WO2018188953A1 - Verfahren zur beschichtung von formkörpern aus alumino-silikatischen werkstoffen und beschichteter formkörper aus alumino-silikatischen werkstoffen - Google Patents

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WO2018188953A1
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silicate
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Christian Linnemann
Markus Born
Michael Rozumek
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Definitions

  • the invention relates to a process for coating shaped bodies of alumino-silicate materials which comprises a suspension comprising or consisting of ceramic particles selected from the group consisting of silicon nitride particles, boron nitride particles, aluminum titanate particles and mixtures and combinations Dispersant / - liquefying agent, binder, plasticizer and water and a pH in the range of 7 to 14 has been carried out.
  • the suspension is applied to the surface of a shaped body at least once and at least in regions, and the shaped body is then thermally treated at least once, whereby a ceramic protective layer is formed. Consequently, moldings of aluminosilicate materials are provided which include a ceramic protective layer have a layer thickness of at least 700 ⁇ and can be produced by the novel process.
  • TAK coefficients of thermal expansion
  • both materials have an extremely low strength, which also leads to a short service life in use due to poor wear resistance.
  • the object is achieved by the process for the at least partial application of a silicon nitride protective layer on shaped bodies of alumino-silicate materials according to claim 1 and the shaped body of sintered alumino-silicate materials according to claim 23.
  • preferred embodiments are shown.
  • the invention thus relates to a process for at least partially applying a ceramic protective layer to shaped bodies of aluminosilicate materials, in which a suspension for coating moldings of alumino-silicate materials containing or consisting of a) ceramic particles selected from the group consisting of silicon nitride particles, boron nitride particles, aluminum titanate particles and mixtures and combinations thereof,
  • pH of the suspension is between 7 and 14, applied to the surface of the molding at least once at least in some areas and then the molding is thermally treated at least once.
  • the process is carried out with silicon nitride particles, so that a silicon nitride protective layer is formed on the alumino-silicate material.
  • the pH of the suspension in the range of pH 7-14 is responsible for the fact that when applying the suspension to the surface of a shaped body of alumino-silicate materials to a very good binding of the molecules of the organic cationic or pseudo cationic and / or anionic basic dispersing / liquefying agent on the "acidic" surface of the alumino-silicate material as well as on the surface of the ceramic particles, in particular the Si 3 N 4 particles.Therefore, a good wetting of the alumino-silicate material surface by the suspension of the ceramic Particles, in particular the Si 3 N 4 - achieved suspension.
  • TAK 4.5 ppmK-1
  • TK 4.5 ppm Kl
  • silicon nitride there are no thermal stresses in the production and / or use and no damage to the coating and no reduction in the service life.
  • the use of the hard material silicon nitride leads to a lifetime extension of the roller as a whole by reducing the abrasion effect by corresponding transport goods.
  • the increased strength of the silicon nitride comes into play.
  • the suspension preferably has a pH of between 7.5 and 12, in particular between 8 and 11, since in this range the binding effect described above, ie. the adhesion of the suspension components to the surface of the molded article occurs more intensively.
  • the suspension used according to the invention also has the advantage that a deep infiltration of the suspension into the porous alumino-silicate material (> 700 ⁇ m infiltration depth) and thus a large-area chemical / physical bonding of the components of the suspension with the alumino-silicate material is made possible , This results in a high adhesion of the constituents to the surface of the alumino-silicate material, which leads to a high adhesion of the resulting protective layer after thermal treatment of the alumino-silicate material. Furthermore, the pores of the alumino-silicate material are sealed with ceramic particles, in particular Si 3 N 4 particles, resulting in a smooth, non-powdery surface or protective layer.
  • the suspension used according to the invention can penetrate into the molding body so strongly that the resulting overall layer in the alumino-silicate material can have a depth of at least 700 ⁇ m. Due to the enormous depth and a concentration shift in this area, the diffusion of particles of alumino-silicate material is inhibited by the layer. If the coated molded body of alumino-silicate materials is used as a crucible for receiving liquid or crystalline metals such as aluminum, magnesium, zinc, etc., contamination of the melt with impurities of the alumino-silicate material is thus counteracted.
  • the ceramic particles such as the silicon nitride particles may be present at 10 to 40 wt .-%, preferably 15.0 to 35.0 wt .-%, based on the total suspension.
  • the ceramic particles in particular the silicon nitride particles
  • the liquefying agent may be selected from the group consisting of basic anionic dispersants and non-foaming, alkali-free pseudokationischen / cationic dispersing / liquefying agents in particular be selected from the group consisting of amino alcohols.
  • a particularly preferred fluidizing agent is 2-amino-2-methylpropanol.
  • the at least one organic (cationic or pseudo-cationic) dispersing / liquefying agent and / or the at least one anionic basic dispersing / liquefying agent is from 0.01 to 10% by weight, preferably from 0.1 to 2% by weight .-%, more preferably at 0.16 to 0.3 wt .-%, based on the total suspension, in the suspension.
  • the at least one in the suspension contained at least organic binder preferably selected from the group consisting of water-soluble or water-dispersible hydrophilic polymers, in particular polyethylene glycols, polypropylene glycols, Polybutylenglycole, Polyvinylalko- hole, polyvinyl butyrals, polyvinylpyrrolidones, polyvinyl acetates and partially or fully saponified polyvinyl acetates, in particular Fully hydrolyzed PVA M145000 (fully hydrolyzed polyvinyl alcohol with weight average
  • the at least one organic binder may contain from 0.01 to 20% by weight, preferably from 0.1 to 5% by weight, more preferably from 1.0 to 3.4% by weight, based on the total suspension, be included.
  • the plasticizer is in particular a polyhydric alcohol, in particular propane triol.
  • the plasticizer is preferably present in an amount of from 0.1 to 6.0% by weight, more preferably from 0.5 to 3.0% by weight, based on the total suspension.
  • the suspension has a dynamic viscosity of 20 to 50 mPa.s, determined with a rotational viscometer with an immersion measuring device in accordance with DIN 53019: 2008-09.
  • a viscosity in this range has a particularly advantageous effect on the penetration depth of the suspension into an alumino-silicate materials.
  • the alumino-silicate molded body is porous and preferably has a porosity of at least 15%, preferably 20 to 35%, particularly preferably 25 to 30% and / or after the thermal treatment has an average pore diameter of 50 to 2.0 ⁇ , preferably
  • Affinity between already modified by basic dispersing / liquefying agent Si 3 N 4 particles and possibly modified alumino-silicate material surface then good adhesion of the coating produced to the alumino-silicate material surface or in the pores instead.
  • a firing process under oxidizing conditions a permanent chemical adhesion between the alumino-silicate material surface and the coating is produced.
  • Si-O-Si bonds are formed as a result of a chemical polycondensation reaction between reactive silanol groups of the aluminosilicate material and the Si 3 N 4 powder with elimination of water. This causes a covalent chemical bond of the Si 3 N 4 coating with the alumino-silicate material surface, resulting in a good abrasion resistance of the coating.
  • the surface of the coating produced by the method according to the invention is smooth and has a low wettability with respect to light and non-ferrous metal melts. This is particularly advantageous when contacting the crucible surface with liquid or crystalline silicon.
  • the method has the advantage that it is easy and inexpensive to carry out.
  • the alumino-silicate material of the molding used in the process may be porous and preferably have a porosity of at least 8%, preferably 8 to 25%, particularly preferably from 10 to 15%. It is further preferred that the alumino-silicate material after the thermal treatment see a mean pore diameter of 0.05 to 0.8 ⁇ , preferably 0.1 to 0.4 ⁇ , in particular 0.15 to 0.25 ⁇ having ,
  • the suspension can be infiltrated into the molding body by at least 25 ⁇ m, preferably at least 500 ⁇ m, preferably from 700 to 1000 ⁇ m.
  • the shaped body of the alumino-silicate material is a green body.
  • a green body is understood according to the invention an unfired blank.
  • the coating of a green body instead of a fired molded body has the advantage that in only one step green body and coating can be fired (economic advantage).
  • the common firing process of the green body and coating better closes the pores of the green body in the area of the coating and thereby solidifies the ceramic particles, in particular the Si 3 N 4 particles within the alumino-silicate material, ie below the surface of the aluminosilicate material anchored.
  • the thermal treatment can be carried out at temperatures from 1000 to 1300 ° C., preferably from 1100 to 1200 ° C. and / or over a period of from 2 to 5 h, preferably from 3 to 4 h.
  • the thermal treatment can also be carried out under oxidative conditions, which causes oxidation of the topmost ceramic protective layer, for example the Si 3 N 4 layer of the coating on the shaped body.
  • This oxidized layer in turn protects the underlying layers from further oxidation so that the full separation function of the coating is maintained. This can ensure that a pure ceramic protective layer, in particular a Si 3 N 4 layer on the inner surface of the
  • Shaped body remains.
  • the ceramic particles for example the silicon nitride particles of the suspension, are firmly and chemically covalently and / or mechanically anchored in or on the alumino-silicate material surface.
  • the suspension applied to the body of alumino-silicate material after the thermal treatment produces a well-adhering, non-powdery and touch-resistant layer on the body of alumino-silicate material.
  • the order of the suspension on the molding can be done by brushing, spraying, spraying, dipping the molding in the suspension and / or by electrostatic application.
  • the suspension can also be applied with a specially equipped spraying device, which prevents contamination of the suspension with metals.
  • the penetration of the coating into the pores can be assisted by a spray-mist-producing process in wet / wet technique, whereby the infiltration depth of the suspension into the shaped body can be further increased.
  • a drying of the shaped body preferably at temperatures of 20 ° C to 150 ° C and in particular at a humidity of 40 to 60%.
  • a closed ceramic protective layer for example a silicon nitride protective layer on the substrate surface of at least 20, preferably at least 50 ⁇ , in particular 50 to 1500 ⁇ , eg 500 to 1000 ⁇ layer thickness is generated by the inventive method.
  • the alumino-silicate material preferably includes mullite and / or a mullitic bonded material and may, for example, have a residual glass phase and residual corundum.
  • the alumino-silicate material preferably contains 10-50% by weight, preferably 20-35% by weight of mullite.
  • the molded article is selected from the group consisting of transport rollers for treatment furnaces, crucibles, furnace lining and charging station.
  • the method is carried out in such a way that the at least partial application is carried out in several stages, wherein at least one basecoat and then at least one another cover layer is applied to the molding.
  • the individual layers or the cover layer can be thermally treated after the respective application or finally thermally treated together in a so-called co-firing.
  • the base coating is similar to the ceramic coating, e.g. the silicon nitride coating is applied as a suspension or solution to the shaped body and the ceramic particles, e.g. Wet nitride silicon nitride-containing suspension is applied to the basecoat.
  • the coating in which case the base coat and the actual ceramic coating, e.g. comprising silicon nitride coating can be prepared by simultaneous at least one thermal treatment.
  • the ceramic coating e.g. the silicon nitride coating can be applied in the manner described above.
  • Suspensions of inorganic materials from which ceramic materials can be produced by thermal treatment are particularly suitable as a material for applying the basecoat.
  • the composition and the grain sizes of the base coat can be adjusted such that it is on the one hand chemically bondable to the alumino-silicate material, on the other hand closes the base porosity of the alumino-silicate material and in addition to a leveling of Unevenness on the surface of the alumino-silicate material leads.
  • the material of the basecoat in terms of its thermal expansion coefficient, is applied to the aluminosilicate material and the final ceramic coating, e.g. the
  • the material of the base coating is selected from the group consisting of silica, silica sol or a mixture of silica and silica sol; Alumino sol, boehmite or a mixture of alumino sol and boehmite.
  • the thermal treatment can be carried out as a single-stage or multi-stage tempering process.
  • the suspension used according to the invention may additionally contain at least one inorganic dispersing agent and / or binder, preferably a SiO 2 -containing dispersing and / or binding agent, in particular IIIit, silicic acid, water glass, silica gel or sol, Si-organic compounds, pyrogenic silicic acid Derivatives, as well as mixtures and combinations thereof.
  • inorganic dispersing agent and / or binder preferably a SiO 2 -containing dispersing and / or binding agent, in particular IIIit, silicic acid, water glass, silica gel or sol, Si-organic compounds, pyrogenic silicic acid Derivatives, as well as mixtures and combinations thereof.
  • a shaped body of sintered alumino-silicate material in particular a roll or crucible, comprising a ceramic protective layer formed at least in regions on the surface of the shaped body, e.g. a silicon nitride protective layer with a layer thickness of at least 20 ⁇ , preferably at least 50 ⁇ , in particular 50 to 1500 ⁇ , e.g. 500 to 1000 ⁇ .
  • the molding is in particular producible by the method according to the invention.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus aluminosilikatischen Werkstoffen vorgeschlagen, welches mittels einer Suspension, umfassend oder bestehend aus keramischen Partikeln, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid-Partikeln, Bornitrid-Partikeln, Aluminiumtitanat- Partikeln sowie Mischungen und Kombinationen, Dispergiermittel/- Verflüssigungsmittel, Bindemittel, Plastifizierungsmittel und Wasser, die einen pH-Wert im Bereich von 7 bis 14 aufweist, durchgeführt wird. Hierbei wird die Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers zumindest einmalig und zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt, wodurch eine keramische Schutzschicht entsteht. Folglich werden Formkörper aus aluminosilikatischen Werkstoffen bereitgestellt, die eine Keramikschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 20 μιη aufweisen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.

Description

Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus alumino-silikatischen Werkstoffen und beschichteter Formkörper aus alumino-silikatischen Werkstoffen
Es wird ein Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus alumino- silikatischen Werkstoffen vorgeschlagen, welches mittels einer Suspension, umfassend oder bestehend aus keramischen Partikeln, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid-Partikeln, Bornitrid-Partikeln, Alumini- umtitanat-Partikeln sowie Mischungen und Kombinationen Dispergiermittel/- Verflüssigungsmittel, Bindemittel, Plastifizierungsmittel und Wasser und einen pH-Wert im Bereich von 7 bis 14 aufweist durchgeführt wird. Hierbei wird die Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers zumindest einmalig und zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt, wodurch eine keramische Schutzschicht entsteht. Folglich werden Formkörper aus alumino- silikatischen Werkstoffen bereitgestellt, die eine Keramikschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 700 μιη aufweisen und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind.
Aus der Literatur (A. Zeichner, Dissertation, http://publications.rwth- aachen.de/record/444970/files/5166.pdf, abgerufen am 15. Februar 2017) sind Beschichtungsverfahren auf alumino-silikatischen Werkstoffen bekannt, welches auf dem Einsatz von Bornitrid (BN) bzw. Aluminiumtitanat (AI2Ti05) beruht. Beide Materialien sind bekanntermaßen schmelzabweisend gegenüber Leichtmetallen wie Aluminium bzw. Magnesium und einigen Buntmetal- len wie Zink und Kupfer.
Nachteil einer derartigen Beschichtung besteht im starken Abweichen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) (BN, TAK=2,2-3,2; Aluminiumtitanat, TAK=0,5-2), so dass die Beschichtungen bereits bei der Herstellung und im Einsatz abplatzen bzw. eine geringe Abrasionsbeständigkeit besitzen.
Außerdem besitzen beide Materialien eine extrem geringe Festigkeit, was ebenfalls zu einer geringen Standzeit im Einsatz wegen mangelhafter Verschleißfestigkeit führt. Ausgehend von diesem Stand der Technik war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung von Formkörpern aus alumino-silikatischen Werkstoffen und einen verbesserten Formkörper aus alumino-silikatischen Werkstoffen bereitzustellen. Die Aufgabe wird das Verfahren zum zumindest bereichsweisen Aufbringen einer Siliciumnitridschutzschicht auf Formkörpern aus alumino-silikatischen Werkstoffen gemäß Anspruch 1 und dem Formkörper aus gesintertem alumino-silikatischen Werkstoffen gemäß Anspruch 23 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungsformen dargestellt.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum zumindest bereichsweisen Aufbringen einer Keramikschutzschicht auf Formkörpern aus alumino- silikatischen Werkstoffen, bei dem eine Suspension zur Beschichtung von Formkörpern aus alumino-silikatischen Werkstoffen enthaltend oder beste- hend aus a) keramische Partikel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid-Partikel, Bornitrid-Partikel, Aluminiumtitanat-Partikel sowie Mischungen und Kombinationen hiervon,
b) mindestens ein organisches (pseudokationisches oder kationisches) Dis- pergier-/Verflüssigungsmittel, und/oder mindestens ein basisches anionisches Dispergier-/Verflüssigungsmittel
c) mindestens ein organisches Bindemittel
d) mindestens ein Plastifizierungsmittel
e) ad 100 Gew.-% Wasser,
wobei der pH-Wert der Suspension zwischen 7 und 14 liegt, auf die Oberfläche des Formkörpers zumindest einmalig zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt wird.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren mit Siliciumnitridpartikeln durchgeführt, so dass eine Siliciumnitridschutzschicht auf dem alumino-silikatischen Werkstoff gebildet wird.
Der pH-Wert der Suspension in dem Bereich pH 7-14 ist dafür verantwortlich, dass es beim Auftragen der Suspension auf die Oberfläche eines Formkörpers aus alumino-silikatischen Werkstoffen zu einer sehr guten Anbindung der Moleküle des organischen kationischen bzw. pseudokationischen und/oder anionischen basischen Dispergier-/Verflüssigungsmittels an der „sauren" Oberfläche des alumino-silikatischen Werkstoffs als auch an der Oberfläche der keramischen Partikel, insbesondere der Si3N4-Partikel kommt. Folglich wird eine gute Benetzung der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche durch die Suspension der keramischen Partikel, insbesondere der Si3N4- Suspension erzielt.
Siliziumnitrid hat exakt den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK=4,5 ppmK-1) wie aluminosilikatische Werkstoffe (TAK=4,5ppm K-l) und ist von der Natur seiner hohen Bindungskräfte her ein Hartstoff. Bei der Be- schichtung mit einem Material, das im Wesentlichen aus Siliziumnitrid be- steht, entstehen keine Thermospannungen bei der Herstellung und/oder dem Einsatz und keine Beschädigung der Beschichtung und keine Reduzierung der Lebensdauer. Ferner führt die Verwendung des Hartstoffes Siliziumnitrid zu einer Lebensdauerverlängerung der Rolle insgesamt durch Reduzierung der Abrasionseinwirkung durch entsprechendes Transportgut. Hierbei kommt insbesondere die erhöhte Festigkeit des Siliziumnitrids zum Tragen.
Bevorzugt weist die Suspension einen pH-Wert zwischen 7,5 und 12, insbesondere zwischen 8 und 11 auf, da in diesem Bereich der oben beschriebene Bindungseffekt d.h. die Adhäsion der Suspensionsbestandteile an der Oberfläche des Formkörpers verstärkt auftritt.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Suspension hat darüber hinaus den Vorteil, dass eine tief gehende Infiltration der Suspension in den porösen alumino- silikatischen Werkstoff (> 700 μιη Infiltrationstiefe) und dadurch eine großflächige chemisch/physikalische Bindung der Bestandteile der Suspension mit dem alumino-silikatischen Werkstoff ermöglicht wird. Hieraus ergibt sich eine hohe Haftung der Bestandteile an der Oberfläche des alumino-silikatischen Werkstoffs, was nach thermischer Behandlung des alumino-silikatischen Werkstoffs zu einer hohen Haftung der resultierenden Schutzschicht führt. Ferner werden die Poren des alumino-silikatischen Werkstoffs mit keramischen Partikeln, insbesondere Si3N4-Teilchen verschlossen, wodurch eine glatte, nicht-pulvrige Oberfläche bzw. Schutzschicht entsteht.
Die erfindungsgemäß verwendete Suspension kann so stark in den Formkörper eindringen, dass die entstehende Gesamtschicht im alumino-silikatischen Werkstoff eine Tiefe von mindestens 700 μιη aufweisen kann. Durch die enorme Tiefe und durch eine Konzentrationsverschiebung in diesem Bereich wird die Diffusion von Teilchen des alumino-silikatischen Werkstoffs durch die Schicht gehemmt. Falls der beschichtete Formkörper aus alumino-silikatischen Werkstoffen als Tiegel zur Aufnahme von flüssigem oder kristallinem Metallen wie z.B. Aluminium, Magnesium, Zink, etc. verwendet wird, wird somit einer Kontamination der Schmelze mit Verunreinigungen des alumino-silikatischen Werkstoffs entgegengewirkt. Die keramischen Partikel, wie z.B. die Siliciumnitrid-Partikel können zu 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt zu 15,0 bis 35,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension enthalten sein. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen die keramischen Partikel, insbesondere die Siliciumnitrid-Partikel
a) eine mittlere Teilchengrößenverteilung di0 von 0,20 bis 0,40 μιη, d50 von 0,50 bis 1,49 μιη, bevorzugt von 0,50 bis 0,90 μιη und/oder d90 von 1,10 bis 3,90 μιη, bevorzugt von 1,50 bis 2,50 μιη auf, bestimmt nach dem La- serbe ugungsverfahren gemäß ASTM B 822-10, und/oder
b) eine spezifische Oberfläche von 4,67 bis 15,00 m2/g, bevorzugt von 8 bis 13 m2/g auf, bestimmt nach dem Gasadsorptionsverfahren gemäß ASTM D 3663-03. Das Verflüssigungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus basischen anionischen Dispergiermitteln sowie aus nichtschäumenden, alkalifreien pseudokationischen/ kationischen Dispergier-/Verflüssigungsmitteln insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Amino- alkoholen. Ein besonders bevorzugtes Verflüssigungsmittel ist 2-Amino-2- methylpropanol.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform ist das mindestens ein organisches (kationisches oder pseudokationisches) Dispergier-/ Verflüssigungsmittel und/oder das mindestens ein anionisches basisches Dispergier- /Verflüssigungsmittel zu 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 2 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 0,16 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, in der Suspension enthalten.
Das mindestens eine in der Suspension enthaltene mindestens organische Bindemittel bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus in Wasser löslichen oder in Wasser dispergierbaren hydrophilen Polymeren, insbesondere Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polybutylenglycole, Polyvinylalko- hole, Polyvinylbutyrale, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylacetate sowie partiell oder vollverseifte Polyvinylacetate, insbesondere PVA M145000 vollhydrolysiert (vollhydrolysierter Polyvinylalkohol mit gewichtsgemitteltem
Molekulargewicht Mw = 14.500 g/mol). Das mindestens eine organische Bindemittel kann zu 0,01 bis 20 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 1,0 bis 3,4 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten sein.
Das Plastifizierungsmittel stellt dabei insbesondere einen mehrwertigen Alkohol dar, insbesondere Propantriol. Bevorzugt ist das Plastifizierungsmittel in einer Menge von 0,1 bis 6,0 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten.
Ferner ist bevorzugt, dass die Suspension eine dynamische Viskosität von 20 bis 50 mPa's aufweist, bestimmt mit einem Rotationsviskosimeter mit einer Tauchmesseinrichtung gemäß DIN 53019:2008-09. Eine Viskosität in diesem Bereich wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Eindringtiefe der Suspension in ein alumino-silikatischen Werkstoffen aus.
Weiter bevorzugt ist der alumino-silikatische Formkörper porös und weist vorzugsweise eine Porosität von mindestens 15 %, bevorzugt 20 bis 35 %, besonders bevorzugt von 25 bis 30 % aufweist und/oder nach der thermischen Behandlung einen mittleren Porendurchmesser von ,50 bis 2,0 μιη, bevorzugt
1,0 bis 1,5 μιη, insbesondere 1,00 bis 1,25 μιη, auf.
Während der Aufbringung der Suspension auf den Formkörper aus alumino- silikatischen Werkstoffen, welcher sich bevorzugt im Grünzustand befindet, kommt es bevorzugt zu einer Neutralisierung der Silanol-Gruppen des alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche durch Moleküle des basischen Dis- pergier-/ Verflüssigungsmittels, was zur eine Entstehung einer monomolekularen Schicht aus organischen Molekülen des basischen Dispergiermittels an der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche, die auch modifiziert sein kann, führt. Infolge einer Bildung von zahlreichen Wasserstoff-Brücken und höheren
Affinität zwischen bereits durch basische Dispergier-/ Verflüssigungsmittel modifizierten Si3N4 Partikeln und ggf. modifizierter alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche findet danach eine gute Haftung des hergestellten Be- schichtung zu der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche bzw. in den Po- ren statt. In der thermischen Behandlung, bevorzugt ein Brennvorgang unter oxidieren- den Bedingungen, wird eine dauerhafte chemische Adhäsion zwischen der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche und der Beschichtung erzeugt. Während dieses Schrittes entstehen insbesondere bei der Verwendung von Siliciumnitridpartikeln Si-O-Si Bindungen infolge einer chemischen Polykon- densationsreaktion zwischen reaktionsfähigen Silanol-Gruppen des alumino- silikatischen Werkstoffs und des Si3N4-Pulvers unter Abspaltung von Wasser. Dies bewirkt eine kovalente chemische Verbindung der Si3N4-Beschichtung mit der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche, so dass sich eine gute Ab- riebfestigkeit der Beschichtung ergibt.
Bei der Verwendung von Bornitrid bzw. Aluminiumtitanat in partikulärer Form kommt es zu einer An- bzw. Einlagerung der Partikel an bzw. in die mit der Suspension beschichtete Werkstoffoberfläche. Bei der thermischen Behand- lung erfolgt somit eine mechanische Verbindung der erzeugten keramischen
Schutzschicht mit der Werkstoffoberfläche, die sich durch hohe mechanische Festigkeit auszeichnet.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Oberfläche der Be- Schichtung ist glatt und weist eine geringe Benetzbarkeit gegenüber Leicht- und Buntmetallschmelzen auf. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Kontak- tierung der Tiegeloberfläche mit flüssigem oder kristallinem Silizium. Zudem hat das Verfahren den Vorteil, dass es einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Der alumino-silikatische Werkstoff des in dem Verfahren eingesetzten Formkörpers kann porös sein und vorzugsweise eine Porosität von mindestens 8 %, bevorzugt 8 bis 25 %, besonders bevorzugt von 10 bis 15 % aufweisen. Weiterhin bevorzugt ist, dass der alumino-silikatische Werkstoff nach der thermi- sehen Behandlung einen mittleren Porendurchmesser von 0,05 bis 0,8 μιη, bevorzugt 0,1 bis 0,4 μιη, insbesondere 0,15 bis 0,25 μιη, aufweist.
Die Suspension kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens 25 μιη, bevorzugt mindestens 500 μιη, bevorzugt 700 bis 1000 μιη in den Formkörper infiltriert werden. Besonders bevorzugt ist der Formkörper aus dem alumino-silikatischen Werkstoff ein Grünkörper. Als Grünkörper wird erfindungsgemäß ein ungebrannter Rohling verstanden. Hierbei ist erstens vorteilhaft, dass durch die Verwendung eines Grünkörpers höhere Infiltrationstiefen der Suspension in den Formkörper möglich werden. Zweitens hat die Beschichtung eines Grünkörpers anstatt eines gebrannten Formkörpers den Vorteil, dass in nur einem Arbeitsschritt Grünkörper und Beschichtung gebrannt werden können (ökonomischer Vorteil). Drittens werden durch den gemeinsamen Brennprozess von Grünkörper und Beschichtung die Poren des Grünkörpers im Bereich der Beschichtung besser geschlossen und dadurch die keramischen Partikel, insbesondere die Si3N4-Partikel innerhalb des alumino-silikatischen Werkstoffs d.h. unterhalb der Oberfläche des alumino-silikatischen Werkstoffs fest verankert. Die thermische Behandlung kann bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C, bevorzugt von 1100 bis 1200 °C und/oder über einen Zeitraum von 2 bis 5 h, bevorzugt von 3 bis 4 h, durchgeführt werden.
Die thermische Behandlung kann ferner unter oxidativen Bedingungen durch- geführt werden, was eine Oxidation der obersten keramischen Schutzschicht, z.B. der Si3N4-Schicht der Beschichtung auf dem Formkörper bewirkt. Diese oxidierte Schicht schützt wiederum die darunter liegenden Schichten vor weiterer Oxidation, so dass die volle Trennfunktion der Beschichtung erhalten bleibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine reine keramische Schutzschicht, insbesondere eine Si3N4-Schicht an der inneren Oberfläche des
Formkörpers verbleibt.
Zusammenfassend werden die keramischen Partikel, z.B. die Siliziumnitrid- Partikel der Suspension fest und chemisch-kovalent und/oder mechanisch in bzw. an der alumino-silikatischen Werkstoffoberfläche verankert. Als Folge entsteht aus der auf den Körper aus alumino-silikatischen Werkstoff aufgetragenen Suspension nach der thermischen Behandlung eine gut haftende, nichtpulvrige und berührungsfeste Schicht auf dem Körper aus alumino- silikatischem Werkstoff. Der Auftrag der Suspension auf den Formkörper kann mittels Streichen, Sprühen, Spritzen, Tauchen des Formkörpers in die Suspension und/oder durch elektrostatischen Auftrag erfolgen. Die Suspension kann auch mit einer speziell ausgestatteten Sprühvorrichtung aufgetragen werden, mit welcher eine Kontamination der Suspension mit Metallen verhindert wird. Das Eindringen der Beschichtung in die Poren kann durch ein sprühnebelerzeugendes Verfahren in Nass/Nass-Technik unterstützt werden, wodurch die Infiltrationstiefe der Suspension in den Formkörper weiter gesteigert werden kann. Nach Auftrag der Suspension und vor der thermischen Behandlung erfolgt bevorzugt eine Trocknung des Formkörpers, vorzugsweise bei Temperaturen von 20 °C bis 150 °C und insbesondere bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60 %. Weiterhin ist bevorzugt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine geschlossene keramische Schutzschicht, z.B. eine Siliciumnitridschutzschicht auf der Substratoberfläche von mindestens 20, bevorzugt mindestens 50 μιη, insbesondere 50 bis 1500 μιη, z.B. 500 bis 1000 μιη Schichtdicke erzeugt wird. Der alumino-silikatische Werkstoff beinhaltet bevorzugt Mullit und/oder ein mullitisch gebundener Werkstoff und kann z.B. eine Restglasphase und Restkorund aufweisen. Mullit ist ein Mineral aus der Mineralklasse der Silikate, genauer ein Inselsilikat mit tetraederfremden Anionen. Es kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der chemischen Formel AI2Al2+2xSi2-2xOio- x mit x = Sauerstoff leersteilen pro Elementarzelle und entwickelt meist kleine, prismatische, oft faserige Kristalle in weißer, gelber, roter oder violetter Farbe. Auch farblose Mullit-Kristalle sind bekannt. Der alumino-silikatische Werkstoff beinhaltet bevorzugt 10-50 Gew.-%, bevorzugt 20-35 Gew.-% Mullit. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Formkörper ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Transportrollen für Behandlungsöfen, Schmelztiegeln, Ofenauskleidung und Chargingestelle.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante wird das Verfahren derart ausge- führt, dass das zumindest bereichsweisen Aufbringen mehrstufig durchgeführt wird, wobei zunächst eine Grundbeschichtung und hierauf mindestens eine weitere Deckschicht auf dem Formkörper aufgebracht wird. Die einzelnen Lagen bzw. die Deckschicht können nach dem jeweiligen Auftrag thermisch behandelt werden oder abschließend gemeinsam in einem sog. co-firing thermisch behandelt werden.
Hierbei ist es möglich, dass die Grundbeschichtung ähnlich der keramischen Beschichtung, z.B. der Siliciumnitrid-Beschichtung als Suspension oder Lösung auf den Formkörper aufgebracht wird und die keramische Partikel, z.B. Siliciumnitrid-enthaltende Suspension nass in nass auf die Grundbeschichtung aufgetragen wird. Abschließend kann die Beschichtung, die in diesem Fall dann die Grundbeschichtung und die eigentliche keramische Beschichtung, z.B. die Siliciumnitrid-Beschichtung umfasst, durch simultane mindestens einmalige thermische Behandlung hergestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, zunächst die Grundbeschichtung zu applizieren
(z.B. durch Auftrag einer entsprechenden Suspension, aus der die Grundbeschichtung hergestellt werden kann) und diese zunächst thermisch zu behandeln. Auf diese thermisch behandelte Grundbeschichtung kann dann in einem weiteren Schritt die keramische Beschichtung, z.B. die Siliciumnitrid- beschichtung auf die im Voranstehenden beschriebene Art und Weise aufgetragen werden.
Als Material zum Auftrag der Grundbeschichtung eignen sich insbesondere Suspensionen anorganischer Materialien, aus denen sich bei thermischer Be- handlung keramische Materialien erzeugen lassen.
Bei Applikation einer Grundbeschichtung ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Zusammensetzung und die Körnungen der Grundbeschichtung so abgestimmt werden kann, dass diese einerseits chemisch auf dem alumino- silikatischen Werkstoff anbindefähig ist, andererseits die Grundporösität des alumino-silikatischen Werkstoff verschliesst und zusätzlich zu einer Einebnung von Unebenheiten auf der Oberfläche des alumino-silikatischen Werkstoff führt. Vorzugsweise wird das Material der Grundbeschichtung hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizients auf den alumino-silikatischen Werkstoff und die abschließende keramische Beschichtung, z.B. die
Siliciumnitrid-Schicht angepasst. Besonders bevorzugt ist das Material der Grundbeschichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kieselsäure, Kiesel-Sol oder einer Mischung aus Kieselsäure und Kiesel-Sol; Alumino-Sol, Böhmit oder einer Mischung aus Alumino-Sol und Böhmit.
Bei allen zuvor vorgestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die thermische Behandlung als ein- oder mehrstufiger Temper- Prozess durchgeführt werden.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Suspension kann zusätzlich mindestens ein anorganisches Dispergier- und/oder Bindemittel beinhalten, vorzugsweise ein Si02-haltiges Dispergier- und/oder Bindemittel, insbesondere lllit, Kieselsäure, Wasserglas, Kieselgel bzw. -sol, Si-organische Verbindungen, pyogene Kiselsäure-Derivate, sowie Mischungen und Kombinationen hiervon.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Formkörper aus gesintertem alumino- silikatischen Werkstoff bereitgestellt, insbesondere eine Rolle oder ein Schmelztiegel, umfassend eine zumindest bereichsweise auf der Oberfläche des Formkörpers ausgebildete keramische Schutzschicht, z.B. eine Siliciumnitridschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 20μιη, bevorzugt mindestens 50 μιη, insbesondere 50 bis 1500 μιη, z.B. 500 bis 1000 μιη. Der Formkörper ist insbesondere herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum zumindest bereichsweisen Aufbringen einer Keramikschutzschicht auf Formkörpern aus alumino-silikatischen Werkstoffen, bei dem eine Suspension enthaltend oder bestehend aus
a) keramische Partikel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid-Partikel, Bornitrid-Partikel, Aluminiumtitanat- Partikel sowie Mischungen und Kombinationen hiervon, b) mindestens ein organisches kationisches oder pseudokationisches Dispergier- und Verflüssigungsmittel, und/oder mindestens ein anionisches basisches Dispergier- und Verflüssigungsmittel, c) mindestens ein organisches Bindemittel,
d) mindestens ein Plastifizierungsmittel,
e) ad 100 Gew.- % Wasser,
wobei der pH-Wert der Suspension zwischen 7 und 14 liegt, auf die Oberfläche des Formkörpers zumindest einmalig zumindest bereichsweise aufgetragen und der Formkörper anschließend mindestens einmal thermisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pH- Wert der Suspension zwischen 7,5 und 12, bevorzugt zwischen 8 und 11 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel zu 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt von 15,0 bis 35,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension enthalten sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel a) eine mittlere Teilchengrößenverteilung di0von 0,20 bis 0,40 μιη, d50 von 0,50 bis 1,49 μιη, bevorzugt von 0,50 bis 0,90 μιη und/oder d90 von 1,10 bis 3,90 μιη, bevorzugt von 1,50 bis 2,50 μιη aufweisen, bestimmt nach dem Laserbeugungsverfahren gemäß ASTM B 822-10, und/oder
b) eine spezifische Oberfläche von 4,67 bis 15,00 m2/g, bevorzugt von 8 bis 13 m2/g, bestimmt nach dem Gasadsorptionsverfahren gemäß ASTM D 3663-03, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindesten eine organische kationisches oder pseudokationische Dispergier- und Verflüssigungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aminoalkoholen, bevorzugt 2-Amino-2- methylpropanol, basischen anionischen Dispergiermittel- und Verflüssigungsmittel sowie Mischungen oder Kombinationen hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein organisches (kationisches oder pseudokationisches) Dispergier- und Verflüssigungsmittel und/oder das mindestens ein anionisches basisches Dispergier- und Verflüssigungsmittel zu 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 2 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 0,16 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein organische Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus in wasserlöslichen oder in Wasser dispergierbaren hydrophilen Polymeren, insbesondere Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Polybutylenglycole, Polyviny- lalkohole, Polyvinylbutyrale, Polyvinylpyrrolidone, Polyvinylacetate sowie partiell oder vollverseifte Polyvinylacetate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein organisches Bindemittel zu 0,01 bis 20 Gew.-%, bevorzugt zu 0,1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt zu 1,0 bis 3,4 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension enthalten ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens ein Plastifizierungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus mehrwertigen Alkoholen, insbesondere Propantriol und/oder bevorzugt in einer Menge von 0,1 bis 6,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Suspension, enthalten ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension eine dynamische Viskosität von 20 bis 50 mPa's, bestimmt mit einem Rotationsviskosimeter mit einer Tauchmesseinrichtung gemäß DIN 53019:2008-09, aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der alumino-silikatische Formkörper porös ist und vorzugsweise eine Porosität von mindestens 15 %, bevorzugt 20 bis 35 %, besonders bevorzugt von 25 bis 30 % aufweist und/oder nach der thermischen Behandlung einen mittleren Porendurchmesser von 0,50 bis 2,0 μιη, bevorzugt 1,0 bis 1,5 μιη, insbesondere 1,00 bis 1,25 μιη, aufweist.
12. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mindestens 25 μιη , bevorzugt mindestens 500 μιη, besonders bevorzugt 700 bis 1000 μιη in den Formkörper infiltriert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper aus Alumino-silikatischem Werkstoff ein Grünkörper ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei Temperaturen von 1000 bis 1300 °C, bevorzugt von 1100 bis 1200 °C und/oder über einen Zeitraum von 2 bis 5 h, bevorzugt von 3 bis 4 h, durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag der Suspension mittels Streichen, Sprühen, Spritzen, Tauchen des Formkörpers in die Suspension und/oder durch elektrostatischen Auftrag erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auftrag der Suspension und vor der thermischen Behandlung eine Trocknung des Formkörpers erfolgt, vorzugsweise bei Temperaturen von 20 °C bis 150 °C und insbesondere bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60 %.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geschlossene Keramikschutzschicht auf der Substratoberfläche von mindestens 20 μιη, bevorzugt mindestens 50 μιη, insbesondere 50 bis 1500 μιη Schichtdicke erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alumino-silikatische Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mullit, mullitisch gebundenen Werkstoffen, amorpher Restglasphase und Restkorund.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Transportrollen für Behandlungsöfen, Schmelztiegeln, Ofenauskleidung und Charginggestelle.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem Formkörper aus dem alumino- silikatischen Werkstoff direkt nach der thermischen Behandlung einer mechanischen Oberflächenvergütung unterzogen wird.
21. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
die mechanische Oberflächenvergütung ein Schleifen und/oder Polieren mit Hartbearbeitungswerkzeugen, insbesondere diamantbesetzten Schleifscheiben und/oder
mit oder ohne Schleifhilfsmittel, insbesondere Schleifpasten durchgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest bereichsweise Aufbringen mehrstufig durchgeführt wird, wobei zunächst eine Grundbeschichtung und hierauf mindestens eine weitere Deckschicht auf dem Formkörper aufgebracht wird.
23. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundbeschichtung aus
Kieselsäure, Kiesel-Sol oder einer Mischung aus Kieselsäure und Kiesel- Sol,
Alumino-Sol, Böhmit oder einer Mischung aus Alumino-Sol und Böhmit gebildet wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass thermische Behandlung als ein- oder mehrstufiger Temper-Prozess durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension zusätzlich mindestens ein anorganisches Dispergier- und/oder Bindemittel beinhaltet, vorzugsweise ein Si02-haltiges Dispergier- und/oder Bindemittel, insbesondere lllit, Kieselsäure, Wasserglas, Kieselgel oder -sol, Si-organische Verbindungen, pyogene Kiselsäure-Derivate, sowie Mischungen und Kombinationen hiervon.
26. Formkörper aus gesintertem alumino-silikatischen Werkstoff, insbesondere eine Rolle, z.B. eine Transportrolle für Behandlungsöfen oder ein Schmelztiegel , umfassend eine zumindest bereichsweise auf der Oberfläche des Formkörpers ausgebildete Keramikschutzschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 20 μιη, bevorzugt mindestens 50 μιη, insbesondere 50 bis 1500 μιη, herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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