25 µm beträgt. Eine gewisse Scharfkantigkeit des Profils ist oftmals notwendig.
  • Je nach Spritzwerkstoff und Substrat werden verschiedene Spritzverfahren angewendet, zum Beispiel das Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen und das Plasmaspritzen, da diese verschiedenen Verfahren unterschiedliche Temperaturen erzeugen, die für das Aufschmelzen des Spritzwerkstoffes notwendig sind.
  • Optimal hergestellte Schichten weisen dabei Haftfestigkeiten von 20 bis 50 MPa auf. Die Spritzschichten sind je nach Dicke und Spritzart mehr oder minder dicht. Um einen ausreichenden Korrosionsschutz zu gewährleisten, weisen sie meist Dichten von 100 bis 300 µm Dicke auf.
  • Während die an thermische Spritzschichten gestellten Beständigkeits-Anforderungen durch das jeweilige Spritzmaterial im allgemeinen erfüllt werden, läßt in der Praxis sehr oft die Haftfestigkeit der thermischen Spritzschichten auf Metallen zu wünschen übrig. Die Ursache hierfür sind oft Fehler in der Oberflächenvorbereitung oder auch beim Spritzen selbst. Insbesondere für den Korrosionsschutz, der möglichst 30 und mehr Jahre beständig sein soll, sind derartige Fehler von großer Bedeutung. Das gleiche gilt für Beschichtungen mit Metalloxiden und Hartstoffen, an die hohe Anforderungen betreffs mechanischer Beständigkeit gestellt werden.
  • Es bestand somit die Aufgabe, die Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten nachhaltig zu verbessern und damit die Qualität der erzielten Überzüge zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe konnte jetzt überraschenderweise dadurch gelöst werden, daß die Spritzschichten nach dem Aufspritzen mit einem einkomponentigen, luftfeuchtigkeitshärtenden Polyurethanharz beschichtet werden.
  • Einkomponentige, luftfeuchtigkeitshärtende Polyurethanlacke wurden bisher ausschließlich verwendet, um stark verrostete bzw. korrodierte Stahluntergründe zu behandeln, wobei offensichtlich die Restfeuchte im Untergrund gebunden und Rostreste auf der Stahloberfläche verfestigt werden. Diese einkomponentigen Polyurethanlacke kommen im allgemeinen als niedrigviskose Lösungen in organischen Lösungsmitteln zur Anwendung, die in der Lage sind, Spalten, Überlappungen und strukturierte Untergründe durch gute Kriechfähigkeit zu erfassen.
  • Ein einkomponentiger, luftfeuchtigkeitshärtender Polyurethanlack wird beispielsweise von der Firma Steelpaint GmbH, Kitzingen angeboten.
  • Versuche der Anmelderin, andere typische Grundierungen für den Korrosionsschutz einzusetzen, haben zu keinen entsprechenden Ergebnissen geführt. Als Beispiele hierfür seien genannt Alkydharze, Epoxyharze oder PVC-Harze.
  • Es gibt bisher keine eindeutige Erklärung für diese Ergebnisse, jedoch spricht einiges dafür, daß die Urethangruppen des eingesetzten Lackes in der Lage sind, mit Hydroxylgruppen zu reagieren, wobei nicht nur Reste von Feuchtigkeit gebunden werden, sondern auch feste Bindungen zwischen dem aufgespritzten Metall und dem Polyurethanharz entstehen. Es sind auch keine großen Mengen notwendig. Es genügt vielmehr, eine sehr dünne Schicht aufzutragen, die in die Poren des Spritzmetalls eindringt, ohne einen geschlossenen Film zu bilden. Diese dünnen Schichten können beispielsweise aufgetragen werden durch Streichen, Rollen oder Sprühen, wobei jedoch zu vermeiden ist, daß ein meßbarer Schichtaufbau stattfindet. Nach der Aushärtung dieses Urethanlackes können dann alle üblichen Beschichtungssysteme aufgetragen werden, die sich mit Polyurethanharzen vertragen.
  • Die Haftfestigkeit erhöht sich durch die erfindungsgemäße Behandlung bei Spritzzink und Spritzaluminiumschichten etwa um den Faktor 3. Bei keramischen Schichten, beispielsweise aus Aluminiumoxid, erhöht sich die Haftfestigkeit bis auf etwa 20 bis 25 MPa.
  • In den nachfolgenden Beispielen ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Ein entfettetes Werkstück aus Stahl wird mittels Druckluftstrahlen bis zum Säuberungsgrad Sa 3 und einer mittleren Rauhtiefe Rz von 45 µm vorbereitet. Anschließend wird das so vorbereitete Werkstück von anhaftenden Strahlverunreinigungen so gut wie möglich mittels Druckluft gesäubert und mit einer 150 µm dicken Spritzschicht aus Zink versehen. Die vorgenommenen Haftfestigkeitsmessungen mittels Stirnabzug ergeben Werte zwischen 5 und 7 MPa. Anschließend wird die Spritzmetallschicht mit einem normalen, handelsüblichen niedrigviskosen 1K-PUR-Beschichtungsstoff dünn mittels Pinselauftrag so beschichtet, daß kein meßbarer Schichtaufbau stattfindet. Nach Aushärtung der Beschichtung beträgt die Haftfestigkeit der Spritzmetallschicht, gemessen nach dem gleichen Verfahren, 15 bis 20 MPa.
    • Beispiel 2
  • Ein entfettetes Werkstück aus Stahl wird mittels Druckluftstrahlen bis zum Säuberungsgrad 2,5 und einer mittleren Rauhtiefe Rz von 25 µm vorbereitet. Anschließend wird auf die nicht weiter gesäuberte Oberfläche eine 100 µm dicke keramische Al₂O₃-Schicht mittels Pulverflammspritzen aufgebracht. Die vorgenommenen Haftfestigkeitsmessungen ergeben 12 MPa. Anschließend wird die keramische Spritzschicht mit einem normalen, handelsüblichen 1K-PUR-Beschichtungsstoff dünn mittels Druckluftspritzen beschichtet. Nach Aushärtung der Beschichtung beträgt die Haftfestigkeit der Spritzkeramikschicht mehr als 25 MPa.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch eine einfache Nachbehandlung die Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten zuverlässig und bedeutend erhöht wird, so daß die Lebensdauer der darauf aufgebrachten weiteren üblichen Beschichtungssysteme ebenfalls deutlich erhöht wird.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von thermischen Spritzschichten aus Metallen, Metalloxiden und Hartstoffen, insbesondere aus Zink, Aluminium und deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzschichten nach dem Aufspritzen mit einem einkomponentigen, luftfeuchtigkeitshärtenden Polyurethanharz beschichtet werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethanharz als niedrigviskose Lösung in organischen Lösungsmitteln aufgetragen wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Spritzschichten nach dem Aushärten des Polyurethanharzes übliche Beschichtungssysteme aufgetragen werden.
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