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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Beschlags,
eines Seitengitters oder eines Gargutträgers nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein metallisches Bauteil für den Einsatz
im Hochtemperaturbereich, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Beim
Einsatz von Bauteilen, insbesondere Auszugsführungen, in
Backöfen besteht das Problem der Schmierung beweglicher
Bauteile. Fette und Öle sind bei Öfen im Pyrolysebetrieb
bei 500°C ungeeignet. Somit wird hier der Einsatz von Festschmierstoffen
nötig. Dazu gehören unter anderem Graphit, Molybdändisulfid, Polytetrafluorethylen
und hexagonales Bornitrid.
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Die
Auftragsweise dieser Festschmierstoffe sollte dabei möglichst
gleichmäßig erfolgen. Durch häufiges
Betätigen der Auszüge und Gleitmechanismen kann
ein Abtragen der Festschmiermittel nicht vollständig verhindert
werden. Bekannt sind bereits materialsparende Auftragsweisen, bei
welchen die Festschmiermittelverbindung in pastöser oder
gelöster Form oder als Gleitlack aufgetragen wird. Da die
Festschmiermittel jedoch nur oberflächlich auf ein Bauteil
aufgetragen werden, kommt es derzeit bei Berührung mit
dem Bauteil oft zur Verschmutzung der Hände und der Kleidung.
Um dem Abtragen der Festschmierstoffe entgegenzuwirken wurden diese
gezielt auf Gleitflächen der entsprechenden Bauteile aufgebracht,
während andere Bereiche der Bauteile den korrodierenden
Backofenbedingungen ausgesetzt waren.
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Die
vorliegende Erfindung setzt daher, ausgehend von den bisherigen
Methoden der Auftragung von Festschmierstoffen bei der Aufgabe an,
ein Bauteil mit einem Überzug zu schaffen, welcher einen
geringeren Abrieb der Schmierstoffe gewährleistet und zudem
korrosionsbeständig und für Hochtemperaturanwendungen geeignet
ist.
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Die
vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren
und ein metallisches Bauteil durch die Merkmale der Kennzeichen
der Ansprüche 1 und 10.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Beschlages, eines Seitengitters
oder eines Gargutträgers für Hochtemperaturanwendungen
beinhaltet zwei aufeinanderfolgende Produktionsschritte. In einem
ersten Schritt wird ein metallisches Rohteil hergestellt oder geformt
und in einem anschließenden zweiten Schritt wird ein metallischer Überzug
auf das Rohteil aufgebracht. In diesen metallischen Überzug
ist zumindest ein Festschmierstoff eingearbeitet.
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Durch
direkte Einlagerung des Festschmierstoffes in die Metallschicht
des metallischen Überzuges ergeben sich zwei hauptsächliche
Vorteile.
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Festschmierstoffe
verfügen überwiegend über einen schichtartigen
Aufbau. Ihre tribologisch-vorteilhaften Eigenschaften lassen sich
auf eine Verschiebung der übereinandergelagerten Schichten
erklären. Dadurch kommt es bei längerem Gebrauch
zu einem gleitenden Verschleiß der Schmierstoffschicht.
Metallschichten werden bei Reibung sowohl abgetragen als auch zueinander
verschoben. Baut man jedoch die weichen Festschmierstoffe in Metallschichten
ein, so können Materialfaktoren wie Vickershärte
und Reibungskoeffizient derart optimiert werden, dass ein deutlich
geringerer Abrieb des Beschichtungsmaterials erfolgt. Dieser geringere Abrieb
drückt sich in Abriebsfaktoren aus, welche vierfach bis
fünffach geringer sind, als bei reinen Metallüberzügen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass der Festschmierstoff nicht durch mechanische
Reinigung, von der Gleitfläche abgetragen werden kann,
sondern fest mit der Metalloberfläche verbunden ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Herstellung bleibt zudem
der metallische Glanz der Oberfläche auch nach der Beschichtung
des Rohteils mit dem metallischen Überzug erhalten. Die
Oberfläche kann durch Aufbringen mehrerer Metallarten zusätzlich
oberflächenveredelt werden.
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Da
das Aufbringen des metallischen Überzuges sowohl teilweise
aber auch vollständig über die gesamte Oberfläche
des Rohteils erfolgen kann, ist ein Korrosionsschutz durch den Metallischen Überzug
ermöglicht. Von daher ist es nicht mehr zwingend notwendig,
wie bisher, das Rohteil aus Edelstahl zu formen, was kosten- und
energieintensiv ist.
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Bei
dem Verfahren ist es vorteilhaft, wenn der Festschmierstoff als
Bornitrid beim Aufbringen des metallischen Überzuges in
die Metallstruktur eingelagert wird. Die hervorragenden tribologischen
Eigenschaften des Bornitrids werden dabei durch den Einbau in den
metallischen Überzug zusätzlich ergänzt.
Hexagonales Bornitrid behält auch bei über 600°C
seine tribologischen Eigenschaften weitestgehend und eignet sich
daher besonders als Schmiermittel für den Einsatz in Backöfen
und dergleichen mit Pyrolysebetrieb. Es ist zudem äußerst
druckbelastbar, wobei der Reibungskoeffizient bei Druckbelastung
noch zusätzlich abnimmt, was einer thixotropen Wirkungsweise
entspricht. Durch den Einbau von Bornitrid in eine Metallstruktur
kann daher eine harte, jedoch gleitfähige Schicht auf der
Oberfläche des Rohteils erzeugt werden.
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Je
nach Art des metallischen Überzuges und des metallischen
Rohteils kann dieser Überzug bereits auf vorteilhaft Weise
erreicht werden, indem ein metallisches Rohteil in eine Lösung
mit gelösten Metallionen taucht. Dies erfolgt beispielsweise
bei der Zementation von Kupfer an Eisenbeschlägen.
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Um
einen besonders fest anhaftenden metallischen Überzug zu
erreichen, kann ein vorteilhaftes Aufbringung eines metallischen Überzuges
mittels elektrochemischer Abscheidung durch einen galvanischen Prozess
erfolgen.
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In
einem vorteilhaften Verfahren kann eine Vernickelung des metallischen
Rohteils unter Einbau von Festschmierstoffen erfolgen. Bei der Vernickelung
wird ein großer Anteil des zugeführten Stromes
für die Abscheidung des Nickels auf dem metallischen Rohteil
genutzt. Deshalb ist ein Vernickelungsprozess sehr energiesparend
im Vergleich zu anderen galvanischen Prozessen. Die Nickelbeschichtung
ist zudem chemisch resistent gegenüber verdünnten
Säuren und einem Großteil von Laugen, wie sie
in aggressiven chemischen Reinigungsmitteln genutzt werden. Zudem
ist Nickel nicht korrodierbar und beständig gegenüber
Wasser und Luft.
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Es
ist von Vorteil, wenn das metallische Rohteil nach der Beschichtung
mit einem metallischen Überzug einen Temperungsprozess
durchläuft, bei welchem ein zusätzliches Aushärten
des Überzuges erfolgt. Größere Fehlordnungen
im Metallgitter werden dabei beseitigt und die eingelagerten Festschmierstoffe
werden fester in die Metallstruktur integriert. Dabei sollte der
Aufheizprozess langsam durch einen Temperaturgradienten gesteuert
werden. Ebenso sollte die Abkühlung durch einen Gradienten
geregelt werden, um Fehlordnungen aufgrund von unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Einzelkomponenten zu
vermeiden.
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Vorzugsweise
wird der Temperungsprozess zwischen 300 bis 700°C, vorzugsweise
400–600°C betrieben. In diesem Bereich sind höhere
Härtegrade der Metallüberzüge mit Festschmierstoffinhalten
zu erreichen, als dies bei vergleichbaren ungetemperten Metallüberzügen
der Fall ist.
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Um
eine möglichst gleichmäßige Abscheidung
auf der Oberfläche des Rohteils zu erhalten, ist es von Vorteil
das Rohteil vor dem Auftragen des metallischen Überzuges
zu glätten.
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Zur
zusätzlichen Verminderung des Abriebindizes und der Oberflächenrauhigkeit
bei zusätzlicher Feinverteilung einiger Bornitridpartikel
an der Oberfläche des be schichteten Rohteils ist eine Nachbearbeitung nach
dem Auftragen des metallischen Überzuges durch Glättung
der Oberfläche von Vorteil.
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Zudem
wird die zuvor genannte Aufgabenstellung durch ein erfindungsgemäßes
metallisches Bauteil für den Einsatz in im Hochtemperaturbereich,
insbesondere Backöfen gelöst, welches ein geformtes
Rohteil mit einem metallischen Überzug vorsieht, welcher
zusätzlich mindestens einen Festschmierstoff enthält.
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Aufgrund
der Beschaffenheit dieses Bauteils kann es überall dort
eingesetzt werden, wo eine Reibung im Hochtemperaturbereich auftritt.
Dies betrifft in erster Linie in Geräten zur Zubereitung
von Nahrungsmitteln, kann aber auch in Geräten wie Trockenschränke,
beispielsweise zur Trocknung chemischer Präparate, Muffelöfen,
Vakuumöfen und dergleichen zum Einsatz kommen, wo Auszugsführungen
oder andere Beschläge genutzt werden.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn der metallische Überzug Bornitrid
enthält. Bornitrid weist dabei hervorragende tribologische
Eigenschaften auf, ist zudem in Bereichen von über 300°C
einsetzbar und kann daher zusammen mit dem metallischen Bauteil
einem Temperungsverfahren zur Erhöhung der Beschichtungshärte unterzogen
werden.
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Ein
weiterer vorteilhafter Festschmierstoff, welcher in oder an dem
Metallischen Überzug des Bauteils vorliegt, ist Polytetrafluorethylen.
Dieser Festschmierstoff zeichnet sich durch seine hohe Verfügbarkeit
und seine geringe Einzelpartikelgröße aus. Aufgrund
dieser geringen Partikelgröße kann der Festschmierstoff
dispers in einer Elektrolytlösung gelöst werden
und anschließend feinverteilt im metallischen Überzug
eingelagert werden.
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Weitere
vorteilhafte Festschmierstoffe, welche an oder in dem metallischen Überzug
vorliegen können sind zudem Molybdänsulfid und
Graphit. Diese Festschmierstoffe haben einen maximalen Einsatzbereich
von 350°C beziehungsweise 450°C und können
in diesen Temperaturbereichen bei Backöfen als Festschmierstoffzusätze
in Überzügen eingesetzt werden.
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Durch
Verwendung einer Kobalt-Nickel Legierung als metallischen Überzug
mit den zuvor erwähnten Festschmierstoffen kann die Verschleißfestigkeit
der Beschichtung abermals erhöht werden.
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Bei
metallischen Überzügen führt ein hoher
Bornitridgehalt meist auch zu einem hohen Phosphorgehalt, welcher
in die Metallstrukturen eingelagert ist. Bei einem Temperungsprozess
kann vorteilhafterweise eine Härtung des metallischen Überzuges
durch Auslagerung von Phosphiden aus der Metallstruktur erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Sie zeigen:
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1 eine
Vorderansicht und eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Auszugsführung;
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2 eine
Explosionsdarstellung der Auszugsführung;
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3a–f mehrere Seitenansichten,
eine Vorderansicht und eine perspektivische Ansicht einer weiteren
erfindungsgemäßen Auszugsführung; und
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4 ein
schematisches Temperaturdiagramm für das Herstellen eines
beschichteten Bauteils.
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Eine
Auszugsführung 1 für Hochtemperaturanwendungen,
insbesondere für Backöfen, umfasst eine Führungsschiene 2 und
eine relativ zur Führungsschiene 2 bewegbare Laufschiene 3,
zwischen denen eine Mittelschiene 10 gelagert ist. Des
Weiteren kann die Auszugsführung 1 auch mehr als
eine Mittelschiene aufweisen. Für die verfahrbare Lagerung
der Mittelschiene 10 und der Laufschiene 3 sind
Wälzkörper 4, insbesondere aus Keramik,
vorgesehen. Dabei sind an der Führungsschiene 2,
der Mittelschiene 10 und der Laufschiene 3 jeweils
mehrere Laufbahnen 6 für die kugelförmigen
Wälzkörper 4 vorgesehen. Die Wälzkörper
sind in einem Wälzkörperkäfig angeordnet.
Weitere Bestandteile der Auszugsführung sind ein Anschlag 7,
ein Anschlag 10 mehrere Klammern 8 zur Befestigung
der Auszugsführung 1 und eine Blende 9.
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Eine
weitere Auszugsführung 1' für Hochtemperaturanwendungen
ist in 3 dargestellt und zeigt eine Führungsschiene 2' und
eine relativ zur Führungsschiene bewegbare Laufschiene 3',
die auf der Führungsschiene gelagert ist. Für
die verfahrbare Lagerung der Laufschiene 3' sind Wälzkörper 4',
insbesondere aus Keramik, vorgesehen, welche in Laufbahnen 6' geführt
werden. Weitere Bestandteile wie ein Anschlag 7', mehrere
Klammern 8' und eine Blende 9' sind analog zur
vorher beschriebenen Ausführung an der Auszugsführung
angebracht.
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Die
Schienen 1, 2, 3, 1' und 2' 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, 2, 3, 1' und 2' erfolgt
durch die folgenden Schritte:
Zunächst werden die
metallischen Rohteile durch Stanzen und Biegen eines Stahlblechs
hergestellt. Das Rohteil kann dabei maschinell gefertigt werden.
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Danach
wird eine Metallschicht galvanisch auf der Oberfläche der
Rohteile aufgebracht, wobei die Elektrolytlösung Bornitrid
oder einen anderen Festschmierstoff enthält, welches bei
der Aufbringung in die auf dem Rohteil abgeschiedene Metallschicht
eingelagert wird.
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Beim
galvanischen Prozess wird über einen Stromfluss in einem
Elektrolytbad mit zwei Metallelektroden ein Stofftransport erreicht.
Dabei bestehen die Metallelektroden aus verschiedenen Metallen.
An der Anode werden Metallionen gelöst, welche anschließend
zur Kathode wandern, wo sie sich anlagern. Befindet sich in dem
Elektrolytbad eine gewisse Konzentration an Festschmiermittel, welches
feinverteilt und dispers gelöst ist, so kann dieses während
des Abscheidens der Metallschicht an der Kathode in die Metallstruktur
eingelagert werden.
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In
die abgeschiedene Metallschicht kann bis zu einem Volumenanteil
von 29% Bornitrid eingebaut werden, wobei dies einem Bornitridgehalt
von etwa 28–33 g/l in der Elektrolytlösung entspricht.
Bornitrid ist dabei in der Elektrolytlösung dispers gelöst.
Weitere Prozessparameter sind die Stromdichte (bei 4–6
A/dm2), der pH-Wert (bei pH 2–4)
und die Elektrolyttemperatur (bei 40–60°C).
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Die
beschichteten Rohteile werden dann auf eine Temperatur von mindestens
400°C erhitzt und für eine vorbestimmte Zeitdauer
getempert, bevor sie wieder auf Raumtemperatur abgekühlt
werden.
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Die
Härte des Metallischen Überzuges, kann im Fall
einer NiBN-Schicht (Nickel-Bornitrid) drei- bis viermal härter
(bis zu 630 HV) als bei einer normalen Nickelbeschichtung sein.
Hinzu kommt ein Reibungskoeffizient von etwa 0,1 oder weniger, ein
geringerer Verschleiß als bei reinen Nickelschichten und
ein geringer Abrieb.
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Der
Abrieb wurde nach dem Taber Abraser Test gemäß bestehender
DIN-Normen durchgeführt und ergab einen Taber Wear Index
von 2,5 für eine Nickelbeschichtung mit einem Bornitridgehalt
von 29% und 3,5 für einen Bornitridgehalt von 12%, nach
drei Schleifzyklen.
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Eine
weitere Möglichkeit der Beschichtung besteht in einem autokatalytischen
chemischen Reduktionsverfahren, wobei eine phosphorhaltige NiBN-Schicht
auf der metallischen Oberfläche des Rohteils abgeschieden
wird. Hier nimmt der Phosphorgehalt mit steigendem Anteil an Bornitrid
im Nickel zu. Gleichzeitig nimmt die Schichtdicke bei gleicher Dauer
des Abscheideprozesses ab.
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Eine
weitere Möglichkeit besteht in dem galvanischen Aufbringen
eines Gemisches mehrerer Metalle, in welchem während des
Abscheidevorganges zudem Bornitridmoleküle eingebaut werden.
Dabei kann das Metallgemisch, beispielsweise ein Nickel-Kobalt Gemisch,
auch phosphorhaltig sein.
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Ein
erfindungsgemäßer phosphorhaltiger Nickel-Kobalt Überzug
besteht aus:
| – Kobalt: | Massenanteil
0,20–0,25 |
| – Phosphor: | Massenanteil
0,06–0,08 |
| – Hexagonales
Bornitrid: | Massenanteil
0,03–0,04 |
| – Nickel: | Massenanteil
0,63–0,71 |
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Die
Temperung kann nach dem in 4 aufgeführten
Temperprozess durchgeführt werden.
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In 4 ist
schematisch ein Temperaturdiagramm für das Verfahren der
Temperung von galvanisch beschichteten Beschlägen, Seitengittern
und Gargutträgern mit, im metallischen Überzug
eingelagerten, Bornitridmolekülen für Hochtemperaturanwendungen
dargestellt. Das beschichtete Rohteil wird zunächst ausgehend
von Umgebungstemperatur ϑ0 erwärmt.
Es beginnt mit einem Temperaturgradienten von 8–15 K/min,
insbesondere 10 K/min ausgehend von einer Anfangstemperatur ϑ0 von 25°C und geht dann bei einer
mittleren Temperatur von ϑ1 = 100°C
in einen Temperaturgradienten von 25 K/min über. Beim Erreichen
einer Zieltemperatur ϑ2 von 500°C
folgt ein Temperaturplateau über 30 min hinweg. Schließlich
folgt eine Abkühlungsphase mit 10–20 K/min, insbesondere
15 K/min zurück zu ϑ0.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine galvanisch-beschichtete
Auszugsführung beschrieben. Es ist natürlich auch
möglich, andere metallische Bauteile mit einer erfindungsgemäßen
Beschichtung zu versehen. Insbesondere können Gargutträger,
Seitengitter, Beschläge oder andere in Backöfen
einsetzbare Bauteile beschichtet werden.
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Weitere
Dispergenzien, welche an der Oberfläche der BN-Partikel
adsorbieren, können zusätzlich in die Metallbeschichtung
eingebracht werden, beispielsweise um eine Agglomeration der Bornitridpartikel
zu verhindern. Dies kann durch Aufladung der Partikel erfolgen,
wodurch zudem elektrostatische Wechselwirkungen mit dem Metallsubstrat
des metallischen Überzuges aufgebaut werden, welche eine
Einlagerung und Verteilung der dispersen Bornitridpartikel in der
abgeschiedenen Metallbeschichtung erleichtern.
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Ebenso
möglich ist eine Einlagerung von PTFE (Polytetrafluorethylen)
in die galvanisch aufgebrachten Metallüberzüge,
wobei hier jedoch ein entsprechender Temperschritt entfällt
und der Einsatzbereich eines derartigen beschichteten Ofen teils
nur maximal bis zu 250°C beträgt, da sonst eine
thermische Zersetzung des PTFE möglich ist.
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Grundsätzlich
kommt, durch das Aufbringen eines galvanischen oder chemischen Metallischen Überzugs
unter Einlagerung anderer Festschmierstoffe, auch eine Verwendung
von Graphit oder Molybdänsulfid in Betracht.
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Die
eingesetzten Schmierstoffe sollten darüber hinaus auch
die Hygieneanforderungen gemäß der deutschen Fassung DIN
EN ISO 21469: 2006 erfüllen.
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- 1
- Auszugsführung
- 2
- Führungsschiene
- 3
- Laufschiene
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Wälzkörperkäfig
- 6
- Laufbahn
- 7
- Anschlag
- 8
- Klammer
- 9
- Blende
- 10
- Mittelschiene
- 11
- Anschlag
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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21469: 2006 [0050]