EP2370211A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen für hochtemperaturanwendungen und metallisches bauteil - Google Patents
Verfahren zur herstellung von bauteilen für hochtemperaturanwendungen und metallisches bauteilInfo
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- EP2370211A1 EP2370211A1 EP09764801A EP09764801A EP2370211A1 EP 2370211 A1 EP2370211 A1 EP 2370211A1 EP 09764801 A EP09764801 A EP 09764801A EP 09764801 A EP09764801 A EP 09764801A EP 2370211 A1 EP2370211 A1 EP 2370211A1
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Definitions
- EP 1 068 372 A1 describes a method for protecting a metallic substrate from corrosion.
- a metal-derived species X is formed.
- the substrate is provided with a coating of polysiloxanes, wherein the coating also comprises a species Z, which forms a species Y with the metal.
- the formation of the species Y has a lower formation enthalpy than the formation of the species X.
- the formation of the species Y is preferred.
- the thermal shock resistance was confirmed over a range of 0 -4o C-IOO 0 C. A thermal cycling over a range of - 40 0 C to 500 0 C under the corrosive conditions, such as occur, inter alia, in the oven are not disclosed in the document.
- the coated blanks are then heated to a temperature of at least
- the application of the inorganic-organic hybrid polymer layer takes place in the sol-gel process, which is explained in FIG. 3 by way of example for a polysiloxane coating.
- This polymer layer is quartz-like, tear-resistant, mechanically resilient and protects the blank from corrosion. In addition, it conceals temper colors of steel-containing materials, for example as a metallic finish.
- FIG. 9 shows a spectrum from the region of the intermediate layer 112. This region predominantly comprises silicon (22.67%), oxygen (26.49%) iron (13.81%) and aluminum (13.86%), as well as Nickel (2.05%), manganese (6.46%), carbon (11.02%) and chromium (3.64%).
- the silicon-containing intermediate layer of a thickness of, for example, 10-40 microns has at least 10% silicon and 10% of a metal, preferably aluminum, wherein the percentages relate to percentages by weight.
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Abstract
Ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, umfasst die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Rohteils; b. Aufbringen einer anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht auf einer Oberfläche des Rohteils; c. Erhitzen des beschichteten Rohteils zur Aushärtung der Polymerschicht; und Abkühlen des beschichteten Rohteils Ferner wird ein Bauteil, insbesondere für den Einsatz in Haushaltsgeräten bereitgestellt und die Verwendung eines solchen Bauteils offenbart.
Description
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen und Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16 und die Verwendung eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
Bei der Bereitstellung von Bauteilen, insbesondere metallischen Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern ist es bekannt, Bauteile aus selbst passi vierenden nichtrostenden Stählen zu fertigen. Es erfolgt eine Oberflächenpassivierung meist bei einem Chromgehalt größer als 12 % wodurch sich eine Chromoxidschicht mit einer Stärke von 2-4 Nanometern ausbildet. Diese Passivschicht schützt das Bauteil vor Korrosion und verhindert den direkten Kontakt des Metalls mit einem anderen Medium. Die Passivierung durch eine Chromoxidschicht hat den Vorteil, selbsttätig passivierend zu sein, das heißt, dass beim Abtragen des Chromoxids durch Kratzer auf der Oberfläche, sich sofort wieder neues passi vierende s Chromoxid aus der darunterliegenden Chromschicht bei Kontakt mit Luftsauerstoff bildet.
Für die Bildung einer gleichmäßigen Passivschicht bei der Passivierung müssen jedoch neben dem Chromgehalt weitere Bedingungen erfüllt sein. Dies sind haupt- sächlich eine metallisch reine Oberfläche und genügend Sauerstoff, um eine vollständige Oxidation entlang der Oberfläche zu gewährleisten. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, so kann sich bei hohen Temperaturen (Temperaturen ab 450 0C) keine spontane Oxidschicht bei selbst passi vierenden nichtrostenden Stählen bilden, die Korrosionsbeständigkeit nimmt ab und es kommt zur Ausbildung einer po- rösen Chromoxidschicht in Folge von Verzunderung, welche nur noch geringen
Korrosionsschutz ermöglicht. Daher erweist sich der Einsatz von selbst passivie- renden nichtrostenden Stählen für die Fertigung von Bauteilen für Gar- und Backöfen im Anwendungsbereich ab 400 0C als unvorteilhaft.
Die DE 25 44 880 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines abriebfesten
Überzugs auf Kunststoff- oder Metallsubstraten, der aus einer Beschichtungsmasse
aus einem Titan-, Aluminium- oder Zirkonester mit mindestens zwei Estergruppen OR, einem Epoxy- und/oder Acryloxysilan und ggf. üblichen Zusätzen und Füllstoffen besteht. Die EP 0 973 958 offenbart ein Verfahren zum Versehen einer metallischen Oberfläche mit einer glasartigen Schicht, wobei eine Beschichtungszu- sammensetzung auf eine metallische Oberfläche aufgebracht wird und diese Be- schichtung anschließend thermisch bei einer Temperatur von mindestens 350 0C zu einer transparenten glasartigen Schicht verdichtet wird.
Es ist jedoch fraglich, ob die bisher genannten Beschichtungssysteme auch auf Bauteile mit einem breiten Anwendung s Spektrum im Haushaltsbereich, also beispielsweise sowohl in Kühlschränken bei Temperaturen von -50 0C als auch in Pyrolyseöfen bei Temperaturen jenseits von 500 0C unter den dort vorherrschenden Korrosionsbedingungen einsetzbar sind.
Die DE 10 2004 001 097 offenbart ein metallisches Substrat mit einer verformbaren glasartigen Beschichtung mit einer durch Auftragen eines Alkalisilikat-haltigen Beschichtungssols auf das Substrat und einer anschließenden thermischen Behandlung in zwei Stufen. Die erste Stufe kann in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oder im Vakuum bei einem Restdruck von < 15 mbar durchgeführt werden. Die zweite Stu- fe wird in einer sauerstoffarmen Atmosphäre bis zum vollständigen Verdichten und
Aushärten der glasartigen Schicht durchgeführt. Dabei ist bei diesem Verfahren die Erzeugung und Gewährleistung der verschiedenen Atmosphären bei der thermischen Verdichtung mit zusätzlichem Aufwand verbunden.
Die EP 1 137 729 offenbart eine Beschichtung für Haushaltsgeräte, welche auf hydrolisierbaren Silanen basiert und zumindest eine nicht hydrolisierbare Komponente aufweist. Dabei weisen die hydrolisierbaren Silane Epoxidgruppen zumindest einen nicht hydrolisierbaren Substituenten auf, sowie einen Härtekatalysator ausgesucht aus der Gruppe der Lewisbasen Zirkoniumtitan oder Aluminiumalkoxi- den und zudem nanoskalige anorganische Feststoffe.
Die DE 10 2007 053 023 offenbart eine Schichtungszusammensetzung mit einer Oxidverbindung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Substraten u.a. aus Metall. Dabei wird zunächst auf das Substrat eine Beschichtungszusammensetzung
aufgebracht, welche die allgemeine Formel beispielsweise eines Silans wiedergibt. Anschließend wird diese Silanzusammensetzung auf eine Temperatur von mehr 400 0C unter Bildung einer Element-ZElementoxidkompositschicht erhitzt und im Anschluss wird diese Elementoxidkomposit-Struktur erhitzt und durch lokales Sin- tern mittels eines Lasers verfestigt, was einen zusätzlichen apparativen Aufwand gegenüber bisherigen Erhitzungsmethoden bedeutet.
Die EP 0 928 457 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Substraten mit hochtemperatur- und UV-beständigen transparenten farbigen Beschichtungen, wo- bei die Beschichtungszusammensetzung mindestens ein glasartiges kristallines o- der teilkristallines Oxid bilden kann und mindestens ein Mitglied aus der Gruppe einer Metallverbindung enthält und der Überzug thermisch unter Bildung eines beschichteten Substrates härtet.
Die EP 0 729 442 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer funktionellen glasartigen Schicht mit mindestens einem hydrolisierbaren Silan, mindestens einem Organosilan und mindestens einem Funktionsträger zum Einfärben der Beschich- tung bzw. zur Farbgebung oder zur Verbesserung der metallischen Optik. Anschließend wird dieser Überzug thermisch zu einer glasartigen Schicht verdichtet.
Die EP 1 068 372 Al beschreibt ein Verfahren zum Schutz eines metallischen Substrats vor Korrosion. Bei der Korrosion bildet sich eine vom Metall abgeleitete Spezies X aus. Zur Verhinderung der Bildung einer solchen Spezies wird das Substrat mit einer Beschichtung aus Polysiloxanen versehen, wobei die Beschichtung zudem eine Spezies Z umfasst, welche mit dem Metall eine Spezies Y eingeht. Dabei weist die Bildung der Spezies Y eine geringere Bildungenthalpie auf als die Bildung der Spezies X. Somit ist die Bildung der Spezies Y bevorzugt. Dabei wurde die thermische Wechselbeständigkeit über einen Bereich von -4O 0C-IOO 0C bestätigt. Eine thermische Wechselbeständigkeit die sich über einen Bereich von - 40 0C bis 500 0C unter den korrosiven Bedingungen, wie sie u.a. im Ofen vorkommen, sind in dem Dokument nicht offenbart.
Die DE 10351467 offenbart ein Substrat, das eine Doppelbeschichtung aufweist. Diese Beschichtung kann beispielsweise, im Backofeninnenraum zum Einsatz
kommen. Dabei weist die Doppelbeschichtung eine hydrophobe und mit freien OH-Gruppen reagierenden Komponente als äußere Schicht auf. Die innere Schicht ist eine anorganischen SoI- Gel- Schicht, bei der die äußere hydrophobe Schicht bei mäßigen Temperaturen bis maximal 100 0C nur aufgebracht und durch Kondensa- tionsreaktionen fest mit dieser chemisch verankert wird. Schließlich erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Einbrennen des Doppelschichtsystems auf der Oberfläche des Gegenstandes.
Die DE 10155613 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen durch hybride Polymermaterialien sowie die dabei verwendeten Beschichtungslö- sungen bzw. -massen. Dabei wird eine Schicht aus Silanen mit org. Resten und A- luminiumalkoxiden auf die Oberfläche des Substrates aufgebracht und getrocknet. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Decklack versehen.
Die DE 10253839 Al offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mit metallischen Oberflächen. Dabei wird nach einem gegebenenfalls vorgesehenen Vorbehandrungsschritt zur Aktivierung der metallischen Oberflächen mindestens ein Organosilan im sogenannten Sol-Gel- Verfahren aufgebracht und die so erhaltene Beschichtung in eine Polysiloxan-Beschichtung überführt. Diese Überfüh- rang der Beschichtung in eine Polysiloxan-Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch thermische Behandlung bei Temperaturen von 100 0C.
Die EP 0956373 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen einer schützenden Oberfläche auf einer Basislegierung, welche Eisen, Nickel und Chrom enthält. Da- bei werden auf der Basislegierung elementares Silizium und Titan mit wenigstens
Aluminium oder Chrom abgeschieden und unter Erzeugung einer Oberflächenlegierung wärmebehandelt.
Beschichtete Beschläge und Bauteile mit Anwendungsmöglichkeiten im Hochtem- peraturbereich sind in der DE 102005039883 offenbart. Sie beschreibt ein Gerätezubehörteil für den Backofen, wobei das Gerätezubehörteil einen Grundkörper aus Metall, beispielsweise aus verchromten Stahl und eine pyrolysefeste Beschichtung aufweist. Das Beschichtungsmaterial ist glasartig und wurde aus einer Flüssigphase heraus auf den Grundkörper aufgebracht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, welches die Beständigkeit von Bauteilen gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere beim Einsatz im Hochtemperaturbereich, verbessert.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und durch die Verwendung eines solchen Bauteils nach den Merkmalen des Anspruchs
24.
Das Verfahren zur Herstellung von Bauteilen insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, sieht das Bereitstellen eines Rohteils vor, vorzugsweise durch Stanzen und Biegen eines Metallbleches, sowie das Aufbringen einer anorganischorganischen Hybridpolymerschicht auf der Oberfläche des Rohteils, das Erhitzen des beschichteten Rohteils, beispielsweise auf eine Temperatur von mindestens 400 0C und das Abkühlen des beschichteten Rohteils auf Raumtemperatur. Dadurch wird ein Rohteil geschaffen, das eine gute Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen aufweist. Bei der Beschichtung von Bauteilen für den Einsatz in Backöfen, Kühlschränke und dergleichen zeigte sich überraschenderweise erst nach einer thermischen Behandlung die zuvor mit einer anorganisch organischen Hybridpolymerschicht versehene Oberfläche als genügend widerstandsfähig, um den Belastungstests zu genügen.
Das Rohteil kann vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Edelstahl, Stahl, A- luminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Zink, Chrom oder Nickel bestehen. Die anorganisch-organische Hybridpolymerschicht kann jedoch auch auf Rohteile aufgebracht werden, welche bereits mit PTFE (Polytetrafluor- ethylen) oder PEEK (Polyetheretherketon) beschichtet sind. Auch auf LCP (liquid crystal polymer), Thermoplasten, Keramik und Emaille kann die Hybridpolymerschicht aufgebracht werden. Hierfür sind während des Herstellungsprozesses des Rohteils, in Abhängigkeit zu dessen Materialbeschaffenheit, verschiedenste Methoden der Formgebung anwendbar.
Da die Schritte des Verfahrens auch automatisiert werden können, ist eine Anwendung in serieller Fertigung möglich. Die anorganisch-organische Hybridpolymer-
beschichtung und anschließende thermische Behandlung bewirkt einen verbesserten Korrosionsschutz auch im höheren Temperaturbereich gegenüber der bisherigen Passivierung.
Nach einer anschließenden thermischen Behandlung zur Aushärtung bildet das entstandene Polymer eine harte Schicht, welche zudem reißfester ist, als dies beispielsweise beim Aufbringen eines rein anorganischen Materials der Fall wäre. Diese zusätzliche Festigkeit der Beschichtung in Folge der thermischen Behandlung macht sie daher resistenter gegenüber mechanischen Abriebs und sichert die wartungsfreie Nutzung der Bauteile, welche mit diesem Verfahren hergestellt wurden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das anorganisch-organische Hybridpolymer durch ein SoI- Gel- Verfahren auf die Oberfläche des Rohteils aufzubringen. Durch die Hydrolyse werden dabei zunächst polare Gruppen geschaffen, welche den gelösten Ausgangsstoff in ein SoI umwandeln. Dieses viskose SoI wird bei geringem Materialverbrauch vollständig über die Oberfläche des Rohteils verteilt und haftet in Folge der Gelbildung fest an der Oberfläche des Rohteils an.
Dabei kann vorzugsweise die besonders materialsparende und einfache Auftragungsart des Aufsprühens des SoIs auf die Oberfläche des Rohteils angewendet werden.
Durch fluorhaltige Silane als Ausgangssubstanz für das Sol-Gel- Verfahren können die Oberflächen oleophobe und hydrophobe Eigenschaften erhalten, sie werden somit schmutzabweisend.
Ein vorteilhaftes Aushärten der Beschichtung sieht eine UV Bestrahlung vor, so dass in Folge von dreidimensionaler Vernetzung der Polymerschicht die Oberflä- che kratzfest und resistenter gegenüber Abrieb wird. Daher kann das Rohteil nach diesem Schritt über längere Zeit gelagert werden, bevor es weiterverarbeitet wird.
Bei geringeren Anforderungen an die Oberflächengüte können nach diesem Behandlung s schritt die behandelten Bauteile beispielsweise auch bei tiefen Tempera-
turen in Kühl- und / oder Gefriergeräten sowie in Backöfen bei Einsatztemperaturen zwischen -50-600 0C eingesetzt werden. Insbesondere beim Einsatz in Kühl- und Gefriergeräten kann somit auf die aufwendige höhere bzw. sogar zusätzliche Zinkauflage auf den Bauteilen verzichtet werden.
Es ist von Vorteil, dem SoI weitere anorganische Komponenten, beispielsweise SiO2 und/oder TiO2, zuzugeben, um durch Einbau dieser Komponenten in die anorganisch-organische Hybridpolymerstruktur während der Polymerisation eine zusätzliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Beschichtung zu er- reichen.
Weitere Zuschlagstoffe können aluminium- und/oder manganhaltige Verbindungen sein. Diese Verbindungen können während der Hydrolyse in die anorganischorganische Hybridpolymerstruktur eingebunden werden. Nach einer thermischen Behandlung des Bauteils bei bis zu 800 0C kann Aluminium und/oder Mangan in das vorwiegend anorganische Netzwerk der Beschichtung eingebunden werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Beschichtung sieht ein silizium- aluminium- und/oder titanhaltiges anorganisch-organisches Hybridpolymer vor, das bei Temperaturen bis zu 800 0C, vorzugsweise im Bereich von 400-600 0C, beständig ist. Aluminium-, Titan- und Silizium-Sauerstoffpolymerverbindungen sind kostengünstig, unkompliziert zu synthetisieren und chemisch resistent gegenüber einem Großteil von Chemikalien. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften finden derartige Polymere vielerlei Anwendungen als Baumaterialien oder auch Beschichtungsma- terial und erfüllen somit die Anforderungen, welche an Beschichtungsmaterial für die Hochtemperaturanwendung gestellt werden.
Die Wärmebehandlung der anorganisch-organischen Hybridpolymerbeschichtung erfolgt vorteilhafterweise nach einem Temperaturprogramm, wobei in einer Auf- heizphase des beschichteten Rohkörpers zwei unterschiedliche Temperaturgradienten verwendet werden. Zunächst geschieht das langsame Hochheizen des Rohteils von Raumtemperatur ϋ-0 =0-40 0C auf eine mittlere Temperatur ϋ-^ von 80-200 0C. Anschließend erfolgt eine deutlich schnellere Aufheizphase, um die entsprechende Zieltemperatur Φ2 zu erreichen. Somit wird der Beschichtung ermöglicht, sich bei
der thermischen Ausdehnung des Rohteils auf die veränderten Bedingungen einzustellen und sich gegebenenfalls entlang der Substratoberfläche umzuorientieren. Das kontrollierte Aufheizen ist daher insofern von Vorteil, da ausgehärtete Be- schichtungen im höheren Temperaturbereich zur Rissbildung neigen.
Das anorganisch-organisch hybridpolymerbeschichtete Rohteil wird vorzugsweise mindestens 20 Minuten, insbesondere mehr als 30 Minuten bei mindestens 200 0C, vorzugsweise 300-600 0C getempert. Dadurch wird eine haftfeste, korrosionsbeständige und weitgehend alterungsresistente Substrat-Polymerverbindung erreicht. In diesem Temperaturbereich erfolgt beispielsweise die Pyrolysereinigung eines
Ofens. Die Zeit von mindestens 20 bzw. 30 Minuten ist von Vorteil, da bei dieser hohen Temperatur eine Oxidation der organischen Hybridpolymerbestandteile erfolgt, und somit nach der Oxidation der organischen Bestandteile eine feinverteilte- re und reißfestere Polymerschicht entsteht, als bei Verwendung von ausschließlich anorganischen Ausgangsstoffen.
Während der Abkühlphase empfiehlt sich ein hoher Temperaturgradient von beispielsweise 5-40 K/min, vorzugsweise 15-25 K/min, wodurch sowohl die Materialbelastbarkeit an der Grenzfläche durch unterschiedliche thermische Ausdehnung minimiert und als auch Fehlordnungen im Material verhindert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das beschichtete Rohteil bei einem Luftdurchsatz von 30-90 l/min, vorzugsweise 50-70 l/min getempert, wodurch eine möglichst vollständige Oxidation der organischen Anteile des Hybridpolymers auf der Substratoberfläche erreicht wird und eine spätere Exposition des Benutzers durch Verbrennungsprodukte einer eventuellen Nachverbrennung von organischen Polymeranteilen ausgeschlossen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil vor dem Aufbringen der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht geglättet, um eine möglichst große Grenzfläche zwischen der sich bildendenden Polymeroberfläche und der Substratoberfläche zu erreichen und um zudem einen geringen Abstand zwischen beiden Oberflächen zu erhalten. Das Bauteil kann vor der Beschichtung eine Oberflächenrauhigkeit von maximal 500 nm, beispielsweise von 300 bis 500 nm, vor-
zugsweise 300 bis 400 nm aufweisen, was die Adhäsion des Polymers an der Substratoberfläche verbessert. Vor der Aufbringung der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht können Reinigungsverfahren wie z.B. eine Entfettung zum Einsatz kommen.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil ist insbesondere in Backöfen im Hochtemperaturbereich einsetzbar, denn die Beschichtung bewirkt sowohl eine hohe Materialbelastbarkeit als auch eine hohe Temperaturbeständigkeit. In einem Backofen werden meist Lebensmittel gegart, die in der Regel viel Wasser enthalten, das verdunstet und sich an anderer Stelle niederschlägt. Dadurch ist bei Bauteilen in einem Backofen eine besondere Korrosionsanfälligkeit gegeben. Darüber hinaus sollte gerade in diesem Anwendungsbereich auf eine hygienisch hochwertige Verarbeitungsweise Wert gelegt werden.
Des Weiteren kann ein nach dem erfindungsgemäßes Verfahren beschichtetes Bauteil als Beschlag in anderen Haushaltsgeräten im Bereich zwischen -50 0C bis 600 0C zum Einsatz kommen. Dies schließt u.a. auch den Einsatz in Kühlgeräten ein, wo besonders hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit von Beschlägen, beispielsweise durch Salzsprühnebeltests und dergl., gestellt werden.
Weiterhin kann das Bauteil insbesondere als Beschlag, wie z.B. als Scharnier, als Klappenbeschlag, als Schienensystem, als Gargutträger und als Auszugsführung, oder als Teil eines Beschlags ausgebildet sein.
Die anorganisch-organische Hybridpolymerbeschichtung erhöht auch die Korrosionsbeständigkeit beim Transport der Bauteile, insbesondere die Beständigkeit gegen über äußere klimatische Einflüsse wie Regen, Schnee, Salzwasser, Seewassergischt und Nebel steigt. Container sind zwar gegen äußere Einflüsse geschützt, trotzdem kann sich im Inneren Kondensat bilden. Die aktuelle Temperatur sowie die Feuchtigkeit die beim Beladen in den Container gebracht wird, beeinflussen die jeweils aktuelle relative Luftfeuchte im Container. Die eingeschlossene Luft im Container, die Ladung, deren Verpackung oder das Staumaterial sind Feuchtigkeitsquellen. Erfindungsgemäß wird eine Beschichtung bereitgestellt, die die Korrosionsbeständigkeit, insbesondere beim Seetransport der beschichteten Bauteile
erhöht. Des weiteren ist ein Einsatz der beschichteten Bauteile in Seewasserklima möglich. Weiterhin können die Bauteile, in Form von Möbelbeschlägen in Küchen- und/oder Labormöbeln eingesetzt werden die zur Lagerung von Reinigungsmitteln bzw. Chemikalien genutzt werden.
In die Beschichtung des Bauteils können zudem Farbstoffe und/oder Pigmenten eingearbeitet werden. Dies ist zum Erreichen von optischen Effekten von Vorteil, da mögliche Anlauffarben von Edelstahlen farblich oder durch Metallicoptik kaschiert werden.
Falls das Bauteil bereits eine PTFE- oder PEEK-Beschichtung aufweist, auf welche die anorganisch-organische Hybridpolymerschicht aufgebracht wird, so können diese vorbeschichteten Bauteile bereits eingefärbt vorliegen
Das erfindungsgemäße Bauteil eignet sich besonders gut für die Herstellung einer
Auszugsführung, insbesondere können die Schienen der Auszugsführung entsprechend beschichtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Auszugsführung;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der Auszugsführung der Figurl; und
Fig. 3 ein schematisches Temperaturdiagramm für das Bereitstellen eines beschichteten Bauteils;
Fig. 4 eine Messwertetabelle mit Messwerten zur Zusammensatzung des Bau- teils im Tiefenprofil von 0-100 μm;
Fig. 5 schematische Darstellung des Konzentrations Verlaufs einzelner Elemente im Tiefenprofil des beschichteten Bauteils
Fig. 6 Schichtdarstellung einer lichtmikroskopischen Bilddokumentation des beschichteten Bauteils;
Fig. 7 Schichtdarstellung einer rasterelektronenmikroskopischen Bilddokumen- tation des beschichteten Bauteils;
Fig. 8a,b Darstellung einer Spektrenaufnahme und einer Messwerttabelle einer REM/EDX-Messung für einen unbeschichteten Abschnitt des Bauteils;
Fig. 9a,b Darstellung einer Spektrenaufnahme und einer Messwerttabelle einer
REM/EDX-Messung der Beschichtung des Bauteils; und
Fig. 10a,bDarstellung einer Spektrenaufnahme und einer Messwerttabelle einer REM/EDX-Messung der Oberfläche des beschichteten Bauteils.
Fig. 1 zeigt eine Auszugsführung für Hochtemperaturanwendungen, insbesondere für Backöfen, umfassend eine Führungsschiene 1 und eine relativ zur Führungsschiene bewegbare Laufschiene 2, zwischen denen eine Mittelschiene 3 (siehe Fig. 2) gelagert ist. Es sind auch Auszugsführungen bekannt, die nur über eine Füh- rungs- und eine Laufschiene verfügen. Des weiteren finden auch Auszugsführungen Verwendung die über eine Führungsschiene, eine Laufschiene und mehr als eine Mittelschiene verfügen. Für die verfahrbare Lagerung der Mittelschiene 3 und der Laufschiene 2 sind Wälzkörper 4, insbesondere aus Keramik, vorgesehen. Dabei sind an der Führungsschiene 1, der Mittelschiene 3 und der Laufschiene 2 je- weils mehrere Laufbahnen 6 für die kugelförmigen Wälzkörper 4 vorgesehen. Die
Wälzkörper 4 werden im Wälzkörperkäfig 5 beabstandet zueinander geführt, um sich beim Abwälzen nicht gegenseitig zu berühren, wodurch der Leichtlauf behindert würde.
Die Schienen 1 bis 3 sind für den Einsatz in Backöfen aus einem gestanzten und gebogenen Stahlblech hergestellt und mit einer Beschichtung versehen. Die Herstellung der Bauteile der Auszugsführung, insbesondere der Schienen 1 bis 3 erfolgt durch die folgenden Schritte:
Zunächst werden die metallischen Rohteile der Auszugsführung durch Stanzen und Biegen hergestellt. Das Rohteil kann dabei maschinell gefertigt werden. Dann wird eine anorganisch-organische Hybridpolymerschicht auf der Oberfläche der Rohteile aufgebracht.
Zuvor wird die Oberfläche der Rohteile vorbehandelt. Dies erfolgt im vorliegenden Beispiel durch Glättung der Oberfläche und durch chemische Reinigung verbleibender Fettreste durch basische Reinigungsmittel vorzugsweise bei pH= 8-10,5.
Die beschichteten Rohteile werden dann auf eine Temperatur von mindestens
400 0C erhitzt und für eine vorbestimmte Zeitdauer getempert, bevor sie wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Das Auftragen der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht erfolgt im SoI- Gel Verfahren, welches in Fig. 3 beispielhaft für eine Polysiloxanbeschichtung erklärt wird.
Hier werden Alkoxyverbindungen des Siliziums durch Hydrolyse unter Substition der Alkoxyfunktionen durch Hydroxygruppen in reaktive Silanole umgewandelt, die im SoI als kolloide Teilchen vorliegen. Diese Teilchen lagern sich beim Auftragen des SoIs auf eine Oberfläche, vorzugsweise aus Metall, an dieser an. Durch Erwärmen werden die Wechselwirkungen zwischen Silanolmolekülen mit der Oberfläche weiter verstärkt bis hin zur Ausbildung von kovalenten Bindungen. Bei einer Erwärmung kommt es zudem zur Umwandlung des SoIs in den Gelzustand unter Ausbildung von Polysiloxanen. Dabei werden Alkohole und Wasser in einer
Kondensationsreaktion gebildet.
So treten beispielsweise in Alkoxyverbindungen des Siliziums und anderen Metallen- und Halbmetallen verschiedene Wechselwirkungen zwischen den organischen und anorganischen Bestandteilen der Hybridpolymere auf. Diese sind auf kovalente oder ionisch-kovalente Bindungen zurückzuführen.
Die Beschichtungssole der anorganisch-organischen Hybridpolymere können in einem Sol-Gel Verfahren auf ein metallisches Bauteil flüssig appliziert werden und unter milden Reaktionsbedingungen anfließen und aushärten.
Dabei erfolgt während des Aushärtens eine basisch oder sauer katalysierte Hydrolyse der Alkoxide und im Anschluss die Ausbildung eines dreidimensionalen anorganischen Netzwerkes einer Siliziumoxidschicht, infolge einer Kondensationsreaktion.
Anstelle des Siliziums als anorganische Komponente können beispielsweise auch
Metalle, wie Zirkonium- oder Titanalkoxyverbindungen eingesetzt werden.
Dabei können beispielsweise zu Tetramethoxysilan (TMOS) in Lösungsmittel (ca.1/4 des Volumens des TMOS) zunächst bei etwa 0 0C vorsichtig unter langsa- mer Zugabe (ca. 2 h) gelöst bzw. suspendiert werden. Die Zugabe erfolgt im Bereich zwischen 0-10 0C, da TMOS sehr leicht entzündlich, giftig und ätzend ist. Bei Temperaturen ab circa 20 0C können sich explosive Dampfgemische bilden. Anschließend wird zur Hydrolyse der organischen Verbindung konzentrierte wäss- rige HCl (etwa 1-3 VoI % gegenüber des Volumens des TMOS) über 30 min unter ständigem Rühren zugegeben. Dabei kann die HCl im Vorfeld auf eine Temperatur von etwa 0 0C heruntergekühlt werden. Anschließend wird das Rühren einige Minuten, beispielsweise 5-10 min, aufrecht erhalten. Durch Zugabe weiteren Lösungsmittels kann die Viskosität entsprechend eingestellt werden. Das Lösungsmittel kann protisch oder aprotisch polar, beispielsweise Isopropanol, sein.
Alternativ kann auch eine Mischung aus hauptsächlich 3-Glycidyloxy- propyltrimethoxysilan (GPTS) und Titantetraisopropylat unter basischen oder sauren Bedingungen durch Hydrolyse in eine fließfähige Beschichtungssubstanz umgewandelt und durch anschließendes Aushärten infolge von Kondensation bei 700- 800 0C in eine anorganische Siliziumdioxidschicht umgewandelt werden.
Dabei bildet sich zwischen der oberen Siliziumdioxidschicht, mit einer Dicke von 0,1-2 μm und der Oberfläche des metallischen Bauteils eine Zwischenschicht, die zusätzlich zu dem Siliziumdioxid auch einen erhöhten Anteil an Metallverbindun-
gen oder elementaren Metallen beispielsweise Chrom, Aluminium und/oder Mangan aufweist.
Je nachdem, welche metallische Legierung das beschichtete Bauteil aufweist, kommt es zu Diffusionseffekten, bei denen das Silizium in die Metalloberfläche eindringt und zugleich einige Metall Verbindungen in die Siliziumschicht eindiffundieren. Dabei kann das metallische Bauteil ggf. eine chrom- oder aluminiumhaltige Legierung aufweisen, bei welchen vornehmlich Aluminiumatome in die Siliziumschicht unter Ausbildung einer Zwischenschicht eindiffundieren.
Die Diffusion von Chrom-, Mangan-, Aluminium- aber auch von Nickel Verbindungen in der siliziumhaltigen Schicht ist dabei überraschenderweise größer als die Diffusion von Eisenverbindungen in diese Schicht. Dabei kann die Diffusion der Metallverbindungen durch einen Temperaturgradienten beim Aushärten vorteilhaft hinsichtlich der Eindringtiefe und Konzentrationsverteilung in der Schicht beein- flusst werden.
Dabei kann das Metall, beispielsweise Aluminium, bereits als Bestandteil der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht eingebracht sein und sich in Folge von Diffusions- und Verteilungseffekten im Zentrum der Beschichtung ansammeln.
Mangan kann aus dem Metall in die anorganisch-organische Hybridpolymerschicht während des Erhitzens eindiffundieren und sich in dieser Schicht anreichern.
Zudem können bei Temperaturen von 400-800 0C höhere Eindringtiefen insbesondere von Chrom-, Mangan- und Aluminiumatomen in die Siliziumschicht und der siliziumhaltigen Schicht in die metallische Oberfläche des Bauteils als dies bei niedrigeren Temperaturen der Fall ist erreicht werden.
Durch den verringerten Eisengehalt in der Zwischenschicht kann sich eine passi- vierende Zwischenschicht ausbilden, welche ebenso wie die glasartige Silizium- Deckschicht auch bei über 500 0C temperaturbeständig ist.
Die Integrität der Schicht bleibt auch erhalten, wenn man das derart beschichtete Bauteil kurzzeitig, also ca. 30 min einer Schweißflamme von 1000-1500 0C aussetzt. Somit kann die Beschichtung auch auf metallischen Bauteilen zumindest bereichsweise aufgebracht und verwendet werden, welche an einer unbeschichteten Oberfläche mit einer anderen metallischen Oberfläche verschweißbar sind. Falls hierbei die Schweißflamme in Berührung mit einem beschichteten Bereich des Beschlags kommt, so wird die Beschichtung nicht zerstört.
Die Beschichtung kann ebenfalls nach dem Sol-Gel Verfahren auf eine chromierte Oberfläche aufgebracht werden, wobei die Chrom-Siliziumoxid-Beschichtung bei einem anschließenden Biegen des Bauteils, im Vergleich zu einer reinen chromier- ten Oberfläche erst bei höherer Belastung abblättert.
Das Auftragen des flüssigen SoIs auf die Oberfläche des metallischen Bauteils kann durch Sprühen, Tauchen, Bestreichen oder dergleichen erfolgen.
Durch UV-Behandlung können die organischen Bestandteile des anorganischorganischen Hybridpolymers zusätzlich dreidimensional vernetzen, was der Beschichtung vorteilhafte mechanische Eigenschaften verleiht.
Zusätzlich zu den Siliziumatomen können weitere anorganische Komponenten, beispielsweise Titanoxid oder Siliziumoxid durch Umhüllung in eine Polysiloxan- beschichtung eingebaut werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung ebenfalls verbessert werden kann. Die weiteren anorganischen Kompo- nenen können als feine Partikel, insbesondere im nanoskaligen Bereich zwischen
40 nm und 500 nm eingebaut werden.
Um eine kratzfeste, alterungs- und korrosionsbeständige Beschichtung für den zu Hochtemperaturbereich zu schaffen, wird die anorganisch-organische Hybridpoly- mer schicht in Temperaturgradienten auf eine Temperatur in Bereich von 400-
600 0C erhitzt, wobei die organischen Anteile des Polymers bevorzugt oxidiert werden. Somit wird durch das anorganisch-organische Hybridpolymer in Verbindung mit dem Sol-Gel Verfahren eine Netzwerkdichte geschaffen, welche geringe Schichtdicken, vorzugsweise zwischen 1,0-5,0 μm, beispielsweise einer auf Silizi-
um basierten Polymerschicht und den Einbau von weiteren nanoskaligen anorganischen Komponenten als auch Farbstoffe oder Pigmente in die Polymerschicht ermöglichen.
Die Temperzeit beträgt dabei zwischen 40 min und 3 h, vorzugsweise 1 h bei 200-
800 0C, vorzugsweise 300-600 0C.
Diese Polymerschicht ist quarzartig, reißfest, mechanisch belastbar und schützt das Rohteil vor Korrosion. Zudem kaschiert sie Anlauffarben stahlhaltiger Materialien, beispielsweise als Metalliclackierung.
Die nachfolgende Tabelle zeigt verschiedene Versuchsreihen, bei welchen die Reinigungsfähigkeit von verschiedenen B auteil Oberflächen, welche nach den erfin- dungsgemäßen Verfahren beschichtet wurden, angegeben ist.
Die Oberflächen 1.4016 und 1.4301 sind dabei metallische Oberflächen von Auszug sführungen.
Wie sich anhand aus der Tabelle ergibt, sind metallische Bauteile mit einer anorganisch-organischen Hybridpolymerbeschichtung bei 500 0C über längeren Zeitraum belastbar, so dass für derartige Bauteile der Einsatz im Hochtemperaturbereich ermöglicht ist. Hierbei ist jedoch nur eine eingeschränkte Reinigbarkeit der Auszugsführungen gegeben.
Die mit PEEK- beschichtete Auszugsführung des Versuchsablaufs 3 ist nicht über 2 h bei 500 0C belastbar, weist jedoch gegenüber den Beispielen 1 und 2 eine verbesserte Antihaftwirkung und Reinigung auf.
Eine Sol-Gelbeschichtung in Verbindung mit einer PEEK-Beschichtung auf einer Auszugsführung ermöglicht vorteilhaft den Hochtemperatureinsatz als auch eine Verbesserung der Reinigbarkeit und somit die volle Pyrolysetauglichkeit.
In Figur 3 ist schematisch ein Temperaturdiagramm für das Verfahren der dauerhaften Beschichtung von Beschlägen, Seitengittern und Gargutträgern für Hochtemperaturanwendungen dargestellt. Das beschichtete Rohteil wird zunächst von Umgebungstemperatur i3-0 erwärmt. Es beginnt mit einem Temperaturgradienten von etwa 10 K/min ausgehend von einer Anfangstemperatur i% von 25 0C und geht dann bei einer mittleren Temperatur von 1^1=IOO 0C in einen Temperaturgradienten von etwa 25 K/min über. Beim Erreichen einer Zieltemperatur ϋ-2 von 500 0C folgt ein Temperaturplateau über 30 min hinweg. Schließlich folgt eine Abkühlungsphase mit etwa 20 K/min zurück zu θ0.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Auszugsführung beschrieben.
Es ist natürlich auch möglich, andere Bauteile mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung zu versehen.
Das Reinigen der metallischen oder Kunststoff-Oberfläche des Rohteil vor dem Auftrag der anorganisch-organischen Hybridpolymerbeschichtung kann durch verschiedene mechanische und/oder chemische Reinigungsverfahren erfolgen. Des Weiteren kann eine zusätzliche Oberflächenbehandlung zum Aufrauen der Oberfläche erfolgen.
Beim Auftrag der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht kann das Fließverhalten derart eingestellt werden, dass sie selbst an senkrechten Flächen anhaftet.
Das erfindungsgemäße Bauteil, mit der entsprechenden anorganisch-organischen Hybridpolymerbeschichtung hat die Vorteile der Kratzfestigkeit, der Abriebfestig- keit, des Korrosionsschutzes, der verbesserten Reinigungsfähigkeit, und der Verringerung der Schmutzanhaftung. Sie ist, anders als metallische Überzüge, transparent und kann auf ein eingefärbtes Substrat aufgebracht werden.
Fig 4 zeigt tabellarisch die elementare Zusammensetzung in Massekonzentrationen entlang eines Tiefenprofils eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils.
In Fig. 5 ist die graphische Darstellung von Messwerten der elementaren Zusam- mensatzung des beschichteten Bauteils über ein Tiefenprofil von 0-65 μm gezeigt.
Die Schrittweite der Messpunkte beträgt 0,5μm im Bereich von 0-20 μm und 4 μm im Bereich von 20-65 μm. Die elementare Zusammensetzung bei 65 μm entspricht im Wesentlichen der Zusammensetzung des Chromstahls des metallischen Bauteils vor der Beschichtung.
Die Messdaten in den Figuren 4 und 5 wurden durch optische Glühentladungs- spektroskopie (Sputtergas Ar 5.0; Anodendurchmesser 2,5 mm) bestimmt.
Das untersuchte Bauteil selbst ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren be- schichtetes Profilstück einer Backofenauszugsführung. Das Bauteil wurde vor der
Untersuchung mit 100 Pyrolysezyklen bei 500 0C über jeweils 1,5 h thermisch behandelt.
Die Tabelle der Fig. 4 zeigt exemplarisch ausgewählte Einzelwerte der spektrosko- pischen Bestimmung mittels Glühentladung.
Bei einer Schichtdicke von 1 μm besteht die Schicht überwiegend aus sauerstoffhaltigen Verbindungen. Dabei ist überwiegend Siliziumoxid mit einem Massenanteil von etwa 19 % vertreten. Dabei ist der Anteil an oxidischen Siliziumverbin- düngen etwa 1,6 fach höher als der Anteil der metallischen Oxide. Eisen ist mit einem Massenanteil von 2,6 % in diesem Bereich der Schicht enthalten.
Bei einer Schichtdicke von 2,5 μm hat der prozentuale Massenanteil der sauerstoffhaltigen Verbindungen, im Vergleich zur Zusammensetzung bei einer Schichtdicke von 1 μm, um etwa 10 % abgenommen. Der Massenanteil an Siliziumverbindungen liegt bei 24 %. Dabei ist der Massenanteil an Silizium Verbindungen nach wie vor 1,2 fach höher als der Massenanteil der metallischen Verbindungen. Dabei hat sich die Metallzusammensetzung gegenüber der Zusammensetzung der Schicht bei 1 μm verändert.
Bei einem nahezu gleichbleibenden Eisenanteil sind die Chrom- und Nickelanteile um 3-4 % vermindert, wohingegen es zu einer Zunahme des Aluminiumanteils um einen Massenanteil von 5 %, des Mangananteils um 6 %, sowie einer Zunahme des Kupferanteils um 1,5 % kam.
Bei einer Schichtdicke um 10 μm beträgt der Massenanteil w (Aluminium) der Schicht 12,1 % und der Mangangehalt 11,1 %. Der Siliziummassenanteil liegt bei 20,9 %. Der Sauerstoffmassenanteil beträgt 33,3 %. Bemerkenswert ist dabei, dass der Eisenanteil gegenüber dem Aluminium- und Mangangehalt lediglich 6,6 % einnimmt.
Bei einer Schichtdicke von 15 μm beträgt der Eisenmassenanteil bereits 14,6 % und wächst im weiteren Profilverlauf bis auf etwa 70 % an.
Der Übergang der aluminium-, mangan- und siliziumreichen und eisenarmen
Schicht in eine Eisen/Chromschicht erfolgt etwa bei 20 μm.
Die Zusammensetzung bei 100 μm gibt im Wesentlichen die elementare Zusammensetzung des eingesetzten Chromstahls wieder.
Fig. 5 zeigt einen Anstieg der Konzentration an Aluminium auf 40 % und Mangan auf 8 % in der Beschichtung, wobei die Konzentrationen ihr Maximum im Bereich zwischen 10-20 μm erreichen und im Anschluss wieder abfällt.
Zugleich bildet sich hinsichtlich der Siliziumkonzentration ein Konzentrationsplateau bei 15-17 % aus, welches sich über einen Bereich von 4 μm - 22 μm erstreckt.
Im Bereich zwischen 20-50 μm ist ein Anstieg der Eisen und Chromkonzentration auf eine Konzentration von 73 % (für Eisen) bzw. 18 % (für Mangan) zu beobach- ten.
Wie sich überraschend gezeigt hat, erfolgte eine Diffusion und Verteilung von A- luminium- und Manganverbindungen in der siliziumhaltigen Schicht nach Auftrag der anorganisch-organischen siliziumhaltigen Hybridpolymerschicht im Sol-Gel
Verfahren und einer Erhitzung der Beschichtung auf 550-800 0C, vorzugsweise 650-750 0C.
Durch die derart erhaltene zweilagige Beschichtung ergeben sich vielfältige An- Wendungsmöglichkeiten. Durch die Einfärbung der Schicht kann die Oberfläche entsprechend den Kundenwünschen gestaltet werden. Eine Einebnung der Oberfläche durch Aufbringen der Beschichtung führt zu einer besseren Reinigbarkeit der Oberfläche und zu einer ansprechenden Optik.
Fig. 6 zeigt eine lichtmikroskopische Wiedergabe des schichtweisen Aufbaus des beschichteten Bauteils bei einem Maßstab von 50 μm.
Lediglich schemenhaft ist dabei die Siliziumoxid-Deckschicht 101 erkennbar.
Darunter ist die Zwischenschicht 102 angeordnet, welche neben Silizium Verbindungen vorwiegend Mangan- und Aluminiumverbindungen aufweist. Dabei weist die Schicht einen inhomogenen Aufbau auf, was durch eine Vielzahl dunklerer und hellerer Punkte in der grauen Schicht belegt wird. Diese Konzentrationsschwerpunkte sind jedoch kleiner und gleichmäßiger in der Schicht verteilt, als es bei der darunter angeordneten Stahlschicht 103 der Fall ist.
Anhand der Fig. 6 kann man erkennen, dass die Schichtdicke 20-30 μm beträgt.
Die folgenden Messwerte geben die Zusammensetzung der Oberfläche, also der Si- liziumdioxid-Deckschicht als Massenanteile w (Substanz) in Prozent an:
Silizium: 36,2 %, Sauerstoff: 35,4 %, Aluminium: 10,9 %, Mangan: 5,4 %, Eisen: 2,3 %, Kupfer: 4,0 %, Kalium: 0,7 %, Titan: 0,6 %, Niob 4,0 %, Natrium 0,7 % und Kalzium 0,1 %
Die Messwerte sind dabei die gemittelten Werte einer Dreifachmessung, wobei die Messwerte einer durchschnittlichen Schwankungsbreite von 5 %, bezogen auf den gemittelten Wert unterlagen.
Die Messung erfolgte mittels energiedisperser Röntgenemissionsspektroskopie (EDX).
Die Methode der energiedispersen Röntgenspektroskopie zur Materialuntersuchung nutzt die von einer Probe emittierte Röntgenstrahlung für die Untersuchung der E- lementzusammensetzung. Dazu werden die Atome in der Probe mithilfe eines E- lektronenstrahls angeregt, diese senden Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Energie aus.
Diese Messwertergebnisse der EDX stützen im Wesentlichen die Ergebnisse der
Glühentladungsspektroskopie.
Fig. 7 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts der Beschichtung.
Die Messungen wurden mit einem REM - DSM 962 von Zeiss mit einer Beschleunigungsspannung von 2O kV und etwa 500-facher Vergrößerung bei einem Arbeitsabstand von etwa 23 mm durchgeführt.
Dabei ist der Oberfläche der Beschichtung eine weiße dünne Schicht mit etwa 1-
2 μm Dicke, als Siliziumoxid-Deckschicht 111 erkennbar.
Darunter angeordnet ist eine etwa 20 μm dicke Zwischenschicht die hauptsächlich aus Siliziumdioxid, Aluminium, Eisen und Sauerstoff gebildet ist.
Darunter ist das Substratmaterial 113 des metallischen Bauteils angeordnet.
Die Fig. 8-10 zeigen Spektren die mit einer Kombination der Messungen einer REM mit einer energiedispersiven Röntgenemisionsanalytik (EDX) aufgenommen wurden.
Dabei wurde das oben aufgeführte REM mit einem EDX (EDAX Genesis) kombiniert. Das EDX hat dabei eine Energieauflösung von 10 eV/ch und eine Zählrate von ca. 14000 Impulse pro Sekunde.
Fig. 8 zeigt ein Spektrum eines untersuchten Bereichs des zuvor genannten beschichteten Profilstücks, welcher gezielt von der Beschichtung ausgenommen und unter gleichen Bedingungen (500 0C, 100 Pyrolysezyklen zu je 1,5 h) behandelt wurde. Die unbeschichtete Oberfläche weist vorwiegend Eisen (63 %) und Chrom (16 %) auf, sowie Nickel (6,75 %), Mangan (1,85 %), Kohlenstoff (4,55 %), Sauerstoff (2,89 %), Aluminium (1,83 %) und Silizium (2,50 %).
Somit handelt es sich bei dem Substratmaterial 113 des metallischen Bauteils um einen legierten Stahl aus der Klasse der Chromstähle.
Fig. 9 zeigt ein Spektrum aus dem Bereich der Zwischenschicht 112. Dieser Bereich weist vorwiegend Silizium (22,67 %), Sauerstoff (26,49 %) Eisen (13,81 %) und Aluminium (13,86 %) auf, sowie Nickel (2,05 %), Mangan (6,46 %), Kohlenstoff (11,02 %) und Chrom (3,64 %).
Fig. 9 zeigt ein Spektrum aus dem Bereich der Silizium-Deckschicht 111. Dieser Bereich weist vorwiegend Silizium (35,6 %), Sauerstoff (28,05 %) und Aluminium (12,95 %) auf, sowie Eisen (4,73 %), Nickel (0,92 %), Mangan (8,61 %), Kohlenstoff (8,50 %) und Chrom (0,63 %).
Diese Messwerte zeigen, dass die Silizium-Deckschicht überwiegend, also zu mehr als 50 %, aus oxidischen Silizium und Aluminiumverbindungen gebildet wird.
Die siliziumhaltige Zwischenschicht einer Dicke von beispielsweise 10-40 μm weist mindestens 10% Silizium und 10% eines Metalls, vorzugsweise Aluminium, auf, wobei sich die prozentualen Abgaben auf Gewichtsprozente beziehen.
Es ist mit der erfindungsgemäßen anorganisch-organischen Hybridpolymerbe- schichtung zudem möglich, eine transparente Beschichtung auf metallischen Roh- teilen zu gewährleisten, die eine hohe Kratzfestigkeit gegenüber unbeschichteten
Bauteilen aufweist und zugleich die Edelstahlfarbe, z.T. auch unter Vermeidung von Anlauffarben, wiedergibt.
Zur Beurteilung der Funktionalität einer solchen transparenten Auszugsführung wurden 750 Laufintervalle nach den jeweiligen Pyrolysezyklen bei 500 0C durchgeführt. Dabei wurden folgende Prüfkriterien aufgestellt:
a) Kraftaufwand beim Ausziehen der Auszugsführung (Fa) in N b) Kraftaufwand beim Einfahren der Auszugsführung (Fe) in N c) Laufgüte, beurteilt durch eine geschulte Prüfperson mittels Ordinalskala d) Geräusche, beurteilt durch eine geschulte Prüfperson mittels Ordinalskala
Die Lauf gute und Geräuschgüte einer beschichteten Auszugsführung nach 15 Pyrolysezyklen (500 0C) bei einer Prüflast von 10-15 kg wurde den Laufgüteklassen 1- 3 zugeordnet.
Die Messergebnisse zeigten eine gleichbleibend gute Laufgüte (Klassifizierung 1- 7, wobei 1 der höchsten Laufgüte und 7 der niedrigsten Laufgüte entspricht).
Die Messergebnisse zeigen zudem eine gleichbleibend geräuscharme Beweglichkeit (Klassifizierung 1-7, wobei 1 als keine Geräuschentwicklung und 7 als höchstmögliche Geräuschentwicklung definiert ist.)
Die Kräfte, welche zum Ausziehen der beschichteten Auszugsführung angewandt wurden liegen dabei im Bereich unter 10 N, vorzugsweise zwischen 3,0 bis 4,5 N.
Die Kräfte, welche zum Einfahren der beschichteten Auszugsführung angewandt wurden liegen im Bereich unter 11 N, vorzugsweise zwischen 4,0 bis 8 N.
Bevorzugt werden die beschriebenen Beschichtungen auf ein metallisches Bauteil aufgebracht, dessen Substratmaterial aus Stahl der Werkstoffnummer 1.4301 einem 18/10 Chrom-Nickel-Stahl, Stahl der Werkstoffnummer 1.4016, einem ferritischen 17prozentigen Chromstahl oder Stahl der Werkstoffnummer 1.4310 einem chrom- nickellegierten Stahl umfasst.
Die Beschichtung bietet besondere Vorteile in Hochtemperaturanwendungsbereichen, insbesondere in Backöfen. Sie bietet jedoch auch Vorteile bei Bauteilen in
Bereichen mit hoher Korrosionsgefahr. Dies umfasst beispielsweise auch die Produkte der Weißen Ware, wie z.B. Kühlschränke und Waschmaschinen. Auch Möbelbeschläge sind beim Transport, insbesondere beim Übersee-Transport, höherer Korrosionsgefahr beispielsweise durch humides Klima und/oder Seewasser ausgesetzt. In diesen Gebieten haben beschichtete Beschläge gegenüber unbeschichteten Beschlägen eine längere Lebensdauer.
Bezugszeichenliste
1 Führungsschiene
2 Laufschiene
3 Mittelschiene
Wälzkörper
5 Wälzkörperkäfig
6 Laufbahnen
101 Siliziumoxid-Deckschicht
102 Zwischenschicht
103 Stahlschicht
111 Siliziumoxid-Deckschicht
112 Zwischenschicht
113 Substratmaterial
Claims
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Rohteils; b. Aufbringen einer anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht auf einer Oberfläche des Rohteils; c. Erhitzen des beschichteten Rohteils zur Aushärtung der Polymerschicht; und d. Abkühlen des beschichteten Rohteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht auf der Oberfläche des Rohteils nach einem Sol-Gel Verfahren erfolgt, welches folgende Schritte umfasst: a. Bildung eines SoIs durch Hydrolyse; b. Aufbringen des SoIs auf die Oberfläche des Rohteils; und c. Bildung einer anhaftenden Gelschicht durch Polykondensation.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Aufbringen der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht auf eine mit PEEK (Polyetherether-Keton) beschichtete Oberfläche des Rohteils nach dem Sol-Gel Verfahren erfolgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Aufbringen des SoIs in Schritt b durch Aufsprühen auf die Oberfläche des Rohteils erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- sehen Schritt b und Schritt c oder nach Schritt c ein Aushärten der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht mittels UV-Bestrahlung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem SoI weitere anorganische Komponenten, insbesondere Siliziumoxid und/oder Titanoxid, beigefügt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisch-organische Hybridpolymer ein silizium-, aluminium- oder titan- haltiges anorganisch-organisches Hybridpolymer, mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 800 0C, vorzugsweise bis zu 600 0C, aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Aufheizphase ein erster zeitabhängiger Temperaturgradient 8-12 K/min bis zu einer mittleren Temperatur und ein zweiter zeitabhängiger Temperaturgradient 12-30 K/min bis zu einer Zieltemperatur beträgt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Rohteil bei einer Zieltemperatur von 200-600 0C, vorzugsweise 450-550 0C mindestens 20 min, vorzugsweise mindestens 25 min, getempert wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Rohteil bei einer Zieltemperatur von 550-800 0C, vorzugsweise 650-750 0C mindestens 20 min, vorzugsweise mindestens 25 min, getempert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zieltemperatur über einen Zeitraum von 15-90 Minuten, insbesondere 25 bis 40 Minuten, konstant gehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitabhän- giger Temperaturgradient eines kontrollierten Abkühlens des Rohteils 5-40
K/min, vorzugsweise 15-25 K/min, beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Rohteil in einem Umluftverfahren mit einem Luftdurchsatz von 30- 90 l/min, vorzugsweise 50-70 l/min getempert wird.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberfläche des Rohteils vor dem Auftragen der anorganisch-organischen Hybridpolymerschicht geglättet wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen des beschichteten Roh teils eine Metall Verbindung, insbesondere A- luminium und/oder Mangan, in die Hybridpolymerschicht zum Schutz vor Korrosion eindiffuniert.
16. Bauteil, insbesondere für den Einsatz in Haushaltsgeräten, dadurch gekenn- zeichnet, dass es eine Beschichtung aufweist, die durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischorganischen Hybridpolymerschicht des Bauteils ein Färbemittel oder Pigmen- te enthält.
18. Bauteil, nach einem der Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hybridpolymerschicht mindestens einen Massenanteil w eines Metalls von 7 %, vorzugsweise mindestens 12 %, insbesondere Aluminium und/oder Mangan, zum Korrosionsschutz aufweist.
19. Bauteil, nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil einen metallischen Grundkörper, eine darüber angeordnete Zwischenschicht, die Siliziumoxid und zumindest ein Metall, vorzugsweise AIu- minium und/oder Mangan, aufweist, und eine Deckschicht mit Siliziumoxid aufweist, wobei die Zwischenschicht aus Siliziumoxid und Metall bei Verletzung der Deckschicht einen Schutz vor Korrosion des Substratmaterials bildet.
20. Bauteil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht einen Massenanteil w (Silizium) von zumindest 30 %, vorzugsweise 35 % aufweist.
21. Bauteil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mindestens einen Massenanteil w (Aluminium) von 7 %, vorzugsweise 10-12 % aufweist
22. Bauteil nach Anspruch 16-21, dadurch gekennzeichnet , dass die Schichtdi- cke der Beschichtung 10-40 μm, vorzugsweise 20-30 μm beträgt.
23. Bauteil nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Schiene einer Auszugsführung für Backöfen ausgebildet ist.
24. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 16-23 in Haushaltsgeräten, insbesondere in Backöfen, in Kühlschranken und in Waschmaschinen oder als Möbelbeschlag.
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