DE2218319B2

DE2218319B2 - Verfahren zur Herstellung einer gegen Leichtmetaltschmelzen beständigen keramischen Schutzschicht auf eisenhaltigen Arbeitsgeräten

Info

Publication number: DE2218319B2
Application number: DE19722218319
Authority: DE
Inventors: Otto 5063 Overath Krist; Hans Dr. 5000 Koeln Kyri
Original assignee: Bayer Rickmann GmbH
Current assignee: Bayer Rickmann GmbH
Priority date: 1972-04-15
Filing date: 1972-04-15
Publication date: 1974-12-05
Also published as: NL7305224A; ATA330373A; ES413697A1; IT980196B; AT326449B; DE2218319C3; DE2218319A1; FR2180807B1; GB1413713A; FR2180807A1; CH553260A; BE798184A

Description

Bei der Verarbeitung von Leichtmetallen, insbesondere von Aluminium und Aluminiumlegierungen, muß eine Verunreinigung des geschmolzenen Metalls durch Eisen unbedingt vermieden werden. Die Gefahr jo einer solchen Verunreinigung ergibt sich durch den Gebrauch von Arbeitsgeräten aus Stahl, Gußeisen oder Legierungen, die einen erheblichen Eiscnanieil aufweisen. Sobald diese Materialien unmittelbar mit dem geschmolzenen Leichtmetall in Berührung kornmen, kann sich Eisen in der Schmelze auflösen. Neben der unerwünschten Auflösung von Ei.,en in dem Leichtmetall und der dadurch verursachten Verunreinigung können auf diese Weise auch wertvolle Arbeitsgeräte zerstört werden.

Es :st daher üblich, die Oberfläche der mit einer Leichtmetall-Schmelze in Berührung kommenden Geräte mit einem Oberflächenschutz /u versehen, der in der Schmelze unlöslich ist Man verwendet hierfür eine sogenannte »Schlichte«, das ist eine Suspension Von anorganischen Füllstoffen in einer Wasserglaslösung. Ei. können auch andere Suspensionen von feuerfesten Stoffen als Schlichte verwendet werden. Die so auf die Oberfläche gebrachte Schutzschicht zeigt jedoch eine Reihe von Nachteilen, die ihre Wirkung und Lebensdauer erheblich beeinträchtigen.

Infolge ihrer Porosität bietet diese Schicht nur einen gelingen Schutz gegen die Oxydation des Eisens bei der Gebrauchstemperatur dieser Geräte. Die Haftung dieser Schicht auf der Oberfläche der Geräte ist rein mechanischer Natur und ist z. B. im Vergleich Zu ihrer Emailschicht auf Stahl nur sehr gering. Die hydraulische Bindung innerhalb der Schutzschicht ergibt eine Struktur, die gegen mechanische und thermische Einwirkungen sehr empfindlich ist.

Alle diese Nachteile führen dazu, daß diese Arbeitsgeräte in der Regel nur eine sehr begrenzte Lebensdauer haben. Die Zerstörung setzt vorzugsweise an jenen Stellen ein. wo durch irgendeine Einwirkung die metallische Oberfläche freigelegt wurde bzw. auch an den Phasengrenzflächen.

Bei Geräten, die einer ständig wiederholten Erwärmung und Abkühlung unterworfen sind, wie

z. B. bei Therinometerschutzrohren, wird die Lehensdauer auch in starkem Maße von der Temperaturwechselneständigkeit der Schutzschicht bestimmt. Diese ist bei den in der Technik verwendeten Schlichten völlig unbefriedigend.

Arbeitsgeräte, die im Zusammenhang mit Leichtmeiallschmelzen benötigt werden, wie z. B. Thermometerrohre, Einleitungsrohre fur Gase, Schaber zur Entfernung der Schlacken von der Oberfläche der Metallschmelzen, Transportgefäße für Schmel/.en, werden je nach Art des Leichtmetalls und des jeweiligen Arbeitsganges bei Temperaturen zwischen 580 und 700⁰C beansprucht. Die Schutzschicht muß also bei diesen Temperaturen beständig sein und einen vollwertigen Oxydationsschutz für das eisenhaltige Material darstellen. Sie muß auch den wiederholten Temperaturwechsel zwischen 700'¹C und Raumtemperatur ohne lokale Beschädigung aushalf.

Emaillierungen sind als wertvolle Oberfiächen-.-,chuizschiclitcn für Gußeisen und Stahl bekannt. Als homogene, glasartige Schichten /eigen sie auf Gußeisen und Stahl eine intensive Haftung, die einer chemischen Bindung gleichkommt. Es ist aber erforderlich, d.i!'. die Einbrenntemperatur von Lni.iiU ■:iu,1 3(X) C über der Erweichungstemperatur der Lnuulfritien liegen muß. Die maximale Gebraii-_h->lemperatur einer Emaillierung wird meist mit eiwa KHiC niedriger angegeben als die ! rweichungsiemperatur der Emailfritten.

Eine einfache Rechnung ergibt daher, daß bei einer Gebrauchstemperatur von 7(X) C die Einhrenntemperaiur der dafür geeigneten Emails bei etwa 1100'C liegen müßte. Solche Emails sind zwar an sich bekannt; ihre Anwendung erfolgt jedoch durchwegs auf hochwertigen, legierten Stählen, deren Einsatz als Arbeitsgeräte beim Umgang mit Leicht metallschmelze wirtschaftlich nicht zn vertreten ist. Gußeisen und nichtlegierter Stahl sind bei 1 HX)⁰C jedoch einer so raschen Oxydation unterworfen, daß sie bei dieser Temperatur nicht emailliert werden können. Auch der Zusatz, von schwerschmelzcnden Oxiden zu Emails, die bei niedriger 'Temperatur eingebrannt werden können, ist bekannt. Diese Maßnahme ist. jedoch nur beschränkt anwendbar, da durch zu hohe Zusätze die für die Eniaillierung charakteristische Haftung auf dem Trägermctall stark vermindert wird. Emaillierungen. die keine Haftung zeigen, sind aber technisch nicht brauchbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfind ι .ig war es daher, eine beständige, insbesondere temperaturwcchselbeständige, haftfeste Schutzschicht auf eisenhaltigen Arbeitsgeräten, die mit I.eichtmetallschmel/en in Berührung kommen, in einfacher Weise aufzubringen.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung einer gegen Leichtmetallschmelzen beständigen keramischen Schutzschicht auf eisenhaltigen Arbeitsgeräten gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man auf die zu schützende Oberfläche einen EmailschMeker, der einen Gehalt von 5 bis 75 Gewichtsprozent an Aluminiumpulver — bezogen auf die gesamte Schlickermasse — aufweist, aufbringt, trocknet und anschließend bei Temperaturen zwischen 800 und 900⁰C einbrennt.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß die maximale Gebrauchstemperatur von 580 bis 700⁰C trotz relativ niedriger Einbrenntemperatur weit über die Erweichungstemperatur der verwendeten Emailfritten erhöht werden kann. Durch den Zusatz

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von feinverteiltem Aluminiumpulver zu dem Schlicker entspricht, wenn diese statt des Anteils Aluminium-

iius einem gemahlenem Email, z. B. einem Grund- pulver die halbe Gewichtsmenge Quarzmehl enthalten

email, Ton, Wasser und Stellsalzen, wird eine Masse würde. Normalerweise wird der Schlicker bei Tem-

erlulu-n, die in gleicher Weise einbrennt wie z. B. ein peraturen von 800 bis 900°C, bevorzugt von 820 bis

Grundemail. Die durch das Einbrennen erhaltene 5 86O°C eingebrannt.

Schicht stellt auf z. B. Gußeisen oder Stahl eine matte Die zugesetzte Menge Aluminiumpulver liegt im poröse Schutzschicht dar. Die erfindungsgemäß her- allgemeinen zwischen 5 und 75%, bezogen auf das gestellte Schicht zeigt alle Vorzüge einer Emaiüiftrung, Gewicht der eingesetzten Emailfritte. Sie soll so benämlich die ungewöhnlich intensive Haftung und den messen sein, daß nach dem Einbrennen in der Schutzguten Oxydationsschutz. Sie übertrifft die klassische io schicht mikroskopisch noch elementares Aluminium homogene Emailschicht in der Schlagfestigkeit, der nachzuweisen ist. Gegebenenfalls kann ein Teil des Abriebfestigkeit und der Temperaturwechsetbestän- Aluminiumpulvers durch einen äquivalenten Anteil digkeit. Völlig unerwartet war jedoch die Tatsache, an Aluminiumoxid als Mühlenzusatz zum Schlicker daß eine bei etwa 800 his 900⁰C eingebrannte Schicht ersetzt werden.

nach diesem Verfahren auch noch bei Temperaturen 15 An Hand des folgenden Beispiels soll das erfin-

von mehr als 700⁰C beständig ist. dungsgemäße Verfahren noch näher erläutert werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich

praktisch alle Emailfritten, wie sie zur Fmaülierung Beispie!

2 1!. '-on Stahlblechen oder Grauguß \erwendet Aus einem geeigneten Rohstoffgemisch wurde ein

ν erden. !■'■:- Zusammensetzung dieser Irine oder des ao Grundemail mit folgender errechneter Zusammen-

(iemisches aus mehreren Emailfntien ist nicht be- setzuna erschmolzen:

»onders kritisch, sie soll jedoch bevorzugt einem Gewichtsprozent

technisch brauchbar· Grundemail entsprechen. Ais S\(~), 44,4

(iren/en der Zusammensetzung der wichtigsten Be- .\] ö ^4

jt.'.ndteile können angegeben werden: 35 B Ö * 17.0

GcAicm-,pro7ent Li₂O 1,5

SiO, 33,0 bis 50.0 NlI₂O 14.0

B₂O., 0,0 bis 25,0 K-O -.0

I 1 j ι - Na₂O r K₂O 15,0 his 35,0 CaO 5,8

Al,O_n - TiO, " 0,0 bis 25,0 '" BaO 6,8

CaO - BaO 0 0 bis 15 0 CoO 0,2

ZnO -ι- P₂O₅ τ ZrO, 0,0 bis 10,0 NiO 0,9

CoO - NiO j :uO 0.0 bis 5.0 ^f: ⁴·⁰

F 0,0 bis 7.0

35 Hierbei entsprach die errechnete Zusammensetzung

Die Grundemails können weiterhin folgende Oxide dem theoretischen Gehalt an Oxiden und Fluoriden

in wechselnden Mengen enthalten: TiO₂. Ba(D, M< O, ohne Berücksichtigung eines eventuellen Fluorab-

^rO₂, MnO, SbAa. ^O₅, FeAi- brandes. Die Schmelztemperatur in einem Trommel-

Die Emailfritte wird in bekannter Weise aus einem ofen mit 150 kg Rohstoffeinsatz betrug 1200¹C, die

Hohstoffgemisch, das der gewünschten oxidischen Zu- 40 Schmclzzeit etwa 2 Stunden. Das Email wurde bis

Kainmensetzung entspricht, erschmolzen und ^;n ge- zum knoten- und blasenfreien Faden ausgeschmolzen,

eignctcr Weise abgekühlt. Die Zubereitung des Nach Beendigung der Schmelze wird das Email durch

Schlickers erfolgt durch Naßmahlung in einer Kugel- Eingießen in Wasser abgeschreckt und getrocknet,

rnühle unter Zusatz von Ton, Wasser und Stellsalzen, Das so erschmolzene Email wurde nach dem folgenden

«αic /.. B Borsäure, Nitrite. 45 Mühkn-Vcrsatz zu einem Grundemailschlicker ver-

Nach der Vermahlung wird dem Schlicker die er- mahlen.

forderliche Menge Aluminiumpulver zugegeben. Die Konventionelle Emaillierung Herstellung des Al-Pulver» ist nicht besonders kri-

lisdi, vorzugsweise verwendet mau ein Aluminium- ocnlickcr 1

pulver, welches durch Zersprühen einer Metall- 50 . „

schmelze hergestellt wurde, dessen einzelne Körner Emanfrittc Iw

miit einer Oxidhaut bedeckt sind. Man kann jedoch ' ^on · ' · ' ' .„

jedes feinvcrteilte Pulver aus Aluminium oder aus Quarzmehl

*:incr Leichtmetallegierung benutzen. Die Korngröße Borsaure

des Pulvers soll etwa im Bereich zwischen 0,010 und 55 Na-Nitrit 0.1

I)₁Ui mm liegen. Das Aluminiumpulver mit einer Wasser

tliinnen < ).xidschicht eignel sich besonders gut, weil es Mahlfeinheit 3 auf dem Sieb DIN 60 (mit 3600 Ma-

von Was.'.er benetzt wird und durch einfaches Ein- schcn/cm²) nach der BAYER-Msthode (95% mit

rühren in dem Schlicker gleichmäßig verteilt werden einer Korngröße unter 100 Mikron).

kann. Bei anderen Pulvern kann durch geeignete Zu- 60 Schlicker II

sätze von öl und Netzmitteln und/oder Dispcrgier-

hilfsmittcl eine einheitliche Dispcrgierung in dem (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren)

Schlicker erreicht werden. ^Tei'^e

Der mit dem Aluminiumpulver vermischte Schlicker Emailfritte 100

svird durch Tauchen oder Spritzen auf die Oberfläche 65 Ton 7

der 'U schützenden Arbeitsgeräte jfgetragen und Borsäure 4

getn knet. Das Einbrennen erfolg! >ei einer Tem- Na-Nitrit 0,1

pera r, die dem Brennen der gleiche Emaümisdiung Wasser 45

Mahlfeinheit 0,5 auf dem Sieb DIN 60 (mit 3600 Maschen/cm=) nach der BAYER-Methode (99 "„ mit einer Korngröße unter 100 Mikron). In diesem Schlicker wurden 40 Teile eines durch Wasser benetzbaren Aluminiumpulvers eingerührt.

Die gleiche Anzahl von entfetteten und gebeizten Rohrabschnitten wurde jeweils mit dem Schlicker I und dem Schlicker Il durch Tauchen so beschichtet, daß die gebrannte Schicht eine Dicke von 0,15 d0,03miu aufwies. Nach dem Trocknen wurden die Aufträge bei 85O°C und einer Brennzeit von 4'/₂Minuten eingebrannt. Die mit dem Schlicker I beschichteten Rohre zeigten eine glatte, glänzende Oberfläche, wie sie für eine Grundemaülierung charakteristisch ist.

Die mit dem Schlicker II beschichteten Rohre zeigten eine dunkel gefärbte matte Oberfläche, in der mikroskopisch sehr viele feine Poren und metallische Einschlüsse von Aluminiiimlncelchen zu beobachten sind.

Fin erfindungsgemäß beschichtetes Gefäß wurde bei 700°C mit geschmolzenem Aluminium bis zu eivva Va seiner Höhe erfüllt und 4 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten.

Anschließend wurde das Aluminium ausgegossen. Auf der erfindungsgemäß beschichteten Oberfläche blieb metallisches Aluminium nur in kleinen dünnen Resten haften. Diese bedeckten weniger als 10"', der gesamten beschichteten Oberfläche und ließen sich

ίο nach dem Erkalten leicht entfernen.

Ein mit einer konventionellen Emailschicht ausgekleidetes Gefäß der gleichen Art wurde ebenfalls mit einer Aluminiumschmelze gefüllt und das Aluminium nach 4 Stunden ausgegossen. Nach dem Ausgießen blieb auf der Gefäßoberfläche eine festhaftende Schicht zurück, die mehr als 25% der Gefäßoberfläche bedeckte. Auch durch starke mechanische Bearbeitung konnten die anhaftenden Aluminiumreste nur mit großen Schwierigkeiten und unvollständig entfernt

ίο werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer gegen Leicht-Bietallschmelzen beständigen keramischen Schutzlchicht auf eisenhaltigen Arbeitsgeräien, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die zu schützende Oberfläche einen Emailschlicker, «Her einen Gehalt von 5 bis 75 Gewichtsprozent an Aluminiumpulver — bezogen auf die gesamte ta Schlickermasse — aufweist, aufbringt, trocknet Und anschließend bei Temperaturen zwischen 800 und 900⁰C einbrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichnet, daß man Aluminiumpulver, das eine Korngröße von 0,01 bis 0,10 mm aufweist, einletzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch iek'ennzeichnet, daß Aluminiumpulver einse^et/i Λΐΐλί, dessen ein/eine Körner mil einer O.\i<ihati! to bedeckt sind.