DE1546842C - Verfahren zur Herstellung eines Überzuges - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überziehen von Gegenständen mit einer dünnen Fluorkohlenstoff-Schicht, wobei der Gegenstand zuerst mit einer porösen Zwischenschicht überzogen wird, welche dann mit einem Fluorkohlenstoff-Film imprägniert wird; die so erhaltene Oberfläche ist durch gute Abriebfestigkeit, Formbarkeit (Duktilität) und Abtrenneigenschaften gekennzeichnet und weist alle erwünschten Eigenschaften eines Fluorkohlenstoff-Filmes auf.

Ein Fluorkohlenstoff-Überzug, der auf einen geeigneten Gegenstand aufgebracht wird, besitzt auf Grund seines niedrigen Reibungskoeffizienten sehr gute Abtrenneigenschaften. Da jedoch Fluorkohlenstoff ein weiches und wachsartiges Material ist, besitzt ein nur aus diesem Material bestehender Überzug keine Abriebfestigkeit. Auf Grund dieser Tatsache war die Verwendung von Fluorkohlenstoff-Überzügen für viele Zwecke bisher nicht angezeigt. Die Hersteller fordern eine haltbare Oberfläche, die gleichzeitig als ihr eigenes Trennmittel wirkt. Die Bedeutung einer solchen Oberfläche ist sofort erkennbar, wenn man sich vor Augen führt, daß bei vielen Verarbeitungsverfahren ein ölartiges Mittel mitverwendet werden muß, um die Adhäsion des zu verarbeitenden Materials an der Oberfläche der verwendeten Vorrichtungzu verhindern. Außerdem läßt sich ein Gerät, das mit einem Fluorkohlenstoff-Überzug versehen ist, wesentlich besser reinigen als ein Gerät, dessen Oberfläche mit einem öl als Schmiermittel behandelt werden muß.

Das Aufbringen von Fluorkohlenstoffen auf andere Gegenstände erfolgt auf die z. B. für Polytetrafluoräthylen bekannte Weise. Ein Polytetrafluoräthylen in wäßriger Dispersion kann z. B. durch Sprühverfahren aufgebracht werden. Bei solchen Überzugsverfahren wird zuerst die Oberfläche des zu überziehenden Gegenstandes angerauht, worauf eine dünne Polytetrafluoräthylen-Grundschicht aufgebracht und gesintert wird; abschließend wird eine Polytetrafluoräthylen-Emailschicht aufgesprüht und ebenfalls ge■ sintert. Bei anderen Verfahren zum Aufbringen von Polytetrafluoräthylen-Überzügen wird ähnlich vorgegangen, wobei lediglich beim Vorüberzug anders gearbeitet wird. Die USA.-Patentschrift 2 944 917 beschreibt z. B. ein Überzugsverfahren, bei dem ein Gegenstand verwendet wird, der mit Oberflächen-Vertiefungen versehen ist, durch· die der abschließende Fluorkohlenstoff-Überzug besser festgehalten wird.

Aus dem Stand der Technik kann geschlossen werden, daß die bisher bekannten Polytetrafluoräthylen-Überzüge bei Kochgeräten zwar einige, jedoch nicht alle der gewünschten Eigenschaften, wie Verformbarkeit, gute Abtrenneigenschaften und Abrieb-

festigkeit, zeigen. Überzüge, die zu 100% aus Poly-" tetrafluorethylen bestehen, besitzen ausgezeichnete Abtrenneigenschaften und gute Verformbarkeit, jedoch nur eine schlechte Abriebfestigkeit. Zusammengesetzte Überzüge aus Oxyd und Polytetrafluoräthylen haben gute Abtrenneigenschaften, sehr gute Abriebfestigkeit, aber nur eine schlechte Verformbarkeit, da die kontinuierliche Oxydschicht sehr brüchig ist.

Ein besonders großes und vorteilhaftes Anwendungsgebiet für Fluorkohlenstoff-Überzüge liegt bei Kochtöpfen, Bratpfannen u. dgl. Durch eine als Trennschicht wirkende Oberfläche würde die Reinigung dieser Geräte erheblich erleichtert. Außerdem könnten die mit einem solchen Überzug versehenen Küchengeräte eine Behandlung vertragen, die bei den heute bekannten überzogenen Topfen und Pfannen nicht möglich ist, wie sich schon aus der notwendigen Verwendung von Holz- oder Kunststoffspateln bei bekannten, mit einem Überzug versehenen Topfen

. erkennen läßt. Das Reinigen von Küchengeräten ist eine mühsame Arbeit, die häufig verschiedene Scheuermittel erfordert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Gegen-Standes mit kombinierter Oberfläche, die außer den erwünschten Eigenschaften eines Fluorkohlenstoff-Filmes eine gute Verformbarkeit, gute Abtrenneigenschäften und gute Abriebfestigkeit aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Zwischenschicht eine Cermet-Zwischenschicht mit ungleichmäßiger äußerer Oberfläche aufgebracht wird. In vorteilhafter Ausführung werden als metallische Komponente der Cermet-Schicht Aluminium, Aluminiumlegierungen, rostfreier Stahl und/oder Nickel-Chrom-Legierungen und als keramische Komponente Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd und/oder Mullit verwendet. Eine vorteilhafte Zusammensetzung der verwendeten Komponenten beträgt 40 ± 2 Gewichtsprozent Aluminiumpulver und 60 ± 2 Gewichtsprozent Aluminiumoxydpulver.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung, und zwar zeigt

F i g. 1 einen erfindungsgemäßen Überzug aus Cermet-Material und Fluorkohlenstoff,

F i g. 2 den gleichen Überzug wie F i g. 1 nach einer gewissen Benutzungszeit und

F i g. 3 die Oberfläche eines Gegenstandes mit einem Cermet-Fluorkohlenstoff-Überzug nach häufiger Benutzung.
Zur Herstellung eines Überzuges wird zuerst die Oberfläche des zu überziehenden Gegenstandes mit einem Sandstrahlgebläse angerauht; dann wird mit einem Flammsprühverfahren ein Cermet-Material, das aus einem metallischen und einem keramischen Pulver

besteht, auf diese Oberfläche aufgesprüht und anschließend eine Fluorkohlenstoffdispersion so auf die Cermet-Schicht aufgebracht, daß sie in die poröse Cermet-Schicht eindringt; dieser Fluorkohlenstoff-Film wird dann gesintert.

Vor dem Anrauhen der Oberflächen des Gegenstandes wird der Gegenstand normalerweise gereinigt, um öl- und Schmutzspuren zu entfernen, durch die die Adhäsion des aufzubringenden Cermet-Überzuges verschlechtert würde.

Die Oberfläche des Gegenstandes muß angerauht werden, damit sie kleine Vertiefungen aufweist, die die Cermet-Schicht besser festhalten. Diese Oberflächenvorbereitung ist für Flammsprühverfahren allgemein bekannt.

Am besten wird zum Anrauhen der Oberfläche ein Sandstrahlgebläse verwendet. Der Gegenstand muß so lange mit dem Sandstrahlgebläse behandelt werden, bis die Oberfläche deutliche Vertiefungen aufweist. Die Dauer dieser Behandlung hängt von der verwendeten Vorrichtung, dem Abriebmittel und dem Material des Gegenstandes ab. Ein scharfkantiger Sand wird verwendet, um die notwendigen Vertiefungen in der Oberfläche herzustellen. Allgemein kann gesagt werden, daß die Oberfläche des Gegenstandes so lange mit dem Sandstrahlgebläse behandelt werden muß, bis sich keine weiteren Veränderungen der Oberfläche mehr feststellen lassen.

In der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Cermet-Materia! in gewünschter Dicke auf den Gegenstand aufgebracht. Jedes Verfahren, bei dem gleichzeitig das Metall- und das Keramikpulver in genau bemessenen Anteilen aufgebracht werden kann, ist anwendbar, wenn der dadurch erhaltene Überzug eine gute Porosität aufweist. Mit dem hier verwendeten Ausdruck »porös« ist eine Oberflächenporosität gemeint, d. h., daß sich die vorhandenen Löcher lediglich an der Oberfläche befinden und sich zu dieser hin öffnen. Besonders bevorzugt wird ein übliches Flammsprühverfahren, um diese Zwischenschicht aus Cermet-Material aufzubringen. Die Cermet-Schicht muß porös sein und eine unregelmäßige Oberfläche besitzen, denn durch die Porosität der Zwischenschicht kann der Fluorkohlenstoff in das Cermet-Material eindringen, während die unregelmäßige Oberfläche die Abriebfestigkeit des fertigen Überzuges verbessert, da die Spitzen des Cermet-Materials aus der Oberfläche herausragen, sobald der ursprüngliche Fluorkohlenstoff-Film abgenutzt worden ist. Die Schicht aus keramischem und metallischem Pulver wird in einem Flammsprühverfahren in einer Dicke von etwa 0,05 mm auf den Gegenstand aufgebracht. Hierfür wird eine Mischung aus keramischem und metallischem Pulver in eine Flammsprühvorrichtung gegeben; es wird Sauerstoff und ein Gas angewendet, um die Pulver in eine halbgeschmolzene Form zu bringen, in welcher Form sie dann auf den Gegenstand aufgesprüht werden. Das Flammsprühverfahren muß so geregelt werden, daß eine poröse Cermet-Schicht erhalten wird, in die der Fluorkohlenstoff-Film eindringen kann. Durch diese physikalische Anordnung wird die Abriebfestigkeit in folgender Weise gewährleistet: In dem Maße, in dem der Fluorkohlenstoff-Film abgenutzt wird, treten die Spitzen der Cermet-Schicht, wie aus F i g. 2 ersichtlich, an der Oberfläche aus. Durch diesen Zustand wird die Abriebfestigkeit stark erhöht, da nunmehr die Cermet-Schicht einen Teil der Oberfläche bildet. Die Oberfläche besteht nun aus einem großen Prozentsatz Fluorkohlenstoff, aus dem Cermet-Spitzen hervorragen. Aber nicht nur die Abriebfestigkeit wird durch die Cermet-Schicht verbessert, sondern diese bildet auch eine flexible Übergangsschicht zwischen dem Gegen-r stand und dem Fluorkohlenstoff-Film, so daß die kombinierte Überzugsschicht gut verformbar ist. Auf Grund ihrer metallischen Komponenten haftet die Cermet-Schicht gut an dem überzogenen Gegenstand,

ίο der ja meist ebenfalls aus Metall besteht.

In der dritten Stufe des Verfahrens wird ein Überzug aus einer wäßrigen Dispersion eines Fluorkohlenstoffes auf die poröse Cermet-Schicht aufgebracht. Hierzu können übliche Verfahren und Vorrichtungen, die eine Kontrolle der Verfahrensbedingungen gestatten, verwendet werden. Zweckmäßigerweise wird der Überzug aufgebracht, indem man das Material auffließen läßt, den Gegenstand in den Fluorkohlenstoff eintaucht oder ein Sprühverfahren anwendet. Wie bereits ausgeführt, wird die Fluorkohlenstoff-Dispersion durch die poröse und unregelmäßige Oberfläche der Cermet-Schicht auf ähnliche Weise mit dieser verbunden wie die Cermet-Schicht mit der angerauhten Oberfläche des Gegenstandes. Die Fluorkohlenstoff-Dispersion füllt die Vertiefungen der Cermet-Schicht aus und bildet eine gleichmäßige, glatte Oberfläche. Auf Grund der Porosität und der unregelmäßigen Oberflächenbeschaffenheit der Cermet-Schicht wird eine bessere Verankerung des Fluorkohlenstoffes erhalten, und die Adhäsion der Fluorkohlenstoffschicht ist merklich besser als bei den bisher bekannten Überzugsverfahren.

, Vorzugsweise wird der Fluorkohlenstoff durch Sprühverfahren auf die Cermet-Schicht aufgebracht, wobei eine wäßrige Dispersion von Fluorkohlenstoffharz-Teilchen verwendet wird. Die Vorrichtung muß eine Luftdiise, eine Flüssigkeitsdüse und ein Nadelventil aufweisen, die groß genug sind, um die Fluorkohlenstoffe ohne Verstopfen der Vorrichtung aufsprühen zu können. Vor der Verwendung wird die Fluorkohlenstoff-Dispersion erneut dispergiert, indem man den Behälter leicht schüttelt. Dann werden große koagulierte Teilchen entfernt, indem man die Fluorkohlenstoff-Dispersion durch ein sauberes, nicht fusselndes Filtertuch oder durch ein Sieb mit öffnungen von 105 μ aus rostfreiem Stahl gießt. Zusätzliche Netzmittel und Wasser können der Fluorkohlenstoff-Dispersion beigemischt werden, um das Eindringen des Fluorkohlenstoffharzes in die Cermet-Schicht zu erleichtern. Der Fluorkohlenstoff wird so lange aufgesprüht, bis die Cermet-Oberfläche glänzend ist. Nach dem Sintern zeigt sich, daß die Dicke des Überzuges durch den Fluorkohlenstoff um 0,005 bis 0,013 mm erhöht worden ist.

Es können die verschiedensten Fluorkohlenstoffe verwendet werden, wie z. B. Polytetrafluoräthylen, Polychlortrifluoräthylen, Polyvinylidenfluorid' oder fluoriertes Polyäthylenpropylen. Alle Harze können auf diese gleiche Weise aufgesprüht werden.

In der Sinterstufe werden die Fluorkohlenstoffharz-Teilchen miteinander verschmolzen- Durch das Sintern wird die Festigkeit der Fluorkohlenstoffharz-Schicht erhöht, indem die einzelnen Teilchen praktisch zu einem homogenen Film verschmolzen werden. Die Sintertemperatur für Polytetrafluoräthylen beträgt

z. B. etwa 400° C, während des Sinterns wird mit Luft oder Wasser gekühlt.

In F i g. 1 wird ein derart hergestellter Überzug gezeigt: hierbei wurde ein Gegenstand 11, z. B. ein

eiserner Kochtopf, der eine unregelmäßige Oberfläche besitzt, mit einer Cermet-Schicht 12 so überzogen, daß die Oberfläche des Gegenstandes bedeckt wurde. Es ist zu beachten, daß das Cermet-Material 12 eine poröse, unregelmäßige Oberfläche aufweist, so daß die Fluorkohlenstoff-Dispersion 13 in das poröse und unregelmäßige Cermet-Material 12 eindringen kann. Die Grundmasse der Cermet-Schicht 12, die aus brüchigen keramischen Teilchen 14 und duktilen Metallteilchen 15 besteht, liefert sowohl eine gute Abreibfestigkeit wie auch eine gute Duktilität. Die Metallteilchen 15 in der Cermet-Schicht sollen die Adhäsion an dem Gegenstand 11 verbessern und die Cermet-Schicht 12 mit guter Duktilität versehen. Auf Grund dieser, durch die Metallteilchen 15 hervorgerufenen Duktilität kann die Überzugsschicht nach Aufbringen des Fluorkohlenstoff-Films verformt werden.

F i g. 3 zeigt die in F i g. 2 im Querschnitt wiedergegebene Oberfläche (alle Zeichnungen sind stark vergrößert).

F i g. 2 zeigt den normalen Zustand des erfihdungsgemäßen kombinierten Überzuges nach einer gewissen Abnutzung. Der Fluorkohlenstoff-Film 13 wird abgerieben, bis er mit den Spitzen der Cermet-Schicht 12 abschließt. Zu diesem Zeitpunkt besteht die Oberfläche teilweise aus der Cermet-Schicht 12, jedoch zum größten Teil immer noch aus dem Fluorkohlenstoff-Film 13. Durch die Cermet-Spitzen 12 wird eine erhöhte Abriebfestigkeit gewährleistet, die deutlich besser ist als die Abriebfestigkeit eines reinen Fluorkohlenstoff-Films. Der Überzug gemäß F i g. 2 kann mit einem Metallspatel behandelt werden, während die bekannten, mit Fluorkohlenstoffen überzogenen Töpfe und Pfannen nur mit einem Holz- oder Kunststoff-Spatel behandelt werden dürfen. Der Überzug gemäß F i g. 2 gewährleistet, daß der so überzogene Gegenstand auch bei grober Behandlung keinen Schaden erleidet. Aus der Zeichnung ist deutlich erkennbar, daß ein mit einem erfindungsgemäßen Cermet-Fluorkohlenstoff-Überzug versehener Gegenstand den Fluorkohlenstoff-Film länger beibehält, eine größere Abriebfestigkeit aufweist und insgesamt wesentlich länger brauchbar ist.

F i g. 3 zeigt die erfindungsgemäß mit einem Cermet- und einem Fluorkohlenstoff-Überzug versehene Oberfläche nach einer gewissen Abnutzung. Die Oberfläche weist nur sehr kleine Gebiete auf, an denen die Spitzen des Cermet-Materials 12 hervortreten, und der größte Teil besteht immer noch aus dem Fluorkohlenstoff-Film 13. Es muß erwähnt werden, daß diese Zeichnungen lediglich eine schematische Darstellung der Oberfläche sind und zur besseren Erläuterung stark vergrößert wurden. Die natürliche Porosität der Cermet-Schicht ist daher ebenfalls stark vergrößert.

Das Verhältnis von metallischem zu keramischem Pulver kann auf die Verwendungszwecke des Überzuges abgestimmt werden. Eine durch Flammsprühverfahren auszutragende Mischung mit ausgezeichneter Abriebfestigkeit und Leitfähigkeit besteht z. B. zu 60 i 2 Gewichtsprozent keramischem Pulver (Al₂O₃) und 40 ± 2 Gewichtsprozent Metall (Al, rostfreier Stahl — 400 series). Die Abriebfestigkeit kann auf Kosten der Duktilität durch Erhöhen des Oxydgehaltes und die Duktilität auf Kosten der Abriebfestigkeit durch Erhöhen des Metallgehaltes verbessert werden. Der nachstehende Vergleich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Cermet-Fluorkohlenstoffharz-Überzuges mit der Abriebfestigkeit eines zu 100% aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Überzuges erläutert ebenfalls die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Abriebfestigkeit wurde gemessen, indem ein Spatel aus rostfreiem Stahl (Größe: 5,7 · 18,4 cm)

ίο mit einer Belastung von 2,27 kg in einer Geschwindigkeit von 9 m/Min, über die überzogene Oberfläche geführt wurde. Vor und nach dem Abrieb-Versuch wurde der Überzug auf seine Abtrenneigenschaften untersucht, indem ein Kuchenteig darin gebacken wurde und das Anhängen des Teiges an der Form festgestellt wurde.

Ergebnis des Abrieb-Versuches

Materia!

100 °/₀ Polytetrafluoräthylen

Cermet-Polytetrafluoräthylen

Ergebnis

Der Überzug wurde nach 200-maligem Darüberführen des Spatels bis auf das Grundmaterial der Form entfernt. Die ursprünglichen Abtrenneigenschaften gingen verloren.

Nach lOOOmaligem Passieren des Spatels kein Verlust an ursprünglichen Abtrenneigenschaften. Die Spitzen der Cermet-Schicht, die nach 100-maligem Passieren des Spatels freigelegt wurden, verhinderten eine weitere Abnutzung der Oberfläche. Die Cermet-Spitzen beschädigten sogar den Spatel, ohne von ihm abgerieben zu werden.

Die Tabelle zeigt deutlich, daß durch die vorliegende Erfindung die Haltbarkeit eines Fluorkohlenstoff-Überzuges stark heraufgesetzt wird.

Als Metallkomponente im Cermet-Überzug kann statt Aluminium auch ein rostfreier Stahl, z. B. ein Nickel-Chrom-Stahl, verwendet werden.

Als Grundmaterial, das mit dem Cermet-Überzug, z. B. einem aus 60% Tonerde und 40% Aluminium bestehenden Pulver, überzogen werden kann, ist zu nennen: Aluminium und dessen Legierungen, rostfreier Stahl, Glas-Emails und wärmefeste Glassorten. Glas-Emails und wärmefeste Glassorten können ohne vorherige Behandlung mit einem Sandstrahlgebläse verwendet werden. Diese Materialien müssen nur gereinigt und vor dem Aufbringen der Cermet-Schicht auf etwa 120⁰C erhitzt werden.

Als bevorzugte Tonerde wird ein geschmolzenes Material mit einer Teilchengröße von 10 bis 44 μ verwendet. Als bevorzugtes Aluminiumpulver wird ein solches mit kugelförmigen Teilchen einer Größe, die durch ein Sieb mit Öffnungen von 44 bis 105 μ gehen, verwendet. Es soll relativ rein sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Überzugs aus einem Fluorkohlenstoffharz, wobei die zu beschichtende, aufgerauhte Oberfläche mit einer porösen Zwischenschicht bedeckt und darauf ein Film aus einem Fluorkohlenstoffharz aufgebracht und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht eine Cermet-Zwischenschicht mit ungleichmäßiger äußerer Oberfläche aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Komponente der Cermet-Schicht Aluminium, Aluminiumlegierungen, rostfreier Stahl und/oder Nickel-Chrom-Legierungen und als keramische Komponente der Cermet-Schicht Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd und/ oder Mullit verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Cermet-Schicht aus 40 ± 2 Gewichtsprozent Aluminiumpulver und aus 60 ± 2 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd-Pulver hergestellt wird.